CN106017751B - 一种高灵敏度压阻式压力传感器及其制备方法 - Google Patents

一种高灵敏度压阻式压力传感器及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高灵敏度压阻式压力传感器，该压阻式压力传感器包括硅衬底、氮化硅层、玻璃、感应薄膜层和金属电极；其中，硅衬底中设有空腔，硅衬底的底面与玻璃键合，氮化硅层生长在衬底的顶面；感应薄膜层固定连接氮化硅层的顶面，两个金属电极固定连接在感应薄膜层上。该压力传感器具有很好的灵敏度，同时制作简单。

Description

一种高灵敏度压阻式压力传感器及其制备方法
技术领域
本发明涉及了一种压力传感器，具体来说，涉及一种高灵敏度压阻式压力传感器及其制备方法。
背景技术
在利用硅微加工技术实现的产品中，压力传感器是发展最早的一类。而在所有的压力传感器中，压阻式压力传感器又是应用最广的一类，因为其尺寸较小，成本较低，而且灵敏度高且制造工艺简单。目前的压力传感器在小的量级，对灵敏度的要求很高，所以，设计与制造灵敏度较高的压力传感器是很有必要的。
发明内容
技术问题：本发明需要解决的技术问题是，提供一种高灵敏度压阻式压力传感器及其制备方法，该压力传感器具有很好的灵敏度。同时制作简单。
技术方案:为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种高灵敏度压阻式压力传感器，该压阻式压力传感器包括硅衬底、氮化硅层、玻璃、感应薄膜层和金属电极；其中，硅衬底中设有空腔，硅衬底的底面与玻璃键合，氮化硅层生长在衬底的顶面；感应薄膜层固定连接氮化硅层的顶面，两个金属电极固定连接在感应薄膜层上。
作为优选例，所述的感应薄膜为氧化还原石墨烯材料制成。
作为优选例，所述的感应薄膜为呈阵列排布的金字塔形。
作为优选例，所述的感应薄膜位于空腔上方。
一种高灵敏度压阻式压力传感器的制备方法，该制备方法包括如下步骤：
第一步，在硅衬底上淀积一层氮化硅层；
第二步，对氮化硅层图形化，形成第一凹槽；
第三步，采用各向异性腐蚀法从氮化硅层的凹槽处腐蚀，在硅衬底上刻蚀出金字塔结构的第二凹槽；
第四步，采用化学腐蚀法，将位于硅衬底上的氮化硅层腐蚀；
第五步：将有机材料PDMS置入第二凹槽中，并且有机材料PDMS覆盖硅衬底上方，形成PDMS层；
第六步：将PDMS层从第二凹槽中取出，PDMS层的表面具有金字塔微结构；
第七步：在PDMS层表面转移附着一氧化石墨烯薄膜层，氧化石墨烯薄膜层形状与PDMS层表面一致；
第八步：对氧化石墨烯薄膜层进行降解，最终在PDMS层表面生成氧化还原石墨烯薄膜层；
第九步：取一硅衬底，在硅衬底上下两个表面分别淀积一氮化硅层；
第十步：在硅衬底背部首先通过光刻刻蚀掉一部分氮化硅，然后，对硅衬底进行各向异性刻蚀，随后，去除背部的氮化硅层，用玻璃进行阳极键合，形成空腔；
第十一步：将第八步形成的PDMS层和氧化还原石墨烯薄膜层的结构置于第十步制成的硅衬底上方，且氧化还原石墨烯薄膜层连接在硅衬底的氮化硅层上，且位于空腔上方；
第十二步：去除PDMS层，并通过电子束溅射金属并图形化，形成金属电极。
有益效果: 与现有技术相比，本发明实施例具有以下有益效果：具有良好的灵敏度。本发明实施例的感应薄膜采用氧化还原石墨烯材料制成。这种材料具有良好的压阻特性。同时，感应薄膜具有金字塔结构。这样就大大提高了压力传感器的灵敏度。
附图说明
图1为本发明实施例中压力传感器的结构剖视图；
图2为本发明实施例中制备方法的第一步的结构剖视图；
图3为本发明实施例中制备方法的第二步的结构剖视图；
图4为本发明实施例中制备方法的第三步的结构剖视图；
图5为本发明实施例中制备方法的第四步的结构剖视图；
图6为本发明实施例中制备方法的第五步的结构剖视图；
图7为本发明实施例中制备方法的第六步的结构剖视图；
图8为本发明实施例中制备方法的第七步的结构剖视图；
图9为本发明实施例中制备方法的第八步的结构剖视图；
图10为本发明实施例中制备方法的第九步的结构剖视图；
图11为本发明实施例中制备方法的第十步中的光刻刻蚀后的结构剖视图；
图12为本发明实施例中制备方法的第十步中的各向异性刻蚀后的结构剖视图；
图13为本发明实施例中制备方法的第十步中的进行阳极键合的结构剖视图；
图14为本发明实施例中制备方法的第十一步的结构剖视图；
图15为本发明实施例中制备方法的第十二步的结构剖视图。
图中有：硅衬底1、氮化硅层2、玻璃3、感应薄膜4、金属电极5、氧化还原石墨烯薄膜层6、PDMS层7、空腔101。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明实施例的技术方案进行详细的说明。
如图1所示，本发明实施例的一种高灵敏度压阻式压力传感器，包括硅衬底1、氮化硅层2、玻璃3、感应薄膜层4和金属电极5。硅衬底1中设有空腔101，硅衬底1的底面与玻璃3键合，氮化硅层2生长在衬底1的顶面。感应薄膜层4固定连接氮化硅层2的顶面，两个金属电极5固定连接在感应薄膜层4上。
上述实施例的压力传感器工作时，当有外界压力施加在传感器表面时，感应薄膜层4由于受到压力作用变形，从而导致感应薄膜层4的电阻发生变化，进而导致输出信号的变化。这样，通过测量输出信号的变化可以间接测量外界压力的变化。在上述实施例的压力传感器中，感应薄膜4优选为氧化还原石墨烯材料制成。氧化还原石墨烯材料具有很好的电子迁移率，所以其导电性能优秀。并且石墨烯是目前发现的硬度最大的物质，具有极高的强度，所以其力学性能也很优异。和氧化石墨烯（GO）相比，氧化还原石墨烯去除了表面的官能团，这使得它更稳定，很难与其他物质结合。在本优选例中，所述的感应薄膜4为呈阵列排布的金字塔形。当在感应薄膜4上施加压力时，金字塔微结构会变形，使得金字塔微结构与氮化硅层2之间的接触面积变大。在相同的压力条件下，金字塔微结构感应薄膜的电阻变化大于平面感应薄膜。这就增加了压力传感器的灵敏度。在本实施例中，优选感应薄膜4位于空腔101上方。
上述实施例的压阻式压力传感器的制备方法，包括如下步骤：
第一步，如图2所示，在硅衬底1上淀积一层氮化硅层2；第二步，如图3所示，对氮化硅层2图形化，形成第一凹槽。
第三步，如图4所示，采用各向异性腐蚀法从氮化硅层2的凹槽处腐蚀，在硅衬底1上刻蚀出金字塔结构的第二凹槽。
第四步，如图5所示，采用化学腐蚀法，将位于硅衬底1上的氮化硅层2腐蚀。
第五步：如图6所示，将有机材料PDMS（对应中文：聚二甲基硅氧烷，英文全称为polydimethylsiloxane）置入第二凹槽中，并且有机材料PDMS覆盖硅衬底1上方，形成PDMS层7。
第六步：如图7所示，将PDMS层7从第二凹槽中取出，PDMS层的表面具有金字塔微结构。
第七步：如图8所示，在PDMS层7表面转移附着一氧化石墨烯薄膜层，氧化石墨烯薄膜层形状与PDMS层表面一致。即形成带有金字塔微结构的氧化石墨烯薄膜层。
第八步：如图9所示，对氧化石墨烯薄膜层进行降解，最终在PDMS层7表面生成氧化还原石墨烯薄膜层6。
第九步：如图10所示，取一硅衬底1，在硅衬底1上下两个表面分别淀积一氮化硅层2。
第十步：如图11所示，在硅衬底1背部首先通过光刻刻蚀掉一部分氮化硅，然后，如图12所示，对硅衬底1进行各向异性刻蚀，随后，如图13所示，去除背部的氮化硅层，用玻璃3进行阳极键合，形成空腔101。
第十一步：如图14所示，将第八步形成的PDMS层7和氧化还原石墨烯薄膜层6的结构置于第十步制成的硅衬底1上方，且氧化还原石墨烯薄膜层6连接在硅衬底1的氮化硅层2上，且位于空腔101上方。
第十二步：如图15所示，去除PDMS层7，并通过电子束溅射金属并图形化，形成金属电极5。
上述实施例的方法制备的压阻式压力传感器，采用氧化还原石墨烯材料作为感压敏感部件，同时在结构上，为了进一步提高灵敏度而采用了具有金字塔微结构的氧化还原石墨烯膜。
上述实施例，感应薄膜4同时结合了石墨烯材料以及有序的微结构的优良特性，使压力传感器具有良好的灵敏度。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本领域的技术人员应该了解，本发明不受上述具体实施例的限制，上述具体实施例和说明书中的描述只是为了进一步说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护的范围由权利要求书及其等效物界定。

Claims (4)

1.一种高灵敏度压阻式压力传感器，其特征在于，该压阻式压力传感器包括硅衬底(1)、氮化硅层(2)、玻璃(3)、感应薄膜层(4)和金属电极(5)；其中，
硅衬底(1)中设有空腔(101)，硅衬底(1)的底面与玻璃(3)键合，氮化硅层(2)生长在衬底(1)的顶面；感应薄膜层(4)固定连接氮化硅层(2)的顶面，两个金属电极(5)固定连接在感应薄膜层(4)上；
所述压阻式压力传感器采用如下步骤制备：
第一步，在硅衬底(1)上淀积一层氮化硅层(2)；
第二步，对氮化硅层(2)图形化，形成第一凹槽；
第三步，采用各向异性腐蚀法从氮化硅层(2)的凹槽处腐蚀，在硅衬底(1)上刻蚀出金字塔结构的第二凹槽；
第四步，采用化学腐蚀法，将位于硅衬底(1)上的氮化硅层(2)腐蚀；
第五步：将有机材料PDMS置入第二凹槽中，并且有机材料PDMS覆盖硅衬底(1)上方，形成PDMS层(7)；
第六步：将PDMS层(7)从第二凹槽中取出，PDMS层的表面具有金字塔微结构；
第七步：在PDMS层(7)表面转移附着一氧化石墨烯薄膜层，氧化石墨烯薄膜层形状与PDMS层表面一致；
第八步：对氧化石墨烯薄膜层进行降解，最终在PDMS层(7)表面生成氧化还原石墨烯薄膜层(6)；
第九步：取一硅衬底(1)，在硅衬底(1)上下两个表面分别淀积一氮化硅层(2)；
第十步：在硅衬底(1)背部首先通过光刻刻蚀掉一部分氮化硅，然后，对硅衬底(1)进行各向异性刻蚀，随后，去除背部的氮化硅层，用玻璃(3)进行阳极键合，形成空腔(101)；
第十一步：将第八步形成的PDMS层(7)和氧化还原石墨烯薄膜层(6)的结构置于第十步制成的硅衬底(1)上方，且氧化还原石墨烯薄膜层(6)连接在硅衬底(1)的氮化硅层(2)上，且位于空腔(101)上方；
第十二步：去除PDMS层(7)，并通过电子束溅射金属并图形化，形成金属电极(5)。
2.按照权利要求1所述的高灵敏度压阻式压力传感器，其特征在于，所述的感应薄膜(4)为氧化还原石墨烯材料制成。
3.按照权利要求1所述的高灵敏度压阻式压力传感器，其特征在于，所述的感应薄膜(4)为呈阵列排布的金字塔形。
4.按照权利要求1所述的高灵敏度压阻式压力传感器，其特征在于，所述的感应薄膜(4)位于空腔(101)上方。
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