基于悬浮式H型石墨烯的纳机电加速度计设计

摘要

石墨烯因超薄的薄膜厚度和优异的电学、机械性能成为纳机电系统领域膜材料的理想选择，在传感领域有极大的应用潜力。现有的二维材料纳机电加速度传感器尽管表现出小体积优势，但器件灵敏度亟需提升。提出了基于悬浮式H型石墨烯-质量块的纳机电加速度谐振器结构，探究了H型石墨烯的特性。仿真了H型石墨烯薄膜尺寸、质量块尺寸对谐振频率的影响，确定了石墨烯谐振器的尺寸。通过梁与质量块交界处的传感动力学分析，解释了谐振器灵敏度提升与应力分布的关联机制。最终，传感器位移灵敏度达到47.30 nm/nN，与体积相同的传统悬浮式石墨烯加速度计相比，不增加质量块尺寸，灵敏度可提高3.76倍，品质因数可提升2.46倍。该设计为加速度计、陀螺仪、位移传感等低成本、高灵敏度、超小型化纳米机械传感器的性能改进提供参考。

关键词

悬浮石墨烯 / 力学特性 / 有限元法 / 高灵敏加速度计 / 纳机电系统

基金资助

国家重点研发计划资助项目（2022YFB3203400）; 国家自然科学基金资助项目（U21A20141,62273314,51821003）