基底材料对石墨烯膜F-P声压传感器灵敏度的影响分析

李 成，刘 欢，宋学锋，肖 习，樊尚春

(1.北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院，北京 100191；2.深圳北航新兴产业技术研究院，广东深圳 518057；3.南方科技大学创新创业学院，广东深圳 518000)

0 引言

膜片式光纤声压传感器，因具有高灵敏度、微小型化、耐恶劣环境、抗电磁干扰等优点，近年来备受国内外学者关注[1]，但多为硅膜、有机聚合物膜，受敏感材料及制作工艺影响，其厚度一般在μm量级，一定程度上限制了有限尺寸下传感器的抗过载能力与灵敏度。石墨烯作为一种目前已知最薄的新型材料，其独特的2D结构和众多优异的力学、光学特性，已成为当前国内外先进压力传感器领域的前沿研究热点。例如，2013年香港理工大学Ma等利用直径125 μm、厚度100 nm的石墨烯厚膜为感压元件制作了石墨烯光纤F-P声压探头，声压测试表明，在10 kHz下其振膜的机械灵敏度达1.1 nm/Pa[2]。2015年北京航空航天大学Li等利用厚度为4.3 nm、直径为125 μm的薄层石墨烯膜制作了声压传感器，在15 kHz下其振膜机械灵敏度提高至2.38 nm/Pa，且在0.1～20 kHz范围内具有较平坦的频响特性[3]。2017年电子科技大学Wu等制作了膜厚100 nm、直径1.8 mm的氧化石墨烯膜光纤F-P声压传感器，在0.1～20 kHz范围内实现声压测量，在10 kHz时电压灵敏度为750 mV/Pa[4]。2018年华中科技大学Lu等利用直径为2 mm、厚度为10 nm的石墨烯膜制作了F-P声压传感器，在10 kHz声压信号下其最小可探测声压为0.77 μPa/Hz1/2[5]。

总之，近年来国内外学者基于石墨烯膜开展了大量F-P声压传感器的探头制作与实验研究，并通过设计石墨烯膜结构参数，实现传感器振膜动态响应的灵敏度提升。为此，本文同样以石墨烯为压力敏感薄膜，通过选用不同基底材料，制备石墨烯膜光纤F-P声压传感器，从石墨烯膜与基底之间的吸附行为，分析传感器灵敏度的影响机制。

1 探头制备与薄膜吸附理论

1.1 石墨烯膜光纤F-P探头制备

本文分别选取PDMS、SU-8和氧化锆3种材料作为石墨烯膜吸附基底。石墨烯膜F-P探头制作过程主要包括基底制备、薄膜转移和F-P封腔3个部分。其中，氧化锆基底直接选用内径为125 μm的商用氧化锆陶瓷插芯，通过薄膜转移完成F-P探头制作。

1.1.1 SU-8基底制备

SU-8基底的制作流程如图1所示。首先将内径为125 μm氧化锆陶瓷插芯用超声清洗机清洗干净，待其干燥后，剥掉单模光纤涂覆层并剪切至合适的长度插入插芯；然后，将SU-8 2025光刻胶涂在插芯带有倒角的端面，并将其放到95 ℃精密干燥箱中前烘20 min，前烘结束后将带有光刻胶的一端放到紫外灯下曝光2 min，之后再次放到95 ℃的精密干燥箱中后烘30 min；待光刻胶完全固化后，使用研磨纸进行端面光滑处理；最后，将插芯置于精密干燥箱中加热到75 ℃后，去除裸纤，并擦拭端面，去除杂质与细小碎屑。

图1 SU-8基底制作流程图

1.1.2 PDMS基底制备

PDMS基底的制作流程如图2所示。将插芯从两端插入带有侧壁缝隙的套管，并将去除涂覆层的单模光纤剪切5 cm插入插芯中；之后，将PDMS和固化剂按照10∶1的比例进行配比，搅匀后用移液管将PDMS滴在套管的侧壁缝隙，使得PMDS液体流入并填满套管；随后，将填满PDMS的套管置于精密干燥箱中加热至95 ℃，使得PDMS完全固化；接下来，拔出光纤和套管任意一侧的插芯，然后将另一侧的插芯推向套管内直至将整个套管去除。同样，端面处理以去除杂质与细小碎屑。

图2 PDMS基底制作流程图

1.1.3 石墨烯膜转移与封腔

3种基底的薄膜转移方法均采用湿法转移。首先，将商用铜基CVD石墨烯膜剪成合适大小，并借助丙酮溶液去除PMMA涂层；然后，用制备好的3种基底材料插芯捞取悬浮石墨烯膜；之后，将端面吸附有石墨烯膜的腔体置于精密干燥箱内加热至40 ℃，保持1 h，则干燥后的石墨烯膜受范德华力作用牢固地吸附于插芯端面；接下来，将干燥后的石墨烯膜F-P探头固定于三维微位移平台，结合光谱仪的干涉光谱监测，确定由石墨烯膜与光纤端面构成的初始腔长，并通过环氧树脂胶将光纤和插芯固定，制成的以插芯为基底的石墨烯膜光纤F-P探头实物如图3所示。

图3 石墨烯膜光纤F-P探头的实物图

1.2 薄膜吸附行为分析

石墨烯膜因其优异的力学和电学等各方面性能得到了广泛的应用，其黏附力学特性在新型微纳传感器件、电子器件性能有着重要的影响，因此也受到了科研工作者的广泛关注。目前石墨烯吸附特性的实验研究方法主要有鼓泡法、划痕实验和剥离实验等，且石墨烯的吸附特性与石墨烯的厚度(层数)和基底材料等诸多因素密切相关，表1给出了石墨烯膜与不同基底间吸附能的研究结果。

表1 石墨烯膜与不同基底间的吸附能

根据表1可大体推测单层/多层石墨烯膜与基底的吸附能相对于基底杨氏模量之间的关系。如图4所示的几种基底材料，单层/多层石墨烯膜与基底的吸附能随着基底的杨氏模量增大而逐渐增大，当基底杨氏模量从130 GPa增加到795 GPa时，单层石墨烯膜与基底的吸附能增加近3倍。因此，选用杨氏模量较低的基底材料，理论上可降低石墨烯膜的吸附能，而较低的吸附能会降低石墨烯膜的预应力，从而提升传感器的灵敏度。

图4 石墨烯膜吸附能与基底杨氏模量之间的关系

2 实验测试与分析

参考图5所示的声压测试实验平台，在隔音箱内将制备的石墨烯膜F-P声压传感器和参比传感器MP201(标称电压灵敏度为50.7 mV/Pa)置于扬声器轴线的对称位置。由可调谐激光器激发1 550 nm的激励光，通过环形器进入F-P腔，反射光经环形器馈入光电探测器(DC-200 kHz，光电探测器的转换系数为107V/W)，并接入示波器进行显示和存储。参考传声器经配套的信号解调器放大处理后也接入示波器的另一路通道，实现声压信号的同步采集与提取。

图5 声压实验平台

利用图5所示的声压平台，在1 kHz的声压条件下，调节可调谐激光器AP3350A的光功率为-17.3 dBm，测试不同基底材料对传感器的灵敏度影响，实验结果如图6所示。由此可知，PDMS、SU-8和氧化锆基底探头的灵敏度分别为12.8 mV/Pa、10.6 mV/Pa和25.9 mV/Pa。这样，杨氏模量较低的PDMS、SU-8基底制备的F-P探头灵敏度低于氧化锆基底探头，即较低的石墨烯/基底间吸附能并没有改善声压灵敏度，反而效果变差。分析其主要原因是，制备的PDMS、SU-8基底的表面粗糙度较大，如图7所示。这两种基底虽可降低石墨烯膜/基底间的吸附能，但性能欠佳的基底表面形貌导致悬浮石墨烯膜的周边固支边界条件变差，且较软的基底材料也易导致F-P腔体变形，造成灵敏度整体上未能提升，以及降低F-P声压响应频率。

图6 基于不同基底材料的F-P探头声压响应

(a)PDMS

(b)SU-B

(c)氧化锆图7 3种材料基底的表面情况

3 结束语

基于石墨烯薄膜与基底间的吸附能行为，讨论了基底材料的杨氏模量对声压灵敏度的理论影响，并通过制备石墨烯光纤F-P声压传感器与声压测试，实验研究了PDMS、SU-8和氧化锆等3种基底材料对F-P传感器声压灵敏度的影响。结果表明，PDMS、SU-8基底虽可降低薄膜/基底间的吸附能，但形成的较高的基底表面粗糙度使石墨烯膜周边固支条件变差，未能实现灵敏度的有效改善。这为后续进一步通过基底表面结构处理以提高石墨烯膜F-P声压传感器灵敏度提供了思路和方法。