悬浮型石墨烯压力传感器仿真研究

摘要

石墨烯薄膜具有高强度、2D属性、高的电子迁移率、对气体具有不可穿透性、零带隙且受到一定压力时带隙会打开等一系列的优点，可作为微型压力传感器的敏感材料。与传统的Si薄膜作为敏感材料的悬浮型微型压力传感器相比，用石墨烯来作为敏感材料的传感器，其性能更加优异，具有高灵敏、大量程、纳米级的特点。但目前只报道了石墨烯压力传感器的基本结构，相关实验还发现传感器性能不稳定的情况。因此通过改进悬浮型石墨烯压力传感器的结构来提高器件性能是解决石墨烯传感器应用问题的关键。
　　本文首先运用半导体物理电阻率相关知识分析石墨烯的压阻特性，研究应变、带隙、载流子密度及迁移率对石墨烯电阻率的影响，并结合紧束缚模型和哈密顿算符解释石墨烯带隙的打开，利用线性玻尔兹曼方程的准确解法来研究石墨烯中载流子迁移率与能带的关系。综合这些因素的影响发现石墨烯的电阻是随着压力的增大而增大的。再利用有限元仿真软件针对现有的两种压阻式传感器结构，变换一般型和高灵敏型的结构参数，对比优化传感器性能。仿真结果显示一般型传感器中圆形空腔的灵敏度最高，且面积越大灵敏度就越高，而高灵敏型传感器中上项板与圆柱支腿的接触面积比越大灵敏度就越高。针对压阻式传感器稳定性差的情况，从减少影响因素出发设计出电容式压力传感器，并改变结构参数研究其变化对传感器性能的影响，仿真后发现在设计此类传感器时减小电容极板间距和增大极板正对面积将有利于提高传感器性能。
　　以上结果显示，通过有限元仿真方法设计并优化了性能优异的悬浮型石墨烯压力传感器，本文利用仿真手段所得的石墨烯压力传感器结构对实验具有一定参考意义的。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景

1．2 国内外现状及关键问题分析

1．2．1 悬浮型石墨烯压力传感器的提出

1．2．2 悬浮型石墨烯传感器的发展

1．2．3 关键问题分析

1．3 论文研究内容

2 石墨烯薄膜压阻特性研究

2．1 引言

2．2 石墨烯薄膜压力敏感特性的研究

2．2．1 有限元仿真研究

2．2．2 基于薄膜的大扰度理论模型

2．3 压力对石墨烯带隙的影响

2．4 压力对石墨烯中载流子迁移率的影响

2．5 小结

3 压阻式悬浮型石墨烯压力传感器的性能仿真

3．1 引言

3．2 一般结构传感器的性能仿真研究

3．3 高灵敏型传感器的性能仿真研究

3．4 小结

4 电容式悬浮型石墨烯压力传感器的设计及仿真研究

4．1 引言

4．2 一般型的设计及仿真研究

4．3 高灵敏型的设计及仿真研究

4．4 小结

结论

参考文献

致谢