CN115683440A

CN115683440A - 一种高分辨力石墨烯异质结气压传感器

Info

Publication number: CN115683440A
Application number: CN202211444804.1A
Authority: CN
Inventors: 张甲; 李松霖; 梁帅; 吴博轩; 贺欣欣; 郭平
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2022-11-18
Filing date: 2022-11-18
Publication date: 2023-02-03
Anticipated expiration: 2042-11-18
Also published as: CN115683440B; US20240167902A1

Abstract

本发明是一种高分辨力石墨烯异质结气压传感器。本发明涉及压力传感器设计技术领域，本发明利用石墨烯/六方氮化硼/石墨烯(G/h‑BN/G)垂直异质结薄膜作为承压隔膜，传感器衬底上具有微纳米级阵列化凹腔结构，在气压的作用下，可使G/h‑BN/G薄膜产生局域化内应力，G/h‑BN/G薄膜局域化内应力将改变垂直异质结薄膜的能带结构，使上下两层石墨烯之间的隧道电流产生变化，从而反映外部气压的变化。所述的石墨烯异质结气压传感器的原理是基于隧道效应的。所述的传石墨烯异质结气压感器隧道电流对异质结所受的内应力极度敏感，因此，可以实现传感器对气压高分辨力的检测。

Description

一种高分辨力石墨烯异质结气压传感器

技术领域

本发明涉及压力传感器设计技术领域，是一种高分辨力石墨烯异质结气压传感器。

背景技术

气压传感器是获取大气数据和气压的核心装备，在航空航天领域有着举足轻重的地位，它的性能直接关系到空天飞行器的使役效能，甚至是人员的生命健康。例如，四代机超机动时需要气压传感器获得精确的攻角，否则会导致战机失速；战斗机发射飞弹是需要气压传感器精确测量当前高度，否则造成过大的命中误差；航天舱服需要气压传感器获得内部实时压力，一旦空气大量泄漏导致致命伤害。

当前，商用大气气压传感器根据检测原理划分，主要有谐振型、压阻型、压容型、光纤干涉型四大类，它们各具优势，但也存在一定的局限。例如，谐振型基于悬臂或质量快振动，精度高，功耗低，但结构复杂且制造较困难；电阻型基于材料压阻效应，线性度好，但温漂较大，而电容型基于结构的压容效应，温漂较小，但输出存在较大非线性；光纤型基于光学干涉原理，可在高温下工作，但体积大，精度不高。

气压传感器经历近百年的发展，国际上逐渐形成了以美国、欧盟、日本等相关公司为代表的商用化生产企业。例如，美国通用公司气压传感器主要用于航空航天、气象水文、石油化工等；芬兰维萨拉公司气压传感器主要用于气相观测站；德国博世和罗姆公司，瑞士泰科电子公司气压传感器主要用于无人机、智能手机、家电等消费电子产品等。国内，气压传感器技术较国际大厂还有很大的差距。在商用高端气压传感器领域，核心芯片严重依赖进口，本土企业主要完成电路封装等工作；在军事航天领域，主要是中国电科49所，航天704所，中科院电子所等研制的小批量专用产品，尚未规模化推广应用。综述国内外气压传感器的研究现状，目前商业化的气压传感器的最小分辨力约为0.01～0.05hPa(1hPa＝100Pa)。当前，传感器的分辨力进一步提升遇到诸多瓶颈，需要通过创新传感器检测原理，开发新的敏感材料和结构等途径，才能突破传感器分辨力的瓶颈。

发明内容

本发明为克服现有技术的不足，本发明为采用石墨烯/六方氮化硼/石墨烯(G/h-BN/G)垂直异质结薄膜作为压力敏感承压隔膜，结合传感器衬底微纳米级阵列化凹腔结构，使得气压作用于承压隔膜后产生局域化的内应力。该局域化内应力将引起G/h-BN/G薄膜能带结构的变化，进而使得穿过G/h-BN/G异质结的隧道电流发生改变，从而对气压进行检测，本发明提供了一种高分辨力石墨烯异质结气压传感器。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

一种高分辨力石墨烯异质结气压传感器，所述传感器包括：承压隔膜、上电极层、下电极层、电绝缘层、密封层和传感器衬底；

所述上电极层设置于承压隔膜顶层上两侧，所述承压隔膜底层两侧上设置有下电极层，所述下电极层外两侧设置有电绝缘层；

电绝缘层下层设置有传感器衬底，传感器衬底下层设置有电绝缘层，电绝缘层下层设置有密封层；

所述承压隔膜采用石墨烯/六方氮化硼/石墨烯，即G/h-BN/G垂直异质结薄膜，传感器衬底采用微纳米级阵列化凹腔结构，使得气压作用于承压隔膜后产生局域化的内应力，局域化内应力将引起G/h-BN/G薄膜能带结构的变化，进而使得穿过G/h-BN/G异质结的隧道电流发生改变，从而对气压进行检测。

优选地，所述密封层采用玻璃、金属、聚合物或塑料。

优选地，凹腔结构采用圆形孔、方形孔、多边形孔或异型孔；

凹腔结构采用光刻和干法或湿法刻蚀形成大的内部腔体。

优选地，电绝缘层采用氧化硅、氮化硅、三氧化二铝、氧化锆、氧化锌、六方氮化硼、云母、PMMA、PI或PEN。

优选地，上电极层和下电极层采用金属、导电油墨或导电聚合物；

上电极层和下电极层的厚度为10-200纳米。

一种航空航天气压检测装置，所述装置基于一种高分辨力石墨烯异质结气压传感器。

一种气压检测装置，所述装置一种高分辨力石墨烯异质结气压传感器。

传感器衬底采用微纳米级单一凹腔结构，使得气压作用于承压隔膜后产生局域化的内应力，局域化内应力将引起G/h-BN/G薄膜能带结构的变化，进而使得穿过G/h-BN/G异质结的隧道电流发生改变，从而对气压进行检测。

一种气压检测装置，所述装置基于一种高分辨力石墨烯异质结气压传感器。

本发明具有以下有益效果：

本发明是一种高分辨力石墨烯异质结气压传感器，本发明中基于隧道效应的传感器检测原理具有新颖性和先进性。隧道电流对薄膜内应力变化更加敏感，因此，本发明的传感器在检测分辨力指标上要超过压阻型和压容型气压传感器。同时，石墨烯具有高速的载流子迁移率和高电导率，对隧穿电子的输运速度极快，从而使得本发明的传感器的响应速度较压阻型和压容型气压传感器的响应速度，将有2-3个数量级的提升，使得本发明传感器具有先进性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体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，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为石墨烯异质结气压传感器核心敏感结构截面示意图；

图2为将传感器的各部分材料及凹腔结构形式进行特殊化结构图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明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，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、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。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，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，或一体地连接；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发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

以下结合具体实施例，对本发明进行了详细说明。

具体实施例一：

根据图1至图2所示，本发明为解决上述技术问题采取的具体优化技术方案是：本发明涉及一种高分辨力石墨烯异质结气压传感器。

本发明的传感器的主要特征包括：1)利用石墨烯/六方氮化硼/石墨烯(G/h-BN/G)垂直异质结薄膜作为承压隔膜，2)传感器衬底上具有微纳米级阵列化凹腔结构，在气压的作用下，可使G/h-BN/G薄膜产生局域化内应力，3)G/h-BN/G薄膜局域化内应力将改变垂直异质结薄膜的能带结构，从而使穿过上下两层石墨烯之间的隧道电流产生变化，从而反映外部气压的变化。所述的石墨烯异质结气压传感器的原理是基于隧道效应的。所述的石墨烯异质结气压感器隧道电流对异质结所受的内应力极度敏感，因此，可以实现传感器对气压高分辨力的检测。

如图1所示，为所设计的气压传感器核心敏感结构。从截面图中可以看出，从下至上依次为密封层、电绝缘层、传感器衬底、电绝缘层、下电极层、G/h-BN/G异质结薄膜、上电极层，共七层。

具体实施例二：

本申请实施例二与实施例一的区别仅在于：

除了G/h-BN/G异质结薄膜外，其余各层材料有很宽泛的选择，如密封层，其功能是保证传感器衬底中央的空腔保持真空，密封层的材料可以是玻璃、金属、聚合物、塑料。

具体实施例三：

本申请实施例三与实施例二的区别仅在于：

传感器衬底层主要提供对于G/h-BN/G异质结薄膜支撑，同时其内部开有空腔，上部制作出具有微纳米结构凹腔。衬底是传感器产生局域化应力的关键部件。衬底的材料选择广泛，可以是硅、锗、各类金属、聚合物等。衬底上微纳米结构凹腔形式可以是单一结构，也可以是相同结构的阵列化，或者不同结构的阵列化。所述的凹腔结构可以是圆形孔、方形孔、多边形孔、异型孔。

传感器衬底上下两面的电绝缘层，主要起着隔离电学信号的作用，可以选择各类氧化物等绝缘材料，如氧化硅、氮化硅、三氧化二铝、氧化锆、氧化锌、六方氮化硼、云母、各类聚合物(PMMA、PI、PEN)。

当传感器敏感结构组装完毕后，在G/h-BN/G薄膜上下两侧形成压力差，使得G/h-BN/G薄膜在凹腔结构上产生向下的弯曲，从而在薄膜内部产生应力。

在阵列化的凹腔结构作用下，会在薄膜不同位置产生阵列化的应力分布，从而使得G/h-BN/G薄膜能带结构发生变化。

G/h-BN/G薄膜能带结构直接决定了电子在六方氮化硼层间的隧穿输运行为，宏观上表现为隧道电流的大小。因此可以建立起外界气压与隧道电流之间的关系模型。

当外界气压增大，G/h-BN/G薄膜向下弯曲的程度增加，薄膜内应力增大，隧道电流增大；反之，当外界气压减小，G/h-BN/G薄膜向下弯曲的程度减小，薄膜内应力减小，隧道电流减小。因此，可以建立起外界气压大小与隧道电流大小之间的关系模型。

相较于压阻型和压容型气压传感器，本发明中基于隧道效应的传感器检测原理具有新颖性和先进性。隧道电流对薄膜内应力变化更加敏感，因此，本发明的传感器在检测分辨力指标上要超过传感器的压阻型和压容型气压传感器。同时，石墨烯具有高速的载流子迁移率和高电导率，对隧穿电子的输运速度极快，从而使得本发明的传感器的响应速度较压阻型和压容型气压传感器的响应速度，将有2-3个数量级的提升，使得本发明传感器具有先进性。

具体实施例四：

本申请实施例四与实施例三的区别仅在于：

电绝缘层采用氧化硅、氮化硅、三氧化二铝、氧化锆、氧化锌、六方氮化硼、云母、PMMA、PI或PEN。

具体实施例五：

本申请实施例五与实施例四的区别仅在于：

上下电极层，主要起着电信号导通的功能，其结构形式多样，可以是各类图形，选取的电极材料种类多样，如各类金属、导电油墨、导电聚合物。

电极层和下电极层的厚度为10-200纳米。

具体实施例六：

本申请实施例六与实施例五的区别仅在于：

本发明提供一种航空航天气压检测装置，所述装置基于一种高分辨力石墨烯异质结气压传感器，所述传感器包括：承压隔膜、上电极层、下电极层、电绝缘层、密封层和传感器衬底；

具体实施例七：

本申请实施例七与实施例六的区别仅在于：

本发明提供一种气压检测装置，所述装置基于一种高分辨力石墨烯异质结气压传感器。所述传感器包括：承压隔膜、上电极层、下电极层、电绝缘层、密封层和传感器衬底；

具体实施例八：

本申请实施例八与实施例七的区别仅在于：

本发明提供一种高分辨力石墨烯异质结气压传感器，所述传感器包括：承压隔膜、上电极层、下电极层、电绝缘层、密封层和传感器衬底；

具体实施例九：

本申请实施例九与实施例八的区别仅在于：

本发明提供一种航空航天气压检测装置，所述装置基于一种高分辨力石墨烯异质结气压传感器。所述传感器包括：承压隔膜、上电极层、下电极层、电绝缘层、密封层和传感器衬底；

具体实施例十：

本申请实施例十与实施例九的区别仅在于：

具体实施例十一：

本申请实施例十一与实施例十的区别仅在于：

如图2所示，将传感器的各部分材料及凹腔结构形式进行特殊化；

1.所述的密封衬底为玻璃，通过真空键合方式与传感器衬底密封连接，并与传感器衬底构成了真空内封。

2.所述的传感器衬底为硅衬底，在其上部通过光刻和干法刻蚀形成具有微纳结构的凹腔阵列，在其下部，通过光刻和湿法刻蚀形成大的内部腔体。

3.所示的传感器衬底上面两面的电绝缘层为氮化硅，通过热氧化的方法在硅片两面同时生长氮化硅。氮化硅既可以作为干法刻蚀凹腔和湿法刻蚀内部腔体的抗刻蚀层，又可以在后续器件构筑中作为电绝缘的层。

4.所述的G/h-BN/G薄膜可以通过层层转移形成异质结薄膜，也可以通过先直接生长出G/h-BN/G薄膜，在整体进行转移的方式获得。该薄膜的厚度约为5-10纳米，上下两层石墨烯的厚度1-2纳米，中间氮化硼的厚度4-8纳米。

5.所述的上下电极采用金，通过光刻和镀膜的方式进行制备。

通过上述一个具体实施方案，可以实现石墨烯异质结气压传感器的制造。该传感器通过气压作用于G/h-BN/G薄膜，由于外界气压与硅内腔体压力之间压力差，使得G/h-BN/G薄膜产生向下弯曲变形，在阵列化的圆形凹腔结构作用下，在G/h-BN/G薄膜内产生局域化的应力，这种应力引起上下两层石墨烯之间的电子隧穿电流的变化，从而建立其外部气压与隧道电流之间的关系。进一步改变外部气压大小，G/h-BN/G薄膜内应力大小也随着改变，使得隧道电流的大小也发生变化。从而实现石墨烯异质结传感器对气压检测。此外，由于隧道电流对G/h-BN/G薄膜内应力极其敏感，且石墨烯中的载流子迁移率速度极快，高出硅迁移率1-2数量级，因此，G/h-BN/G薄膜对微小气压的变化均能产生响应，由此实现传感器对气压高分辨力检测。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、、示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或N个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。此外，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至少一个该特征。在本发明的描述中，“特个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更N个用于实现定制逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，"计算机可读介质"可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或N个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，N个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。如，如果用硬件来实现和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。

本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。此外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。

以上所述仅是一种高分辨力石墨烯异质结气压传感器的优选实施方式，一种高分辨力石墨烯异质结气压传感器的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于该思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和变化，这些改进和变化也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种高分辨力石墨烯异质结气压传感器，其特征是：所述传感器包括：承压隔膜、上电极层、下电极层、电绝缘层、密封层和传感器衬底；

2.根据权利要求1所述的一种高分辨力石墨烯异质结气压传感器，其特征是：所述密封层采用玻璃、金属、聚合物或塑料。

3.根据权利要求2所述的一种高分辨力石墨烯异质结气压传感器，其特征是：凹腔结构采用圆形孔、方形孔、多边形孔或异型孔；

凹腔结构采用光刻和干法或湿法刻蚀形成大的内部腔体。

4.根据权利要求3所述的一种高分辨力石墨烯异质结气压传感器，其特征是：电绝缘层采用氧化硅、氮化硅、三氧化二铝、氧化锆、氧化锌、六方氮化硼、云母、PMMA、PI或PEN。

5.根据权利要求4所述的一种高分辨力石墨烯异质结气压传感器，其特征是：上电极层和下电极层采用金属、导电油墨或导电聚合物；

上电极层和下电极层的厚度为10-200纳米。

6.一种航空航天气压检测装置，其特征是：所述装置基于权利要求1-5所述的一种高分辨力石墨烯异质结气压传感器。

7.一种气压检测装置，其特征是：所述装置基于权利要求1-5所述的一种高分辨力石墨烯异质结气压传感器。

8.一种高分辨力石墨烯异质结气压传感器，其特征是：所述传感器包括：承压隔膜、上电极层、下电极层、电绝缘层、密封层和传感器衬底；

9.一种航空航天气压检测装置，其特征是：所述装置基于权利要求8所述的一种高分辨力石墨烯异质结气压传感器。

10.一种气压检测装置，其特征是：所述装置基于权利要求8所述的一种高分辨力石墨烯异质结气压传感器。