CN107688103A - 一种基于石墨烯谐振特性的单轴加速度计 - Google Patents

一种基于石墨烯谐振特性的单轴加速度计 Download PDF

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朱黎明
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Abstract

本发明公开了一种基于石墨烯谐振特性的单轴加速度计，主要由玻璃衬底、质量块、杠杆传递结构、两个传递梁和两个石墨烯谐振梁组成。本发明采用两个对称分布的石墨烯谐振梁构成差动敏感结构：质量块直接感受外界加速度并产生惯性力，通过杠杆传递结构放大后作用至对称分布的传递梁，两个传递梁一个感受压缩应力，一个感受拉伸应力，导致置于传递梁上的两个石墨烯谐振梁轴向应力分别减小和增加，构成差动敏感形式。通过检测两个谐振梁的谐振频率差即可解算出被测加速度信号。由于石墨烯谐振梁本身具备非常优异的谐振特性，再结合本发明中所设计的对称结构，可实现加速度信号的差动检测，提高测量的灵敏度和精度。

Description

一种基于石墨烯谐振特性的单轴加速度计
技术领域
本发明属于微/纳机电系统的技术领域，具体涉及一种基于石墨烯谐振特性的单轴加速度计。
背景技术
加速度计是一种用于测量运动物体线加速度的力学量传感器，其应用非常广泛，在惯性导航系统、汽车电子、工控机器人、消费电子产品等领域发挥着重要作用。MEMS(Micro-Electro-Mechanical System,MEMS)工艺技术的进步为传感器技术的发展开辟了一个全新的技术领域，基于MEMS技术的硅微加速度计因具备体积小、功耗低、成本低、动态特性好且适合批量生产等优点在众多加速度产品中脱颖而出。MEMS加速度计作为目前微惯性测量系统MIMU(Micro Initial Measurement Unit)的核心部件，在导航制导、汽车安全和移动终端等领域具有极其重要的地位。
在种类繁多的MEMS加速度产品中，基于谐振测量原理的微谐振式加速度计具有独一无二的优点，如输出周期信号(准数字信号)，无需利用复杂的A/D转换电路即可转换为微处理器可以接收的数字信号；该类传感器的性能主要取决于谐振敏感单元自身的谐振特性，因此其抗干扰能力强，输出信号的信噪比较高。这些优点使得谐振式微加速度计成为当今人们的研究热点。由于谐振式传感器的性能主要取决于所用谐振敏感单元(下文均简称“谐振器”)的特性，因此选择机电性能优异的材料制作谐振器自然是一个重要的研究方向。目前的谐振式微加速度计主要采用硅或石英晶体来制作谐振器，为进一步提高谐振式加速度计的性能，科研人员也在积极探索可以用于制作谐振器的新型材料。近些年来，石墨烯这种新型纳米材料因其出色的机械和电学特性引起了广泛的关注，国内外已经有相关学者研究了石墨烯的谐振特性以及石墨烯谐振器在力学量检测方面的应用潜力。
石墨烯是一种仅由碳原子组成的二维蜂窝状晶体，于2004年被英国曼彻斯特大学物理学家Andre Geim和Konstantin Novoselov采用机械剥离法成功从石墨中分离出来。相比硅和石英，石墨烯具有更加优越的力学性能和谐振特性，单层石墨烯的杨氏模量约为1TPa，是硅的7倍，单层石墨烯厚度约为0.335nm，是目前硅微结构尚不能达到的量级；在尺寸为微米级时，石墨烯的基频高达兆赫兹量级，比同等尺寸下硅的基频高一个数量级。石墨烯这些突出特点使其具备作为纳机电谐振器的潜力，使用石墨烯来代替硅、石英等传统材料将有望减小传感器的尺寸和功耗，提高测量灵敏度。
目前，利用石墨烯谐振特性实现加速度检测的研究较少，主要是从仿真和理论的角度进行探索，具体表现为研究石墨烯谐振器自身谐振特性受加速度载荷调制的规律，尚未涉及到实用的加速度计层面，而具备差动敏感结构、杠杆放大结构的谐振式石墨烯加速度计的研究仍然处于空白。本发明采用石墨烯谐振梁作为谐振敏感元件，并设计了一种具有差动敏感结构的单轴谐振式加速度计，使石墨烯尺寸小、谐振频率高等特点充分发挥。另外，石墨烯的弹性延展率高达20％，断裂强度为130GPa，远高于硅材料的过载能力，使得本发明中的石墨烯谐振式加速度计具备较大的抗过载能力，受外界振动因素的影响较小。
发明内容
本发明拟要解决的关键问题是：克服现有MEMS谐振式加速度计的不足，结合石墨烯谐振器的优异特性，提供一种基于石墨烯谐振特性的单轴加速度计，具有尺寸小、差动输出、灵敏度高、测量精度高的优点。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于石墨烯谐振特性的单轴加速度计。主要包括玻璃衬底、质量块、杠杆传递结构、第一传递梁、第二传递梁、第一石墨烯谐振梁和第二石墨烯谐振梁。其中，质量块通过四对折叠梁与外锚点固连在一起，外锚点与玻璃衬底固连，且质量块与玻璃衬底间存在微小间隙以允许质量块在y轴方向产生位移；第一传递梁和第二传递梁的一端固连在内锚点上，另一端通过杠杆传递结构与质量块紧密连接，且两个传递梁呈上下完全对称放置；第一石墨烯谐振梁和第二石墨烯谐振梁分别悬置在第一传递梁和第二传递梁中部的凹腔中央(凹腔可以为矩形或方形)，且第一石墨烯谐振梁的两端吸附于第一传递梁上，第二石墨烯谐振梁的两端吸附于第二传递梁上，从而构成双端固支梁；两个石墨烯梁谐振梁的几何参数完全一致，工作于完全真空环境中。
所述质量块、杠杆传递结构、第一传递梁和第二传递梁、外锚点、内锚点和折叠梁材料相同且相连成一个整体。
所述第一传递梁和第二传递梁的中部刻蚀出凹腔，凹腔深度可以小于所在传递梁的厚度，也可以与传递梁厚度一致。
所述第一石墨烯谐振梁和第二石墨烯谐振梁的几何尺寸、材料均一致，其厚度可为单层或多层石墨烯膜厚；两个石墨烯谐振梁均吸附于所述传递梁中部的凹腔边缘处。
所述质量块、杠杆传递结构、第一传递梁、第二传递梁以及外锚点均在同一水平面上，且所述两个传递梁沿y轴方向完全对称放置。
第一石墨烯谐振梁和第二石墨烯谐振梁放置在同一条竖直线上，且沿y轴向完全对称放置，能同时感受y轴向应力和周围环境的影响。
所述质量块、杠杆传递结构、第一传递梁和第二传递梁、内锚点及外锚点均可通过刻蚀工艺形成。
所述第一石墨烯谐振梁和第二石墨烯谐振梁均可通过微机械剥离或化学气相沉积(CVD)等方式获取。
所述第一石墨烯谐振梁和第二石墨烯谐振梁所采用的激振-拾振方式以及相关参数均一致。当所述的激振-拾振方式采用电学方式时，在所述第一传递梁和第二传递梁中部的凹腔边缘沉积一层绝缘物，将石墨烯谐振梁两端吸附于所述凹腔边缘的所述绝缘物之上，并在石墨烯谐振梁两矩形短边区域沉积金属电极。
所述质量块、杠杆传递结构、第一传递梁以及第二传递梁可采用单晶硅或碳化硅等材料制成。
本发明的原理及工作过程是：谐振式加速度计是利用谐振敏感单元的力-频特性实现加速度信号检测。在如图1所示的本发明中，质量块在y轴向加速度载荷a的作用下产生反向惯性力F＝-ma，该作用力通过杠杆传递结构放大后作用于传递梁，使其产生轴向应力变化，而传递梁可将此轴向应力传递至石墨烯谐振梁。由于两个石墨烯谐振梁沿着y轴方向完全对称放置，因此两者的轴向应力发生相反变化，即一个谐振梁的轴向应力减小，另一个谐振梁的轴向应力增加，导致二者的谐振频率分别减小和增加，通过检测两个谐振梁频率变化的差值，即可解算出相应的轴向加速度信息。
本发明相对现有硅微谐振式加速度计的优势在于：
本发明采用石墨烯作为谐振器材料，能充分发挥这种新型材料谐振频率高、面内刚度大、惯性质量小等特点，可降低微加速度计的尺寸和功耗；本发明中的两个石墨烯谐振梁对称放置可实现谐振频率的差动检测，能有效抑制温度等外界因素引起的共模干扰，提高加速度计的测量精度和稳定性。
附图说明
图1为本发明一种基于石墨烯谐振特性的单轴加速度计平面俯视图；
图2为本发明一种基于石墨烯谐振特性的单轴加速度计三维立体图；
图3为本发明中传递梁部分的俯视图和三维立体图：其中a为俯视图，b为三维视图；
图4为本发明中传递梁部分的剖视图。
具体实施方式
下面将结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明原理。
如图1、图2、图3和图4所示，本发明的一种基于石墨烯谐振特性的单轴加速度计，包括玻璃衬底1、质量块2、第一杠杆传递结构3、第二杠杆传递结构6、第一传递梁4、第二传递梁7、第一石墨烯谐振梁5、第二石墨烯谐振梁8、折叠梁10、外锚点9、第一内锚点11、第二内锚点12和金属电极13。
该加速度计采用完全对称的结构，即第一传递梁4和第二传递梁7、第一石墨烯谐振梁5和第二石墨烯谐振梁8、第一杠杆传递结构3、第二杠杆传递结构6均对称分布；其中，外锚点9与玻璃衬底1固连，质量块2通过四对折叠梁10与外锚点9固连在一起；第一传递梁4和第二传递梁7是用于传递由加速度引起的轴向应力，两个传递梁的一端固连于第二内锚点12，另一端通过第一杠杆传递结构3、第二杠杆传递结构6与质量块2紧密连接；第一石墨烯谐振梁5和第二石墨烯谐振梁8分别悬置在第一传递梁4和第二传递梁7中部的凹腔上，构成双端固支梁。当施加加速度信号时，质量块2产生惯性力，通过第一杠杆传递结构3、第二杠杆传递结构6放大后作用至第一传递梁4和第二传递梁7，两个传递梁分别感受到轴向的拉伸应力和压缩应力，使得第一石墨烯谐振梁5和第二石墨烯谐振梁8的轴向应力分别增加和减小，导致石墨烯谐振梁的谐振频率发生变化，利用闭环系统检测两个石墨烯谐振梁的谐振频率差值，可获得相应的加速度信息。由于第一石墨烯谐振梁5和第二石墨烯谐振梁8所处位置对称，且相关参数一致，故可以通过差动检测的方式有效抑制温度带来的共模干扰，实现加速度信号的高精度测量。
质量块2、第一杠杆传递结构3、第二杠杆传递结构6、第一传递梁4、第二传递梁7、外锚点9、第一内锚点11、第二内锚点12和折叠梁10材料相同并连接成一个整体。
第一石墨烯谐振梁5和第二石墨烯谐振梁8的几何尺寸、材料均一致，其厚度为单层或多层石墨烯膜厚，且两个石墨烯谐振梁对称放置在同一条竖直线上。
第一石墨烯谐振梁5和第二石墨烯谐振梁8所采用的激振-拾振方式以及相关参数均一致，所用的激振-拾振方式不唯一，可采用电学激励-电学检测，电学激励-光学检测等方式。具体的激振-拾振方式可以根据真实使用环境灵活变化。
若采用电学方式进行激励和检测，先在传递梁中部凹腔的边缘处沉积绝缘层，然后将石墨烯谐振梁悬置在凹腔中央，且谐振梁两个矩形短边区域沉积有金属电极13。
在外界加速度信号作用下，质量块产生集中惯性力，通过分析在集中力作用下，质量块的位移、杠杆的放大效应和传递梁轴向应变和应力分布的近似解，以及轴向应力变化对石墨烯谐振梁本身谐振频率的影响规律，可建立加速度信号与谐振梁频率之间的转换模型，进而可以解算出加速度大小。
附图1、2、3、4是为了便于说明本发明的结构原理，图中各个部件的尺寸比例关系并不能反映本发明真实的尺寸关系。
本发明涉及到的质量、传递梁、杠杆传递结构和石墨烯谐振梁等部件可通过多种微加工工艺的组合实现，包括化学气相沉积(CVD)、等离子刻蚀、光刻、真空键合、热氧化等系列工艺。
本发明的整体可采用真空封装以降低阻尼对谐振梁和质量块的影响，可有效提高谐振梁的机械品质因数，改善加速度计的整体性能。
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 (10)

1.一种基于石墨烯谐振特性的单轴加速度计，其特征在于包括：玻璃衬底(1)、质量块(2)、第一杠杆传递结构(3)、第二杠杆传递结构(6)、第一传递梁(4)、第二传递梁(7)、第一石墨烯谐振梁(5)、第二石墨烯谐振梁(8)和外锚点(9)；四个外锚点(9)与玻璃衬底(1)固连，质量块(2)通过四对折叠梁(10)与外锚点(9)固连在一起，且质量块(2)与玻璃衬底(1)之间存在微小间隙以允许质量块(2)在y轴方向产生位移；第一传递梁(4)和第二传递梁(7)的一端固连在第二内锚点(12)上，另一端通过杠杆传递结构(3、6)与质量块(2)紧密连接，且两个传递梁呈上下完全对称放置；第一内锚点(11)为第一杠杆传递结构(3)、第二杠杆传递结构(6)的支撑点；第一石墨烯谐振梁(5)和第二石墨烯谐振梁(8)分别悬置在第一传递梁(4)和第二传递梁(7)中部的凹腔中央，且第一石墨烯谐振梁(5)的两端吸附于第一传递梁(4)上，第二石墨烯谐振梁(8)的两端吸附于第二传递梁(7)上，从而构成双端固支梁。
2.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯谐振特性的单轴加速度计，其特征在于：所述质量块(2)、第一杠杆传递结构(3)、第二杠杆传递结构(6)、第一传递梁(4)和第二传递梁(7)、外锚点(9)、折叠梁(10)和第一内锚点(11)、第二内锚点(12)材料相同且相连成一个整体。
3.根据权利要求书1所述的一种基于石墨烯谐振特性的单轴加速度计，其特征在于：所述第一传递梁(4)和第二传递梁(7)的中部凹腔的深度可以小于所在传递梁的厚度，也可以与传递梁厚度一致。
4.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯谐振特性的单轴加速度计，其特征在于：所述第一石墨烯谐振梁(5)和第二石墨烯谐振梁(8)的几何尺寸、材料均一致，厚度可为单层或多层石墨烯膜厚，工作于完全真空环境中；第一石墨烯谐振梁(5)和第二石墨烯谐振梁(8)分别吸附于所对应的第一传递梁(4)和第二传递梁(7)中部的凹腔边缘处。
5.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯谐振特性的单轴加速度计，其特征在于：所述质量块(2)、第一杠杆传递结构(3)、第二杠杆传递结构(6)、第一传递梁(4)、第二传递梁(7)以及外锚点(9)均在同一水平面上，且所述第一传递梁(4)、第二传递梁(7)沿y轴方向完全对称放置。
6.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯谐振特性的单轴加速度计，其特征在于：第一石墨烯谐振梁(5)和第二石墨烯谐振梁(8)放置在同一条竖直线上，且沿y轴方向完全对称放置，能同时感受y轴向的应力和周围环境的影响。
7.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯谐振特性的单轴加速度计，其特征在于：所述质量块(2)、第一杠杆传递结构(3)、第二杠杆传递结构(6)、第一传递梁(4)和第二传递梁(7)、第一内锚点(11)、第二内锚点(12)及外锚点(9)均可通过刻蚀工艺形成。
8.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯谐振特性的单轴加速度计，其特征在于：所述第一石墨烯谐振梁(5)和第二石墨烯谐振梁(8)均可通过微机械剥离或化学气相沉积(CVD)方式获取。
9.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯谐振特性的单轴加速度计，其特征在于：所述第一石墨烯谐振梁(5)和第二石墨烯谐振梁(8)所采用的激振-拾振方式以及相关参数均一致，当所述的激振-拾振方式采用电学方式时，先在所述第一传递梁(4)和第二传递梁(7)中部的凹腔边缘沉积一层绝缘物，再将石墨烯谐振梁两端吸附于所述凹腔边缘的所述绝缘物之上，并在石墨烯谐振梁两矩形短边区域沉积金属电极(13)。
10.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯谐振特性的单轴加速度计，其特征在于：所述质量块(2)、第一杠杆传递结构(3)、第二杠杆传递结构(6)、第一传递梁(4)以及第二传递梁(7)的材料可采用单晶硅或碳化硅。
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