基底材料對石墨烯膜F-P聲壓傳感器靈敏度的影響分析

李 成，劉 歡，宋學(xué)鋒，肖 習(xí)，樊尚春

(1.北京航空航天大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，北京 100191；2.深圳北航新興產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院，廣東深圳 518057；3.南方科技大學(xué)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)學(xué)院，廣東深圳 518000)

0 引言

膜片式光纖聲壓傳感器，因具有高靈敏度、微小型化、耐惡劣環(huán)境、抗電磁干擾等優(yōu)點，近年來備受國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注[1]，但多為硅膜、有機(jī)聚合物膜，受敏感材料及制作工藝影響，其厚度一般在μm量級，一定程度上限制了有限尺寸下傳感器的抗過載能力與靈敏度。石墨烯作為一種目前已知最薄的新型材料，其獨特的2D結(jié)構(gòu)和眾多優(yōu)異的力學(xué)、光學(xué)特性，已成為當(dāng)前國內(nèi)外先進(jìn)壓力傳感器領(lǐng)域的前沿研究熱點。例如，2013年香港理工大學(xué)Ma等利用直徑125 μm、厚度100 nm的石墨烯厚膜為感壓元件制作了石墨烯光纖F-P聲壓探頭，聲壓測試表明，在10 kHz下其振膜的機(jī)械靈敏度達(dá)1.1 nm/Pa[2]。2015年北京航空航天大學(xué)Li等利用厚度為4.3 nm、直徑為125 μm的薄層石墨烯膜制作了聲壓傳感器，在15 kHz下其振膜機(jī)械靈敏度提高至2.38 nm/Pa，且在0.1～20 kHz范圍內(nèi)具有較平坦的頻響特性[3]。2017年電子科技大學(xué)Wu等制作了膜厚100 nm、直徑1.8 mm的氧化石墨烯膜光纖F-P聲壓傳感器，在0.1～20 kHz范圍內(nèi)實現(xiàn)聲壓測量，在10 kHz時電壓靈敏度為750 mV/Pa[4]。2018年華中科技大學(xué)Lu等利用直徑為2 mm、厚度為10 nm的石墨烯膜制作了F-P聲壓傳感器，在10 kHz聲壓信號下其最小可探測聲壓為0.77 μPa/Hz1/2[5]。

總之，近年來國內(nèi)外學(xué)者基于石墨烯膜開展了大量F-P聲壓傳感器的探頭制作與實驗研究，并通過設(shè)計石墨烯膜結(jié)構(gòu)參數(shù)，實現(xiàn)傳感器振膜動態(tài)響應(yīng)的靈敏度提升。為此，本文同樣以石墨烯為壓力敏感薄膜，通過選用不同基底材料，制備石墨烯膜光纖F-P聲壓傳感器，從石墨烯膜與基底之間的吸附行為，分析傳感器靈敏度的影響機(jī)制。

1 探頭制備與薄膜吸附理論

1.1 石墨烯膜光纖F-P探頭制備

本文分別選取PDMS、SU-8和氧化鋯3種材料作為石墨烯膜吸附基底。石墨烯膜F-P探頭制作過程主要包括基底制備、薄膜轉(zhuǎn)移和F-P封腔3個部分。其中，氧化鋯基底直接選用內(nèi)徑為125 μm的商用氧化鋯陶瓷插芯，通過薄膜轉(zhuǎn)移完成F-P探頭制作。

1.1.1 SU-8基底制備

SU-8基底的制作流程如圖1所示。首先將內(nèi)徑為125 μm氧化鋯陶瓷插芯用超聲清洗機(jī)清洗干凈，待其干燥后，剝掉單模光纖涂覆層并剪切至合適的長度插入插芯；然后，將SU-8 2025光刻膠涂在插芯帶有倒角的端面，并將其放到95 ℃精密干燥箱中前烘20 min，前烘結(jié)束后將帶有光刻膠的一端放到紫外燈下曝光2 min，之后再次放到95 ℃的精密干燥箱中后烘30 min；待光刻膠完全固化后，使用研磨紙進(jìn)行端面光滑處理；最后，將插芯置于精密干燥箱中加熱到75 ℃后，去除裸纖，并擦拭端面，去除雜質(zhì)與細(xì)小碎屑。

圖1 SU-8基底制作流程圖

1.1.2 PDMS基底制備

PDMS基底的制作流程如圖2所示。將插芯從兩端插入帶有側(cè)壁縫隙的套管，并將去除涂覆層的單模光纖剪切5 cm插入插芯中；之后，將PDMS和固化劑按照10∶1的比例進(jìn)行配比，攪勻后用移液管將PDMS滴在套管的側(cè)壁縫隙，使得PMDS液體流入并填滿套管；隨后，將填滿PDMS的套管置于精密干燥箱中加熱至95 ℃，使得PDMS完全固化；接下來，拔出光纖和套管任意一側(cè)的插芯，然后將另一側(cè)的插芯推向套管內(nèi)直至將整個套管去除。同樣，端面處理以去除雜質(zhì)與細(xì)小碎屑。

圖2 PDMS基底制作流程圖

1.1.3 石墨烯膜轉(zhuǎn)移與封腔

3種基底的薄膜轉(zhuǎn)移方法均采用濕法轉(zhuǎn)移。首先，將商用銅基CVD石墨烯膜剪成合適大小，并借助丙酮溶液去除PMMA涂層；然后，用制備好的3種基底材料插芯撈取懸浮石墨烯膜；之后，將端面吸附有石墨烯膜的腔體置于精密干燥箱內(nèi)加熱至40 ℃，保持1 h，則干燥后的石墨烯膜受范德華力作用牢固地吸附于插芯端面；接下來，將干燥后的石墨烯膜F-P探頭固定于三維微位移平臺，結(jié)合光譜儀的干涉光譜監(jiān)測，確定由石墨烯膜與光纖端面構(gòu)成的初始腔長，并通過環(huán)氧樹脂膠將光纖和插芯固定，制成的以插芯為基底的石墨烯膜光纖F-P探頭實物如圖3所示。

圖3 石墨烯膜光纖F-P探頭的實物圖

1.2 薄膜吸附行為分析

石墨烯膜因其優(yōu)異的力學(xué)和電學(xué)等各方面性能得到了廣泛的應(yīng)用，其黏附力學(xué)特性在新型微納傳感器件、電子器件性能有著重要的影響，因此也受到了科研工作者的廣泛關(guān)注。目前石墨烯吸附特性的實驗研究方法主要有鼓泡法、劃痕實驗和剝離實驗等，且石墨烯的吸附特性與石墨烯的厚度(層數(shù))和基底材料等諸多因素密切相關(guān)，表1給出了石墨烯膜與不同基底間吸附能的研究結(jié)果。

表1 石墨烯膜與不同基底間的吸附能

根據(jù)表1可大體推測單層/多層石墨烯膜與基底的吸附能相對于基底楊氏模量之間的關(guān)系。如圖4所示的幾種基底材料，單層/多層石墨烯膜與基底的吸附能隨著基底的楊氏模量增大而逐漸增大，當(dāng)基底楊氏模量從130 GPa增加到795 GPa時，單層石墨烯膜與基底的吸附能增加近3倍。因此，選用楊氏模量較低的基底材料，理論上可降低石墨烯膜的吸附能，而較低的吸附能會降低石墨烯膜的預(yù)應(yīng)力，從而提升傳感器的靈敏度。

圖4 石墨烯膜吸附能與基底楊氏模量之間的關(guān)系

2 實驗測試與分析

參考圖5所示的聲壓測試實驗平臺，在隔音箱內(nèi)將制備的石墨烯膜F-P聲壓傳感器和參比傳感器MP201(標(biāo)稱電壓靈敏度為50.7 mV/Pa)置于揚(yáng)聲器軸線的對稱位置。由可調(diào)諧激光器激發(fā)1 550 nm的激勵光，通過環(huán)形器進(jìn)入F-P腔，反射光經(jīng)環(huán)形器饋入光電探測器(DC-200 kHz，光電探測器的轉(zhuǎn)換系數(shù)為107V/W)，并接入示波器進(jìn)行顯示和存儲。參考傳聲器經(jīng)配套的信號解調(diào)器放大處理后也接入示波器的另一路通道，實現(xiàn)聲壓信號的同步采集與提取。

圖5 聲壓實驗平臺

利用圖5所示的聲壓平臺，在1 kHz的聲壓條件下，調(diào)節(jié)可調(diào)諧激光器AP3350A的光功率為-17.3 dBm，測試不同基底材料對傳感器的靈敏度影響，實驗結(jié)果如圖6所示。由此可知，PDMS、SU-8和氧化鋯基底探頭的靈敏度分別為12.8 mV/Pa、10.6 mV/Pa和25.9 mV/Pa。這樣，楊氏模量較低的PDMS、SU-8基底制備的F-P探頭靈敏度低于氧化鋯基底探頭，即較低的石墨烯/基底間吸附能并沒有改善聲壓靈敏度，反而效果變差。分析其主要原因是，制備的PDMS、SU-8基底的表面粗糙度較大，如圖7所示。這兩種基底雖可降低石墨烯膜/基底間的吸附能，但性能欠佳的基底表面形貌導(dǎo)致懸浮石墨烯膜的周邊固支邊界條件變差，且較軟的基底材料也易導(dǎo)致F-P腔體變形，造成靈敏度整體上未能提升，以及降低F-P聲壓響應(yīng)頻率。

圖6 基于不同基底材料的F-P探頭聲壓響應(yīng)

(a)PDMS

(b)SU-B

(c)氧化鋯圖7 3種材料基底的表面情況

3 結(jié)束語

基于石墨烯薄膜與基底間的吸附能行為，討論了基底材料的楊氏模量對聲壓靈敏度的理論影響，并通過制備石墨烯光纖F-P聲壓傳感器與聲壓測試，實驗研究了PDMS、SU-8和氧化鋯等3種基底材料對F-P傳感器聲壓靈敏度的影響。結(jié)果表明，PDMS、SU-8基底雖可降低薄膜/基底間的吸附能，但形成的較高的基底表面粗糙度使石墨烯膜周邊固支條件變差，未能實現(xiàn)靈敏度的有效改善。這為后續(xù)進(jìn)一步通過基底表面結(jié)構(gòu)處理以提高石墨烯膜F-P聲壓傳感器靈敏度提供了思路和方法。