CN107748025B - 一种石墨烯/六方氮化硼异质结构压力传感器及制备方法 - Google Patents

一种石墨烯/六方氮化硼异质结构压力传感器及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种石墨烯/六方氮化硼异质结构压力传感器及制备方法，所述传感器至少由硅/二氧化硅衬底层、石墨烯/六方氮化硼异质结构压力感应层、外壳组成。所述衬底层包含电极和空腔；述感应层采用石墨烯和六方氮化硼两种材料制备；所述感应层附着在衬底层的空腔上方；衬底层和感应层封装在外壳内。所述制备方法包括：刻蚀衬底层空腔，制备石墨烯/六方氮化硼异质结构压力感应层，刻蚀感应图案和封装。本发明提供的石墨烯/六方氮化硼异质结构压力传感器线性度好、成品率高、灵敏度较高、稳定性好、预期使用寿命长，且其制作成本低、工艺简易、过程可控，可用于流场压力感知等。

Description

一种石墨烯/六方氮化硼异质结构压力传感器及制备方法
技术领域
本发明涉及感测压力的半导体纳米器件的领域，特别涉及一种石墨烯/六方氮化硼异质结构压力传感器及制备方法。
背景技术
相关理论与实践研究表明，石墨烯作为一种具有良好压阻效应的新型敏感材料，在高性能压力传感领域具有极好的应用前景。国内外科研工作者在石墨烯压力传感器的理论研究、仿真模拟与实验测试等方面取得了一定进展，已制成的基于石墨烯薄膜的压力传感器样品灵敏度比传统硅薄膜压力传感器高20-100倍，初步验证了基于石墨烯的优良特性设计压力传感器的可行性。
目前，石墨烯压力传感器的发展时间尚短，从已有石墨烯薄膜压力传感器的测试结果来看，基于悬浮石墨烯薄膜压阻效应的压力传感器的压力—电阻变化曲线的起始段(0-0.6bar)对压力变化不敏感，局部压力点重复测量结果随机性大，影响了传感器压力测量的线性度和准确性。分析研究后认为，导致上述问题的原因主要是石墨烯薄膜表面褶皱、初始形变、温度等的影响，然而现阶段对此问题缺乏系统深入的理论和实验研究，传感器性能有进一步提升的空间。此外，在石墨烯压力传感器试制过程中发现悬浮在空腔上方的石墨烯薄膜易破损，且破损多为于基底与空腔形成的台阶处，表现为薄膜塌陷、撕裂，致使成品率较低。
发明内容
针对悬浮石墨烯压力传感器中初始段线性度较差，以及在传感器工艺过程中石墨烯薄膜易破损的问题，本发明提供一种石墨烯/六方氮化硼异质结构压力传感器，具体技术方案如下：
所述石墨烯/六方氮化硼异质结构压力传感器至少由硅/二氧化硅衬底层、石墨烯/六方氮化硼异质结构压力感应层、外壳组成；
其中所述硅/二氧化硅衬底层包含电极；所述电极为钛金电极，且为两层结构，上层为金、下层为钛；所述金层厚度为190-210nm；所述钛层为40-60nm；
其中所述硅/二氧化硅衬底层上表面刻蚀有空腔，所述空腔深度不小于1.5μm；
所述石墨烯/六方氮化硼异质结构压力感应层采用石墨烯和六方氮化硼两种材料制备，为两层结构，上层为六方氮化硼，下层为石墨烯；所述石墨烯/六方氮化硼异质结构压力感应层附着在所述硅/二氧化硅衬底层上表面的空腔上方，且所述石墨烯/六方氮化硼异质结构压力感应层与所述硅/二氧化硅衬底层上的电极直接接触；
所述石墨烯/六方氮化硼异质结构压力感应层上刻蚀有圆形的图案；
所述外壳包括基片、管座、管脚、盖帽；所述硅/二氧化硅衬底与所述基片上表面键合连接，所述基片下表面与所述管座上表面通过键合连接；所述盖帽覆盖在石墨烯/六方氮化硼异质结构压力感应层上方；所述管脚贯穿管座上下表面，所述管脚的上端通过引线与所述硅/二氧化硅衬底的电极相连，下端连接外部的测试电路；
所述外壳覆盖硅/二氧化硅衬底层、石墨烯/六方氮化硼异质结构压力感应层。
所述石墨烯/六方氮化硼异质结构压力传感器的工作量程为0.2-1.0bar。
所述石墨烯/六方氮化硼异质结构压力感应层静态电阻为5.3-5.5KΩ。
所述石墨烯层厚度为0.335-1.0nm；六方氮化硼层厚度为0.330-1.0nm。
刻蚀的石墨烯/六方氮化硼异质结构感应层的图案是形状为半径为9.5-10.5μm的圆形。
此外，本发明还提供一种制备上述石墨烯/六方氮化硼异质结构压力传感器的方法，具体包括以下步骤：
(1)先将硅/二氧化硅衬底用丙酮和异丙醇进行超声清洗至少五分钟，然后在硅/二氧化硅衬底层上刻蚀空腔，使得空腔深度不小于1.5μm；所述刻蚀空腔的方法可以用深反应离子刻蚀或者深硅刻蚀工艺；
(2)制备石墨烯/六方氮化硼异质结构压力感应层；其中所述石墨烯薄膜可通过本领域已知的方法制备，例如化学气相沉积法(CVD)法；六方氮化硼薄膜可通过将六方氮化硼粉体经过涂覆、滚压、抽滤、喷涂制备。所述石墨烯/六方氮化硼异质结构压力感应层制备方法如下：1)将铜基石墨烯薄膜放入三氯化铁溶液表面2-3小时，待铜基被三氯化铁溶液彻底溶解后，将悬浮在三氯化铁溶液表面的石墨烯薄膜转移到干净的硅片上，转移后将硅片晾干，再在烘箱中烘干；2)将硅片放入丙酮溶液中浸泡，取出硅片放入烘箱中烘干，完成后将硅片放到一旁备用；3)将铜基六方氮化硼薄膜放入三氯化铁溶液表面2-3小时，待铜基被三氯化铁溶液彻底溶解后，将悬浮在三氯化铁溶液表面的六方氮化硼薄膜转移至上述硅片上有石墨烯的区域，将硅片放入烘箱中烘干；4)将硅片放入丙酮溶液中浸泡，再将硅片放入烘箱中烘干，至此所述石墨烯/六方氮化硼异质结构压力感应层制备完成；应注意制备石墨烯/六方氮化硼异质结构压力感应层时容器及环境的干净整洁，压力感应层对于杂质较为敏感，杂质较多时会严重影响其压力感知的效果；
(3)将石墨烯/六方氮化硼异质结构压力感应层和硅/二氧化硅衬底层放置在去离子水中，将压力感应层放置在硅/二氧化硅衬底层的上表面，压力感应层覆盖在空腔上方，并确保石墨烯/六方氮化硼异质结构压力感应层与衬底层的电极接触；
(4)在石墨烯/六方氮化硼异质结构压力感应层上进行电子束光刻，刻蚀出感应图案，感应图案为半径9.5-10.5μm的圆形；
(5)按照所需外形尺寸切割硅/二氧化硅衬底；
(6)采用芯片键合、贴片、引线键合、封盖及涂胶保护等工艺，对石墨烯/六方氮化硼异质结构压力感应层和硅/二氧化硅衬底层进行封装，得到石墨烯/六方氮化硼异质结构压力传感器。
本发明的基本工作原理是：当外部压力发生变化时，应力作用于石墨烯/六方氮化硼异质结构表面，导致石墨烯与六方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六方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，导致整个异质结构电学性能的变化，通过万用表测量异质结构阻值变化量，最终可获得施加于石墨烯/六方氮化硼异质结构表面的应力的大小。
本发明中采用石墨烯/六方氮化硼异质结构作为敏感元件感受外部压力信号，可以显著提高压力传感器初始段线性度；该异质结构中的六方氮化硼薄膜能保护石墨烯薄膜，减少石墨烯薄膜在工艺过程中破损的情况，提高压力传感器成品率；因此本发明提供的石墨烯/六方氮化硼异质结构压力传感器线性度好、成品率高、灵敏度较高、稳定性好、预期使用寿命长，且其制作成本低、工艺简易、过程可控，可用于流场压力感知等。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为实施例中石墨烯/六方氮化硼异质结构压力传感器的整体结构示意图；
图2为实施例中石墨烯/六方氮化硼异质结构压力传感器的俯视图；
图3为实施例中石墨烯/六方氮化硼异质结构压力感应层和硅/二氧化硅衬底层局部结构示意图；
图4为石墨烯/六方氮化硼异质结构压力传感器测试原理图。
附图标记：1.石墨烯/六方氮化硼异质结构、2.密封空腔、3.钛金电极、4.硅/二氧化硅衬底、5.引线、6.基片、7.盖帽、8.管座、9.管脚。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1和图2所示，本实施例中，石墨烯/六方氮化硼异质结构1和电极3设置在硅/二氧化硅衬底4上，同时硅/二氧化硅衬底4上还刻蚀有密封空腔2；两片电极3分别与石墨烯/六方氮化硼异质结构1相连接；硅/二氧化硅衬底4与外壳中的基片6键合连接；引线5连接电极3和外壳中的管脚9；基片6与外壳中的管座8通过键合连接；盖帽7和管座8保护压力传感器芯片不受测试环境的高温影响；管脚9下端用于连接外部的测试电路。
如图3所示，石墨烯/六方氮化硼异质结构1由上层的六方氮化硼和下层的石墨烯构成，本实施例中所述石墨烯层厚度为0.335nm；；六方氮化硼层厚度为0.330nm；石墨烯/六方氮化硼异质结构1铺在空腔2上，通过石墨烯与二氧化硅之间的范德华力将其密封；同时，石墨烯/六方氮化硼异质结构1与电极3接触，从而保证电极将石墨烯/六方氮化硼异质结构1的电学响应信号传递到外部测试电路中。
如图4所示，由引线、电极、石墨烯/六方氮化硼异质结构、恒流源以及电压表组成的电路的简化示意图，外部测试电路中电压表检测电压也就是异质结构阻值变化，当传感器受到外部压力作用(如图中箭头所示)时，异质结构原子间距发生变化，从而导致异质结构阻值发生变化；通过检测电路中的电压值变化，最终获得外部压力的大小。
此外，制备上述实施例中石墨烯/六方氮化硼异质结构压力传感器的方法，具体包括以下步骤：
一、先将硅/二氧化硅衬底用丙酮和异丙醇进行超声清洗至少五分钟，然后在硅/二氧化硅衬底层上刻蚀空腔，使得空腔深度不小于1.5μm；所述刻蚀空腔的方法可以用深反应离子刻蚀或者深硅刻蚀工艺；
二、制备石墨烯/六方氮化硼异质结构压力感应层；其中所述石墨烯薄膜可通过本领域已知的方法制备，例如化学气相沉积法(CVD)法；六方氮化硼薄膜可通过将六方氮化硼粉体经过涂覆、滚压、抽滤、喷涂制备。所述石墨烯/六方氮化硼异质结构压力感应层制备方法如下：
(1)首先将铜基石墨烯薄膜放入三氯化铁溶液表面2-3小时，待铜基被三氯化铁溶液彻底溶解后，将悬浮在三氯化铁溶液表面的石墨烯薄膜转移到干净的硅片上，转移后将硅片晾干，再在100℃的烘箱中烘干20分钟；(2)再将硅片放入丙酮溶液中浸泡5分钟，再将取出硅片放入50℃烘箱中烘10分钟干，完成后将硅片放到一旁备用；(3)同样，将铜基六方氮化硼薄膜放入三氯化铁溶液表面2-3小时，待铜基被三氯化铁溶液彻底溶解后，将悬浮在三氯化铁溶液表面的六方氮化硼薄膜转移至刚才的上述硅片上有石墨烯的区域，再将硅片放入100℃的烘箱中烘20分钟干；(4)再将硅片放入丙酮溶液中浸泡5分钟，再将硅片放入50℃烘箱中烘10分钟干，至此所述石墨烯/六方氮化硼异质结构压力感应层制备完成；应注意制备石墨烯/六方氮化硼异质结构压力感应层时容器及环境的干净整洁，压力感应层对于杂质较为敏感，杂质较多时会严重影响其压力感知的效果；
(3)将石墨烯/六方氮化硼异质结构压力感应层和硅/二氧化硅衬底层放置在去离子水中，将压力感应层放置在硅/二氧化硅衬底层的上表面，压力感应层覆盖在空腔上方，并确保石墨烯/六方氮化硼异质结构压力感应层与衬底层的电极接触；
(4)在石墨烯/六方氮化硼异质结构压力感应层上进行电子束光刻，刻蚀出感应图案，感应图案为半径9.5μm的圆形；
(5)按照所需外形尺寸切割硅/二氧化硅衬底；
(6)采用芯片键合、贴片、引线键合、封盖及涂胶保护等工艺，对石墨烯/六方氮化硼异质结构压力感应层和硅/二氧化硅衬底层进行封装，得到石墨烯/六方氮化硼异质结构压力传感器。

Claims (7)

1.一种石墨烯/六方氮化硼异质结构压力传感器，至少包括硅/二氧化硅衬底层、石墨烯/六方氮化硼异质结构压力感应层、外壳；
所述硅/二氧化硅衬底层包含电极；所述电极为钛金电极，且为两层结构，上层为金、下层为钛；
所述硅/二氧化硅衬底层上表面刻蚀有空腔，所述空腔深度不小于1.5μm；
所述石墨烯/六方氮化硼异质结构压力感应层采用石墨烯和六方氮化硼两种材料制备，为两层结构，上层为六方氮化硼，下层为石墨烯；
所述石墨烯/六方氮化硼异质结构压力感应层附着在所述硅/二氧化硅衬底层上表面的空腔上方，且所述石墨烯/六方氮化硼异质结构压力感应层与所述硅/二氧化硅衬底层上的电极直接接触；
所述石墨烯/六方氮化硼异质结构压力感应层上刻蚀有圆形的图案；
所述外壳包括基片、管座、管脚、盖帽；所述硅/二氧化硅衬底与所述基片上表面键合连接，所述基片下表面与所述管座上表面通过键合连接；所述盖帽覆盖在石墨烯/六方氮化硼异质结构压力感应层上方；所述管脚贯穿管座上下表面，所述管脚的上端通过引线与所述硅/二氧化硅衬底的电极相连，下端连接外部的测试电路；
所述外壳覆盖硅/二氧化硅衬底层、石墨烯/六方氮化硼异质结构压力感应层。
2.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述石墨烯/六方氮化硼异质结构压力传感器的工作量程为0.2-1.0bar。
3.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述石墨烯层厚度为0.335-1.0nm；六方氮化硼层厚度为0.330-1.0nm。
4.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述电极中金层厚度为190-210nm，钛层为40-60nm。
5.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述圆形的图案的半径为9.5-10.5μm。
6.一种制备如权利要求1～5任一项所述的石墨烯/六方氮化硼异质结构压力传感器的方法，包括如下步骤：
首先将硅/二氧化硅衬底用丙酮和异丙醇进行超声清洗至少五分钟，然后在硅/二氧化硅衬底层上刻蚀空腔，使得空腔深度不小于1.5μm；所述刻蚀空腔的方法可以用深反应离子刻蚀或者深硅刻蚀工艺；
然后制备石墨烯/六方氮化硼异质结构压力感应层：(1)将铜基石墨烯薄膜放入三氯化铁溶液表面2-3小时，待铜基被三氯化铁溶液彻底溶解后，将悬浮在三氯化铁溶液表面的石墨烯薄膜转移到干净的硅片上，转移后将硅片晾干，再在烘箱中烘干；(2)将硅片放入丙酮溶液中浸泡，取出硅片放入烘箱中烘干，完成后将硅片放到一旁备用；(3)将铜基六方氮化硼薄膜放入三氯化铁溶液表面2-3小时，待铜基被三氯化铁溶液彻底溶解后，将悬浮在三氯化铁溶液表面的六方氮化硼薄膜转移至上述硅片上有石墨烯的区域，将硅片放入烘箱中烘干；(4)将硅片放入丙酮溶液中浸泡，再将硅片放入烘箱中烘干；
再然后将石墨烯/六方氮化硼异质结构压力感应层和硅/二氧化硅衬底层放置在去离子水中，将压力感应层放置在衬底层的上表面，压力感应层覆盖在衬底层的空腔上方，并确保压力感应层与衬底层的电极接触；
再然后在石墨烯/六方氮化硼异质结构压力感应层上进行电子束光刻，刻蚀出感应图案，感应图案为半径9.5-10.5μm的圆形；
再然后按照所需外形尺寸切割硅/二氧化硅衬底；
最后采用芯片键合、贴片、引线键合、封盖及涂胶保护等工艺，对石墨烯/六方氮化硼异质结构压力感应层和硅/二氧化硅衬底层进行封装，得到石墨烯/六方氮化硼异质结构压力传感器。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述石墨烯薄膜可通过化学气相沉积法制备；六方氮化硼薄膜可通过将六方氮化硼粉体经过涂覆、滚压、抽滤、喷涂制备。
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CN107748025A (zh) 2018-03-02

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