[发明专利]一种石墨烯薄膜电极电容式微加速度计及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于微电子机械系统领域，具体是一种以石墨烯薄膜作为电极的电容式微加速度计及其制备方法。

背景技术

微加速度计是基于微纳加工技术制作而成的一种力学传感器，被广泛应用于惯性力、振动、冲击和倾斜角等参数的测量。根据工作原理的不同，微加速度计可以分为压阻式、电容式、压电式、隧穿式和谐振式等种类。电容式微加速度计制备工艺简单，体积小，重量轻，在温度特性、测量精度、闭环控制以及与电路的单片集成等方面具有独特的优点，被广泛应用于汽车电子、智能手机、医学仪器和军事装备等众多领域。电容式微加速度计包括上、下盖帽层、可动结构层(基底、悬臂梁和质量块)和电极层。其工作原理为：质量块和盖帽层内侧电极层构成电容，当质量块在加速度产生的惯性力作用下产生位移时，引起电容的改变，通过测量电容的变化来实现加速度的测量。

传统电容式微加速度计是用金属或低电阻率单晶硅作为电极材料。如公开号为CN100487461C，名称为“金属电容式微加速度计”的中国专利采用的是金属电极；公开号为CN101907637B，名称为“三轴差分加速度计及其制作方法”的中国专利采用的是低电阻率单晶硅电极。金属电极在制备过程和后续热处理过程中，易产生残余应力。当温度发生变化时，金属电极应力状态也会发生改变，导致器件的输出特性变化。并且，由于金属和低电阻率单晶硅的室温热导率较低，传统电容式微加速度计使用过程中自身的发热易引起器件的输出漂移，造成较大的误差。相比金属或低电阻率单晶硅，石墨烯薄膜作为电容式微加速度计的电极材料具有如下优点：(1)石墨烯薄膜具有优异的导电特性，最高载流子迁移率可以达到200000cm²/Vs，超出目前已知的任何材料。(2)石墨烯薄膜室温热导率约5000W/mK，远高于传统的金属或低电阻率单晶硅电极材料。使用石墨烯薄膜作为电极材料，能将热量快速耗散而使器件达到热平衡，减小器件的输出漂移，提高器件的可靠性和稳定性。(3)石墨烯薄膜与衬底之间为范德瓦尔斯力接触，具有更低的残余应力。

发明内容

本发明的目的在于克服上述传统电容式微加速度计的不足，提供了一种以石墨烯薄膜作为电极材料的电容式微加速度计及其制备方法。石墨烯薄膜电极相比传统金属或低电阻率单晶硅电极具有更优的导电、导热特性和更低的残余应力，从而可以提高电容式微加速度计的稳定性和可靠性。

本发明的上述优点是通过如下技术方案予以实现的：一种石墨烯薄膜作为电极的电容式微加速度计，主要包括上、下盖帽层、可动结构层(包括基底、悬臂梁和质量块)和电极层。可动结构层中质量块通过悬臂梁与基底相连。上、下盖帽层材料为玻璃，可动结构层为低电阻率单晶硅(n型，电阻率1-10Ω·cm)，电极层为石墨烯薄膜。石墨烯薄膜采用化学气相沉积法制备。空腔和凸台制备在上、下盖帽层的内侧。石墨烯薄膜电极层制备在上、下盖帽层的内侧以及质量块的上下表面。所述质量块上石墨烯薄膜电极与上、下盖帽层内侧的石墨烯薄膜电极构成一组差分检测电容，从而对垂直于盖帽层方向的加速度进行测量。

该电容式微加速度计具体制备过程如下：

(1)通过紫外光刻和湿法腐蚀等工艺在上、下盖帽层内侧电极区域制备出一定深度的空腔和凸台。空腔提供质量块的运动行程，并决定了检测电容的初始值。凸台是为了防止质量块与盖帽层粘连，限制质量块的运动行程在一定范围之内，提高加速度计的抗冲击能力。

(2)通过紫外光刻和湿法腐蚀(或激光打孔)等工艺在盖帽层中形成一定尺寸的通孔。通过紫外光刻和电镀等工艺，电镀铜填充通孔。通孔是石墨烯薄膜电极实现与外界导电和导热的通道。

(3)通过石墨烯薄膜的转移和图形化工艺在上、下盖帽层内侧和可动结构层的质量块上下表面制备出石墨烯薄膜电极层。

(4)石墨烯薄膜的转移工艺具体如下：首先在石墨烯薄膜(采用化学气相沉积法在Cu或Ni箔金属衬底上制备所得)表面旋涂一层聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)薄膜，然后将其浸泡于1M的FeCl₃或(NH₄)₂S₂O₈腐蚀溶液中约5小时，腐蚀掉金属衬底，得到悬浮于腐蚀溶液表面的石墨烯薄膜。使用目标衬底将悬浮在腐蚀溶液中的石墨烯薄膜捞起，进行适当热处理(温度约60-150℃，时间约30分钟)，用丙酮去掉石墨烯薄膜表面的PMMA，最终得到表面覆盖有石墨烯薄膜的目标衬底。