CN104502631A - 一种基于石墨烯的加速度传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于石墨烯的加速度传感器，所述加速度传感器包括表面绝缘的衬底，所述衬底的四周分别设有一片石墨烯薄膜，所述石墨烯薄膜两端分别设有一个金属导电电极，所述加速度传感器还包括一个封装腔，所述封装腔与衬底对应形成一个密闭的腔体，所述腔体内填充有气体。本发明所述的基于石墨烯的加速度传感器利用气体浓度变化以及石墨烯吸附气体的电阻响应来实现对加速度的测量，具有结构简单、响应时间短、灵敏度高和稳定性强的特点。
Description
技术领域
本发明涉及到加速度传感器制造的技术领域，特别涉及到一种基于石墨烯的加速度传感器。
背景技术
加速度传感器是一种能够测量加速度的传感器，通过测量由于重力引起的加速度，可以计算出设备相对于水平面的倾斜角度；通过分析动态加速度，可以分析出设备的移动状态。加速度传感器在了电子消费品、航空航天、汽车、生物医学、环境监控和军事等领域都有着十分广阔的应用前景。
一般加速度传感器就是利用了由于加速度造成传感器内部某个结构或分布变化这个特性。这种变化最终转变为电信号，且变化量与电信号的大小有固定的对应关系。许多物理效应可以用来感应加速度，比如压阻效应、压电效应、电容效应、热气泡效应以及光效应。传统的加速度传感器，多使用检验质量块，但检验质量块普遍存在传感耐冲击能力弱，测量范围窄，尺寸大，灵敏度低等特点。
近年来随着电子技术的发展和MEMS(微机电系统)技术的出现，加速度传感器的研究和开发进入了一个全新的领域，人们致力于寻求具有体积小、重量轻、惯性小、灵敏度高等特点的加速度传感器。如美国专利US20090195243公开了一种加速度传感器装置，其通过悬臂梁的左右摆动带动磁性结构的运动，引起磁场的变化，GMR传感器感应磁场的变化，从而输出差分信号。虽然该专利所述的加速度传感器具有体积小、重量轻等特点，但由于它的悬臂梁的共振频率高，限制并影响了其灵敏度，如果将悬梁臂做得太细以降低其共振频率，则容易发生变形；同时，悬梁臂的扭曲形变不可避免的会带来信号输出的误差，而且结构复杂，装配困难，成本高。再如，中国专利CN200710191247.6公开了一种单芯片三轴加速度传感器,包括加热丝温度传感器平面上方的封装腔和下方的刻蚀腔，其基本原理是通过热敏器件感应密封空腔体内的气体热对流,再通过计算输出加速度信号，该发明具有缩小传感器体积、耐冲击、重量轻等优点，但是由于热对流速度较慢，且温度容易受到外界环境的影响，因此会导致传感器的响应速度较慢，灵敏度低等问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于石墨烯的加速度传感器，具有体积小、重量轻、响应速度快和灵敏度高的特点。
为此，本发明采用以下技术方案：
一种基于石墨烯的加速度传感器，所述加速度传感器包括表面绝缘的衬底，所述衬底的四周分别设有一片石墨烯薄膜，所述石墨烯薄膜两端分别设有一个金属导电电极，所述加速度传感器还包括一个封装腔，所述封装腔与衬底对应形成一个密闭的腔体，所述腔体内填充有气体。
优选的，所述衬底为表面有绝缘氧化硅层的硅单晶衬底。
优选的，所述石墨烯薄膜为单层，厚度为0.335nm。
优选的，所述石墨烯薄膜为CVD生长的石墨烯薄膜。
优选的，所述金属导电电极的材料为Au、Cu、Ag、Al、Mo、Ti或者Ni中的至少一种。
优选的，所述气体含有CO、NO、NO2或NH3中的一种。
优选的，所述气体中CO、NO、NO2或NH3的浓度为100～1000ppm。
采用本发明所述的基于石墨烯的加速度传感器利用气体浓度变化以及石墨烯电阻对吸附气体的响应来实现对加速度的测试，具有响应时间短，灵敏度高和稳定性强的特点。
附图说明
图1为本发明基于石墨烯的加速度传感器的结构示意图。
图2为本发明基于石墨烯的加速度传感器的剖视结构示意图。
图3为本发明基于石墨烯的加速度传感器的气流同加速度方向的关系示意图。
图4为本发明基于石墨烯的加速度传感器的石墨烯导电性与加速度的关系示意图。
图5为本发明在不同的加速度下石墨烯对具有共轭给电子效应的气体的吸附响应曲线示意图。
图6为本发明在不同的加速度下石墨烯对具有吸电子效应的气体的吸附响应曲线示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、特征和优点更加的清晰，以下结合附图及实施例，对本发明的具体实施方式做出更为详细的说明，在下面的描述中，阐述了很多具体的细节以便于充分的理解本发明，但是本发明能够以很多不同于描述的其他方式来实施。因此，本发明不受以下公开的具体实施的限制。
一种基于石墨烯的加速度传感器，如图1、图2所示，所述加速度传感器包括表面绝缘的衬底1，所述衬底1的四周分别设有一片石墨烯薄膜2，所述石墨烯薄膜2两端分别设有一个金属导电电极3，所述加速度传感器还包括一个封装腔4，所述封装腔4与衬底1对应形成一个密闭的腔体，所述腔体内填充有气体。
其中，所述衬底1为表面有绝缘氧化硅层的硅单晶衬底。
其中，所述石墨烯薄膜2为单层，厚度为0.335nm。
其中，所述石墨烯薄膜2为CVD生长的石墨烯薄膜。
其中，所述金属导电电极3的材料为Au、Cu、Ag、Al、Mo、Ti或者Ni中的至少一种。
其中，所述气体含有CO、NO、NO2或NH3中的一种。
其中，所述气体中CO、NO、NO2或NH3的浓度为100～1000ppm。
本发明所述的基于石墨烯传感器利用气体浓度变化以及石墨烯对气体的吸附响应来实现对加速度的测试的工作原理如下：
石墨烯具有良好的导电性、大的比表面积以及狄拉克能带结构的特点，因此其导电性会受到吸附上来的气体分子的影响。对于一个P型掺杂后的石墨烯，如果附着在石墨烯的表面气体分子具有吸电子效应(如NO和NO2)，其表面空穴会增多而导致电阻下降表现出导电性的上升，如果表面的气体分子具有共轭给电子效应(如CO和NH3)，其表面多余的空穴则会减少而导致电阻上升表现出导电性能下降。
如图3所示，当运动加速度a向上时，气体分子g由上向下扩散，此时位于下边的石墨烯周围气体浓度增大；反之，当运动加速度a向下时，气体分子g由下向上扩散，此时位于上边的石墨烯周围气体浓度增大；当运动加速度a向左时，气体分子g由左向右扩散，此时位于右边的石墨烯周围气体浓度增大，反之，当运动加速度a向右时，气体分子g由右向左扩散，此时位于右边的石墨烯周围气体浓度增大。因此，每片石墨烯周围的气体浓度会随着加速度的方向和大小变化而变化。
本发明所述的基于石墨烯的加速度传感器中石墨烯的导电性会随着加速度的方向和大小变化而变化，如图4所示，当气体具有吸电子效应时，随着加速度的增大，如图3所示相对应的石墨烯周围气体浓度增大，石墨烯空穴增加，电阻下降，导电性上升；当气体具有共轭给电子效应，随着加速度的增大，如图3所示相对应石墨烯周围气体浓度增大，石墨烯空穴减少，电阻上升，导电性下降。因此可以由此测得加速度。
图5为本发明在不同的加速度下石墨烯对具有共轭给电子效应的气体的吸附响应曲线示意图，图6为本发明在不同的加速度下石墨烯对具有吸电子效应的气体的吸附响应曲线示意图。如图5、图6所示，本发明所述的基于石墨烯加速度传感器在很短的时间内对加速度做出响应，由此可知，本发明所述的基于石墨烯加速度传感器具有高的探测灵敏度。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于石墨烯的加速度传感器，其特征在于：所述加速度传感器包括表面绝缘的衬底，所述衬底的四周分别设有一片石墨烯薄膜，所述石墨烯薄膜两端分别设有一个金属导电电极，所述加速度传感器还包括一个封装腔，所述封装腔与衬底对应形成一个密闭的腔体，所述腔体内填充有气体。
2.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯的加速度传感器，其特征在于：所述衬底为表面有绝缘氧化硅层的硅单晶衬底。
3.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯的加速度传感器，其特征在于：所述石墨烯薄膜为单层，厚度为0.335nm。
4.根据权利要求3所述的一种基于石墨烯的加速度传感器，其特征在于：所述石墨烯薄膜为CVD生长的石墨烯薄膜。
5.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯的加速度传感器，其特征在于：所述金属导电电极的材料为Au、Cu、Ag、Al、Mo、Ti或者Ni中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯的加速度传感器，其特征在于：所述气体含有CO、NO、NO2或NH3中的一种。
7.根据权利要求6所述的一种基于石墨烯的加速度传感器，其特征在于：所述气体中CO、NO、NO2或NH3的浓度为100～1000ppm。
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