CN114518179A - 一种高精度石墨烯超低温温度传感器 - Google Patents

Abstract

本发明属于温度传感器技术领域，具体涉及一种高精度石墨烯超低温温度传感器，包括基板、专用集成电路、衬底、温度敏感层、引线，所述专用集成电路设置在基板上，所述衬底设置在专用集成电路上，所述温度敏感层设置在衬底上，所述温度敏感层电性连接有叉指电极，所述叉指电极设置在温度敏感层上，所述叉指电极通过引线与专用集成电路电性连接。本发明在原有电阻式温度传感器基础上，利用包含具有优良特性的新材料石墨烯，相比于传统金属或半导体作为温敏材料，在小体积的前提下，极大的提高了电阻式温度传感器的灵敏度。

Description

一种高精度石墨烯超低温温度传感器

技术领域

本发明属于温度传感器技术领域，具体涉及一种高精度石墨烯超低温温度传感器。

背景技术

近年来，低温技术获得迅速发展，在制冷机获取低温环境方面进步显著。对超低温技术的研究不但具有重要理论价值，还有很强的实践意义。温度传感器是指将感知的温度转换成其他可处理信号的的装置。尤其在航天航空领域经常涉及对低温的测量，低温技术对航空航天、生命科学和超导等领域的发展具有重要意义。特殊地，在超导和高能实验中，低温技术属于核心技术，对最终结果具有决定性作用。

超低温的测量工具主要有热电阻温度计、核取向温度计、声学温度计、氦相变温度计等，其中，热电阻温度计应用最为广泛。在超低温测量领域，最常使用的温度传感器有铂电阻温度计、锗温度计、铑铁温度计和氮氧化锆薄膜温度传感器，铂电阻温度计、铑铁温度计体积大安装不便，锗温度计抗磁效应弱并且锗薄膜难以和金属电极形成良好欧姆接触，氮氧化锆薄膜温度传感器测温范围小其热稳定性差。因此，市面上急需一种体积小、响应时间短、灵敏度高，抗干扰能力强，测温范围广的超低温温度传感器。

发明内容

针对上述的技术问题，本发明提供了一种高精度石墨烯超低温温度传感器，基板直接作为温度传感器的封装外壳，温度信号从基板传递给温度敏感层，引起其电阻发生变化，并通过叉指电极传输电信号变化。封装盖帽为温度敏感单元提供无氧、密封的环境，防护层能够避免制作过程中化学试剂与材料对石墨烯的污染与破坏，防磁层能够减少外部环境对温度敏感层的干扰。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种高精度石墨烯超低温温度传感器，包括基板、专用集成电路、衬底、温度敏感层、叉指电极、引线，所述专用集成电路设置在基板上，所述衬底设置在专用集成电路上，所述温度敏感层设置在衬底上，所述温度敏感层电性连接有叉指电极，所述叉指电极设置在温度敏感层上，所述叉指电极通过引线与专用集成电路电性连接。

所述温度敏感层采用石墨烯薄膜，所述温度敏感层上设置有防护层，所述防护层采用非晶态氧化铝薄膜、BN纳米级薄膜或SiN纳米级薄膜。

所述叉指电极通过引线电性连接有外部引线，所述外部引线通过Sn63/Pb37焊锡丝电性连接有外部检测组件。

所述叉指电极为平行叉指电极，所述平行叉指电极的对数为5～30；所述叉指电极与温度敏感层之间设置有黏附层，所述黏附层采用铬，所述叉指电极采用金、银、铂或钛的一种或多种。

所述基板的下表面紧贴在被测物体表面，所述基板的上表面固定连接有封装盖帽，所述专用集成电路、衬底、温度敏感层和叉指电极均设置在封装盖帽内，所述基板与封装盖帽形成密封腔。

所述基板与封装盖帽通过键合材料固定连接，所述封装盖帽的外表面上设置有防磁层，所述防磁层采用铌、低温铁镍合金、银系金属、镍系金属或铜系金属，所述键合材料采用有机物、玻璃焊料、金属焊料或合金焊料。

所述键合材料采用金属焊料，所述键合材料与基板、封装盖帽之间设置有金属化层，所述金属化层采用钛、镍、铜或金，所述外部引线上设置有绝缘层，所述绝缘层采用氧化硅或氧化铝。

所述叉指电极上设置有焊盘，所述焊盘上设置有互连焊点，所述互连焊点通过引线与专用集成电路电性连接。

所述基板、专用集成电路、衬底和温度敏感层之间均通过焊料或粘结胶固定连接，所述焊料采用金、铜或镍，所述粘结胶采用导电银胶，所述封装盖帽、基板和衬底均采用蓝宝石、氧化铝陶瓷、氧化镁陶瓷、碳化硅陶瓷或表面有氧化层的硅片。

一种高精度石墨烯超低温温度传感器的制作方法，包括下列步骤：

S1、依次使用丙酮、无水乙醇、水超声对基板进行清洗，之后再用氮气吹干基板；

S2、使用湿法转移石墨烯薄膜，再利用光刻胶对石墨烯薄膜进行图形化；依次使用丙醇、异丙醇、乙醇浸泡去除残胶；

S3、通过光刻、磁控溅射工艺对光刻胶图形化，形成平行叉指形结构，再在平行叉指形结构上沉积电极铬/金电极，形成叉指电极；

S4、使用等离子体增强型原子层沉积PEALD技术在石墨烯薄膜上方沉底100nm非晶态氧化铝薄膜；

S5、在封装盖帽表面与基板底面镀上一层铌，之后通过键合技术使封装盖帽与基板结合，使用真空封装或充入惰性气体的方法完成传感器封装。

本发明与现有技术相比，具有的有益效果是：

本发明在原有电阻式温度传感器基础上，利用包含具有优良特性的新材料石墨烯，相比于传统金属或半导体作为温敏材料，在小体积的前提下，极大的提高了电阻式温度传感器的灵敏度。本发明的基板可以贴在被测物体表面，温度透过基板传递给石墨烯敏感膜，由于石墨烯与基板的导热系数都很高，因此本发明的响应时间快、测量温度准确。本发明的叉指电极可以提高器件的灵敏度和响应速度，并且石墨烯防护层、封装盖帽可以减少外部环境对器件的干扰，提高了温度测量的快速准确性，提高了器件的稳定性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式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示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引申获得其它的实施附图。

本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的截面图；

图3为本发明的工艺流程图。

其中：1为温度敏感层，2为防磁层，3为叉指电极，4为基板，5为封装盖帽，6为互连凸点，7为键合材料，8为衬底，9为专用集成电路，10为外部引线，11为引线，12防护层。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将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申请一部分实施例，而不是全部的实施例，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制；基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式做进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“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，或一体的连接；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申请中的具体含义。

如图1、图2所示，传感器的基板4可以是方形、圆形，并不做具体限定，本发明附图中仅示出了方形结构，封装盖帽5为方形，封装盖帽5外边面设有防磁层2。封装盖帽5并且与基板4结合形成封闭结构。

基板4下表面紧贴于被测物体表面，基板4上表面依次布置有专用集成电路9、衬底8、温度敏感层1、叉指电极3、防护层12，温度敏感层1与衬底8紧密贴合。温度敏感层1上方与叉指电极3，下方与衬底8紧密贴合，温度敏感层1为方形单层石墨烯薄膜。封装盖帽5与基板4通过键合材料7运用键合技术紧密结合在一起，将检测组件密封在无氧环境中。

叉指电极3连接温度敏感层1的两端，并在衬底8上完成制作，用于导出温度敏感层1电阻变化。叉指电极3为平行叉指电极，对数5～30，用以减小电阻，增强导电性。叉指电极3的互连焊点6通过引线键合形成引线11与专用集成电路9电学连接，专用集成电路9采用现有技术中构成完整传感器结构的组件即可，外部引线10可以通过使用Sn63/Pb37焊锡丝与外部电路连接。

在本实施例中，衬底4采用蓝宝石；温度敏感膜1为石墨烯薄膜，叉指电极3的材料为金，其中叉指电极3下的黏附层为铬。键合材料7为低温绝缘玻璃焊环。封装盖帽5材料为铌，防护层12材料为氧化铝。

如图3所示，高精度石墨烯超低温温度传感器的制作方法包括如下步骤：

步骤1、如图3(a)所示，依次使用丙酮、无水乙醇、水超声对基板进行清洗，之后再用氮气吹干基板。

步骤2、如图3(b)所示，使用湿法转移石墨烯薄膜，再利用光刻胶对石墨烯薄膜进行图形化；依次使用丙醇、异丙醇、乙醇浸泡去除残胶。

步骤3、如图3(c)所示，通过光刻、磁控溅射工艺对光刻胶图形化，形成平行叉指形结构，再在平行叉指形结构上沉积电极铬/金电极，形成叉指电极。

步骤4、如图3(d)所示，使用等离子体增强型原子层沉积PEALD技术在石墨烯薄膜上方沉底100nm非晶态氧化铝薄膜。

步骤5、在封装盖帽表面与基板底面镀上一层铌，之后通过键合技术使封装盖帽与基板结合，使用真空封装或充入惰性气体的方法完成传感器封装。

本发明的工作原理为：外界温度信号通过热导系数较大基板传递到石墨烯温敏结构，其中的石墨烯纳米薄膜受温度的影响，其材料内部的电声子耦合强度、声子散射强度发生改变，从而导致石墨烯的电导率发生改变。通过检测石墨烯的电阻变化即可测得外界条件的温度值。同时，封装盖帽与基板形成的封装结构，使检测组件不受外部环境的干扰，从而实现了传感器在超低温、高磁场的恶劣环境下的精准测量。

上面仅对本发明的较佳实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化，各种变化均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高精度石墨烯超低温温度传感器，其特征在于：包括基板(4)、专用集成电路(9)、衬底(8)、温度敏感层(1)、叉指电极(3)、引线(11)，所述专用集成电路(9)设置在基板(4)上，所述衬底(8)设置在专用集成电路(9)上，所述温度敏感层(1)设置在衬底(8)上，所述温度敏感层(1)电性连接有叉指电极(3)，所述叉指电极(3)设置在温度敏感层(1)上，所述叉指电极(3)通过引线(11)与专用集成电路(9)电性连接。

2.根据权利要求1所述的一种高精度石墨烯超低温温度传感器，其特征在于：所述温度敏感层(1)采用石墨烯薄膜，所述温度敏感层(1)上设置有防护层(12)，所述防护层(12)采用非晶态氧化铝薄膜、BN纳米级薄膜或SiN纳米级薄膜。

3.根据权利要求1所述的一种高精度石墨烯超低温温度传感器，其特征在于：所述叉指电极(3)通过引线(11)电性连接有外部引线(10)，所述外部引线(10)通过Sn63/Pb37焊锡丝电性连接有外部检测组件。

4.根据权利要求1所述的一种高精度石墨烯超低温温度传感器，其特征在于：所述叉指电极(3)为平行叉指电极，所述平行叉指电极的对数为5～30；所述叉指电极(3)与温度敏感层(1)之间设置有黏附层，所述黏附层采用铬，所述叉指电极(3)采用金、银、铂或钛的一种或多种。

5.根据权利要求3所述的一种高精度石墨烯超低温温度传感器，其特征在于：所述基板(4)的下表面紧贴在被测物体表面，所述基板(4)的上表面固定连接有封装盖帽(5)，所述专用集成电路(9)、衬底(8)、温度敏感层(1)和叉指电极(3)均设置在封装盖帽(5)内，所述基板(4)与封装盖帽(5)形成密封腔。

6.根据权利要求5所述的一种高精度石墨烯超低温温度传感器，其特征在于：所述基板(4)与封装盖帽(5)通过键合材料(7)固定连接，所述封装盖帽(5)的外表面上设置有防磁层(2)，所述防磁层(2)采用铌、低温铁镍合金、银系金属、镍系金属或铜系金属，所述键合材料(7)采用有机物、玻璃焊料、金属焊料或合金焊料。

7.根据权利要求6所述的一种高精度石墨烯超低温温度传感器，其特征在于：所述键合材料(7)采用金属焊料，所述键合材料(7)与基板(4)、封装盖帽(5)之间设置有金属化层，所述金属化层采用钛、镍、铜或金，所述外部引线(10)上设置有绝缘层，所述绝缘层采用氧化硅或氧化铝。

8.根据权利要求1所述的一种高精度石墨烯超低温温度传感器，其特征在于：所述叉指电极(3)上设置有焊盘，所述焊盘上设置有互连焊点(6)，所述互连焊点(6)通过引线(11)与专用集成电路(9)电性连接。

9.根据权利要求1所述的一种高精度石墨烯超低温温度传感器，其特征在于：所述基板(4)、专用集成电路(9)、衬底(8)和温度敏感层(1)之间均通过焊料或粘结胶固定连接，所述焊料采用金、铜或镍，所述粘结胶采用导电银胶，所述封装盖帽(5)、基板(4)和衬底(8)均采用蓝宝石、氧化铝陶瓷、氧化镁陶瓷、碳化硅陶瓷或表面有氧化层的硅片。

10.根据权利要求1-9任一项所述的一种高精度石墨烯超低温温度传感器的制作方法，其特征在于：包括下列步骤：

S1、依次使用丙酮、无水乙醇、水超声对基板进行清洗，之后再用氮气吹干基板；

S2、使用湿法转移石墨烯薄膜，再利用光刻胶对石墨烯薄膜进行图形化；依次使用丙醇、异丙醇、乙醇浸泡去除残胶；

S3、通过光刻、磁控溅射工艺对光刻胶图形化，形成平行叉指形结构，再在平行叉指形结构上沉积电极铬/金电极，形成叉指电极；

S4、使用等离子体增强型原子层沉积PEALD技术在石墨烯薄膜上方沉底100nm非晶态氧化铝薄膜；

S5、在封装盖帽表面与基板底面镀上一层铌，之后通过键合技术使封装盖帽与基板结合，使用真空封装或充入惰性气体的方法完成传感器封装。

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