CN106052909A - 一种新型无腔室的石墨烯高温压力传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及高温压力测试技术领域，具体涉及一种新型无腔室的石墨烯耐高温压力传感器，所述传感器采用无腔室基底结构用于减少噪声压力信号；并所述传感器利用氮化硼/石墨烯/氮化硼异质结作为敏感元件感受外部压力；所述氮化硼/石墨烯/氮化硼异质结外部无腔室结构，直接暴露于被测空间；所述氮化硼/石墨烯/氮化硼异质结为三层结构，从上到下依次包括顶层氮化硼、石墨烯层和底层氮化硼，所述氮化硼/石墨烯/氮化硼异质结采用石墨烯和氮化硼两种耐高温材料制备；所述传感器能够在20‑900℃的温度环境中稳定工作。本发明所述传感器解决了现有高温压力传感器在高温环境中灵敏度受敏感结及压力腔内气、液体热膨胀噪声压力限制难以提升的问题。

Description

一种新型无腔室的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技术领域，具体涉及一种一种新型无腔室的石墨烯耐高温压力传感器。

背景技术

高温压力传感器主要用于高速飞行器、喷气式发动机、火箭、导弹等耐热腔体及其表面各处压力的测量。传统的压力传感器主要是硅扩散型压阻式压力传感器，其工艺成熟且性能优异，但器件采用P-N结作为敏感结，受P-N结耐温限制，当工作温度高于125℃时，硅发生本征扩散，使得器件性能严重下降，超过600℃时会发生塑性形变和电流泄漏，同时压力传感器腔室内的气体在高温环境下的膨胀作用会带来噪声压力，这严重制约了器件灵敏度的提升。上述因素使得传统压力传感器完全无法满足上述应用领域中对高温环境下压力测量的要求。

随着新原理、新材料的不断开发，各类新型高温压力传感器不断涌现，这类器件通过改进压力传感器的敏感结大幅提升了工作温度，但也存在不足之处。目前的高温压力传感器按照原理和材料的不同可以分为：多晶硅高温压力传感器、SOI高温压力传感器、蓝宝石-硅(SOS)高温压力传感器、SiC高温压力传感器、光纤高温压力传感器等。多晶硅高温压力传感器和SOI高温压力传感器工艺成熟，可大幅提高工作温度，但附加应力、内在应力等本征因素以及高温环境下压力传感器腔室内的气体膨胀会严重影响器件的灵敏度。蓝宝石-硅(SOS)高温压力传感器可耐受350℃的高温且具有优异的灵敏度，但蓝宝石-硅衬底制备工艺复杂，价格昂贵。SiC高温压力传感器最高可耐受600℃高温，具有优异的高温性能，但其对封装要求极高，一般的封装技术很难达到其所需的封口温度。光纤高温压力传感器具有高灵敏、高工作温度等优点，但其需要光源、光检测器件、棱镜等设备支持，应用条件复杂。

对目前的高温压力传感器而言压力腔的存在是器件敏感外部压力变化的重要保障，但是某一固定腔室内的气体会因温度的升高而膨胀从而产生噪声压力，并且噪声压力会随着温度的升高而变大，具体计算公式为：

$\frac{P1\×V1}{T1}=\frac{P2\×V2}{T2}---\left(1\right)$

式中，左边代表常温下压力腔内的气体状态，P₁为常温下压力腔内的气体压力，V₁为常温下压力腔内气体的体积，T₁为常温温度，以开尔文为单位表示为293.15K；右边代表900℃时压力腔内的气体状态，P₂为900℃下压力腔内的气体压力，V₂为900℃下压力腔内气体的体积，T₂的数值为1173.15K。假设压力腔内气体的体积从常温升至900℃时近似保持不变，则有V₁＝V₂，式(1)变形为：

$\frac{P2}{P1}=\frac{T2}{T1}---\left(2\right)$

由式(2)可知压力腔内气体压力仅与温度有关，又有T₂/T₁＝4.002，则900℃条件下压力腔内的气体压力约为常温下压力腔内气体压力的4倍，这就意味着产生了300％的噪声压力，这部分由于温度升高所产生的噪声压力将大大降低高温下压力传感器的灵敏度。

发明内容

针对现有高温压力传感器在高温环境中灵敏度受敏感元件及压力腔内气、液体热膨胀噪声压力限制难以提升的问题。本发明提供一种新型无腔室的石墨烯高温压力传感器，本发明所述高温压力传感器利用氮化硼/石墨烯/氮化硼异质结作为敏感元件感受外部压力信号，器件灵敏度不依赖于压力腔，所以不会产生额外的噪声压力引起的温度漂移，噪声压力减小300％，可大幅提高器件在高温环境下的灵敏度。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种新型无腔室的石墨烯高温压力传感器，所述传感器采用无腔室结构以减少噪声压力信号；所述传感器采用氮化硼/石墨烯/氮化硼异质结作为敏感元件感受外部压力；所述氮化硼/石墨烯/氮化硼异质结直接暴露于被测空间，其外部无腔室结构；所述氮化硼/石墨烯/氮化硼异质结为三层结构，从上到下依次为顶层氮化硼、石墨烯层和底层氮化硼，所述氮化硼/石墨烯/氮化硼异质结采用石墨烯和氮化硼两种耐高温材料制备；所述传感器能够稳定工作的最高温度为900℃。顶层氮化硼、石墨烯层和底层氮化硼构成的三层结构通过范德瓦尔兹力相互结合。

其中，氮化硼/石墨烯/氮化硼异质结可以耐受900℃高温，进而使传感器具有高达900℃的温度耐受性；具体原理为，位于石墨烯层上下两侧的顶层氮化硼和底层氮化硼为石墨烯创造了无氧环境，无氧环境的创造使石墨烯层能够适应高温环境，从而使氮化硼/石墨烯/氮化硼异质结具有耐高温特性。

氮化硼/石墨烯/氮化硼异质结还具有极高的力学敏感性，在0-5nN/nm²的应力范围内，随着压力的增大通过石墨烯面内的电流由10^-6A减小至10^-9A，变化3个数量级，因而，氮化硼/石墨烯/氮化硼异质结对施加于其表面的力学信号具有极高的敏感性。

同时，无腔室的结构设计避免了压力腔中气、液体高温下的膨胀压力对敏感膜的影响，从而使本发明所述高温压力传感器在高温环境下将具有极高的灵敏度。

本发明采用氮化硼/石墨烯/氮化硼异质结直接构成高温压力传感器，异质结的石墨烯与氮化硼间的原子间距随外部应力的变化而变化，从而影响异质结的电学性能变化，使其对高频力学信号具有极高的灵敏度，

进一步地，所述顶层氮化硼和底层氮化硼的厚度均为20nm-30nm；所述石墨烯层由单层碳原子构成，厚度为0.035nm。

进一步地，所述传感器还包括基片、绝热凸台、螺纹卡口以及底层固定基座；所述氮化硼/石墨烯/氮化硼异质结设置在基片上部的中心位置，所述氮化硼/石墨烯/氮化硼异质结通过范德瓦尔兹力与基片1相连，所述基片设置在所述绝热凸台的中心位置，所述绝热凸台设置于底层固定基座上部，在底层固定基座的周边设置至少一个螺纹卡口，通过螺纹卡口将底层固定基座固定于指定位置。

进一步地，所述传感器还包括两个电极、引线、贯穿绝热凸台和底层固定基座的两个通孔、位于底层固定基座下部的检测模块以及信号显示模块；其中，两个电极设置于基片上部，且分别设置在所述氮化硼/石墨烯/氮化硼异质结的两侧，两个电极均通过引线与检测模块连接，信号检测模块与信号显示模块相连接，其中，两个通孔分别位于两个电极的附近，所述连接电极的引线穿过通孔后与检测模块连接。

进一步地，所述信号检测模块设置于底层固定基座的未设置绝热凸台的一侧；且所述信号检测模块设置在与绝热凸台相对应的位置。

其中，将所述信号检测模块设置在与绝热凸台相对应的位置，从而使绝热凸台保护信号检测模块不受测试环境的高温影响。

进一步地，所述氮化硼/石墨烯/氮化硼异质结感受外部压力产生电学响应信号，所述电学响应信号依次经由电极、引线传递至检测模块，所述检测模块将所述电学响应信号进行放大、去噪以及整流处理获得压力信号，并经由信号显示模块对压力信号进行显示。

进一步地，所述传感器既通过氮化硼/石墨烯/氮化硼异质结的压力敏感机制，既可实现与高温被测物体的接触式压力测量，又可完成对高温被测空间的非接触式压力测量。

进一步地，所述传感器中的基片、异质结、电极、引线、绝热凸台均采用耐高温材料制备，其中，基片采用4号料高温玻璃制成，可承受1200℃高温；利用铂制备的电极和引线耐温高达1768℃；绝热凸台采用航空专用隔热材料高温表面绝热瓦HRSI，可隔离1260℃的高温。

进一步地，所述底层固定基座呈圆形，底层固定基座的面积大于绝热凸台的面积，可较好的隔绝被测高温环境中热量的外泄。

本发明的有益技术效果：

本发明中所述高温压力传感器，在基片上设置氮化硼/石墨烯/氮化硼异质结作为敏感元件，当外界压力作用于氮化硼/石墨烯/氮化硼异质结的表面时，会使其内部原子间距发生变化，从而影响石墨烯六角晶格结构，使石墨烯能带在狄拉克点打开能隙，从而使石墨烯的电学性能发生巨大的变化，通过检测流过石墨烯面内的电流大小就能得到外部所施加的应力大小，同时在这一过程中，氮化硼层为石墨烯提供保护，保证了石墨烯可在900℃高温环境中工作，从而达到在高温环境中测量外部压力的目的。

本发明采用无腔室的开放式结构设计方案，去除了同类器件敏感压力所依赖的压力腔，避免了高温环境下压力腔内气、液体受热膨胀后给敏感薄膜带来的噪声压力影响，可将噪声压力减小300％，同时无腔室的结构也简化了器件的加工工艺，这使本发明中的高温压力传感器与同类器件相比具有工艺简单、灵敏度高、灵敏度温度系数小的优势。

附图说明

图1高温压力传感器整体结构原理图；

图2氮化硼/石墨烯/氮化硼异质结结构示意图；

图3高温压力传感器整体结构示意图；

图4高温压力传感器结构俯视图；

图5氮化硼/石墨烯/氮化硼异质结敏感原理图。

附图标记：1.基片、2.氮化硼/石墨烯/氮化硼异质结、3.电极、4.引线、5.通孔、6.绝热凸台、7.螺纹卡口、8.底层固定基座、9.信号检测模块、10.信号显示模块。

具体实施方式

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结构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。

实施例1

一种新型无腔室的石墨烯高温压力传感器，所述高温压力传感器利用由氮化硼和石墨烯构成的氮化硼/石墨烯/氮化硼异质结敏感外部压力信号，该异质结可承受900℃的持续高温，对高频压力信号极为敏感，同时传感器的整体设计中不涉及压力腔室，这使本发明避免了同类高温压力器件中由压力腔室内的气、液体受热膨胀后噪声压力信号，使器件灵敏度大幅提升。

本发明所述高温压力传感器的基本工作原理是：当外部压力发生变化时，应力作用于氮化硼/石墨烯/氮化硼异质结表面，导致石墨烯与氮化硼之间的原子间距发生变化，原子间距的变化使石墨烯与氮化硼接触面周围产生一对穿层的偶极子，这对穿层偶极子的运动会打破石墨烯中碳原子的对称性，使得石墨烯的能带在狄拉克点处打开了能隙。能隙的产生会影响石墨烯的电导率，致使整个异质结电学性能的变化，通过采集流过石墨烯面内的电流值，输入到信号检测模块就最终可获得施加于氮化硼/石墨烯/氮化硼异质结表面的应力的大小。

以下结合附图对本发明做进一步说明：

如图1和图3所示，氮化硼/石墨烯/氮化硼异质结2和电极3设置在基片1上，两片电极分别与氮化硼/石墨烯/氮化硼异质结2相连接；基片1与绝热凸台6键合连接；通孔5位于基片1的两侧，通孔5贯穿绝热凸台6和底层固定基座8；引线4穿过通孔5，并且引线4连接信号检测模块9和电极3，绝热凸台6与底层固定基座8键合连接；底层固定基座8通过螺纹卡口7与目标测试环境或是被测目标相连接，信号检测模块9与底层固定基座8相连接信号检测模块9与信号显示模块10相连接，其中，所述信号检测模块(9)设置于底层固定基座(8)的未设置绝热凸台(6)的一侧；且所述信号检测模块(9)设置在与绝热凸台(6)相对应的位置，绝热凸台用于保护信号检测模块不受测试环境的高温影响。

如图2所示，氮化硼/石墨烯/氮化硼异质结由上下两层氮化硼以及中间的石墨烯层构成，上下氮化硼层，即顶层氮化硼和底层氮化硼的厚度为均为20-30nm；中间的石墨烯层是由一层碳原子按六角晶格结构排列构成的，石墨烯层厚度为0.035nm，顶层氮化硼和石墨烯层覆盖在电极上，石墨烯层与电极接触，从而保证电极将氮化硼/石墨烯/氮化硼异质结的电学响应信号传递到信号检测模块。

如图4所示，氮化硼/石墨烯/氮化硼异质结2和电极3设置于基片1(10mm×10mm)的中心区域，。氮化硼/石墨烯/氮化硼异质结2敏感外部压力信号的有效区域为5mm×5mm，有效区域的宽度也是两个电极3之间的距离，基片1设置在绝热凸台6(20mm×20mm)的区域内。

如图5所示，该图是复合加工纤维绝热瓦氮化硼/石墨烯/氮化硼异质结敏感原理图，由引线、电极、氮化硼/石墨烯/氮化硼异质结组成电流环路，信号检测模块为所述电流环路提供截止电压V，此时流过氮化硼/石墨烯/氮化硼异质结面内的电流为I，当高温传感器受到外部压力作用时，氮化硼/石墨烯/氮化硼异质结的原子间距在外部压力的作用下发生变化，从而导致氮化硼/石墨烯/氮化硼异质结的电导率发生变化，电导率的变化会使电流环路中的电流产生三个数量级的变化；通过检测环路中电流的变化，最终经过信号检测电路可以获得获得外部压力的大小。

当氮化硼/石墨烯/氮化硼异质结受到外部压力信号作用时，流过石墨烯面内的电流大小与所施加的压力有如下关系：

I(Vb)∝exp[eVb–Eg(P)]

其中，I(Vb)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，Eg为P的函数。

当外部压力在0-5nN/nm²之间变化时，随着压力的增大通过石墨烯面内的电流由10^-6A减小至10^-9A，变化3个数量级。这表明氮化硼/石墨烯/氮化硼异质结在面对外部压力作用时具有极高的灵敏度，证明了本发明中将氮化硼/石墨烯/氮化硼异质结应用于高温压力传感器的可行性，体现了异质结作为敏感结构与其他同类高温压力器件相比的巨大优势。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例和示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解，在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种新型无腔室的石墨烯高温压力传感器，其特征在于，所述高温压力传感器采用无腔室基底结构以减少噪声压力信号；所述高温压力传感器采用氮化硼/石墨烯/氮化硼异质结（2）作为敏感元件感受外部压力；所述氮化硼/石墨烯/氮化硼异质结（2）直接暴露于被测空间，其外部无腔室结构；所述氮化硼/石墨烯/氮化硼异质结（2）为三层结构，从上到下依次为顶层氮化硼、石墨烯层和底层氮化硼，所述氮化硼/石墨烯/氮化硼异质结（2）采用石墨烯和氮化硼两种耐高温材料制备；所述高温压力传感器能够稳定工作的最高温度为900℃。

2.根据权利要求1所述的一种新型无腔室的石墨烯高温压力传感器，其特征在于，所述顶层氮化硼和底层氮化硼的厚度均为20nm-30nm；所述石墨烯层由单层碳原子构成，具有六角晶格结构，厚度为0.035nm。

3.根据权利要求1所述的一种新型无腔室的石墨烯高温压力传感器，其特征在于，所述高温压力传感器还包括基片（1）、绝热凸台（6）、螺纹卡口（7）以及底层固定基座（8）；所述氮化硼/石墨烯/氮化硼异质结（2）设置在基片（1）上部的中心位置，所述基片（1）设置在所述绝热凸台（6）的中心位置，所述绝热凸台（6）设置于底层固定基座（8）上部，在底层固定基座（8）的周边设置至少一个螺纹卡口（7），通过螺纹卡口（7）将底层固定基座（8）固定于指定位置。

4.根据权利要求3所述的一种新型无腔室的石墨烯高温压力传感器，其特征在于，所述高温压力传感器还包括两个电极（3）、引线（4）、贯穿绝热凸台（6）和底层固定基座（8）的通孔（5）、信号显示模块（10）以及位于底层固定基座（8）下部的检测模块（9）；其中，两个电极（3）设置于基片（1）上部，且分别设置在所述氮化硼/石墨烯/氮化硼异质结（2）的两侧，两个电极（3）均通过引线（4）与检测模块（9）连接，信号检测模块（9）与信号显示模块（10）相连接，其中，引线（4）穿过通孔（5）后与检测模块（9）连接。

5.根据权利要求4所述的一种新型无腔室的石墨烯高温压力传感器，其特征在于，所述信号检测模块（9）设置于底层固定基座（8）的未设置绝热凸台（6）的一侧；且所述信号检测模块（9）设置在与绝热凸台（6）相对应的位置。

6.根据权利要求4所述的一种新型无腔室的石墨烯高温压力传感器，其特征在于，所述氮化硼/石墨烯/氮化硼异质结（2）感受外部压力产生电学响应信号，所述电学响应信号依次经由电极（3）、引线（4）传递至检测模块（9），所述检测模块（9）将所述电学响应信号进行放大、去噪以及整流处理获得压力信号，并经由信号显示模块（10)对压力信号进行显示。

7.根据权利要求1所述的一种新型无腔室的石墨烯高温压力传感器，其特征在于，所述高温压力传感器既能够实现接触式压力测量，又能够实现非接触式压力测量。

8.根据权利要求1-7之一所述的一种新型无腔室的石墨烯高温压力传感器，其特征在于，所述高温压力传感器中的基片（1）、异质结（2）、电极（3）、引线（4）、绝热凸台（6）均采用耐高温材料制备。