CN114544064A - 一种谐振式石墨烯气体压力传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种谐振式石墨烯气体压力传感器，包括第一电极、第二电极、第三电极、单层石墨烯、多层石墨烯、缓冲层、第一绝缘层、二氧化硅基底和硅基底，第三电极卡在二氧化硅基底空腔的底部，并置于硅基底之上；单层石墨烯置于氧化硅基底之上，与第三电极之间形成第一空腔；所述第一电极和第二电极卡在缓冲层中，并置于单层石墨烯之上；多层石墨烯通过第一绝缘层置于缓冲层之上；多层石墨烯与单层石墨烯之间形成第二空腔；第一空腔和第二空腔内均填充有惰性气体，整个压力传感器置于由固定上外壳和固定下外壳组成的盒体内。本发明的谐振式石墨烯气体压力传感器结构简单，较高的灵敏度和可靠性，可用于呼吸检测、气压测量等应用。
Description
技术领域
本发明涉及一种采用石墨烯制作而成的谐振式气体压力传感器，属于气体压力测量的技术领域。
背景技术
压力传感器广泛应用于智能穿戴设备、气象预测、海拔感知、流量测量、泄露测量等各个领域，而随着各领域的发展，对压力传感器的测量精度要求也越来越高。
谐振式气体压力传感器是一种典型的MEMS器件，利用外界气体压力作用时结构频率的改变来实现压力测量。它的工作原理是利用敏感元件的谐振频率会根据所受压力的变化而相应变化，通过敏感元件的输入压力与输出频率的对应关系，可以直接输出电信号，其传输与测量都可直接应用数字技术,具有广阔的应用前景。具有抗干扰能力强、稳定性好和数字化输出等特点，但是，现有的谐振式压力传感器中的敏感元件的封装结构大都比较复杂，制造难度高，测量精度较低，因此，现有技术还有待改进和发展。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种采用石墨烯制作而成的谐振式气体压力传感器，以解决现有技术中谐振式气体压力传感器结构复杂、测量精度较低的问题。
技术方案：本发明所述的一种谐振式石墨烯气体压力传感器，包括电极、石墨烯和基底，其他特征在于，所述电极分为第一电极、第二电极和第三电极，所述石墨烯分为单层石墨烯和多层石墨烯，所述的基底分为中部设有空腔的二氧化硅基底和硅基底；所述第三电极卡在二氧化硅基底空腔的底部，并置于基底之上；所述单层石墨烯置于氧化硅基底之上，与第三电极之间形成第一空腔；所述第一电极和第二电极卡在缓冲层中，并置于单层石墨烯之上；所述多层石墨烯通过中部设有空腔的第一绝缘层置于缓冲层之上；所述多层石墨烯与单层石墨烯之间形成第二空腔；所述第一空腔和第二空腔内均填充有气体。
进一步地，所述谐振式石墨烯气体压力传感器还包括设置在多层石墨烯之上的第二绝缘层，所述第二绝缘层中部设有空腔，用于多层石墨烯的固定。
进一步地，还包括固定下外壳，所述固定下外壳设有三个通孔，分别用于第一电极、第二电极、第三电极与外部集成电路的连接与通信，所述谐振式石墨烯气体压力传感器置于固定下外壳内。
进一步地，还包括中部是有空腔的固定上外壳，所述固定上外壳盖在第二绝缘层之上，与固定下外壳组成一个盒体。
进一步地，所述第一空腔和第二空腔内的气体为惰性气体。既能充当介质的作用，传递形变，也能避免单层石墨烯直接与外部接触，提高传感器的稳定性与耐用性。其中，所述第二气体位于多层石墨烯下方，用于对谐振器产生阻尼。
进一步地，所述多层石墨烯为无缺陷或较少缺陷的石墨烯的层叠，其层数为3～5层。
进一步地，所述单层石墨烯为无缺陷或较少缺陷的石墨烯。
进一步地，所述第一绝缘层和第二绝缘层均无机非金属材料.
进一步地，所述无机非金属材料为环氧树脂、酚醛树脂、玻璃或陶瓷材料。
进一步地，所述二氧化硅基底中心空腔尺寸为微米级或纳米级。
进一步地，所述第一绝缘层、第二绝缘层、二氧化硅基底和固定上外壳的中心空腔形状为圆柱形或矩形。
进一步地，所述第一电极、第二电极蒸镀固定在单层石墨烯之上，用于给单层石墨烯通入交变电压。
进一步地，所述第三电极位于硅基底上方，用于通入直流电流，使单层石墨烯产生振动。
进一步地，所述传感器为开放式，所述固定上外壳中心的空腔用于接触外部压力。
进一步地，所述第一绝缘层固定于电极和电极的上方，第二绝缘层固定于多层石墨烯的上方，分别用于多层石墨烯的绝缘与固定作用。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明将多层石墨烯作为直接的外部压力感受层，由于石墨烯具有良好的导电性、柔性与高机械强度，在对外部压力测量时，相比于硅、碳化硅、陶瓷等材料来说，不仅具有较高的机械强度，而且由于石墨烯具有较好的柔性，也能保证更高的测量精度；
(2)本发明将多层石墨烯作为直接的外部压力感受层，多层石墨烯还能充当缓冲层的作用，避免外部压力过大对内部单层石墨烯的损坏。
(3)本发明将多层石墨烯作为直接的外部压力感受层，更易更换与维护。
(4)将气体作为传递压力的介质，设置于单层石墨烯与多层石墨烯之间，使得外部应力能够更均匀地作用于单层石墨烯，还能减弱外部温度对单层石墨烯的影响，能够提高石墨烯气体压力传感器的精度，因此本发明采用的石墨烯具有较高的灵敏度，实现的石墨烯气体压力传感器具有较高的可靠性。
附图说明
图1为谐振式石墨烯气体压力传感器的结构图；
图2为谐振式石墨烯气体压力传感器的结构示意图；
图3为谐振式石墨烯气体压力传感器仿真结构弛豫图；
图4为谐振式石墨烯气体压力传感器受到外界压力时的仿真结构图；
图5为谐振式石墨烯气体压力传感器受到压力时谐振频率变化示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
实施例1
如图1-2所示，本发明所述的一种谐振式石墨烯气体压力传感器，由第一电极1、第二电极2、第三电极3、单层石墨烯4、多层石墨烯5、第一绝缘层6、第二绝缘层7、二氧化硅基底8、硅基底9、固定上外壳10、固定下外壳14、缓冲层13组成。其中，第一绝缘层6、第二绝缘层7、二氧化硅基底8和固定上外壳10的中心分别设有空腔，固定下外壳14设有三个通孔，分别用于电极1、电极2、电极3与外部集成电路的连接与通信。固定下外壳14内设有硅基底9，第三电极3位于硅基底9上方，卡接在二氧化硅基底8中心空腔底部，用于通入直流电流，使单层石墨烯4产生振动。单层石墨烯4固定在二氧化硅基底8上方，与第三电极3之间形成第一空腔11。缓冲层13设有与第一电极1、第二电极2形状相吻合的缺口，将第一电极1、第二电极2卡合在缓冲层13内。第一电极1、第二电极2蒸镀固定在单层石墨烯4之上，用于给单层石墨烯4通入交变电压。缓冲层13之上依次设有第一绝缘层6、多层石墨烯5和第二绝缘层7，多层石墨烯5与之间形成第二空腔12。第一空腔11和第二空腔12内分别填充氩气；固定上外壳10盖合在最上面与固定下外壳14形成一个完整盒体。
单层石墨烯4、多层石墨烯5应为化学气相沉积法制备得到，单层石墨烯能够保证高谐振频率，多层石墨烯5为3层石墨烯叠层，位于第一绝缘层6的上部，用于感应外部压力变化既能保证在较高外部压力下的强度，不易破坏，也能保证内部气体的泄露。且制得的石墨烯薄膜具有缺陷少、质量高、面积大的特点。
第一绝缘层6和第二绝缘层7的材料为环氧树脂。由于绝缘层的设置，能够保证多层石墨烯5不受电流影响，使得多层石墨烯5充当压力感受的作用，绝缘层还能起到隔热的作用，由于温度的变化也对单层石墨烯4的谐振频率具有影响作用，因此绝缘层的设置也能保护和减弱温度的影响。第一绝缘层(6)、第二绝缘层(7)、二氧化硅基底(8)和固定上外壳(10)的中心空腔形状为圆柱形，二氧化硅基底(8)中心空腔直径约1微米，高度约0.5微米。
第一空腔11和第二空腔12内分别填充氩气，一方面，第二空腔12内气体用于传递多层石墨烯5接收的外部压力，使得外部压力均匀地作用于单层石墨烯4上，既具有缓冲的作用，也能起到保证石墨烯气体压力传感器的正常工作性能，提高石墨烯气体压力传感器测量结果的可靠性。另一方面，第一空腔11内的气体能够平衡单层石墨烯4上部与下部之间的压强，保证石墨烯气体压力传感器的正常工作性能。
实施例2
如图1-2所示，在第一电极1、第二电极2之间通入交流电流，在第一电极1、第三电极3之间通入直流电流，单层石墨烯4的下表面和硅基底9的上表面将分别产生正、负电荷，这些电荷数量相等，库仑力将在这些正负电荷之间产生，从而形成电容器；交变电压不断改变电流方向，使得平行板电容器不断充放电，电容器两极板即谐振梁和基底之间产生一个随时间增大或减小的静电力，谐振梁受到静电力的作用下产生周期性的上下振动；当交流电压信号的频率接近单层石墨烯4的固有频率时，单层石墨烯4实现最大的振动幅度，谐振器达到共振。当外部压力施加到多层石墨烯5上时，多层石墨烯5会向下横向位移，使得多层石墨烯5下方的第二空腔12内气体压缩，从而使得单层石墨烯4受到上方第二空腔12内气体阻尼作用，发生谐振频率的频移，从而达到压力检测的目的。
实施例3
使用分子动力学软件Lammps对石墨烯气体压力传感器仿真分析，空腔直径为10nm时，结构经过能量弛豫后的合理构型图如图3所示。图3为谐振式石墨烯气体压力传感器仿真结构弛豫图，石墨烯气体压力传感器由单层石墨烯4、第二空腔12内气体、多层石墨烯5组成，其中单层石墨烯4作为谐振器，第二空腔12内气体作为介质，多层石墨烯5作为压力感受器。结果如图4所示，图4为谐振式石墨烯气体压力传感器受到外界压力时的仿真结构图，当外界压力作用于多层石墨烯5时，多层石墨烯5压缩下方第二空腔12内气体，使第二空腔12内气体与单层石墨烯4之间的阻尼作用增强，实现压力检测的目的。石墨烯气体压力传感器受到压力变化时，谐振频率变化示意图如图5所示。图5为谐振式石墨烯气体压力传感器受到压力时谐振频率变化示意图，当外界压力作用于多层石墨烯5上的压力为0.1nN时，单层石墨烯的谐振频率变化0.6GHz，谐振频率为GHz级，而传统的压力传感器为MHz级，因而拥有超高的谐振频率与灵敏度。由于石墨烯优异的力学性能，能被用于探测超轻质量，理论探测极限为10-22g，因此对于外界压力极为敏感，本发明通过设置多层石墨烯5与外部压力直接接触，相比于密封型压力传感器因而更加灵敏。
Claims (10)
1.一种谐振式石墨烯气体压力传感器，包括电极、石墨烯和基底，其特征在于，所述电极分为第一电极(1)、第二电极(2)和第三电极(3)，所述石墨烯分为单层石墨烯(4)和多层石墨烯(5)，所述的基底分为中部设有空腔的二氧化硅基底(8)和硅基底(9)；所述第三电极(3)卡在二氧化硅基底(8)空腔的底部，并置于硅基底(9)之上；所述单层石墨烯(4)置于氧化硅基底(8)之上，与第三电极(3)之间形成第一空腔(11)；所述第一电极(1)和第二电极(2)卡在缓冲层(13)中，并置于单层石墨烯(4)之上；所述多层石墨烯(5)通过中部设有空腔的第一绝缘层(6)置于缓冲层(13)之上；所述多层石墨烯(5)与单层石墨烯(4)之间形成第二空腔(12)；所述第一空腔(11)和第二空腔(12)内均填充有气体。
2.根据权利要求1所述的谐振式石墨烯气体压力传感器，其特征在于，所述谐振式石墨烯气体压力传感器还包括设置在多层石墨烯(5)之上的第二绝缘层(7)，所述第二绝缘层(7)中部设有空腔，用于多层石墨烯的固定。
3.根据权利要求2所述的谐振式石墨烯气体压力传感器，其特征在于，还包括固定下外壳(14)，所述固定下外壳(14)设有三个通孔，分别用于第一电极(1)、第二电极(2)、第三电极(3)与外部集成电路的连接与通信，所述所述谐振式石墨烯气体压力传感器置于固定下外壳(14)内。
4.根据权利要求3所述的谐振式石墨烯气体压力传感器，其特征在于，还包括中部设有空腔的固定上外壳(10)，所述固定上外壳(10)盖在第二绝缘层(7)之上，与固定下外壳(14)组成一个盒体，便于内部器件的更换与维修。
5.根据权利要求1-4任一项所述的谐振式石墨烯气体压力传感器，其特征在于，所述第一空腔(11)和第二空腔(12)内的气体为惰性气体。
6.根据权利要求1-4任一项所述的谐振式石墨烯气体压力传感器，其特征在于，所述多层石墨烯(5)为无缺陷或较少缺陷的石墨烯的层叠，其层数为3～5层。
7.根据权利要求1-4任一项所述的谐振式石墨烯气体压力传感器，其特征在于，所述单层石墨烯(4)为无缺陷或较少缺陷的石墨烯，所述第一绝缘层(6)和第二绝缘层(7)均无机非金属材料，所述二氧化硅基底(8)中心空腔尺寸为微米级或纳米级。
8.根据权利要求7所述的谐振式石墨烯气体压力传感器，其特征在于，所述二维无机非金属材料可以为环氧树脂、酚醛树脂、玻璃或陶瓷材料。
9.根据权利要求2所述的谐振式石墨烯气体压力传感器，其特征在于，所述第一绝缘层(6)、第二绝缘层(7)、二氧化硅基底(8)和固定上外壳(10)的中心空腔形状为圆柱形、矩形或三角形。
10.根据权利要求1-4任一项所述的谐振式石墨烯气体压力传感器，其特征在于，所述第一电极(1)和第二电极(2)蒸镀固定在单层石墨烯4之上。
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