北京交大邓涛&清华大学田禾等：受蜘蛛纤毛启发的单片集成式石墨烯全向振动传感芯片

Sensilla Trichoidea‑Inspired, High‑Temperature, and Omnidirectional Vibration Perception Based on Monolayer Graphene

Yuning Li, Danke Chen, Xiaoqiu Tang, Peizhi Yu, Jingye Sun, Xue Li, Qing You, Mingqiang Zhu, Chang Gao, Linan Li, He Tian*, Tao Deng*

Nano-Micro Letters (2026)18: 190

https://doi.org/10.1007/s40820-025-02029-z

本文亮点

1. 仿生微机电系统振动感知：通过受控应力驱动的自组装技术，实现了基于单层石墨烯的三维半圆形仿生“纤毛”结构振动传感阵列的单片集成。
2. 高性能：3D振动传感器阵列在动态载荷下实现实时、高性能(87.95 pC g⁻¹)和宽量程(1 Hz–10 kHz，0–1120 g)的振动监测，同时实现全方向振动信号采集与解耦。
3. 耐高温：仅需20 nm厚的Si₃N₄防护层，即可在高达800 °C的超高温下实现稳定的振动响应。

研究背景

振动感知作为现代测量和监测技术的重要组成部分，在设备状态评估、结构健康监测、动力学研究以及工业优化设计等领域发挥关键作用。单层石墨烯因其原子层厚度、卓越的机械性能和出色的电导率，成为微/纳米机电系统(MEMS/NEMS)无可比拟的候选材料。但石墨烯固有的中心对称性从根本上限制了其在压电应用中的潜力。挠曲电效应是指由应变梯度引起的极化现象，是一种微/纳米尺度的力-电耦合效应，它绕过了对称性约束和居里温度限制，为开发基于纳米材料的先进功能器件开辟了新路径。值得注意的是，随着特征尺寸的减小，挠曲电效应的增强更加显著，使得单层石墨烯能够实现高效的机电转换。在先前的研究中，实现挠曲电效应或二维(2D)压电效应需要复杂的技术，如石墨烯功能化、独特结构设计及悬浮技术。尽管悬浮的单层石墨烯表现出非凡的抗形变能力，但不可避免地会引起滑移、弯曲失稳和断裂失效，从而严重影响制造良率。此外，在动态微观载荷下产生可测量的电参数变化仍然具有挑战性。总而言之，如何系统性地解决振动传感器在微型化、低功耗、高集成度、强抗过载能力及极端环境适应性等方面的核心科学难题，是该领域未来研究的关键。

内容简介

随着传感器技术、人工智能与物联网的深度融合，智能振动监测系统正经历变革性发展，这对传感器的微型化、低功耗、高集成度及环境适应性提出了严苛要求。石墨烯凭借其卓越的物理化学属性，在微纳机电系统(M/NEMS)领域展现出巨大应用潜力，但其固有的中心对称结构限制了在压电器件中的应用。受蜘蛛纤毛启发，北京交通大学邓涛，清华大学田禾等人基于应力诱导自组装技术制备出具有优异性能与耐高温特性的三维(3D)纤毛状单层石墨烯全向振动传感器(CGVT)。进一步通过一维卷积神经网络(1DCNN)全向解耦算法对三维振动矢量解码，实现振动方向的精准识别。三维仿生振动感知系统通过金线键合工艺将蜘蛛网结构引入仿生纤毛结构MEMS芯片，复现了蜘蛛通过振动实现目标识别与分类的生物物理机制。尤为关键的是，这些器件采用硅基半导体工艺与MEMS制备技术制造，使单体尺寸较传统器件显著缩小。

图文导读

I 仿生微机电系统振动感知：通过受控应力驱动的自组装技术，实现基于单层石墨烯的三维半圆形仿生“纤毛”结构振动传感阵列的单片集成

在自然界中，蜘蛛的振动感知机制涉及外部机械刺激引起纤毛弯曲。本研究提出的应力层自组装技术将平面二维石墨烯场效应晶体管转化为3D半圆形仿生“纤毛”结构，打破了石墨烯晶体的结构对称性，实现了新型机电耦合。所得到的3D CGVT阵列具有可调曲率半径和刚度，能够进行全向振动检测。单层石墨烯在3D仿生结构上的应力分布显示为固定端附近应力最大，自由端附近应力最小，并沿周向观测到显著变化。这揭示了CGVT中与传统场效应晶体管不同的横向电极设计，即电极位置设置在应力最大和最小处，以捕获更多的极化电荷并优化响应。在振动作用下，类纤毛仿生结构的相反压缩/拉伸产生方向依赖的应变异质性，这一点通过有限元模拟得到确认。为确保高温稳定性，本研究集成了超薄氮化硅纳米(Si₃N₄)防护层，将石墨烯与外部环境如氧气和水分子隔离，保护其免受氧化降解。

图1. 三维自支撑纤毛状单层石墨烯全向振动传感器设计与概念图。

如图2所示，单个CGVT的尺寸约为0.373 mm × 0.3 mm，集成的一体式花瓣状CGVT阵列的尺寸约为4 mm × 4 mm。整个阵列由三个同心圆组成，每个圆包含八个相同的器件。从最内侧到最外侧，这些器件的弧长分别为75、100和125 μm。通过使用不同的器件尺寸，可以实现不同的振动检测范围，从而提高整体检测限度。CGVT顶视光学显微镜图像显示弯曲结构形状良好，并在静止状态下呈自支撑状态。由于氮化硅层与单层石墨烯的透明性，CGVT内部横向电极清晰可见。单层石墨烯的G和2D两个特征峰在保护工艺和应力诱导的自组装工艺之后仍然显著存在。

图2. 单片集成的花瓣状CGVT阵列的测量与表征。

II 高性能：3D振动传感器阵列在动态载荷下实现实时、高性能和宽量程的振动监测

为了系统地评估CGVTs的振动响应，对CGVT阵列进行金线键合和封装。通过标准振动激励源施加加速度，并使用校准过的传感器获取参考测量数据。器件在不同加速度、不同频率振动激发下的瞬态输出源漏电流如图3所示。没有振动激励时，获取的电流信号呈现无序噪声模式，施加振动激励后，CGVT产生了显著的响应电流信号。响应电流表现出与振动源一致的典型的正弦变化，并且加速度与响应电流信号幅值之间存在近似线性的正相关关系。使用比较法测量，器件的最大电荷灵敏度可达87.95 pC g⁻¹。CGVT在超高加速度单脉冲振动激励下(冲击系统)的瞬态电流响应同样呈现与加速度值的正相关关系，显示出高达1120 g的加速度测试量程。通过对CGVT进行1 Hz到10 kHz不同频率的振动测试，探索其频率测量范围。高频信号通过快速傅里叶变换(FFT)从时域转换到频域，便于对其频谱成分进行更全面的分析。结果表明，响应电流频谱图的峰值频率与振动工作频率对应，器件在1 Hz–10 kHz范围内具有良好的工作能力。上述测试结果揭示了CGVT相较于其他压电材料的显著优势，这归因于其微型化设计和石墨烯的优异载流子迁移率。通过减小尺寸和提高石墨烯质量，预期可实现更高频率的振动检测。

图3. CGVT在不同加速度、不同频率振动激励下的瞬态电流响应。

这些发现揭示了二维挠曲电性的一种潜在机理。当某些具有对称结构的体相二维材料被减薄至奇数层时，其中心对称性被打破，从而展现出二维压电特性。然而，该机理并不适用于平面单层的石墨烯，因为其存在反演对称中心。当石墨烯受到均匀应力时，尽管碳原子发生位移，但正负电荷的几何中心仍然重合，导致六元碳环的净偶极矩为零。然而，当石墨烯发生弯曲时，其内部正负电荷中心的重新分布在空间中形成了净偶极矩。从轨道杂化的角度来看，这种模式可以解释为：弯曲增加了库仑排斥，并触发了石墨烯π轨道的非对称重新分布。并且由于尺寸效应，作用在单层石墨烯上的应力梯度变得很大，使得石墨烯展现出卓越的二维挠曲电性。为了更好地理解应力梯度变化与振动响应之间的关系，本研究利用COMSOL仿真了三种不同CGVT尺寸的静态周向应力分布曲线。纤毛仿生结构(CLBS)通过固定约束附着在基底上。在静止状态下，重力导致仿生结构周向产生非均匀应力分布。应力在仿生结构与基底的界面处达到峰值，而在与重力方向相切且平行的区域最小。随后，对基底施加固定时长的表面载荷，器件发生受迫形变。CLBS随惯性力周期性收缩和扩张，进而在单层石墨烯中诱发周期性变化的非均匀应力梯度。数据显示，在施加振动激励后，器件中的最大周向应力稳定地增加了三个数量级。CGVT在振动过程中产生了显著的应力差，且此应力波动的频率与实验中观察到的响应电流变化的频率一致。随振动变化的应力梯度诱导了极化电荷的产生及其在石墨烯中的重新分布。通过源漏电极的收集作用产生响应电流，从而实现了无需偏置电压的精确振动测量。对CGVT在拉伸、静止和压缩状态下极化电荷的仿真结果进一步表明，纤毛结构在收缩和舒张过程中会产生相反的极化电荷，从而产生依赖于振动的电流变化。

图4. CGVT的振动感应机制。

III 耐高温：仅需20 nm厚的Si₃N₄防护层，即可在高达800 °C的超高温下实现稳定的振动响应

振动传感器广泛应用于工业、航空航天及其他涉及恶劣运行环境(尤其是高温环境)的领域。需要解决的关键科学问题是防止石墨烯在高温环境中氧化脱落的防护策略。本研究提出一种面向三维结构的Si₃N₄纳米封装技术，以同时解决氧化和热应力挑战。防护层技术通过将石墨烯与氧气隔离，有效防止氧化反应。对于平面装置，薄膜中的残余应力由本征应力、晶格失配应力和高温环境下的热应力叠加而成。当薄膜内部应力超过材料的临界抗拉强度时，就会发生薄膜破裂，导致器件失效。相反，当薄膜承受过大的压应力且无法有效释放时，薄膜会发生翘曲或鼓包。而三维结构中的保护层在空间上与基底分离，从而允许残余应力通过空间形变得到释放，并且与平面保护相比，三维防护层仅需20 nm的厚度即可达到同等的保护效果。超薄的Si₃N₄防护薄膜在低于800°C的温度下，能有效防止电阻显著增加。为了进一步研究高温下的振动特性，建造了一个热振动实验平台，不同高温下的实时电荷敏感检测值表明大多数灵敏度稳定保持在相似水平。与最先进振动传感器(或加速度计)的电荷灵敏度和器件面积进行基准比较，CGVT是灵敏度最高的轻质微型器件。

图5. CGVT的热保护与热振动响应。

IV 实现全方向振动信号采集与解耦

由于独特的CLBS，阵列中的每个传感器会根据特定方向的振动发生不同的变形。本研究首先使用多物理场模拟软件COMSOL模拟阵列上的振动应力。如图6所示，CLBS在垂直于振动方向(0°)时产生最高应力，平行时产生最低应力(-90°)。放置在不同角度位置的振动传感器会对振动表现出几乎呈正弦波变化的响应特性。基于此，本研究提出了基于1DCNN的全向解耦算法，以实现振动方向的识别与分类。经过10个训练周期后，训练集和测试集的准确率分别高达96.69%和97.18%，显示出在识别振动方向方面的卓越性能。此外，1DCNN模型的鲁棒性和泛化能力在三个方面得到了进一步验证：模拟恶劣环境、消融实验的数据增强以及留一振幅数据集验证。混淆矩阵清晰地可视化了七个方向的识别率，显示预测标签与真实标签之间的高度一致性。

图6. 基于1DCNN的振动方向解耦演示。

V 仿生蜘蛛振动感知应用

本研究通过金线键合工艺将仿生纤毛MEMS芯片与蛛网结构集成，开发出一种三维仿生振动感知系统。三维金线仿生蛛网精确复现了蛛丝的机械传导特性。首先，当外部物体与感知网络相互作用时，金线通过表面应力重新分布将振动能量传递至“纤毛状”结构。该结构通过挠曲电效应将形变转换为可测量的电信号变化。仿生蛛网结构的三维CGVT可准确识别悬空结构上80 mg目标引起的振动特征。与此同时，当气流与纤毛仿生结构相互作用时，不同方向的来流会诱发特征性机械形变。由于表面应变场梯度的非均匀分布与响应电流强度呈现强相关性，从而可以实现多气流方向矢量的精确识别，并且最低可检测风速约为0.17 m/s。此外，振动频率可作为区分生物特征的关键判据。3D CGVT能准确模拟蜘蛛对大气风致振动(1-10 Hz)，捕食性动物的运动振动(10-100 Hz)，以及某些昆虫的高频振动信号(100-1000 Hz)等不同的自然振动源的感知。这三种方法有效复现了蜘蛛通过振动实现目标识别与分类的生物物理机制，为下一代仿生振动传感器在智能监测系统中的应用提供了新范式。

图7. CGVT振动感知的仿生策略。

VI 总结

本研究展示了通过应力诱导自组装制造的3D CGVT。仿生三维结构打破了石墨烯晶体固有的结构对称性，从而引入了特殊的挠曲电特性，使得单层石墨烯能够具备高效的机电转换能力。实验结果表明，CGVT可实现0-1120 g的振动范围和1 Hz-10 kHz的频率响应范围，其最大电荷灵敏度可达87.95 pC/g，优于所有无质量块的振动传感器(或加速度计)。通过引入Si₃N₄纳米防护层，使器件能够在25–800 °C的宽温区内实现振动检测。此外，基于1DCNN的全向解耦算法实现了97.18%的方向辨别准确率。通过将仿生纤毛MEMS芯片与金线键合工艺集成蜘蛛网结构，开发出三维仿生振动感测系统，复现了蜘蛛通过振动实现目标识别与分类的生物物理机制。CGVT有望推动基于二维材料的振动传感器向更高集成度、更强性能与更高智能化的方向迈进。

作者简介

邓涛

本文通讯作者

北京交通大学 教授

主要研究领域

(1)MEMS(微机电系统)光电、力学、生化传感器芯片设计、制造与测试；

(2)传感器检测电路/系统芯片设计。

主要研究成果

北京交通大学电子信息工程学院教授，博士生导师，国家级青年人才，中国电子学会青年科学家奖获得者，北京市青年教学名师，担任詹天佑学院常务副院长、微纳电子研究所所长。主持国家重点基础研究项目课题、国家重大科技专项任务、国家自然科学基金等科研项目10余项，在Adv. Mater.、Nano-Micro Lett.、Adv. Funct. Mater.等微电子领域重要期刊和国际会议发表学术论文100余篇，授权发明专利近20项，获得北京市自然科学奖二等奖、中国电子学会科技进步奖三等奖等，部分研发产品已投入应用。

Email：dengtao@bjtu.edu.cn

田禾

本文通讯作者

清华大学 长聘副教授、特别研究员

主要研究领域

基于二维材料(石墨烯、二硫化钼、黑磷等)的新型微纳电子器件与芯片：仿生突触、晶体管、存储器、传感器等。

主要研究成果

清华大学集成电路学院长聘副教授，特别研究员，博士生导师，国家级高层次人才，担任集成电路学院党委委员和集成纳电子所副所长。在Nature, Nat. Electron., Nat. Mach. Intell., Nat. Commun., Sci. Adv.等期刊发表SCI论文200余篇，微电子器件领域顶级会议IEDM 11篇，论文总他引超过1万次，h因子70。主持JKW重点项目、科技部2030重大项目青年科学家项目、国家自然基金面上项目、北京市自然基金项目等，成果入选2022年中国国内十大科技新闻、2022年半导体十大研究进展、2017年中国十大重大工程进展。获中国电子学会自然科学一等奖(2项)、北京市自然科学奖二等奖、茅以升科学技术奖-北京青年科技奖、《麻省理工科技评论》中国区“35 岁以下科技创新 35 人”、教育部霍英东青年教师基金、首届中国电子学会青年科学家奖、中国科协青年托举工程等。

Email：tianhe88@tsinghua.edu.cn