CN110793682A - 一种悬浮式阵列孔石墨烯mems微压传感器芯片及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种悬浮式阵列孔石墨烯MEMS微压传感器芯片及其制备方法，包括：硅质基底，硅质基底设置有背腔；硅质基底的上表面依次设置有上层二氧化硅薄膜层和上层氮化硅薄膜层；硅质基底的下表面依次设置有下层二氧化硅薄膜层和下层氮化硅薄膜层；上层氮化硅薄膜层上设置有石墨烯薄膜；石墨烯薄膜上设置有第一电极和第二电极，第一电极和第二电极通过导线连入惠斯通全桥电路；石墨烯薄膜与背腔上开口之间悬空的上层二氧化硅薄膜层和上层氮化硅薄膜层设置有若干通孔。本发明中，在支撑薄膜中加工有若干通孔，在通孔上方的石墨烯薄膜中局部产生增加的膜应变，能够增加应变力，可提高芯片的灵敏度及线性度。

Description

一种悬浮式阵列孔石墨烯MEMS微压传感器芯片及其制备方法

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，特别涉及一种悬浮式阵列孔石墨烯MEMS微压传感器芯片及其制备方法。

背景技术

MEMS微压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。石墨烯显著的机械、光学与电学等性能的研究成为人们密切关注的热点，高杨氏模量(约1TPa)、载流子迁移率高达200 000cm²·V^-1·s^-1，而且石墨烯本身具有很好的压阻效应，不用再额外做电极，石墨烯的弹性模量为335N/m，应变系数仅为2，这表明在小应变扰动下石墨烯基本没有电敏感，有巨大的触摸屏显示和柔性电子设备电极材料的开发潜力。根据石墨烯传感器工作原理来划分，可分为三类：悬浮石墨烯压力传感器、光纤石墨烯压力传感器、面内和隧穿石墨烯压力传感器。

目前的传统硅压力传感器及同类石墨烯压力传感器芯片的灵敏度及线性度较低，不能满足要求，亟需一种新的悬浮式阵列孔石墨烯MEMS微压传感器芯片。

发明内容

本发明的目的在于提供一种悬浮式阵列孔石墨烯MEMS微压传感器芯片及其制备方法，以解决上述存在的一个或多个技术问题。本发明的悬浮式阵列孔石墨烯MEMS微压传感器芯片中，在支撑薄膜中加工有若干通孔，在通孔上方的石墨烯薄膜中局部产生增加的膜应变，能够增加应变力，可提高芯片的灵敏度及线性度。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明的一种悬浮式阵列孔石墨烯MEMS微压传感器芯片，包括：

硅质基底，所述硅质基底设置有背腔；所述硅质基底的上表面依次设置有上层二氧化硅薄膜层和上层氮化硅薄膜层；所述硅质基底的下表面依次设置有下层二氧化硅薄膜层和下层氮化硅薄膜层；所述上层氮化硅薄膜层上设置有石墨烯薄膜层；所述石墨烯薄膜层上设置有第一电极和第二电极，第一电极和第二电极通过导线连入惠斯通全桥电路；

其中，石墨烯薄膜层与背腔上开口之间悬空的上层二氧化硅薄膜层和上层氮化硅薄膜层设置有若干通孔。

本发明的进一步改进在于，石墨烯薄膜层与背腔的上开口之间悬空的上层二氧化硅薄膜层和上层氮化硅薄膜层设置的若干通孔呈阵列均布；所述通孔的直径为2.5～7μm。

本发明的进一步改进在于，石墨烯薄膜层的厚度为0.35～1nm。

本发明的进一步改进在于，上层氮化硅薄膜层或下层氮化硅薄膜层的厚度为100～300nm。

本发明的进一步改进在于，第一电极和第二电极由金、银或铂制成。

本发明的进一步改进在于，所述背腔由硅质基底的下表面沿晶像方向倾斜至硅质基底的上表面。

本发明的进一步改进在于，所述悬浮式阵列孔石墨烯MEMS微压传感器芯片阻值的变化与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，压阻系数用于表征压阻效应强弱的，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。

本发明的一种悬浮式阵列孔石墨烯MEMS微压传感器芯片的制备方法，包括以下步骤：

S1，在硅质基底的上表面依次沉积上层二氧化硅薄膜层和上层氮化硅薄膜层，在硅质基底的下表面依次沉积下层二氧化硅薄膜层和下层氮化硅薄膜层；

S2，在硅质基底的下表面加工出背腔，在硅质基底的上表面获得悬空的上层二氧化硅薄膜层和上层氮化硅薄膜层；

S3，在悬空的上层二氧化硅薄膜层和上层氮化硅薄膜层上，用湿法腐蚀的方法加工出若干通孔；

S4，将制备好的石墨烯薄膜转移至上层氮化硅薄膜层表面，并覆盖步骤S3加工获得的若干通孔；

S5，在石墨烯薄膜上沉积获得第一电极和第二电极，并将第一电极和第二电极通过导线连入惠斯通全桥电路，完成芯片制备。

本发明的进一步改进在于，步骤S3中，加工的若干通孔的直径为2.5～7μm。

本发明的进一步改进在于，步骤S4中，制备的石墨烯薄膜的厚度为0.35～1nm。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明的悬浮式阵列孔石墨烯MEMS微压传感器芯片中，硅质基底设置有背腔，悬空的支撑薄膜中上层氮化硅薄层上附着石墨烯薄膜层，压力从背腔进入，通过通孔施加到石墨烯纳米薄膜上，依靠石墨烯对氮化硅的范德华力，能够测量百帕左右的微压。与现在已经做出来的单孔悬浮石墨烯相比，本发明将若干通孔引入支撑薄膜层，允许在通孔上方的石墨烯薄膜层中局部产生增加的膜应变，该结构增加了应变力，从而使该芯片具有高灵敏度；与此同时由于质量减少，固有频率也相应增大。再者，传统的高灵敏度微压传感器存在着非线性随着灵敏度提高变差、灵敏度提高稳定性变差的问题，本发明所述的悬浮式阵列孔石墨烯MEMS微压传感器通过在支撑薄膜层中引入通孔结构来增加薄膜的膜应变，以此来芯片的灵敏度，能够使其在一定范围内具有很好的线性度，与现有的石墨烯类传感器相比，具有更高的灵敏度。

进一步地，在支撑薄膜(悬空的上层二氧化硅薄膜层和上层氮化硅薄膜层)上加工有直径为2.5～7μm的通孔，压力从通孔施加到石墨烯薄膜上，由于石墨烯的高弹性模量，将产生一定量的形变，其载流子迁移率将发生变化，导致电阻率发生变化，最后导致石墨烯薄膜层的阻值发生变化，所测量出的电压也会随之改变，即可感受微小的压力。

进一步地，石墨烯薄膜层的厚度为0.35～1nm，可采用两个原子层的薄膜结构，但是理论杨氏模可达1Tpa，固有拉伸强度为130Gpa，表面表现为超润滑状态，摩擦系数极低，且石墨烯薄膜与MEMS硅基底工艺可以很好地结合，可适用于航空航天等精密的场所。

进一步地，氮化硅薄膜层的厚度设为100～300nm，该厚度能够有效保证石墨烯薄膜应变，能够很好地石墨烯产生足够的应变，与此同时也能保证足够的支撑强度。

本发明的制备方法用于制备本发明的芯片，制备的芯片通过孔阵列引入支撑膜允许在孔上方的石墨烯层中局部产生增加的膜应变，能够增加应变力，可提高芯片的灵敏度及线性度。

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，下面对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单的介绍；显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例的一种悬浮式阵列孔石墨烯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是本发明实施例的一种悬浮式阵列孔石墨烯MEMS微压传感器芯片制备方法的流程示意图；

图4是本发明实施例中，工作原理示意图；

图1和图2中，1、硅质基底；2-1、上层氮化硅薄膜层；2-2、下层氮化硅薄膜层；3、石墨烯薄膜层；4-1、第一金电极；4-2、第二金电极；5-1、上层二氧化硅薄膜层；5-2、下层二氧化硅薄膜层。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术效果及技术方案更加清楚，下面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，所描述的实施例是本发明一部分实施例。基于本发明公开的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它实施例，都应属于本发明保护的范围。

请参阅图1和图2，本发明实施例的一种悬浮式阵列孔石墨烯MEMS微压传感器芯片，包括：硅质基底1、二氧化硅薄膜层、氮化硅薄膜层和石墨烯薄膜层3。二氧化硅薄膜层包括上层二氧化硅薄膜层5-1和下层二氧化硅薄膜层5-2；氮化硅薄膜层包括上层氮化硅薄膜层2-1和下层氮化硅薄膜层2-2。

硅质基底1的双面均设置有二氧化硅薄膜层，然后在上下的二氧化硅薄膜层上再附一层氮化硅薄膜层；硅质基底1背面设置背腔，在上层氮化硅薄膜层2-1上附有石墨烯薄膜层3，石墨烯薄膜层3上附有两个金电极；两个电极通过金属导线相连接成检测电路；具体可以是，两个金电极分别为第一金电极4-1和第二金电极4-2，或者第一银电极和第二银电极，第一电极和第二电极通过导线连入惠斯通全桥电路。

硅质基底1正面(上表面)的上层氮化硅薄膜层2-1和上层二氧化硅薄膜层5-1经刻蚀，获得悬空的支撑薄膜，石墨烯薄膜层3附着在厚度为200nm的上层氮化硅薄膜层2-1；悬空的支撑薄膜上加工有若干通孔，加工的若干通孔的直径为2.5～7μm。

硅质基底1的背面的背腔由基底背面(下表面)延晶像方向倾斜至正面(下表面)的上层氮化硅薄膜层2-1的下表面。

石墨烯薄膜层3通过化学气相沉积方法制备后，转移到上层氮化硅薄膜层2-1表面，由PMMA薄膜保护。

石墨烯薄膜层3的厚度为0.35～1nm。上层二氧化硅薄膜层5-1及下层二氧化硅薄膜层5-2的厚度均为300±40nm。上层氮化硅薄膜层2-1及下层氮化硅薄膜层2-2的厚度为100～300nm，优选180～220nm。

请参阅图3，本发明实施例的一种悬浮式阵列孔石墨烯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，在正面加工出悬空的氮化硅膜层。

S2，将硅质基底的正面保护起来，用湿法腐蚀的方法加工出通孔。

S3，制备石墨烯，并将制备好的石墨烯转移到基底得到悬空氮化硅表面。

S4，石墨烯图形化，将制备好的金属掩蔽遮挡住图形化部位石墨烯；再将第二块金属掩蔽附上，沉积金电极。

S5，将金属导线与图形化的金电极连接，即可获得悬浮式阵列孔石墨烯MEMS微压传感器芯片。

优选的，步骤S3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)配置铜腐蚀液1mol/L的三氯化铁溶液。

(3)将旋涂有PMMA的铜基石墨烯放入三氯化铁溶液中，待完全腐蚀后，将其捞出，并转移到清水中10min中，重复三次。

(4)用基底将其捞出，放于烘箱中干燥10min，烘箱温度为50℃。

本发明中，在加工过程中加入应力控制工艺，通过PMMA来抑制石墨烯薄膜二维结构的不稳定地褶皱，并在后续通过烘箱低温释放应力，以此来消除一些残余应力，来进一步提高该传感器灵敏度。

优选的，步骤S4具体包括：运用3D打印技术成型掩膜版与硅质基底贴合完整，放于氧等离子体机中，将石墨烯图形化；后将另一掩膜版与其贴合，采用蒸镀技术在待沉积的区域沉积Au。

综上，本发明实施例的悬浮氮化硅薄层上附着两个原子层厚度石墨烯薄膜层，依靠石墨烯对氮化硅的范德华力，来测量百帕左右的微压，与现在已经做出来的单孔悬浮石墨烯相比，将微型化的通孔阵列引入支撑膜允许在孔上方的石墨烯层中局部产生增加的膜应变，该结构增加了应变力，从而使该芯片具有高灵敏度，与此同时由于质量减少，固有频率也相应增大；另外在加工过程中加入应力控制工艺，以此来消除一些残余应力，来提高该传感器灵敏度。传统的高灵敏度微压传感器存在着非线性随着灵敏度提高变差、灵敏度提高稳定性变差的问题，本发明所述的悬浮式阵列孔石墨烯MEMS微压传感器通过阵列孔结构来增加薄膜的膜应变，以此来芯片的灵敏度，并使其在一定范围内具有很好的线性度，与现有的石墨烯类传感器相比，具有更高的灵敏度。两个原子层薄膜的厚度只有原子级别不足1nm(0.670nm)，但是理论杨氏模可达1Tpa，固有拉伸强度为130Gpa，表面表现为超润滑状态，摩擦系数极低，且石墨烯薄膜与MEMS硅基底工艺可以很好地结合，可适用于航空航天等精密的场所。本发明中，悬浮式阵列孔石墨烯MEMS微压传感器芯片敏感元件为杨氏模量极高的石墨烯薄膜；硅质基底上表面直径为2.5μm的小孔和下表面空腔通过干刻形成，作为本发明的结构。石墨烯薄膜层采用化学气相沉积方法制备在铜基底上而后转移到硅基底表面，再在去上面沉积金电极。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，故本发明的悬浮式阵列孔石墨烯MEMS微压传感器灵敏度高，能够与MEMS加工工艺兼容。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，石墨烯薄膜层的单层厚度只有原子级别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。

本发明实施例的一种悬浮式阵列孔石墨烯MEMS微压传感器芯片的制作方法，包括以下步骤：

(1)对硅质基底结构的背面光刻出空腔，然后干刻去除氮化硅和二氧化硅形成所需的结构；然后背面套刻出正面直径为2.5μm的小孔，干刻去除氮化硅和二氧化硅；将阵列通孔加工出来，以此来增加灵敏度；然后通过湿法刻蚀的方法去除背面空腔的硅，将空腔加工出来，形成悬浮的阵列孔。

(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)然后采用氧等离子体对石墨烯进行图形化，去除多余的石墨烯，再采用蒸镀技术在石墨烯薄膜层上沉积金电极，通过导线连接到处理电路，形成具有测量功能的传感器整体结构。

请参阅图4，本发明实施例的一种悬浮式阵列孔石墨烯MEMS微压传感器芯片工作原理如下：

当压力P从硅质基底的下面空腔给出时，压力将经空腔至硅质基底上方的小孔处，对石墨烯薄膜产生压力，石墨烯薄膜受力作用产生形变，由于石墨烯与氮化硅表面存在范德华力，石墨烯将鼓起，其载流子迁移率将发生变化，导致电阻率发生变化，最后导致石墨烯薄膜的阻值发生变化，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。

通过外接惠斯通电桥电路，将这一阻值变化转变为电信号输出，从而实现传感器芯片的微压—电压信号转换，完成对压力的测量。

当石墨烯纳米薄膜受到作用力时，由于石墨烯薄膜与氮化硅紧密的贴合在一起，表面作用力—范德华力会将石墨烯薄膜拉住，压力将从氮化硅2.5μm的小孔施加到石墨烯薄膜上，由于石墨烯的高弹性模量，将产生一定量的形变，其载流子迁移率将发生变化，导致电阻率发生变化，最后导致石墨烯薄膜的阻值发生变化，所测量出的电压也会随之改变，即可感受微小的压力。

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)

1.一种悬浮式阵列孔石墨烯MEMS微压传感器芯片，其特征在于，包括：

硅质基底(1)，所述硅质基底(1)设置有背腔；所述硅质基底(1)的上表面依次设置有上层二氧化硅薄膜层(5-1)和上层氮化硅薄膜层(2-1)；所述硅质基底(1)的下表面依次设置有下层二氧化硅薄膜层(5-2)和下层氮化硅薄膜层(2-2)；所述上层氮化硅薄膜层(2-1)上设置有石墨烯薄膜层(3)；

所述石墨烯薄膜层(3)上设置有第一电极和第二电极，第一电极和第二电极用于通过导线连入惠斯通全桥电路；

其中，石墨烯薄膜层(3)与背腔的上开口之间悬空的上层二氧化硅薄膜层(5-1)和上层氮化硅薄膜层(2-1)设置有若干通孔。

2.根据权利要求1所述的一种悬浮式阵列孔石墨烯MEMS微压传感器芯片，其特征在于，石墨烯薄膜层(3)与背腔的上开口之间悬空的上层二氧化硅薄膜层(5-1)和上层氮化硅薄膜层(2-1)设置的若干通孔呈阵列均布；

所述通孔的直径为2.5～7μm。

3.根据权利要求1所述的一种悬浮式阵列孔石墨烯MEMS微压传感器芯片，其特征在于，石墨烯薄膜层(3)的厚度为0.35～1nm。

4.根据权利要求1所述的一种悬浮式阵列孔石墨烯MEMS微压传感器芯片，其特征在于，上层氮化硅薄膜层(2-1)或下层氮化硅薄膜层(2-2)的厚度为100～300nm。

5.根据权利要求1所述的一种悬浮式阵列孔石墨烯MEMS微压传感器芯片，其特征在于，第一电极和第二电极由金、银或铂制成。

6.根据权利要求1所述的一种悬浮式阵列孔石墨烯MEMS微压传感器芯片，其特征在于，所述背腔由硅质基底(1)的下表面沿晶像方向倾斜至硅质基底(1)的上表面。

7.根据权利要求1所述的一种悬浮式阵列孔石墨烯MEMS微压传感器芯片，其特征在于，所述悬浮式阵列孔石墨烯MEMS微压传感器芯片阻值的变化与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，压阻系数用于表征压阻效应强弱的，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。

8.一种悬浮式阵列孔石墨烯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(1)的上表面依次沉积上层二氧化硅薄膜层(5-1)和上层氮化硅薄膜层(2-1)，在硅质基底(1)的下表面依次沉积下层二氧化硅薄膜层(5-2)和下层氮化硅薄膜层(2-2)；

S2，在硅质基底(1)的下表面加工出背腔，在硅质基底(1)的上表面获得悬空的上层二氧化硅薄膜层(5-1)和上层氮化硅薄膜层(2-1)；

S3，在悬空的上层二氧化硅薄膜层(5-1)和上层氮化硅薄膜层(2-1)上，用湿法腐蚀的方法加工出若干通孔；

S4，将制备好的石墨烯薄膜层(3)转移至上层氮化硅薄膜层(2-1)表面，并覆盖步骤S3加工获得的若干通孔；

S5，在石墨烯薄膜层(3)上沉积获得第一电极和第二电极，将第一电极和第二电极通过导线连入惠斯通全桥电路，完成芯片制备。

9.根据权利要求8所述的一种悬浮式阵列孔石墨烯MEMS微压传感器芯片的制备方法，其特征在于，步骤S3中，加工的若干通孔的直径为2.5～7μm。

10.根据权利要求8所述的一种悬浮式阵列孔石墨烯MEMS微压传感器芯片的制备方法，其特征在于，步骤S4中，制备的石墨烯薄膜层(3)的厚度为0.35～1nm。

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