CN107015025B - 一种差动式石墨烯谐振梁加速度传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种差动式石墨烯谐振梁加速度传感器，包括基底(1)、敏感质量板(2)、绝缘层一(3)、绝缘层二(4)、激励电极对一(5)、石墨烯谐振梁一(6)、石墨烯谐振梁二(7)、绝缘层三(8)、激励电极对二(9)和真空罩(10)。本发明采用直接敏感加速度方式：敏感质量块直接感受被测加速度，将被测加速度转化为集中力引起敏感质量块的轴向位移，进而引起石墨烯谐振梁轴向应力的变化，从而导致梁谐振频率的变化，通过检测梁的谐振频率即可实现对加速度的测量。本发明中位于敏感质量块轴向的两个石墨烯谐振梁，在被测加速度方向工作于差动模式，从而增强检测信号，提高灵敏度与测量准确性，抑制共轭干扰。

Description

一种差动式石墨烯谐振梁加速度传感器

技术领域

本发明属于微/纳机电系统技术领域，涉及了一种差动式石墨烯谐振梁加速度敏感结构、加速度传感器。

背景技术

基于机械谐振技术，以谐振元件固有的谐振特性随被测量变化规律而实现的传感器称为谐振式传感器。谐振式传感器自身为周期信号输出(准数字信号)，只用简单的数字电路(不是A/D)即可转换为易于微处理器接收的数字信号；同时，由于谐振敏感单元的重复性、分辨力和稳定性等非常优良，因此谐振式测量原理自然成为当今人们研究的重点。

谐振式加速度传感器，是利用谐振梁的固有频率随被测加速度的变化来测量加速度的。当谐振梁受激后，以其固有频率振动。当对加速度传感器施加加速度时，谐振梁轴向产生位移，谐振梁的刚度变化，导致其固有频率发生相应的变化；通过电容检测法等方式可以检测出固有频率的变化，解算处理后得到具体的加速度值。谐振式加速度传感器具有很高的精度，在诸如惯性导航、微重力探测等应用领域起着至关重要的作用。

近年来，采用单晶硅材料，通过微机械加工工艺制作而成的谐振式硅微结构加速度传感器得到了快速发展，谐振式加速度传感器走上小型化、微型化的道路。而石墨烯作为一种性能优异的新型碳基纳米级超薄材料，出色的力、电、光磁特性决定了它在纳电子、光电子、磁电子器件以及NEMS等领域有着极大的应用前景，因此已引起研究者的广泛关注。继2004年英国曼彻斯特大学物理学家Andre Geim和Konstantin Novoselov利用机械劈裂力学微加工方法首次制备出单层石墨烯(Graphene)之后，关于石墨烯及其纳米带的研究越来越成为人们关注的热点，其中焦点之一则是研究石墨烯及其纳米带的谐振特性。经测量，单层石墨烯的理论厚度只有0.335nm，其面内杨氏模量为1TPa，断裂强度达130GPa，远优于硅、碳纳米管等材料的过载能力。石墨烯谐振式传感器的理论研究、关键技术突破，还多以实验科学或实验技术为主，具体表现为多针对谐振器特性研究，在谐振式敏感器方面也做了一定的探索性工作，但针对石墨烯谐振梁式传感器，尤其是在加速度测量方面的研究仍未触及到实用传感器层面，具有差动式谐振梁加速度传感器的研究仍处于空白。

对于谐振式加速度传感器，离轴串扰等引起的谐振频率的变化不仅影响传感器的测量精度和灵敏度，也会影响到传感器的工作稳定性。此外，若要提高加速度测量灵敏度，目前绝大多数办法需要重新设计谐振敏感结构，这也极大地增加了设计成本和制作周期。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种尺寸小、抗干扰能力强、灵敏度高、可感受极小加速度的一种差动式石墨烯谐振梁加速度传感器。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种差动式石墨烯谐振梁加速度传感器，包括基底、敏感质量板、绝缘层一、绝缘层二、绝缘层三、石墨烯谐振梁一、石墨烯谐振梁二、激励电极对一、激励电极对二以及真空罩。在基底上刻蚀出环形凹槽，形成基底上的矩形凸台；基底矩形凸台表面中间覆盖绝缘层一；刻蚀敏感质量板，形成沿质量板轴向对称分布的敏感质量块、U型薄板结构支撑梁以及两个石墨烯梁放置凹槽；敏感质量板固定于基底上方，且其上通槽内侧与基底凹槽外侧齐平；敏感质量板中两个凹槽上表面分别覆盖绝缘层二和绝缘层三；石墨烯谐振梁一两端分别吸附在绝缘层一和绝缘层二，石墨烯谐振梁二两端分别吸附在绝缘层一和绝缘层三，从而形成两个双端固支谐振梁；石墨烯谐振梁一上和石墨烯谐振梁二上分别放置激励电极对一和激励电极对二，用于激励谐振梁处于谐振状态；真空罩黏合于基底上，其上凹槽内侧与敏感质量板外侧齐平，从而完成对加速度传感器的封闭。

其中，所述基底与敏感质量板材料相同，两者构成加速度传感器的主体。

其中，所述绝缘层可通过基底材料化学气相沉积、热生长氧化等方法形成，绝缘层一、绝缘层二、绝缘层三厚度一致，且不大于敏感质量板厚度的1/5。

其中，所述石墨烯谐振梁一和石墨烯谐振梁二的材料、几何尺寸一致，厚度为单层或多层石墨烯，长度与宽度远远大于其厚度，长宽比不小于5，沿敏感质量板轴向方向放置，且处于真空环境。

其中，所述石墨烯谐振梁一和石墨烯谐振梁二均采用电学激励方式，激励电极一和激励电极配有外部连接电路；

其中，所述的基底和敏感质量板材料可采用单晶硅或碳化硅，绝缘层一、绝缘层二、绝缘层三可采用二氧化硅或氮化硅。

本发明的原理及工作过程是：被测加速度作用于敏感质量板时被转换为集中力，使具有U型薄板结构支撑梁的质量块产生轴向微小的位移量，同时带动双端固支石墨烯谐振梁的一端产生位移，从而引起石墨烯谐振梁轴向应力的变化。轴向的两个石墨烯谐振梁工作于差动模式，轴向加速度引起石墨烯轴向应力变化，一个石墨烯谐振梁轴向应力增大，谐振频率增加，同时另一个石墨烯谐振梁轴向应力减小，谐振频率降低。通过对两个石墨烯谐振梁谐振频率的检测，即可表征被测加速度大小。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明中敏感质量块支撑梁采用U型薄板设计，U型薄板厚度远小于质量块轴向厚度，质量块在轴向方向的较小范围内运动，从而获得较大敏感质量，提高质量块对微小加速度的敏感程度，实现超高加速度位移灵敏度。此结构能够保证活动质量块具有较好的轴向刚度使质量块对轴向加速度完全敏感，消除质量块受横向轴加速度产生移动带来的影响。

(2)本发明中四个具有一定厚度且有较长悬臂的U型薄板支撑梁两两成对以支撑质量块，解决单一支撑梁工作状态下应力集中问题。U型支撑梁足够的长度限制质量块绕竖轴可能的旋转运动，足够的厚度限制质量块在垂直于质量块方向可能的上下运动，从而减小其他方向加速度对所需检测竖轴方向加速度的影响。

(3)本发明采用的谐振结构沿质量块重心对称分布，使整个敏感结构为高度对称结构，结合U型薄板支撑梁作用，从根本上消除由于非敏感轴向加速度导致的质量块敏感轴向位移及其他轴的转动，在保证超高加速度位移灵敏度的同时拥有较小的离轴串扰，确保谐振敏感元件较高的谐振频率。

(4)本发明采用差动式谐振结构，能够增强检测信号，改善加速度计的非线性，提高灵敏度和测量准确性，同时对共轭干扰的影响具有较好抑制和补偿作用，使加速度传感器具有较好的抗干扰性能。

(5)本发明中基底凹槽可使质量块悬空放置，避免与绝缘硅基底产生摩擦，保证质量块在轴向的顺利运动，提高其对加速度的敏感程度。同时凹槽与加速度计敏感结构外侧尺寸对应，利于加速度计制作过程中敏感结构的定位，消除加速度计组装过程中的定位误差，进一步保证整个敏感结构的高度对称性。

(6)本发明采用石墨烯作为谐振梁材料，单层石墨烯厚度仅为0.335nm，使得石墨烯谐振器尺寸从微米级降至纳或亚微米级，实现了石墨烯加速度传感器的微型化和对微小加速度测量的可能性。

(7)本发明中真空罩与基底形成严格密封真空环境，谐振式传感器的谐振结构封装于真空腔，从而可获得较高量值的梁谐振子机械品质因数，实现超高灵敏度加速度传感器功能。

附图说明

图1为本发明中差动式石墨烯谐振梁加速度传感器原理结构示意图。

图2为本发明中去除上侧真空罩时谐振式加速度传感器俯视图。

图3为本发明中差动式石墨烯谐振梁加速度传感器剖视图。

图中附图标记含义为：1为基底，2为敏感质量板，3为绝缘层一，4为绝缘层二，5为激励电极对一，6为石墨烯谐振梁一，7为石墨烯谐振梁二，8为绝缘层三，9为激励电极对二，10为真空罩。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。

如图1、图2、图3所示，本实施例的一种差动式石墨烯谐振梁加速度传感器，主要包括基底1、敏感质量板2、绝缘层一3、绝缘层二4、激励电极对一5、石墨烯谐振梁一6、石墨烯谐振梁二7、绝缘层三8、激励电极对二9和真空罩10。实施例中以基底1采用绝缘硅，绝缘层一3、绝缘层二4、绝缘层三8采用SiO₂为例。在基底1上刻蚀出环形凹槽，形成基底上的矩形凸台；基底矩形凸台上表面中间覆盖绝缘层一3；刻蚀敏感质量板2，形成沿质量板轴向对称分布的敏感质量块、U型薄板结构支撑梁以及两个石墨烯梁放置凹槽；敏感质量板2固定于基底1上方，且其框架内侧与基底凹槽外侧齐平；敏感质量板2中两个石墨烯梁放置凹槽上表面分别覆盖绝缘层二4和绝缘层三8；石墨烯谐振梁一6两端分别吸附在绝缘层一3和绝缘层二4，石墨烯谐振梁二7两端分别吸附在绝缘层一3和绝缘层三8，从而形成两个双端固支谐振梁；石墨烯谐振梁一6上和石墨烯谐振梁二7上分别放置激励电极对一5和激励电极对二9，用于激励谐振梁处于谐振状态；真空罩10黏合于基底上，其上凹槽内侧与敏感质量板框架外侧齐平，从而完成对加速度传感器的封闭。被测加速度通过敏感质量板2转换为集中力，导致具有U型薄板结构支撑梁的质量块产生轴向微小的位移量，同时带动双端固支石墨烯谐振梁一6、石墨烯谐振梁二7的一端产生位移，从而引起石墨烯谐振梁轴向应力的变化。轴向的两个石墨烯谐振梁工作于差动模式，轴向加速度引起石墨烯轴向应力变化，一个石墨烯谐振梁轴向应力增大，谐振频率增加，同时另一个石墨烯谐振梁轴向应力减小，谐振频率降低。通过对两个石墨烯谐振梁谐振频率的检测，即可表征被测加速度大小。

本实施例给出了一组传感器结构尺寸：

敏感质量板2和基底1材料相同，都为绝缘硅，且两者共同构成加速度传感器的主体；基底长宽厚为70μm×70μm×6μm，其上凹槽长宽深为58μm×58μm×3μm，其上凸台长宽高为24μm×14μm×7μm。敏感质量板2的长宽厚为60μm×60μm×5μm，其上敏感质量块长宽厚为53μm×53μm×5μm，其上U型薄板支撑梁单边板厚为0.2μm。

绝缘层一3、绝缘层二4、绝缘层三8可通过基底1材料热生长氧化、化学气相沉积方法形成，三个绝缘层厚度均为0.5μm。

石墨烯谐振梁一6和石墨烯谐振梁二7的材料、几何尺寸一致，长宽厚为10μm×1μm×0.335nm(单层)，二者沿敏感质量板轴向方向放置，且处于真空环境。

石墨烯谐振梁一6和石墨烯谐振梁二7通过激励电极对一5与激励电极对二9采用电学激励方式达到谐振工作状态。

本发明的各项尺寸均可大于或小于实施例中所给尺寸。

本发明的制备可通过用电感耦合等离子体(ICP)刻蚀、热氧化、化学气相沉积(CVD)、光刻、氧等离子体刻蚀、电子束蒸发、真空键合技术等系列工艺实现。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (7)

1.一种差动式石墨烯谐振梁加速度传感器，包括基底(1)、敏感质量板(2)、绝缘层一(3)、绝缘层二(4)、激励电极对一(5)、石墨烯谐振梁一(6)、石墨烯谐振梁二(7)、绝缘层三(8)、激励电极对二(9)和真空罩(10)，其特征在于：在基底(1)上刻蚀出环形凹槽，形成基底上的矩形凸台；基底(1)矩形凸台上表面中间覆盖绝缘层一(3)；刻蚀敏感质量板(2)，形成沿质量板轴向对称分布的敏感质量块、U型薄板结构支撑梁以及两个石墨烯梁放置凹槽；敏感质量板(2)固定于基底(1)上方，且其框架内侧与基底凹槽外侧齐平；敏感质量板(2)中两个石墨烯梁放置凹槽上表面分别覆盖绝缘层二(4)和绝缘层三(8)；石墨烯谐振梁一(6)两端分别吸附在绝缘层一(3)和绝缘层二(4)，石墨烯谐振梁二(7)两端分别吸附在绝缘层一(3)和绝缘层三(8)，从而形成两个双端固支谐振梁；石墨烯谐振梁一(6)上和石墨烯谐振梁二(7)上分别放置激励电极对一(5)和激励电极对二(9)，用于激励谐振梁处于谐振状态；真空罩(10)固定于基底(1)上，其上凹槽内侧与敏感质量板(2)框架外侧齐平，从而完成对加速度传感器的封闭；被测加速度通过敏感质量板(2)转换为集中力，导致具有U型薄板结构支撑梁的质量块产生轴向微小的位移量，同时带动双端固支石墨烯谐振梁一(6)、石墨烯谐振梁二(7)的一端产生位移，从而引起石墨烯谐振梁轴向应力的变化，轴向的两个石墨烯谐振梁工作于差动模式，轴向加速度引起石墨烯轴向应力变化，一个石墨烯谐振梁轴向应力增大，谐振频率增加，同时另一个石墨烯谐振梁轴向应力减小，谐振频率降低，通过对两个石墨烯谐振梁谐振频率的检测，即可表征被测加速度大小。

2.如权利要求1所述的一种差动式石墨烯谐振梁加速度传感器，其特征在于：所述基底(1)与敏感质量板(2)材料相同，两者构成加速度传感器的主体。

3.如权利要求1所述的一种差动式石墨烯谐振梁加速度传感器，其特征在于：所述绝缘层一(3)、绝缘层二(4)、绝缘层三(8)可通过基底(1)材料热生长氧化、化学气相沉积方法形成，绝缘层一(3)、绝缘层二(4)、绝缘层三(8)厚度一致，且不大于敏感质量板(2)厚度的1/5。

4.如权利要求1所述的一种差动式石墨烯谐振梁加速度传感器，其特征在于：所述石墨烯谐振梁一(6)和石墨烯谐振梁二(7)的材料、几何尺寸一致，厚度为单层或多层石墨烯，长度与宽度远远大于其厚度，长宽比不小于5，沿敏感质量板(2)轴向方向放置，且处于真空环境。

5.如权利要求1所述的一种差动式石墨烯谐振梁加速度传感器，其特征在于：所述石墨烯谐振梁一(6)和石墨烯谐振梁二(7)均采用电学激励方式，激励电极对一(5)和激励电极对二(9)配有外部连接电路；

6.如权利要求1、2或3所述的差动式石墨烯谐振梁加速度传感器，其特征在于：所述的基底(1)和敏感质量板(2)材料可采用单晶硅或碳，绝缘层一(3)、绝缘层二(4)、绝缘层三(8)可采用二氧化硅或氮化硅。

7.如权利要求1所述的一种差动式石墨烯谐振梁加速度传感器，其特征在于：所述敏感质量板(2)上四个U型薄板结构支撑梁几何尺寸一致，单侧数量可为二或二的倍数。