[发明专利]一种差动式石墨烯谐振梁加速度传感器

说明书

本发明公开了一种差动式石墨烯谐振梁加速度传感器，包括基底(1)、敏感质量板(2)、绝缘层一(3)、绝缘层二(4)、激励电极对一(5)、石墨烯谐振梁一(6)、石墨烯谐振梁二(7)、绝缘层三(8)、激励电极对二(9)和真空罩(10)。本发明采用直接敏感加速度方式：敏感质量块直接感受被测加速度，将被测加速度转化为集中力引起敏感质量块的轴向位移，进而引起石墨烯谐振梁轴向应力的变化，从而导致梁谐振频率的变化，通过检测梁的谐振频率即可实现对加速度的测量。本发明中位于敏感质量块轴向的两个石墨烯谐振梁，在被测加速度方向工作于差动模式，从而增强检测信号，提高灵敏度与测量准确性，抑制共轭干扰。

技术领域

本发明属于微/纳机电系统技术领域，涉及了一种差动式石墨烯谐振梁加速度敏感结构、加速度传感器。

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。

谐振式加速度传感器，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。当对加速度传感器施加加速度时，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。谐振式加速度传感器具有很高的精度，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传感器得到了快速发展，谐振式加速度传感器走上小型化、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，具有差动式谐振梁加速度传感器的研究仍处于空白。

对于谐振式加速度传感器，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。此外，若要提高加速度测量灵敏度，目前绝大多数办法需要重新设计谐振敏感结构，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、抗干扰能力强、灵敏度高、可感受极小加速度的一种差动式石墨烯谐振梁加速度传感器。