CN110531113A - 基于石墨烯谐振器的平面差分式加速度计装置及其加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于石墨烯谐振器的平面差分式加速度计装置及其加工方法的设计方案，提出了一种三层结构设计方案：上下两层为设有信号引线的玻璃衬底，中层为差分式石墨烯加速度计结构。中层差分式石墨烯加速度计结构由两个结构相同但反相布置的石墨烯谐振器、两个中部支撑块和一个外部支撑块组成。石墨烯谐振器的支撑块通过连接短梁跟中部支撑块相连，中部支撑块再通过另一连接短梁跟外部支撑块相连，最后外部支撑块通过四个顶点处的锚点固定在上下两层玻璃衬底上。本发明通过检测差分式石墨烯谐振器谐振频率的变化，实现对加速度的敏感。本发明具有体积小、重量轻、结构紧凑、灵敏度高、抗干扰能力强等优点。
Description
技术领域
本发明属于微电子机械系统和微惯性测量技术领域，具体涉及一种基于石墨烯谐振器的平面差分式加速度计装置及其加工方法。
背景技术
石墨烯是一种由六角元胞碳原子构成，呈蜂巢晶格的二维碳纳米材料，因其本身内部结构等特征条件，具有优异的光学、电学、力学特性，在材料学、微纳加工、能源、生物医学等方面具有广泛的应用前景。同时，由于石墨烯的层状结构优势，石墨烯也可以用于质量检测以及电子机械谐振器。
石墨烯加速度计是石墨烯谐振器的进一步发展和应用，其基本原理主要是当有加速度输入引起石墨烯谐振器轴向应力变化时，石墨烯谐振器的谐振频率会发生变化，因此可通过谐振频率的变化敏感输入加速度。与普通MEMS谐振式加速度计相比，新型石墨烯谐振式加速度计具有灵敏度高，品质因数大、热稳定性好、载流子迁移率大、电阻率低等显著优势。
近年来，国内外的研究机构开始对石墨烯谐振器加速度计进行了一定的研究。韩国国立交通大学的Jeong Won Kang等人首次提出了一种基于石墨烯纳米带谐振器的超高灵敏度加速度计，在有外部加速度输入时，石墨烯纳米带谐振器会产生形变，从而改变石墨烯纳米带与底座栅极之间的电容，同时石墨烯纳米带谐振器的固有频率也会发生变化，即可通过谐振频率或者电容变化来检测外界输入加速度值。不过，由于该加速度计在敏感极高加速度值时才表现出测量的可行性, 因此其实际参考意义并不大。
发明内容
发明目的：为克服现有技术中存在的问题和不足，本发明提供了一种基于石墨烯谐振器的平面差分式加速度计装置及其加工方法，具有体积小、重量轻、结构紧凑、灵敏度高、抗干扰能力强等优点。
技术方案：
一种基于石墨烯谐振器的平面差分式加速度计装置，由三层结构组成，上下两层结构均为设有信号引线的玻璃衬底，中层为差分式石墨烯加速度计结构；
所述中层差分式石墨烯加速度计结构由第一石墨烯谐振器和第二石墨烯谐振器，第一中部支撑块、第二中部支撑块和一个外部支撑块组成；第一石墨烯谐振器和第二石墨烯谐振器结构相同但中心对称排布方式相反；
当垂直方向有输入加速度时，两组石墨烯谐振器的运动方向刚好相反，形成差分结构。
其中第一石墨烯谐振器位于差分式石墨烯加速度计结构中轴线的左侧，第二石墨烯谐振器位于差分式石墨烯加速度计结构中轴线的右侧；
第一石墨烯谐振器正面朝上层玻璃衬底，第二石墨烯谐振器的正面朝下层玻璃衬底，当垂直方向有输入加速度时，第一石墨烯谐振器和第二石墨烯谐振器的运动方向刚好相反，形成差分结构；
其中第一石墨烯谐振器通过位于上方的第一连接短梁与第一中部支撑块相连，第一中部支撑块通过位于下方的第二连接短梁与外部支撑块相连；
其中所述第二石墨烯谐振器通过位于下方方的第三连接短梁与第二中部支撑块相连，第二中部支撑块通过位于上方的第四连接短梁与外部支撑块相连；
其中所述外部支撑块通过其右下、左下、左上、右上四个顶点上的锚点固定在上、下两层玻璃基底上；利用短梁将加速度装置各部分结构连接，可以有效隔离外界振动等其他干扰因素。
本发明的进一步改进在于：其中第一石墨烯谐振器的上半部分为第一支撑块且下半部分为第一质量块；其中所述第一质量块和第一支撑块的形状均呈U型且相互对称分布，所述第一质量块和第一支撑块的下端分别通过第一扭梁和第二扭梁连接固定；其中所述第一扭梁和第二扭梁均呈H型；其中所述第一质量块和第一支撑块的上端U型凹槽之间通过第一石墨烯带连接；
所述第二石墨烯谐振器的上半部分为第二质量块，下半部分为第二支撑块，其中第二质量块和第二支撑块的形状均为U型且相互对称分布，质量块和支撑块的上端两端分部通过第三扭梁、和第四扭梁连接固定;所述第三扭梁和第四扭梁均呈H型；利用短梁将加速度装置各部分结构连接，可以有效隔离外界振动等其他干扰因素。
第二支撑块和第二质量块的U型凹槽之间通过第二石墨烯带连接；所述第一石墨烯谐振器上方的第一石墨烯带两端布置有第一输入电极和第一输出电极；第二石墨烯谐振器下方的第二石墨烯带两端布置有第二输入电机第二输出电极；所述第一石墨烯谐振器正对的上层玻璃衬底上布置有第一栅极电极，第二石墨烯谐振器正对的下层玻璃衬底上布置有第二栅极电极。栅极电压用于驱动石墨烯薄膜带产生振动。输入电极作为源极电极用于输入载波，输出电极作为漏极电极，输出与石墨烯薄膜带电导成正相关的输出电流。
本发明进一步改进在于：其中上、下两层玻璃衬底均采用硼基玻璃制作。
本发明进一步改进在于：所述外部支撑块位于中层为差分式石墨烯加速度计结构的最外侧并向内包围第一、二中部支撑块和第一、二石墨烯谐振器；
其中内部的第一中部支撑块和第二中部支撑块分别位于所述中层为差分式石墨烯加速度计结构中轴线的左右两侧。
当施加加速度后，石墨烯带受到惯性力的作用，其谐振状态会发生改变，谐振频率随加速度的大小发生相应的变化。两组石墨烯谐振器频率呈差分变化，通过检测两组石墨烯谐振器的频率变化即可敏感外部输入加速度。
一种基于石墨烯谐振器的平面差分式加速度计装置的加工方法，依次包括以下步骤：
（1）用25um厚的铜箔作为基底材料，在1000oC条件下方法将甲烷和氢气进行混合，通过化学蒸汽沉积方法CVD在铜箔基底上生长石墨烯薄膜；
（2）将30-50nm厚的甲基丙烯酸甲酯（PMMA）涂覆在石墨烯表面；
（3）对厚度为100um的硅片进行双面抛光，利用干法刻蚀技术刻蚀台阶，并在其中两个台阶表面局部喷涂SU-8光刻胶并刻蚀；
（4）对硅结构进行一次深刻蚀，得到两个40um深的沟槽；
（5）将石墨烯薄膜固定在已刻蚀的硅结构上并修正结构；
（6）用氯化铁蚀刻溶液（CE-200，氯氮卓二钾）去除铜箔基底，然后利用DIH2O对石墨烯进行冲洗；
（7）通过加热分解去除石墨烯上的PMMA，完成将石墨烯薄膜转移到硅结构；
（8）在石墨烯上溅射金属Au形成电极；
（9）对两片玻璃基底进行抛光，清洗，并溅射金属Au形成电极；
（10）将两片玻璃基底和硅结构进行键合形成整个完整结构；
（11）通过SU-8光刻胶，利用热拉升的方式在石墨烯薄膜施加一定的预载应力。
本发明的有益效果：本发明相对于现有技术而言具有以下优点：
（1） 利用纳机电系统技术，在加速度计上集成了超高灵敏度的石墨烯谐振器，极大提高了纳机电系统加速度计的极限检测能力。
（2） 采用平面布置差分检测的结构形式，可以有效抑制共模干扰。同时，由于周围环境温度对于石墨烯谐振器的机械特性影响巨大，采用差分布置的方式，可以极大的减小温度对加速度计输出信号的影响。
（3） 本发明中质量块首先通过扭梁与支撑块相连，支撑块通过连接短梁与中部支撑块相连，中部支撑块同样通过连接短梁与外部支撑块相连，最后外部支撑块通过锚点固定在玻璃基底上。这种连接方式可以有效隔离外界振动等其他干扰因素。
附图说明
图1为基于石墨烯谐振器的平面差分式加速度计装置的总体结构图；
图2为基于石墨烯谐振器的平面差分式加速度计装置的正视截面图；
图3为基于石墨烯谐振器的平面差分式加速度计装置的左视截面图；
图4为基于石墨烯谐振器的平面差分式加速度计装置的加工工艺流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐述本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
如图1-3所示，本发明提供了一种基于石墨烯谐振器的平面差分式加速度计装置，由三层结构组成，上下两层结构均为设有信号引线的上、层玻璃衬底1-1、1-2，中层为差分式石墨烯加速度计结构；其中上、下两层玻璃衬底1-1、1-2均采用硼基玻璃制作。
所述中层差分式石墨烯加速度计结构由第一石墨烯谐振器2-1和第二石墨烯谐振器2-2，第一中部支撑块6-1、第二中部支撑块6-2和一个外部支撑块7组成；其中第一石墨烯谐振器2-1和第二石墨烯谐振器2-2结构相同但中心对称排布方式相反；
其中第一石墨烯谐振器2-1位于差分式石墨烯加速度计结构中轴线的左侧，第二石墨烯谐振器2-2位于差分式石墨烯加速度计结构中轴线的右侧；
第一石墨烯谐振器2-1正面朝上层玻璃衬底，第二石墨烯谐振器2-2的正面朝下层玻璃衬底，当垂直方向有输入加速度时，第一石墨烯谐振器2-1和第二石墨烯谐振器2-1的运动方向刚好相反，形成差分结构；
其中第一石墨烯谐振器2-1通过位于上方的第一连接短梁5-1与第一中部支撑块6-1相连，第一中部支撑块6-1通过位于下方的第二连接短梁5-2与外部支撑块7相连；
其中所述第二石墨烯谐振器2-2通过位于下方方的第三连接短梁5-3与第二中部支撑块6-2相连，第二中部支撑块6-2通过位于上方的第四连接短梁5-4与外部支撑块7相连；
其中所述外部支撑块7通过其右下、左下、左上、右上四个顶点上的锚点8-1、8-2、8-3、8-4固定在上、下两层玻璃基底上。
所述外部支撑块7位于中层为差分式石墨烯加速度计结构的最外侧并向内包围第一、二中部支撑块6-1、6-2和第一、二石墨烯谐振器2-1、2-2。
其中内部的第一中部支撑块6-1和第二中部支撑块6-2分别位于所述中层为差分式石墨烯加速度计结构中轴线的左右两侧。
其中第一石墨烯谐振器2-1的上半部分为第一支撑块10-1且下半部分为第一质量块9-1；其中所述第一质量块9-1和第一支撑块10-1的形状均呈U型且相互对称分布，所述第一质量块9-1和第一支撑块10-1的下端分别通过第一扭梁11-1和第二扭梁11-2连接固定；
其中所述第一扭梁11-1和第二扭梁11-2均呈H型；其中所述第一质量块9-1和第一支撑块10-1的上端U型凹槽之间通过第一石墨烯带4-1连接；
所述第二石墨烯谐振器2-2的上半部分为第二质量块9-2，下半部分为第二支撑块10-2，其中第二质量块9-2和第二支撑块10-2的形状均为U型且相互对称分布，质量块9-2和支撑块10-2的上端分别通过第三扭梁11-3、和第四扭梁11-4连接固定;所述第三扭梁11-3和第四扭梁11-4均呈H型；
第二支撑块10-2和第二质量块9-2的U型凹槽之间通过第二石墨烯带4-2连接；所述第一石墨烯谐振器2-1上方的第一石墨烯带4-1两端布置有第一输入电极3-2和第一输出电极3-3；第二石墨烯谐振器2-2下方的第二石墨烯带4-2两端布置有第二输入电机3-5第二输出电极3-6；所述第一石墨烯谐振器2-1正对的上层玻璃衬底1-1上布置有第一栅极电极3-1，第二石墨烯谐振器2-2正对的下层玻璃衬底1-2上溅射有第二栅极电极3-2。
本实施例的在受到垂直方向的加速度时，会在惯性力的作用下在垂直方向运动，
由于第一质量块9-1和第一支撑块10-1在下端由一对扭梁连接，第二质量块9-2和第二支撑块10-2在上端由一对扭梁连接;而且左右两个谐振器的布置方式刚好相反，一个朝下，一个朝上，所以扭梁一对在上端，一对在下端，导致两个谐振器的质量块9-1和9-2在垂直方向运动时，会提供给石墨烯谐振器一个水平方向的作用力。第一质量块9-1向下运动时，会加大石墨烯带两端的压力；第一质量块9-1向上运动时，会减小石墨烯带两端的拉力。第二质量块9-2向下运动时，会减小石墨烯带两端的拉力；第二质量块9-2向上运动时，会加大石墨烯带两端的压力。
石墨烯带受到惯性力的作用，其谐振状态会发生改变，谐振频率随加速度的大小会发生相应的改变。当整个加速度计装置受到垂直方向的加速度时，由于两组石墨烯谐振器反相布置，使得它们的石墨烯带的运动状态刚好相反，谐振器频率呈差分变化，通过检测两组石墨烯谐振器的频率变化即可敏感外部输入加速度。
如图4所示，本发明提供的一种基于石墨烯谐振器的平面差分式加速度计装置的加工方法，依次包括以下步骤：
（1）用25um厚的铜箔作为基底材料，在1000oC条件下方法将甲烷和氢气进行混合，通过化学蒸汽沉积方法CVD在铜箔基底上生长石墨烯薄膜；
（2）将30-50nm厚的甲基丙烯酸甲酯（PMMA）涂覆在石墨烯表面；
（3）对厚度为100um的硅片进行双面抛光，利用干法刻蚀技术刻蚀台阶，并在其中两个台阶表面局部喷涂SU-8光刻胶并刻蚀；
（4）对硅结构进行一次深刻蚀，得到两个40um深的沟槽；
（5）将石墨烯薄膜固定在已刻蚀的硅结构上并修正结构；
（6）用氯化铁蚀刻溶液（CE-200，氯氮卓二钾）去除铜箔基底，然后利用DIH2O对石墨烯进行冲洗；
（7）通过加热分解去除石墨烯上的PMMA，完成将石墨烯薄膜转移到硅结构；
（8）在石墨烯上溅射金属Au形成电极；
（9）对两片玻璃基底进行抛光，清洗，并溅射金属Au形成电极；
（10）将两片玻璃基底和硅结构进行键合形成整个完整结构；
（11）通过SU-8光刻胶，利用热拉升的方式在石墨烯薄膜施加一定的预载应力。
以上结合附图对本发明的具体实施方式作了说明，但这些说明不能被理解为限制了本发明的范围，本发明的保护范围由随附的权利要求书限定，任何在本发明权利要求基础上的改动都是本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种基于石墨烯谐振器的平面差分式加速度计装置，其特征在于：由三层结构组成，上、下两层结构均为设有信号引线的玻璃衬底（1-1、1-2），中层为差分式石墨烯加速度计结构；
所述中层差分式石墨烯加速度计结构由第一石墨烯谐振器（2-1）和第二石墨烯谐振器（2-2），第一中部支撑块（6-1）、第二中部支撑块（6-2）和一个外部支撑块（7）组成；其中第一石墨烯谐振器（2-1）和第二石墨烯谐振器（2-2）结构相同但中心对称排布方式相反；
其中第一石墨烯谐振器（2-1）位于差分式石墨烯加速度计结构中轴线的左侧，第二石墨烯谐振器（2-2）位于差分式石墨烯加速度计结构中轴线的右侧；
第一石墨烯谐振器（2-1）正面朝上层玻璃衬底，第二石墨烯谐振器（2-2）的正面朝下层玻璃衬底，当垂直方向有输入加速度时，第一石墨烯谐振器（2-1）和第二石墨烯谐振器（2-1）的运动方向刚好相反，形成差分结构；
其中第一石墨烯谐振器（2-1）通过位于上方的第一连接短梁（5-1）与第一中部支撑块（6-1）相连，第一中部支撑块（6-1）通过位于下方的第二连接短梁（5-2）与外部支撑块（7）相连；
其中所述第二石墨烯谐振器（2-2）通过位于下方方的第三连接短梁（5-3）与第二中部支撑块（6-2）相连，第二中部支撑块（6-2）通过位于上方的第四连接短梁（5-4）与外部支撑块（7）相连；
其中所述外部支撑块（7）通过其右下、左下、左上、右上四个顶点上的锚点（8-1、8-2、8-3、8-4）固定在上、下两层玻璃基底上。
2. 如权利要求1所述的一种基于石墨烯谐振器的平面差分式加速度计装置，其特征在于：其中第一石墨烯谐振器（2-1）的上半部分为第一支撑块（10-1）且下半部分为第一质量块（9-1）；其中所述第一质量块（9-1）和第一支撑块（10-1）的形状均呈U型且相互对称分布，所述第一质量块（9-1）和第一支撑块（10-1）的下端分别通过第一扭梁（11-1）和第二扭梁（11-2）连接固定；其中所述第一扭梁（11-1）和第二扭梁（11-2）均呈H型；其中所述第一质量块（9-1）和第一支撑块（10-1）的上端U型凹槽之间通过第一石墨烯带（4-1）连接；所述第二石墨烯谐振器（2-2）的上半部分为第二质量块（9-2），下半部分为第二支撑块（10-2），其中第二质量块（9-2）和第二支撑块（10-2）的形状均为U型且相互对称分布，质量块（9-2）和支撑块（10-2）的上端分别通过第三扭梁（11-3）和第四扭梁（11-4）连接固定; 所述第三扭梁（11-3）和第四扭梁（11-4）均呈H型；第二支撑块（10-2）和第二质量块（9-2）的U型凹槽之间通过第二石墨烯带（4-2）连接；所述第一石墨烯谐振器（2-1）上方的第一石墨烯带（4-1）两端布置有第一输入电极（3-2）和第一输出电极（3-3）；第二石墨烯谐振器（-2）下方的第二石墨烯带（4-2）两端布置有第二输入电机（3-5）第二输出电极（3-6）；所述第一石墨烯谐振器（2-1）正对的上层玻璃衬底（1-1）上布置有第一栅极电极（3-1），第二石墨烯谐振器（2-2）正对的下层玻璃衬底（1-2）上布置有第二栅极电极（3-2）。
3.如权利要求1所述的一种基于石墨烯谐振器的平面差分式加速度计装置，其特征在于：其中上、下两层玻璃衬底（1-1、1-2）均采用硼基玻璃制作。
4.如权利要求1所述的一种基于石墨烯谐振器的平面差分式加速度计装置，其特征在于：所述外部支撑块（7）位于中层为差分式石墨烯加速度计结构的最外侧并向内包围第一、二中部支撑块（6-1、6-2）和第一、二石墨烯谐振器（2-1、2-2）；其中内部的第一中部支撑块（6-1）和第二中部支撑块（6-2）分别位于所述中层为差分式石墨烯加速度计结构中轴线的左右两侧。
5.一种基于石墨烯谐振器的平面差分式加速度计装置的加工方法，其特征在于：依次包括以下步骤：
（1）用25um厚的铜箔作为基底材料，在1000oC条件下方法将甲烷和氢气进行混合，通过化学蒸汽沉积方法CVD在铜箔基底上生长石墨烯薄膜；
（2）将30-50nm厚的甲基丙烯酸甲酯（PMMA）涂覆在石墨烯表面；
（3）对厚度为100um的硅片进行双面抛光，利用干法刻蚀技术刻蚀台阶，并在其中两个台阶表面局部喷涂SU-8光刻胶并刻蚀；
（4）对硅结构进行一次深刻蚀，得到两个40um深的沟槽；
（5）将石墨烯薄膜固定在已刻蚀的硅结构上并修正结构；
（6）用氯化铁蚀刻溶液（CE-200，氯氮卓二钾）去除铜箔基底，然后利用DIH2O对石墨烯进行冲洗；
（7）通过加热分解去除石墨烯上的PMMA，完成将石墨烯薄膜转移到硅结构；
（8）在石墨烯上溅射金属Au形成电极；
（9）对两片玻璃基底进行抛光，清洗，并溅射金属Au形成电极；
（10）将两片玻璃基底和硅结构进行键合形成整个完整结构；
（11）通过SU-8光刻胶，利用热拉升的方式在石墨烯薄膜施加一定的预载应力。
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