硅基與石墨烯基諧振式壓力傳感器研究進(jìn)展

劉冠軍， 徐方松， 劉 瑛， 鄭賢德， 王 欽， 邱 靜

(國(guó)防科技大學(xué) 智能科學(xué)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410000)

傳感器是機(jī)械設(shè)備或系統(tǒng)獲取外界信息的“感官”元件，它使設(shè)備具有了“感知”功能，壓力傳感器是其中重要的一種。隨著MEMS技術(shù)的飛速發(fā)展，硅微機(jī)械式壓力傳感器在21世紀(jì)初就得到了廣泛應(yīng)用。壓力傳感器中根據(jù)敏感原理不同分為壓阻式、壓電式和諧振式等類型。其中，諧振式壓力傳感器具有高穩(wěn)定性、高重復(fù)性、高精度和高分辨率的特點(diǎn)[1]，而且其工作于諧振狀態(tài)，具有功耗低、輸出信號(hào)的信噪比高、抗干擾能力強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)。由此可見(jiàn)，諧振式壓力傳感器的研究工作具有重要意義。

目前，硅基諧振式壓力傳感器(Silicon Resonant Pressure Sensors，SRPS)的相關(guān)研究已進(jìn)入成熟階段[2]，但由于硅材料本身物理性質(zhì)的限制，硅基傳感器靈敏度指標(biāo)難以得到進(jìn)一步提升，嚴(yán)重限制了壓力傳感器在超低壓環(huán)境的應(yīng)用。二維材料的出現(xiàn)使得超高靈敏度壓力傳感器成為可能。石墨烯厚度極薄，僅為0.335 nm，且機(jī)械強(qiáng)度高。以石墨烯為代表的二維材料基諧振式壓力傳感器的相關(guān)研究才剛剛起步，其在靈敏度指標(biāo)方面的表現(xiàn)已遠(yuǎn)超硅基傳感器。但由于制造工藝和測(cè)試手段尚不成熟，石墨烯基諧振式壓力傳感器(Graphene Resonant Pressure Sensors，GRPS)精度指標(biāo)較差，且穩(wěn)定性和重復(fù)性低。

本文主要介紹了SRPS和GRPS的研究近況，總結(jié)其存在的問(wèn)題及分析未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，重點(diǎn)討論了GRPS的主要性能指標(biāo)，對(duì)一些原文中未列出的性能指標(biāo)進(jìn)行了估算，結(jié)果表明GRPS與硅基傳感器性能指標(biāo)存在較大差距，進(jìn)一步分析出GRPS制造過(guò)程中存在的諸多技術(shù)問(wèn)題，并針對(duì)各個(gè)技術(shù)問(wèn)題提出可行的解決路線，從而為GRPS制造提供參考。

1 諧振式壓力傳感器指標(biāo)體系

為了對(duì)被測(cè)對(duì)象所包含的信息進(jìn)行定性了解和定量掌握，必須采取一系列的檢測(cè)技術(shù)措施來(lái)完成。傳感器是檢測(cè)裝置的核心部件，它能感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)。對(duì)于商用傳感器而言，消費(fèi)者會(huì)根據(jù)自己的測(cè)試需要來(lái)選擇合適的傳感器，會(huì)對(duì)傳感器性能指標(biāo)提出要求，在這之前首先要有一套標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)體系作為選擇依據(jù)。傳統(tǒng)壓力傳感器常用技術(shù)指標(biāo)如表1所示[2]，這些指標(biāo)是檢驗(yàn)、使用和評(píng)價(jià)傳感器的重要依據(jù)，新型微傳感器的指標(biāo)定義往往也在以下傳感器技術(shù)指標(biāo)體系之內(nèi)。對(duì)于常用的壓力傳感器，如機(jī)械式、壓阻式、壓電式等，其主要性能指標(biāo)有：靈敏度、線性度、精度、分辨率、重復(fù)性、遲滯、測(cè)量壓力范圍、使用溫度范圍、穩(wěn)定性(漂移)、允許過(guò)載、響應(yīng)時(shí)間、防護(hù)等級(jí)、抗干擾性等[3]。

GB/T 15478—2015給出了上述技術(shù)指標(biāo)的定義，其中，線性度、重復(fù)性、遲滯、精度、靈敏度、穩(wěn)定性、Q值均是業(yè)界最常用的關(guān)鍵指標(biāo)。Q值定義如下。

① 非線性。非線性表示在壓力量程范圍內(nèi)，壓力傳感器輸出值的校準(zhǔn)曲線與某一規(guī)定直線偏離的程度。常用線性度(L)衡量，計(jì)算方法為傳感器校準(zhǔn)曲線與擬合直線間的最大偏差(ΔYmax)占滿量程輸出(YFS)的百分比。

表1 壓力傳感器常用技術(shù)指標(biāo)

② 重復(fù)性。重復(fù)性表示傳感器在輸入量按同一方向做全量程多次測(cè)試時(shí)，所得特性曲線不一致性的程度，一般采用極限誤差式表示：

(1)

式中，Δmax為輸出最大不重復(fù)誤差。

③ 遲滯(回差滯環(huán))。遲滯表示傳感器在正向(輸入量增大)行程和反向(輸入量減小)行程期間，輸出-輸入特性曲線不重合的程度。

(2)

④ 精度。又稱精確度，為待測(cè)壓力傳感器的測(cè)量結(jié)果與其真值的一致性程度，它取決于傳感器的系統(tǒng)誤差與隨機(jī)誤差。常見(jiàn)計(jì)算方法為

(3)

式中，Y1為測(cè)量值；Y2為真值。將商用傳感器測(cè)得的壓力值作為真值[4]。GE Sensing公司的商用壓力傳感器產(chǎn)品對(duì)精度的定義是：

(4)

式中，L為線性度；R為重復(fù)性；D為遲滯。

⑤ 靈敏度。靈敏度表示穩(wěn)態(tài)下傳感器輸出量的增量與相應(yīng)的輸入量增量之比。例如，某壓力傳感器的壓力變化1 kPa時(shí)，傳感器諧振頻率變化為500 Hz，則其靈敏度應(yīng)表示為500 Hz/kPa。對(duì)于壓阻式壓力傳感器，一般用壓敏電阻輸出量的相對(duì)變化量與相應(yīng)壓力輸入增量的比值來(lái)表示[5-8]，即

S=ΔR/R×P

(5)

式中，S為靈敏度；ΔR/R為輸出量相對(duì)變化量；P為壓差(壓力增量)。

⑥ 穩(wěn)定性。穩(wěn)定性表示壓力傳感器使用一段時(shí)間后，其性能保持不變化的能力，可分為時(shí)間穩(wěn)定性和溫度穩(wěn)定性。

⑦ 品質(zhì)因數(shù)(Q值)。Q因子是物理及工程中的無(wú)量綱參數(shù)，是表示振子阻尼性質(zhì)的物理量，也可表示振子的共振頻率相對(duì)于帶寬的大小，高Q因子表示振子能量損失的速率較慢，振動(dòng)可持續(xù)較長(zhǎng)的時(shí)間。

2 SRPS研究現(xiàn)狀

基于MEMS技術(shù)的SRPS是一種性能優(yōu)異的壓力傳感器,其測(cè)量精度高、穩(wěn)定性好、抗干擾性好，非常適合于對(duì)精度和長(zhǎng)期穩(wěn)定性有著嚴(yán)格要求的航天技術(shù)、工業(yè)過(guò)程控制和需要精密測(cè)量的場(chǎng)合，在軍事和民用領(lǐng)域有著十分廣泛的應(yīng)用和巨大的市場(chǎng)。

2.1 主要研究團(tuán)隊(duì)

SRPS應(yīng)用領(lǐng)域廣、測(cè)量性能優(yōu)良，國(guó)內(nèi)外許多公司或研究團(tuán)隊(duì)先后開始研發(fā)相關(guān)產(chǎn)品。國(guó)外起步較早，在20世紀(jì)80年代就有許多公司進(jìn)行此類產(chǎn)品開發(fā)，目前能在該領(lǐng)域做出高性能產(chǎn)品的公司主要有：Druck公司、日本橫河電機(jī)株式會(huì)社(YOKOGAWA)、美國(guó)Paroscientific公司、法國(guó)Thales公司等。國(guó)內(nèi)一些研究機(jī)構(gòu)和高校在20世紀(jì)90年代也開始該領(lǐng)域的研究，代表團(tuán)隊(duì)有：中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所、北京航空航天大學(xué)、電子科技大學(xué)、廈門大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)等。

2.2 各團(tuán)隊(duì)或公司的發(fā)展歷程及最新研究成果

在商用傳感器領(lǐng)域，Druck公司和日本橫河電機(jī)株式會(huì)社市場(chǎng)占有率較大，重點(diǎn)調(diào)研了這兩家公司的發(fā)展歷程和最新產(chǎn)品成果情況。

Druck公司于1972年成立于英國(guó)，專門從事高性能壓力傳感器的設(shè)計(jì)和制造，其產(chǎn)品采用成熟的硅微機(jī)械加工相關(guān)技術(shù)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。Druck公司于20世紀(jì)80年代開始研究諧振式壓力傳感器，在1988年，該公司Greenwood等[9]研發(fā)了一種蝶形結(jié)構(gòu)的靜電激勵(lì)-電容檢測(cè)的諧振式壓力傳感器，如圖1所示。在真空中，其Q值為20000，全量程(0～100 kPa)靈敏度為150 Hz/kPa，分辨率為0.001%FS，是該公司第一代產(chǎn)品原型。

圖1 蝶形結(jié)構(gòu)壓力傳感器

1999年，該公司又研制了一款基于熔融鍵合和溝槽刻蝕技術(shù)的諧振式壓力傳感器[10]，真空中Q值高達(dá)50000。2009年，該公司利用深反應(yīng)離子刻蝕、熔融鍵合工藝，研制了一種基于絕緣體上硅片(SOI)的SRPS[11]，其年漂移量小于100ppm，成為第二代傳感器原型。此后10年間，由于技術(shù)封鎖等原因，該公司鮮有論文或?qū)＠l(fā)布。通過(guò)對(duì)其在官網(wǎng)銷售的產(chǎn)品(RPS/DPS系列SRPS)調(diào)研，獲知該公司最新產(chǎn)品：第二代SRPS最高精度為±0.01%FS，年穩(wěn)定性最高可達(dá)±50ppm，測(cè)壓范圍從0～7 MPa(絕對(duì)壓力)不等，可適應(yīng)環(huán)境溫度為-40～125 ℃，第二代產(chǎn)品實(shí)物和內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 RPS8000系列傳感器

日本橫河電機(jī)株式會(huì)社自1915年創(chuàng)建以來(lái)，一直致力于發(fā)展尖端的計(jì)測(cè)技術(shù)，在測(cè)量領(lǐng)域研發(fā)了許多優(yōu)秀的現(xiàn)場(chǎng)儀表，如流量表、變送器、分析儀等。目前在世界29個(gè)地區(qū)擁有60多家子公司，經(jīng)營(yíng)領(lǐng)域涉及測(cè)量、控制、信息三大領(lǐng)域。YOKOGAWA自20世紀(jì)90年代初就開始研究諧振式MEMS壓力傳感器，1990年該公司設(shè)計(jì)出一種基于硅材料的雙諧振應(yīng)變計(jì)結(jié)構(gòu)壓力傳感器[4]，此傳感器采用電磁激勵(lì)方式，結(jié)合振幅控制-自激振蕩檢測(cè)電路，真空下Q值約為50000，精度達(dá)到了0.01%FS，且實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明其溫度穩(wěn)定性良好，溫度系數(shù)約為-40ppm/K。2006年該公司又研制出一種諧振梁復(fù)合結(jié)構(gòu)硅微壓力傳感器[12]，諧振梁在壓力敏感膜上間接感受壓力變化，當(dāng)壓力敏感膜兩側(cè)存在壓力差時(shí)，諧振梁的固有頻率發(fā)生改變，檢測(cè)其頻率變化便可得到相應(yīng)壓力變化，其精度達(dá)到了0.01%FS。

國(guó)內(nèi)也有許多研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了MEMS諧振式壓力傳感器相關(guān)研究[3,13-19]。其中，中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所和北京航空航天大學(xué)在此領(lǐng)域研究成果較為突出，筆者重點(diǎn)對(duì)其進(jìn)行了調(diào)研。

圖3 便攜式氣壓計(jì)樣機(jī)

近10年來(lái)，中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所團(tuán)隊(duì)對(duì)頻差檢測(cè)SRPS進(jìn)行了廣泛深入研究，不斷改進(jìn)優(yōu)化傳感器結(jié)構(gòu)，近年該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的主要傳感器結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所近年設(shè)計(jì)的傳感器結(jié)構(gòu)

從圖4中可以看出，該所設(shè)計(jì)的傳感器均采用創(chuàng)新型的微雙梁結(jié)構(gòu)，創(chuàng)新點(diǎn)體現(xiàn)在：在梁上設(shè)計(jì)孔、槽等微結(jié)構(gòu)以此減小結(jié)構(gòu)阻尼；在梁固支部分設(shè)計(jì)特殊周期性支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)一步減小結(jié)構(gòu)阻尼和支撐損耗，大幅提高了傳感器Q值。

中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所團(tuán)隊(duì)對(duì)傳感器結(jié)構(gòu)進(jìn)行逐年優(yōu)化設(shè)計(jì)后，使SRPS性能指標(biāo)得到了明顯提升。筆者對(duì)該團(tuán)隊(duì)近年研制的傳感器指標(biāo)進(jìn)行調(diào)研總結(jié)，得到傳感器性能指標(biāo)數(shù)據(jù)如表2所示。從表2中的數(shù)據(jù)可以看出，該所近年的傳感器在更廣的壓力和溫度范圍內(nèi)表現(xiàn)出更高的精度和更小的溫度漂移，Q值也逐步提高。

表2 中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所近年研究成果

高精度壓力傳感器對(duì)航空航天技術(shù)的發(fā)展起著至關(guān)重要的作用，北京航空航天大學(xué)從20世紀(jì)90年代初就開始從事該領(lǐng)域的研究。1998年李明明[32]通過(guò)有限元法進(jìn)行了SRPS作為一次敏感元件和二次敏感元件時(shí)的靜力、動(dòng)力學(xué)分析，建立了諧振器數(shù)學(xué)模型，給出了傳感器參數(shù)優(yōu)化的理論依據(jù)。2009年Tang等[33]研發(fā)了一種SRPS，如圖5所示，是一種復(fù)合結(jié)構(gòu)壓力傳感器，諧振梁作為二次敏感元件間接感受外界壓力變化。對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行真空封裝并在設(shè)計(jì)的開環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)中測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：其靈敏度為49.8 Hz/kPa，可重復(fù)性為0.08%。

2011年Tang等[34]在前述傳感器基礎(chǔ)上提出一種帶有溫度補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的硅諧振復(fù)合梁式壓力傳感器。其中，膜片上的梁負(fù)責(zé)敏感壓力的變化，另一個(gè)被固定在邊緣的梁結(jié)構(gòu)能感知溫度變化。在同時(shí)考慮兩個(gè)諧振梁的諧振頻率變化后，可減小溫漂。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，同樣在-40～60 ℃下，沒(méi)有經(jīng)過(guò)溫度補(bǔ)償時(shí)，最大壓力測(cè)量殘余誤差高達(dá)53.9 kPa，而加入溫度補(bǔ)償結(jié)構(gòu)后，此誤差降到了1.8 kPa，僅為原先的3.3%。其結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖5 復(fù)合結(jié)構(gòu)壓力傳感器

圖6 雙梁壓力傳感器

2019年鄒夢(mèng)啟等[35]設(shè)計(jì)了帶溫度補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的SRPS并進(jìn)行了仿真研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在硅-玻璃-金屬?gòu)?fù)合結(jié)構(gòu)諧振器結(jié)構(gòu)中使用合適厚度的各層材料能減小熱應(yīng)力，實(shí)現(xiàn)傳感器的溫度補(bǔ)償，提高傳感器的溫度穩(wěn)定性，進(jìn)而提高精度。

2.3 存在的問(wèn)題及發(fā)展趨勢(shì)

綜合分析國(guó)內(nèi)外各研究團(tuán)隊(duì)和公司研發(fā)的各種SRPS可以發(fā)現(xiàn)：

翻譯：“她一面說(shuō)，一面就打算行個(gè)屈膝禮—想想看吧，你是在半空中往下掉的時(shí)候行屈膝禮呀！你想你能辦得到嗎？”

① 該類傳感器普遍存在小尺寸微梁結(jié)構(gòu)，制造過(guò)程需要用到高精度微刻蝕工藝，開發(fā)難度大。

② 國(guó)內(nèi)目前在該領(lǐng)域還處于實(shí)驗(yàn)探究階段，尚未具備該類傳感器的生產(chǎn)能力，相關(guān)產(chǎn)品仍靠進(jìn)口，還需自身不斷突破技術(shù)瓶頸。

③ 國(guó)內(nèi)高水平研究團(tuán)隊(duì)近年報(bào)道的傳感器實(shí)驗(yàn)結(jié)果在精度、溫度漂移、靈敏度、線性度和Q值方面已經(jīng)達(dá)到了國(guó)際上現(xiàn)有產(chǎn)品的性能指標(biāo)，距離產(chǎn)品化面臨的主要問(wèn)題是如何提高傳感器的年穩(wěn)定性、重復(fù)性和成品率。

④ 目前的研究結(jié)果較少提及傳感器的年穩(wěn)定性和可重復(fù)性，這是未來(lái)研究的重點(diǎn)方向。對(duì)于拾振電路的優(yōu)化和創(chuàng)新、信號(hào)分析處理過(guò)程中的算法校正等也需要深入研究。在MEMS微工藝方面國(guó)內(nèi)也還處于初始研究階段，提高傳感器封裝工藝[36]、簡(jiǎn)化制作流程、研究新傳感器結(jié)構(gòu)[37]、提高傳感器制造的良品率和增大測(cè)壓范圍也是研究熱點(diǎn)。

3 GRPS研究進(jìn)展

2004年曼切斯特大學(xué)Geim小組成功分離出單原子層的石墨材料——石墨烯[38]。石墨烯突出的特點(diǎn)是單原子層厚、強(qiáng)度高，在理論研究和應(yīng)用領(lǐng)域得到了廣泛關(guān)注。后續(xù)又有一些其他的二維材料陸續(xù)被分離出來(lái)，如氮化硼、二硫化鉬、二硫化鎢、MXene材料。在壓力傳感器領(lǐng)域，為了達(dá)到更高的測(cè)量靈敏度和更廣的測(cè)量范圍，實(shí)現(xiàn)微壓力測(cè)量，可以使用二維材料作為敏感元件，這是目前的研究熱點(diǎn)。而基于諧振原理的傳感器由于其測(cè)量精度高、穩(wěn)定性好、數(shù)字輸出等優(yōu)勢(shì)[39]，許多學(xué)者進(jìn)行了該領(lǐng)域的相關(guān)研究。目前，關(guān)于GRPS的研究才剛剛起步，研究團(tuán)隊(duì)和研究成果較少，距離商用化還有一定距離[40]，但從現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，GRPS有望達(dá)到遠(yuǎn)超出傳統(tǒng)SRPS的優(yōu)良性能指標(biāo)。

3.1 主要研究團(tuán)隊(duì)及成果

2015年荷蘭代爾夫特理工大學(xué)Dolleman等[41]研制了一種壓膜式壓力傳感器，如圖7所示。這種壓力傳感器是在硅/二氧化硅基底上刻蝕了一個(gè)啞鈴狀的空腔，石墨烯薄膜覆蓋了啞鈴的一端及啞鈴桿部分，啞鈴桿部分作為該傳感器的通氣孔用于維持石墨烯空腔內(nèi)的壓力與外界壓力一致。該傳感器工作時(shí)，一個(gè)高頻的壓力被壓入空腔中，由于氣體黏性力作用，氣體無(wú)法立即從空腔中溢出，導(dǎo)致石墨烯薄膜剛度變化，進(jìn)而引起薄膜諧振頻率變化，而施加的壓力大小與諧振頻率存在以下關(guān)系：

(6)

式中，fr為外界壓力為Pa時(shí)傳感器的諧振頻率；f0為真空下傳感器的諧振頻率；g0為基底與膜之間的間隙；ρh為單位面積方形膜的質(zhì)量，以此來(lái)測(cè)量壓力。這種傳感器在低壓下靈敏度可達(dá)90000 Hz/kPa，在大氣壓附近靈敏度達(dá)到10000 Hz/kPa，高于其他MEMS壓膜壓力傳感器。傳感器Q值隨壓力增加而下降，在0～10 kPa范圍內(nèi)從幾十下降到十以下，在2 kPa時(shí)Q值為55左右。

圖7 啞鈴狀壓力傳感器結(jié)構(gòu)

2017年該團(tuán)隊(duì)又設(shè)計(jì)了另一種基于壓膜結(jié)構(gòu)的壓力傳感器[42]，如圖8所示。該傳感器先是在金屬鉬上通過(guò)CVD(Chemical Vapor Deposition)法生長(zhǎng)了多層石墨烯(厚度約8 nm)，而后兩端覆蓋Cr/Au電極，最后通過(guò)雙氧水、去離子水和CO2氣體處理去掉鉬，得到懸浮石墨烯壓膜壓力傳感器。利用基于光干涉原理的測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，懸浮石墨與二氧化硅基底間隙為100 nm時(shí)，在1～10 kPa下，壓力靈敏度為3100 Hz/kPa，室溫下Q值為70左右。

圖8 諧振梁式壓力傳感器結(jié)構(gòu)

北京航空航天大學(xué)Li等[43]于2017年制作了兩種光纖F-P干涉腔諧振式壓力傳感器，如圖9所示。一種是將石墨烯直接轉(zhuǎn)移至光纖頭端面，形成一個(gè)封閉空氣腔，命名為Ⅰ型傳感器；另一種是將石墨烯轉(zhuǎn)移到二氧化鋯(ZrO2)端面，然后用一個(gè)軸套將二氧化鋯和單模光纖頭對(duì)準(zhǔn)粘合到一起，這樣在石墨烯一側(cè)形成了較為開放的空氣腔，命名為Ⅱ型傳感器。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，Ⅱ型傳感器膜內(nèi)不存在壓力梯度，傳感器機(jī)械響應(yīng)主要是由預(yù)應(yīng)力引起的表面張力，而不是受壓膜的彎曲張力，所以對(duì)其附著的表面進(jìn)行拋光很有必要。二氧化鋯端面經(jīng)過(guò)拋光處理后可以非常光滑平整，以此來(lái)優(yōu)化由表面張力主導(dǎo)的Ⅱ型傳感器共振特性，兩種傳感器結(jié)構(gòu)實(shí)物如圖9所示。Ⅱ型壓力傳感器在常溫真空下Q值為75，在100～300 kPa壓力下Q值為13.3～16.6，靈敏度約為135 Hz/kPa，線性度誤差為5.16%。所用石墨烯薄膜共13層，厚度約為4.13 nm，懸浮直徑為125 μm。分析實(shí)測(cè)結(jié)果后認(rèn)為靈敏度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于仿真數(shù)據(jù)的原因可能是石墨烯薄膜在轉(zhuǎn)移過(guò)程中被污染和破壞、引入預(yù)應(yīng)力等。

圖9 兩種光纖壓力傳感器實(shí)物圖

2017年樊尚春等[44]提出了一種與傳統(tǒng)硅諧振梁式壓力傳感器類似的雙石墨烯諧振梁壓力傳感器結(jié)構(gòu)，石墨烯諧振梁作為二次敏感元件間接感受壓力變化，一次敏感元件是硅方形膜片，方形膜片將待測(cè)壓力轉(zhuǎn)換為膜片上的應(yīng)力，石墨烯諧振梁的諧振頻率隨應(yīng)力變化而變化，通過(guò)檢測(cè)梁諧振頻率變化便可以實(shí)現(xiàn)壓力測(cè)量，但未進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。李子昂等[45]于2019年制作了一種基于光纖F-P腔的GRPS，如圖10所示。該傳感器是在光纖頭上熔接了一段內(nèi)徑50 μm的石英毛細(xì)管，而后將石墨烯轉(zhuǎn)移到該毛細(xì)管端面上形成了石墨烯諧振探頭。利用光纖光學(xué)激勵(lì)與檢測(cè)測(cè)試系統(tǒng)得到室溫下該傳感器在0～68.95 kPa壓力范圍內(nèi)，靈敏度為2930 Hz/kPa，優(yōu)于2017年的實(shí)驗(yàn)結(jié)果10倍以上，Q值為10.24，且Q值隨真空度提高而增大，在0～68.95 kPa內(nèi)Q值提高了3.65。所用石墨烯薄膜達(dá)10層，厚度約為3.4 nm，懸浮直徑為50 μm。

圖10 光纖微壓傳感器結(jié)構(gòu)圖

華中科技大學(xué)Jiang等[46]于2014年提出了一種將石墨烯諧振梁作為二次敏感元件的壓力傳感器，如圖11所示。與傳統(tǒng)硅復(fù)合結(jié)構(gòu)傳感器類似，該傳感器用硅基底直接感受被測(cè)壓力，當(dāng)外界壓力變化時(shí)，石墨烯諧振梁在應(yīng)變作用下其諧振頻率會(huì)發(fā)生變化，以此來(lái)測(cè)量壓力。通過(guò)有限元方法仿真得到該傳感器輸出在0～100 kPa下呈線性變化，靈敏度達(dá)到26838 Hz/kPa。該諧振梁長(zhǎng)度為0.5 μm、厚度為0.34 nm。

圖11 諧振梁式壓力傳感器結(jié)構(gòu)圖

3.2 GRPS精度指標(biāo)評(píng)估

傳感器的精度指標(biāo)是體現(xiàn)傳感器性能的重要指標(biāo)之一，消費(fèi)者在傳感器選型時(shí)較為關(guān)注的也是精度指標(biāo)。常見(jiàn)的精度指標(biāo)包括：精度(誤差)、線性度等。目前，二維材料諧振式壓力傳感器的研究剛剛起步，一些學(xué)者只報(bào)道了傳感器的量程指標(biāo)和靈敏度指標(biāo)，沒(méi)有計(jì)算出精度指標(biāo)，為了深入調(diào)研二維材料諧振式壓力傳感器性能，筆者讀取文中數(shù)據(jù)，求得精度指標(biāo)，調(diào)研其是否滿足商用傳感器精度指標(biāo)要求，或?qū)Ρ绕渑c商用傳感器精度指標(biāo)的差距，為接下來(lái)相關(guān)傳感器的研究提供參考依據(jù)。代爾夫特理工大學(xué)的兩種壓膜式GRPS在靈敏度指標(biāo)方面遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)SRPS，但未報(bào)道精度指標(biāo)，以這兩種傳感器為代表估計(jì)二維材料諧振式壓力傳感器精度指標(biāo)。2015年代爾夫特理工大學(xué)Dolleman等[41]制作了一種啞鈴狀壓膜式壓力傳感器，圖12顯示了該傳感器正反行程實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果。

圖12 啞鈴狀傳感器輸出響應(yīng)曲線

取100～1000 mbar中的一組數(shù)據(jù)，進(jìn)行線性擬合，得到擬合結(jié)果如圖13所示。

圖13 啞鈴狀傳感器線性擬合曲線

根據(jù)定義，非線性誤差等于最大偏差/滿量程輸出，以線性擬合后的直線為基準(zhǔn)，計(jì)算得到非線性誤差為3.06%，線性度為96.94%。

根據(jù)擬合頻率結(jié)果計(jì)算對(duì)應(yīng)壓力大小，發(fā)現(xiàn)存在較大的誤差，如圖14所示，誤差最大達(dá)到了14.95%FS，可以看出該傳感器精度指標(biāo)還有待提高。

圖14 啞鈴狀傳感器誤差曲線

2017年代爾夫特理工大學(xué)的Vollebregt等[42]研制的間隙可調(diào)壓膜式壓力傳感器實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖15所示。

圖15 間隙可調(diào)傳感器輸出響應(yīng)曲線

石墨烯距離基底間隙為100 nm的壓力傳感器在10～100 mbar范圍內(nèi)線性度較好，從傳感器響應(yīng)曲線中讀出數(shù)據(jù)，并進(jìn)行線性擬合，得到結(jié)果如圖16所示。

圖16 間隙可調(diào)傳感器線性擬合曲線

計(jì)算得非線性誤差為0.78%FS，線性度99.22%。根據(jù)以上擬合結(jié)果，計(jì)算得到傳感器誤差，如圖17所示，傳感器最大誤差(精度)約為7.19%FS。

圖17 間隙可調(diào)結(jié)構(gòu)傳感器誤差曲線

通過(guò)對(duì)兩種GRPS進(jìn)行精度指標(biāo)估計(jì)，可以看出兩種傳感器在線性度和誤差方面的表現(xiàn)遠(yuǎn)不如SRPS，研究人員還需進(jìn)一步對(duì)傳感器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以得到更好的傳感器性能指標(biāo)。

3.3 GRPS重要性能指標(biāo)對(duì)比

將近年的GRPS實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如表3所示。

表3 GRPS重要性能指標(biāo)對(duì)比

由表3可以看出，典型的GRPS靈敏度比傳統(tǒng)SRPS高1～2個(gè)數(shù)量級(jí)，但由于氣體阻尼等原因，靈敏度會(huì)隨壓力提高而下降，預(yù)示著此類傳感器更適用于微壓測(cè)量。不足之處是其在室溫下Q值很低，在低溫下可以得到較高的Q值，但溫度對(duì)傳感器Q值影響的機(jī)理尚未有定論。

4 GRPS存在的問(wèn)題及解決路線

石墨烯由于其只有單原子厚度，且強(qiáng)度高，是微小量測(cè)量的理想材料，但因其過(guò)于微觀，導(dǎo)致在傳感器領(lǐng)域的應(yīng)用過(guò)程中存在許多難點(diǎn)，研究人員尚未研究清楚石墨烯的微觀特性，傳感器仿真結(jié)果和理論分析結(jié)果往往與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)差距較大，一般將其歸因于石墨烯產(chǎn)生缺陷和混入雜質(zhì)等。石墨烯在壓力傳感器應(yīng)用上主要存在以下技術(shù)難點(diǎn)：

① 在石墨烯制備方面，目前商用石墨烯大面積制備方法一般采用的是CVD法[48]，這種制備方法能夠?qū)崿F(xiàn)量產(chǎn)，但會(huì)存在諸多缺陷，如石墨烯局部堆疊、褶皺、針孔和晶體缺陷(五元環(huán)、七元環(huán)或缺環(huán))等[49]。

② 石墨烯轉(zhuǎn)移方面，GRPS在制作過(guò)程中往往需要把石墨烯從一個(gè)基底轉(zhuǎn)移到另一個(gè)基底，過(guò)程中容易引入灰塵或其他雜質(zhì)；同時(shí)，轉(zhuǎn)移過(guò)程需要用到多種溶液和進(jìn)行多個(gè)操作步驟，每個(gè)步驟中由于液體表面張力的影響和人工操作的不定性常常會(huì)導(dǎo)致薄膜破裂；轉(zhuǎn)移之后的干燥過(guò)程也可能由于液體表面張力作用導(dǎo)致石墨烯薄膜破裂[50]。

③ 傳感器整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，GRPS核心敏感結(jié)構(gòu)有諧振膜式和諧振梁式，但整體結(jié)構(gòu)可以多樣化，目前還少有創(chuàng)新的傳感器結(jié)構(gòu)，傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面也需要深入研究。

針對(duì)以上技術(shù)問(wèn)題，提出解決路線如圖18所示。首先，分析GRPS性能指標(biāo)不佳的原因，然后針對(duì)性地制定傳感器優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，接著進(jìn)行軟件仿真分析驗(yàn)證優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果，如有效，則繼續(xù)開展下一步傳感器制備工作。最后，搭建合適的傳感器激勵(lì)檢測(cè)平臺(tái)測(cè)試傳感器性能，評(píng)價(jià)傳感器性能指標(biāo)。如性能指標(biāo)沒(méi)有得到明顯提升，則重復(fù)以上過(guò)程，直至得到性能優(yōu)良的傳感器產(chǎn)品。

圖18 解決路線圖

5 結(jié)論與展望

本文通過(guò)調(diào)研傳感器性能指標(biāo)得到傳感器性能評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)依據(jù)，總結(jié)了SRPS和GRPS近年的研究成果情況，發(fā)現(xiàn)SRPS在國(guó)內(nèi)經(jīng)過(guò)20多年的發(fā)展，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)已接近國(guó)際先進(jìn)水平，但目前還少有成熟的商用傳感器問(wèn)世。GRPS的相關(guān)研究近年剛興起，還很不成熟，從制備到檢測(cè)各個(gè)方面都有很大的提升空間，離商用化還有一定距離。對(duì)于GRPS，未來(lái)主要需要解決的是石墨烯品質(zhì)問(wèn)題、制造工藝問(wèn)題、傳感器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題以及如何提高傳感器Q值，需要眾多科研人員共同探索，深入分析GRPS破損及能量耗散機(jī)理，指導(dǎo)傳感器制造。