謝長征, 王俊強,3, 李孟委,3

(1.中北大學(xué) 儀器與電子學(xué)院,山西 太原 030051； 2.中北大學(xué) 前沿交叉科學(xué)研究院,山西 太原 030051； 3.中北大學(xué)南通智能光機電研究院,江蘇 南通 226000)

0 引 言

自2004年石墨烯被Novoselov K S等人[1]首次成功制備以來,石墨烯便因其優(yōu)異的力學(xué)性能和電學(xué)性能而受到廣泛的關(guān)注。石墨烯具有0.335 nm[2]的單原子層厚度、已知材料中最高的楊氏模量(1 TPa)[3]和高達42 N/m的斷裂強度[2]。石墨烯可承受的最大拉伸應(yīng)變可達20 %[4]。同時,石墨烯還具有極高的電子遷移率,懸浮石墨烯的電子遷移率為20 000 cm2·V-1·S-1[5]。正是由于這些優(yōu)異的特性,使得石墨烯成為微納機電系統(tǒng)(micro-/nano electro-mechanical system,M/NEMS)中極具應(yīng)用前景的材料,是微納機械傳感器的極佳材料。M/NEMS壓力傳感器是微機電系統(tǒng)傳感器中應(yīng)用最廣泛的薄膜機械傳感器,而敏感膜片的厚度對壓力傳感器的靈敏度起著重要作用,但是目前商用的薄膜壓力傳感器的敏感膜片具有至少幾百納米的厚度,限制了壓力傳感器靈敏度的提高。因此石墨烯作為敏感薄膜來替代其他薄膜,能夠極大地提高傳感器的靈敏度,縮小尺寸,推進N/MEMS壓力傳感器在壓力測量包括低壓測量領(lǐng)域的發(fā)展。

經(jīng)前期研究發(fā)現(xiàn),石墨烯具有由機械應(yīng)變改變電子帶隙而誘發(fā)的壓阻效應(yīng)[6]，并在近年來研制出了一些基于石墨烯壓阻效應(yīng)的壓力傳感器。比如,Smith A D等人[7]將CVD石墨烯懸浮在刻蝕生長在硅襯底上的SiO2層形成的空腔上制出了第一個直接電信號讀出的懸浮石墨烯壓阻式壓力傳感器,單位面積靈敏度比傳統(tǒng)壓阻式壓力傳感器高出約20～100倍,并證明了壓阻效應(yīng)獨立于晶體取向。Zhu S E等人[8]將蜿蜒圖案石墨烯安置在硅襯底上的懸浮氮化硅膜上研制出了一款新結(jié)構(gòu)的壓阻式壓力傳感器。盡管石墨烯壓力傳感器的研制已經(jīng)取得了比較大的成功,但仍然存在著一些問題,如懸浮石墨烯易發(fā)生破損和氣體泄漏,裸露石墨烯易吸附雜質(zhì)而影響器件電學(xué)性能[9],同時裸露石墨烯也容易受濕度的影響[10]。因此研究石墨烯壓力傳感器結(jié)構(gòu)模型和壓力敏感特性,開發(fā)出新型的具有高可靠性的石墨烯傳感器結(jié)構(gòu),優(yōu)化傳感器的靈敏度,以滿足復(fù)雜環(huán)境中的壓力測量需求,在石墨烯壓力傳感器的理論和實際應(yīng)用層面都具有重要意義。

本文提出了一種新型的石墨烯壓力傳感器結(jié)構(gòu),并通過Comsol有限元仿真研究傳感器敏感膜片的壓力敏感特性,設(shè)計了一種倒裝結(jié)構(gòu)石墨烯壓阻式壓力傳感器芯片。

1 石墨烯壓力傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計及其工作原理

1.1 石墨烯壓力傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計

針對傳統(tǒng)石墨烯壓力傳感器懸浮石墨烯易破損漏氣以及裸露石墨烯易受環(huán)境因素影響的問題,本文提出了一種基于金屬鍵合的倒裝結(jié)構(gòu)石墨烯壓力傳感器,其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 石墨烯壓力傳感器結(jié)構(gòu)示意

倒裝結(jié)構(gòu)石墨烯壓力傳感器主要由頂部芯片與底部基板兩部分構(gòu)成。頂部芯片結(jié)構(gòu)主要包括硅襯底、氮化硅傳壓膜、BN/石墨烯/BN壓敏膜、互連電極與密封環(huán)。硅襯底上生長氮化硅并利用MEMS加工工藝在硅襯底中心制備出氮化硅傳壓膜,金屬電極布置在氮化硅傳壓膜的兩側(cè),金屬密封環(huán)布置在電極外周并將電極、敏感膜片包圍。BN/石墨烯/BN布置在氮化硅傳壓膜上方,略大于氮化硅傳壓膜,其中石墨烯比底層氮化硼略寬并與兩側(cè)電極相連,頂層氮化硼將石墨烯完全覆蓋。采用氮化硼作為石墨烯的襯底能夠提高石墨烯的電子遷移率,而頂層氮化硼則能夠給石墨烯提供初步的保護[11]。底部基板結(jié)構(gòu)主要包括硅襯底、SiO2絕緣層、SiNx絕緣層、淺槽、電極和密封環(huán)。芯片與基板在氮氣環(huán)境下通過金屬鍵合的方式將密封環(huán)以及電極相連,由于密封環(huán)的鍵合,芯片與基板之間形成了一個無氧密封腔,石墨烯與外界完全隔離,對石墨烯形成了二次保護。

1.2 石墨烯壓力傳感器的工作原理

石墨烯壓力傳感器芯片與基板之間形成一個存在具有參考氣壓的密封腔,當密封腔內(nèi)的氣壓與外界氣壓不平衡時,便會形成壓力差導(dǎo)致氮化硅傳壓膜和BN/石墨烯/BN敏感膜發(fā)生形變,產(chǎn)生應(yīng)變,由于石墨烯的壓阻效應(yīng),石墨烯的電阻會發(fā)生變化,通過金屬電極將電阻信號傳遞到惠斯通電橋當中,使惠斯通電橋打破平衡,輸出電壓信號,通過檢測電壓并通過計算即可檢測出壓力的大小?；菟雇姌蛉鐖D2所示。其中R1、R3為可變電阻,用于調(diào)節(jié)電橋平衡,R2、R4石墨烯壓力傳感器,Vi為電橋供電電壓,Vo為電壓輸出信號。

圖2 惠斯通電橋

2 傳感器敏感膜片壓力敏感特性有限元建模與仿真

2.1 模型建立與參數(shù)設(shè)定

針對倒裝結(jié)構(gòu)石墨烯壓力傳感器幾何結(jié)構(gòu)考慮,建立Comsol有限元仿真模型,指導(dǎo)氮化硅彈性膜片結(jié)構(gòu)設(shè)計,以最大限度地提高石墨烯的應(yīng)變,從而提高傳感器的靈敏度。在倒裝結(jié)構(gòu)石墨烯壓力傳感器當中,敏感膜片為氮化硅彈性膜片和BN/石墨烯/BN敏感膜片,且受力發(fā)生形變起主導(dǎo)作用的是氮化硅彈性膜片,因此,在力學(xué)建模與仿真時,可以將模型簡化為氮化硅彈性膜片進行研究。設(shè)計壓敏膜片兩個重要的參數(shù)便是薄膜的最大應(yīng)力與應(yīng)變,應(yīng)變越大靈敏度越高,但最大應(yīng)力不應(yīng)超過氮化硅的許用應(yīng)力。本次設(shè)計擬在100 kPa量程下通過仿真優(yōu)化得到最大應(yīng)變與最高靈敏度。根據(jù)文獻[8,12],取氮化硅的彈性模量為200 GPa,泊松比為0.22,初始預(yù)應(yīng)力為50 MPa。建模時,選擇三維模塊的膜接口,將氮化硅彈性膜片四周施加固定約束,考慮氮化硅彈性膜片變形時的幾何非線性并選擇超細化網(wǎng)格以提高仿真結(jié)果的準確性。

2.2 不同形狀敏感膜片的壓力敏感特性仿真

在相同尺寸相同壓力下,不同形狀的氮化硅彈性膜片會有不同的壓力敏感特性,對此,本文對常見的矩形、方形、圓形三種形狀的氮化硅彈性膜片進行了靜力學(xué)仿真,研究矩形、方形、圓形三種薄膜在相同壓力和相同面積尺寸下的應(yīng)力應(yīng)變情況。選擇氮化硅厚度為200 nm,相同面積尺寸下,矩形尺寸為100 μm×225 μm,方形邊長為150 μm,圓形半徑為84.6 μm。

2.2.1 矩形敏感膜片壓力敏感特性仿真

在100 kPa的壓力下,矩形敏感膜片的有限元仿真結(jié)果如圖3所示。由應(yīng)力云圖和應(yīng)變云圖可知矩形薄膜的最大應(yīng)力和最大應(yīng)變均出現(xiàn)在矩形長邊的中心處,最大應(yīng)力為311 MPa,最大應(yīng)變?yōu)?.124 %。

圖3 矩形敏感膜片有限元仿真結(jié)果

2.2.2 方形敏感膜片壓力敏感特性仿真

在100 kPa的壓力下,方形敏感膜片的有限元仿真結(jié)果如圖4所示。由應(yīng)力云圖和應(yīng)變云圖可知方形薄膜的最大應(yīng)力和最大應(yīng)變均出現(xiàn)在方形四邊的中心處,最大應(yīng)力為342 MPa,最大應(yīng)變?yōu)?.139 %。

圖4 方形敏感膜片有限元仿真結(jié)果

2.2.3 圓形敏感膜片壓力敏感特性仿真

在100 kPa的壓力下,圓形敏感膜片的有限元仿真結(jié)果如圖5所示。由應(yīng)力云圖和應(yīng)變云圖可知圓形薄膜的最大應(yīng)力和最大應(yīng)變均出現(xiàn)在圓心處,最大應(yīng)力為314 MPa,最大應(yīng)變?yōu)?.103 %。

圖5 圓形敏感膜片有限元仿真結(jié)果

2.2.4 不同形狀的壓力敏感膜片仿真結(jié)果對比

在不同形狀的敏感膜片上施加范圍為0～100 kPa,步長為5 kPa的壓力,敏感膜片最大應(yīng)力和最大應(yīng)變的有限元仿真結(jié)果如圖6所示。由圖可知,在相同面積尺寸的情況下,方形薄膜的最大應(yīng)力略高于矩形和圓形敏感膜片,最大應(yīng)變是三種薄膜中最大的,矩形薄膜的應(yīng)力與圓形相近,最大應(yīng)變低于方形,圓形敏感膜片的應(yīng)變最小。由此可見在相同面積尺寸下不同形狀的敏感膜片最大應(yīng)力相近,方形薄膜的最大應(yīng)變最高,即靈敏度是最高的,而且方形氮化硅敏感膜片在工藝制作方面易于實現(xiàn),因此本文壓力傳感器敏感膜片采用方形。

圖6 不同形狀敏感膜片有限元仿真結(jié)果

2.3 不同尺寸敏感薄膜的壓力敏感特性比較

在相同敏感膜片形狀的情況下,傳感器的靈敏度主要由敏感膜片的尺寸決定,因此需對不同尺寸方形敏感薄膜的壓力敏感特性進行研究。

2.3.1 不同邊長敏感膜片壓力敏感特性仿真

在不同邊長厚度200 nm的敏感膜片上施加范圍為0～100 kPa,步長為5 kPa的壓力,敏感膜片最大應(yīng)力和最大應(yīng)變的有限元仿真結(jié)果如圖7所示。由圖可知,敏感膜片的最大應(yīng)力與最大應(yīng)變均和敏感膜片的邊長呈正相關(guān),且隨著邊長的逐漸增大,邊長對敏感膜片的最大應(yīng)力和最大應(yīng)變得影響減弱?？梢娒舾心て倪呴L越大,傳感器的靈敏度越高?？紤]到當敏感膜片邊長超過300 μm時,增大邊長對提高靈敏度的效率不高,因此本文選擇300 μm的方形敏感膜片。

圖7 不同邊長方形敏感膜片有限元仿真結(jié)果

2.3.2 不同厚度敏感膜片壓力敏感特性仿真

在不同厚度邊長300 μm的敏感膜片上施加范圍為0～100 kPa,步長為5 kPa的壓力,敏感膜片最大應(yīng)力和最大應(yīng)變的有限元仿真結(jié)果如圖8所示。

圖8 不同厚度方形敏感膜片有限元仿真結(jié)果

由圖8可知,敏感膜片的最大應(yīng)力與最大應(yīng)變均和敏感膜片的厚度呈負相關(guān),且隨著厚度的逐漸減小,厚度對敏感膜片的最大應(yīng)力和最大應(yīng)變得影響增強?？梢娒舾心て暮穸仍叫?傳感器的靈敏度越高。根據(jù)文獻可知,氮化硅薄膜的彎曲強度為(6.2±1.3)GPa[13],出于對工藝加工過程以及傳感器工作環(huán)境的考慮,取1 GPa作為氮化硅膜的最大許用應(yīng)力,當敏感膜片厚度為80 nm時,薄膜的最大應(yīng)力為988 MPa,最大應(yīng)變?yōu)?.444 %,因此本文選擇邊長為300 μm,厚度為80 nm的方形敏感膜片。

3 結(jié) 論

本文設(shè)計了一種倒裝結(jié)構(gòu)的石墨烯壓力傳感器,并對其壓力敏感膜片的壓力敏感特性進行了仿真研究。結(jié)果表明,相同面積尺寸下,不同形狀的敏感膜片最大應(yīng)力相近,方形敏感膜片的應(yīng)變最大。同為方形敏感膜片時,邊長越長應(yīng)變越大,但是隨著邊長的增加,對應(yīng)變的影響越來越??；厚度越小應(yīng)變越大,且隨著厚度的逐漸減小,對應(yīng)變的影響越大。在0～100 kPa的壓力量程下,最終設(shè)計了最優(yōu)敏感膜片為邊長300厚度80 nm的方形敏感膜片,應(yīng)變?yōu)?.444%。倒裝結(jié)構(gòu)石墨烯壓力傳感器的設(shè)計與仿真為高可靠性高靈敏的石墨烯壓力傳感器開發(fā)提供了理論基礎(chǔ)。