CN104155051A - 一种宽量程石墨烯高温压力传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及高温压力测试领域，具体而言，涉及一种宽量程石墨烯高温压力传感器，传感器具体包括：键合基板、复合金属电极及传感器阵列，所述传感器阵列固定在键合基板上，所述复合金属电极嵌入在键合基板和传感器阵列之间；本发明通过传感器的阵列结构拓宽传感器的测试量程，通过传感器阵列上的敏感单元的阵列结构来提高传感器的可靠性。同时，敏感单元采用氮化硼/石墨烯/氮化硼的异质结构，使传感器有较好抗腐蚀性、耐高温性和瞬时响应。可见，宽量程石墨烯高温压力传感器实现了压力传感器的耐高温、高可靠性、高精度、瞬时响应、大量程等要求。

Description

一种宽量程石墨烯高温压力传感器

技术领域

本发明涉及高温压力测试领域，具体而言，涉及一种宽量程石墨烯高温压力传感器。

背景技术

压力传感器技术是现代测量和自动化系统的重要技术之一。随着极端环境应用需求的扩展，压力传感器广泛应用于航天航空发动机测试、爆炸冲击波威力场测试、空气动力学实验等领域。这些领域要求压力传感器耐高温，(发动机内压最高达1000℃以上)、瞬时响应(冲击波响应时间在ns级)、宽量程(低至数十千帕，高至数十兆帕)。

近年来，国内外众多的单位和学者对高温压力传感器进行了大量的研究和产品开发。其中，以基于压阻效应的SOI高温压力传感器、SiC高温压力传感器和基于法布里-珀罗干涉原理的光纤高温压力传感器最为引人注目。

美国kulite公司利用SOI材料，采用胶囊式结构和无引线专利技术制备的压阻式高温压力传感器，其工作温度可达到482℃。国内西安交通大学采用SIMOX技术研制出能在-30-250℃环境下完成1000MPa以下任意量程范围压力测量的SOI耐高温微压力传感器。由于硅的最高工作温度小于600℃，这种SOI高温压力传感器的最高工作温度已接近极限，提升空间十分有限。

美国国家宇航局NASA的Galenn研究中心研制出SiC高温压力传感器，其工作温度可达500℃。国内西安电子科技大学利用APCVD系统采用选择生长法成功的生长了3C-SiC单晶薄膜与多晶薄膜，并开发了3C-SiC高温压力传感器。这种压力传感器的主要研发瓶颈是其封装存在很大困难。

加拿大的菲索公司开发的一款基于法布里-珀罗干涉原理工作的光纤高温压力传感器，工作温度可达450℃。这种传感器的主要问题是，在高温条件下，热膨胀以及和温度有关的材料折射率变化将明显影响输出信号。

纵观压力传感器的发展历程，国内外现有的耐高温MEMS压力传感器的温度在500℃，且响应时间慢，达不到ns级的要求，难以集成化、智能化应用。另外，现有的高温传感器只含有一个敏感元件，导致单次测试误差较大甚至测试数据无效，增加测试成本；并且，单一敏感元件的测试量程有限，限制传感器的使用领域。

发明内容

为了有效解决上述问题，本发明提出一种宽量程石墨烯高温压力传感器。

本发明的目的是提供一种宽量程石墨烯高温压力传感器。宽量程石墨烯高温压力传感器采用敏感元件的矩阵式结构，借助于氮化硼/石墨烯/氮化硼异质结构的电学特性受压力调制这一机理，实现对压力的测量。石墨烯硬度大，抗断性能好，可采用单层结构，实现传感器的微体积；石墨烯的载流子有非常大的本征迁移率，可承受比铜大六个数量级的电流密度，实现传感器的高灵敏度。氮化硼具有和石墨烯近似的晶格常数，具有优异的耐高温性能，在氧化气氛下使用温度可达900℃以上，而在非活性还原气氛下可达2800℃，同时具有很好的耐腐蚀和电绝缘性能。将石墨烯薄膜夹在氮化硼薄膜(单层或多层)之间形成异质结构，氮化硼层可为石墨烯提供耐高温保护，且不影响石墨烯的导电机理。氮化硼/石墨烯/氮化硼异质结构为微体积、耐高温、高灵敏度、高可靠性、大量程压力传感器的实现提供了可行性支持。

一种宽量程石墨烯高温压力传感器，包括：键合基板、复合金属电极及传感器阵列，所述传感器阵列固定在键合基板上，所述复合金属电极嵌入在键合基板和传感器阵列之间；

所述传感器阵列由M个单元传感器组成，所述M个单元传感器采用1×M的排列方式固定在键合基板上，每个单元传感器的结构相同，厚度不相同，其中M的取值范围为2≤M≤100，所述传感器单元包括N个敏感单元；

复合金属电极包括主电极及接触点，所述接触点溅射于主电极一侧的中心区域；

键合基板刻蚀有接触孔，接触孔的位置和接触点的位置对应；

进一步地，所述单元传感器包括一第一氮化硼层、N个中间石墨烯层及N个第二氮化硼层，所述第一氮化硼层下表面和N个中间石墨烯层的一侧面完全覆盖相连，N个中间石墨烯层之间相互存在间隙，所述N个中间石墨烯的另一侧面中间区域和第二氮化硼层的上表面接触相连，所述第一氮化硼层、一中间石墨烯层及一第二氮化硼层构成一个敏感单元，所述一个单元传感器具有N个敏感单元，N的取值范围为4≤N≤100，所述N个敏感单元的结构相同，厚度相同；

进一步地，所述石墨烯层的另一侧面两端区域和主电极另一侧接触相连；

进一步地，所述N个敏感单元为A×B个敏感单元，横向为A个，纵向为B个；

进一步地，所述每个单元传感器的厚度不相同，具体为组成单元传感器的第二氮化硼层厚度不相同；

进一步地，所述第一氮化硼层的厚度大于第二氮化硼层的厚度；

进一步地，所述第一氮化硼层上表面刻蚀压力腔，压力腔的下底为承压膜；

进一步地，所述压力腔采用感应耦合等离子体刻蚀技术在第一氮化硼层上表面进行刻蚀；

进一步地，所述接触孔由金属铂和耐热玻璃的混合物填充。

本发明的压力传感器具有如下优点和有益效果：

本发明与技术背景中相比具有明显的优势。宽量程石墨烯高温压力传感器，通过单元传感器的阵列结构拓宽传感器的测试量程，通过敏感单元的阵列结构来提高传感器的可靠性。同时，敏感单元采用氮化硼/石墨烯/氮化硼的异质结构，使传感器有较好抗腐蚀性、耐高温性和瞬时响应。可见，宽量程石墨烯高温压力传感器实现了压力传感器的耐高温、高可靠性、高精度、瞬时响应、大量程等要求。

附图说明

图1为本发明实施例宽量程石墨烯高温传感器的立体图；

图2为本发明实施例宽量程石墨烯高温传感器的左视图；

图3为本发明实施例传感阵列中某传感器立体图；

图4为本发明实施例宽量程石墨烯高温传感器的前视图；

图5为本发明实施例宽量程石墨烯高温传感器的侧面剖视图。

具体实施例

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示表示相同或类似的原件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，需要解释的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义解释，例如：可以固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明提出了一种宽量程石墨烯高温压力传感器，所述石墨烯高温压力传感器包括：键合基板1、复合金属电极5及传感器阵列13，所述传感器阵列13一侧通过复合金属电极5连接固定在键合基板1上；所述传感器阵列13由三个单元传感器12组成，三个单元传感器12并行为一排固定在键合基板1上，三个单元传感器12采用1×3的排列方式固定在键合基板1上，所述三个单元传感器12厚度不相同，上表面为正方形，所述单元传感器12包括一第一氮化硼层8、四个中间石墨烯层7及四个下层第二氮化硼层6，所述第一氮化硼层8上表面刻蚀有压力腔11，所述压力腔11下底为承压膜10，第一氮化硼层8下表面和四个中间石墨烯层7的上表面完全覆盖相连，所述四个中间石墨烯层7处在第一氮化硼层8正方形的四个角处，四个中间石墨烯层7之间相互存在有一定距离，所述中间石墨烯层7的下表面中间区域和第二氮化硼层6的上表面接触相连，所述第一氮化硼层8、一中间石墨烯层7及一下层第二氮化硼层6构成一个敏感单元9，所述一个单元传感器12具有四个敏感单元9。

所述压力腔11采用感应耦合等离子体刻蚀技术刻蚀在在第一氮化硼层8上表面的。所述第一氮化硼层8和第二氮化硼层6厚度不同，第一氮化硼层8的厚度大于第二氮化硼层6的厚度。

所述石墨烯层7的下表面两端区域和复合金属电极5的主电极4接触连接，所述复合金属电极5还包括接触点3，所述接触点3设置在主电极4的下侧中心处，所述接触点3通过溅射方式设置于主电极4上；所述键合基板1设有多个接触孔2，所述接触孔2的位置和接触点3的位置对应。所述接触孔2由金属铂和耐热玻璃的混合物填充，接触孔2连接引线，所述引线的材料为柯伐合金。

所述四个敏感单元9的厚度相同，测试同一压力，通过对4个敏感单元的输出求平均得到传感器的测试结果，这一结构可提高传感器的可靠性。同时，石墨烯硬度大，固有频率高，可提高传感器的响应时间。

所述敏感单元9上层为第一氮化硼层8，中间为石墨烯层7，下层为第二氮化硼层6。在工艺加工中，首先，采用化学汽相淀积方法生成氮化硼/石墨烯/氮化硼的异质结构，然后，将第二氮化硼层/石墨烯层复合材料采用感应耦合等离子体刻蚀成2×2阵列结构，且每个敏感单元的石墨烯层7下表面两端的第二氮化硼层6刻蚀掉，只保留中间部分的第二氮化硼层6。在石墨烯层7下表面的两端沉积复合金属电极5，复合金属电极5的主电极4为钛材质，复合金属电极5的接触点3为铂材质。复合金属电极5的组合能够增加金属电极的导电率，同时防止后续工艺的金属扩散。

为本发明的宽量程石墨烯高温压力传感器第二实施例，本实施例部分结构与前述第一实施例相同故在此不再赘述，惟本实施例与前述第一实施例不同处为本实施例的传感器阵列13由M个单元传感器12组成，M个单元传感器12并行为一排固定在键合基板1上，M个单元传感器12采用1×M的排列方式固定在键合基板1上，每个单元传感器12的厚度不同，具体表现为组成传感器的敏感单元9中的氮化硼的厚度不同，其中所述单元传感器12包括一第一氮化硼层8、N个中间石墨烯层7及N个下层第二氮化硼层6，第一氮化硼层8下表面和N个中间石墨烯层7的上表面完全覆盖相连，N个中间石墨烯层7之间相互存在有一定距离，所述中间石墨烯层7的下表面中间区域和第二氮化硼层6的上表面接触相连，所述第一氮化硼层8、一中间石墨烯层7及一下层第二氮化硼层6构成一个敏感单元9，所述一个单元传感器12具有N个敏感单元9。其中M的取值范围为2≤M≤100,N的取值范围为4≤N≤100，这一结构拓宽了传感器的测试量程和使用领域。

本发明两个实施例的工作原理为:将偏压电源、电流计通过接触孔2与宽量程石墨烯高温传感器相连，形成闭合回路。外界压力作用于传感器阵列13，第一氮化硼层8、石墨烯层7、第二氮化硼层6之间的原子层与层之间的距离被压缩，由氮化硼导致的偶极子极化被增强而石墨烯中碳原子的非对称性增大，进而导致石墨烯的禁带宽度增大、费米能级附近的能态密度降低、传输沟道减少，使得石墨烯的传输系数降低，电流随之减小。电流与压力之间的近似关系如下所示：

I(V_b)∝exp[eV_b-E_g(P)]

其中，I是电流测量的回路电流；Vb是偏压电源提供的偏压；e是基本电荷；P是压力；Eg是被氮化硼夹着的石墨烯的禁带宽度，它是P的函数。当Vb大到使电子可以克服Eg的势垒时，价带的电子可以获得足够的能量并跃迁到导带，导致电流对压力高敏感度的开启状态。因此，压力的大小可用电流这一参数变化来体现。

本发明中的石墨烯作为一种新型的碳纳米结构，具有较强的硬度、大的本征迁移率、很好的热传导性等优势，是优良的半导体材料。氮化硼是一种新型陶瓷材料，具有优异的耐高温性能，在氧化气氛下最高使用温度为900℃，而在非活性还原气氛下可达2800℃，氮化硼还具有很好的耐腐蚀和电绝缘性能。将石墨烯夹在氮化硼层之间，氮化硼可为其中的石墨烯提供一个相对密封、稳定的工作环境，从而使得在高温下石墨烯也能保持原有的优良电学特性、正常工作。

不同量程的单元传感器厚度不同。石墨烯硬度大，容易断裂，故不同压力测试单元传感器的石墨烯厚度不同。石墨烯响应频率高，不同压力测试选择不同厚度的石墨烯，提高了传感器的线性度，使传感器具有较好的动态性能。

本发明的宽量程石墨烯高温压力传感器是利用氮化硼/石墨烯/氮化硼异质结构的电学特性受压力调制效应制作的一种MEMS压力传感器。

Claims (9)

1.一种宽量程石墨烯高温压力传感器，其特征在于，包括：键合基板、复合金属电极及传感器阵列，所述传感器阵列固定在键合基板上，所述复合金属电极嵌入在键合基板和传感器阵列之间；

所述传感器阵列由M个单元传感器组成，所述M个单元传感器采用1×M的排列方式固定在键合基板上，每个单元传感器的结构相同，厚度不相同，所述传感器单元包括N个敏感单元；

复合金属电极包括主电极及接触点，所述接触点溅射于主电极一侧的中心区域；

键合基板刻蚀有接触孔，接触孔的位置和接触点的位置对应。

2.根据权利要求1所述的宽量程石墨烯高温压力传感器，其特征在于，所述单元传感器包括一第一氮化硼层、N个中间石墨烯层及N个第二氮化硼层，所述第一氮化硼层下表面和N个中间石墨烯层的一侧面完全覆盖相连，N个中间石墨烯层之间相互存在间隙，所述N个中间石墨烯的另一侧面中间区域和第二氮化硼层的上表面接触相连，所述第一氮化硼层、一中间石墨烯层及一第二氮化硼层构成一个敏感单元，所述一个单元传感器具有N个敏感单元，所述N个敏感单元的结构相同，厚度相同。

3.根据权利要求2所述的宽量程石墨烯高温压力传感器，其特征在于，所述石墨烯层的另一侧面两端区域和主电极另一侧接触相连。

4.根据权利要求2所述的宽量程石墨烯高温压力传感器，其特征在于，所述N个敏感单元为A×B个敏感单元，横向为A个，纵向为B个。

5.根据权利要求2所述的宽量程石墨烯高温压力传感器，其特征在于，所述每个单元传感器的厚度不相同，具体为组成单元传感器的第二氮化硼层厚度不相同。

6.根据权利要求2所述的宽量程石墨烯高温压力传感器，其特征在于，所述第一氮化硼层的厚度大于第二氮化硼层的厚度。

7.根据权利要求2所述的宽量程石墨烯高温压力传感器，其特征在于，所述第一氮化硼层上表面刻蚀压力腔，压力腔的下底为承压膜。

8.根据权利要求7所述的宽量程石墨烯高温压力传感器，其特征在于，所述压力腔采用感应耦合等离子体刻蚀技术在第一氮化硼层上表面进行刻蚀。

9.根据权利要求1所述的宽量程石墨烯高温压力传感器，其特征在于，所述接触孔有金属铂和耐热玻璃的混合物填充。