本發(fa)明涉及(ji)振動傳感器，具體涉及(ji)一種(zhong)基于單層(ceng)石(shi)墨烯(xi)的非(fei)硅基自組裝(zhuang)全向高溫振動傳感陣列及(ji)其制(zhi)備(bei)方法。

背景技術：

1、高(gao)溫振(zhen)(zhen)(zhen)動(dong)(dong)(dong)傳(chuan)(chuan)(chuan)感(gan)(gan)(gan)器(qi)(qi)(qi)是一種(zhong)能夠在高(gao)溫環境下穩定工作的傳(chuan)(chuan)(chuan)感(gan)(gan)(gan)器(qi)(qi)(qi)，用于監測和測量設備或(huo)系統的振(zhen)(zhen)(zhen)動(dong)(dong)(dong)參(can)數。這些傳(chuan)(chuan)(chuan)感(gan)(gan)(gan)器(qi)(qi)(qi)在交通運輸、航空(kong)(kong)航天(tian)、工業制造、能源開(kai)采等領域(yu)有著(zhu)廣(guang)(guang)泛的應(ying)用。高(gao)溫振(zhen)(zhen)(zhen)動(dong)(dong)(dong)傳(chuan)(chuan)(chuan)感(gan)(gan)(gan)器(qi)(qi)(qi)的設計多(duo)樣，包括基于硅(gui)酸鎵鑭聲(sheng)表面波、高(gao)溫共燒陶無源振(zhen)(zhen)(zhen)動(dong)(dong)(dong)傳(chuan)(chuan)(chuan)感(gan)(gan)(gan)器(qi)(qi)(qi)、光(guang)振(zhen)(zhen)(zhen)動(dong)(dong)(dong)傳(chuan)(chuan)(chuan)感(gan)(gan)(gan)器(qi)(qi)(qi)等。在實際應(ying)用中，往往需要(yao)同時測量多(duo)個空(kong)(kong)間維度(大于兩維)或(huo)者多(duo)個軸向(xiang)(大于兩軸)的振(zhen)(zhen)(zhen)動(dong)(dong)(dong)量，從而(er)可以(yi)(yi)同步測量多(duo)軸振(zhen)(zhen)(zhen)動(dong)(dong)(dong)量的多(duo)軸向(xiang)振(zhen)(zhen)(zhen)動(dong)(dong)(dong)傳(chuan)(chuan)(chuan)感(gan)(gan)(gan)器(qi)(qi)(qi)得(de)到(dao)了廣(guang)(guang)泛研究和大力(li)發展，特(te)別(bie)地(di)是組合(he)式(shi)三軸向(xiang)振(zhen)(zhen)(zhen)動(dong)(dong)(dong)傳(chuan)(chuan)(chuan)感(gan)(gan)(gan)器(qi)(qi)(qi)(以(yi)(yi)下簡稱組合(he)式(shi)三軸向(xiang)振(zhen)(zhen)(zhen)動(dong)(dong)(dong)傳(chuan)(chuan)(chuan)感(gan)(gan)(gan)器(qi)(qi)(qi))。

2、組合(he)式三(san)軸向(xiang)(xiang)振(zhen)動(dong)(dong)傳感(gan)器(qi)(qi)具(ju)有精度(du)高(gao)、工藝(yi)成熟等優(you)點，并且與傳統單軸向(xiang)(xiang)振(zhen)動(dong)(dong)傳感(gan)器(qi)(qi)相比(bi)能夠實(shi)(shi)現(xian)對多維(wei)度(du)振(zhen)動(dong)(dong)信號向(xiang)(xiang)量信息的有效獲取。目(mu)前實(shi)(shi)際(ji)應(ying)用的組合(he)式三(san)軸向(xiang)(xiang)振(zhen)動(dong)(dong)傳感(gan)器(qi)(qi)大都是將三(san)個相互獨(du)(du)立(li)的單軸向(xiang)(xiang)振(zhen)動(dong)(dong)傳感(gan)器(qi)(qi)封(feng)裝(zhuang)在一起，還未實(shi)(shi)現(xian)真正的全向(xiang)(xiang)振(zhen)動(dong)(dong)檢測。由于每個獨(du)(du)立(li)元件存(cun)在差(cha)異性，與集成電路工藝(yi)制備(bei)的器(qi)(qi)件相比(bi)，這些差(cha)異是巨大的，極大的影響了器(qi)(qi)件的性能。除此之外，組合(he)式三(san)軸向(xiang)(xiang)振(zhen)動(dong)(dong)傳感(gan)器(qi)(qi)由于一般采用剛性連(lian)(lian)接、粘貼連(lian)(lian)接、磁座連(lian)(lian)接等固定方式，使得器(qi)(qi)件集成度(du)低、體積(ji)較大、功耗較高(gao)，而(er)且參數穩定性差(cha)，可靠性受到(dao)一定的挑戰，不適用于便攜、振(zhen)動(dong)(dong)頻繁的應(ying)用場景。

3、如今關于振(zhen)動傳(chuan)感器(qi)的研(yan)究已聚焦于單片集(ji)成(cheng)式(shi)全(quan)向振(zhen)動檢(jian)測。與組合(he)式(shi)三軸(zhou)向振(zhen)動傳(chuan)感器(qi)相(xiang)比，單片集(ji)成(cheng)式(shi)全(quan)向振(zhen)動傳(chuan)感器(qi)具有體積小(xiao)、功耗低、集(ji)成(cheng)度高(gao)、可(ke)靠性高(gao)等(deng)優點，能夠實現應(ying)用(yong)場景多樣。

技術實現思路

1、本發明的目(mu)的在(zai)于提供一種單片集成、高(gao)靈敏度(du)、大(da)量(liang)程(cheng)、耐高(gao)溫(wen)的基(ji)于單層(ceng)石墨烯的非硅基(ji)自組裝全向高(gao)溫(wen)振(zhen)動傳感陣列及其制作方(fang)法，以解(jie)決上述背景(jing)技術中存在(zai)的至少一項(xiang)技術問題。

2、為了(le)實現上述目的，本發明采取了(le)如(ru)下技術方案：

3、第一方面，本(ben)發明(ming)提供一種全向高溫振動傳感(gan)陣列，其中，每個陣列單元(yuan)包括：

4、藍寶石襯底；

5、形(xing)成于所述(shu)藍寶石襯底上的犧(xi)牲層；

6、形成于(yu)所述(shu)犧牲(sheng)層(ceng)上的氮化硅應(ying)力(li)層(ceng)；

7、形(xing)成(cheng)于所述(shu)氮(dan)化硅(gui)應(ying)力(li)層上的兩端(duan)器(qi)件(jian)(jian)，所述(shu)器(qi)件(jian)(jian)包括順(shun)序(xu)設置的電(dian)極(ji)層、單(dan)層石墨(mo)烯(xi)(xi)、氮(dan)化硅(gui)納米防護層結(jie)構(gou)；所述(shu)氮(dan)化硅(gui)應(ying)力(li)層使得所述(shu)器(qi)件(jian)(jian)自組(zu)裝為(wei)半圓形(xing)三(san)(san)維(wei)結(jie)構(gou)，得到一種基(ji)于石墨(mo)烯(xi)(xi)的三(san)(san)維(wei)非硅(gui)基(ji)自組(zu)裝全向壓電(dian)振動傳感(gan)器(qi)陣列結(jie)構(gou)；

8、所(suo)述氮化硅應力層為(wei)壓/拉雙應力層；單層石墨烯作為(wei)振動敏感(gan)材(cai)料；

9、所述電(dian)(dian)(dian)極(ji)(ji)(ji)層包括在石(shi)墨烯器件上的兩(liang)端電(dian)(dian)(dian)極(ji)(ji)(ji)、電(dian)(dian)(dian)極(ji)(ji)(ji)布線(xian)和用于金線(xian)鍵(jian)合(he)的平(ping)板電(dian)(dian)(dian)極(ji)(ji)(ji)；兩(liang)端電(dian)(dian)(dian)極(ji)(ji)(ji)分布在石(shi)墨烯應力最(zui)大和最(zui)小處，用于收集極(ji)(ji)(ji)化(hua)電(dian)(dian)(dian)荷，形(xing)成電(dian)(dian)(dian)流。

10、可選的，所述犧牲層材料為金屬鋁(lv)。

11、可選的，所述氮化硅納(na)米(mi)防護(hu)層為(wei)低(di)應力氮化硅薄膜。

12、第二方(fang)面(mian)，本發明(ming)提(ti)供一(yi)種如(ru)(ru)第一(yi)方(fang)面(mian)所述的全向(xiang)高溫振動傳(chuan)感陣列的制備方(fang)法(fa)，包括如(ru)(ru)下步驟：

13、s1：制(zhi)備并(bing)清(qing)洗藍寶石(shi)襯底：將藍寶石(shi)襯底置于丙酮(tong)溶液中，超聲(sheng)去(qu)除表(biao)面污跡，沖洗并(bing)烘(hong)干；

14、s2：制(zhi)備犧(xi)牲(sheng)(sheng)層：接著(zhu)對藍寶石襯底利用負(fu)膠光刻(ke)技術、薄(bo)膜磁控濺射技術和剝離技術制(zhi)備鋁犧(xi)牲(sheng)(sheng)層；

15、s3：制(zhi)備氮(dan)化(hua)(hua)硅(gui)應力(li)(li)層：在制(zhi)備完(wan)成的(de)犧牲層上(shang)采(cai)用等(deng)離子體增強化(hua)(hua)學氣相沉積法分別沉積氮(dan)化(hua)(hua)硅(gui)壓/拉雙應力(li)(li)層；通(tong)過(guo)正(zheng)膠光刻技術和電感耦合式等(deng)離子體刻蝕法對應力(li)(li)層進行干法刻蝕實現(xian)圖形化(hua)(hua)；最后用丙(bing)酮洗去光刻膠，完(wan)成氮(dan)化(hua)(hua)硅(gui)應力(li)(li)層圖形化(hua)(hua)制(zhi)備；

16、s4：制備(bei)電極層(ceng)(ceng)：通過負膠光刻技術(shu)和薄膜磁控濺射技術(shu)生長(chang)粘附(fu)(fu)層(ceng)(ceng)金(jin)屬材料(liao)和導電層(ceng)(ceng)金(jin)屬材料(liao)，最后(hou)使用剝離(li)工藝除去(qu)光刻膠及(ji)附(fu)(fu)著在(zai)光刻膠表面的(de)金(jin)屬材料(liao)，清洗(xi)藍寶(bao)石(shi)襯(chen)底，完成(cheng)電極層(ceng)(ceng)的(de)制備(bei)。

17、s5：轉(zhuan)移并圖形(xing)化石墨烯層：在藍(lan)寶石襯底、犧牲層、氮(dan)化硅應力(li)層以及電極層上轉(zhuan)移石墨烯層；采(cai)用(yong)正膠光刻(ke)技術和氧氣(qi)等離子體刻(ke)蝕技術圖形(xing)化石墨烯層；

18、s6：制備氮化硅(gui)(gui)納(na)米(mi)防護層：使用薄膜工藝技術制備氮化硅(gui)(gui)納(na)米(mi)防護層，隨后使用正膠光刻圖形(xing)化技術和電(dian)感(gan)耦合式等離(li)子體(ti)刻蝕法(fa)，完成氮化硅(gui)(gui)納(na)米(mi)防護層的圖形(xing)化制備；

19、s7：刻(ke)(ke)蝕(shi)犧牲層實現(xian)自(zi)卷曲：使(shi)用(yong)刻(ke)(ke)蝕(shi)液刻(ke)(ke)蝕(shi)所(suo)述犧牲層；所(suo)述氮化(hua)(hua)硅應力(li)層使(shi)得(de)所(suo)述電(dian)極層、石(shi)墨烯層、氮化(hua)(hua)硅納米防護層自(zi)組裝為(wei)微管式三維結構，得(de)到花瓣狀非硅基石(shi)墨烯全向(xiang)高溫振動傳感(gan)器陣列結構。

20、可(ke)選的，所述三層自組裝懸臂梁(liang)式三維結構(gou)的花瓣狀陣(zhen)列(lie)，得到基(ji)于(yu)單(dan)層石墨烯的非硅基(ji)自組裝全向高溫振(zhen)動(dong)傳(chuan)感(gan)陣(zhen)列(lie)。

21、可選的，所述犧牲層(ceng)為(wei)能被(bei)特(te)定刻(ke)蝕液(ye)或(huo)(huo)刻(ke)蝕氣體刻(ke)蝕的金屬層(ceng)或(huo)(huo)非金屬層(ceng)。

22、可選的(de)，犧牲層的(de)厚度為50nm～150nm。

23、可選的(de)，所(suo)述電極(ji)(ji)層為鈦-鉑電極(ji)(ji)。

24、可(ke)選的，所述氮化(hua)硅應(ying)力層的厚度為(wei)80nm～200nm。

25、可(ke)選(xuan)的，所述氮化硅納(na)米防護層的厚度為10nm-50nm。

26、本發明有益(yi)效果：

27、(1)本發明具備自(zi)供(gong)電(dian)(dian)工作(zuo)能力和超高靈(ling)敏(min)(min)度(du)。自(zi)組(zu)裝3d結(jie)構中(zhong)的周向不對(dui)稱(cheng)應(ying)力打破了石(shi)墨烯(xi)晶體(ti)的本征對(dui)稱(cheng)性，使得單(dan)層石(shi)墨烯(xi)具備了壓(ya)(ya)電(dian)(dian)特性，結(jie)果(guo)表明這種3d石(shi)墨烯(xi)的壓(ya)(ya)電(dian)(dian)系數比常(chang)見的壓(ya)(ya)電(dian)(dian)陶瓷(如(ru)pzt)高2個數量級，從而(er)可(ke)以(yi)實現超高的靈(ling)敏(min)(min)度(du)。傳統(tong)的平(ping)面(mian)二維(2d)懸臂(bei)梁式壓(ya)(ya)電(dian)(dian)振動傳感器只對(dui)垂(chui)直于(yu)懸臂(bei)梁平(ping)面(mian)的單(dan)軸(zhou)振動敏(min)(min)感，而(er)本項目所(suo)(suo)提(ti)出(chu)的這種半(ban)圓形3d壓(ya)(ya)電(dian)(dian)振動傳感器對(dui)垂(chui)直于(yu)半(ban)圓形中(zhong)心軸(zhou)所(suo)(suo)在任意平(ping)面(mian)內(nei)的所(suo)(suo)有振動均(jun)敏(min)(min)感。

28、(2)本(ben)發(fa)明具(ju)備(bei)耐高(gao)(gao)溫工(gong)作能力。石墨烯(xi)作為該振(zhen)動傳感器(qi)的(de)(de)敏感材(cai)料，不(bu)僅具(ju)有(you)超(chao)高(gao)(gao)的(de)(de)強度和(he)柔韌性(xing)，以(yi)及超(chao)快(kuai)的(de)(de)載流子(zi)遷移率(lv)，還具(ju)有(you)超(chao)高(gao)(gao)的(de)(de)穩(wen)(wen)定性(xing)。已有(you)研究表明，石墨烯(xi)在(zai)隔絕空氣(qi)的(de)(de)條件(jian)下(xia)，可在(zai)2100℃下(xia)穩(wen)(wen)定工(gong)作。鈦-鉑(bo)電(dian)極可耐1200℃。由于襯底和(he)防護層(ceng)應力不(bu)匹配的(de)(de)問題(ti)，在(zai)高(gao)(gao)溫情(qing)況下(xia)會出(chu)現裂(lie)紋(wen)、鼓泡等(deng)問題(ti)使(shi)石墨烯(xi)器(qi)件(jian)失效。本(ben)發(fa)明提出(chu)的(de)(de)三維結(jie)構使(shi)得防護層(ceng)和(he)襯底分離(li)提高(gao)(gao)了耐高(gao)(gao)溫工(gong)作能力。

29、本發明(ming)附加的(de)方面和優點將在下(xia)(xia)面的(de)描述中(zhong)部分給(gei)出，這些(xie)將從下(xia)(xia)面的(de)描述中(zhong)變得明(ming)顯，或(huo)通過本發明(ming)的(de)實踐(jian)了解到。

1.一種全向(xiang)高(gao)溫振動傳感(gan)陣列，其特征在于，包括：

2.根據權利要求1所(suo)述的全向高溫振動傳感(gan)陣列(lie)，其特征在于，所(suo)述犧牲層(2)材料為(wei)金屬鋁(lv)。

3.根據(ju)權利(li)要求1所述(shu)的全向(xiang)高溫振動傳(chuan)感陣(zhen)列，其特征在(zai)于(yu)，所述(shu)氮(dan)化(hua)硅(gui)納米防護(hu)層(6)為低(di)應力氮(dan)化(hua)硅(gui)薄膜(mo)。

4.一(yi)(yi)種如權利要求1-3任一(yi)(yi)項所述的全向(xiang)高溫(wen)振動(dong)傳(chuan)感(gan)陣列的制(zhi)備方法(fa)，其特(te)征在于，包(bao)括如下步驟(zou)：

5.根據(ju)權利要求4所(suo)述的(de)(de)制備(bei)方法，其特征在于，所(suo)述三(san)層(ceng)自(zi)組(zu)裝(zhuang)(zhuang)懸臂梁式三(san)維結構的(de)(de)花瓣狀(zhuang)陣(zhen)列(lie)，得到基于單層(ceng)石墨烯的(de)(de)非硅基自(zi)組(zu)裝(zhuang)(zhuang)全向高溫振動傳(chuan)感陣(zhen)列(lie)(7)。

6.根(gen)據權利要(yao)求4所(suo)述的(de)制(zhi)備方法，其特征在于，所(suo)述犧牲層為能被(bei)特定(ding)刻(ke)蝕液或刻(ke)蝕氣體刻(ke)蝕的(de)金(jin)屬(shu)層或非金(jin)屬(shu)層。

7.根據權利(li)要求(qiu)4所述的制備方法，其(qi)特征在于，犧(xi)牲層(ceng)(2)的厚(hou)度為50nm～150nm。

8.根(gen)據權利要求4所述(shu)的制備方法，其(qi)特征在于，所述(shu)電(dian)極層(ceng)(4)為鈦-鉑電(dian)極。

9.根據權利要求4所(suo)述的制備(bei)方法(fa)，其特征(zheng)在于，所(suo)述氮化硅應力(li)層(3)的厚度為80nm～200nm。

10.根據(ju)權利要求4所述(shu)(shu)的制備方(fang)法，其特征在(zai)于(yu)，所述(shu)(shu)氮化硅納米(mi)防護層(6)的厚(hou)度為10nm-50nm。