CN203629725U - 基于石墨烯的mems压力传感器 - Google Patents
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Abstract
基于石墨烯的MEMS压力传感器，属于微机电系统（MEMS）的压力检测器件，解决现有MEMS压力传感器尺寸较大，灵敏度有限的问题。本实用新型包括基底、绝缘层，所述基底表面氧化形成绝缘层，绝缘层内刻蚀出空腔，绝缘层上表面覆盖石墨烯薄膜，将所述空腔封闭，石墨烯薄膜为1~5层；所述石墨烯薄膜边缘沉积两个金属电极，两个金属电极上分别焊接有导线。本实用新型采用石墨烯薄膜构成MEMS压阻式压力传感器，制备方法简单，可靠性好，压力传感器体积更小，从微米尺度变为纳米尺度，灵敏度更高，在1~5层内增加石墨烯层数，可以相应增大测量的压力大小，应用范围更广。
Description
技术领域
本实用新型属于微机电系统(MEMS)的压力检测器件，具体涉及一种基于石墨烯的MEMS压力传感器。
背景技术
MEMS压力传感器的应用非常广泛：如工业电子领域：工业配料称重、数字流量表以及数字压力表等；消费电子领域：太阳能热水器用液位控制压力传感器、洗碗机、饮水机、洗衣机、空调压力传感器，微波炉、健康秤以及血压计等；汽车电子领域：柴油机的共轨压力传感器、汽车发动机的进气歧管压力传感器、汽车刹车系统的空气压力传感器以及发动机的机油压力传感器等。压力传感器的发展趋势是体积更小，从微米尺度到纳米尺度，灵敏度更高，可靠性更高，应用范围更广，以适应某些特殊场合如人体内部血压或者组织压力的测量。
现有MEMS压力传感器，在硅基底内自下而上刻蚀出空腔，空腔顶部硅层形成硅薄膜，其厚度为数十微米，空腔底部与玻璃进行键合而封闭，硅薄膜应力最大处边缘沉积四个压敏电阻，四个压敏电阻上分别焊接有导线，组成惠斯通测量电桥，将压力物理量转变为电量。由于硅的物理性能有限，导致MEMS压力传感器尺寸较大，灵敏度有限，在医学、生物等纳米领域无法得到广泛应用。
发明内容
本实用新型提供一种基于石墨烯的MEMS压力传感器，解决现有MEMS压力传感器尺寸较大，灵敏度有限的问题。
本实用新型所提供的一种基于石墨烯的MEMS压力传感器，包括基底、绝缘层，所述基底表面氧化形成绝缘层，绝缘层内刻蚀出空腔，其特征在于：
所述绝缘层上表面覆盖石墨烯薄膜，将所述空腔封闭，石墨烯薄膜为1～5层；所述石墨烯薄膜边缘沉积两个金属电极，两个金属电极上分别焊接有导线。
所述的MEMS压力传感器，其进一步特征在于：
所述空腔深度与绝缘层厚度相同，空腔截面形状为矩形或圆形，矩形的长宽比大于或等于2；
所述石墨烯薄膜形状为矩形或圆形，并完全覆盖所述空腔；
当所述石墨烯薄膜形状为矩形时，所述两个金属电极分别位于石墨烯薄膜的矩形两条长边中点处；
当所述石墨烯薄膜形状为圆形时，所述两个金属电极分别位于石墨烯薄膜的圆形任意一条直径两端点处。
所述的MEMS压力传感器，所述基底的材料可以为硅，绝缘层可以为二氧化硅。
本实用新型的制备方法，包括以下步骤：
(1)将清洗、烘干后的晶圆硅片作为基底，置于热氧化环境中在其表面形成二氧化硅绝缘层，然后将硅片切成12mm×12mm的方形小块；
(2)在二氧化硅绝缘层进行感应耦合等离子体(ICP)刻蚀形成矩形或圆形空腔，刻蚀的空腔深度与绝缘层厚度相同；
(3)利用化学气相沉积(CVD)法在高纯度铜箔上生长单层石墨烯薄膜，在生长有石墨烯薄膜的铜箔表面旋涂聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)胶，将铜箔置于氯化铁溶液中腐蚀掉铜箔，再分别依次在去离子水、稀盐酸、丙酮和去离子水中清洗得到石墨烯薄膜；
(4)将具有绝缘层的基底完全浸入到表面漂浮石墨烯薄膜的去离子水中，小心地将具有绝缘层的基底移动至石墨烯薄膜下方，将石墨烯薄膜转移到具有空腔的二氧化硅绝缘层上方；
(5)在石墨烯薄膜上方旋涂光刻胶，然后依次通过光刻、氧等离子体刻蚀将石墨烯薄膜分割成矩形或圆形小块，要求矩形或圆形小块完全覆盖空腔；
(6)在二氧化硅绝缘层与石墨烯薄膜上方旋涂光刻胶，通过光刻在矩形石墨烯薄膜的两条长边中点处形成两个金属电极图案；
或者通过光刻在圆形石墨烯薄膜的任意一条直径两端点处形成两个金属电极图案；
(7)通过电子束蒸发在两个金属电极图案处依次形成Ti层和Au层，形成金属电极，再将整个芯片置于丙酮中清洗除去光刻胶，然后用去离子水进行清洗；
(8)在两个金属电极上分别焊接导线。
单层石墨烯(Graphene)是一种二维原子结构，自从独立的单层石墨烯在2004年第一次制备成功至今，石墨烯已经可以看作是材料界一颗炙手可热的新星，并且吸引了众多科学家对于它各个方面的研究。石墨烯具有非常特殊的性能，比如，拥有很高的杨氏模量(约1000GPa)；拥有可以和碳纳米管(CNT)相媲美的高断裂强度(约125GPa)；拥有优于碳纳米管的室温热导率(约为5×103Wm-1K-1)；载流子的迁移速率极高，室温及液氮温度下分别能达到15000cm2V-1S-1和60000cm2V-1S-1；还有高比表面积(理论计算值为2630m2／g)等。石墨烯结构非常稳定，迄今为止，研究者仍未发现石墨烯中有碳原子缺失的情况。石墨烯稳定的晶格结构使碳原子具有优秀的导电性由于原子间作用力十分强，在常温下，即使周围碳原子发生挤撞，石墨烯中电子受到的干扰也非常小。作为最薄的材料，它可以在二氧化硅表面稳定粘附，并具有不可穿透性，已有研究发现，当石墨烯受到拉伸或压缩作用时，其电阻会发生明显的改变，而且在一定范围内变化呈良好的线性关系。
本实用新型基于石墨烯的以下优良性能：(1)单层石墨烯厚度为0.34nm，石墨烯薄膜为纳米量级。(2)石墨烯拥有远高于硅的杨氏模量和高断裂强度，结构非常稳定，导电性很强。(3)石墨烯薄膜可以在二氧化硅表面稳定粘附，且具有不可穿透性。(4)石墨烯电阻率极低，受到拉伸或压缩应变时，电阻有明显的变化。
利用本实用新型测量环境压力时，将本实用新型放置在待测环境中，两个矩形金属电极通过导线分别连接外部电路的正负极，利用恒流源外部电路(电压-电流)来测量石墨烯薄膜的电阻变化，电路电压值随电阻变化，且与外部环境压力值成线性关系。当石墨烯薄膜外部环境压力为0时，石墨烯薄膜在空腔内部气压(一个大气压)作用下有初始变形，恒流源外部电路的电压有初始值；当石墨烯薄膜外部环境压力不为0时，石墨烯薄膜发生变形，石墨烯薄膜电阻发生变化，当外部电路电流不变时，则电压发生变化，电压值与外部环境压力成线性关系。
本实用新型采用石墨烯薄膜构成MEMS压阻式压力传感器，制备方法简单，可靠性好，压力传感器体积更小，从微米尺度变为纳米尺度，灵敏度更高，在1～5层内增加石墨烯层数，可以相应增大测量的压力大小，应用范围更广。
附图说明
图1为本实用新型的实施例的立体结构示意图；
图2为本实用新型的实施例截面结构示意图；
图3为本实用新型的实施例俯视图；
图4为本实用新型的实施例与现有MEMS硅膜压力传感器的灵敏度对比示意图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本实用新型进一步说明。
如图1、图2、图3所示，本实用新型的实施例，包括基底1、绝缘层2，基底的材料为硅，所述基底1表面氧化形成绝缘层2，绝缘层2内刻蚀出空腔5，
所述绝缘层2上表面覆盖石墨烯薄膜3，将所述空腔5封闭，石墨烯薄膜3为1层；所述石墨烯薄膜3边缘沉积两个正方形金属电极4，两个正方形金属电极4上分别焊接有导线。
所述空腔5深度与绝缘层2厚度相同，空腔截面形状为矩形，矩形的长宽比等于6；
所述石墨烯薄膜3形状为矩形，并完全覆盖所述空腔5；
所述两个正方形金属电极4分别位于石墨烯薄膜3的矩形两条长边中点处。
本实施例的制备方法，包括以下步骤：
(1)将清洗、烘干后厚度为400um的晶圆硅片作为基底，置于热氧化环境中在其表面形成厚度为0.3um二氧化硅绝缘层，然后将硅片切成12mm×12mm的方形小块；
(2)在二氧化硅绝缘层进行感应耦合等离子体(ICP)刻蚀形成矩形空腔，刻蚀的空腔深度与绝缘层厚度相同，空腔5长宽高尺寸为30um×5um×0.3um；
(3)利用化学气相沉积(CVD)法在高纯度铜箔上生长单层石墨烯薄膜，在生长有石墨烯薄膜的铜箔表面旋涂聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)胶，将铜箔置于氯化铁溶液中腐蚀掉铜箔，再分别依次在去离子水、稀盐酸、丙酮和去离子水中清洗得到石墨烯薄膜；其具体过程为：
将厚度25um的高纯度铜箔预制成正方形，清洗、烘干后放入CVD设备中，维持生长温度1000℃，通入甲烷和氢气，气体流量为甲烷25sccm，氢气10sccm，生长15分钟后，关闭甲烷，在10sccm氢气气流保护下快速冷却到室温，在铜箔表面得到单层石墨烯薄膜3；
在生长有石墨烯薄膜3的铜箔表面旋涂PMMA胶，使铜箔表面的石墨烯薄膜3和PMMA胶层粘附，再将铜箔置于0.1M氯化铁溶液中浸泡24小时，腐蚀掉铜箔，剩下石墨烯薄膜及PMMA胶，再将石墨烯薄膜及PMMA胶放入去离子水中清洗1min，然后放入稀盐酸中，30min后，再放入丙酮中清洗3min除去PMMA胶，最后在去离子水中清洗1min，得到石墨烯薄膜3。
(4)将具有绝缘层的基底完全浸入到表面漂浮石墨烯薄膜的去离子水中，小心地将具有绝缘层的基底移动至石墨烯薄膜下方，将石墨烯薄膜转移到具有空腔的二氧化硅绝缘层上方；通过范德华力的作用石墨烯薄膜3附着在二氧化硅绝缘层表面；
(5)在石墨烯薄膜上方旋涂光刻胶，然后依次通过光刻、氧等离子体刻蚀将石墨烯薄膜分割成矩形小块，尺寸为100um×60um，要求矩形小块完全覆盖空腔；
(6)在二氧化硅绝缘层与石墨烯薄膜上方旋涂光刻胶，通过光刻在矩形石墨烯薄膜的两条长边中点处形成两个40um×40um的正方形金属电极图案；
(7)通过电子束蒸发在两个正方形金属电极图案处依次形成20nm的Ti层和200nm的Au层，形成金属电极，再将整个芯片置于丙酮中清洗3min除去光刻胶，然后用去离子水进行清洗；
(8)在两个金属电极上分别焊接导线。
如图4所示，本实用新型的实施例(石墨烯)与另外三种现有MEMS硅膜压力传感器(分别标记为硅1、硅2、硅3)的灵敏度对比，灵敏度为归一化单位面积的灵敏度，便于进行对比。从图中可看出，以本实用新型的灵敏度为1，则现有三种MEMS硅膜压力传感器的灵敏度无一达到0.05。
Claims (3)
1. 一种基于石墨烯的MEMS压力传感器，包括基底、绝缘层，所述基底表面氧化形成绝缘层，绝缘层内刻蚀出空腔，其特征在于：
所述绝缘层上表面覆盖石墨烯薄膜，将所述空腔封闭，石墨烯薄膜为1~5层；所述石墨烯薄膜边缘沉积两个金属电极，两个金属电极上分别焊接有导线。
2.如权利要求1所述的MEMS压力传感器，其特征在于：
所述空腔深度与绝缘层厚度相同，空腔截面形状为矩形或圆形，矩形的长宽比大于或等于2；
所述石墨烯薄膜形状为矩形或圆形，并完全覆盖所述空腔；
当所述石墨烯薄膜形状为矩形时，所述两个金属电极分别位于石墨烯薄膜的矩形两条长边中点处；
当所述石墨烯薄膜形状为圆形时，所述两个金属电极分别位于石墨烯薄膜的圆形任意一条直径两端点处。
3. 如权利要求1或2所述的MEMS压力传感器，其特征在于：
所述基底的材料为硅，绝缘层为二氧化硅。
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20140604 Termination date: 20161221 |
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