一种基于硅基底的二维薄膜悬浮质量块的加速度传感器及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种基于硅基底的二维材料薄膜悬浮苯并环丁烯（BCB）质量块的加速度传感器，其传感机理基于二维材料的压阻效应与谐振效应。二维材料薄膜悬浮BCB质量块的压阻式加速度传感器结构包括二维材料薄膜（作为加速度敏感薄膜）、BCB质量块、沉积的金属电极层、SiO<subgt;2</subgt;绝缘层、Si衬底层。二维材料薄膜悬浮BCB质量块的谐振式加速度传感器结构包括二维材料薄膜（作为加速度敏感薄膜）、BCB质量块、SiO<subgt;2</subgt;绝缘层、Si衬底层。本发明专利技术还公开了该二维材料薄膜悬浮BCB质量块的加速度传感器的制备方法。本发明专利技术公开的压阻式与谐振式加速度传感器及其制备方法，具有更高的生产率、更高的良率、更简单的制备工艺、更高的灵敏度和更高的精度，器件的性能得到大幅度的提高。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于加速度传感器设计和制造领域，具体涉及新型加速度传感器敏感材料、敏感结构及其制备方法。

技术介绍

1、mems加速度传感器是一种利用微纳加工技术所制造的可将加速度信号转换为其他可检测信号的小型器件。相比于其他加速度传感器，mems加速度传感器具有小型化、低成本、便捷性等优点。根据检测原理mems加速度传感器可分为：压阻式、电容式、谐振式等多种。目前，传统mems加速度传感器一般基于硅材料，但是由于硅材料自身物理性质的限制，导致硅基加速度传感器存在小型化与高性能难以兼顾的技术问题。并且随着人们对加速度传感器的要求不断提高，该问题也变得越来越突出。因此，发展新型加速度传感器意义重大。

2、以石墨烯为代表的新型二维材料，具有良好的机电性能。尤其是石墨烯材料，其杨氏模量可达1tpa，断裂强度为130gpa，应变能够达到25%，并且具备压阻效应，其压阻应变系数值（gf）通常报道为2~6。石墨烯具有原子层厚度，使其在受到力的作用下能够发生较大的形变，从而使基于石墨烯的加速度传感器具备高灵敏度特性。同时由于石墨烯所具备的化学稳定性，使得石墨烯能够本文档来自技高网...

【技术保护点】

1.一种基于硅基底的二维薄膜悬浮质量块的加速度传感器，其特征在于，由二维薄膜与硅MEMS基底进行集成，同时二维薄膜悬浮质量块，该器件是基于硅晶圆制备而成，器件中央设置有空腔，空腔上方为在二维薄膜支撑下悬浮的质量块，二维薄膜在硅晶圆约束下实现自悬浮；空腔是由硅晶圆背面硅基底层进行背刻蚀形成，空腔的存在使得质量块在加速度的作用下能够发生位移；质量块由苯并环丁烯（BCB）加工而成，也可以由聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、PDMS（聚二甲基硅氧烷）、光刻胶、金属、氮化硅、有机聚合物中的一种材料而构成；在加速度的作用下质量块导致二维薄膜发生形变；发生形变的二维薄膜能够将加速度信号转换至其他可检测信号...

【技术特征摘要】

1.一种基于硅基底的二维薄膜悬浮质量块的加速度传感器，其特征在于，由二维薄膜与硅mems基底进行集成，同时二维薄膜悬浮质量块，该器件是基于硅晶圆制备而成，器件中央设置有空腔，空腔上方为在二维薄膜支撑下悬浮的质量块，二维薄膜在硅晶圆约束下实现自悬浮；空腔是由硅晶圆背面硅基底层进行背刻蚀形成，空腔的存在使得质量块在加速度的作用下能够发生位移；质量块由苯并环丁烯（bcb）加工而成，也可以由聚甲基丙烯酸甲酯（pmma）、pdms（聚二甲基硅氧烷）、光刻胶、金属、氮化硅、有机聚合物中的一种材料而构成；在加速度的作用下质量块导致二维薄膜发生形变；发生形变的二维薄膜能够将加速度信号转换至其他可检测信号；所述的二维敏感薄膜，可以是石墨烯、过渡金属硫化物（tmdc）材料、石墨烯/tmdc异质层等二维薄膜。

2.根据权利要求1所述的一种基于硅基底的二维薄膜悬浮质量块的加速度传感器，其特征在于：当外在加速度作用于悬浮在二维薄膜下面的质量块时，通过连接外设的谐振频率检测设备，检测二维薄膜悬浮质量块敏感结构谐振频率的偏移，构成谐振式加速度传感器，当器件受到加速度作用时，二维敏感薄膜发生形变，导致二维敏感薄膜的应力变化，使得二维敏感薄膜的谐振频率发生变化，通过检测谐振频率的变化，便可实现对加速度的检测。

3.根据权利要求1所述的一种基于硅基底的二维薄膜悬浮质量块的加速度传感器，其特征在于：质量块外侧设置有电极，由二维薄膜进行连接，方便器件电信号的读出；通过电极将二维敏感薄膜与电路进行连接，构成压阻式加速度传感器，当器件受到加速度作用时，二维敏感薄膜发生形变，由于二维材料具有压阻效应，使得二维敏感薄膜的电阻发生变化，通过电极对二维敏感薄膜施加恒定电流或将二维敏感薄膜放入惠斯通电桥等电路结构中可将二维敏感薄膜的电阻变化转化为电压变化，以便于采集信号。

4.根据权利要求1所述的一种基于硅基底的二维薄膜悬浮质量块的加速度传感器，其特征在于：所述二维敏感薄膜的材料种类包括石墨烯（graphene）、二硫化钼（mos2）、二硫化钨（ws2）、二硒化钼（mose2）、二硒化钨（wse2）、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）、其他过渡金属硫化物（tmdc）、黑磷（p）、mxene、六方氮化硼（h-bn）；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、六方氮化硼/tmdc、石墨烯/二硫化钼、石墨烯/二硒化钨、...

【专利技术属性】
技术研发人员：范绪阁，丁洁，高强，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：