北航《ACS AMI》：高灵敏度石墨烯MOEMS谐振压力传感器

成果简介

由悬浮石墨烯制成的纳米机械谐振器对压力变化表现出高灵敏度。然而，由于空气阻尼，这些设备在非真空环境中表现出明显的能量损失，以及由于石墨烯的轻微渗透，参考腔内不可避免地出现微弱的气体泄漏。本文，北京航空航天大学李成 副教授团队在《ACS Appl. Mater. Interfaces》期刊发表名为“High-Sensitivity Graphene MOEMS Resonant Pressure Sensor”的论文，研究提出了一种利用微电子机械系统技术的新型石墨烯谐振压力传感器，其特点是将多层石墨烯膜密封在真空中，并粘附在带有凹槽的压敏硅膜上。这种方法创新性地采用了间接敏感的方法，在大气中表现出60倍的能量损失，并解决了基底和石墨烯之间长期存在的气体渗透问题。值得注意的是，所提出的传感器表现出1.7Hz/Pa的高压力灵敏度，比硅的同类产品的灵敏度高5倍。此外，全光封装腔结构有助于实现6.9×10-5 Pa-1的高信噪比和低温度漂移（0.014%/◦C）。所提出的方法为使用二维材料作为敏感膜的压力传感器的长期稳定性和能量损失抑制提供了一个很好的解决方案。

图文导读

图1.（a） 石墨烯谐振压力传感器示意图。ts是硅膜的厚度，Rs和 Rg分别是硅膜和石墨烯的半径。（b） 传感器制造的工艺流程。（i）蚀刻硅晶片的顶部以支撑悬浮的石墨烯。（ii） 蚀刻硅片的底部以形成压敏膜。（iii）将石墨烯转移到硅片的上表面。（iv） 沉积吸气剂，然后进行阳极粘合。（c） （一） 制造传感器和（二） 封装腔体的照片。请注意，硬币是模糊的。（iii）石墨烯谐振器的SEM图像。（iv） 通过AFM测量的石墨烯膜厚度。

图2.（a） 实验装置示意图。（b）具有（蓝点）和不具有（红点）真空封装的石墨烯谐振器的测量幅度 – 频率响应。（c） 传感器的谐振频率与压力的关系。蓝色和红色三角形分别表示随着压力增加和减少而引起的共振频率。虚线显示相应的拟合曲线。（d）石墨烯谐振器的测量品质因数和硅敏感膜的偏转与增加（蓝色三角形）和减少（红色三角形）压力的关系。

图3.（a） 在大气压下谐振频率随温度的变化。插图：归一化谐振幅度与驱动频率和温度的关系。（b） 记录的（红色方块）共振频率在室温下在长达一个月的时间内的变化。蓝色曲线显示测量时同步记录的温度。

图4.（a） MOEMS传感器测得的共振频率与水下深度的函数关系，间隔为5厘米。（b） 传感器在五个不同水下深度的共振频谱。插图：共振峰的放大视图。（c） 不同水下深度的平均共振频率。（d）压阻式（PR）、电容式（CAP）、挤压膜式（SQF）MEMS压力传感器的信噪比比较与这项工作

小结

综上所述，本文首次报道了MOEMS石墨烯谐振压力传感器，其特点是通过阳极键合实现了10-3Pa的真空封装，大大降低了压力差下基底和石墨烯之间高空气阻尼和气体渗透造成的能量损失。总的来说，所提出的传感器为提高信噪比和实现二维材料谐振传感器的可靠使用提供了一个有前途的解决方案。

文献：https://doi.org/10.1021/acsami.3c04520