1.4 石墨烯膜光纤F-P传感器研究进展

光纤F-P传感器具有诸多优点，例如抗电磁干扰、电气绝缘、耐腐蚀、耐高温，以及具有高灵敏度、高稳定性、制备工艺相对简单等特征，而提高F-P传感器测量性能的关键方法之一是优化敏感薄膜材料。由于石墨烯具有优异的材料性能，石墨烯膜光纤F-P传感器研究已成为国内外学者的研究热点。本节以压力（静压）、声压、湿度等典型参数为例介绍相关研究进展。

1. 石墨烯膜光纤F-P压力传感器

2012年，香港理工大学Ma 等人通过熔接单模光纤与石英毛细管，将石墨烯膜转移至毛细管端面，首次完成了石墨烯膜F-P探头的制作，如图1.9（a）所示。实验结果表明，在0～5.0 kPa压力范围内，该F-P压力传感器的灵敏度可达39.4 nm/kPa，并验证了石墨烯膜能承受高达2.5 MPa的压力，从而表明石墨烯压力传感器具有宽动态压力范围 ^[46] 。

2014年，本课题组基于圆膜大挠度弹性力学方程，建立了石墨烯膜压力-挠度模型，获得了低压力条件下压力与挠度之间的近似线性关系，并仿真分析了石墨烯膜的压力—挠度响应，表明了石墨烯膜在低压测量领域具有极大潜力 ^[47] 。

2017年，北京理工大学Dong等人提出一种基于F-P干涉仪和光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Grating，FBG）的微型光纤传感器，可同时测量压力和温度，其结构如图1.9（b）所示。实验结果表明，该传感器在0～2 kPa压力范围内可实现501.4 nm/kPa的灵敏度 ^[48] ，且FBG的引入可实现压力、温度的双参数、检测与温度耦合抑制。

2019年，美国中央密歇根大学Cui等人通过聚焦离子束微加工方式，在单模光纤端面上制作了直径为20 µm的微腔，并转移石墨烯膜至该端面，形成F-P腔，如图1.9（c）所示。在0～13.2 kPa压力范围内，传感器灵敏度约为9.728 nm/kPa ^[49] 。这种基于微加工技术的微型压力传感器有望应用于生物医疗领域。

2021年，南京信息工程大学Ge等人采用化学蚀刻的方法，制作了光纤微腔结构，并利用石墨烯膜覆盖微腔，如图1.9（d）所示。在0～100 kPa的压力范围内，传感器具有79.956 nm/kPa的灵敏度与良好的线性度，并使用基于遗传算法的小波神经网络来补偿压力传感器的温度漂移 ^[50] 。

2022年，南京邮电大学Chen等人以氧化石墨烯为压敏薄膜，制作了光纤F-P压力传感器，如图1.9（e）所示。在50.5～59.0 kPa压力范围内，传感器灵敏度为3.81 nm/kPa ^[51] 。虽然测得的传感器灵敏度相对较低，但表明石墨烯衍生物薄膜，如氧化石墨烯等类似二维材料，也可用作膜片式光纤F-P压力传感器的敏感材料，结合改进的薄膜制备与悬浮转移方法，可提升当前压力传感器性能。

综上，目前石墨烯膜光纤F-P压力传感器的灵敏度仍有限，且动态测量范围较窄。如何保证高灵敏度的同时拓宽测压的动态范围是接下来的研究重点。此外，温度的变化对解调压力有关键影响，提出有效的温度补偿手段，如全光纤结构的石墨烯压力传感器等，实现高精度、高灵敏度的压力检测也是亟须攻克的难题。

2. 石墨烯膜光纤F-P声压传感器

如前文所述，2012年香港理工大学Ma 等人首次将石墨烯材料转移至毛细管端面，制备了F-P压力传感器。2013年，该课题组结合动压（声压）测量需求，仍利用F-P压力传感器结构，开展了石墨烯膜光纤F-P声压传感器的探索研究，将100 nm厚的多层石墨烯膜转移至内径为125 µm的陶瓷插芯端面，制作了石墨烯膜光纤F-P声压传感器，如图1.10（a）所示 ^[52] 。声压测试表明，传感器在0.2～22 kHz的频率范围内具有较平坦响应，并在10 kHz声压条件下获得1.1 nm/Pa的机械灵敏度，对应的电压灵敏度为13.15 mV/Pa。当声压为400 mPa时，该传感器在10 kHz处的信噪比为57.5 dB，对应的最小可探测声压（Minimum Detectable Acoustic Pressure，MDAP）为75 µPa/Hz ^1/2 。该工作首次将石墨烯作为敏感膜用作光纤F-P声压传感器，为后续研究人员推进本研究提供了有价值的经验指导。

2015年，本课题组选用4.6 nm厚的石墨烯膜，基于内径为125 µm的陶瓷插芯，制备了石墨烯膜光纤F-P声压传感器 ^[53] 。声压测试表明，该传感器的电压灵敏度为47.38 mV/Pa@15 kHz，对应的机械灵敏度提升至2.38 nm/Pa@15 kHz，且在15 kHz频率下传感器的信噪比为51.6 dB，MDAP为2.7 mPa/Hz ^1/2 ，进一步提升和验证了石墨烯膜光纤F-P声压传感器的有效性。

2018年，华中科技大学Ni等人利用直径为2 mm、厚度为10 nm的石墨烯膜制备了光纤F-P声压传感器，如图1.10（b）所示 ^[54] 。声压测试表明，在10 Pa@5 Hz声场作用下该传感器的信噪比为20 dB，MDAP为0.77 Pa/Hz ^1/2 。

2019年，美国天普大学Dong 等人开展了石墨烯膜光纤F-P声压传感器增敏结构研究，即在石墨烯膜上镀银，如图1.10（c）所示；扩大传感器背腔体积，如图1.10（d）所示。声压测试表明，对于参比的常规石墨烯膜光纤F-P声压传感器，其电压灵敏度为21.32 mV/Pa@2 kHz，对应的机械灵敏度为1.17 nm/Pa@2 kHz，如图1.10（e）所示，经薄膜镀银处理后，该传感器的电压灵敏度提高至68.41 mV/Pa@2 kHz，但机械灵敏度相应降低为1.17 nm/Pa@2 kHz。而由图1.10（f）所示的仿真结果可知，在0.5～20 kHz范围内扩大传感器背腔体积可实现增敏，机械灵敏度提升至6～10 nm/Pa@0.5～10 kHz。该工作为石墨烯膜光纤声压传感器增敏提供了必要参考 ^[55] 。

由于氧化石墨烯相较石墨烯具有制备简单、成本低与厚度可控等优势，近年来有学者尝试利用该薄膜材料制作光纤F-P声压传感器。例如，2017年电子科技大学Wu 等人利用直径为1.8 mm、厚度为100 nm的氧化石墨烯膜制备了光纤F-P声压传感器，如图1.10（g）所示。声压测试表明，该传感器的电压灵敏度为750 mV/Pa@10 kHz，且在−180°～180°范围内输出电压变化约为20 mV ^[56] 。

2020年，重庆大学Wang等人利用直径为4.337 mm、厚度为500 nm的氧化石墨烯膜制作了光纤F-P声压传感器，如图1.10（h）所示。声压测试表明，该传感器的电压灵敏度为25.8 mV/Pa@10 kHz，且在−180°～180°范围内输出电压变化约为3 mV ^[57] 。

2022年，南京邮电大学Chen等人利用直径约为1.7 mm、厚度约为64 nm的氧化石墨烯膜制备了光纤F-P声压传感器，如图1.10（i）所示。声压测试表明，该传感器在空气声探测时，其频率响应为4 Hz～20 kHz，电压灵敏度最高为102 mV/Pa@20kHz，MDAP为28.74 µPa/Hz ^1/2 @20 kHz ^[58] 。

针对声压传感器的增敏优化，2021年本课题组在常规石墨烯膜F-P声压传感器结构的外部，设计、配接了一种基于人耳仿生的外部声放大结构，如图1.10（j）所示。该放大结构在0.2～2 kHz范围内取得了明显的声放大效果，并在1.2 kHz处具有谐响应，相应的电压灵敏度从约20 mV/Pa放大至565.3 mV/Pa，明显提高了石墨烯膜光纤F-P声压传感器的低频灵敏度 ^[59] 。

综上，目前石墨烯膜光纤F-P声压传感器研究多聚焦于灵敏度增强，包括膜厚减薄或尺寸增大等常规方式，以及引入外部增敏结构等新思路；但受F-P微腔尺寸限制，文献中传感器灵敏度频率响应的平坦性不佳，且信噪比与MDAP有限，限制了该传感器的实用性。如何实现宽频带、高增益、高灵敏度、低噪声的石墨烯膜光纤声压传感器是亟待解决的核心问题。

3. 石墨烯膜光纤F-P湿度传感器

本部分围绕石墨烯、氧化石墨烯、石墨烯量子点等材料，介绍了光纤湿度传感器的代表性研究进展，明确了石墨烯膜光纤F-P湿度传感器的发展潜力。

2009年，比利时安特卫普大学Leenaerts等人利用密度泛函理论研究了石墨烯表面水分子的最优吸附态、吸附方向和吸附能，认为石墨烯是超疏水的材料；并通过能态密度和被吸附分子的杂化轨道分析可知，石墨烯和水分子间的电荷转移量较小，石墨烯自身阻抗变化也相对较小 ^[60] 。同年，美国得克萨斯理工大学Wang等人测试了石墨烯、氧化石墨烯等薄膜的可湿性和表面自由能，测得水滴在石墨烯表面接触角为127°，在氧化石墨烯表面接触角为67.4°，表明氧化石墨烯与水等各类溶剂间的吸附能都大于石墨烯，具有亲水性 ^[61] 。

随着石墨烯、氧化石墨烯等材料独特的二维结构与其对水分子的超通透性被验证，国内外学者相继开展石墨烯膜光纤F-P湿度传感器的研究。2018年本课题组制作了一种开腔式石墨烯膜光纤F-P探头结构，如图1.11（a）所示。根据测得的干涉光谱可知，在20%RH～70%RH范围内波长偏移量为0.02 nm/%RH，功率变化量为0.02 dB/%RH，均远低于先前报道的F-P 湿度传感器，也验证了石墨烯的疏水特性 ^[62] 。同年，本课题组以悬浮于毛细管端面的氧化石墨烯膜为湿度敏感单元，通过熔接单模光纤和石英毛细管，制作了光纤F-P湿度传感器，其结构如图1.11（b）所示。湿度实验表明，在10 %RH～90 %RH范围内，传感器具有约0.2 nm/%RH的较高灵敏度和约60 ms的超短响应时间 ^[63] ，为氧化石墨烯光纤湿度传感器的性能优化提供了方向参考。

石墨烯量子点（Graphene Quantum Dots，GQDs）作为一种新的准零维纳米级石墨烯材料，有着优异的物理化学性质。在GQDs吸附水分子时，其电子密度会降低，导致其折射率降低，从而实现湿度传感。2018年，东北大学Zhao等人结合聚乙烯醇（Poly Vinyl Alcohol，PVA）的高湿度敏感性，将一段空芯光纤熔接在单模光纤末端，并将GQDs-PVA化合物填充在空芯光纤的纤芯，制作了GQDs-PVA光纤F-P湿度传感器，如图1.11（c）所示。实验结果表明，在13.47%RH～81.34%RH范围内，该传感器灵敏度高达117.25 pm/%RH ^[64] 。同年，该课题组在空芯光纤和单模光纤之间熔接光子晶体光纤，同样将GQDs-PVA化合物填充在F-P腔中，如图1.11（d）所示。实验结果表明，在19.63%RH～78.86%RH范围内，测得腔长灵敏度可达0.456 nm/%RH ^[65] 。类似，2021年，中国石油大学Wang等人 ^[66] 也制作了GQDs填充的光纤F-P湿度传感器，如图1.11（e）所示，其在11 %RH～85 %RH范围内灵敏度为0.567 nm/%RH。

综上，基于氧化石墨烯的光纤湿度传感器可获得超快响应，但灵敏度尚不显著。与之相比，GQDs或GQDs-PVA化合物有助于提升湿度测量的超高灵敏度和分辨率。因此，将湿度敏感元件填充至F-P腔内可有效改善湿度敏感性能，但过厚的湿度敏感元件或过长的干涉腔体长度会严重限制湿度敏感响应时间和恢复时间。如何结合湿度敏感填充新材料、光纤传感微结构与探头结构制作工艺，实现湿度敏感的高灵敏度与快速响应是后续石墨烯膜光纤F-P湿度传感器的研究重点。 t8rwoWmtFlpYEDH4gHB6DoZRmCAptdGcotqMx5o+XLH5HKJZeBzr54bFGEmlPq/r