CN110057475B - 一种高灵敏度石墨烯压阻式应变传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了传感器技术领域的一种高灵敏度石墨烯压阻式应变传感器，旨在解决现有技术中石墨烯传感器灵敏度不高的技术问题，一种高灵敏度石墨烯压阻式应变传感器，包括硅衬底，在硅衬底上有二氧化硅绝缘层，二氧化硅绝缘层上有多个腔体，每个腔体上都用石墨烯薄膜覆盖，施加在顶板上的压力通过顶板上的支柱传递给石墨烯薄膜，通过测量石墨烯薄膜的电阻值的变化得出施加在顶板上的压力的变化。本发明提出的高灵敏度压力应变传感器，通过顶板与外界压力接触，而后将压力变化通过支柱传递给石墨烯薄膜的方法，避免了石墨烯薄膜直接与外界压力接触，从而保护了石墨烯薄膜，增强了应变传感器的耐用性，有效提高了传感器的灵敏度和稳定性。

Description

一种高灵敏度石墨烯压阻式应变传感器

技术领域

本发明属于传感器技术领域，具体涉及一种高灵敏度石墨烯压阻式应变传感器。

背景技术

在微机电系统应变传感器普遍采用硅薄膜作为感应材料，由于硅材料的物理性能有限，因此硅膜传感器尺寸较大、灵敏度有限，随时间老化，零点漂移和迟滞增大现象明显。石墨烯被公认为21世纪的“革命性材料”。石墨烯自2004年被发现以来，凭借独特优异的机械与电学性质，迅速成为应变传感器研究中的热点材料，基于石墨烯材料制作的应变传感器极大提升了应变传感器的性能。

现有技术中，石墨烯薄膜直接与外界压力接触，利用石墨烯薄膜电阻随压力变化而发生变化的原理进行压力传感，由于石墨烯直接与外部变化接触且石墨烯较薄，因此传感器的感应部分石墨烯薄膜易受到破坏而使得传感器失效。当外界压力与石墨烯接触面积较小时，传感性能大大降低，无法确保外界压力与石墨烯薄膜的接触面积在石墨烯薄膜中心，因此无法准确测量压力变化。传统的硅阻型压力传感器，利用P型掺杂硅膜的电阻率随压力变化而发生变化的原理进行压力传感；硅的电子迁移率仅为1400cm²/(V·s)，导致硅阻式压力传感器的灵敏度有限，不适用于检测精度要求较高的环境，并且由于硅薄膜等材料由于硅的物理性能有限，灵敏度有限，随时间老化，零点漂移和迟滞增大现象明显。石墨烯的电子迁移率均在150000cm²/(V·s)且不随温度改变。

由于石墨烯的优异材料特性，制成的石墨烯压力传感器较传统传感器具有高灵敏度度、高量程、纳米尺寸、柔韧性、可穿戴性等优点，因此石墨烯传感器可应用于声纹识别、可穿戴设备、医疗设备等场合。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高灵敏度石墨烯压阻式应变传感器，以解决现有技术中石墨烯传感器灵敏度不高的技术问题。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种高灵敏度石墨烯压阻式应变传感器，包括硅衬底，在硅衬底上用氧化法氧化出二氧化硅绝缘层，二氧化硅绝缘层上刻蚀出多个腔体，每个腔体上都用石墨烯薄膜覆盖，施加在顶板上的压力通过顶板上的支柱传递给石墨烯薄膜，石墨烯薄膜在压力作用下发生形变，形变导致其电阻发生变化，通过测量石墨烯薄膜的电阻值的变化得出施加在顶板上的压力的变化。

所述腔体的表面刻蚀用于测量石墨烯薄膜的电阻值的金属电极。

所述腔体有3个，顶板上对应的有3个支柱，支柱与石墨烯薄膜的中心通过环氧树脂连接。

所述腔体为圆柱形。

所述硅衬底为圆柱形。

所述氧化法为干氧氧化法。

所述支柱与石墨烯薄膜相连接的底面为圆形。

所述支柱的长度为2.2μm。

所述石墨烯薄膜为圆形。

所述石墨烯薄膜有3层。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：

(1)本发明提出的高灵敏度压力应变传感器，通过顶板与外界压力接触，而后将压力变化通过支柱传递给石墨烯薄膜的方法，避免了石墨烯薄膜直接与外界压力接触，从而保护了石墨烯薄膜，增强了应变传感器的耐用性，有效提高了传感器的灵敏度和稳定性；

(2)本发明提出的高灵敏度压力应变传感器，体积小、重量轻、功耗低，便于集成等，突破了传统压力传感器尺寸较大、灵敏度有限的限制。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种高灵敏度石墨烯压阻式应变传感器的立体结构示意图；

图2是本发明实施例提供的一种高灵敏度石墨烯压阻式应变传感器的主视图；

图3是本发明实施例提供的一种高灵敏度石墨烯压阻式应变传感器的俯视图；

图4是本发明实施例提供的一种高灵敏度石墨烯压阻式应变传感器在20kPa下的仿真图；

图5是本发明实施例提供的一种高灵敏度石墨烯压阻式应变传感器的圆形石墨烯薄膜在20kPa下的仿真图；

图6是正方形石墨烯薄膜在20kPa下的仿真图；

图7是圆形石墨烯薄膜的中心形变位移与石墨烯层数的关系图；

图中：1.顶板；2.支柱；3.金属电极1；4.金属电极2；5.石墨烯薄膜；6.腔体；7.二氧化硅绝缘层；8.硅衬底。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图中所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须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。本发明描述中使用的术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”指的是附图中的方向，术语“内”、“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。

如图1、图2、图3所示，将清洗、烘干后的晶圆硅片作为衬底，然后将硅片切割为半径为10μm，高为9μm的圆柱体，以此作为硅衬底，用干氧氧化的方法，在硅片表面氧化出一层二氧化硅绝缘层，在二氧化硅上均匀刻蚀出三个半径为2.5μm，高为2μm的圆柱形腔体，并将氧化、刻蚀后得到的衬底进行清洗。在硅衬底上采用干氧氧化制得的二氧化硅氧化层均匀性和重复性好、掩蔽能力强、钝化效果好。分别在三个圆柱形腔体表面刻蚀半径为0.1μm的圆形金属电极图案，每个圆柱形腔体表面的金属电极1和金属电极2与所在圆柱形腔体的圆心共线。每个圆柱形腔体的上方覆盖石墨烯薄膜，在圆柱形腔体表面的直径两端旁刻蚀电极，可最大限度测量石墨烯电阻，保证石墨烯发生微弱形变时，电阻变化尽可能大，可有效放大石墨烯压阻效应。将整个设备置于丙酮中清洗5min除去光刻胶，然后用去离子水清洗3min，最后通过导线将三个测量石墨烯薄膜电阻值的金属电极进行串联。

采用CVD(化学气相沉积)的方法在铜片上生长石墨烯薄膜，在此石墨烯上旋涂一层PMMA(甲丙烯酸甲酯)，再用FeCl3溶液将铜片刻蚀掉。本实施例中的压阻材料选用石墨烯薄膜，因为石墨烯具有优异的压阻性能，最大应变为25％，对压力检测范围广且检测灵敏度极高。石墨烯薄膜形状为圆形。经仿真与实验验证，圆形石墨烯薄膜较其他形状的石墨烯薄膜在相同压强下具有更大的形变量，仿真对比结果如图5、图6及表1所示。表1是均布压强20kPa下面积为10μm²圆形石墨烯薄膜与正方形薄膜的仿真结果对比表：

表1

从表1中可以看出，圆形石墨烯薄膜比正方形石墨烯薄膜在相同压强下具有更大的形变量。

石墨烯薄膜的层数为3层，能保证较高灵敏度度下具有较强耐用性。经仿真与实验验证，若制作压力传感器的石墨烯薄膜的层数超过3层，检测灵敏度损失严重，若低于3层，石墨烯薄膜受到顶板及支柱自身重力影响明显且易受到压力破坏，圆形石墨烯薄膜形变与层数关系图如图7所示。

在无尘工作环境下，将具有二氧化硅绝缘层的衬底完全浸入到表面漂浮石墨烯薄膜的去离子水中，将具有绝缘层的衬底移动至石墨烯下方，然后将石墨烯薄膜转移到具有空腔的二氧化硅绝缘层正上方，对准腔体后，通过范德华力的作用将石墨烯薄膜附着到腔体上方。

通过光刻的方法在半径为10μm、高为3μm的硅上刻蚀出顶板和三个支柱，将支柱底部与石墨烯薄膜之间通过环氧树脂连接。石墨烯薄膜与顶板之间的支柱数量为3个，在较其他支柱数量在保证经济性的同时具有更稳定结构。石墨烯薄膜与顶板之间的支柱底面形状为圆形，较正方形在相同压强下形变变化更显著，仿真对比结果如表2所示。表2是底面形状为圆形和正方形的支柱对圆形石墨烯薄膜的传导压力仿真对比结果表：

表2

从表2中可以看出，支柱底面形状为圆形，较正方形在相同压强下形变变化更显著。

石墨烯薄膜与顶板之间的支柱长度为2.2μm，较其他长度的支柱传导到石墨烯薄膜的压力变化更显著，仿真对比结果如表3所示。表3是不同高度的圆形底面支柱石墨烯薄膜形变的影响仿真结果对比表：

表3

从表3中可以看出，底面为圆形的支柱，其长度为2.2μm时，石墨烯薄膜受压力后形变更显著。

当压力施加在顶板上时，压力会通过顶板下的支柱传递到石墨烯上，石墨烯薄膜会随之发生形变，基于石墨烯电阻随形变的变化而变化的特性，通过测量三个串联的石墨烯的电阻值变化来测量压力变化。顶板与外界外力直接接触，避免了石墨烯薄膜直接与外界压力接触，从而保护了石墨烯薄膜，增强了应变传感器的耐用性。

根据上述得出的传感器各项参数，对本发明进行20kPa均布压强下的形变仿真，仿真如图4所示，石墨烯薄膜的最大中心位移为1.64347E-9m。

此外本发明基于MEMS(微机电系统)技术，具有MEMS的基本优点，如体积小、重量轻、功耗低，便于集成等，突破传统压力传感器尺寸较大、灵敏度有限的限制，这一系列优点是传统的压力传感器无法比拟的，因此它具有很好的研究和应用价值。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种高灵敏度石墨烯压阻式应变传感器，其特征是，包括硅衬底（8），在硅衬底（8）上用氧化法氧化出二氧化硅绝缘层（7），二氧化硅绝缘层（7）上刻蚀出多个腔体（6），每个腔体（6）上都用石墨烯薄膜（5）覆盖，施加在顶板（1）上的压力通过顶板（1）上的支柱（2）传递给石墨烯薄膜（5），石墨烯薄膜（5）在压力作用下发生形变，形变导致其电阻发生变化，通过测量石墨烯薄膜（5）的电阻值的变化得出施加在顶板（1）上的压力的变化；

所述腔体（6）有3个，顶板（1）上对应的有3个支柱（2），支柱（2）与石墨烯薄膜（5）的中心通过环氧树脂连接；

所述腔体（6）为圆柱形；

所述硅衬底（8）为圆柱形；

所述支柱（2）与石墨烯薄膜（5）相连接的底面为圆形；

所述石墨烯薄膜（5）为圆形。

2.根据权利要求1所述的高灵敏度石墨烯压阻式应变传感器，其特征是，所述腔体（6）的表面刻蚀用于测量石墨烯薄膜的电阻值的金属电极。

3.根据权利要求1所述的高灵敏度石墨烯压阻式应变传感器，其特征是，所述氧化法为干氧氧化法。

4.根据权利要求1所述的高灵敏度石墨烯压阻式应变传感器，其特征是，所述支柱（2）的长度为2.2μm。

5.根据权利要求1所述的高灵敏度石墨烯压阻式应变传感器，其特征是，所述石墨烯薄膜有3层。

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