本發(fā)明屬于微/納機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域，涉及了一種差動式石墨烯諧振梁加速度敏感結(jié)構(gòu)、加速度傳感器。

背景技術(shù)：

基于機(jī)械諧振技術(shù)，以諧振元件固有的諧振特性隨被測量變化規(guī)律而實(shí)現(xiàn)的傳感器稱為諧振式傳感器。諧振式傳感器自身為周期信號輸出(準(zhǔn)數(shù)字信號)，只用簡單的數(shù)字電路(不是a/d)即可轉(zhuǎn)換為易于微處理器接收的數(shù)字信號；同時，由于諧振敏感單元的重復(fù)性、分辨力和穩(wěn)定性等非常優(yōu)良，因此諧振式測量原理自然成為當(dāng)今人們研究的重點(diǎn)。

諧振式加速度傳感器，是利用諧振梁的固有頻率隨被測加速度的變化來測量加速度的。當(dāng)諧振梁受激后，以其固有頻率振動。當(dāng)對加速度傳感器施加加速度時，諧振梁軸向產(chǎn)生位移，諧振梁的剛度變化，導(dǎo)致其固有頻率發(fā)生相應(yīng)的變化；通過電容檢測法等方式可以檢測出固有頻率的變化，解算處理后得到具體的加速度值。諧振式加速度傳感器具有很高的精度，在諸如慣性導(dǎo)航、微重力探測等應(yīng)用領(lǐng)域起著至關(guān)重要的作用。

近年來，采用單晶硅材料，通過微機(jī)械加工工藝制作而成的諧振式硅微結(jié)構(gòu)加速度傳感器得到了快速發(fā)展，諧振式加速度傳感器走上小型化、微型化的道路。而石墨烯作為一種性能優(yōu)異的新型碳基納米級超薄材料，出色的力、電、光磁特性決定了它在納電子、光電子、磁電子器件以及nems等領(lǐng)域有著極大的應(yīng)用前景，因此已引起研究者的廣泛關(guān)注。繼2004年英國曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)家andregeim和konstantinnovoselov利用機(jī)械劈裂力學(xué)微加工方法首次制備出單層石墨烯(graphene)之后，關(guān)于石墨烯及其納米帶的研究越來越成為人們關(guān)注的熱點(diǎn)，其中焦點(diǎn)之一則是研究石墨烯及其納米帶的諧振特性。經(jīng)測量，單層石墨烯的理論厚度只有0.335nm，其面內(nèi)楊氏模量為1tpa，斷裂強(qiáng)度達(dá)130gpa，遠(yuǎn)優(yōu)于硅、碳納米管等材料的過載能力。石墨烯諧振式傳感器的理論研究、關(guān)鍵技術(shù)突破，還多以實(shí)驗(yàn)科學(xué)或?qū)嶒?yàn)技術(shù)為主，具體表現(xiàn)為多針對諧振器特性研究，在諧振式敏感器方面也做了一定的探索性工作，但針對石墨烯諧振梁式傳感器，尤其是在加速度測量方面的研究仍未觸及到實(shí)用傳感器層面，具有差動式諧振梁加速度傳感器的研究仍處于空白。

對于諧振式加速度傳感器，離軸串?dāng)_等引起的諧振頻率的變化不僅影響傳感器的測量精度和靈敏度，也會影響到傳感器的工作穩(wěn)定性。此外，若要提高加速度測量靈敏度，目前絕大多數(shù)辦法需要重新設(shè)計(jì)諧振敏感結(jié)構(gòu)，這也極大地增加了設(shè)計(jì)成本和制作周期。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種尺寸小、抗干擾能力強(qiáng)、靈敏度高、可感受極小加速度的一種差動式石墨烯諧振梁加速度傳感器。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：一種差動式石墨烯諧振梁加速度傳感器，包括基底、敏感質(zhì)量板、絕緣層一、絕緣層二、絕緣層三、石墨烯諧振梁一、石墨烯諧振梁二、激勵電極對一、激勵電極對二以及真空罩。在基底上刻蝕出環(huán)形凹槽，形成基底上的矩形凸臺；基底矩形凸臺表面中間覆蓋絕緣層一；刻蝕敏感質(zhì)量板，形成沿質(zhì)量板軸向?qū)ΨQ分布的敏感質(zhì)量塊、u型薄板結(jié)構(gòu)支撐梁以及兩個石墨烯梁放置凹槽；敏感質(zhì)量板固定于基底上方，且其上通槽內(nèi)側(cè)與基底凹槽外側(cè)齊平；敏感質(zhì)量板中兩個凹槽上表面分別覆蓋絕緣層二和絕緣層三；石墨烯諧振梁一兩端分別吸附在絕緣層一和絕緣層二，石墨烯諧振梁二兩端分別吸附在絕緣層一和絕緣層三，從而形成兩個雙端固支諧振梁；石墨烯諧振梁一上和石墨烯諧振梁二上分別放置激勵電極對一和激勵電極對二，用于激勵諧振梁處于諧振狀態(tài)；真空罩黏合于基底上，其上凹槽內(nèi)側(cè)與敏感質(zhì)量板外側(cè)齊平，從而完成對加速度傳感器的封閉。

其中，所述基底與敏感質(zhì)量板材料相同，兩者構(gòu)成加速度傳感器的主體。

其中，所述絕緣層可通過基底材料化學(xué)氣相沉積、熱生長氧化等方法形成，絕緣層一、絕緣層二、絕緣層三厚度一致，且不大于敏感質(zhì)量板厚度的1/5。

其中，所述石墨烯諧振梁一和石墨烯諧振梁二的材料、幾何尺寸一致，厚度為單層或多層石墨烯，長度與寬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其厚度，長寬比不小于5，沿敏感質(zhì)量板軸向方向放置，且處于真空環(huán)境。

其中，所述石墨烯諧振梁一和石墨烯諧振梁二均采用電學(xué)激勵方式，激勵電極一和激勵電極配有外部連接電路；

其中，所述的基底和敏感質(zhì)量板材料可采用單晶硅或碳化硅，絕緣層一、絕緣層二、絕緣層三可采用二氧化硅或氮化硅。

本發(fā)明的原理及工作過程是：被測加速度作用于敏感質(zhì)量板時被轉(zhuǎn)換為集中力，使具有u型薄板結(jié)構(gòu)支撐梁的質(zhì)量塊產(chǎn)生軸向微小的位移量，同時帶動雙端固支石墨烯諧振梁的一端產(chǎn)生位移，從而引起石墨烯諧振梁軸向應(yīng)力的變化。軸向的兩個石墨烯諧振梁工作于差動模式，軸向加速度引起石墨烯軸向應(yīng)力變化，一個石墨烯諧振梁軸向應(yīng)力增大，諧振頻率增加，同時另一個石墨烯諧振梁軸向應(yīng)力減小，諧振頻率降低。通過對兩個石墨烯諧振梁諧振頻率的檢測，即可表征被測加速度大小。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于：

(1)本發(fā)明中敏感質(zhì)量塊支撐梁采用u型薄板設(shè)計(jì)，u型薄板厚度遠(yuǎn)小于質(zhì)量塊軸向厚度，質(zhì)量塊在軸向方向的較小范圍內(nèi)運(yùn)動，從而獲得較大敏感質(zhì)量，提高質(zhì)量塊對微小加速度的敏感程度，實(shí)現(xiàn)超高加速度位移靈敏度。此結(jié)構(gòu)能夠保證活動質(zhì)量塊具有較好的軸向剛度使質(zhì)量塊對軸向加速度完全敏感，消除質(zhì)量塊受橫向軸加速度產(chǎn)生移動帶來的影響。

(2)本發(fā)明中四個具有一定厚度且有較長懸臂的u型薄板支撐梁兩兩成對以支撐質(zhì)量塊，解決單一支撐梁工作狀態(tài)下應(yīng)力集中問題。u型支撐梁足夠的長度限制質(zhì)量塊繞豎軸可能的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，足夠的厚度限制質(zhì)量塊在垂直于質(zhì)量塊方向可能的上下運(yùn)動，從而減小其他方向加速度對所需檢測豎軸方向加速度的影響。

(3)本發(fā)明采用的諧振結(jié)構(gòu)沿質(zhì)量塊重心對稱分布，使整個敏感結(jié)構(gòu)為高度對稱結(jié)構(gòu)，結(jié)合u型薄板支撐梁作用，從根本上消除由于非敏感軸向加速度導(dǎo)致的質(zhì)量塊敏感軸向位移及其他軸的轉(zhuǎn)動，在保證超高加速度位移靈敏度的同時擁有較小的離軸串?dāng)_，確保諧振敏感元件較高的諧振頻率。

(4)本發(fā)明采用差動式諧振結(jié)構(gòu)，能夠增強(qiáng)檢測信號，改善加速度計(jì)的非線性，提高靈敏度和測量準(zhǔn)確性，同時對共軛干擾的影響具有較好抑制和補(bǔ)償作用，使加速度傳感器具有較好的抗干擾性能。

(5)本發(fā)明中基底凹槽可使質(zhì)量塊懸空放置，避免與絕緣硅基底產(chǎn)生摩擦，保證質(zhì)量塊在軸向的順利運(yùn)動，提高其對加速度的敏感程度。同時凹槽與加速度計(jì)敏感結(jié)構(gòu)外側(cè)尺寸對應(yīng)，利于加速度計(jì)制作過程中敏感結(jié)構(gòu)的定位，消除加速度計(jì)組裝過程中的定位誤差，進(jìn)一步保證整個敏感結(jié)構(gòu)的高度對稱性。

(6)本發(fā)明采用石墨烯作為諧振梁材料，單層石墨烯厚度僅為0.335nm，使得石墨烯諧振器尺寸從微米級降至納或亞微米級，實(shí)現(xiàn)了石墨烯加速度傳感器的微型化和對微小加速度測量的可能性。

(7)本發(fā)明中真空罩與基底形成嚴(yán)格密封真空環(huán)境，諧振式傳感器的諧振結(jié)構(gòu)封裝于真空腔，從而可獲得較高量值的梁諧振子機(jī)械品質(zhì)因數(shù)，實(shí)現(xiàn)超高靈敏度加速度傳感器功能。

附圖說明

圖1為本發(fā)明中差動式石墨烯諧振梁加速度傳感器原理結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明中去除上側(cè)真空罩時諧振式加速度傳感器俯視圖。

圖3為本發(fā)明中差動式石墨烯諧振梁加速度傳感器剖視圖。

圖中附圖標(biāo)記含義為：1為基底，2為敏感質(zhì)量板，3為絕緣層一，4為絕緣層二，5為激勵電極對一，6為石墨烯諧振梁一，7為石墨烯諧振梁二，8為絕緣層三，9為激勵電極對二，10為真空罩。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖以及具體實(shí)施方式進(jìn)一步說明本發(fā)明。

如圖1、圖2、圖3所示，本實(shí)施例的一種差動式石墨烯諧振梁加速度傳感器，主要包括基底1、敏感質(zhì)量板2、絕緣層一3、絕緣層二4、激勵電極對一5、石墨烯諧振梁一6、石墨烯諧振梁二7、絕緣層三8、激勵電極對二9和真空罩10。實(shí)施例中以基底1采用絕緣硅，絕緣層一3、絕緣層二4、絕緣層三8采用sio2為例。在基底1上刻蝕出環(huán)形凹槽，形成基底上的矩形凸臺；基底矩形凸臺上表面中間覆蓋絕緣層一3；刻蝕敏感質(zhì)量板2，形成沿質(zhì)量板軸向?qū)ΨQ分布的敏感質(zhì)量塊、u型薄板結(jié)構(gòu)支撐梁以及兩個石墨烯梁放置凹槽；敏感質(zhì)量板2固定于基底1上方，且其框架內(nèi)側(cè)與基底凹槽外側(cè)齊平；敏感質(zhì)量板2中兩個石墨烯梁放置凹槽上表面分別覆蓋絕緣層二4和絕緣層三8；石墨烯諧振梁一6兩端分別吸附在絕緣層一3和絕緣層二4，石墨烯諧振梁二7兩端分別吸附在絕緣層一3和絕緣層三8，從而形成兩個雙端固支諧振梁；石墨烯諧振梁一6上和石墨烯諧振梁二7上分別放置激勵電極對一5和激勵電極對二9，用于激勵諧振梁處于諧振狀態(tài)；真空罩10黏合于基底上，其上凹槽內(nèi)側(cè)與敏感質(zhì)量板框架外側(cè)齊平，從而完成對加速度傳感器的封閉。被測加速度通過敏感質(zhì)量板2轉(zhuǎn)換為集中力，導(dǎo)致具有u型薄板結(jié)構(gòu)支撐梁的質(zhì)量塊產(chǎn)生軸向微小的位移量，同時帶動雙端固支石墨烯諧振梁一6、石墨烯諧振梁二7的一端產(chǎn)生位移，從而引起石墨烯諧振梁軸向應(yīng)力的變化。軸向的兩個石墨烯諧振梁工作于差動模式，軸向加速度引起石墨烯軸向應(yīng)力變化，一個石墨烯諧振梁軸向應(yīng)力增大，諧振頻率增加，同時另一個石墨烯諧振梁軸向應(yīng)力減小，諧振頻率降低。通過對兩個石墨烯諧振梁諧振頻率的檢測，即可表征被測加速度大小。

本實(shí)施例給出了一組傳感器結(jié)構(gòu)尺寸：

敏感質(zhì)量板2和基底1材料相同，都為絕緣硅，且兩者共同構(gòu)成加速度傳感器的主體；基底長寬厚為70μm×70μm×6μm，其上凹槽長寬深為58μm×58μm×3μm，其上凸臺長寬高為24μm×14μm×7μm。敏感質(zhì)量板2的長寬厚為60μm×60μm×5μm，其上敏感質(zhì)量塊長寬厚為53μm×53μm×5μm，其上u型薄板支撐梁單邊板厚為0.2μm。

絕緣層一3、絕緣層二4、絕緣層三8可通過基底1材料熱生長氧化、化學(xué)氣相沉積方法形成，三個絕緣層厚度均為0.5μm。

石墨烯諧振梁一6和石墨烯諧振梁二7的材料、幾何尺寸一致，長寬厚為10μm×1μm×0.335nm(單層)，二者沿敏感質(zhì)量板軸向方向放置，且處于真空環(huán)境。

石墨烯諧振梁一6和石墨烯諧振梁二7通過激勵電極對一5與激勵電極對二9采用電學(xué)激勵方式達(dá)到諧振工作狀態(tài)。

本發(fā)明的各項(xiàng)尺寸均可大于或小于實(shí)施例中所給尺寸。

本發(fā)明的制備可通過用電感耦合等離子體(icp)刻蝕、熱氧化、化學(xué)氣相沉積(cvd)、光刻、氧等離子體刻蝕、電子束蒸發(fā)、真空鍵合技術(shù)等系列工藝實(shí)現(xiàn)。

本發(fā)明說明書中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬于本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員公知的現(xiàn)有技術(shù)。