[發明專利]靜電激勵-壓阻檢測石墨烯微機械諧振器裝置

在審

• 申請號: 201810318398.1
• 申請日: 2018-04-11
• 公開（公告）號: CN108696264A
• 公開（公告）日: 2018-10-23
• 發明（設計）人: 邢維巍;孫璐;樊尚春;馬翠萍
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: H03H9/02
• 分類號: H03H9/02;H03H9/05;H03H9/24
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 楊學明;盧紀

本發明公開了靜電激勵?壓阻檢測石墨烯微機械諧振器裝置，包括微結構和配套電路。微結構包括梁、襯底、支撐對和電極組。支撐對包括第一支撐和第二支撐；電極組包括多個電極。梁兩端固定在支撐對上，平行于襯底上表面設置。電極組設置在襯底上，沿梁軸向線性排列。配套電路包括第一電阻器、第二電阻器、第一基準源、第二基準源、激勵源組。激勵源組包括多個激勵源。電極組與激勵源組數目相同。第一電阻器的一端連接第一基準源，另一端連接梁一端；梁另一端連接第二電阻器一端；第二電阻器另一端連接第二基準源；電極與激勵源一一對應。本發明包含了諧振器、激勵器和檢測器三種功能，實現了石墨烯諧振器的電學激勵和電學檢測。

技術領域

本發明屬于石墨烯微機械諧振器激勵/檢測技術領域，具體涉及一種靜電激勵-壓阻檢測石墨烯微機械諧振器裝置。

背景技術

靜電激勵-壓阻檢測石墨烯微機械諧振器裝置使用的石墨烯材料主要指單層石墨烯。K.S.Novoselov等人于2004年發現了石墨烯，由于其優越的機械、光學、電學和化學性能，受到了廣泛關注。石墨烯是一種由單層六角元胞碳原子構成的蜂窩狀二維晶體，具有高楊氏模量(約1TPa)、高共振頻率和高載流子遷移率(20 000cm²·V^-1·s^-1)的性質，使其成為納米級別應用如電化學傳感器、電極、電容器和壓力傳感器等的理想材料。

石墨烯理論研究方面，2008年，瑞典查爾默斯技術大學Atalaya J等將單層石墨烯看成彈性薄板，分析了無缺陷四邊固支石墨烯的靜態響應和動態響應，給出了諧振頻率近似計算公式。2009年，印度理工學院Murmu T等利用非局部彈性理論分析了嵌在彈性介質中的單層石墨烯的振動特性。2012年，加拿大曼尼托巴大學Arash B使用分子動力學方法研究了非局部彈性理論。2012年，韓國世明大學Kwon O K等利用分子動力學方法分析了納米壓痕下石墨烯諧振器的力學響應，發現石墨烯諧振器可以被納米壓力和初始位移調諧，石墨烯材料也因此被發現具有被做成傳感器的巨大潛力。2016年，北京航空航天大學邢維巍研究小組采用分子動力學方法研究和總結了單層石墨烯諧振器的諧振特性，包括自由振動時的諧振頻率和振型，以及尺寸、手性、應變、初始位移、邊界條件等因素對其諧振特性的影響，為石墨烯諧振器與硅微機構的結合提供了部分理論依據。

石墨烯制備工藝方面，早在2010年，美國康奈爾大學McEuen PL課題組就通過化學氣相沉積法制作出單層石墨烯諧振器。近年來發展的在金屬Cu和Ni箔片或SiO₂薄膜表面通過CVD生長單層或薄層石墨烯的方法，使石墨烯膜的制作質量得到了很大提高。2016年，中科院物理所納米物理與器件實驗室已經在Ru(0001)單晶表面獲得了毫米量級高質量連續無缺陷的單晶單層石墨烯材料。這些工藝均為高性能石墨烯諧振器的制作奠定了堅實基礎。

諧振式傳感器易與數字系統及計算機相結合，不會因傳輸而降低精度，適合于長距離的信號傳輸，而且系統功耗小，抗干擾性強，穩定性好，輸出可以對輸入自動跟蹤。因此對諧振式傳感器進行研究具有非常重要意義。諧振器是諧振式傳感器的敏感元件以及核心組件。待測物理量可通過某種轉換機制改變諧振器的諧振頻率，檢測諧振頻率的改變即可實現待測物理量的測量。而石墨烯微機械諧振器則是新型微機械諧振器的一個重要發展方向。其中激勵和檢測是實現石墨烯諧振器機-電轉換的必要手段。

激勵方式方面，常用技術已包括電磁激勵、靜電激勵、(逆)壓電激勵、電熱激勵、光學激勵等方式。電磁激勵需要利用磁場，因此會給傳感器的微型化集成化造成一定的困難。壓電激勵原理簡單，但是加工工藝大多與集成電路工藝不兼容，不利于集成化。電熱激勵抗干擾能力、溫度特性稍差。光學激勵所需的光學系統復雜，體積較大。

常用的檢測方式有光學方法，如光干涉調制檢測法和光強度調制檢測法，也有電學方法，如電磁檢測、電容檢測、(正)壓電檢測、壓阻檢測等方式。光學方法需要的外部光學電路復雜，體積較大，難以滿足小型化的要求。