一种石墨烯双轴差分式谐振式加速度计制造技术

本申请公开了一种石墨烯双轴差分式谐振式加速度计，包括敏感质量块、谐振组件和中部镂空的固定框架，敏感质量块设置在固定框架的镂空区域内，在敏感质量块与固定框架之间沿X轴和Y轴方向分别设置谐振组件，每个谐振组件均包括H型梁、横梁和石墨烯带，横梁位于敏感质量块和固定框架之间且与所在轴方向垂直，横梁两端与固定框架固连，H型梁水平设置且两端分别连接敏感质量块和横梁，石墨烯带的两端分别搭接在横梁和固定框架上且与H型梁的开口端位置对应，在石墨烯带两端的上、下表面均分别设置电极和绝缘层。本申请利用H型梁与横梁组成的微杠杆结构传递惯性力，避免石墨烯与敏感质量块直接连接，减小切向加速度和重力对石墨烯谐振频率的影响。谐振频率的影响。谐振频率的影响。

【技术实现步骤摘要】
一种石墨烯双轴差分式谐振式加速度计


[0001]本专利技术涉及微纳机电传感器
，具体地，涉及一种石墨烯双轴差分式谐振式加速度计。

技术介绍

[0002]加速度计是一种通过计算敏感质量块在外界加速度下产生的惯性力来实现对加速度测量的传感器。加速度计在惯性导航、姿态测量等科技和工业领域具有广泛和成熟的运用。加速度计按照信号类型可以分为电容式、压阻式、压电式、谐振式等，其中，谐振式加速度计利用了振子的谐振频率对应力具有高敏感度响应的特点，使敏感质量块在加速度下产生的力或位移通过改变振子的应力来进一步改变谐振频率。谐振式加速度计输出的频率信号不易失真，具有抗干扰能力强、重复性好和灵敏度高等优点。
[0003]目前，发展较为成熟的谐振式加速度计通常以硅、石英、合金等材料制备谐振元件，而这类谐振式加速度计已无法满足日益发展的更快响应速度、更高测量精度和更宽测量范围的要求。减小谐振子的尺寸对于满足上述要求具有重要的意义，因此，可利用新型材料实现谐振子尺寸进一步缩小。
[0004]石墨烯等二维材料的出现为微型化加速度计的发展带来了新的机遇。石墨烯是指紧密堆积在二维蜂窝状晶格中扁平的碳原子单层，它由sp2杂化碳原子以共价键相连，是所有其他维度的石墨材料的基本构件。石墨烯具有一系列优异的机械、电学和光学性能，其中机械特性包括高强度、高刚度、低质量、高共振频率和大范围调谐能力等，这些特性使其成为加速度计中谐振子的优质材料，也使得石墨烯谐振式加速度计的发展具有光明的前景和重要的应用价值。
[0005]2007年，J.S.Bunch等人首次制备了石墨烯谐振子并进行测量，此后，关于石墨烯谐振子及其应用的研究逐渐发展。但目前关于石墨烯谐振式加速度计的研究仍停留在理论仿真计算和实验室样机测试阶段，技术成熟度不高，在结构和性能方面还有进一步优化完善的空间。

技术实现思路

[0006]本申请的目的在于提供一种以石墨烯为振子的双轴差分谐振式加速度计，提高检测结果的灵敏度和精准度。本申请的技术方案如下：
[0007]一种石墨烯双轴差分式谐振式加速度计，包括固定框架、敏感质量块和谐振组件，所述固定框架中部镂空，所述敏感质量块设置在固定框架的镂空区域内且二者共中心轴线，在所述敏感质量块与固定框架之间沿X轴和Y轴方向分别设置谐振组件，每个谐振组件均包括连接梁、横梁、绝缘层、石墨烯带和电极；
[0008]所述横梁设置在敏感质量块和固定框架之间且与所在轴的方向垂直，所述横梁的两端与固定框架固连，所述连接梁水平设置且两端分别连接敏感质量块和横梁，在所述横梁和固定框架上对应连接梁端头位置处分别设置绝缘层，所述石墨烯带的两端分别搭接在
两个绝缘层上，使中部悬空，在所述石墨烯带两端的上表面分别设置电极；
[0009]所述横梁的厚度大于连接梁和敏感质量块的厚度，所述连接梁的轴向刚度大于切向刚度。
[0010]对于每一个连接梁来说，其轴向就是指与其所在轴的方向平行的方向，而切向就是指与其所在轴的方向在水平面内垂直的方向。
[0011]在一些具体的实施例中，所述固定框架、连接梁和横梁的上表面齐平。
[0012]在一些具体的实施例中，所述连接梁的厚度与敏感质量块的厚度一致。
[0013]在一些具体的实施例中，所述绝缘层的覆盖面积大于电极的覆盖面积。
[0014]在一些具体的实施例中，所述石墨烯带为单层或多层石墨烯条带。
[0015]在一些具体的实施例中，所述固定框架、敏感质量块、连接梁和横梁均采用单晶硅材质，所述绝缘层采用二氧化硅材质，所述电极采用钛
‑
金或铂
‑
金材质。
[0016]在一些具体的实施例中，所述固定框架、敏感质量块、连接梁和横梁采用一体成型工艺。
[0017]在一些具体的实施例中，还包括用于封装的真空罩，所述真空罩采用单晶硅材质或透光材料。
[0018]在一些具体的实施例中，所述连接梁为H型梁，其中两根长梁的长度均大于宽度。
[0019]上述加速度计的工作原理如下：
[0020]敏感质量块在外界加速度下受到惯性力，惯性力通过连接梁传递给横梁，使横梁中央发生微小位移，造成固定在横梁上的石墨烯带一端产生微小位移，进而导致石墨谐振梁的应力与谐振频率发生变化，石墨烯通过电极对以电激励或过光激励的方式达到谐振状态，位于同一轴向的一对石墨烯谐振梁工作存在差动状态，轴向加速度产生的惯性力在拉伸其中一个石墨烯谐振梁的同时压缩另一个石墨烯谐振梁，使得一个石墨烯带的应力增大、谐振频率增大，另一个石墨烯带的应力减小、谐振频率减小，从而实现了差动式测量。
[0021]由于连接梁的切向刚度小于轴向刚度，故对于切向加速度很少传递给横梁，因此实现了双轴加速度的独立测量。
[0022]本申请提供的技术方案至少具有如下有益效果：
[0023]本申请中的加速度计结构简单，却可实现极高灵敏度的加速度测量。第一，设计了石墨烯与敏感质量块不直接相连的结构，敏感质量块在惯性力下产生的位移不会直接传递到石墨烯带上，避免位移过大可能造成石墨烯带断裂的情况，同时确保在工作过程中石墨烯带的位姿水平，减少测量误差；第二，利用连接梁与横梁组成的微杠杆结构对惯性力进行传递，连接梁在切向加速度下传递给横梁的作用力小到可以忽略不计，且横梁两端固定在固定框架上，因此横梁受到重力与切向加速度的影响非常小，几乎不会引起石墨烯谐振梁的应力变化，降低了正交轴的交叉串扰，实现了平面内两正交方向加速度的独立测量。
附图说明
[0024]为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0025]图1为本申请实施例中所提供的一种石墨烯双轴差分式谐振式加速度计的整体结构图(未示出上封装盖)；
[0026]图2为本申请实施例中所提供的一种石墨烯双轴差分式谐振式加速度计的上封装盖的结构图；
[0027]图3为图1的俯视图；
[0028]图4为图3的A
‑
A向剖视图；
[0029]图5为图1中B处的放大结构图；
[0030]图中：1、固定框架，2、敏感质量块，3、连接梁，4、横梁，5、绝缘层，6、石墨烯带，7、电极，8、下封装盖，9、上封装盖。
具体实施方式
[0031]为了便于理解本申请，下面将结合说明书附图和较佳的实施例对本申请中的技术方案作更全面、细致地描述，但本申请的保护范围并不限于以下具体的实施例，基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，均属于本申请保护的范围。
[0032]需要特别说明的是，当某一元件被描述为与另一元件存在“固定、固接、连接或连通”关系时，它可以是直接固定本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种石墨烯双轴差分式谐振式加速度计，其特征在于，包括固定框架(1)、敏感质量块(2)和谐振组件，所述固定框架(1)中部镂空，所述敏感质量块(2)设置在固定框架(1)的镂空区域内且二者共中心轴线，在所述敏感质量块(2)与固定框架(1)之间沿X轴和Y轴方向分别设置谐振组件，每个谐振组件均包括连接梁(3)、横梁(4)、绝缘层(5)、石墨烯带(6)和电极(7)；所述横梁(4)设置在敏感质量块(2)和固定框架(1)之间且与所在轴的方向垂直，所述横梁(4)的两端与固定框架(1)固连，所述连接梁(3)水平设置且两端分别连接敏感质量块(2)和横梁(4)，在所述横梁(4)和固定框架(1)上对应连接梁(3)端头位置处分别设置绝缘层(5)，所述石墨烯带(6)的两端分别搭接在两个绝缘层上，使中部悬空，在所述石墨烯带(5)两端的上表面分别设置电极(7)；所述横梁(4)的厚度大于连接梁(3)和敏感质量块(2)的厚度，所述连接梁(3)的轴向刚度大于切向刚度。2.根据权利要求1所述的石墨烯双轴差分式谐振式加速度计，其特征在于，所述固定框架(1)、连接梁(3)和横梁(4)的上表面齐平。3.根据权利要求2所述的石墨烯双轴差分式谐...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖暘，胡峰，秦石乔，张宇辰，郑佳兴，王省书，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：