具有差动检测结构的石墨烯谐振式压力传感器研究

A new type of graphene resonant pressure sensor is studied systematically in applications of 100Pa~1000Pa weak pressure variation. The primary sensing element is made of a silicon square flat diaphragm, with two graphene beam oscillators on it as secondary sensing element. This composite sensitive structure can realize high Q value and differential detection. Considering the sensor’s actual working condition, differential detection structure characteristics, graphene beam resonator excitation-vibration characteristics and other key factors, the pressure-sensing structure model which can go well with actual situation is established, and its parameters is optimized. Test samples of the whole sensing structure whose core is graphene beam resonator with high Q value are made，and pressure-frequency characteristics and effects of temperature on samples are studied. Combined with weak signal detection and closed-loop excitation technology, a prototype sensor is developed. Through test and analysis, the whole sensing structure model of the sensor is perfected, which provides theoretical and experimental basis for the development of high quality graphene resonant pressure sensor. The sensor can be used for the application background of high sensitivity measurement, such as Mars exploration, space laboratory and ultrafine chemical industry, and also provides a reference for the study of other graphene resonant sensor.

针对100Pa~1000Pa微小压力变化范围的应用，对一种新型石墨烯谐振式压力传感器进行系统的理论与实验研究。该传感器以硅方形平膜片为一次敏感元件，其上设置两个石墨烯梁谐振子为二次敏感元件，形成复合敏感结构，从而实现高Q值和差动检测。综合考虑石墨烯谐振式压力传感器实际工作状态、复合敏感差动检测结构工作特点、石墨烯梁谐振子激励-振动特性等重要因素，建立符合实际情况的压力传感器整体敏感结构模型并优化设计参数。制作以高Q值石墨烯梁谐振子为核心的传感器整体敏感结构实验样件，研究其压力-频率特性以及温度产生的影响。结合微弱信号检测与闭环激励技术，研制传感器原理样机。通过测试分析，完善传感器整体敏感结构模型，为研制高性能石墨烯谐振式压力传感器提供理论与实验依据。所研究的石墨烯谐振式压力传感器可用于高灵敏度测量的应用背景，如火星探测、空间实验室和超微精细化工等，也为其他石墨烯谐振式传感器的研究提供参考。

针对微小压力测量需求，开展了石墨烯谐振式复合敏感差动检测压力传感器的结构设计、特性分析、工艺实现、特性测试等相关研究。.1.基于硅压力敏感膜片的应力-压力特性和工作梁、补偿梁位置对传感器的压力测量灵敏度进行了建模和优化，并将有关结构和分析设计方法扩展到惯性和质量测量方面。.2.研究了传感器敏感结构核心的石墨烯谐振器的电学激励-电学检测方法，提出了基于静电激励-压阻检测的机电耦合结构。.3.基于连续介质模型、分子结构力学和分子动力学模拟计算了石墨烯谐振器的有关特性，得到了固有频率、杨氏模量等基本规律，分析了结构参数、边界条件、温度、电压等因素下的影响规律，提出了更符合石墨烯特性的基于膜模型和弦模型的分析方法。对典型缺陷类型石墨烯梁的力学参数进行了仿真计算，获得了一些对后续结构和工艺设计有重要指导意义的规律。.4.开展了石墨烯谐振式压力传感器机-电综合设计分析，给出了典型参数的设计实例，建立了机电流体耦合模型，得到了传感器在被测压力和激励信号共同作用下的输入-输出定量关系和谐振器的振动特性。.5.针对压力传感器特点，开展了大面积石墨烯CVD工艺研究和石墨烯实验器件的制作与表征。制出符合压力传感器要求的石墨烯悬浮活动结构，进行了测试表征；设计制作了整体谐振敏感结构，进行了开环特性测试，得到了一些阶段结果，为闭环谐振系统的研究与实现提供了条件。.通过以上研究，掌握了石墨烯谐振器的有关特性及其建模分析方法，提出了较为可行的谐振器激励及微弱信号检测方法，掌握了石墨烯材料及石墨烯悬浮活动结构的制作工艺，为石墨烯谐振式压力传感器的深入研究奠定了较为坚实的基础。目前正进一步在石墨烯谐振器结构优化设计、石墨烯与硅基底的吸附边界结构完善、激励-检测电极制作及定位精度改善、样件制作一致性等方面加大攻关力度；并针对一些重点领域应用背景，如火星探测、重力场导航等，开展更深入细致研究，从而为提供急需的基础核心传感器打下坚实基础。