CN115655502B - 基于悬浮石墨烯薄膜压阻特性的温度传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及石墨烯温度传感器，具体为基于悬浮石墨烯薄膜压阻特性的温度传感器，包括Si作为下基底、SiO₂作为上基底的基片，基片上刻出有空腔，SiO₂上空腔的两边溅射有金电极，溅射好金电极的基片上转移带有PMMA保护层的石墨烯薄膜，金电极上键合引线后基片封装。本发明通过使用空腔悬浮石墨烯薄膜结构，在提高石墨烯薄膜迁移率的同时对空腔内气体形成密封，该结构可将环境温度变化转化为石墨烯薄膜的形变，进而利用石墨烯薄膜的压阻效应将形变转化为结构的输出电阻变化，从而有效避免了传统的石墨烯热传感结构中利用石墨烯热阻效应进行传感所带来的不稳定性，有效提高了石墨烯MEMS传感器的灵敏度。

Description

基于悬浮石墨烯薄膜压阻特性的温度传感器

技术领域

本发明涉及石墨烯温度传感器，具体为基于悬浮石墨烯薄膜压阻特性的温度传感器。

背景技术

石墨烯作为一种二维材料，其具有良好的机械强度、优异的导电性、极高的载流子迁移率和良好的温敏特性，因此大量的工作将石墨烯用于温度传感器的温敏结构。目前石墨烯温度传感器主要分为光纤式温度传感器、应变式温度传感器、热阻式温度传感器。其中石墨烯热阻式温度传感器应用最为广泛，但基于热阻效应的石墨烯温度传感器热阻效应不稳定和基底杂质散射作用等因素严重影响了石墨烯薄膜的温敏特性，导致基于石墨烯热阻效应的温度传感器的灵敏度和传感范围提升受限。

对于基于热阻效应的石墨烯薄膜温敏特性受限这一问题，采用介电常数较大的基底可以有效减少基底散射作用对石墨烯薄膜热敏特性的影响。但是MEMS领域常用的基底材料为SiO₂，若换用其它介电常数较大的材料，其工艺的成熟度不如SiO₂材料；另一种提高基于热阻效应石墨烯薄膜温敏特性的方法是将石墨烯悬浮，将石墨烯悬浮可以极大的减弱甚至是消除基底散射效应对石墨烯薄膜温敏特性的影响，但同时石墨烯的热阻效应也会减弱，这将严重影响石墨烯温度传感器的灵敏度。因此将石墨烯悬浮难以有效提高基于压阻效应的石墨烯温度传感器的灵敏度和温度传感范围。

发明内容

本发明针对基于热阻效应的石墨烯温度传感器受基底散射作用和石墨烯热阻效应不稳定造成传感器灵敏度和传感范围提升受限的问题，提供了基于悬浮石墨烯薄膜压阻特性的温度传感器。

本发明是采用如下的技术方案实现的：基于悬浮石墨烯薄膜压阻特性的温度传感器，包括Si作为下基底、SiO₂作为上基底的基片，基片上刻出有空腔，SiO₂上空腔的两边溅射有金电极，溅射好金电极的基片上转移有石墨烯薄膜，金电极上键合引线后基片封装。

上述的基于悬浮石墨烯薄膜压阻特性的温度传感器，石墨烯薄膜带有PMMA保护层。

上述的基于悬浮石墨烯薄膜压阻特性的温度传感器，基片的长宽厚分别为1.5×10⁵μm×1.5×10⁵μm×500μm，Si的厚度为500μm，SiO₂的厚度为300nm，金电极的厚度为200nm，空腔的长宽高分别为1.5mm×1.5mm×40μm。

上述的基于悬浮石墨烯薄膜压阻特性的温度传感器，该传感器的制备方法包括以下步骤：（a）选用Si、SiO₂作为基片；（b）使用MEMS刻蚀工艺在基片上刻出一个空腔；（c）在二氧化硅上空腔的两边溅射金电极；（d）采用湿法转移的方法将石墨烯薄膜转移到溅射好金电极的基片上，待石墨烯薄膜在室温下自然风干，进行引线键合和封装工作，完成了传感器的制备。

本发明通过使用空腔悬浮石墨烯薄膜结构，在提高石墨烯薄膜温敏特性的同时对空腔内气体形成密封，该结构可将环境温度变化转化为石墨烯薄膜的形变，进而利用石墨烯薄膜产生的压阻效应将形变转化为结构的输出电阻变化，从而有效避免了传统的石墨烯热传感结构中利用石墨烯热阻效应进行温度传感所带来的不稳定性，有效提高了石墨烯MEMS温度传感器的灵敏度。

附图说明

图1为本发明传感器结构示意图。

图2为本发明传感器轴测图。

图3为石墨烯薄膜受力示意图。

图4为基片未设空腔时被测温度和石墨烯薄膜电阻的关系曲线图，本图数据为传感器空白对照样品电阻随温度变化的测试数据，空白对照样品为基底上没有空腔其余参数与传感器结构一样的样品，设置空白对照样品的目的是探究空腔在本温度传感器中作用。

图5为基片设置空腔时被测温度和石墨烯薄膜电阻的关系曲线图，本图为温度传感器的电阻随温度变化的测试数据，对该数据用origin软件进行拟合以及相关计算可以得到温度传感器的线性度和灵敏度等相关数据。

图6为被测温度和石墨烯薄膜电阻的关系曲线图，本图为用origin软件对温度传感器测试数据的线性拟合，根据拟合数据可以得出传感器的线性度为0.97，结合温度传感器的灵敏度计算公式

， S为传感器灵敏度，

为测试过程中电阻的变化，

为传感器的初始电阻，

为测试过程中温度的变化，可得传感器的灵敏度为1.07%/℃，该灵敏度比同类型的石墨烯温度传感器高处一个数量级。

图中：1-上基底，2-下基底，3-空腔，4-金电极，5-石墨烯薄膜。

具体实施方式

基于悬浮石墨烯薄膜压阻特性的温度传感器，包括Si作为下基底2、SiO₂作为上基底1的基片，基片上刻出有空腔3，SiO₂上空腔的两边溅射有金电极4，溅射好金电极的基片上转移带有PMMA保护层的石墨烯薄膜5，金电极上键合引线后基片封装。

本发明采用蚀刻和转移工艺对少层石墨烯薄膜温度传感结构进行了加工和制备。将用PMMA作为保护层的石墨烯薄膜转移到刻有空腔和金电极的Si/SiO₂基片上。空腔结构使得石墨烯薄膜处于悬浮状态，同时石墨烯薄膜与SiO₂基底之间存在的范德华力将使其不在空腔的部分与基底紧密贴合。在此基础上，由于石墨烯薄膜优异的气密性以及石墨烯薄膜与二氧化硅基底之间范德华力的吸附作用，本结构可以对空腔内的气体形成密封。空腔内被密封的气体的气压会随着温度的变化而变化。悬浮石墨烯薄膜另一侧与大气压接触，理想情况下，大气压力是恒定的，因此随着空腔内气体压力的变化在悬浮石墨烯薄膜上会产生压差。由这种压差将导致石墨烯薄膜发生形变，引发石墨烯薄膜的压阻效应，石墨烯薄膜的形变会导致其电阻发生线性变化。所以本温度传感器可以通过电阻的变化来表征被测温度的变化。

仿真步骤：

将石墨烯薄膜覆盖到基底SiO₂表面后，由于石墨烯薄膜对SiO₂基底的吸附作用，石墨烯薄膜将会对空腔内的气体形成密封。随着测试温度的变化，空腔内的气压会与外界大气压产生压差，这种压差会造成石墨烯薄膜产生形变，根据石墨烯的压阻效应理论，石墨烯薄膜的电阻将发生变化。因此本温度传感器结构可用电阻变化来表征温度变化。在进行实验前，首先从理论上计算了在测试温度范围内空腔内气压变化范围，由此可知空腔上悬浮石墨烯薄膜受到的压力范围。结合这个压力范围在COMSOL软件中对空腔上悬浮石墨烯薄膜的应变范围进行了仿真。仿真结果得出石墨烯薄膜的最大位移在石墨烯弹性形变的范围之内，进一步证实了本发明结构设计的合理性。石墨烯薄膜压阻效应的理论分析表明，随着温度升高石墨烯薄膜的形变更加剧烈，其电阻也会逐渐增大。具体的仿真和实验步骤如下：

腔内气压变化理论计算

体积一定时，密封气体的压强与密闭腔内的温度成正比：

，当知道温度变化范围，即可知道压强的变化范围，设定空腔内外初始的大气压均为25℃时的标准大气压，则可以知道压强的变化范围。经计算可得，取Evangelista Torricelli大气压强为1.013×10⁵Pa时，温度从25℃-120℃以步长为5℃变化时空腔内压强的变化范围为：1.013×10⁵Pa-4.8624×10⁵Pa。本发明设计的结构中空腔尺寸为1.5mm*1.5mm*40um，对应的体积为0.9×10^-12m³，该体积可近视为空腔内密封气体的体积，由此可推出空腔内石墨烯薄膜受力变化范围为：0.2N-1N。理想情况下空腔外侧压强恒定为1.013×10⁵Pa，即空腔外侧石墨烯薄膜受力恒定为0.2N。由此可知，理想情况下在25℃-120℃的温度范围内，位于空腔上的石墨烯薄膜受到的压差范围为：0N-0.8N。

石墨烯薄膜的应力应变仿真

不同温度下压差对石墨烯薄膜造成的应变可以由商用COMSOL软件的固体力学模块进行仿真验证。在COMSOL软件中，建立的温度传感器仿真模型如图1所示，其中基片的尺寸为1.5×10⁵μm×1.5×10⁵μm×500um，空腔的尺寸为：1.5×10³μm×1.5×10³μm×40μm，仿真中石墨烯薄膜的的具体参数设置为：膜厚度为t=1μm、杨氏模量为E=1Tpa，泊松比

=0.16。

仿真得到的应变结果可以直观的认识在应变的过程中空腔上悬浮石墨烯薄膜的应变效果，仿真结果中空腔上悬浮石墨烯薄膜的最大位移可以对本发明中空腔深度设置的合理性进行有效验证。悬浮石墨烯薄膜的中心位移与石墨烯薄膜所受压差满足如下公式：

，其中

为空腔上悬浮石墨烯薄膜的压差，E为杨氏模量，t为薄膜厚度，r为方形空腔宽度，

为薄膜初应力，d是中心位移，

是泊松比。

将空腔气压变化的理论压力值带入仿真模型中可以得到石墨烯薄膜的应变情况。由该结果可知本发明设计的温度传感器结构中，空腔悬浮石墨烯薄膜两侧的压力差会造成其形变。

实验测试

样品制备

（a）选用Si/SiO₂作为基片，基片的长宽厚分别为1.5×10⁵μm×1.5×10⁵μm×500um，其中硅的厚度为500μm，二氧化硅的厚度为300nm；（b）使用MEMS刻蚀工艺在基片上刻出一个长宽高分别为1.5mm×1.5mm×40μm的空腔；（c）在二氧化硅上空腔的两边溅射厚度为200nm的金电极；（d）将采用湿法转移的方法将石墨烯薄膜转移到溅射好电极的基片上，待石墨烯薄膜在室温下自然风干，进行引线键合和封装工作及完成了样品的制备。

测试步骤

本发明设计的传感器测试原理为，使用加热台模拟不同的环境温度，将传感器接入有源器件keithley 2611B中，在恒定电压下测试其输出电流，并得到其I-V曲线。将数据换算为R-V曲线，并用origin分析得到的数据，得出本发明温度传感器的性能参数。

具体的测试步骤为：（a）将传感器固定于加热台上，并且保证有石墨烯薄膜的部分与空气充分接触。将金电极引出的线分别接到keithley 2611B的两个端口。将线条用胶带固定好，减少测试中由于线条的移动而引起噪声信号。（b）将加热台热板参数设置为30℃，待热板温度稳定到30℃后，等三分钟使得传感器温度完全稳定。将keithley 2611B扫描电压设置为1V-5V，采样点取10个，重复次数为3次，扫描速度设为“超低速”。完成扫描后将数据导出为Excel格式。（c）重复（b）中的步骤将温度以步长为5℃，从30℃一直加到120℃。因为PMMA保护层在超过130℃后形状将发生改变，为了保证传感器测试的可重复性和稳定性，热板温度最高被设定为120℃。（d）将测试得到的I-V数据使用MATLAB处理为R-V数据，输入origin中进行处理和拟合。并对传感器的相关性能进行分析。

本发明设计的基于空腔的悬浮石墨烯薄膜温度传感结构有高达3.50%/C的灵敏度和0.98的线性度，温度传感范围为30℃-120℃。本发明设计的温度传感器，采用空腔结构将石墨烯薄膜悬浮，有效解决了石墨烯灵敏度受载流子迁移率限制难以提高的瓶颈问题。与传统的利用石墨烯热阻效应进行温度传感的原理不同，本传感器利用石墨烯的压阻效应完成温度传感，解决了将石墨烯悬浮导致热阻效应减弱而对传感器性能降低的这一固有问题。

Claims (1)

1.基于悬浮石墨烯薄膜压阻特性的温度传感器，其特征在于：包括Si作为下基底（2）、SiO₂作为上基底（1）的基片，基片上刻出有空腔（3），SiO₂上空腔的两边溅射有金电极（4），溅射好金电极的基片上转移有石墨烯薄膜（5），金电极上键合引线后基片封装；石墨烯薄膜（5）带有PMMA保护层；基片的长宽厚分别为1.5×10⁵μm×1.5×10⁵μm×500um，Si的厚度为500μm，SiO₂的厚度为300nm，金电极（4）的厚度为200nm，空腔的长宽高分别为1.5mm×1.5mm×40μm；空腔内被密封的气体的气压会随着温度的变化而变化，悬浮石墨烯薄膜另一侧与大气压接触。

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