CN107255736B - 一种谐振式石墨烯双轴加速度计 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种谐振式石墨烯双轴加速度计，包括基底、敏感质量板、石墨烯谐振梁一、绝缘层对一、激励电极对一、石墨烯谐振梁二、绝缘层对二、激励电极对二、石墨烯谐振梁三、绝缘层对三、激励电极对三、石墨烯谐振梁四、绝缘层对四、激励电极对四和真空罩。本发明利用复合敏感加速度方式实现对加速度的测量。本发明中仅利用一块具有不同质量块的敏感质量板即可实现对作用于不同轴向、不同范围加速度的测量，并对各轴所施加加速度的检测相互独立，消除双轴加速度同时作用时的耦合影响，提高加速度测量准确度与可靠性，实现双轴超高灵敏度加速度的测量。
Description
技术领域
本发明涉及微/纳机电系统的技术领域，具体涉及一种谐振式石墨烯双轴加速度计。
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。
谐振式加速度计，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。当对加速度计施加加速度时，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。谐振式加速度计具有很高的精度，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计得到了快速发展，谐振式加速度计走上小型化、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，具有差动式谐振梁并且能够同时实现双轴加速度测量的加速度计研究仍处于空白。
对于谐振式双轴加速度计，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。在实际应用中，经常会出现施加于同一平面内正交轴上不同范围的加速度，虽然可通过改变石墨烯谐振梁尺寸来改变对不同范围加速度的敏感程度，但会增加后端检测电路的冗余性和复杂性，无法保证加速度计针对正交轴加速度敏感结构和检测结构的统一。同时，正交轴上不同范围的加速度之间会产生耦合影响，若要提高双轴加速度测量的独立性以及准确性，目前绝大多数办法需要重新设计谐振敏感结构。
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，能够实现对同一平面内正交轴上不同范围加速度独立测量的一种谐振式石墨烯双轴加速度计。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种谐振式石墨烯双轴加速度计，包括基底、敏感质量板、石墨烯谐振梁一、绝缘层对一、激励电极对一、石墨烯谐振梁二、绝缘层对二、激励电极对二、石墨烯谐振梁三、绝缘层对三、激励电极对三、石墨烯谐振梁四、绝缘层对四、激励电极对四和真空罩，在基底上刻蚀出矩形凹槽，基底上表面放置能够同时敏感X轴与Y轴加速度的敏感质量板；刻蚀敏感质量板，分别形成对应质量板X轴方向和Y轴方向具有不同尺寸和质量的敏感质量块以及门型弹簧和八个石墨烯梁固支凹槽；敏感质量板固定于基底上方，其对应X轴框架内侧与基底凹槽外侧齐平；敏感质量板中八个石墨烯梁放置凹槽上表面分别覆盖绝缘层对一、绝缘层对二、绝缘层对和绝缘层对四，在四对绝缘层上对应放置激励电极对一、激励电极对二、激励电极对三和激励电极对四；双轴对应石墨烯谐振梁两端分别吸附于对应绝缘层对上，从而形成两个双端固支谐振梁；双轴对应石墨烯谐振梁两端上方分别放置对应激励电极对，用于激励谐振梁处于谐振状态；真空罩固定于基底上，其上凹槽内侧与敏感质量板框架外侧齐平，从而完成对加速度计的封闭。其中，所述基底与敏感质量板材料相同，两者构成加速度计的主体。
其中，所述绝缘层对一、绝缘层对二、绝缘层对三和绝缘层对四可通过基底材料热生长氧化、化学气相沉积方法形成，绝缘层对一、绝缘层对、绝缘层对三和绝缘层对四厚度一致，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、石墨烯谐振梁二、石墨烯谐振梁三和石墨烯谐振梁四的材料、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5，两两成对分别沿敏感质量板X轴与Y轴方向放置，且处于真空环境。
其中，所述石墨烯谐振梁一、石墨烯谐振梁二、石墨烯谐振梁三和石墨烯谐振梁四均采用电学激励方式，激励电极对一、激励电极对二、激励电极对三和激励电极对四配有外部连接电路；
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，绝缘层对一、绝缘层对二、绝缘层对三和绝缘层对四可采用二氧化硅或氮化硅。
其中，所述的敏感质量板上通过刻蚀工艺形成内外侧两个具有不同尺寸、不同质量的敏感质量块，用于敏感施加在不同轴向、不同范围的加速度。
本发明的原理及工作过程是：不同轴向的加速度作用于敏感质量板时被转换为集中力，使对应轴向具有门型弹簧的质量块产生微小的位移量，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。对应于X轴与Y轴的两对石墨烯谐振梁工作于差动模式，对应轴向的加速度引起对应石墨烯梁轴向应力变化，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。当对X轴轴向施加加速度时，Y轴质量块由于门型弹簧的刚度限制，不会产生位移，无法引起Y轴方向石墨烯梁的应力变化，同理，当对Y轴轴向施加加速度时，X轴方向石墨烯梁应力不变，因而X轴与Y轴加速度测量各自独立。通过敏感质量板上具有内外侧质量不同的敏感质量块来敏感施加在正交轴上不同范围的加速度，对不同轴上两对石墨烯谐振梁谐振频率进行检测，即可分别表征不同轴向具有不同范围被测加速度的大小。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)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计的微型化和对微小加速度测量的可能性。
(2)本发明中通过敏感质量板上门型弹簧刚度的限制，使各轴对应加速度检测相互独立，互不影响，消除双轴加速度耦合影响，提高加速度测量准确度与可靠性。门型弹簧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本轴向加速度完全敏感，消除质量块受其他轴加速度产生移动带来的影响。
(3)本发明中在不改变正交轴上所用石墨烯谐振梁尺寸前提下，利用敏感质量板上具有内外侧大小不一、质量不同的敏感质量块来实现对施加在正交轴上不同范围加速度的测量，保证了加速度计敏感结构和检测结构的统一性。
(4)本发明中具有一定厚度且有较长悬臂的门型弹簧支撑梁两两成对以支撑X轴及Y轴敏感质量块，解决单一支撑梁工作状态下应力集中问题。门型弹簧足够的长度限制质量块绕正交轴可能的旋转运动，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，从而减小其他轴向加速度对所需检测竖轴方向加速度的影响。
(5)本发明采用的双谐振结构沿加速度计中心对称分布，使整个敏感结构为高度对称结构，结合门型弹簧作用，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。
(6)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，使加速度计具有较好的抗干扰性能。
(7)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，减小阻尼，保证敏感质量块在对应轴向的顺利运动，提高其对对应轴向加速度的敏感程度。同时凹槽与加速度计敏感质量板外侧尺寸对应，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。
(8)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计功能。
附图说明
图1为本发明中谐振式石墨烯双轴加速度计原理结构示意图；
图2为本发明中去除上侧真空罩时谐振式双轴加速度计俯视图；
图3为本发明中谐振式石墨烯双轴加速度计A-A面剖视图；
图4为本发明中谐振式石墨烯双轴加速度计B-B面剖视图。
图中附图标记含义为：1为基底，2为敏感质量板，3为石墨烯谐振梁一，4为绝缘层对，5为激励电极对一，6为石墨烯谐振梁，7为绝缘层对二，8为激励电极对二，9为石墨烯谐振梁三，10为绝缘层对三，11为激励电极对三，12为石墨烯谐振梁四，13为绝缘层对四，14为激励电极对四，15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1-4所示，本实施例的一种谐振式石墨烯双轴加速度计，主要包括基底1、敏感质量板2、石墨烯谐振梁一3、绝缘层对4、激励电极对一5、石墨烯谐振梁6、绝缘层对二7、激励电极对二8、石墨烯谐振梁三9、绝缘层对三10、激励电极对三11、石墨烯谐振梁四12、绝缘层对四13、激励电极对四14和真空罩15。实施例中以基底1采用绝缘硅，绝缘层对一、绝缘层对二、绝缘层对三和绝缘层对四采用SiO2为例。在基底1上刻蚀出矩形凹槽，基底1上表面放置能够同时敏感X轴与Y轴加速度的敏感质量板2；刻蚀敏感质量板2，分别形成对应质量板X轴方向和Y轴方向外的敏感质量块、门型弹簧以及八个石墨烯梁固支凹槽；敏感质量板2固定于基底1上方，其对应X轴框架内侧与基底凹槽外侧齐平；敏感质量板2中八个石墨烯梁放置凹槽上表面分别覆盖绝缘层对一4、绝缘层对二7、绝缘层对三10和绝缘层对四13，在四对绝缘层上对应放置激励电极对一5、激励电极对二8、激励电极对11)和激励电极对四14；双轴对应石墨烯谐振梁两端分别吸附于对应绝缘层对上，从而形成两个双端固支谐振梁；双轴对应石墨烯谐振梁两端上方分别放置对应激励电极对，用于激励谐振梁处于谐振状态；真空罩15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，从而完成对加速度计的封闭。不同轴向的加速度作用于敏感质量板时被转换为集中力，使对应轴向具有门型弹簧的质量块产生微小的位移量，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。对应于X轴与Y轴的两对石墨烯谐振梁工作于差动模式，对应轴向的加速度引起对应石墨烯梁轴向应力变化，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。当对X轴轴向施加加速度时，Y轴质量块由于门型弹簧的刚度限制，不会产生位移，无法引起Y轴方向石墨烯梁的应力变化，同理，当对Y轴轴向施加加速度时，X轴方向石墨烯梁应力不变，因而X轴与Y轴加速度测量各自独立。通过敏感质量板上具有内外侧质量不同的敏感质量块来敏感施加在正交轴上不同范围的加速度，对不同轴上两对石墨烯谐振梁谐振频率进行检测，即可分别表征不同轴向具有不同范围被测加速度的大小。
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计的主体；基底长宽厚为84μm×68μm×8μm，其上凹槽长宽深为70μm×56μm×5μm。敏感质量板2的长宽厚为78μm×60μm×5μm，其上X轴敏感质量块长宽厚为60μm×52μm×5μm，Y轴敏感质量块长宽厚为38μm×34μm×5μm，其上门型弹簧单边板厚为0.2μm。
绝缘层对一、绝缘层对二、绝缘层对三和绝缘层对可通过基底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。
石墨烯谐振梁一3、石墨烯谐振梁二6、石墨烯谐振梁三9和石墨烯谐振梁四12材料、几何尺寸一致，长宽厚为10μm×1μm×0.335nm(单层)，两两成对分别沿敏感质量板X轴与Y轴方向放置，且处于真空环境。
石墨烯谐振梁一3、石墨烯谐振梁二6、石墨烯谐振梁三9和石墨烯谐振梁四12通过激励电极对一5、激励电极对二8、激励电极对三11和激励电极对四14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 (8)
1.一种谐振式石墨烯双轴加速度计，包括基底(1)、敏感质量板(2)、石墨烯谐振梁一(3)、绝缘层对一(4)、激励电极对一(5)、石墨烯谐振梁二(6)、绝缘层对二(7)、激励电极对二(8)、石墨烯谐振梁三(9)、绝缘层对三(10)、激励电极对三(11)、石墨烯谐振梁四(12)、绝缘层对四(13)、激励电极对四(14)和真空罩(15)，其特征在于：在基底(1)上刻蚀出矩形凹槽，基底(1)上表面放置能够同时敏感X轴与Y轴加速度的敏感质量板(2)；刻蚀敏感质量板(2)，分别形成对应质量板X轴方向和Y轴方向具有不同尺寸和质量的敏感质量块以及门型弹簧和八个石墨烯梁固支凹槽；敏感质量板(2)固定于基底(1)上方，其对应X轴框架内侧与基底凹槽外侧齐平；敏感质量板(2)中八个石墨烯梁固支凹槽上表面分别覆盖绝缘层对一(4)、绝缘层对二(7)、绝缘层对三(10)和绝缘层对四(13)，在四对绝缘层上对应放置激励电极对一(5)、激励电极对二(8)、激励电极对三(11)和激励电极对四(14)；双轴对应石墨烯谐振梁两端分别吸附于对应绝缘层对上，从而形成双端固支谐振梁；双轴对应石墨烯谐振梁两端上方分别放置对应激励电极对，用于激励谐振梁处于谐振状态；真空罩(15)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，从而完成对加速度计的封闭。
2.如权利要求1所述的一种谐振式石墨烯双轴加速度计，其特征在于：所述基底(1)与敏感质量板(2)材料相同，两者构成加速度计的主体。
3.如权利要求1所述的一种谐振式石墨烯双轴加速度计，其特征在于：所述绝缘层对一(4)、绝缘层对二(7)、绝缘层对三(10)和绝缘层对四(13)可通过基底(1)材料热生长氧化、化学气相沉积方法形成，绝缘层对一(4)、绝缘层对二(7)、绝缘层对三(10)和绝缘层对四(13)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所述的一种谐振式石墨烯双轴加速度计，其特征在于：所述石墨烯谐振梁一(3)、石墨烯谐振梁二(6)、石墨烯谐振梁三(9)和石墨烯谐振梁四(12)的材料、几何尺寸一致，厚度为单层或多层石墨烯，长度与宽度大于其厚度，长宽比不小于5，两两成对分别沿敏感质量板(2)X轴与Y轴方向放置，且处于真空环境。
5.如权利要求1所述的一种谐振式石墨烯双轴加速度计，其特征在于：所述石墨烯谐振梁一(3)、石墨烯谐振梁二(6)、石墨烯谐振梁三(9)和石墨烯谐振梁四(12)均采用电学激励方式，激励电极对一(5)、激励电极对二(8)、激励电极对三(11)和激励电极对四(14)配有外部连接电路。
6.如权利要求1或2或3所述的一种谐振式石墨烯双轴加速度计，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，绝缘层对一(4)、绝缘层对二(7)、绝缘层对三(10)和绝缘层对四(13)采用二氧化硅或氮化硅。
7.如权利要求1所述的一种谐振式石墨烯双轴加速度计，其特征在于：所述敏感质量板(2)上门型弹簧几何尺寸在确保轴向刚度前提下能够更改，数量为单个或多个。
8.如权利 要求1所述的一种谐振式石墨烯双轴加速度计，其特征在于：敏感质量板(2)上具有尺寸、质量各不相同的敏感质量块，用于敏感施加在不同轴向、不同范围的加速度。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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