石墨烯助力傳統(tǒng)MEMS器件的性能得到大幅提升

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，石墨烯材料領(lǐng)先供應(yīng)商Graphenea公司與英飛凌（Infineon Technologies）、WITec、亞琛工業(yè)大學(xué)（RWTH Aachen University）和Simune Atomistics等工業(yè)和學(xué)術(shù)界伙伴合作，宣布成功完成了NanoGraM項(xiàng)目，該項(xiàng)目專(zhuān)注于基于石墨烯的NEMS / MEMS（納米/微機(jī)電）器件研究。NanoGraM項(xiàng)目為未來(lái)的潛在應(yīng)用重點(diǎn)關(guān)注的三類(lèi)特定器件包括：石墨烯麥克風(fēng)、石墨烯膜壓力傳感器和石墨烯膜霍爾傳感器。

這些石墨烯器件的目標(biāo)市場(chǎng)包括便攜式電子產(chǎn)品（智能手機(jī)、筆記本電腦）、汽車(chē)、工業(yè)以及智能家居等。

MEMS麥克風(fēng)芯片全球主要供應(yīng)商英飛凌，在其申請(qǐng)的一篇專(zhuān)利中介紹了這種應(yīng)用石墨烯膜的MEMS麥克風(fēng)/揚(yáng)聲器。

頂部包括石墨烯薄膜的MEMS麥克風(fēng)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)MSMS麥克風(fēng)/微型揚(yáng)聲器通常以硅技術(shù)進(jìn)行制造。硅微加工的麥克風(fēng)包括在聲場(chǎng)中移動(dòng)的柔性薄膜以及被稱作背板的靜態(tài)穿孔電極的電容換能器。在壓力過(guò)度的情況下，該薄膜會(huì)經(jīng)受到高達(dá)10bar的壓力差。在該情況下，通常的薄膜會(huì)由于其斷裂強(qiáng)度過(guò)低而失效。

為了解決硅麥克風(fēng)薄膜中的壓力過(guò)度的問(wèn)題，可在麥克風(fēng)前部插入阻尼墊圈，然而這會(huì)引入額外的不期望出現(xiàn)的噪聲，此外，還可能增加麥克風(fēng)的前部體積。解決壓力過(guò)度問(wèn)題的另外的可能方式是經(jīng)由彈簧支撐的薄膜或者通過(guò)提供排氣通道來(lái)提供透氣，不過(guò)，這需要特殊的設(shè)計(jì)以及結(jié)構(gòu)的低應(yīng)力梯度。

石墨烯的機(jī)械特性對(duì)于生產(chǎn)非常高柔度和大斷裂強(qiáng)度的麥克風(fēng)薄膜而言是有利的，由此允許設(shè)計(jì)相對(duì)任何大行程位移均具有魯棒性的高靈敏度麥克風(fēng)。另一方面，微型揚(yáng)聲器可以從高柔度所獲得的益處在于，可以減少用于獲得高行程的驅(qū)動(dòng)電壓，同時(shí)高的斷裂強(qiáng)度降低了故 障風(fēng)險(xiǎn)并且實(shí)現(xiàn)了高耐久性。可以通過(guò)形成兩個(gè)或更多單層石墨烯膜的疊層，而增大石墨烯薄膜的強(qiáng)度。

從下表石墨烯與硅進(jìn)行比較時(shí)的機(jī)械屬性的表格可以看出，在楊氏模量、斷裂強(qiáng)度、泊松比（Poisson ratio）和密度方面，石墨烯勝過(guò)硅。因此，出于以上原因，在以MEMS技術(shù)實(shí)現(xiàn)麥克風(fēng)/微型揚(yáng)聲器時(shí)使用石墨烯作為薄膜材料是有利的。

石墨烯麥克風(fēng)展現(xiàn)出了超高的靈敏度，以及覆蓋從音頻到超聲波頻段的運(yùn)行頻譜，這可以帶來(lái)很多新穎的功能。

對(duì)于壓力傳感器和霍爾傳感器，應(yīng)用石墨烯材料的預(yù)期優(yōu)勢(shì)包括更高的靈敏度（高達(dá)100倍）、堅(jiān)固性（高達(dá)5倍）、增強(qiáng)的信噪比以及避免工藝中的有害材料等。

石墨烯NEMS/MEMS傳感器結(jié)合硅技術(shù)將實(shí)現(xiàn)新的智能系統(tǒng)，增強(qiáng)人類(lèi)的福祉、食品安全、交通安全、污染監(jiān)控以及國(guó)土安全。這項(xiàng)研究作為NanoGraM項(xiàng)目的一部分，為工業(yè)NEMS/MEMS制造商和參與的中小企業(yè)帶來(lái)了決定性的技術(shù)領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)。

Graphenea作為石墨烯供應(yīng)商，通過(guò)開(kāi)發(fā)在NEMS/MEMS器件的空腔和開(kāi)孔上懸浮CVD單層和多層石墨烯的半干（semi-dry）轉(zhuǎn)移工藝來(lái)支持該項(xiàng)目的研究。Graphenea的工藝可使石墨烯層成功地懸浮在直徑達(dá)500微米的開(kāi)孔上。這一系列研究幫助Graphenea推出了一類(lèi)新產(chǎn)品：在腔體上懸浮的單層石墨烯。

懸浮在腔體上的單層石墨烯

該項(xiàng)目提交了三份專(zhuān)利申請(qǐng)和至少七篇科學(xué)論文出版，還有更多研究成果正在整理發(fā)布中。除了制造之外，大面積石墨烯膜的表征也被提升到了新的高度。

該項(xiàng)目持續(xù)了3年，由德國(guó)（BMBF）和西班牙巴斯克自治區(qū)共同資助，項(xiàng)目總金額約為196萬(wàn)歐元。