本发明专利技术公开了静电激励‑压阻检测石墨烯微机械谐振器装置，包括微结构和配套电路。微结构包括梁、衬底、支撑对和电极组。支撑对包括第一支撑和第二支撑；电极组包括多个电极。梁两端固定在支撑对上，平行于衬底上表面设置。电极组设置在衬底上，沿梁轴向线性排列。配套电路包括第一电阻器、第二电阻器、第一基准源、第二基准源、激励源组。激励源组包括多个激励源。电极组与激励源组数目相同。第一电阻器的一端连接第一基准源，另一端连接梁一端；梁另一端连接第二电阻器一端；第二电阻器另一端连接第二基准源；电极与激励源一一对应。本发明专利技术包含了谐振器、激励器和检测器三种功能，实现了石墨烯谐振器的电学激励和电学检测。
【技术实现步骤摘要】
静电激励-压阻检测石墨烯微机械谐振器装置
本专利技术属于石墨烯微机械谐振器激励/检测
，具体涉及一种静电激励-压阻检测石墨烯微机械谐振器装置。
技术介绍
静电激励-压阻检测石墨烯微机械谐振器装置使用的石墨烯材料主要指单层石墨烯。K.S.Novoselov等人于2004年发现了石墨烯，由于其优越的机械、光学、电学和化学性能，受到了广泛关注。石墨烯是一种由单层六角元胞碳原子构成的蜂窝状二维晶体，具有高杨氏模量(约1TPa)、高共振频率和高载流子迁移率(20000cm2·V-1·s-1)的性质，使其成为纳米级别应用如电化学传感器、电极、电容器和压力传感器等的理想材料。石墨烯理论研究方面，2008年，瑞典查尔默斯技术大学AtalayaJ等将单层石墨烯看成弹性薄板，分析了无缺陷四边固支石墨烯的静态响应和动态响应，给出了谐振频率近似计算公式。2009年，印度理工学院MurmuT等利用非局部弹性理论分析了嵌在弹性介质中的单层石墨烯的振动特性。2012年，加拿大曼尼托巴大学ArashB使用分子动力学方法研究了非局部弹性理论。2012年，韩国世明大学KwonOK等利用分子动力学方法分析了纳米压痕下石墨烯谐振器的力学响应，发现石墨烯谐振器可以被纳米压力和初始位移调谐，石墨烯材料也因此被发现具有被做成传感器的巨大潜力。2016年，北京航空航天大学邢维巍研究小组采用分子动力学方法研究和总结了单层石墨烯谐振器的谐振特性，包括自由振动时的谐振频率和振型，以及尺寸、手性、应变、初始位移、边界条件等因素对其谐振特性的影响，为石墨烯谐振器与硅微机构的结合提供了部分理论依据。石墨烯制备工艺方面，早在2010年，美国康奈尔大学McEuenPL课题组就通过化学气相沉积法制作出单层石墨烯谐振器。近年来发展的在金属Cu和Ni箔片或SiO2薄膜表面通过CVD生长单层或薄层石墨烯的方法，使石墨烯膜的制作质量得到了很大提高。2016年，中科院物理所纳米物理与器件实验室已经在Ru(0001)单晶表面获得了毫米量级高质量连续无缺陷的单晶单层石墨烯材料。这些工艺均为高性能石墨烯谐振器的制作奠定了坚实基础。谐振式传感器易与数字系统及计算机相结合，不会因传输而降低精度，适合于长距离的信号传输，而且系统功耗小，抗干扰性强，稳定性好，输出可以对输入自动跟踪。因此对谐振式传感器进行研究具有非常重要意义。谐振器是谐振式传感器的敏感元件以及核心组件。待测物理量可通过某种转换机制改变谐振器的谐振频率，检测谐振频率的改变即可实现待测物理量的测量。而石墨烯微机械谐振器则是新型微机械谐振器的一个重要发展方向。其中激励和检测是实现石墨烯谐振器机-电转换的必要手段。激励方式方面，常用技术已包括电磁激励、静电激励、(逆)压电激励、电热激励、光学激励等方式。电磁激励需要利用磁场，因此会给传感器的微型化集成化造成一定的困难。压电激励原理简单，但是加工工艺大多与集成电路工艺不兼容，不利于集成化。电热激励抗干扰能力、温度特性稍差。光学激励所需的光学系统复杂，体积较大。常用的检测方式有光学方法，如光干涉调制检测法和光强度调制检测法，也有电学方法，如电磁检测、电容检测、(正)压电检测、压阻检测等方式。光学方法需要的外部光学电路复杂，体积较大，难以满足小型化的要求。就石墨烯谐振器研究而言，激励方式一般采用电磁激励、光学激励、静电激励等方式，检测方式一般使用电磁检测、电容检测，压阻检测等方式。由于石墨烯谐振器结构微小，采用电磁、光学激励检测方法的弊端更加突出。对于石墨烯谐振器激励检测手段研究，目前文献中尚无采用电学激励电学检测的方案出现。石墨烯谐振器作为一种有着巨大应用潜力的新型谐振器，现有的激励检测手段并不能很好的满足实用化、小型化、集成化的实际要求，因此本专利技术提出了一种新型的静电激励-压阻检测石墨烯微机械谐振器，填补了电学激励电学检测的技术空缺。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题为：提出一种电学激励和电学检测的石墨烯谐振器实现方式，避免非电学激励电学检测方法体积庞大、电路复杂抗干扰能力差、温度特性差或难以实现集成等问题。本专利技术解决上述技术问题采用的技术方案为：静电激励-压阻检测石墨烯微机械谐振器装置，包括微结构1和配套电路2。微结构1包括梁11、衬底12、支撑对13和电极组14。梁11为由石墨烯材料制成的梁谐振器，衬底上表面为平面。支撑对13包括第一支撑131和第二支撑132，均为上下表面平行的绝缘体且厚度相同。电极组14包括多个电极，均为导电薄膜。配套电路2包括第一电阻器21、第二电阻器22、第一基准源23、第二基准源24、激励源组25。第一基准源23和第二基准源24均为直流电压基准，第一基准源23输出电位高于第二基准源24输出电位。激励源组25包括多个激励源，且多个激励源均为正弦信号源，相邻激励源输出信号相位相反。电极组14与激励源组25数目相同。支撑对13下表面固定于衬底12上表面，梁11的两端分别固定于第一支撑131和第二支撑132上表面，电极组14固定于衬底12上表面、位于梁11下方的部分，沿梁11轴向线性排列。以过梁11中心且与梁11轴向垂直的平面为对称平面，梁11与自身轴对称，第一支撑131和第二支撑132对称电极组14自身分布轴对称。第一电阻器21的一端连接第一基准源23，另一端连接梁11一端，梁11另一端连接第二电阻器22一端，第二电阻器22另一端连接第二基准源24。电极组14电极与激励源组25激励源名称、相对梁位置均一一对应，且需保证保证考虑相位的激励源交流分量与对应电极电容量的乘积的总和为零。上述基本方案中，所述梁11可以选用矩形或异形的石墨烯梁谐振器。上述基本方案中，所述衬底4材料可以是硅、金属或碳化硅等导电材料，均需覆盖绝缘层与电极组14绝缘，也可以选用氮化硅等绝缘材料，无需覆盖绝缘层。上述基本方案中，所述支撑对5材料可以是二氧化硅、氮化硅、聚二甲基硅氧烷。上述基本方案中，所述电极组14材料可以是金属、石墨烯掺杂多晶硅、单晶硅。上述基本方案中，所述的电极组14电极可以根据梁11谐振状态确定数目及相对梁11的位置。在上述基本方案基础上，配套电路2还可以连接放大电路，其中放大电路可只由仪器放大器或由仪器放大器和变压器组成。仪器放大器的同相输入端连接第一电阻器21连接梁11一端；放大器的反相输入端连接第二电阻器22连接梁11一端。如加变压器，变压器原边连接梁11两端，变压器副边连接放大电路两个输入端，放大器的同相输入端连接第一电阻器21连接梁11一端；放大器的反相输入端连接第二电阻器22连接梁11一端。本专利技术与现有技术相比的优点：本专利技术可实现石墨烯谐振器的电学激励和电学检测，与涉及磁、光等效应的技术相比具有诸多优点；同时，本专利技术的电学激励和电学检测无需额外附加激励元件和检测元件，仅利用梁11本身即可实现。即，梁11同时具有谐振器、激励器和检测器三种功能。这种方案避免了附加的激励元件和检测元件及其工艺对厚度极薄的石墨烯梁谐振特性的不利影响，并有利于简化制造工艺，简化电路实现，有利于实现集成化。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。图1是静电激励-压阻检测石墨烯微机械谐振器装置基础方案。本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.静电激励‑压阻检测石墨烯微机械谐振器装置，其特征在于：包括微结构(1)和配套电路(2)；微结构(1)包括梁(11)、衬底(12)、支撑对(13)和电极组(14)；梁(11)为由石墨烯材料制成的梁谐振器；衬底(12)上表面为平面；支撑对(13)包括第一支撑(131)和第二支撑(132)，均为上下表面平行的绝缘体且厚度相同；电极组(14)包括多个电极，均为导电薄膜；配套电路(2)包括第一电阻器(21)、第二电阻器(22)、第一基准源(23)、第二基准源(24)、激励源组(25)；第一基准源(23)和第二基准源(24)均为直流电压基准，第一基准源(23)输出电位高于第二基准源(24)输出电位；激励源组(25)包括多个激励源，且多个激励源均为正弦信号源，相邻激励源输出信号相位相反；电极组(14)与激励源组(25)数目相同；支撑对(13)下表面固定于衬底(12)上表面；梁(11)的两端分别固定于第一支撑(131)和第二支撑(132)上表面；电极组(14)固定于衬底(12)上表面、位于梁(11)下方的部分，沿梁(11)轴向线性排列；第一电阻器(21)的一端连接第一基准源(23)，另一端连接梁(11)一端；第二电阻器(22)的一端连接梁(11)另一端，第二电阻器(22)另一端连接第二基准源(24)；电极组(14)电极与激励源组(25)激励源一一对应，且需保证考虑相位的激励源交流分量与对应电极电容量的乘积的总和为零。...
【技术特征摘要】
1.静电激励-压阻检测石墨烯微机械谐振器装置，其特征在于：包括微结构(1)和配套电路(2)；微结构(1)包括梁(11)、衬底(12)、支撑对(13)和电极组(14)；梁(11)为由石墨烯材料制成的梁谐振器；衬底(12)上表面为平面；支撑对(13)包括第一支撑(131)和第二支撑(132)，均为上下表面平行的绝缘体且厚度相同；电极组(14)包括多个电极，均为导电薄膜；配套电路(2)包括第一电阻器(21)、第二电阻器(22)、第一基准源(23)、第二基准源(24)、激励源组(25)；第一基准源(23)和第二基准源(24)均为直流电压基准，第一基准源(23)输出电位高于第二基准源(24)输出电位；激励源组(25)包括多个激励源，且多个激励源均为正弦信号源，相邻激励源输出信号相位相反；电极组(14)与激励源组(25)数目相同；支撑对(13)下表面固定于衬底(12)上表面；梁(11)的两端分别固定于第一支撑(131)和第二支撑(132)上表面；电极组(14)固定于衬底(12)上表面、位于梁(11)下方的部分，沿梁(11)轴向线性排列；第一电阻器(21)的一端连接第一基准源(23)，另一端连接梁(11)一端；第二电阻器(22)的一端连接梁(...
【专利技术属性】
技术研发人员：邢维巍，孙璐，樊尚春，马翠萍，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京,11
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。