CN107941385B - 一种基于石墨烯压阻结的压力传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于石墨烯压阻结的压力传感器，主要结构由石墨烯压阻结、引线柱、基片、封装外壳、互连电极、复合电极、密封环、陶瓷基座组成，石墨烯压阻结由氮化硼/石墨烯/氮化硼纳米薄膜、复合电极组成，纳米薄膜由上下两层氮化硼与夹在其中的石墨烯组成，压阻结布置在基片下表面，基片上部刻蚀形成凹形结构，基片与陶瓷基座通过金属键合形成无氧真空腔，隔绝了压阻结与外界的直接接触，为其提供无氧防护,压阻结通过互连电极和引线柱与外部电阻相连构成惠斯通电桥，此器件用石墨烯压阻结替代硅压敏电阻结，可长期稳定工作于1000℃以上的高温环境，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，具体涉及一种基于石墨烯压阻结的压力传感器。
背景技术
高温压力传感器主要用于对火箭发动机、航空发动机、重型燃气轮机的喷嘴燃烧室、压气机、叶片等高温关键部位进行实时监测，提高燃烧性能、推进效率，在测试控制领域中扮演极为重要的角色。
目前MEMS高温压力传感器敏感方式主要分为压阻式和电容式。多数压阻式高温压力传感器利用硅压敏电阻结实现压力测量，虽然SIMOX技术、Al2O3衬底隔离等方法可提升使用温度，但硅压敏电阻本身耐温太低，超过120℃时漏电流加剧，致使传感器性能下降甚至失效，这是这类器件继续发展的瓶颈。SiC高温压力传感器是近年来的研究重点，制备过程需进行高能离子注入等工艺，所引入的损伤大、缺陷多，始终存在高温下非线性温漂严重，可重复性差的问题。电容式高温压力传感器的突出优势是精度高，但缺陷也十分明显，高温下电容梳齿的材料改性、膨胀变形等问题会直接降低器件性能甚至失效。
本发明提出一种基于石墨烯压阻结的新型高温压力传感器，在原有硅结构的基础上，利用石墨烯压阻结替代硅压敏电阻，提高高温压力传感器的高温稳定性，对石墨烯的研究是目前的研究热点，属前沿科学。据调研，文献Electromechanical Resonators fromGraphene、Electromechanical Piezoresistive Sensing in Suspended GrapheneMembranes等率先提出了石墨烯压力传感器，专利号：CN103378082和CN104359597A分别公布了石墨烯压力传感器，但上述器件均不耐高温，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。发明人曾提出另一种基于石墨烯的高温压力传感器(专利号CN104155051)，但其采用无腔室结构，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，而本发明采用压力腔，通过石墨烯的压阻效应敏感压力，所以本发明无论从器件结构还是作用机理均与之不同。
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，石墨烯压阻结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SiPN结高温本征激发失效的现象，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，此外基底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石墨烯压阻结可以稳定工作于1000℃的恶劣环境。
利用石墨烯压阻结替代硅力敏电阻，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，利用石墨烯压阻结代替硅压敏电阻结，设计一种基于石墨烯压阻结的压力传感器，以大幅度提高器件的高温区间。
本发明主要结构由基片、石墨烯压阻结、密封环、引线柱、陶瓷基座、封装外壳、复合电极组成；在陶瓷基座10表面通过密封环8、19设置基片1，通过无氧封装工艺，为纳米薄膜2、3提供无氧真空环境，基片1下表面设有两组石墨烯压阻结，位于膜片14边缘，所述石墨烯压阻结包括氮化硼/石墨烯/氮化硼纳米薄膜2、3及复合电极4、5、6、7，复合电极4、5、6、7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，用于传递压阻结对压力信号的电学响应，互连电极由互连凸点(21、22、23、24)与互连焊盘(25、26、27、28)键合构成，封装外壳13与陶瓷基座10相连并粘结牢固，基片1封闭封装外壳13。
所述基片1为圆形，氮化硼/石墨烯/氮化硼纳米薄膜2、3由上下两层氮化硼以及中间石墨烯构成，基片1上部被刻蚀形成凹形，膜片14为凹形下侧基片1的一部分，两组压阻结位于膜片14边缘，与外部电阻连接成惠斯通电桥。
所述陶瓷基座10通过密封环8、19与基片1相连接，通过无氧封装工艺，为纳米膜2、3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1、密封环(8、19)、互连电极可选用不同材料使传感器满足不同温区的测量需求，基片1可以选择Si、SiC等材料，密封环(8、19)、互连电极可选择Au/Sn合金、Ag/Cu合金、纳米Ag、Au-Au等材料。基片1选择Si，密封环(8、19)、互连电极择Au/Sn合金，传感器可应用于300℃以下的高温环境；基片1选择Si，密封环(8、19)、互连电极选择Ag/Cu合金时，传感器可应用于300～600℃的高温环境；基片1为SiC,密封环(8、19)、互连电极为纳米Ag时，传感器可稳定工作于600～800℃的高温环境；基片1为SiC,密封环(8、19)、互连电极为Au-Au时，传感器可稳定工作于800～1000℃的高温环境。
所述复合电极4、5、6、7布置在石墨烯薄膜两侧，通过布线与互连电极相连，引线柱11、12贯穿基片1，连接互连电极与外部，用于传递压阻结对压力信号的电学响应，互连电极由互连凸点(21、22、23、24)与互连焊盘(25、26、27、28)键合构成，阻挡层15、16、17、18作为浸润层和阻挡层，连接复合电极4、5、6、7与基片1，阻止高温下金原子和硅原子的扩散。封装外壳13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，器件在原有硅结构基础上，利用石墨烯压阻结替代硅压敏电阻，直接避免了硅压敏电阻面对高温时电流泄露导致的性能退化问题，可将器件使用温度提高至1000℃，相比于现有技术优势突出。同时，石墨烯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，提升了器件的高温稳定性，再通过石墨烯压阻结桥路的过滤，检测数据一致性好、可靠性高，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为本发明实施例的惠斯通电桥结构；
图6为本发明实施例的石墨烯压阻结结构图；
图7为本发明实施例的石墨烯压阻结俯视图；
图8为本发明实施例的石墨烯压阻结截面图；
图中所示，附图标记清单如下：
1、基片；2、氮化硼/石墨烯/氮化硼纳米薄膜；3、氮化硼/石墨烯/氮化硼纳米薄膜；4、复合电极；5、复合电极；6、复合电极；7、复合电极；8、密封环；9、互连焊盘；10、陶瓷基座；11、引线柱；12、引线柱；13、封装外壳；14、膜片；15、阻挡层；16、阻挡层；17、阻挡层；18、阻挡层；19、密封环；20、无氧真空腔；21、互连凸点；22、互连凸点；23、互连凸点；24、互连凸点；25、互连焊盘；26、互连焊盘；27、互连焊盘；28、引线柱；29、引线柱；30、外部互连电极；31、外部互连电极；32、外部互连电极；33、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。
如图1所示，为本发明第一实施例的外观立体图，提供一种基于石墨烯压阻结的压力传感器，所述传感器包括一个封装外壳13，所述封装外壳13可以为圆柱形、立方体、长方体等形状，并不做具体限定，本发明附图中，仅示出了长方体结构，所述封装外壳13一侧面设置有基片1，所述封装外壳13、陶瓷基座10及基片1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的整体结构截面图及芯片截面图，在所述内部检测空间的底部设置有一个陶瓷基座10，所述陶瓷基座10外周侧与所述封装外壳13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10面向内部检测空间的一侧，所述检测单元包括石墨烯压阻结及基片1，所述基片1的上侧面刻蚀有一个凹形结构，所述基片1相反于凹形结构的为膜片14，并在该侧布置所述石墨烯压阻结，所述石墨烯压阻结的数量为两组；
如图4、5所示，所述石墨烯压阻结包括氮化硼/石墨烯/氮化硼纳米薄膜(2、3)及复合电极(4、5、6、7)，所述氮化硼/石墨烯/氮化硼纳米薄膜(2、3)与外部电阻连接成二分之一惠斯通电桥；
U输出＝U输入·R1/(R1+R3)-U输入·R4/(R2+R4)
式中的R1、R3为压阻结的电阻值，R2、R4为阻值恒定的电阻，阻值与压力为零时的R1、R3相等，压力为零时，U输出为0，当受到压力作用后，R1、R3电阻值增大，此时式中的减数增大，被减数减小，会大大提高测试的精度。
所述氮化硼/石墨烯/氮化硼纳米薄膜(2、3)的两端分别接设所述复合电极(4、5、6、7)，用于导出氮化硼/石墨烯/氮化硼纳米薄膜(2、3)中的电学响应。具体为：所述电极(4、5、6、7)包括分别连接第一纳米膜2两端的第一电极4及第二电极5，连接第二纳米膜2两端的第三电极6及第四电极7，所述第一电极4、第二电极5、第三电极6、及第四电极7通过布线分别连接第一互连凸点21、第二互连凸点22、第三互连凸点23、第四互连凸点24，所述第一互连凸点21、第二互连凸点22、第三互连凸点23、第四互连凸点24分别键合第一互连焊盘9、第二互连焊盘25、第三互连焊盘26、第四互连焊盘27，所述第一互连焊盘9、第二互连焊盘25、第三互连焊盘26、第四互连焊盘27分别连接第一引线柱11、第二引线柱12、第三引线柱28、第四引线柱29，再分别通过第一外部互连电极30、第二外部互连电极31、第三外部互连电极32、第四外部互连电极33将信号传递至外部检测组件。
所述氮化硼/石墨烯/氮化硼纳米薄膜(2、3)由上下两层厚氮化硼层以及中间厚度单层石墨烯构成，所述氮化硼单层的厚度均约为0.33nm，器件中氮化硼的层数大于等于1；同时氮化硼/石墨烯/氮化硼纳米薄膜(2、3)上方有厚度为d的膜片，有效的提升了传感器的量程，而且随着厚度的变化，可以调整器件的压力承受能力，生产一系列量程不同的产品，实现对器件量程的精确控制。
并所述基片1与所述氮化硼/石墨烯/氮化硼纳米薄膜(2、3)相对的面积小于整个所述基片1的下侧面面积，所述基片1下侧面外周侧通过密封环8、19与所述陶瓷基座10连接，所述陶瓷基座10、基片1及密封环(8、19)构成一个无氧真空腔20，所述无氧真空腔20利用无氧封装工艺封装而成，为纳米膜提供了无氧防护,并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，基座6与隔热层7相连接，将器件固定。
基片1、密封环(8、19)、互连电极可选用不同材料使传感器满足不同温区的测量需求，基片1可以选择Si、SiC等材料，密封环(8、19)、互连电极可选择Au/Sn合金、Ag/Cu合金、纳米Ag、Au-Au等材料。基片1选择Si，密封环(8、19)、互连电极择Au/Sn合金，传感器可应用于300℃以下的高温环境；基片1选择Si，密封环(8、19)、互连电极选择Ag/Cu合金时，传感器可应用于300～600℃的高温环境；基片1为SiC,密封环(8、19)、互连电极为纳米Ag时，传感器可稳定工作于600～800℃的高温环境；基片1为SiC,密封环(8、19)、互连电极为Au-Au时，传感器可稳定工作于800～1000℃的高温环境。
如图6、7所示，在所述复合电极(4、5、6、7)、密封环8与基片1之间均相应的设置有阻挡层(15、16、17、18)，阻止高温下金属原子向基片1扩散。
如图8所示，所述氮化硼/石墨烯/氮化硼纳米薄膜(2、3)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，所述石墨烯层的厚度为0.335nm，所述上层氮化硼层及石墨烯层贴覆在所述复合电极(4、5、6、7)的上侧面，所述下层氮化硼层两端与所述阻挡层(15、16、17、18)相互接触。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。
发明原理是：
当外部压力作用于氮化硼/石墨烯/氮化硼纳米薄膜表面时，石墨烯在压力作用下发生形变，打破了六角晶格的对称结构，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，使惠斯通电桥失去平衡，电学信号输入到信号检测电路通过计算，最终就可获得施加于器件的压力的大小。
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)
1.一种基于石墨烯压阻结的压力传感器，其特征在于，所述传感器包括：
一个封装外壳，所述封装外壳内部上下两端分别设置有一个陶瓷基座及一个基片，所述陶瓷基座、所述基片及所述封装外壳共同界定一个检测空间，所述基片上侧为一个凹形结构，所述凹形结构底部为膜片结构；
一个检测单元，所述检测单元设置在所述检测空间内，所述检测单元包括两个石墨烯压阻结，所述石墨烯压阻结包括氮化硼/石墨烯/氮化硼纳米薄膜及复合电极，两个所述氮化硼/石墨烯/氮化硼纳米薄膜对称地布置在所述膜片结构边缘应力最大处，所述复合电极接设于所述氮化硼/石墨烯/氮化硼纳米薄膜上；
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所述的一种基于石墨烯压阻结的压力传感器，其特征在于，在所述基片的下侧面外周侧通过金属键合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。
3.根据权利要求2所述的一种基于石墨烯压阻结的压力传感器，其特征在于，所述封装外壳与陶瓷基座相连并粘结牢固。
4.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯压阻结的压力传感器，其特征在于，两个所述氮化硼/石墨烯/氮化硼纳米薄膜与外部电阻连通构成惠斯通电桥。
5.根据权利要求2所述的一种基于石墨烯压阻结的压力传感器，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单层石墨烯组成。
6.根据权利要求5所述的一种基于石墨烯压阻结的压力传感器，其特征在于，所述复合电极依次通过互连凸点、互连焊盘及引线柱连接外部检测组件；
所述复合电极、所述密封环与所述基片之间均相应的设置有阻挡层。
7.根据权利要求6所述的一种基于石墨烯压阻结的压力传感器，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复合电极的上侧面，下层氮化硼层两端与所述阻挡层相互接触。
8.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯压阻结的压力传感器，其特征在于，所述无氧真空腔内填充惰性、热膨胀系数较小的气体。
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