基于双层静电弱耦合效应的石墨烯谐振式加速度计装置
阅读说明：本技术 基于双层静电弱耦合效应的石墨烯谐振式加速度计装置 (Graphene resonance type accelerometer device based on the double-deck electrostatic the feebleness coupling effects ) 是由 杨波 梁卓玥 张婷 于 2019-09-17 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于双层静电弱耦合效应的石墨烯谐振式加速度计装置,提出了一种三层结构方案：上层为透明玻璃基底,中层为石墨烯加速度敏感结构,下层为透明玻璃基底。上层透明玻璃基底由锚点、信号引线、栅极电极、引出电极组成,与中层外部支撑框硅结构通过锚点固定在一起；中层石墨烯加速度敏感结构设有中层外部支撑块、连接短梁、中部支撑块、支撑块、扭梁结构、石墨烯带、质量块、源极电极、漏极电极。其中部支撑块通过连接短梁与外部支撑块连接；下层透明玻璃基底由锚点、信号引线、栅极电极、引出电极组成,与中层外部支撑框硅结构通过锚点固定在一起。本发明提出的方案结构合理,简单、易于加工实现,同时具有差分检测、检测难度低、灵敏度高、抗共模误差能力强等优点。(The invention discloses a kind of graphene resonance type accelerometer devices based on the double-deck electrostatic the feebleness coupling effects, and propose a kind of three-decker scheme: upper layer is clear glass substrate, and middle layer is graphene acceleration sensitive structure, and lower layer is clear glass substrate.Upper layer clear glass substrate is made of anchor point, signal lead, gate electrode, extraction electrode, is fixed together with middle layer external support frame silicon structure by anchor point；Middle layer graphene acceleration sensitive structure is equipped with middle layer external support block, connection short beam, midfoot support block, supporting block, torsion-beam structure, graphene ribbon, mass block, source electrode, drain electrode.Its middle part supporting block is connect by connecting short beam with external support block；Lower layer's clear glass substrate is made of anchor point, signal lead, gate electrode, extraction electrode, is fixed together with middle layer external support frame silicon structure by anchor point.Scenario-frame proposed by the present invention is reasonable, realization simple, easy to process, while having many advantages, such as that low Differential Detection, detection difficulty, high sensitivity, anti-common-mode error ability are strong.)
技术领域
本发明涉及微机电系统(MEMS)和微惯性导航的测量仪表技术领域，具体涉及到一种基于双层静电弱耦合效应的石墨烯谐振式加速度计装置。
背景技术
石墨烯是一种由碳原子以sp²杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的二维碳纳米材料。且石墨烯一层厚度仅为一个碳原子厚度大小，石墨烯一层层叠起来就是石墨，石墨烯材料是目前所有已知的晶体材料中最薄的一种材料。石墨烯的晶体结构十分独特，面密度小、弹性变形极限大、杨氏模量高、尺寸小等显示了独特的力学性质。石墨烯中每个碳原子都含有四个电子，其中一个电子会与周围碳原子内的电子构成大π键。常温时，其载流子迁移速率远远大于目前使用最为广泛的传统硅材料，石墨烯电阻率近似为1×10-6Ω·cm，其值明显低于常规材料铜和银，这为石墨烯材料带来了优异的电学性质，使石墨烯成为常温时导电性能最佳的材料，在电子器件方面的应用展现了很大的发展潜力。
基于石墨烯薄膜材料的双层静电弱耦合谐振式加速度计的基本原理主要是，当有加速度输入引起墨烯谐振器轴向应力变化时，石墨烯谐振器的谐振频率发生变化，因此可通过谐振频率的变化得到外界输入加速度的大小。石墨烯谐振器的品质因数高、力-频转换灵敏度高、同时高载流子迁移率和低电阻率更有利于在纳米尺度的信号检测和提取。由于石墨烯材料的力学和电学有诸多优良特性，使其特别适合在NEMS高频率谐振和谐振变换器及相关器件上应用。
发明内容
发明目的：针对目前加速度计精度不足，本发明提出了一种基于石墨烯薄膜材料的双层静电弱耦合谐振式加速度计装置，具有检测难度低、高灵敏度、抗电磁干扰、微型化、热稳定性好等优点。
技术方案：
一种基于双层静电弱耦合效应的石墨烯谐振式加速度计装置，包括上、中、下三层结构；分别是上层透明玻璃基底，中层为石墨烯加速度敏感结构，下层透明玻璃基底；
所述上层透明玻璃基底由四个起连接作用的相同的第一、二、三、四锚点、两条信号引线、两个起连通信号作用的第一、二电极、上层栅极电极、第一、二、三引出电极构成；
所述中层石墨烯加速度敏感结构由中层外部支撑块、两个第一、二连接短梁、中部支撑块、支撑块、上层一对扭梁和下层一对扭梁、两条相同的长、下层石墨烯带、质量块、两个相同的上、下层源极电极、两个相同的上、下层漏极电极构成；
所述下层透明玻璃基底由四个起连接作用的相同的五、六、七、八锚点、两条信号引线、下层栅极电极、两个起连通信号相同作用的第三、四电极与下层源极引出电极、栅极引出电极、下层漏极引出电极。
其中所述质量块与所述支撑块之间设有对称布置的上层一对扭梁和下层一对扭梁；所述支撑块通过第一连接短梁与中部支撑块相连接；中部支撑块通过第二连接短梁与中层外部支撑块相连接固定；
其中上层透明玻璃基底通过第一、二、三、四锚点键合在中层石墨烯加速度敏感结构的中层外部支撑块上；
所述中层石墨烯加速度敏感结构的中部支撑块通过连接短梁与中层外部支撑块连接固定；
所述下层透明玻璃基底通过第五、六、七、八锚点键合在中层石墨烯加速度敏感结构的中层外部支撑块上。
本发明进一步改进在于：其中第一、二、三、四锚点的大小相同且关于中轴线对称分布在上层透明玻璃基底左上、右上、左下、右下的位置；所述第一电极位于第二锚点的左侧，通过信号引线与第三引出电极相连；第二电极位于第三锚点的右侧，通过信号引线与第一引出电极相连；其中第一、二、三引出电极大小相同且从上下到下依次对齐设置；上层栅极电极布置在上层透明玻璃基底的中心处且关于水平、垂直中轴线对称，通过中间的信号引线与第二引出电极相连；上层栅极电极用于给谐振器提供初始张力，由于谐振器的谐振频率与张力紧密相关，因此须通过设置合理的栅极电压来获得易于检测的谐振频率。
本发明进一步改进在于：中层石墨烯加速度敏感结构通过中层外部支撑块的下表面与下层透明玻璃基底的第五、六、七、八锚点相键合，所述中层外部支撑块为框架结构且关于中轴线前后、左右对称固定设置，所述中层外部支撑块围绕在中部支撑块一周；所述中部支撑块为框架结构且关于中轴线前后、左右对称设置；
所述中部支撑块围绕内部加速度敏感结构一周，所述支撑块与所述质量块均位于中部支撑块的内部，关于水平中轴线对称分布；所述上层一对扭梁和下层一对扭梁分别位于支撑块与质量块的之间；上、下层石墨烯带两侧水平布置。
上层一对扭梁和下层一对扭梁的表面与支撑块、质量块、上、下层石墨烯带的表面处于同一平面，起连接作用；所述第二连接短梁位于外部支撑块与中部支撑块之间，第一连接短梁位于中部支撑块与支撑块之间；所述上层石墨烯带两端嵌入支撑块与质量块的上表面凹槽处，下层石墨烯带两端嵌入支撑块与质量块的下表面凹槽处；所述第一、二源极电极分别布置在支撑块、质量块上表面上层石墨烯带外侧处；上、下层漏极电极分别布置在支撑块、质量块下表面下层石墨烯带外侧处。
本发明进一步改进在于：所述中层外部支撑块为深刻蚀硅结构，上表面的左上角与第一锚点相连接，上表面的右上角与第二锚点相连接，上表面右下角与第四锚点相连接，上表面的左下角与第三锚点相连接；
所述中层外部支撑块下表面的左上角与第五锚点相连接，下表面的右上角与第六锚点相连接，下表面右下角与第七锚点相连接，下表面的左下角与第八锚点相连接；中部支撑块为深刻蚀硅结构。
从平面观察，下端外侧与第二连接短梁相连接，上端内侧与第一连接短梁相连接；支撑块的一侧与第一连接短梁相连接，另一侧分别与上层一对扭梁和下层一对扭梁相连接；
支撑块与中部支撑块、中层外部支撑块共同组成总支撑框架结构；质量块一侧上表面与上层一对扭梁相连接，同侧下表面与下层一对扭梁相连接，另一侧悬空，与总支撑框架组成敏感质量块结构；所述上层一对扭梁的一侧与质量块相连接，另一侧与支撑块相连接，上层一对扭梁的上表面与质量块、支撑块的上表面处于同一水平面；所述下层一对扭梁一侧与质量块相连接，另一侧与支撑块相连接，下层一对扭梁下表面与质量块、支撑块的下表面处于同一水平面；
第一连接短梁一侧与中部支撑块上端内侧相连，另一侧与支撑块上端相连；连接短梁一侧与中部支撑块下端外侧相连，另一侧与中层外部支撑块下端内侧相连；质量块通过第一、二连接短梁与中层外部支撑块相连，在惯性力作用下沿敏感轴方向运动，用来检测加速度信号。
本发明进一步改进在于：上层源极电极通过质量块、中部支撑块、中层外部支撑块内的信号引线与第三锚点相连接；
下层源极电极通过质量块、中部支撑块、中层外部支撑块内的信号引线（20）与第八锚点相连接；
上层漏极电极通过质量块、中部支撑块、中层外部支撑块内的信号引线与第四锚点相连接，下层漏极电极通过质量块、中部支撑块、中层外部支撑块内的信号引线与第七锚点相连接；
两组石墨烯谐振器之间通过激励信号实现对石墨烯谐振器的驱动，耦合电场实现两层石墨烯带之间的静电弱耦合效应。两路驱动信号通过D/A转换器传输至接口模块，作用于石墨烯带加速度计结构之上，上、下层源极电极用于提供检测电流。加速度的输入会带来石墨烯带振动的变化，从而改变上、下层石墨烯带电导值，通过检测上、下层漏极电极输出电流而获得加速度的值。
本发明的进一步改进在于：所述第五、六、七、八锚点大小相同且中轴线对称分布位于下层透明玻璃基底左上、右上、右下、左下的位置，关于，第一个起连通作用的电极位于第七锚点左侧，通过信号引线与第六引出电极相连，第二个起连通作用的电极位于第八锚点右侧，通过两端的信号引线与第四引出电极相连；下层栅极电极布置在下层透明玻璃基底中心处，通过中间的信号引线与第五引出电极相连。
下层栅极电极用于给谐振器提供初始张力，由于谐振器的谐振频率与张力紧密相关，因此须通过设置合理的栅极电压来获得易于检测的谐振频率。两个起连通信号作用的相同的电极与第四、五、六引出电极构成。
其中在惯性力作用下沿敏感轴方向运动，由于上层一对扭梁和下层一对扭梁的对称布置方式，导致质量块运动会提供给上、下层石墨烯带一个轴向的作用力；质量块向下运动时，会导致上层石墨烯带两端的拉力增加，同时导致下层石墨烯带两端的拉力减小；反之，质量块向上运动时，会减小上层石墨烯带两端的拉力，并增大下层石墨烯带两端的拉力；在这种结构布置方案下，两组石墨烯谐振器的谐振频率呈差分变化。
检测完成之后，上、下层漏极电极与上、下层栅极电极根据检测输出来反馈静电力，使得质量块和外部支撑块回到平衡位置，以初始状态检测下一个加速度信号。
进一步的，对于提取出的上下层薄膜振动信号，提取包络信号。由于双层薄膜的静电弱耦合作用，根据包络信号的频率，通过频率解调算法提取两层薄膜振动频率之差，根据加速度-谐振频率模型，解算出加速度的值。
有益效果：
（1）利用NEMS技术，在加速度计上集成了超高灵敏度的石墨烯谐振器，极大提高了NEMS加速度计的极限检测能力；
（2）本方案中质量块首先通过扭梁与支撑块相连，支撑块通过连接短梁与中部支撑块相连，中部支撑块同样通过连接短梁与外部支撑块相连，最后外部支撑块通过锚点固定在玻璃基底上;这种连接方式可以有效隔离外界振动等其他干扰因素。
（3）采用的结构方案通过在单一质量块的两侧布置两组石墨烯谐振器来实现对外界加速度的差分检测。输入信号的差分检测方式一方面可以提高机械灵敏度，另一方面可以消除外部输入以及内部残余应力带来的共模干扰的影响。同时，可以极大的减小温度对加速度计输出信号的影响；
（4）通过静电弱耦合效应，将对石墨烯的超高固有频率信号检测方式转换为低频的包络频率信号检测方式，大大降低了后期的信号检测难度。
附图说明：
图1为本发明去掉上层基底的俯视图
图2为本发明的左视截面图
图3为本发明的正视截面图
图4为本发明的上层透明玻璃基底信号引线示意图
图5电弱耦合的谐振器包络为两谐振器频率差曲线示意图；
图6静电弱耦合的谐振器包络加速度输入导致谐振器频率变化后曲线示意图；
图7由加速度输入导致包络曲线变化。
具体实施方式
为进一步理解本发明，下面结合附图对本发明做进一步解释。
如图1-2所示，本发明提供一种基于双层静电弱耦合效应的石墨烯谐振式加速度计装置由三层结构组成，包括上、中、下三层结构；分别是上层透明玻璃基底，中层为石墨烯加速度敏感结构，下层透明玻璃基底。
所述上层透明玻璃基底21由四个起连接作用的相同的第一、二、三、四锚点30、31、22、23；两条信号引线、两个起连通信号作用的第一、二电极32、33、上层栅极电极24、第一、二、三引出电极34、35、36构成；
所述中层石墨烯加速度敏感结构由中层外部支撑块2、两个第一、二连接短梁17、18；中部支撑块3、支撑块12、上层一对扭梁6和下层一对扭梁27、两条相同的长、下层石墨烯带10、28；质量块8、两个相同的上、下层源极电极9、25、两个相同的上、下层漏极电极11、29构成；
所述下层透明玻璃基底1由四个起连接作用的相同的五、六、七、八锚点13、14、15、16；两条信号引线、下层栅极电极26、两个起连通信号相同作用第三、四电极37、38、第一、二、三引出电极4、5、7构成；
如图1所示，去掉上层透明玻璃基底的俯视图。
所述中层石墨烯加速度敏感结构通过中层外部支撑块2的下表面与下层透明玻璃基底1的五、六、七、八锚点13、14、15、16相键合，由此固定在中间。
其内部包含中层外部支撑块2、第一、二连接短梁17、18、中部支撑块3、支撑块12、上层一对扭梁6、上层石墨烯带10、质量块8、上层源极电极9、上层漏极电极11；所述中层外部支撑块2为框架结构，围绕中部支撑块3一周，关于中轴线前后、左右对称，其下表面左上、右上、右下、左下处分别与下层透明玻璃基底1的四个锚点13、14、15、16相键合；
所述中部支撑块3在中层外部支撑块2内部，其内部围绕石墨烯加速度敏感结构一周，为框架结构，关于中轴线前后、左右对称。其下端外侧通过第二连接短梁18与中层外部支撑块2下端内侧相连，其上端内侧通过第一连接短梁17与支撑块12相连；所述支撑块12与所述质量块8位于中部支撑块3内部，大小一致，垂直对齐，关于水平中轴线对称分布，中间留有一定空间。
其中所述支撑块12与质量块8的上表面有凹槽，凹槽用来嵌入上层石墨烯带10；所述上层一对扭梁6大小一致，均于支撑块12与质量块8之间、上层石墨烯带10两侧水平布置，关于中轴线对称，且上表面与支撑块12、质量块8、石墨烯带10的上表面处于同一平面，起连接作用；
所述第一连接短梁17与第二连接短梁18大小一致，上下对齐。其中，第二连接短梁18位于外部支撑块2下端内侧与中部支撑块3下端外侧之间，将中部支撑块3与中层外部支撑块2相连。第一连接短梁17位于中部支撑块3上端内侧与支撑块12上端外侧之间，将中部支撑块与支撑块相连；所述上层石墨烯带10位于中轴线处，竖直放置，上端嵌入支撑块12的上表面凹槽处，下端嵌入质量块8的上表面凹槽处；所述上层源极电极9与上层漏极电极11大小一致、上下对齐，关于水平中轴线对称分布。下层源极引出电极4、栅极引出电极5、下层漏极引出电极7位于下层透明玻璃基底1右侧，大小相同，竖直排列。
本发明中的上层源极电极9布置在质量块8上表面上层石墨烯带10外侧处，通过信号引线与上层透明玻璃基底的第二锚点31相连。上层漏极电极11布置在支撑块12上表面上层石墨烯带10外侧处，上层透明玻璃基底第四锚点23相连接；信号引线20与下层透明玻璃基底锚点16相连接，第八锚点16通过信号引线与下层源极引出电极4相连。信号引线19与下层透明玻璃基底的第五锚点15相连接。第五锚点15通过信号引线与下层漏极电极7相连。
如图2所示，本发明的左视截面图，上层透明玻璃基底21与下层透明玻璃基底1平行布置，中间为石墨烯加速度敏感结构
本发明中的中层外部支撑块2为深刻蚀硅结构，其上表面左端与上层透明玻璃基底上的第四锚点23相连接，其上表面右端与上层透明玻璃基底上的第三锚点22相连接，其下表面左端与下层透明玻璃基底的第七锚点15相连接，其下表面右端与下层透明玻璃基底第六锚点14相连接。其左端内侧通过连接短梁18与中部支撑块3相连接。
本发明中的中部支撑块3为深刻蚀硅结构，位于中层外部支撑块2内部、石墨烯加速度敏感结构外部。左端外侧与第二连接短梁18相连接，右端内侧与第一连接短梁17相连接。
本发明中的第二连接短梁18位于结构左边，其左端与中层外部支撑块2相连，右端与中部支撑块3相连。第一连接短梁17位于结构右边，其左端与支撑块12相连，右端与中部支撑块3相连。第一连接短梁17和第二连接短梁18位于同一水平线上，起连接作用。
本发明中的支撑块12位于中轴线右侧、上下层透明玻璃基底中间。右端与第一连接短梁17相连接，左端上层与上层一对扭梁6相连接，左端下层与下层一对扭梁27相连接。支撑块12的上端有凹槽，用来嵌入石墨烯带10，且贴有上层漏极电极11。
所述支撑块12的下端有凹槽，用来嵌入下层石墨烯带28，且贴有下层漏极电极29。支撑块12与中部支撑块3、中层外部支撑块2共同组成总支撑框架结构。
本发明中的上层一对扭梁6与下层一对扭梁27沿垂直方向平行，位于质量块8与支撑块12之间。所述上层一对扭梁6和下层一对扭梁7均左端与质量块8相连，右端与支撑块12相连。
本发明中的质量块8右端上层与上层一对扭梁6相连接，右端下层与下层一对扭梁27相连接，左端悬空。上端有凹槽，用来嵌入石墨烯带10，且贴有源极电极9。下端有凹槽，用来嵌入石墨烯带28，且贴有源极电极25。质量块8与总支撑框架组成敏感质量块结构。
本发明中的上层石墨烯带10与下层石墨烯带2互相平行，位于质量块8与支撑块12之间。上层石墨烯带10位于中间上层，左端嵌入质量块8上表面凹槽处，右端嵌入支撑块12上表面凹槽处。下层石墨烯带28位于中间下层，左端嵌入质量块8下表面凹槽处，右端嵌入支撑块12下表面凹槽处。
本发明中的上层源极电极9与上层漏极电极11位于中轴线两侧，沿水平方向平行。下层源极电极25与下层漏极电极29位于中轴线两侧，沿水平方向平行；上层源极电极9位于质量块8上表面，下层源极电极25位于质量块8下表面。上、下层源极电极9、25大小相同，上下对齐且平行。上层漏极电极11位于支撑块12上表面，下层漏极电极29位于支撑块12下表面。上、下层漏极电极11、29大小相同，上下对齐且平行。
所述上层栅极电极24位于上层透明玻璃基底21的下表面中心处、上层源极电极9与上层漏极电极11之间，距上层石墨烯带10有一定距离。所述下层栅极电极26位于下层透明玻璃基底1的上表面中心处、下层源极电极25与下层漏极电极29之间，距下层石墨烯带28有一定距离。上层栅极电极24与下层栅极电极26大小相同，沿垂直方向平行。
如图3所示，本发明的正视截面图，上层透明玻璃基底21与下层透明玻璃基底1平行布置，中间为石墨烯加速度敏感结构。
本发明中的外部支撑块2的上表面左端与上层透明玻璃基底的第三锚点31相连接，其上表面右端与上层透明玻璃基底的第四锚点23相连接，其下表面左端与下层透明玻璃基底第八锚点16相连接，其下表面右端与下层透明玻璃基底的第七锚点15相连接；中部支撑块3位于中层外部支撑块2内部、石墨烯加速度敏感结构外部。中部支撑块3的内部包括上层一对扭梁6与下层一对扭梁27、上层石墨烯带10与下层石墨烯带28。
本发明中的上层石墨烯带10位于一对扭梁6的中间位置，上端贴有上层漏极电极11。下层石墨烯带28位于一对扭梁27的中间位置，下端贴有下层漏极电极29。上层石墨烯带10与下层石墨烯带28大小相同，上下对齐且平行。
本发明中的上层漏极电极11位于支撑块12上表面、上层石墨烯带10一端外侧。下层漏极电极29位于支撑块12下表面、下层石墨烯带28一端外侧。上层漏极电极11与下层漏极电极29大小相同，上下对齐且平行。
本发明中的上层栅极电极24位于上层透明玻璃基底21的中心处，距离上层石墨烯带10上表面有一定距离。下层栅极26位于下层透明玻璃基底1的中心处，距离下层石墨烯带28上表面有一定距离。
两个栅极电极24、26大小相同，上下对齐且平行
如图4所示，本发明上层透明玻璃基底引线示意图。其中第一、二、三、四锚点30、22、31、23的大小相同且关于中轴线对称分布在上层透明玻璃基底21左上、右上、左下、右下的位置；
所述第一电极32位于第二锚点23的左侧，通过信号引线与第三引出电极36相连；第二电极33位于第三锚点31的右侧，通过信号引线与第一引出电极34相连；
其中第一、二、三引出电极34、35、36大小相同且从上下到下依次对齐设置；
上层栅极电极24布置在上层透明玻璃基底21的中心处且关于水平、垂直中轴线对称，通过中间的信号引线与第二引出电极35相连；上层栅极电极24用于给谐振器提供初始张力，由于谐振器的谐振频率与张力紧密相关，因此须通过设置合理的栅极电压来获得易于检测的谐振频率。
本发明中的质量块8在惯性力作用下沿敏感轴方向运动，由于质量块8和支撑块12之间上层一对扭梁6和下层一对扭梁27的对称布置方式，导致质量块8运动会提供给上、下层石墨烯带10、28一个轴向的作用力。质量块（8）向下运动时，会导致上层石墨烯带10两端的拉力增加，同时导致下层石墨烯带28两端的拉力减小；反之，质量块8向上运动时，会减小上层石墨烯带10两端的拉力，并增大下层石墨烯带28两端的拉力。在这种结构布置方案下，两组石墨烯谐振器的谐振频率呈差分变化。
上、下层栅极电极24、26用于给谐振器提供初始张力，由于谐振器的谐振频率与张力紧密相关，因此须通过设置合理的栅极电压来获得易于检测的谐振频率。两组石墨烯谐振器之间通过激励信号实现对石墨烯谐振器的驱动，耦合电场实现两层石墨烯薄膜之间的静电弱耦合效应。上、下层源极电极9、25用于提供检测电流。加速度的输入会带来谐振器振动的变化，从而改变石墨烯薄膜电导值，因此可通过检测漏极电极上下层11、29输出电流而获得加速度的值，上、下层石墨烯（10、28的振动通过输出接口转换为电信号。
对于提取出的上下层石墨烯带10、28振动信号，提取包络信号，由于双层薄膜的静电弱耦合作用，根据包络信号的频率，通过频率解调算法提取两层薄膜振动频率之差，根据加速度-谐振频率模型，解算出加速度的值。