CN107436205A - 一种片内温度补偿石墨烯压力传感器 - Google Patents

Abstract

一种片内温度补偿石墨烯压力传感器，主要结构由力敏薄膜、温敏薄膜、互连电极、基片、密封环、封装外壳、基板、陶瓷基座、引线柱组成。力敏薄膜和温敏薄膜均由复合纳米薄膜、电极组成，布置于基片下侧，处于同一温区，基片上部刻蚀有一个凹型结构，基板在与温敏薄膜相对的位置刻蚀形成一凸台结构，复合纳米薄膜由两层氮化硼与夹在其中的石墨烯组成，基片底部外周侧通过密封环键合在基板上构成无氧真空腔，隔绝了复合纳米薄膜与外界的直接接触，互连电极、引线柱将力敏薄膜和温敏薄膜与外部相连接，传感器可应用于动态、静态测试环境，利用温敏薄膜检测温度干扰信号，补偿力敏薄膜压力测量时产生的温度误差，实现对压力的准确测量。

Description

一种片内温度补偿石墨烯压力传感器

技术领域

本发明涉及一种片内温度补偿的石墨烯压力传感器，属压力测量 及误差分析的技术领域。

背景技术

现代化工业生产过程中，压力与温度、流量一起并称为自动化控 制的三大要素。航空航天、水利水电、武器装备、汽车生产等工业领 域，对压力传感器的测控精度以及稳定性提出了越来越高的要求。

实际应用过程中，压力传感器的测量精度受温度影响会产生严重 的漂移，主要包括零点漂移和灵敏度漂移，其产生的原因分别是敏感 电阻的电导率和压阻系数会受到温度的影响，半导体压敏电阻的温度 系数与掺杂浓度相关，制作工艺上很难实现惠斯通电桥每个桥臂电阻 的温度系数完全相同，力敏电阻的不等性使得温度漂移更加复杂，也 成为压力传感器温度补偿工作难度大的根本原因。目前多采用的有前 端隔温处理或后端算法补偿这两种方法，复杂而且未从根本上解决问 题。

针对上述问题，本发明提出一种片内温度补偿石墨烯压力传感器， 提出将石墨烯取代传统半导体力敏材料，利用石墨烯优异的力敏和温 敏特性，由温敏薄膜检测温度干扰信号，补偿力敏薄膜压力测量过程 中的温度误差，实现器件的自温度补偿，从根本上解决压力传感器温 度补偿难度大的问题。

发明内容

发明目的

本发明的目的就是针对背景技术的不足，设计一种片内温度补偿 石墨烯压力传感器，从根本上解决压力传感器难以实现准确温度补偿 的难题。

技术方案

本发明的主要结构由力敏纳米薄膜、温敏纳米薄膜、互连电极、 基片、密封环、封装外壳、基板、陶瓷基座、引线柱组成。

在陶瓷基座12上设置基板11，并粘结牢固，在基板11表面通 过密封环8、9键合基片7，基板11在相对于温敏纳米薄膜4的位置 刻蚀形成一凸台结构17，基片7下表面布置了力敏纳米薄膜1和温 敏纳米薄膜4，并通过电极1、2、5、6粘接牢固，电极1、2、5、6 通过布线与互连电极相连，引线柱11、12贯穿陶瓷基座10，连接互 连电极与外部，用于传递温敏薄膜与力敏薄膜对压力信号和温度信号 的电学响应，互连电极由互连凸点(30、31、32、33)与互连焊盘(34、 35、36、37)键合构成；基片7上部刻蚀了凹形结构；封装外壳10 与陶瓷基座12键合，基片7封闭封装外壳10。

基片7下部布置了力敏纳米薄膜3和温敏纳米薄膜4，均由上下 两层氮化硼层以及中间单层石墨烯构成，所述氮化硼的层数大于等于 1；基片7上部刻蚀形成了凹形结构，膜片16为凹形结构的一部分, 基片7与封装外壳10键合。

基板11通过密封环8、9键合基片7，基片7、基板11、密封环(8、9)组成了一个密封的无氧真空腔，隔绝了纳米薄膜与外界的直 接接触，并保障两组纳米薄膜(3、4)处于同一温区，基板11在相 对于温敏薄膜4的位置刻蚀形成一凸台结构17，保障温敏薄膜4在 外部压力作用下不会发生形变，陶瓷基座12与基板11相连接，将器 件固定。

电极1、2、5、6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，电极1、2、5、6通过布线与互连 电极相连，引线柱11、12贯穿陶瓷基座10，连接互连电极与外部， 用于传递温敏薄膜与力敏薄膜对压力信号和温度信号的电学响应，互连电极由互连凸点(30、31、32、33)与互连焊盘(34、35、36、37) 键合构成；浸润层18、19、20、21、22、23起到浸润与阻挡的作用， 分别连接电极1、2、5、6，密封环8、9与基片7，加大粘合力，并 阻止高温下金属原子和基片原子的相互扩散。封装外壳10用以隔绝 外部环境，支撑、保护内部表头结构。

有益效果

本发明与背景技术相比具有明显的先进性，利用石墨烯薄膜替代 了传统的半导体压阻材料，避免了力敏电阻因掺杂导致的不等现象， 进而使温度漂移问题简单化，利用金属将基片与基板键合形成无氧真 空腔，同时，石墨烯夹在两层氮化硼纳米薄膜之间，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，传感器可应用于动态、 静态高力学测试环境，利用温敏薄膜检测温度干扰信号补偿力敏薄膜 压力测量时产生的温度误差，从根本上解决目前压力传感器难以实现 准确温度补偿的问题。

附图说明

图1为本发明实施例的立体示意图；

图2为本发明实施例的整体结构示意图；

图3为本发明实施例的芯片结构立体示意图；

图4为本发明实施例的芯片结构俯视图；

图5为本发明实施例的芯片结构侧视图；

图6为本发明实施例的石墨烯敏感结构图；

图7为本发明实施例的石墨烯敏感结构俯视图；

图8为本发明实施例的石墨烯敏感结构截面图；

图中所示，附图标记清单如下：

1、电极；2、电极；3、力敏纳米薄膜；4、温敏纳米薄膜；5、 电极；6、电极；7、基片；8、密封环；9密封环；10、封装外壳； 11、基板；12陶瓷基座；13、引线柱；14、引线柱；15、无氧真空 腔；16、膜片；17、凸台结构；18、浸润层；19、浸润层；20、浸润 层；21、浸润层；22、浸润层；23、浸润层；24、底层氮化硼；25、 底层氮化硼；26、石墨烯；27、石墨烯；28、上层氮化硼；29、上层 氮化硼；30、互连凸点；31、互连凸点；32、互连凸点；33、互连凸 点；34、互连焊盘；35、互连焊盘；36、互连焊盘；37、互连焊盘； 38、引线柱；39、引线柱；40、外部互连电极；41、外部互连电极； 42、外部互连电极；43、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。

发明原理是：

当外部压力信号作用于刻蚀形成的凹形结构时，会使膜片与力敏 石墨烯发生形变，形变打破了石墨烯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，改变了石墨烯的电导率。与此同时测试 环境温度的升高会导致石墨烯电导率发生变化，并对石墨烯的压阻系 数产生影响，但并未出现类似半导体力敏电阻不等导致的复杂温漂现 象，使温漂现象简单化。

密闭的无氧真空腔将力敏纳米薄膜与温敏纳米薄膜处于同一温 区中，利用温敏薄膜检测温度干扰信号反馈补偿检测单元的压力检测 结果，即可实现高精度压力测量，从根本上解决了高精度温度补偿的 难题。

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片内温度补偿石墨 烯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10， 所述封装外壳10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10上部为开口状结构，并在开口状结构内侧设置 有基片7，在所述封装外壳10内侧设置有一个陶瓷基座12，所述封 装外壳10、陶瓷基座12及基片7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。

具体为所述基片7提供内部检测空间的上侧面，所述陶瓷基座 12提供内部检测空间的周侧面，所述陶瓷基座12提供内部检测空间 的下侧面。

如图2所示，为本发明第一实施例提出的一种片内温度补偿石墨 烯压力传感器的整体结构截面图，所述内部检测空间底部设置有一个 陶瓷基座12，所述陶瓷基座12外周侧与所述壳体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12面向所述内部检测空间的一侧，所述检测单元包括力敏纳米 薄膜3、温敏纳米薄膜4、电极(1、2、5、6)及基片7；基片7下 侧面布置有所述力敏纳米薄膜3、温敏纳米薄膜4，基片7包括在上 侧面刻蚀有一个凹形结构，所述凹形结构的凹腔所面向基片的下侧面 为一个膜片16结构，在所述膜片16的下侧面设置所述检测单元，所 述力敏纳米薄膜3及温敏纳米薄膜4相互对称的设置在所述膜片16 的下侧面上，并基片7与力敏纳米薄膜3、温敏纳米薄膜4相对的面 积小于整个所述基片7的下侧面面积，在所述陶瓷基座12面向内部 检测空间的侧面上设置有一个基板11，所述基片7的下侧面外周侧 通过密封环7、8键合在所述基板11上，所述基片7、密封环及基板 11共同界定一个密封腔，所述密封腔置于所述内部检测空间内，所 述基板11在相对于温敏薄膜4的位置刻蚀形成一凸台结构17，保障 温敏薄膜4在外部压力作用下不会发生形变，在基片7的下侧面外周 侧通过密封环8、9键合在所述基板11上，在所述基板11相对所述 力敏纳米薄膜3的位置上未刻蚀有凸台结构，所述密封腔在相对力敏 纳米薄膜3的位置上构成一个无氧真空腔15。

膜片16的厚度为d，膜片16能够有效的提升传感器的量程和线 性区间，对纳米薄膜片(3、4)提供保护，而且随着d的变化，可以 生产一系列量程不同的产品，实现对器件量程的准确控制。

如图3、4、5所示，为本发明第一实施例的芯片整体结构图、俯 视图和仰视图，所述电极(1、2、5、6)分别连接力敏纳米薄膜3、 力敏纳米薄膜4的两端，用于导出纳米薄膜中的电学响应，具体为： 所述电极(1、2、5、6)包括分别连接力敏纳米薄膜3两端的第一电 极1及第二电极2，连接温敏纳米薄膜4两端的第三电极5及第四电 极6，所述第一电极1、第二电极2、第三电极5、及第四电极6通过 布线分别连接第一互连凸点30、第二互连凸点31、第三互连凸点32、 第四互连凸点33，所述第一互连凸点30、第二互连凸点31、第三互 连凸点32、第四互连凸点33分别键合第一互连焊盘34、第二互连焊 盘35、第三互连焊盘36、第四互连焊盘37，所述第一互连焊盘34、 第二互连焊盘35、第三互连焊盘36、第四互连焊盘37分别连接第一 引线柱13、第二引线柱14、第三引线柱38、第二引线柱39，所述第 一引线柱13、第二引线柱14、第三引线柱38、第二引线柱39通过 第一外部互连电极40、第二外部互连电极41、第三外部互连电极42、 第四外部互连电极43将信号传递至外部检测组件。

所述陶瓷基座12上侧面布置有一层所述基板11，所述检测单元 直接设置在所述基板11上侧，并封装外壳10与基板11和陶瓷基座 12相连并粘结牢固。

如图6所示，在所述第一电极1、第二电极2、第三电极5、第 四电极6、密封环(8、9)与基片1之间均相应的设置有浸润层(18、 19、20、21、22、23)，加强电极(1、2、5、6)、密封环(8、9)与 基片1的粘合，并在高温环境下阻止金属原子与基片原子的相互扩散。

如图7、8所示，所述力敏纳米薄膜3与温敏纳米薄膜4构造相 同，均由上层氮化硼层(24、25)、下层氮化硼层(28、29)及夹在 其中的石墨烯层(26、27)组成，所述石墨烯层26、27为单层结构， 所述上层氮化硼层24及石墨烯层26贴覆在所述第一电极1、第二电 极2的上侧面，所述上层氮化硼层25及石墨烯层27贴覆在所述第三 电极5、第四电极6的上侧面，所述下层氮化硼层28、29两端分别 与对应的所述浸润层(18、19、20、21、22、23)相互直接接触。

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 (9)

1.一种片内温度补偿石墨烯压力传感器，其特征在于，所述传感器包括：

封装壳体，所述封装壳体上部为开口结构，在所述开口结构内侧设置有基片，所述封装壳体内侧设置有陶瓷基座，所述基片、陶瓷基座及封装壳体共同界定一个内部检测空间；

检测单元，所述检测单元设置在所述内部检测空间内，并所述检测单元包括置于同一温区的力敏纳米薄膜、及温敏纳米薄膜，所述力敏纳米薄膜及温敏纳米薄膜布置在所述基片面向内部检测空间的一侧面上，所述基片相对力敏纳米薄膜的部分为感应压力部分，相对温敏纳米薄膜的部分为感应温度部分；

所述内部检测空间提供一个凸台结构置于所述温敏纳米薄膜下侧面，并与所述温敏纳米薄膜相互接触，还于相对力敏纳米薄膜的下侧提供无氧真空腔；

所述力敏纳米薄膜及温敏纳米薄膜通过电极连接外部检测组件。

2.根据权利要求1所述的一种片内温度补偿石墨烯压力传感器，其特征在于，所述基片包括在上侧面刻蚀的凹形结构、及凹形结构凹腔对应所述基片下侧的膜片结构；

所述力敏纳米薄膜及温敏纳米薄膜对称的布置在所述膜片面向所述内部检测空间的侧面上。

3.根据权利要求1所述的一种片内温度补偿石墨烯压力传感器，其特征在于，所述陶瓷基座面向内部检测空间的侧面上设置有基板，所述膜片的下侧面外周侧通过密封环键合在所述基板上；

所述基板相对所述温敏薄膜的位置处刻蚀形成所述凸台结构，所述凸台结构支撑并与所述温敏薄膜接触。

4.根据权利要求3所述的一种片内温度补偿石墨烯压力传感器，其特征在于，所述力敏纳米薄膜及温敏纳米薄膜任意相对的两端均连接有电极；

所有所述电极均通过布线连接有相应的互连凸点，所述互连凸点分别键合对应的互连焊盘，所述互连焊盘连接对应的引线柱。

5.根据权利要求3或4所述的一种片内温度补偿石墨烯压力传感器，其特征在于，所述电极及密封环均分别对应的设置浸润层。

6.根据权利要求5所述的一种片内温度补偿石墨烯压力传感器，其特征在于，所述力敏纳米薄膜及温敏纳米薄膜均由上层氮化硼层、下层氮化硼层及设置在其中的石墨烯层组成；

所述上层氮化硼层及石墨烯层贴覆在所述电极的上侧面，所述下层氮化硼层两端分别与对应的所述浸润层相互直接接触。

7.根据权利要求4所述的一种片内温度补偿石墨烯压力传感器，其特征在于，所述互连凸点及所述互连焊盘均置于所述密封环内侧；

所述引线柱贯穿所述盖板及陶瓷基座。

8.根据权利要求1所述的一种片内温度补偿石墨烯压力传感器，其特征在于，所述无氧真空腔内部可填充惰性、热膨胀系数较小的气体。

9.根据权利要求1所述的一种片内温度补偿石墨烯压力传感器，其特征在于，所述基片与力敏纳米薄膜、温敏纳米薄膜相对的面积小于整个所述基片的下侧面面积。