CN107359235B - 一种石墨烯压力传感器 - Google Patents
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Abstract
一种石墨烯压力传感器，主要结构由纳米膜、互连电极、引线柱、基片、封装外壳、陶瓷基座、密封环组成。检测由纳米膜、基片、互连电极组成，纳米膜由上下两层氮化硼与夹在其中的石墨烯组成，布置在基片下表面，基片上部刻蚀形成了凹形结构，下部与陶瓷基座通过金属键合形成无氧真空腔，隔绝了纳米膜与外界的直接接触，为其提供无氧防护，互连电极由互连凸点键合互连焊盘组成，通过引线柱将检测单元与外部相连，氮化硼/石墨烯/氮化硼三层纳米薄膜既是器件的功能材料，又是其结构材料，器件最高可稳定工作于1000℃的高温环境，重复性好、可靠性高，耐酸碱、抗腐蚀，可应用于动态、静态高温测试环境，显著提升高温区间。
Description
技术领域
本发明属于高温压力测量的技术领域，具体涉及一种石墨烯压力传感器。
背景技术
高温压力传感器主要应用于高温环境下的压力测量和功能控制，利用高温传感器可对火箭发动机、航空发动机、重型燃气轮机、燃煤燃气锅炉等设备的喷嘴燃烧室、压气机、叶片等高温关键部位的压力进行实时监测，提高燃烧性能、推进效率。
传统MEMS压力传感器以单晶硅为基片，在N型衬底上制作P型扩散电阻，依靠反偏PN结实现电学隔离，环境温度超过120℃时，PN结漏电流加剧，传感器性能下降甚至失效。面对硅材料在高温环境下的不足，开发基于新材料的高温压力传感器成为主流研究方向，主要有绝缘体上硅(SOI)、蓝宝石上硅(SOS)和碳化硅(SiC)等。SOI压力传感器利用绝缘埋氧层隔离来取代PN结隔离，将器件的使用温度提升到了500℃，但基于硅材料本身的限制，无法应用于更高的温度环境；SOS压力传感器通过在蓝宝石晶体上异质外延生长单晶硅薄膜，可以工作在350℃的高温环境下，但蓝宝石与硅材料晶格失配严重，难以保障高温下长期稳定工作；SiC高温压力传感器是目前世界上主流的研究方向，样机使用温度达600℃，但器件制备过程中需要对SiC进行高能离子注入等工艺，所引入的损伤大、缺陷多，导致器件非线性温漂严重，可重复性差。
针对现有高温压力传感器出现的上述问题，申请人提出利用耐高温的石墨烯和氮化硼制备高温压力传感器。据调研，文献《Electromechanical Resonators fromGraphene》、《Electromechanical Piezoresistive Sensing in Suspended GrapheneMembranes》等率先提出了将石墨烯应用于压力传感器，专利CN103378082、专利CN104359597A等分别公布了工作在常温下的石墨烯压力传感器，均不耐高温，本发明提出的基于石墨烯压阻结的高温压力传感器可稳定工作于高温环境。发明人曾提出一件申请前案：一种宽量程石墨烯高温压力传感器(专利号CN104155051A)，采用了无腔室结构，由于氮化硼/石墨烯异质结在压力作用下层间距的变化会引起石墨烯电导率发生改变，所以上述发明利用这一异质效应来敏感外部压力，而本发明中器件具有压力腔，利用石墨烯的压阻效应敏感压力，申请前案与本发明的器件结构、作用机理均不同。
实验测试表明石墨烯可以稳定存在于3000℃的无氧高温环境中，氮化硼纳米陶瓷薄膜可工作于2800℃的无氧环境,两者均具有良好的耐高温特性；石墨烯的压阻效应是受压形变引起了能隙的变化，对高频力学信号具有极高灵敏度，同时可以避免类似Si PN结高温本征激发失效的现象，具有高温稳定性；氮化硼具有与石墨烯相似的晶格结构，将石墨烯夹在两层氮化硼中，可以为石墨烯提供绝氧、隔绝杂质的保护和平整的介质层，再通过封装工艺将纳米膜处于无氧环境中提供双重保护，此外基片选择碳化硅，正常使用温度也可达1580℃，因此进行无氧环境封装后的纳米薄膜可以稳定工作于1000℃的恶劣环境。
氮化硼/石墨烯/氮化硼三层纳米薄膜既是器件的功能材料，又是结构材料，实现高温环境下的压力测量，是目前最为前沿的科学技术，是世界科技界予以探索的技术领域。
发明内容
本发明的目的就是针对背景技术的不足，设计一种石墨烯压力传感器，以大幅度提高高温压力传感器的高温区间，使检测数据更加准确、详实。
为了有效解决上述问题，本发明提出一种石墨烯压力传感器。本发明的主要结构由：纳米膜、互连电极、引线柱、基片、封装外壳、陶瓷基座、密封环组成。在陶瓷基座9表面通过密封环4、5连接基片6，基片6下表面布置了纳米膜1，并通过电极22、23接牢固，所述电极22、23与互连凸点2、3电学连接，所述互连凸点2、3与互连焊盘7、21键合构成互连电极，引线柱11、12连接互连焊盘7、21贯穿陶瓷基座9连接外界；基片6上部刻蚀了凹形结构，凹形结构与纳米膜1之间有一层膜片10，隔绝了纳米膜1与外界的接触；封装外壳8与陶瓷基座9键合；基片6与封装外壳8键合。
所述基片6为圆形，基片6上布置氮化硼/石墨烯/氮化硼纳米膜1作为敏感薄膜，由上下两层氮化硼层以及中间的石墨烯层构成，基片6上部被刻蚀形成凹形结构，膜片10为凹形结构的一部分。
所述陶瓷基座9通过密封环4、5连接基片6，通过无氧封装工艺，为纳米膜1提供无氧真空环境，腔内可填充惰性、热膨胀系数较小的气体调整真空度满足不同的测试环境。
基片6、密封环(4、5)、互连电极可选用不同材料使传感器满足不同温区的测量要求，基片6可以选择Si、SiC等材料，密封环(4、5)、互连电极可选择Au/Sn合金、Ag/Cu合金、纳米Ag、Au等材料。基片6选择Si，密封环(4、5)、互连电极选择Au/Sn合金时，传感器可应用于低于300℃的高温环境；基片6选择Si，密封环(4、5)、互连电极选择Ag/Cu时，传感器可应用于300～600℃的高温环境；基片6为SiC,密封环(4、5)、互连电极选择纳米Ag时，传感器可稳定工作于600～800℃的高温环境；基片6为SiC,密封环(4、5)、互连电极选择Au时，传感器可稳定工作于800～1000℃的高温环境。
所述电极22、23布置在石墨烯薄膜两侧，用于导出氮化硼/石墨烯/氮化硼纳米薄膜中的电学响应，引线柱11、12连接互连电极和外部，用于传递氮化硼/石墨烯/氮化硼纳米薄膜对压力信号的电学响应，互连电极由互连凸点2、3键合互连焊盘7、21构成；阻挡层13、14、15、16作为浸润层和阻挡层，连接电极22、23，密封环4、5与基片6，阻止高温下金属原子和基片原子的相互扩散。封装外壳8用以隔绝外部环境，支撑、保护内部表头结构。
本发明与背景技术相比具有明显的先进性，氮化硼/石墨烯/氮化硼三层纳米薄膜形成的压敏结构在器件中既是功能材料参与力学敏感过程，又参与构成器件结构，避免了硅压敏电阻面对高温时电流泄露的问题，再通过无氧封装将器件使用温度提高至1000℃，比现有技术优势突出。同时，石墨烯薄膜被氮化硼纳米薄膜夹在中间，有效的消除了周围环境中的干扰因素，提升了器件的可靠性，检测数据一致性好，可应用于动态、静态高温测试环境，是十分理想的高温压力传感器。
附图说明
图1为本发明实施例的外观立体示意图；
图2为本发明实施例的整体结构截面图；
图3为本发明实施例的芯片整体结构图；
图4为本发明实施例的芯片结构仰视图；
图5为本发明实施例的石墨烯力敏结构图；
图6为本发明实施例的石墨烯力敏结构俯视图；
图7为本发明实施例的石墨烯力敏结构截面图；
图中所示，附图标记清单如下：
1、氮化硼/石墨烯/氮化硼纳米薄膜；2、互连凸点；3、互连凸点；4、密封环；5、密封环；6、基片；7、互连焊盘；8、封装外壳；9、陶瓷基座；10、膜片；11、引线柱；12、引线柱；13、阻挡层；14、阻挡层；15、阻挡层；16、阻挡层；17、下层氮化硼层；18、上层氮化硼层；19、石墨烯层；20、无氧真空腔；21、互连焊盘；22、电极；23、电极；24、外部互连电极；25、外部互连电极。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，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相同或类似的元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。
在本发明的描述中，需要理解的是，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，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的组合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。另外，本发明实施例的描述过程中，所有图中的“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等器件位置关系，均以图1为标准。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，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；可以是直接相连，也可以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而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
以下结合附图对本发明做进一步说明：
如图1所示，为本发明第一实施例提出的一种压阻效应的石墨烯高温压力传感器的外观立体示意图，所述传感器包括一个封装外壳8，所述封装外壳8整体可以为圆柱形、正方体、长方体等，并不做具体限制，在附图1中仅示出了圆柱形结构；
所述封装外壳8上部为开口状结构，并在开口状结构内侧设置有基片6，所述封装外壳8、陶瓷基座9及基片6共同界定一个内部检测空间，本发明提出的检测单元设置在所述内部检测空间内。
如图2、3所示，为本发明第一实施例提出的一种压阻效应的石墨烯高温压力传感器的整体结构截面图及芯片整体结构图，所述内部检测空间底部设置有一个陶瓷基座9，所述陶瓷基座9外周侧与所述封装外壳8内侧面相互接设；
所述检测单元置于所述内部检测空间内，并具体设置在所述陶瓷基座9面向所述内部检测空间的一侧，所述检测单元包括氮化硼/石墨烯/氮化硼纳米薄膜1、互连电极及所述基片6，所述氮化硼/石墨烯/氮化硼纳米薄膜1在本发明中还可以理解为纳米膜；所述互连电极由互连凸点2、3键合互连焊盘7、21构成，所述基片6上侧面刻蚀有一个凹形结构，膜片10为凹形结构的一部分，所述膜片10下侧布置有所述氮化硼/石墨烯/氮化硼纳米薄膜1，并所述基片6与所述氮化硼/石墨烯/氮化硼纳米薄膜1相对的面积小于整个所述基片6的下侧面面积，在所述基片6的下侧面外周侧通过密封环4与所述陶瓷基座9连接，所述陶瓷基座9、基片6及密封环4、5构成一个无氧真空腔20，为纳米膜提供了无氧防护,隔绝了其与外界的直接接触，腔内可填充惰性、热膨胀系数较小的气体调整真空度满足不同的测试环境。
所述膜片10的厚度为d，所述膜片能够有效的提升传感器的量程和线性区间，隔绝纳米膜与外界的接触，而且随着d的变化，可以调整器件对压力的承受能力，生产一系列量程不同的产品，实现对器件量程的精确控制。
基片6、密封环(4、5)、互连电极可选用不同材料使传感器满足不同温区的测量要求，基片6可以选择Si、SiC等材料，密封环(4、5)、互连电极可选择Au/Sn合金、Ag/Cu合金、纳米Ag、Au等材料。基片6选择Si，密封环(4、5)、互连电极选择Au/Sn合金时，传感器可应用于低于300℃的高温环境；基片6选择Si，密封环(4、5)、互连电极选择Ag/Cu时，传感器可应用于300～600℃的高温环境；基片6为SiC,密封环(4、5)、互连电极选择纳米Ag时，传感器可稳定工作于600～800℃的高温环境；基片6为SiC,密封环(4、5)、互连电极选择Au时，传感器可稳定工作于800～1000℃的高温环境。
如图4所示，为本发明第一实施例的芯片仰视图，所述电极(22、23)分别连接所述氮化硼/石墨烯/氮化硼纳米薄膜1的两端，用于导出氮化硼/石墨烯/氮化硼纳米薄膜1中的电学响应，具体为：所述第一电极22、第二电极23通过布线分别电学连接第一互连凸点2、第二互连焊点3，所述第一互连凸点2、第二互连焊点3分别键合互连焊盘7、第一互连焊盘21，所述第一互连焊盘7及第二互连焊盘21分别通过第一引线柱11、第二引线柱12，及与所述引线柱相连的第一外部互连电极24、第一外部互连电极25连接外部检测组件，所述外部检测组件为现有技术中构成完整传感器结构的组件即可。
如图5、6所示，在所述第一电极22、第二电极23、密封环4与基片6之间均相应的设置有阻挡层(13、14、15、16)，阻止高温下金属原子向基片扩散。
如图7所示，所述氮化硼/石墨烯/氮化硼纳米薄膜1由上层氮化硼层18、下层氮化硼层17及夹在其中的石墨烯层19组成，在其他实施例中，所述上层、下层氮化硼(17、18)的层数大于等于1，石墨烯19为单层结构，所述上层氮化硼层18及石墨烯层19贴覆在所述第一互连电极2、第二互连电极3的上侧面，所述下层氮化硼层17两端与所述阻挡层(13、14、15、16)相互接触。
本发明原理是：
当外部压力信号作用于膜片表面时，会使石墨烯发生形变，打破了六角晶格的对称结构，使石墨烯的能带在狄拉克点打开能隙。能隙的产生会影响石墨烯的电导率，通过检测石墨烯面内的电流变化即可测得外部施加的压力值，同时在这一过程中，无氧真空腔与双层氮化硼为石墨烯层提供隔氧保护，保证了石墨烯可在1000℃的高温环境下工作，从而实现高温环境下压力的高精度测量。
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或示例。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这些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)
1.一种石墨烯压力传感器，可稳定工作于1000℃的高温环境，其特征在于，所述传感器包括：
一个封装外壳，所述封装外壳内侧面两端分别设置有一个陶瓷基座及一个基片，所述陶瓷基座上侧面、所述基片下侧面及封装外壳共同界定一个检测空间；
一个检测单元，所述检测单元设置在所述检测空间内，所述检测单元包括氮化硼/石墨烯/氮化硼纳米薄膜及电极，所述氮化硼/石墨烯/氮化硼纳米薄膜布置在所述基片下侧面中心位置处，通过基片感受外部压力变化，所述电极接设于所述氮化硼/石墨烯/氮化硼纳米薄膜；
所述检测空间为一个能够将氮化硼/石墨烯/氮化硼纳米薄膜与外部空气隔离的无氧真空腔。
2.根据权利要求1所述的一种石墨烯压力传感器，其特征在于，所述基片上侧面中心部刻蚀有一个凹形结构，在凹形结构相反方向的一侧为膜片，所述膜片下侧布置所述氮化硼/石墨烯/氮化硼纳米薄膜，并所述氮化硼/石墨烯/氮化硼纳米薄膜的面积小于整个所述基片的面积。
3.根据权利要求2所述的一种石墨烯压力传感器，其特征在于，在所述基片的下侧面外周侧通过密封环支撑在所述陶瓷基座上侧面，所述陶瓷基座、膜片及密封环构成所述无氧真空腔。
4.根据权利要求3所述的一种石墨烯压力传感器，其特征在于，所述封装外壳与陶瓷基座相连并粘结牢固。
5.根据权利要求3所述的一种石墨烯压力传感器，其特征在于，所述氮化硼/石墨烯/氮化硼纳米薄膜由上层氮化硼层、下层氮化硼层及夹在其中的石墨烯层组成，所述石墨烯为单层结构。
6.根据权利要求5所述的一种石墨烯压力传感器，其特征在于，所述电极包括分别连接所述氮化硼/石墨烯/氮化硼纳米薄膜的两端的第一电极及第二电极，所述第一电极依次通过第一互连凸点、第一互连焊盘及第一引线柱连接外部检测组件；
所述第二电极依次通过第二互连凸点、第二互连焊盘及第二引线柱连接外部检测组件。
7.根据权利要求6所述的一种石墨烯压力传感器，其特征在于，在所述第一电极、第二电极、密封环与基片之间均相应的设置有阻挡层。
8.根据权利要求7所述的一种石墨烯压力传感器，其特征在于，所述氮化硼/石墨烯/氮化硼纳米薄膜的上层氮化硼层及石墨烯层贴覆在所述第一电极、第二电极的上侧面，下层氮化硼层两端与所述阻挡层相互接触。
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