近年来，随着微纳制造技术和二维材料研究的飞速发展，传感器技术正迎来一场静悄悄的革命。在各类新兴材料中，石墨烯凭借其超凡的力学、电学和热学性能，成为高性能谐振式传感器的理想材料之一。尤其引人注目的是，基于石墨烯的谐振式力学传感器，不仅在灵敏度、尺寸和环境适应性方面表现出巨大潜力，更在压力、加速度、质量检测等多个领域展现出替代传统硅基传感器的可能。
一、为何选择石墨烯？
石墨烯是由单层碳原子以蜂窝状排列构成的二维材料，厚度仅0.335纳米，是目前已知最薄的材料。其力学性能极其优异：拉伸强度高达130 GPa，弹性模量约为1 TPa，断裂强度是同等厚度钢的100倍。这些特性使得石墨烯非常适合于构建高频、高灵敏度的微机械谐振器。
此外，石墨烯还具有超高的载流子迁移率（室温下超15000 cm²/(V·s)）和优异的热传导性能（热导率约5300 W/(m·K)），使其在传感、射频器件和光电应用中同样表现突出。
图1：多层石墨烯结构示意图
二、谐振式传感器的工作原理
谐振式传感器是一类直接将物理量（如压力、加速度、质量）转换为频率信号输出的传感器。其核心是一个机械谐振器，当外界物理量发生变化时，谐振器的固有频率会发生偏移，通过检测该频率变化即可反推出被测量的大小。
与传统振幅型传感器相比，谐振式传感器具有数字信号输出、高稳定性、低功耗和高分辨率等优势，尤其适合高精度测量场合。
三、石墨烯谐振器的制备与挑战
尽管石墨烯在理论上极具潜力，但其实际应用仍面临诸多挑战，首当其冲的就是高质量石墨烯的制备与无损转移。
目前石墨烯的制备方法主要分为两大类：
- 自上而下法：如机械剥离法、液相剥离法、氧化还原法等；
- 自下而上法：如化学气相沉积（CVD）、SiC外延生长、有机合成法等。
其中，CVD法因可控制备大面积、层数均匀的石墨烯薄膜而备受青睐。
石墨烯转移技术：
- PMMA辅助转移法：是目前最常用的方法，但残留的PMMA会影响石墨烯性能；
- PDMS压印法：可避免聚合物残留，但工艺复杂、成本高；
- 卷对卷转移法：适用于大面积柔性基底，但仍易出现裂纹。
如何实现洁净、平整、无损伤的石墨烯转移，是构建高性能谐振器的关键前提。
四、石墨烯谐振式压力传感器：从微压到高压的灵敏探测
石墨烯谐振式压力传感器利用其薄膜在气压作用下的频率变化实现压力感知。这类传感器尤其擅长微压测量，在航空航天、医疗器械等领域有广阔前景。
例如，荷兰代尔夫特大学的研究团队设计了一种“哑铃型”空腔结构，石墨烯膜覆盖一端，通过气孔与外界压力平衡，实现高灵敏度检测。其灵敏度在低压环境下可达90000 Hz/kPa，远高于传统MEMS传感器。
北京航空航天大学Li课题组则通过光纤F-P干涉腔结构，将石墨烯与光学检测结合，实现了灵敏度高达110 kHz/kPa的压力传感器，是目前报道中的最高值。
图2：石墨烯压力传感器结构示意图（图2）
五、石墨烯谐振式加速度计：面向高g值测量
石墨烯的高频振动特性使其也非常适合用于高加速度值的测量。韩国国立交通大学通过分子动力学仿真发现，石墨烯纳米带在加速度作用下频率响应呈良好线性关系，尤其适用于极端环境下的加速度传感。
美国哥伦比亚大学团队则设计了一种“鼓形”石墨烯加速度计，通过在膜上附加SU-8胶块增强惯性响应，其电流响应比传统电容式高出6个数量级。
图3：加速度计结构与频率–加速度关系曲线
六、石墨烯谐振式质量传感器：探测zeptogram级别的质量
石墨烯谐振器最引人注目的应用之一就是质量传感器。由于其极轻的质量和高频振动特性，使其能够检测到10⁻²⁴克（zeptogram） 级别的质量变化，可用于单原子、气体分子或病毒颗粒的检测。
日本北陆先端科学技术大学院大学的研究团队成功用石墨烯谐振器检测氩氦混合气体，实现了10⁻²¹克级别的质量分辨力。此外，多项理论研究指出，通过优化边界条件（如四边固支）、层数控制和非线性振动模式，还可进一步提升灵敏度。
图4：质量传感器的结构设计与性能表征
七、技术瓶颈与未来方向
尽管石墨烯谐振式传感器表现出了卓越的性能，但目前大多数研究仍处于实验室阶段，要实现产业化还面临三大挑战：
- 材料制备与转移：仍需解决石墨烯大面积、均匀、无缺陷生长与转移的问题；
- 器件结构设计：需突破传统谐振结构，结合石墨烯特性开展创新设计；
- 激励与检测方式：电学方式易受干扰，光学系统则难以集成，亟需开发新型激振/拾振技术。
八、结语
石墨烯谐振式传感器代表了一种材料、物理与微纳技术深度融合的前沿方向。其在压力、加速度、质量等力学量检测方面所展现出的性能，已经远远超出传统材料所能达到的极限。尽管目前仍有多项技术难题有待攻克，但随着制备工艺的进步和结构设计的创新，石墨烯谐振传感器有望在航空航天、生物检测、环境监测等领域发挥重要作用。
文献信息
石墨烯谐振式力学量传感器研究进展[J]. 物理学报, 2022, 71(12): 126801.
DOI: 10.7498/aps.71.20220215
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