本发明专利技术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。
【技术实现步骤摘要】
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
本专利技术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。
技术介绍
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.Agrapheneaccelerometer.In201528thIEEEInt.Conf.onMicroElectroMechanicalSystems(MEMS)865-868(IEEE,2015);Twodimensionalmaterialbasedaccelerometer,US20150362521A1）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1000g到3000g的高冲击加速度，且输出信号（灵敏度）仍然非常弱。Fan等人（XugeFan*,FredrikForsberg,AndersonD.Smith,StephanSchröder,StefanWagner,HenrikRödjegård,AndreasC.Fischer,MikaelÖstling,MaxC.Lemme*,FrankNiklaus*,Grapheneribbonswithsuspendedmassesastransducersinultra-smallnanoelectromechanicalaccelerometers,NatureElectron,2,394–404(2019).XugeFan*,FredrikForsberg,AndersonD.Smith,StephanSchröder,StefanWagner,MikaelÖstling,MaxC.Lemme*,andFrankNiklaus*,NEMSaccelerometersbasedonsuspendedgraphenemembraneswithattachedmasses,NanoLetters,19,10,6788-6799(2019)）报道了基于双层堆栈的化学气相沉积石墨条带及薄膜悬挂二氧化硅/硅质量块的压阻式加速度传感器，传感功能结构尺寸比传统的硅基加速度传感器至少小两个数量级。但基于双层堆栈的化学气相沉积石墨烯的加速度传感器存在灵敏度不够高、分辨率相对较低、检测极限不够小、器件稳定性差、器件抗周边环境（如湿度、气体）及噪音信号能力差、产率有待进一步改善等问题。理论与实验表明二维材料如二硫化钼、二硫化钨、二硒化钨、二硒化钼等过渡金属二硫属化物的压阻应变系数比石墨烯要高1到3个数量级，这表明基于这些二维材料的压阻微纳机电传感器比基于石墨烯的压阻微纳机电传感器的灵敏度要高1到3个数量级。但是，这些二维材料的杨氏模量(机械强度）比石墨烯要低半个到1个数量级。六方氮化硼是二维绝缘体，拥有跟石墨烯相接近的杨氏模量与薄膜厚度，因此六方氮化硼非常适合作为石墨烯及其他二维材料的衬底与封装材料，以改善石墨烯及其他悬浮二维材料的机械稳定性、避免石墨烯及其他二维材料传感器因暴露于空气环境而导致性能降解。
技术实现思路
本专利技术的目的在于，克服现有技术不足之处，提供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。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，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。电极与悬浮二维材料及异质层相连接，当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产生形变（例如沿Z轴发生），悬浮二维材料与异质层薄膜中产生应变，根据二维材料压阻效应，悬浮二维材料及异质层的的电阻发生变化，从而可相应的检测到所施加的加速度（例如沿Z轴方向）。进一步的，所述悬浮二维材料包括石墨烯（graphene）、六方氮化硼(h-BN)、二硫化钼(MoS2)、二硒化钨(WSe2)、二硒化钼MoSe2)、二硫化钨(WS2)、二硒化铂（PtSe2）、二碲化钼（MoTe2)、二碲化钨（WTe2）、二硒化钒（VSe2）、二硫化铬（CrS2）、二硒化铬（CrSe2）、其他过渡金属二硫属化物（TMDC）、黑磷（P）。进一步的，所述悬浮二维材料异质层包括六方氮化硼/石墨烯、六方氮化硼/二硫化钼、六方氮化硼/二硒化钨、六方氮化硼/二硒化钼、六方氮化硼/二硫化钨、六方氮化硼/二硒化铂、六方氮化硼/二碲化钼、六方氮化硼/二碲化钨、六方氮化硼/二硒化钒、六方氮化硼/二硫化铬、六方氮化硼/二硒化铬、石墨烯/二硫化钼、石墨烯/二硒化钨、石墨烯/二硒化钼、石墨烯/二硫化钨、石墨烯/二硒化铂、石墨烯/二碲化钼、石墨烯/二碲化钨、石墨烯/二硒化钒、石墨烯/二硫化铬、石墨烯/二硒化铬、六方氮化硼/石墨烯/二硫化钼、六方氮化硼/石墨烯/二硒化钨、六方氮化硼/石墨烯/二硒化钼、六方氮化硼/石墨烯/二硫化钨、六方氮化硼/石墨烯/二硒化铂、六方氮化硼/石墨烯/二碲化钼、六方氮化硼/石墨烯/二碲化钨、六方氮化硼/石墨烯/二硒化钒、六方氮化硼/石墨烯/二硫化铬、六方氮化硼/石墨烯/二硒化铬。进一步的，所述悬浮二维材料包括单个原子层、两个原子层、三个原子层、四个原子层、五个原子层、六个原子层、七个原子层、八本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一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。/n
【技术特征摘要】
1.一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。
2.根据权利要求1所述的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：所述悬浮二维材料包括石墨烯（graphene）、六方氮化硼(h-BN)、二硫化钼(MoS2)、二硒化钨(WSe2)、二硒化钼MoSe2)、二硫化钨(WS2)、二硒化铂（PtSe2）、二碲化钼（MoTe2)、二碲化钨（WTe2）、二硒化钒（VSe2）、二硫化铬（CrS2）、二硒化铬（CrSe2）、其他过渡金属二硫属化物（TMDC）、黑磷（P）；所述悬浮二维材料异质层包括六方氮化硼/石墨烯、六方氮化硼/二硫化钼、六方氮化硼/二硒化钨、六方氮化硼/二硒化钼、六方氮化硼/二硫化钨、六方氮化硼/二硒化铂、六方氮化硼/二碲化钼、六方氮化硼/二碲化钨、六方氮化硼/二硒化钒、六方氮化硼/二硫化铬、六方氮化硼/二硒化铬、石墨烯/二硫化钼、石墨烯/二硒化钨、石墨烯/二硒化钼、石墨烯/二硫化钨、石墨烯/二硒化铂、石墨烯/二碲化钼、石墨烯/二碲化钨、石墨烯/二硒化钒、石墨烯/二硫化铬、石墨烯/二硒化铬、六方氮化硼/石墨烯/二硫化钼、六方氮化硼/石墨烯/二硒化钨、六方氮化硼/石墨烯/二硒化钼、六方氮化硼/石墨烯/二硫化钨、六方氮化硼/石墨烯/二硒化铂、六方氮化硼/石墨烯/二碲化钼、六方氮化硼/石墨烯/二碲化钨、六方氮化硼/石墨烯/二硒化钒、六方氮化硼/石墨烯/二硫化铬、六方氮化硼/石墨烯/二硒化铬；所述悬浮二维材料异质层也包括其与其他类型纳米薄层的复合，包括金属（如金、银、铜、铝）、金属氧化物（如三氧化二铝）、有机聚合物（如聚二甲基硅氧烷（PDMS）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚（双酚A）碳酸酯（PC））及氮化硅与二维材料及异质层的复合,例如三氧化二铝/石墨烯、聚甲基丙烯酸甲酯/石墨烯、聚二甲基硅氧烷/石墨烯、聚（双酚A）碳酸酯/石墨烯、氮化硅/石墨烯、三氧化二铝/石墨烯/二硫化钼、聚甲基丙烯酸甲酯/石墨烯/二硫化钼等。
3.根据权利要求1所述的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：所述悬浮二维材料包括单个原子层、两个原子层、三个原子层、四个原子层、五个原子层、六个原子层、七个原子层、八个原子层、九个原子层、十个原子层以及更厚的二维材料薄膜（0-1000纳米）；悬浮二维材料异质层包括两个原子层、三个原子层、四个原子层、五个原子层、六个原子层、七个原子层、八个原子层、九个原子层、十个原子层以及200纳米内的二维材料薄膜。
4.根据权利要求1所述的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：所述二维材料及异质层的来源包括化学气相沉积合成、机械剥离、液相剥离、外延生长、还原氧化；大于单个原子层厚度的所述二维材料及异质层的来源包括直接的生长合成(如化学气相沉积、外...
【专利技术属性】
技术研发人员：范绪阁，丁洁，
申请(专利权)人：范绪阁，
类型：发明
国别省市：山东;37
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