CN106918420A - 一种双石墨烯谐振梁式压力传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双石墨烯谐振梁式压力传感器，主要包括基底(1)、绝缘层(2)、方形平膜片(3)、第一石墨烯谐振工作梁(4)、第二石墨烯谐振工作梁(5)五部分。本发明采用二次敏感方式：方形平膜片用作一次敏感元件，它将压力转换为膜片上的应力；膜片上表面处于真空中的双端固支石墨烯谐振梁作为二次谐振敏感元件，工作时梁的谐振频率随作用在膜片上的压力的变化而变化，通过检测梁的谐振频率就可以实现对压力的测量。本发明中处于不同位置的石墨烯谐振梁对应力场等物理场敏感能力不同，而对温度场等敏感能力相近，因此可实现准差动测量，消除温度等环境因素带来的影响，提高测量精度和稳定性。
Description
技术领域
本发明属于微/纳机电系统技术领域，具体涉及一种双石墨烯谐振梁式压力传感器。
背景技术
基于机械谐振技术，以谐振元件作为敏感元件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。
振膜式压力传感器，是利用振膜的固有频率随被测压力而变化来测量压力的。当膜片受激振力后，以其固有频率振动。当被测压力变化时，膜片的刚度变化，导致其固有频率发生相应的变化；通过光干涉法等方式可以检测出固有频率，解算得到具体压力值。振膜式压力传感器具有很高的精度，也作为关键传感器应用于高性能超音速飞机上。
20世纪90年代后，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压力传感器得到了快速发展，谐振式压力传感器走上小型化、微型化的道路。而石墨烯作为一种新型的超薄材料，以其出色的材料属性和机械性能引起广泛关注。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。2004年，英国曼彻斯特大学物理学家Andre Geim(安德烈·盖姆)和Konstantin Novoselov(康斯坦丁·诺沃肖洛夫)，首次采用机械剥离法成功从石墨中分离出单层石墨烯(Graphene)，开启了世界范围内石墨烯研究的里程。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，尚未触及到实用传感器层面，具有复合敏感差动检测的压力传感器仍处于研究空白。
对于谐振式传感器，环境因素如温度引起的谐振频率的变化不仅影响传感器的测量精度，也会影响到传感器的工作稳定性。另外，若需改变压力测量范围，目前绝大多数办法得重新设计谐振敏感结构(以下简称“谐振子”)，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、结构简单、抗干扰能力强、测量精度高的一种双石墨烯谐振梁式压力传感器。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种双石墨烯谐振梁式压力传感器，包括基底、绝缘层、方形平膜片、第一石墨烯谐振工作梁和第二石墨烯谐振工作梁，在原始晶圆底部中央区域刻蚀出方形深槽，形成基底和方形平膜片；基底表面覆盖一层绝缘层，绝缘层中央区域刻蚀出矩形浅槽，矩形浅槽深度与绝缘层厚度一致，且位于方形平膜片的正上方；第一石墨烯谐振工作梁悬置在绝缘层矩形浅槽中央，第二石墨烯谐振工作梁悬置在绝缘层矩形浅槽短边边缘；第一石墨烯谐振工作梁和第二石墨烯谐振工作梁的两矩形短边分别吸附在绝缘层上，形成双端固支谐振梁。
其中，所述基底与方形平膜片材料相同，两者为一个整体。
其中，所述绝缘层可通过基底材料热生长氧化法、化学气相沉积法等方法形成，绝缘层厚度远小于方形平膜片厚度。
其中，所述第一石墨烯谐振工作梁和第二石墨烯谐振工作梁的几何尺寸一致，厚度为单层或多层石墨烯，长度远远大于其厚度，放置方向平行于绝缘层矩形浅槽短边，且处于真空环境。
其中，所述第一石墨烯谐振工作梁和第二石墨烯谐振工作梁所采用的激励-检测方式均一致；
当所述的激励-检测方式为电学方式时，吸附于绝缘层的石墨烯谐振梁两矩形短边区域有连接外部电路的电极；
当所述的激励-检测方式为激光激励时，激光光斑应对准第一石墨烯谐振工作梁和第二石墨烯谐振工作梁的中心处。
其中，所述的基底材料可采用单晶硅或碳化硅，绝缘层可采用二氧化硅或氮化硅。
本发明的原理及工作过程是：被测压力通过基底内嵌的导压管引入，压力作用于方形平膜片下表面，绝缘层厚度远小于基底厚度，可将方形平膜片和绝缘层近似看作连续压力敏感薄膜。在压力的作用下，方形平膜片产生轴向应力，通过绝缘层传递到石墨烯谐振梁，石墨烯谐振梁在轴向应力作用下其等效刚度发生改变，进而使得其谐振频率发生改变。由于两个石墨烯谐振工作梁所处位置的差异，其谐振状态也不同，在相同环境下，谐振工作梁的谐振频率与被测压力的对应关系分别为：
f1＝g1(p,β1,β2,…,βn) (1)
f2＝g2(p,β1,β2,…,βn) (2)
其中p为被测压力，β1,β2,···,βn为环境因素，f1、f2为与之对应的石墨烯梁谐振子的谐振频率。两个石墨烯谐振工作梁所处位置不同但感受环境温度相同，从而可以通过差动检测方式消除温度带来的影响，实现压力的高性能解算。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明采用二次敏感结构，被测压力不直接与谐振子接触，既可以测量气体压力，也可以测量液体压力。同时若需要变更压力测量范围，只需要重新设计方形平膜片的尺寸即可，无需变更谐振子，使得设计成本和制作周期缩短。
(2)本发明采用双谐振梁结构，使其工作在准差动模式，可以补偿环境引起的误差，提高传感器的抗干扰性、测量精度和稳定性。
(3)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，给石墨烯压力传感器微型化提供了可能。
(4)本发明由于该谐振式传感器的谐振子封装于真空腔，因此梁谐振子的机械品质因数可以实现非常高的量值，从而可以有效地保证微传感器的性能。
附图说明
图1为本发明中双石墨烯谐振梁式压力传感器原理结构示意图。
图2为本发明中双石墨烯梁谐振子结构立体图及分解图。
图3为本发明中双石墨烯梁谐振子的顶视图、底视图及剖视图。
图中附图标记含义为：1为基底，2为绝缘层，3为方形平膜片，4为第一石墨烯谐振工作梁，5为第二石墨烯谐振工作梁，6为真空密封罩，7为支座，8为导压管。
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，本实施例的一种双石墨烯谐振梁式压力传感器，包括基底1、绝缘层2、方形平膜片3、第一石墨烯谐振工作梁4、第二石墨烯谐振工作梁5、真空密封罩6、支座7和导压管8。实施例中以基底1采用单晶硅，绝缘层2采用二氧化硅为例。真空密封罩6提供真空环境，支座7用作传感器支撑固定，导压管8引入被测压力。其中原始晶圆底部中央区域刻蚀出方形深槽，形成基底1和方形平膜片3；基底1表面覆盖一层绝缘层2，绝缘层2中央区域刻蚀出矩形浅槽，矩形浅槽深度与绝缘层2厚度一致，且位于方形平膜片3的正上方；第一石墨烯谐振工作梁4悬置在绝缘层2矩形浅槽中央，第二石墨烯谐振工作梁5悬置在绝缘层2矩形浅槽短边边缘，二者平行放置；第一石墨烯谐振工作梁4和第二石墨烯谐振工作梁5的两矩形短边分别吸附在绝缘层2上，形成双端固支谐振梁。被测压力通过基底内嵌的导压管8引入，作用于方形平膜片3下表面。在压力的作用下，方形平膜片3产生轴向应力，通过绝缘层2传递到处于谐振状态的第一石墨烯谐振工作梁4和第二石墨烯谐振工作梁5，在轴向应力作用下其等效刚度发生改变，进而使得谐振频率发生改变，通过闭环系统检测该谐振频率，获得相应的被测压力数值。由于第一石墨烯谐振工作梁4和第二石墨烯谐振工作梁5所处位置不同但感受环境温度相同，其谐振状态也不同，从而可以通过差动检测消除温度带来的影响，实现压力的高性能解算，提高传感器的测量精度和稳定性。
本实施例给出了一组传感器结构尺寸：
方形平膜片3与和基底1材料相同，都为单晶硅，且两者为一个整体；方形平膜片3的厚度为1μm，边长为50μm。
绝缘层2可通过基底1材料热生长氧化、化学气相沉积等方法形成，绝缘层2厚度为100nm，其中矩形浅槽长宽厚为50μm×1μm×100nm。
第一石墨烯谐振工作梁4和第二石墨烯谐振工作梁5的几何尺寸一致，长宽厚为3μm×1μm×0.335nm(单层)，放置方向平行于绝缘层2矩形浅槽短边，第二石墨烯谐振工作梁5距离该短边2μm，且处于真空环境。
导压管8端面可平行或高于支座7上表面，但不超过基底1方形深槽深度的1/3。
第一石墨烯谐振工作梁4和第二石墨烯谐振工作梁5所采用的激励-检测方式可采用多种组合方式，包括电学激励-电学检测，电学激励-光学检测，光学激励-电学检测，光学激励-光学检测。当激励-检测方式为电学方式时，吸附于绝缘层的石墨烯谐振梁两矩形短边区域有连接外部电路的电极；当激励-检测方式为激光激励时，激光光斑应对准第一石墨烯谐振工作梁和第二石墨烯谐振工作梁的中心处。但不论采用何种方式，均要保持第一石墨烯谐振工作梁4和第二石墨烯谐振工作梁5所采用的激励-检测方式及相关参数一致。
本发明的一种双石墨烯谐振梁式压力传感器的复合敏感可以从硅微压力传感器二次敏感结构入手，利用硅敏感膜在均布压力下法向位移、表面应变和应力的近似解及其规律，以及硅谐振梁受初始应力影响导致其刚度变化，进而引起谐振频率变化的基本规律，建立以石墨烯薄膜替换硅梁的复合敏感解算模型。
本发明的各项尺寸均可大于或小于实施例中所给尺寸，激励-检测方式也可根据具体使用环境灵活变换。
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 (6)
1.一种双石墨烯谐振梁式压力传感器，主要包括基底(1)、绝缘层(2)、方形平膜片(3)、第一石墨烯谐振工作梁(4)和第二石墨烯谐振工作梁(5)，其特征在于：在原始晶圆底部中央区域刻蚀出方形深槽，形成基底(1)和方形平膜片(3)；基底(1)表面覆盖一层绝缘层(2)，绝缘层(2)中央区域刻蚀出矩形浅槽，矩形浅槽深度与绝缘层(2)厚度一致，且位于方形平膜片(3)的正上方；第一石墨烯谐振工作梁(4)悬置在绝缘层(2)矩形浅槽中央，第二石墨烯谐振工作梁(5)悬置在绝缘层(2)矩形浅槽短边边缘；第一石墨烯谐振工作梁(4)和第二石墨烯谐振工作梁(5)两矩形短边分别吸附在绝缘层(2)上，形成双端固支谐振梁。
2.如权利要求1所述的一种双石墨烯谐振梁式压力传感器，其特征在于：所述基底(1)与方形平膜片(3)材料相同，两者为一个整体。
3.如权利要求1所述的一种双石墨烯谐振梁式压力传感器，其特征在于：所述绝缘层(2)可通过基底(1)材料热生长氧化、化学气相沉积等方法形成，绝缘层(2)厚度远小于方形平膜片(3)厚度。
4.如权利要求1所述的一种双石墨烯谐振梁式压力传感器，其特征在于：所述第一石墨烯谐振工作梁(4)和第二石墨烯谐振工作梁(5)的几何尺寸一致，厚度为单层或多层石墨烯，长度远远大于其厚度，放置方向平行于绝缘层(2)矩形浅槽短边，且处于真空环境。
5.如权利要求1所述的一种双石墨烯谐振梁式压力传感器，其特征在于：所述第一石墨烯谐振工作梁(4)和第二石墨烯谐振工作梁(5)所采用的激励-检测方式均一致；
当所述的激励-检测方式为电学方式时，吸附于绝缘层的石墨烯谐振梁两矩形短边区域有连接外部电路的电极；
当所述的激励-检测方式为激光激励时，激光光斑应对准第一石墨烯谐振工作梁(4)和第二石墨烯谐振工作梁(5)的中心处。
6.如权利要求1或2或3所述的一种双石墨烯谐振梁式压力传感器，其特征在于：所述的基底(1)材料可采用单晶硅或碳化硅，绝缘层(2)可采用二氧化硅或氮化硅。
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