CN114544063A - 一种基于石墨烯的耐辐照压力传感器 - Google Patents

Abstract

本发明属于压力传感器技术领域，具体涉及一种基于石墨烯的耐辐照压力传感器，包括陶瓷端盖、第一密封圈、第二密封圈、陶瓷弹性膜片、基板、封装外壳和检测单元，所述封装外壳的顶部设置有陶瓷端盖，所述封装外壳内部设置有陶瓷弹性膜片，所述陶瓷弹性膜片分别通过第一密封圈和第二密封圈与陶瓷端盖连接，所述封装外壳内部的底面上设置有基板，所述基板上设置有检测单元。本发明在原有基于石墨烯薄膜的压力传感器基础上，利用陶瓷端盖和陶瓷弹性膜片替代其他金属材料或者半导体材料，并且通过密封圈将弹性膜片与端盖配合起来，形成密闭内部空间，实现了高辐照环境下的压力测量。

Description

一种基于石墨烯的耐辐照压力传感器

技术领域

本发明属于压力传感器技术领域，具体涉及一种基于石墨烯的耐辐照压力传感器。

背景技术

随着世界能源的消耗与科学技术的不断发展，核能作为一种安全、清洁、经济的能源，逐渐成为我国能源发展的趋势。对于核反应堆内各项工作参数的测量需求日益增大。例如在核动力航母、核电厂冷却剂系统等环境中，就需要对核反应堆内冷却剂的流量及压力参数进行测量，及时反映热交换效率情况，实现核反应堆内冷却剂压力的实时显示，反映堆芯热交换效率及堆内压力情况，保证其正常工作，免除重大安全隐患。

在流体流量测量中差压式流量计较为常见，差压式流量计结构简单，维修方便，性能稳定，使用期限长，价格低廉，被广泛应用于核反应堆对内流体流量测量，差压式流量计测量流体流量的实质是对其节流装置前后压力的测量，开展耐辐照压力传感器的研究对核反应堆对内高辐照流体的流量及压力测量具有重大意义。

发明内容

针对上述的技术问题，本发明提供了一种基于石墨烯的耐辐照压力传感器，通过外层陶瓷弹性膜片将压力传至内层硅膜片，内层硅膜片中央的十字梁结构产生应变，导致十字梁根部的中层石墨烯层被拉伸，引起石墨烯的电导率发生变化，然后通过外部检测电路检测中层石墨烯层电导率的变化来实现对压力的测量。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种基于石墨烯的耐辐照压力传感器，包括陶瓷端盖、第一密封圈、第二密封圈、陶瓷弹性膜片、基板、封装外壳和检测单元，所述封装外壳的顶部设置有陶瓷端盖，所述封装外壳内部设置有陶瓷弹性膜片，所述陶瓷弹性膜片分别通过第一密封圈和第二密封圈与陶瓷端盖连接，所述封装外壳内部的底面上设置有基板，所述基板上设置有硅膜片，硅膜片上设置有检测单元。

所述检测单元包括第一纳米膜、第二纳米膜、第一复合电极、第二复合电极、第三复合电极、第四复合电极，所述第一复合电极、第二复合电极分别连接在第一纳米膜的两端，所述第三复合电极、第四复合电极分别连接在第二纳米膜的两端，所述第一纳米膜、第二纳米膜的下方设置有硅膜片。

所述硅膜片上表面设置有第一内部互连电极、第二内部互连电极、第三内部互连电极和第四内部互连电极，所述第一复合电极通过第一互连引线与第一内部互连电极连接，所述第二复合电极通过第二互连引线与第二内部互连电极连接，所述第三复合电极通过第三互连引线与第三内部互连电极连接，所述第四复合电极通过第四互连引线与第四内部互连电极连接。

所述基板上设置有第一互连凸点、第二互连凸点、第三互连凸点和第四互连凸点，所述第一内部互连电极通过第五互连引线与第一互连凸点连接，所述第二内部互连电极通过第六互连引线与第二互连凸点连接，所述第三内部互连电极通过第七互连引线与第三互连凸点连接，所述第四内部互连电极通过第八互连引线与第四互连凸点连接；所述第一互连凸点键合连接有第一互连焊盘，所述第二互连凸点键合连接有第二互连焊盘，所述第三互连凸点键合连接有第三互连焊盘，所述第四互连凸点键合连接有第四互连焊盘。

所述第一互连焊盘通过第一引线柱连接有第一外部互连电极，所述第二互连焊盘通过第二引线柱连接有第二外部互连电极，所述第三互连焊盘通过第三引线柱连接有第三外部互连电极，所述第四互连焊盘通过第四引线柱连接有第四外部互连电极，所述第一外部互连电极、第二外部互连电极、第三外部互连电极和第四外部互连电极均连接在外部检测组件上。

所述陶瓷弹性膜片的上表面刻蚀有方腔，所述第一密封圈、第二密封圈装配在陶瓷弹性膜片上表面的密封槽中。

所述硅膜片中间挖去四个方腔形成十字梁空腔，所述第一纳米膜、第二纳米膜分别设置在十字梁的根部，所述陶瓷弹性膜片下表面中心挖去一个环状腔形成凸柱，所述硅膜片的十字梁中心与陶瓷弹性膜片的凸柱通过第一键合金属键合连接。

所述第一复合电极、第二复合电极、第三复合电极、第四复合电极与硅膜片之间均设置有阻挡层；所述第一纳米膜、第二纳米膜均包括中层石墨烯层、上层氮化硼层和下层氮化硼层，所述中层石墨烯层设置在上层氮化硼层和下层氮化硼层之间，所述第一纳米膜的中层石墨烯层贴覆在第一复合电极和第二复合电极中间，所述第二纳米膜的中层石墨烯层贴覆在第三复合电极和第四复合电极中间，所述下层氮化硼层与阻挡层贴合，所述第一纳米膜、第二纳米膜均采用C型结构或蛇形结构。

所述上层氮化硼层和下层氮化硼层的层数均大于等于1，所述中层石墨烯层为单层结构。

所述硅膜片与第七互连引线之间通过第二键合金属键合连接，所述硅膜片与第五互连引线之间通过第三键合金属键合连接。

本发明与现有技术相比，具有的有益效果是：

本发明在原有基于石墨烯薄膜的压力传感器基础上，利用陶瓷端盖和陶瓷弹性膜片替代其他金属材料或者半导体材料，并且通过密封圈将弹性膜片与端盖配合起来，形成密闭内部空间，实现了高辐照环境下的压力测量。由于石墨烯薄膜的高载流子迁移率，有效的减少了传感器对压力信号的响应时间，可较为迅速的反映出差压式流量计节流前后两端的压力差，是十分理想的耐辐照压力传感器。

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整体俯视图；

图5为本发明实施例的硅膜片结构俯视图；

图6为本发明实施例的基板结构图；

图7为本发明实施例的第一纳米膜结构图；

图8为本发明实施例的第一纳米膜正视图。

其中：1为陶瓷端盖；2为第一密封圈；3为第二密封圈；4为第一复合电极；5为第三复合电极；6为陶瓷弹性膜片；7为第一纳米膜；8为第二纳米膜；9为第一键合金属；10为第二键合金属；11为第三键合金属；12为第七互连引线；13为第五互连引线；14为第一互连凸点；15为第三互连凸点；16为第一互连焊盘；17为第三互连焊盘；18为第一引线柱；19为第三引线柱；20为硅膜片；21为基板；22为封装外壳；23为第一外部互连电极；24为第三外部互连电极；25为第一内部互连电极；26为第三内部互连电极；27为第二内部互连电极；28为第四内部互连电极；29为第一互连引线；30为第二互连引线；31为第三互连引线；32为第四互连引线；33为第二复合电极；34为第四复合电极；35为十字梁空腔；36为第二互连焊盘；37为第四互连焊盘；38为方腔；39为密封槽；40为第六互连引线；41为第八互连引线；42为第二互连凸点；43为第四互连凸点；44为中层石墨烯层；45为上层氮化硼层；46为下层氮化硼层；47为阻挡层，48为第二引线柱；49为第四引线柱；50为第二外部互连电极；51为第四外部互连电极。

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。

术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

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所示，为本发明第一实施例的外观立体示意图，提供一种基于石墨烯的耐辐照压力传感器，所述传感器包括一个封装外壳，所述封装外壳22整体可以为圆柱体、立方体、长方体等形状，并不做具体限定，本发明附图中，仅示出了圆柱体结构。封装外壳上部为陶瓷端盖1，陶瓷端盖1的中部是由一个通孔结构，通孔结构形状不局限于本专利所示圆形，也可为方形等其他形状，并不做具体限定。在封装外壳22内部设置好传感器芯片，陶瓷端盖1、弹性膜片6、封装外壳22以及基板21共同界定一个内部检测空间，本发明提出的检测组件设置在内部检测空间内。在封装外壳22的下面为陶瓷弹性膜片6，弹性膜片通过第一密封圈2、第二密封圈3与封装外壳22连接配合，完成内部检测空间的密封，阻止被测高辐照流体进入传感器内部检测空间。

如图2所示，为本发明第一实施例的整体结构截面图，在内部检测空间的底部设置有一个基板21，基板21外侧面与封装外壳19内侧面相互接设。检测单元置于内部检测空间内，并具体设置在硅膜片20面向内部检测空间的一侧，检测单元包括第一纳米膜7、第二纳米膜8、第一复合电极4、第二复合电极33、第三复合电极5、第四复合电极34，第一纳米膜7、第二纳米膜8由上层氮化硼层45、下层氮化硼层46与夹在中间的中层石墨烯层44组成。

如图3所示，为本发明第一实施例的芯片整体结构图，在陶瓷弹性膜片6上表面刻蚀有方腔38，通过减薄弹性膜片以增加弹性膜片的应变量，进一步增加传感器的灵敏度，第一密封圈2、第二密封圈3装配在硅膜片20上表面的密封槽39中。

如图4、5、6所示，分别为本发明第一实施例的芯片整体俯视图、、硅膜片结构俯视图和基板结构俯视图，第一复合电极4、第二复合电极33分别连接在第一纳米膜7的两端，第三复合电极5、第四复合电极34分别连接在第二纳米膜8的两端，用于导出纳米膜两端的电学响应，具体为：第一复合电极4、第二复合电极33通过第一互连引线29和第二互连引线30分别连接硅膜片20上表面的第一内部互连电极25和第二内部互连电极27，第一内部互连电极25和第二内部互连电极27分别通过第五互连引线13和第六互连引线40与基板21上的第一互连凸点14、第二互连凸点42相连，第一内部互连凸点14、第二内部互连凸点42分别键合第一互连焊盘16、第二互连焊盘36，第一互连焊盘16及第二互连焊盘36分别通过第一引线柱18、第二引线柱48与第一外部互连电极23、第二外部互连电极50相连；第三复合电极5、第四复合电极34通过第三互连引线31和第四互连引线32分别连接硅膜片20上表面的第三内部互连电极26和第四内部互连电极28，第三内部互连电极26和第四内部互连电极28分别通过互连引线12和互连引线41与基板21上的第三互连凸点15、第四互连凸点43相连，第三内部互连凸点15、第四内部互连凸点43分别键合第三互连焊盘17、第四互连焊盘37，第三互连焊盘17及第四互连焊盘37分别通过第三引线柱19、第四引线柱49与第三外部互连电极24、第四外部互连电极51相连；第一外部互连电极23、第二外部互连电极50、第三外部互连电极24和第四外部互连电极51连接外部检测组件，外部检测组件为现有技术中构成完整传感器结构的组件即可。硅膜片20中间挖去四个方腔，中心处形成十字形梁状结构，纳米膜7布置在十字梁结构根部，陶瓷弹性膜片6下表面中心挖去一个环状腔，中心初形成凸柱，十字形梁状结构中心与凸柱键合起来，把作用于弹性膜片的压力传递到硅膜片上，进而传递到硅膜片上布置的纳米膜上。

如图7、8所示，分别为石墨烯薄膜结构图和石墨烯薄膜正视图。在第一复合电极4、第二复合电极33、第三复合电极5、第四复合电极34与硅膜片20之间均设置有阻挡层47，阻挡层47用于阻止金属原子向硅膜片20扩散。第一纳米膜7、第二纳米膜8由上层氮化硼层45、下层氮化硼层46与夹在中间的中层石墨烯层44组成，石墨烯薄膜44为“C”形结构，石墨烯薄膜结构形状不局限于本实施例中图7、8所示的“C”型结构也可为“S”形、“蛇”形等其他形状，不做具体限定。在其它实施例中，上层氮化硼层45、下层氮化硼层46的层数大于等于1，中层石墨烯层44为单层结构，第一纳米膜7、第二纳米膜8的中层石墨烯层44贴覆在复合电极4、复合电极5、复合电极33、复合电极34的中间，下层氮化硼层46与阻挡层47接触，阻挡层47作为浸润层和保护层，连接第一复合电极4、第二复合电极33、第三复合电极5、第四复合电极34与硅膜片20，阻止金属原子和衬底原子的相互扩散。

本发明工作原理为：

当外部压力信号作用于传感器陶瓷端盖上表面时，压力会通过陶瓷端盖中间的通孔传递到陶瓷弹性膜片上，陶瓷弹性膜片上的压力通过凸柱传递到硅膜片的十字梁结构上，十字梁根部被拉伸，石墨烯薄膜力敏结构发生形变，从而导致石墨烯的电导率发生改变。通过检测石墨烯面内的电流变化即可测得外部施加的压力值。同时在这一过程中，陶瓷端盖、陶瓷弹性膜片与封装外壳阻断了内部检测空间与外界，确保了压力传感器可以在高辐照环境下工作，从而实现恶劣复杂高辐照环境下流量计压差的高精度测量。

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)

1.一种基于石墨烯的耐辐照压力传感器，其特征在于：包括陶瓷端盖(1)、第一密封圈(2)、第二密封圈(3)、陶瓷弹性膜片(6)、基板(21)、封装外壳(22)和检测单元，所述封装外壳(22)的顶部设置有陶瓷端盖(1)，所述封装外壳(22)内部设置有陶瓷弹性膜片(6)，所述陶瓷弹性膜片(6)分别通过第一密封圈(2)和第二密封圈(3)与陶瓷端盖(1)连接，所述封装外壳(22)内部的底面上设置有基板(21)，所述基板(21)上设置有检测单元。

2.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯的耐辐照压力传感器，其特征在于：所述检测单元包括第一纳米膜(7)、第二纳米膜(8)、硅膜片(20)、第一复合电极(4)、第二复合电极(33)、第三复合电极(5)、第四复合电极(34)，所述第一复合电极(4)、第二复合电极(33)分别连接在第一纳米膜(7)的两端，所述第三复合电极(5)、第四复合电极(34)分别连接在第二纳米膜(8)的两端，所述第一纳米膜(7)、第二纳米膜(8)的下方设置有硅膜片(20)。

3.根据权利要求2所述的一种基于石墨烯的耐辐照压力传感器，其特征在于：所述硅膜片(20)上表面设置有第一内部互连电极(25)、第二内部互连电极(27)、第三内部互连电极(26)和第四内部互连电极(28)，所述第一复合电极(4)通过第一互连引线(29)与第一内部互连电极(25)连接，所述第二复合电极(33)通过第二互连引线(30)与第二内部互连电极(27)连接，所述第三复合电极(5)通过第三互连引线(31)与第三内部互连电极(26)连接，所述第四复合电极(34)通过第四互连引线(32)与第四内部互连电极(28)连接。

4.根据权利要求3所述的一种基于石墨烯的耐辐照压力传感器，其特征在于：所述基板(21)上设置有第一互连凸点(14)、第二互连凸点(42)、第三互连凸点(15)和第四互连凸点(43)，所述第一内部互连电极(25)通过第五互连引线(13)与第一互连凸点(14)连接，所述第二内部互连电极(27)通过第六互连引线(40)与第二互连凸点(42)连接，所述第三内部互连电极(26)通过第七互连引线(12)与第三互连凸点(15)连接，所述第四内部互连电极(28)通过第八互连引线(41)与第四互连凸点(43)连接；所述第一互连凸点(14)键合连接有第一互连焊盘(16)，所述第二互连凸点(42)键合连接有第二互连焊盘(36)，所述第三互连凸点(15)键合连接有第三互连焊盘(17)，所述第四互连凸点(43)键合连接有第四互连焊盘(37)。

5.根据权利要求4所述的一种基于石墨烯的耐辐照压力传感器，其特征在于：所述第一互连焊盘(16)通过第一引线柱(18)连接有第一外部互连电极(23)，所述第二互连焊盘(36)通过第二引线柱(48)连接有第二外部互连电极(50)，所述第三互连焊盘(17)通过第三引线柱(19)连接有第三外部互连电极(24)，所述第二互连焊盘(36)通过第四引线柱(49)连接有第四外部互连电极(51)，所述第一外部互连电极(23)、第二外部互连电极(50)、第三外部互连电极(24)和第四外部互连电极(51)均连接在外部检测组件上。

6.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯的耐辐照压力传感器，其特征在于：所述陶瓷弹性膜片(6)的上表面刻蚀有方腔(38)，所述方腔(38)内设置有传感芯片，所述第一密封圈(2)、第二密封圈(3)装配在陶瓷弹性膜片(6)上表面的密封槽(39)中。

7.根据权利要求2所述的一种基于石墨烯的耐辐照压力传感器，其特征在于：所述硅膜片(20)中间挖去四个方腔形成十字梁空腔(35)，所述第一纳米膜(7)、第二纳米膜(8)分别设置在十字梁空腔(35)的端部，所述陶瓷弹性膜片(6)下表面中心挖去一个环状腔形成凸柱，所述硅膜片(20)的十字梁空腔(35)与陶瓷弹性膜片(6)的凸柱通过第一键合金属(9)键合连接。

8.根据权利要求2所述的一种基于石墨烯的耐辐照压力传感器，其特征在于：所述第一复合电极(4)、第二复合电极(33)、第三复合电极(5)、第四复合电极(34)与硅膜片(20)之间均设置有阻挡层(47)；所述第一纳米膜(7)、第二纳米膜(8)均包括中层石墨烯层(44)、上层氮化硼层(45)和下层氮化硼层(46)，所述中层石墨烯层(44)设置在上层氮化硼层(45)和下层氮化硼层(46)之间，所述第一纳米膜(7)的中层石墨烯层(44)贴覆在第一复合电极(4)和第二复合电极(33)中间，所述第二纳米膜(8)的中层石墨烯层(44)贴覆在第三复合电极(5)和第四复合电极(34)中间，所述下层氮化硼层(46)与阻挡层(47)贴合，所述第一纳米膜(7)、第二纳米膜(8)均采用C型结构或S形结构。

9.根据权利要求8所述的一种基于石墨烯的耐辐照压力传感器，其特征在于：所述上层氮化硼层(45)和下层氮化硼层(46)的层数均大于等于1，所述中层石墨烯层(44)为单层结构。

10.根据权利要求4所述的一种基于石墨烯的耐辐照压力传感器，其特征在于：所述硅膜片(20)与第七互连引线(12)之间通过第二键合金属(10)键合连接，所述硅膜片(20)与第五互连引线(13)之间通过第三键合金属(11)键合连接。

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