[发明专利]一种基于悬浮二维材料及异质层悬挂质量块的加速度传感器

说明书

本发明公开了一种基于悬浮二维材料及异质层悬挂质量块的加速度传感器，其特征在于，悬浮二维材料及异质层悬挂质量块作为弹簧‑质量块系统及跨导器结构使用；悬浮二维材料及异质层的所用材料主要包括石墨烯、六方氮化硼、二硫化钼、二硒化钨、二硒化钼、二硫化钨、二硒化铂等过渡金属二硫属化物；外在所施加的加速度（例如沿Z轴方向）使悬挂质量块的悬浮二维材料及异质层形变与应变（例如沿Z轴发生），进而使压阻的悬浮二维材料及异质层的电阻发生变化，从而可检测到所施加的加速度。大的悬挂的质量块、高压阻系数的二维材料及异质层的使用与六方氮化硼作为封装层大幅度提高了器件的灵敏度、分辨率、检测极限与产率，避免了器件性能的降解。

技术领域

本发明涉及加速度传感器领域领域，尤其涉及一种基于悬浮二维材料及异质层悬挂质量块的加速度传感器。

背景技术

微电子机械加速度传感器应用广泛，包括导航系统、航空航天、汽车驾驶系统、结构检测、工业控制、物联网、基于智能手机的消费电子学、可穿戴设备、生物医疗植入等。微电子机械传感器包括加速度传感器在许多应用上的一个长期目标是持续降低器件尺寸、提高器件性能。一个典型的加速度传感器通常包含一个悬浮的质量块结构，该质量块随着施加的加速度而产生位移，从而引起加速度传感器的传感结构的电阻或电容等发生变化。当前一个典型的加速度传感器的尺寸为数个平方毫米级别，微电子机械传感器的进一步小型化将导致更小的功能部件、更小的封装，最终降低器件成本，同时也是新兴应用应用（如可穿戴电子学、生物医疗植入、纳米机器人、物联网）所必须的。

但是，当前的硅基微电子机械加速度传感器存在因减小尺寸而导致的灵敏度与分辨率大幅度下降的限制。另外，尺寸相对较大的微电子机械加速度传感器通常拥有较低的谐振频率，这限制了加速度传感器的带宽及输入信号的线性频率范围。

石墨烯作为一个典型的二维材料，具有原子层级别的厚度，具有高的载流子迁移率、高的机械强度，具有压阻特性，因此，石墨烯在超小的微纳电子机械器件如加速度传感器中是一个非常有潜力的功能薄膜材料。

现有技术中，Hurst等人 （Hurst, A. M., Lee, S., Cha, W. Hone, J. Agraphene accelerometer. In 2015 28th IEEE Int. Conf. on Micro ElectroMechanical Systems (MEMS) 865-868 (IEEE, 2015); Twodimensional material basedaccelerometer, US 20150362521 A1）提出了基于石墨烯基二维材料的加速度传感器概念，该加速度传感器包括硅衬底、门电极，石墨烯通过机械剥离的方法转移到衬底上，尺寸较小的质量块（直径：10 微米，厚度为1.5 微米，由金或光刻胶SU-8组成）淀积在石墨烯的上面，悬浮的石墨烯通过刻蚀石墨烯下面的牺牲层而实现，所制备的石墨烯加速度传感器的传感原理是基于依赖电荷充放电的电导率变化的跨导机制，门电极是可充放电的，质量块位移的变化导致石墨烯薄膜与门电极的电容的变化 （即充放电的门电极与悬浮石墨烯薄膜之间电学耦合的变化），导致悬浮石墨烯薄膜载流子浓度的变化，最终导致悬浮石墨烯薄膜电阻的变化。

但是该石墨烯加速度传感器由于质量块较小等因素目前仅能检测出1000 g 到3000 g 的高冲击加速度，且输出信号（灵敏度）仍然非常弱。