CN109764998A - 一种膜片式石墨烯mems微压传感器芯片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种膜片式石墨烯MEMS微压传感器芯片及其制备方法，包括：硅质基底、二氧化硅纳米薄膜、四个石墨烯薄膜电阻、硼玻璃、金属导线和焊盘；硅质基底的正面设置有二氧化硅纳米薄膜，二氧化硅纳米薄膜上设置有焊盘，硅质基底的背面键合有硼玻璃；硅质基底内设置有背腔；在二氧化硅纳米薄膜的应力集中处设置有四个石墨烯薄膜电阻；所述四个石墨烯薄膜电阻通过金属导线与焊盘相连接形成惠斯通全桥检测电路。本发明结构简单，制备方便，各个方向的灵敏度相同，对后端电路设计要求低。
Description
技术领域
本发明属于微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)压力传感器芯片技术领域，特别涉及一种膜片式石墨烯MEMS微压传感器芯片及其制备方法。
背景技术
MEMS微压压力传感器由于具有体积小、重量轻、精度高等优点而备受瞩目；其微压测量范围在百帕以内，可用于多种特殊场合，比如医学领域的颅压检测和高空稀薄气压监测等。根据敏感机理不同，可以分为电容式、压阻式、压电式、谐振式和热传导式等。其中，压阻式传感器的设计制造简单，后端电路设计相对简单，便于信号的采集与处理，且对电磁和静电干扰的敏感度低，易维护，因此被广泛应用。
传统的硅基压阻式MEMS微压传感器中，敏感材料与弹性元件都是硅材料，硅的应力应变特性具有各向异性，导致芯片结构尺寸相对较大，限制了进一步推广。另外，传统掺杂硅材料的压阻系数有限，敏感电阻条的形成需要2-3步掺杂，然后再图形化形成，工艺流程复杂，且不利于敏感性能的提高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种膜片式石墨烯MEMS微压传感器芯片及其制备方法，以解决现存的传统硅基MEMS微压传感器尺寸相对较大，敏感性能有限和工艺复杂的技术问题。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种膜片式石墨烯MEMS微压传感器芯片，包括：硅质基底、二氧化硅纳米薄膜、四个石墨烯薄膜电阻、硼玻璃、金属导线和焊盘；硅质基底的正面设置有二氧化硅纳米薄膜，二氧化硅纳米薄膜上设置有焊盘，硅质基底的背面键合有硼玻璃；硅质基底内设置有背腔；在二氧化硅纳米薄膜的应力集中处设置有四个石墨烯薄膜电阻；所述四个石墨烯薄膜电阻通过金属导线与焊盘相连接形成惠斯通全桥检测电路。
进一步地，二氧化硅纳米薄膜上有刻蚀加工形成的正方形悬空薄膜；四个石墨烯薄膜电阻分别处于悬空薄膜的应力集中处。
进一步地，所述背腔位于硅质基底的背面和硼玻璃的正面之间。
进一步地，石墨烯薄膜电阻采用化学气相沉积方法制备后转移到二氧化硅纳米薄膜表面，由硬质掩膜为保护层，通过高能氧等离子体刻蚀形成。
进一步地，石墨烯薄膜电阻中石墨烯薄膜膜片的厚度为0.335nm。
进一步地，二氧化硅纳米薄膜的厚度为200nm～500nm。
一种膜片式石墨烯MEMS微压传感器芯片的制备方法，包括以下步骤：
S1，在硅质基底的背面加工出背腔，在硅质基底正面的二氧化硅纳米薄膜上加工形成正方形悬空薄膜；
S2，制备石墨烯，并将制备的石墨烯贴合在二氧化硅纳米薄膜表面；
S3，通过二氧化硅纳米薄膜表面的石墨烯制备出四个石墨烯薄膜电阻，所述四个石墨烯薄膜电阻位于二氧化硅纳米薄膜的应力集中处；
S4，在二氧化硅纳米薄膜的表面制备金属导线和焊盘；通过金属导线和焊盘将四个石墨烯薄膜电阻连接得到惠斯通全桥电路，获得膜片式石墨烯MEMS微压传感器芯片。
进一步地，S2具体包括：
(1)称量100ml苯甲醚和4g PMMA粉末混合，在水浴50度环境下磁力搅拌6小时，制备获得PMMA苯甲醚溶液；将制备好的PMMA苯甲醚溶液使用匀胶机旋涂在铜基石墨烯表面；
(2)配制铜刻蚀液；
(3)将旋涂有PMMA的铜基石墨烯放入配置的铜刻蚀液，刻蚀预设时间后冲洗烘干；
(4)将表面有PMMA的石墨烯转移贴合在二氧化硅纳米薄膜表面；放入丙酮中浸泡去除PMMA，然后取出烘干。
进一步地，步骤3中，将旋涂有PMMA的铜基石墨烯放入配置的铜刻蚀液，刻蚀20min后取出放入去离子水中清洗3次，每次10min，放入烘箱干燥10min，烘箱温度50℃；步骤4中，将表面有PMMA的石墨烯转移到二氧化硅纳米薄膜表面贴合，然后放入丙酮中浸泡去除PMMA，取出后放入烘箱干燥10min，烘箱温度40℃。
进一步地，S4具体包括：利用掩膜版在硅质基底正面进行光刻，得到待沉积电极区域；采用蒸镀技术在待沉积电极区域先后沉积金属Cr和Au，利用丙酮剥离得到金属导线和焊盘。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明的二氧化硅纳米薄膜上有刻蚀加工形成的正方形悬空薄膜，四个石墨烯薄膜电阻位于二氧化硅纳米薄膜的应力集中处，故本发明所述的基于石墨烯MEMS微压传感器的灵敏度较高；石墨烯的压阻性能表现为各向同性，能够与MEMS加工工艺兼容，因此本发明基于石墨烯的膜片式微压传感器芯片结构简单，制备方便，各个方向的灵敏度相同，对后端电路设计要求低。
进一步地，石墨烯薄膜的厚度只有原子级别0.335nm，但是杨氏模量极高，石墨烯表面表现为超润滑状态，摩擦系数极低，且石墨烯与MEMS硅基底表面二氧化硅结合力强，可适用于恶劣工况。
附图说明
图1是本发明的一种膜片式石墨烯MEMS微压传感器芯片的整体结构示意图；
图2是图1中A-A处截面剖视结构示意图；
图3是本发明的一种膜片式石墨烯MEMS微压传感器芯片的加工工艺流程示意图；
图4是本发明的工作原理示意图；
图1至图2中，1、硅质基底；2、二氧化硅纳米薄膜；3、背腔；4、硼玻璃；6-1、第一石墨烯薄膜电阻；6-2、第二石墨烯薄膜电阻；6-3、第三石墨烯薄膜电阻；6-4、第四石墨烯薄膜电阻；7、金属导线；8、焊盘。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
请参阅图1和图2，本发明的一种膜片式石墨烯MEMS微压传感器芯片，包括：硅质基底1、二氧化硅敏感纳米薄膜、硼玻璃4、石墨烯薄膜电阻、金属导线7以及焊盘8。
硅质基底1的背面与硼玻璃4的正面键合，硅质基底1的背面和硼玻璃4的正面之间设有空腔。二氧化硅纳米薄膜2上有刻蚀加工形成的正方形悬空薄膜；四个石墨烯薄膜电阻分别处于悬空薄膜的应力集中处，四个石墨烯薄膜电阻连接成惠斯通全桥检测电路，并通过金属导线7和焊盘8连接。硅质基底1、硼玻璃4、石墨烯薄膜电阻、金属导线7以及焊盘8构成基于石墨烯的膜片式MEMS微压传感器芯片。
其中，二氧化硅纳米薄膜2上有刻蚀加工形成的正方形悬空薄膜；四个石墨烯薄膜电阻分别处于悬空薄膜的应力集中处。背腔3位于硅质基底1的背面和硼玻璃4的正面之间。石墨烯薄膜电阻采用化学气相沉积方法制备后转移到二氧化硅纳米薄膜2表面，由硬质掩膜为保护层，通过高能氧等离子体刻蚀形成。石墨烯薄膜电阻中石墨烯薄膜膜片的厚度为0.335nm。二氧化硅纳米薄膜2的厚度为200nm～500nm。
石墨烯电阻采用化学气相沉积方法制备在基底上而后转移到硅基底表面，并由硬质掩膜为保护层，高能氧等离子体刻蚀形成。本发明采用的石墨烯压阻材料具有电学性能优异、耐腐蚀，高弹性模量等优良特性，具有很大的市场效益和经济价值。规则石墨烯的电阻率几乎为零，受压石墨烯六元环变形不对称后，电阻率发生改变，压阻效应显著，故本发明的基于石墨烯MEMS微压传感器灵敏度高。石墨烯的压阻性能表现为各向同性，能够与MEMS加工工艺兼容，因此本发明基于石墨烯的膜片式微压传感器芯片结构简单，制备方便，各个方向的灵敏度相同，对后端电路设计要求低；另外，石墨烯薄膜的厚度只有原子级别0.335nm，但是杨氏模量极高，石墨烯表面表现为超润滑状态，摩擦系数极低，且石墨烯与MEMS硅基底表面二氧化硅结合力强，可适用于恶劣工况。
请参阅图1至图3，本发明的一种膜片式石墨烯MEMS微压传感器芯片的制备方法，包括以下步骤：
(1)对硅质基底结构的背面光刻出背面空腔图案，然后干刻去掉硅质基底结构背面表面空腔图案内的二氧化硅；置于湿法腐蚀液中刻蚀硅质基底结构，湿法腐蚀停止后，硅质基底结构正面形成200nm二氧化硅敏感纳米薄膜结构。
(2)称量4g PMMA粉末，称好放到棕色广口瓶里，量100ml苯甲醚放入瓶子里，水浴50度保持磁力搅拌6小时，使用匀胶机在铜基石墨烯表面旋涂制备好的PMMA。
(3)配制铜刻蚀液，硫酸铜：盐酸：水＝10g：50ml：50ml；将上一步骤中旋涂PMMA的铜基石墨烯放入铜刻蚀液，刻蚀20min后取出放入去离子水中清洗3次，每次10min，放入烘箱干燥10min，烘箱温度50℃。
(4)将表面有PMMA的石墨烯转移到二氧化硅敏感纳米薄膜结构表面贴合，然后放入丙酮中浸泡去除PMMA，取出后放入烘箱干燥10min，烘箱温度40℃。
(5)采用硬质掩膜为保护层，高能氧等离子体刻蚀形成石墨烯薄膜电阻。利用掩膜版硅质基底结构正面进行第二道光刻，得到待沉积电极区域，采用蒸镀技术在待沉积电极区域沉积金属Cr和Au，利用丙酮剥离得到金属导线7以及焊盘8。金属导线7和焊盘8将第一石墨烯薄膜电阻6-1、第二石墨烯薄膜电阻6-2、第三石墨烯薄膜电阻6-3、第四石墨烯薄膜电阻6-4连接得到惠斯通全桥电路。
本发明的工作原理为：
参照图4，利用非晶态碳膜的压阻效应，当四个石墨烯薄膜电阻处于一定应力作用下时，由于载流子迁移率的变化，其电阻率发生变化，其阻值的变化与其所受应力之间的比例关系为：
其中，K为石墨烯薄膜电阻的等效压阻系数，压阻系数是用来表征压阻效应强弱的，被定义为单位作用下石墨烯薄膜电阻率的相对变化与应变ε的比值，R为初始电阻值；ΔR为电阻变化值。
对于由石墨烯薄膜电阻组成的惠斯通全桥检测电路，采用恒压源供电，当外界加速度作用到传感器芯片上时，其输出电压可以表示为：
公式2中的Vo、Vi分别为电桥的输出电压和输入电压，R1、R2、R3和R4分别为布置在敏感结构应力集中处的第一石墨烯薄膜电阻6-1、第二石墨烯薄膜电阻6-2、第三石墨烯薄膜电阻6-3和第四石墨烯薄膜电阻6-4的阻值。
经过代入化简，有如下公式：
当二氧化硅敏感纳米薄膜结构受到压力作用时，将会在薄膜内产生应变分布，石墨烯薄膜电阻因与二氧化硅敏感纳米薄膜结构结合在一起，产生几乎相同的应变。由于石墨烯压阻效应各向同性，芯片中的四个石墨烯薄膜电阻布置于二氧化硅敏感纳米薄膜结构的最大应变处，根据压阻效应公式，第一石墨烯薄膜电阻6-1、第三石墨烯薄膜电阻6-3的阻值会产生拉伸应变，第二石墨烯薄膜电阻6-2、第四石墨烯薄膜电阻6-4的阻值会产生压缩应变，进而引起电桥失衡，从而输出一个电压值，由于二氧化硅敏感纳米薄膜结构上的应变与应力成正比，而石墨烯电阻的变化量与薄膜的应变成正比，因此输出电压与其所承受的压力值成正比，最终实现了将压力转化成电信号的功能。由于未变形前的石墨烯电阻率极低，因此根据公式(3)可知，传感器的电压输出信号将非常灵敏，能够感知微小压力。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (10)
1.一种膜片式石墨烯MEMS微压传感器芯片，其特征在于，包括：硅质基底(1)、二氧化硅纳米薄膜(2)、四个石墨烯薄膜电阻、硼玻璃(4)、金属导线(7)和焊盘(8)；
硅质基底(1)的正面设置有二氧化硅纳米薄膜(2)，二氧化硅纳米薄膜(2)上设置有焊盘(8)，硅质基底(1)的背面键合有硼玻璃(4)；硅质基底(1)内设置有背腔(3)；
在二氧化硅纳米薄膜(2)的应力集中处设置有四个石墨烯薄膜电阻；所述四个石墨烯薄膜电阻通过金属导线(7)与焊盘(8)相连接形成惠斯通全桥检测电路。
2.根据权利要求1所述的一种膜片式石墨烯MEMS微压传感器芯片，其特征在于，二氧化硅纳米薄膜(2)上有刻蚀加工形成的正方形悬空薄膜；四个石墨烯薄膜电阻分别处于悬空薄膜的应力集中处。
3.根据权利要求1所述的一种膜片式石墨烯MEMS微压传感器芯片，其特征在于，所述背腔(3)位于硅质基底(1)的背面和硼玻璃(4)的正面之间。
4.根据权利要求1所述的一种膜片式石墨烯MEMS微压传感器芯片，其特征在于，石墨烯薄膜电阻采用化学气相沉积方法制备后转移到二氧化硅纳米薄膜(2)表面，由硬质掩膜为保护层，通过高能氧等离子体刻蚀形成。
5.根据权利要求1所述的一种膜片式石墨烯MEMS微压传感器芯片，其特征在于，石墨烯薄膜电阻中石墨烯薄膜膜片的厚度为0.335nm。
6.根据权利要求1所述的一种膜片式石墨烯MEMS微压传感器芯片，其特征在于，二氧化硅纳米薄膜(2)的厚度为200nm～500nm。
7.一种膜片式石墨烯MEMS微压传感器芯片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，在硅质基底的背面加工出背腔(3)，在硅质基底(1)正面的二氧化硅纳米薄膜(2)上加工形成正方形悬空薄膜；
S2，制备石墨烯，并将制备的石墨烯贴合在二氧化硅纳米薄膜(2)表面；
S3，通过二氧化硅纳米薄膜(2)表面的石墨烯制备出四个石墨烯薄膜电阻，所述四个石墨烯薄膜电阻位于二氧化硅纳米薄膜(2)的应力集中处；
S4，在二氧化硅纳米薄膜(2)的表面制备金属导线和焊盘；通过金属导线(7)和焊盘(8)将四个石墨烯薄膜电阻连接得到惠斯通全桥电路，获得膜片式石墨烯MEMS微压传感器芯片。
8.根据权利要求7所述的一种膜片式石墨烯MEMS微压传感器芯片的制备方法，其特征在于，S2具体包括：
(1)称量100ml苯甲醚和4g PMMA粉末混合，在水浴50度环境下磁力搅拌6小时，制备获得PMMA苯甲醚溶液；将制备好的PMMA苯甲醚溶液使用匀胶机旋涂在铜基石墨烯表面；
(2)配制铜刻蚀液；
(3)将旋涂有PMMA的铜基石墨烯放入配置的铜刻蚀液，刻蚀预设时间后冲洗烘干；
(4)将表面有PMMA的石墨烯转移贴合在二氧化硅纳米薄膜(2)表面；放入丙酮中浸泡去除PMMA，然后取出烘干。
9.根据权利要求8所述的一种膜片式石墨烯MEMS微压传感器芯片的制备方法，其特征在于，
步骤(3)中，将旋涂有PMMA的铜基石墨烯放入配置的铜刻蚀液，刻蚀20min后取出放入去离子水中清洗3次，每次10min，放入烘箱干燥10min，烘箱温度50℃；
步骤(4)中，将表面有PMMA的石墨烯转移到二氧化硅纳米薄膜表面贴合，然后放入丙酮中浸泡去除PMMA，取出后放入烘箱干燥10min，烘箱温度40℃。
10.根据权利要求7所述的一种膜片式石墨烯MEMS微压传感器芯片的制备方法，其特征在于，S4具体包括：
利用掩膜版在硅质基底正面进行光刻，得到待沉积电极区域；采用蒸镀技术在待沉积电极区域先后沉积金属Cr和Au，利用丙酮剥离得到金属导线和焊盘。
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