開發(fā)高精度、高靈敏度、高魯棒性的光學(xué)探測(cè)系統(tǒng)是新興技術(shù)行業(yè)迫切需要的。液體中的高性能聲音探測(cè)是傳感技術(shù)的一個(gè)重要研究方向。這些探測(cè)器用于海洋或其它液體環(huán)境，例如強(qiáng)酸和強(qiáng)堿溶液以及變壓器油，以監(jiān)聽水下聲音。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近日，慕尼黑工業(yè)大學(xué)（Technical University of Munich）和重慶大學(xué)（Chongqing University）的研究人員聯(lián)合在Advanced Engineering Materials期刊上發(fā)表了以“High-Performance Sound Detection of Nanoscale-Thick and Large-Area Graphene Oxide Films in Liquids”為題的文章。文中介紹了通過一種簡(jiǎn)單方法制造的納米級(jí)厚、大面積氧化石墨烯（GO）薄膜，實(shí)現(xiàn)了液體中的高性能聲音探測(cè)。由振動(dòng)直徑約為4.4 mm的GO薄膜和單模光纖（SMF）組成的法布里-珀羅（F-P）腔被用作傳感核心，實(shí)現(xiàn)了液體中聲音的探測(cè)。這項(xiàng)研究為快速開發(fā)用于不同液體中高性能聲音探測(cè)的傳感器提供了可能性。

在這項(xiàng)工作中，研究人員提出了一種省時(shí)、高效、厚度可控的液體沉淀法制備GO薄膜的工藝。下圖顯示了利用銅箔制備GO薄膜的工藝流程。所制備的GO薄膜表面在宏觀尺度上可以被認(rèn)為是相當(dāng)平坦的，并且沒有明顯的缺陷（粗糙度：4.777 nm），這對(duì)于傳感探頭的制備非常重要。最終研究人員獲得了厚度約為100 nm、振動(dòng)直徑約為4.4 mm的GO傳感膜。與之前的研究相比，這種振動(dòng)直徑約為4.4 mm的GO傳感膜面積更大。

GO薄膜和傳感探頭的制造工藝流程

由于石英管的最小內(nèi)徑為2.76 mm，所以利用位移臺(tái)將直徑為2.5 mm的帶有陶瓷套圈的SMF插入帶有GO膜的石英管中。由GO膜和SMF端面組成的F-P腔的長度調(diào)整為約45 μm。使用紫外線（UV）粘合劑將石英管和陶瓷套圈粘合在一起，以獲得傳感探頭。由支撐套管和透聲套管組成的透聲帽用于保護(hù)GO傳感膜，以抵抗液體壓力，從而實(shí)現(xiàn)長期穩(wěn)定性。

基于由GO膜和SMF端面組成的F-P腔的傳感探頭

隨后，研究人員為傳感探頭的性能測(cè)試搭建了測(cè)試平臺(tái)。液體環(huán)境用超純水模擬。該平臺(tái)由傳感系統(tǒng)、激勵(lì)系統(tǒng)和參考系統(tǒng)組成。傳感系統(tǒng)包括可調(diào)諧激光器、示波器、環(huán)行器、光電探測(cè)器、SMF和傳感探頭。兩個(gè)GO薄膜厚度分別約為100 nm和200 nm的傳感探頭被浸入超純水中進(jìn)行性能測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，兩個(gè)傳感探頭對(duì)不同水平的聲音信號(hào)都具有線性聲壓響應(yīng)，它們?cè)? kHz下的靈敏度分別為619.7 mV/Pa和79.68 mV/Pa；兩個(gè)傳感探頭對(duì)1-100 kHz范圍內(nèi)的聲音信號(hào)有相當(dāng)平坦的頻率響應(yīng)；此外，兩個(gè)傳感探頭對(duì)來自不同方向的聲音信號(hào)具有一致的方向響應(yīng)，其在1-100 kHz范圍內(nèi)所有方向上的靈敏度分別約為630 mV/Pa和84 mV/Pa。

傳感探頭的性能測(cè)試平臺(tái)

兩個(gè)GO薄膜厚度分別約為100 nm和200 nm的傳感探頭的性能測(cè)試結(jié)果

總而言之，研究人員展示了納米級(jí)厚、大面積的GO薄膜在液體中的高性能聲音探測(cè)。利用一種簡(jiǎn)單可控的方法制備了納米級(jí)厚、大面積的GO薄膜。振動(dòng)直徑約為4.4 mm的GO薄膜和SMF構(gòu)成傳感探頭的F-P腔，在入射光波長約為1545.06 nm的條件下，其長度約為45 μm。將由不銹鋼材料制成的支撐套管和具有聲音傳輸功能的聚氨酯彈性體制成的透聲套管組成的透聲帽放置在傳感探頭上以抵抗液體壓力，因此，這種GO傳感膜可以長時(shí)間穩(wěn)定工作。將兩個(gè)GO膜厚度分別約為100nm和200nm的傳感探頭浸入超純水中進(jìn)行性能測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，兩個(gè)傳感探頭都保持了線性聲壓響應(yīng)，在1 -100 kHz的范圍內(nèi)均具有平坦的頻率響應(yīng)和一致的方向響應(yīng)。此外，兩個(gè)傳感探頭被放在變壓器油、生理鹽水和無水乙醇中進(jìn)行性能測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，在不同液體中，在1-100 kHz的范圍內(nèi)，兩個(gè)傳感探頭在所有方向上的靈敏度分別約為630 mV/Pa和84 mV/Pa。這些結(jié)果表明，納米級(jí)厚、大面積的GO薄膜可以在液體中實(shí)現(xiàn)高性能的聲音探測(cè)，為開發(fā)傳感器提供了一種有競(jìng)爭(zhēng)力的解決方案。

審核編輯：劉清