北航《Adv Sic》：超灵敏双谐振器石墨烯压力传感器，具有温度自补偿功能，用于航空航天、汽车制造

硅谐振器传感器因其结构尺寸限制，在检测微小压力变化方面存在局限性。石墨烯纳米机械谐振器凭借其超薄厚度和卓越的机械性能，为突破这一限制提供了可能。本文，北京航空航天大学李成 副教授、樊尚春 教授、香港理工大学靳伟教授等在《ADVANCED SCIENCE》期刊发表名为“Ultra-Sensitive Dual-Resonator Graphene Pressure Sensor with Temperature Self-Compensation”的论文，研究报道了一种具有集成温度自补偿功能的高灵敏度石墨烯纳米机械压力传感器。

该传感器由两个真空阳极键合的石墨烯谐振器组成：一个对压力和温度敏感，另一个仅对温度敏感，通过检测谐振频率差异实现热效应抵消。在0.001至500 kPa压力范围内，该传感器实现24.1 kHz kPa⁻¹的灵敏度，较现有硅压力传感器提升68倍。经三次正反向压力循环测试，满量程（FS）滞回误差仅0.31%，重复性达0.75%。在-40至120℃温度范围及0.001至500kPa压力范围内，最大压力误差为6.51kPa，精度达1.302% FS。该器件卓越的性能使其在航空航天、汽车制造、医疗健康等领域以及其他需要高灵敏度压力测量的行业具有广阔应用前景。

图1、The graphene resonant pressure sensor. a) Schematic of the pressure sensor. p is the external pressure; t_s is the thickness of the silicon diaphragm; R_s and R_g are the radius of the silicon diaphragm and graphene membrane, respectively. b) Photograph of a fabricated sensor. The image of a quarter dollar is included to show the size of the sensor. c) SEM image of the PSG resonator. SiO₂ is deposited on top of graphene near the edge of the circular pit to enhance the van der Waals interaction at the graphene-substrate interface. d) SEM image of the TCG resonator. The minor image differences primarily originate from the supporting layers and routine transfer/imaging conditions, both resonators use the same material stack and edge-clamping structure. e) AFM characterization and height profile of the PSG resonator. f) AFM characterization and height profile of the TCG resonator. g) Air channels with a width of ≈1 µm etched at the edges of circular pits above the silicon diaphragm/substrate. h) Raman spectra of the PSG and TCG resonators.

综上所述，作者成功研制出一种具有集成温度自补偿功能的高灵敏度石墨烯纳米机械共振压力传感器。该传感器将薄硅膜上的压力敏感石墨烯谐振器与厚硅膜上的温度补偿石墨烯谐振器共同封装于真空阳极键合腔体内，通过计算两者共振频率差值消除温度依赖性。真空封装与SiO₂边缘沉积共同抑制环境扰动，确保频率基准稳定性。在0.001至500 kPa量程内实现24.1 kHz kPa⁻¹的灵敏度，较现有硅谐振压力传感器提升68倍。全量程滞回误差为0.31%，经三次双向压力扫描验证重复性达0.75%。在-40至120℃及0.001至500kPa测试范围内，最大压力误差为6.51kPa（相当于1.302%满量程精度），4800秒时间漂移为0.014%，30天漂移为0.160%。此外，当该传感器搭载于无人机时，其气压测高功能展现出优于±1米的高度精度，充分验证了差分石墨烯谐振器在紧凑型高灵敏度压力计量领域的应用价值。

文献：https://doi.org/10.1002/advs.202517536