[发明专利]一种基于石墨烯谐振特性的单轴加速度计

说明书

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。