(57)【要約】      （修正有）【課題】構造が簡単で、作製が容易で、感度を向上させた波形グラフェンダイヤフラム光ファイバーＦＰ音圧センサーを提供する。【解決手段】シングルモード光ファイバー１と、光ファイバースタブ２と、波形グラフェンダイヤフラム３とを含む波形グラフェンダイヤフラム光ファイバーＦＰ音圧センサーは、波形のグラフェンダイヤフラムを感圧ユニットとし、シングルモード光ファイバーでレーザーを伝送すると共に、光ファイバーＦＰ干渉原理によりダイヤフラムの撓み変形に対する高感度検出を達成する。波形グラフェンダイヤフラムは、波形構造を有すると共に、ダイヤフラム内部応力の放出により、ダイヤフラム圧力−撓み特性を効果的に向上させることができる。本考案の音圧センサーは、構造が簡単で体積が小さく、感度が高く、電磁干渉に強いなどのメリットがあり、航空宇宙、ノイズ測定、音声対話などの音波探知分野において重大な研究意義があり、非常に有用である。【選択図】図１
0003231199.tif 000002
【実用新案登録請求の範囲】
【請求項１】
波形グラフェンダイヤフラムと、光ファイバースタブと、シングルモード光ファイバーと、接着剤と、からセンサーコンポーネントを選出して構成される波形グラフェンダイヤフラム光ファイバーFP音圧センサーであって、
前記光ファイバースタブは、セラミックスタブ、ガラス毛細管、またはMEMSプロセスで作製されるFPマイクロキャビティから構成され、
前記波形グラフェンダイヤフラムは、厚さが単層、少層または多層でありうる銅基材グラフェンダイヤフラム、ニッケル基材グラフェンダイヤフラム、またはワンステップ転移法で作製されるグラフェンダイヤフラムから構成され、
前記接着剤は、エポキシ樹脂接着剤、UV接着剤またはその他の同様の接着剤から選択される、
ことを特徴とする、波形グラフェンダイヤフラム光ファイバーFP音圧センサー。
【請求項２】
前記光ファイバースタブの材質は、ZRO2セラミックであるがこれに限定されなく、セラミックスタブと同様の構造を有する毛細管またはMEMSプロセスで作製されるFPマイクロキャビティであることを特徴とする、請求項1に記載の波形グラフェンダイヤフラム光ファイバーFP音圧センサー。
【請求項３】
前記波形グラフェンダイヤフラムは、波形の形状が正弦、矩形、台形、鋸歯状を含むがこれらに限定されない単層、少層または多層であり、
前記波形グラフェンダイヤフラムについて、等分布荷重qの作用下で、その中心撓みωと波形ダイヤフラムの各パラメータとの関係は、次の通りである。
【数１】
0003231199.tif 000007
式中、hは波形グラフェンダイヤフラムの厚さ、Rは波形グラフェンダイヤフラム全体の半径、σは波形グラフェンダイヤフラムのプレストレス、Eは波形グラフェンダイヤフラムのヤング率、νは波形グラフェンダイヤフラムのポアソン比、Nは波形グラフェンダイヤフラムの波紋の数、Hは波形グラフェンダイヤフラムの波紋の深さであることを特徴とする、請求項1に記載の波形グラフェンダイヤフラム光ファイバーFP音圧センサー。
【考案の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本考案は、光ファイバーセンシングの技術分野に属し、具体的には、波形グラフェンダイヤフラム光ファイバーFP音圧センサーおよびその作製方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
音圧を感知して出力可能な信号に変換可能なセンサーは、音圧センサーである。音圧センサーは、センサー技術の発展に伴い、軍事防衛、生体医学、国民経済などの様々な分野で広く利用されている。従来の静電容量式音圧センサーは通常、サイズが大きく電圧感度が50mV / Paであり、かつ、電磁干渉に影響されやすい。科学技術の発展および航空宇宙分野の応用要求が増加するにつれて、小型化、高感度の音声センサーに対するニーズは益々高まっている。
【０００３】
1987年、光ファイバー型FP圧力センサーは、アメリカ航空宇宙局の学者G. Beheimにより設計して作製され（参照文献：Beheim G, Fritsch K, Poorman R N. Fiber-linked interferometric pressure sensor[J]. Review of Scientific Instruments, 1987, 58(9):1655-1659.）、その高信頼性、高感度、過酷環境耐性、電磁干渉耐性、小型化、軽量化というメリットにより、検討ブームになっている。今まで、国内外の研究者は、石英膜、シリコン膜、銀膜、金膜およびキトサンポリマー等の有機膜を次々と感圧ユニットとして、FP圧力センサーに対して多くの検討を行い、主に膜の直径と厚さの比を変更させることでセンサーの性能を向上させたが、膜作製技術による制限を回避することができなかった。
【０００４】
2004年、英国マンチェスター大学のK. S. Novoselovらは、機械的剥離法によりグラファイトを1層ずつ剥離することによって、ただ単一原子分の厚さを2次元に有する炭素族の膜-グラフェンを取得した（参照文献：Novoselov K S, Geim A K, Morozov S V, et al. Electric field effect in atomically thin carbon films [J]. Science, 2004, 306(5696): 666-669.）。その後、該材料の機械、光学、電気などの特性に関する検討は、学者の注目を集めており、FP圧力センサーの膜材料および膜作製技術の制限を打ち破ることによって、FP圧力センサーの感度の向上に重要な役割を果たすと共に、音圧検出および測定に使用されることができる。例えば、2012年、英国王立工科大学のA.D.Smithは、溝付き二酸化ケイ素基板にグラフェンを転移して、溝における内と外の圧力差を変えることでグラフェンの変形を変え（参照文献：Smith A D, Vaziri S, Delin A, et al. Strain engineering in suspended graphene devices for pressure sensor applications[C]. International Conference on Ultimate Integration on Silicon. IEEE, 2012:21-24）、結果として、このような構造は、グラフェンダイヤフラムの変形を確実に発生することを示し、これが今後、グラフェンを圧力検知に用いるための基盤になっている。同年、香港理工大学のジン偉らは、グラフェンダイヤフラムを内孔径25μmの毛細管の端面に転移してFP圧力センサーを作製し（参照文献：Ma J, Jin W, Ho H L , et al. High-sensitivity fiber-tip pressure sensor with graphene diaphragm[J]. Optics Letters, 2012, 37(13):2493-2495.）、実験の結果として、該センサーの感度が39.4nm/kPaであったことを示した。翌年、該チームは、多層のグラフェンを内孔径125μmのセラミックスタブの端面に転移してFPセンサーを作製し（参照文献：Ma J, Xuan H F，Ho H L, et al. Fiber-optic Fabry-perot acoustic sensor with multilayer graphene diaphragm[J]. IEEE Photonics Technology Letters, 2013, 25(10): 932-935.）、実験測定の結果として、その感度が1.1nm/Paであり、これは、グラフェンダイヤフラムのサイズを増大することによって、センサーの感度を向上することができる証拠になっている。2015年、北京航空航天大学の李成らは、少層のグラフェンダイヤフラムを内孔径125μmのセラミックスタブの端面に転移してFPセンサーを作製し（参照文献：Li C, Gao X Y, Guo T T, et al. Analyzing the applicability of miniature ultra-high sensitivity Fabry-Perot acoustic sensor using a nanothick graphene diaphragm. Measurement Science and Technology, 2015, 26: 085101.）、実験の結果として、該センサーの感度が2.38nm/Paであったことを示し、このことより、グラフェンダイヤフラムの厚さを低減することによってセンサーの感度を向上させることができることが分かった。2018年、華中科技大学の魯平らは、少層のグラフェンダイヤフラムを直径2mmのホーン状のチャンバーを有するセラミックスタブの端面に転移して、大面積のグラフェンダイヤフラムに基づく広帯域FP音圧センサーを作製し（参照文献：Ni W J, Lu P, Fu X, et al. Ultrathin graphene diaphragm-based extrinsic Fabry-Perot interferometer for ultra-wideband fiber optic acoustic sensing. Optics Express, 2018, 26(16): 20758-20767.）、離散マルチトーンの音圧測定の結果として、該センサーは、100Hz未満の共振周波数により、フラットな周波数応答を含むが、信号雑音比が低かった（約35dB）ことを判明した。したがって、本考案は、波形のグラフェンダイヤフラムに基づき、ダイヤフラムにおける波形構造により、転移されたダイヤフラムのプレ���トレスを低減して、センサーの圧力-撓み特性が向上した。
【考案の概要】
【考案が解決しようとする課題】
【０００５】
本考案は、波形グラフェンダイヤフラム光ファイバーFP音圧センサーおよびその作製方法を提案することを目的とする。上記のセンサーは、シングルモード光ファイバーと、光ファイバースタブと、波形グラフェンダイヤフラムにより構成され、構造が簡単で、作製が容易で、かつ、音圧感圧ダイヤフラムが波形の構造であり、ダイヤフラム内の応力を低減することでFP音圧センサーの感度を向上させ、円形フラットダイヤフラムに基づくFP音圧センサーの感度が低いという従来の問題を解決することができる。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本考案の目的は、次の技術的手段によって実現される。
波形グラフェンダイヤフラムと、光ファイバースタブと、シングルモード光ファイバーと、接着剤と、からセンサーコンポーネントを選出して構成される波形グラフェンダイヤフラム光ファイバーFP音圧センサーであって、
前記光ファイバースタブは、セラミックスタブ、ガラス毛細管、またはMEMSプロセスで作製されるFPマイクロキャビティから構成され、
前記波形グラフェンダイヤフラムは、厚さが単層、少層または多層でありうる銅基材グラフェンダイヤフラム、ニッケル基材グラフェンダイヤフラム、またはワンステップ転移法で作製されるグラフェンダイヤフラムから構成され、
前記接着剤は、エポキシ樹脂接着剤、UV接着剤またはその他の同様の接着剤から選択される、
ことを特徴とする、波形グラフェンダイヤフラム光ファイバーFP音圧センサー。
【０００７】
また、波形グラフェンダイヤフラム光ファイバーFP音圧センサーの作製方法であって、
ステップ1、センサーコンポーネントの選定：グラフェンダイヤフラム、光ファイバースタブ、シングルモード光ファイバー、接着剤を選出し、ここで、上記の光ファイバースタブは、セラミックスタブまたはガラス毛細管であってよく、上記のグラフェンダイヤフラムは、厚さが単層、少層または多層でありうる銅基材グラフェンダイヤフラム、ニッケル基材グラフェンダイヤフラム、またはワンステップ転移法で作製されるグラフェンダイヤフラムであってよく、波形グラフェンダイヤフラムはステップ2で作製されてよく、上記の接着剤は、エポキシ樹脂接着剤、UV接着剤またはその他の同様の接着剤であってもよく、
ステップ2、上記の波形グラフェンダイヤフラムの作製プロセスは、先ず、きれいなシリコンチップ上に1層のフォトレジストをスピンコートして、フォトリソグラフィ技術によって溝状の波形基板を作製し、次に、光ファイバースタブをグラフェンダイヤフラムとアライメントするように、同様にフォトリソグラフィ技術によってシリコンチップに波形溝と同心の環状ボスを作製し、そして、事業用のグラフェンダイヤフラムを適切なサイズにカットすると共に、無塵ろ紙を使って、グラフェンダイヤフラムを脱イオン水に転移し、最後、すくい取りによって脱イオン水からグラフェンダイヤフラムを波形基板に転移すると共に、室温で自然乾燥させることによって、フォトレジストによる波形ダイヤフラムの作製を完了し、
ステップ3、平面が平坦で滑らかになるように、上記の光ファイバースタブの端面を研磨後、脱イオン水による超音波洗浄を行い、次に、シングルモード光ファイバーの一端から塗布層を剥離して、光ファイバカッターで平坦に切断し、最後、光ファイバースタブの端面とシングルモード光ファイバーにおける平坦に切断された端面の平坦度を端面検出器または顕微鏡によって検出し、
ステップ4、ステップ3における上記の光ファイバースタブの端面の外周に接着剤を塗布し、次に、光ファイバースタブをグラフェンダイヤフラムが転移された波形基板における環状ボスにアライメントして差し込み、室温雰囲気下でエポキシ樹脂接着剤を硬化させ、その後、波形基板と光ファイバースタブをアセトン溶液に全体に転倒して入れ、フォトレジストを溶解させ、最後、光ファイバースタブを精密ドライオーブンに取り出して乾燥させ、
ステップ5、ステップ4における上記の波形グラフェンダイヤフラムが吸着された光ファイバースタブをマイクロ変位プラットフォームに固定し、ステップ3における上記のシングルモード光ファイバーをスタブ穴に適切な深さまで差し込みながら固定させ、
ステップ6、ピグテールスプライス付きシングルモード光ファイバーの他端をファイバサーキュレータの1つのポートに接続しながら、サーキュレータのもう2つのポートをそれぞれ広帯域光源および分光計に接続し、
ステップ7、マイクロ変位プラットフォームを用いて、シングルモード光ファイバーを光ファイバースタブ内に差し込むことによって、シングルモード光ファイバーの端面と波形グラフェンダイヤフラムによりファブリペロー干渉キャビティを構成し、分光計に表示される干渉縞によりキャビティ長さを決定し、キャビティ長さが約60μmの場合、エポキシ樹脂接着剤によりシングルモード光ファイバーをセラミックスタブの末端と固定し、それによって、波形グラフェンダイヤフラム音圧センサーの作製を完了させることを含む、波形グラフェンダイヤフラム光ファイバーFP音圧センサーの作製方法。
【０００８】
ここで、上記の光ファイバースタブの材質は、ZRO2セラミックであるがこれに限定されず、セラミックスタブと同様の構造を有する毛細管またはMEMSプロセスで作製されるFPマイクロキャビティであることを特徴とする。
【０００９】
ここで、上記の波形グラフェンダイヤフラムは、波形の形状が正弦、矩形、台形、鋸歯状を含むがこれらに限定されない単層、少層または多層であり、かつ、波形のサイズが本考案に記載のサイズを含むがこれらに限定されない。
【００１０】
上記の波形グラフェンダイヤフラムについて、等分布荷重qの作用下で、その中心撓みωと波形ダイヤフラムの各パラメータとの関係は、次の通りである。
【数１】
0003231199.tif 000003
式中、hは波形グラフェンダイヤフラムの厚さ、Rは波形グラフェンダイヤフラム全体の半径、σは波形グラフェンダイヤフラムのプレストレス、Eは波形グラフェンダイヤフラムのヤング率、νは波形グラフェンダイヤフラムのポアソン比、Nは波形グラフェンダイヤフラムの波紋の数、Hは波形グラフェンダイヤフラムの波紋の深さである。
【００１１】
ここで、上記の干渉キャビティの初期キャビティ長さの測定方法は、ダブルビーム干渉の原理により、光信号位相復調におけるダブルピーク法を用いて干渉スペクトル信号を復調する。
ダブルビーム干渉の原理について、反射干渉光の強度は、
【数２】
0003231199.tif 000004
で表され、
式中、Iは反射干渉光強度、I0は入射光強度、R1は光ファイバーの端面の反射率、R2は波形グラフェンダイヤフラムの反射率、ξは干渉キャビティのキャビティ長さロス、δは隣接するビーム間の位相差である。
また、キャビティ長さLは、
【数３】
0003231199.tif 000005
で表され、
式中、λ1、λ2は、干渉スペクトルの2つの隣接するピークの波長である。
波形グラフェンダイヤフラム光ファイバーFP音圧センサーは、上記の作製方法により作製されたものである。
【００１２】
本考案の原理および作業プロセスは、変調可能なレーザー装置からレーザーを照射し、サーキュレータを経由してFPプローブにおけるシングルモード光ファイバーに伝達する。レーザーは、まず、シングルモード光ファイバーの端面で反射され、次に、波形グラフェンダイヤフラムで反射されてからシングルモード光ファイバーに戻り、それによってFP干渉が形成される。FPプローブが音圧信号によって励起されると、感圧ユニットとしての波形グラフェンダイヤフラムに撓み変形が生じることによって、FPキャビティの長さが変化し、即ちダブルビーム干渉の光路差が変化し、それによって外部音圧信号の検知が可能となる。
【考案の効果】
【００１３】
本考案は従来の技術に比べ、次のメリットがある。
（1）本考案では、光ファイバースタブの端面は、平坦で滑らかになるように、粗さ2nmの光ファイバー研磨紙で研磨処理されることにより、波形グラフェンダイヤフラムの転移および吸着に寄与する。
（2）本考案では、波形構造を有するグラフェンダイヤフラムは、サイズと厚さが同じ種類の他のダイヤフラムよりも、より小さく、FP音圧プローブの小型化を効果的に実現することができ、同時に、軽量化および電磁干渉耐性などの利点を有する。
（3）本考案では、波形構造を有するグラフェンダイヤフラムは、同等サイズのグラフェンまたは他の材料の円形フラットダイヤフラムよりも、低いダイヤフラムのプレストレスを含み、感圧ダイヤフラムの感圧の場合における撓み変形を向上させることができ、言い換えると、光ファイバーFP音圧センサーの感度を増やすことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図1は、本考案に係る波形グラフェンダイヤフラム光ファイバーFP音圧センサーの原理構造を示す模式図である。
【図２】図2は、本考案に係る波形グラフェンダイヤフラム光ファイバーFP音圧センサーの浮遊グラフェンダイヤフラムの構造モデル図である。
【図３】図3は、本考案に係る波形グラフェンダイヤフラム光ファイバーFP音圧センサーの作製を示すフロー図である。  図中、図面の記号は、1はシングルモード光ファイバー、2は光ファイバースタブ、3は波形グラフェンダイヤフラム、Rは波形グラフェンダイヤフラム全体の半径、rは波形グラフェンダイヤフラムの中央平坦領域の半径、Hは波形グラフェンダイヤフラムの波紋の深さである。
【考案を実施するための形態】
【００１５】
以下、本考案について、図面、考案を実施するための実施形態に合わせて詳しく説明する。
【００１６】
図1は、本考案に係る波形グラフェンダイヤフラム光ファイバーFP音圧センサーの原理構造を示す模式図である。該センサープローブは主に、シングルモード光ファイバー1と、光ファイバースタブ2と、波形グラフェンダイヤフラム3により構成されている。上記のシングルモード光ファイバー1は、塗布層の外径が242±5μm、クラッド層の外径が125±0.7μm、コアが10.4±0.5μmである。上記の光ファイバースタブ2は、外径が2.5mm、内孔径が125±1μm、端面が面取り付きPC面である。上記の波形グラフェンダイヤフラム3は、厚さが単層、少層または多層であってもよく、波形の形状が正弦、矩形、台形、鋸歯状を含むがこれらに限定されなく、本考案において、正弦波形構造を例とした。
【００１７】
図2は、本考案に係る波形グラフェンダイヤフラム光ファイバーFP音圧センサーの浮遊グラフェンダイヤフラムの構造モデル図である。図2に示すように、波形グラフェンダイヤフラムの構造は、ダイヤフラムの中心が外縁と平坦で揃え、中央部分が、中央平坦領域の半径がrで、波形ダイヤフラム全体の半径がR、波紋の深さがHである波形を有する円形ダイヤフラムである。このように、中央平坦領域は、干渉ビームを効果的に反射し、安定した干渉スペクトルを取得することができ、また、波紋の深さHが波形グラフェンダイヤフラムの応力放出やセンサーの感度に影響を大きく及ぼし、言い換えると、センサーの感度が波紋の深さHの増大に伴い、先に徐々に増大して、また、徐々に減少する傾向を呈する。そして、上記の波形グラフェンダイヤフラムについて、等分布荷重qの作用下で、その中心撓みωと波形ダイヤフラムの各パラメータとの関係は、次の通りである。
【数１】
0003231199.tif 000006
式中、hは波形グラフェンダイヤフラムの厚さ、Rは波形グラフェンダイヤフラム全体の半径、σは波形グラフェンダイヤフラムのプレストレス、Eは波形グラフェンダイヤフラムのヤング率、νは波形グラフェンダイヤフラムのポアソン比、Nは波形グラフェンダイヤフラムの波紋の数、Hは波形グラフェンダイヤフラムの波紋の深さである。
【００１８】
図3は、本考案に係る波形グラフェンダイヤフラム光ファイバーFP音圧センサーの作製を示すフロー図である。具体的には、次の通りである。
【００１９】
先ず、光ファイバースタブ2に対して端面処理を行う。光ファイバースタブ2の端面を粗さ2nmの光ファイバー研磨紙で研磨し、研磨された光ファイバースタブ2の端面の平坦度を端面検出器または顕微鏡で検出し、次に、研磨されて端面が平坦になった光ファイバースタブ2を脱イオン水の入ったビーカーに放置し、超音波洗浄を約5分間行い、その後、超音波洗浄された光ファイバースタブ2を50℃の精密ドライオーブンに移して乾燥させる。
【００２０】
次に、波形グラフェンダイヤフラム3の作製および浮遊転移を行う。その実施プロセスは次の通りである：先ず、きれいなシリコンチップ上に厚さ1層の10μmのフォトレジストをスピンコートして、フォトリソグラフィ技術によって、3つの溝状の波形基板を作製し、ここで、溝の深さおよび幅が何れも10μmで、隣接する溝のピッチが10μm、中央平坦領域の半径が10μmである。次に、光ファイバースタブ2をグラフェンダイヤフラムにアライメントするために、同様にフォトリソグラフィ技術によって、シリコンチップに波形溝と同心の高さおよび幅が何れも10μmかつ内半径が2.5mmである環状ボスを作製した。このため、ワンステップ転移法で作製された事業用のグラフェンダイヤフラムを適切なサイズにカットし、無塵ろ紙を使って、グラフェンダイヤフラムを脱イオン水に転移後、すくい取法によって脱イオン水からグラフェンダイヤフラムを波形基板に転移し、そして、室温で波形基板に転移されたグラフェンダイヤフラムを乾燥させ、そして、光ファイバースタブ2の端面にエポキシ樹脂接着剤を塗布し、光ファイバースタブをグラフェンダイヤフラムが転移された波形基板の環状ボスにアライメントすることで、ボスに対する光ファイバースタブ2の差し込みを完了し、そして、波形基板と光ファイバースタブ2をアセトン溶液に全体に転倒して入れ、フォトレジストを溶解させる。このようにすれば、波形グラフェンダイヤフラムが光ファイバースタブ2の端面に浮き上がり、それを40℃の精密ドライオーブンに入れて1時間乾燥後、ダイヤフラムが光ファイバースタブ2の端面に強く吸着している。
【００２１】
そして、シングルモード光ファイバー1の前処理を行う。シングルモード光ファイバー1の塗布層を剥離し、光ファイバカッターでシングルモード光ファイバー1の末端を切断し、約10.5 mmの長さの塗布層が除去されたベア光ファイバーを残す。次に、切断された光ファイバーの端面の平坦度を端面検出器または顕微鏡によって検出する。平坦度が悪い場合に、シングルモード光ファイバー1を以上のステップを繰り返して再加工処理する。その後、シングルモード光ファイバー1をアルコールが付いている無塵紙で拭いて洗浄処理を行う。
【００２２】
最後に、FPプローブを作製する。乾燥されて波形グラフェンダイヤフラム3が吸着された光ファイバースタブ2を三次元なマイクロ変位プラットフォームに固定すると共に、平坦に切断されたシングルモード光ファイバー1を光ファイバースタブ2の内孔にアライメントし、次に、分光計の干渉スペクトルの監視に従って、光ファイバーの端面が波形グラフェンダイヤフラムから約60μm離れる（即ち、初期キャビティ長さは約60μmになる）ように、マイクロ変位プラットフォームによってシングルモード光ファイバー1を光ファイバースタブ2にゆっくり差し込み、その後、エポキシ樹脂接着剤を使って、シングルモード光ファイバー1と光ファイバースタブ2の固着を達成し、波形グラフェンダイヤフラム光ファイバーFP音圧センサーの製造が完了する。
【００２３】
本考案は、明細書に詳しく記載されていない内容が、当該技術分野における当業者に公知の従来の技術に属する。
【図１】
0003231199.tif 000008
【図２】
0003231199.tif 000009
【図３】
0003231199.tif 000010