CN210774407U - 一种石墨烯高温温度传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及高温测试技术领域，具体涉及一种石墨烯高温温度传感器。一种石墨烯高温温度传感器，主要结构包括：纳米膜、互连电极、衬底、密封环、封装外壳、陶瓷基板、引线柱。纳米膜由上下两层氮化硼与夹在其中的石墨烯组成，布置在衬底的下表面，衬底上表面刻蚀出多孔结构以加快热传导，互连电极由互连凸点键合互连焊盘组成，通过引线柱将检测单元与外部相连。采用Pt‑Pt金属键合技术使衬底与陶瓷基板形成真空腔，隔绝了纳米膜与外界的直接接触，为纳米膜提供无氧防护。氮化硼/石墨烯/氮化硼纳米薄膜既是器件的功能材料，又是其结构材料。器件可以长期稳定工作在1700℃的高温，并且耐酸碱、抗腐蚀，适用于各种高温测试环境。

Description

一种石墨烯高温温度传感器

技术领域

本实用新型涉及高温测试技术领域，具体涉及一种石墨烯高温温度传感器。

背景技术

随着科技的发展进步，在众多领域对于温度参数的监控与测量技术需求日渐增大，尤其是长时间高温恶劣环境下的温度参数的获取仍是需要完善的科学技术。例如在汽车发动机、航空发动机、重型燃气轮机等设备的主要部件就处在复杂的高温恶劣环境，这就需要利用传感器对燃烧室这样的关键部位的温度参数进行实时监控，来提高燃烧性能和评估部件的健康状况。

近年来，国内外众多的单位和学者对高温温度传感器进行了大量的研究和产品开发。综合温度测量的应用现状，根据测量方式可以分为接触式和非接触式两大类，其中接触式主要有热电偶式温度传感器、电阻式温度传感器；非接触式温度传感器主要有红外温度传感器和辐射温度传感器。本专利所述石墨烯温度传感器的本质其实是电阻式温度传感器，电阻式温度传感器又可分为金属电阻式温度传感器以及半导体电阻式温度传感器。金属电阻式温度传感器使用材料主要有铂、金、铜、镍等纯金属材料，以及磷青铜等合金；半导体温度式传感器材料则主要采用碳、锗、陶瓷等。

就目前而言，电阻式温度传感器仍是较为精确的温度传感器，目前的使用温区一般是1K～1000K左右，其差可低到万分之一摄氏度，并且它的精度极高，性能也稳定，但是缺点在于热惯性较大，响应时间较长。由于金属材料本身的限制，所以金属材料的电阻式温度传感器普遍测温区间较低，没办法完成恶劣高温环境下的测量，因此研究一种新型半导体材料的电阻式温度传感器来提高温度区间以及响应时间同时保证其精度是目前急需的科学技术。

随着科学的进步与发展，石墨烯材料横空出世，它以其优秀的电学、热学、力学和化学性质成为现今制造各种纳米传感器的良好材料。实验测试表明石墨烯可以稳定存在于3000℃的无氧高温环境中，氮化硼纳米薄膜可工作在2800℃的无氧环境，两者均具有良好的耐高温特性。氮化硼具有与石墨烯相似的晶格结构，将石墨烯夹在两层氮化硼中，可以为石墨烯提供绝氧、隔绝杂质的保护和平整的介质层；此外衬底选择α-Al₂O₃，正常使用温度也可达2030℃，因此进行无氧环境封装后的纳米薄膜可以稳定工作于1000℃以上的恶劣环境。同时石墨烯材料还拥有高达5300W/(m·K)的热导率，所以它对于温度的响应时间非常短。

利用石墨烯材料代替金属材料和其它半导体材料，实现在恶劣高温环境下的温度测量，是目前最为前沿的科学技术，是世界科技界予以探索的技术领域。

实用新型内容

为了有效解决上述背景技术问题的不足，利用石墨烯材料代替金属材料和其它半导体材料，设计了一种基于石墨烯的高温温度传感器。石墨烯薄膜受温度影响电学特性发生改变，具体是温度改变了石墨烯薄膜的电导率，然后通过外部检测电路检测石墨烯薄膜电导率的变化来实现对温度的测量。

所述高温温度传感器的具体实用新型内容包括：一种石墨烯高温温度传感器，所述温度传感器处于1700℃～2000℃的高温下稳定工作，所述传感器具体包括：

至少一个封装外壳，所述封装外壳内部上下两端分别设置有一个陶瓷基板、及一个衬底，所述陶瓷基板、所述衬底及所述封装外壳共同界定一个检测空间；

至少一个检测单元，所述检测单元设置在所述检测空间内，所述检测单元包括至少一个纳米薄膜、及至少两个金属电极，所述衬底面向所述陶瓷基板的一面设置所述纳米薄膜，所述金属电极接设于所述纳米薄膜上，并通过衬底传导热量至所述纳米薄膜感受外部温度变化。

进一步地，所述检测空间为一个能够将纳米薄膜与外部空气隔离的无氧真空腔。

进一步地，所述衬底相反于陶瓷基板的一侧面刻蚀有许多小孔形成的多孔结构，在所述衬底相反于多孔结构的一面布置所述纳米薄膜，并所述纳米薄膜的面积小于整个所述衬底的面积。

进一步地，在所述衬底相反于多孔结构的一面周侧通过密封环支撑在所述陶瓷基板上侧面，所述陶瓷基板、衬底及密封环构成所述无氧真空，所述无氧真空腔内可填充惰性、热膨胀系数较小的气体。

进一步地，所述封装外壳与陶瓷基板相连并粘结牢固。

进一步地，所述纳米薄膜包括上层氮化硼层、下层氮化硼层及夹在其中的石墨烯层。

进一步地，所述金属电极包括分别连接所述纳米膜两端的第一金属电极及第二金属电极，所述第一金属电极依次通过第一互连凸点、第一互连焊盘及第一引线柱连接外部检测组件；所述第二金属电极依次通过第二互连凸点、第二互连焊盘及第二引线柱连接外部检测组件。

进一步地，在所述第一金属电极、第二金属电极、密封环与衬底之间均相应的设置有阻挡层；

所述下层氮化硼、及石墨烯层贴覆在所述第一金属电极、第二金属电极的一侧面，所述上层石墨烯两端与所述阻挡层接触设置。

本实用新型与背景技术相比具有明显的先进性，器件在原有电阻式温度传感器基础上，利用包含石墨烯的纳米膜替代其它金属材料或者半导体材料，大大的提高了电阻式温度传感器的测温区间，并且通过石墨烯材料的高热导率，有效的提高了器件的响应速度。同时，石墨烯被氮化硼纳米薄膜夹在中间，有效的消除了周围环境中的干扰因素，而无氧封装则提升了器件的耐高温能力以及稳定性，可应用于及其恶劣的高温测试环境，是十分理想的高温温度传感器。

附图说明

图1为本实用新型实施例的外观立体示意图；

图2为本实用新型实施例的整体结构截面图；

图3为本实用新型实施例的芯片整体结构图；

图4为本实用新型实施例的芯片结构仰视图；

图5为本实用新型实施例的石墨烯温敏结构图；

图6为本实用新型实施例的石墨烯温敏结构俯视图；

图7为本实用新型实施例的石墨烯温敏结构截面图；

图中所示，附图标记清单如下：

1、纳米薄膜；2、第一互连凸点；3、第二互连凸点；4、第一密封环；5、第二密封环；6、衬底；7、互连焊盘；8、封装外壳；9、陶瓷基板；10、第一引线柱；11、第二引线柱；12、第一阻挡层；13、第二阻挡层；14、第三阻挡层；15、第四阻挡层；16、上层氮化硼层； 17、下层氮化硼层；18、石墨烯层；19、无氧真空腔；20、互连焊盘； 21、第一金属电极；22、第二金属电极；23、第一外部互连电极；24、第二外部互连电极。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”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实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的组合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实用新型的限制。另外，本实用新型实施例的描述过程中，所有图中的“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等器件位置关系，均以图1为标准。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“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实用新型中的具体含义。

以下结合附图对本实用新型做进一步说明：

如图1所示，为本实用新型第一实施例的外观立体图，提供一种基于石墨烯的高温温度传感器，所述传感器包括至少一个封装外壳8、及至少一个检测单元，所述封装外壳8整体可以为圆柱体、立方体、长方体等形状，并不做具体限定，本实用新型附图中，仅示出了圆柱体结构，所述封装外壳8上部为网状结构，并在其下端设置好传感器芯片，陶瓷基板9及衬底6共同界定一个内部检测空间，所述检测单元设置在所述内部检测空间内。

如图2、3所示，为本实用新型第一实施例的整体结构截面图及芯片截面图，在所述内部检测空间的底部设置有一个陶瓷基板9，所述陶瓷基板9外周侧与所述封装外壳8内侧面相互接设。

所述检测单元置于所述内部检测空间内，并具体设置在所述陶瓷基板9面向内部检测空间的一侧，所述检测单元包括纳米薄膜1、金属电极，所述纳米薄膜1在本实用新型中还可以理解为纳米膜；

在本实施例中，所述温度传感器包括：纳米膜、互连电极、衬底6、密封环、封装外壳8、陶瓷基板9、引线柱。在陶瓷基板9上表面通过密封环设置衬底6，衬底6下表面设有纳米膜，通过无氧封装工艺，为纳米膜提供无氧真空环境，所述纳米膜包括纳米薄膜。金属电极通过布线与互连电极相连，互连电极通过引线柱穿过陶瓷基板将检测单元与外部检测电路相连，用于传递纳米薄膜对于温度信号的电学响应。互连电极由互连凸点互连焊盘键合构成，封装外壳8与陶瓷基板9相连并粘接牢固。

所述衬底6为正方体，衬底6上表面布置的纳米薄膜由上下两层氮化硼以及中间石墨烯构成，衬底6上表面被刻蚀出许多小孔形成多孔结构。

所述陶瓷基板9通过密封环与衬底6相连接，通过无氧封装工艺，为纳米膜提供无氧真空环境，腔内可填充惰性、热膨胀系数较小的气体调整真空度满足不同的测试环境。

所述衬底6材料选择α-Al₂O₃材料，基板采用Al₂O₃材料，所述密封环、金属电极以及外部互连电极选择Pt材料。

所述金属电极布置在纳米膜两侧，用于导出纳米薄膜的电学响应，引线柱连接外部互连电极后再连接外部检测电路，分别用于传递和检测纳米薄膜对温度信号的电学响应，互连电极由互连凸点键合互连焊盘构成。阻挡层作为浸润层和保护层，连接金属电极、密封环与衬底，阻止高温下金属原子和衬底原子的相互扩散。封装外壳用以隔绝外界环境，支撑、保护内部芯片结构。

在本实施例中，所述互连凸点界定为第一互连凸点2、第二互连凸点3，所述密封环界定为第一密封环4、第二密封环5，所述引线柱界定为第一引线柱10、第二引线柱11、所述阻挡层界定为第一阻挡层12、第二阻挡层13、第三阻挡层14、第四阻挡层15，所述金属电极界定为第一金属电极21、第二金属电极22，所述外部互连电极界定为第一外部互连电极23、第二外部互连电极24，上述的零部件仅为位置不同，结构相同的、实现技术效果相同的零部件，仅以第一、第二等数字方式罗列区分；

具体为，所述互连电极由第一互连凸点2、第二互连凸点3分别键合第一互连焊盘7、第二互连焊盘20构成，所述衬底6上侧面刻蚀有许多小孔以形成多孔结构，所述衬底6下侧面布置有所述纳米薄膜1，并所述衬底6与所述纳米薄膜1相对的面积小于整个所述衬底6的下侧面面积；

在所述衬底6的下侧面外周侧分别通过第一密封环4、第二密封环5与所述陶瓷基板9连接，所述陶瓷基板9、衬底6及第一密封环 4、第二密封环5构成一个无氧真空腔19，为纳米膜提供了无氧防护, 隔绝了其与外界的直接接触，腔内可填充惰性、热膨胀系数较小的气体调整真空度满足不同的测试环境。

如图4所示，为本实用新型第一实施例的芯片仰视图，所述第一金属电极21、第二金属电极22分别连接所述氮化硼/石墨烯/氮化硼三层纳米薄膜1的两端，用于导出氮化硼/石墨烯/氮化硼三层纳米薄膜1中的电学响应；

具体为：所述第一金属电极21、第二金属电极22通过布线分别连接第一互连凸点2、第二互连凸点3，所述第一互连凸点2、第二互连凸点3分别键合第一互连焊盘7、第二互连焊盘20，所述第一互连焊盘7及第二互连焊盘20分别通过第一引线柱10、第二引线柱11 与所述引线柱相连的第一外部互连电极23、第二外部互连电极24相连，第一外部互连电极23、第二外部互连电极24连接外部检测组件，所述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。

如图5、6所示，在所述第一金属电极21、第二金属电极22、第一密封环4、第二密封环5与衬底6之间均相应的设置有第一阻挡层 12、第二阻挡层13、第三阻挡层14、第四阻挡层15，阻止高温下金属原子向衬底6扩散。

如图7所示，所述纳米薄膜1由上层氮化硼层16、下层氮化硼层17及夹在其中的石墨烯层18组成，在其它实施例中，所述上层、下层氮化硼的层数大于等于1，石墨烯为单层结构，所述纳米薄膜1 的下层氮化硼17及石墨烯层18贴覆在所述第一金属电极21、第二金属电极22的上表面，石墨烯层18两端与第一阻挡层12、第二阻挡层13、第三阻挡层14、第四阻挡层15接触，第一阻挡层12、第二阻挡层13、第三阻挡层14、第四阻挡层15作为浸润层和保护层，连接第一金属电极21、第二金属电极22、第一密封环4、第二密封环5与衬底6，阻止高温下金属原子和衬底原子的相互扩散。

本实用新型原理是：

当外部温度信号作用于衬底上表面时，温度信号会通过开孔结构加快传递到衬底下表面的温敏结构，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。通过检测石墨烯面内的电流变化即可测得外部施加的温度值。同时在这一过程中，无氧真空腔与双层氮化硼为石墨烯层提供的隔氧保护，确保了石墨烯可以在高温环境下工作，从而实现恶劣复杂高温环境下温度的高精度测量。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“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实用新型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一定指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何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，本领域的普通技术人员可以理解，在不脱离本实用新型的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种石墨烯高温温度传感器，所述温度传感器处于1700℃～2000℃的高温下稳定工作，其特征在于，所述传感器具体包括：

至少一个封装外壳，所述封装外壳内部上下两端分别设置有一个陶瓷基板、及一个衬底，所述陶瓷基板、所述衬底及所述封装外壳共同界定一个检测空间；

至少一个检测单元，所述检测单元设置在所述检测空间内，所述检测单元包括至少一个纳米薄膜、及至少两个金属电极，所述衬底面向所述陶瓷基板的一面设置所述纳米薄膜，所述金属电极接设于所述纳米薄膜上，并通过衬底传导热量至所述纳米薄膜感受外部温度变化。

2.根据权利要求1所述一种石墨烯高温温度传感器，其特征在于，所述检测空间为一个能够将纳米薄膜与外部空气隔离的无氧真空腔。

3.根据权利要求1所述一种石墨烯高温温度传感器，其特征在于，所述衬底相反于陶瓷基板的一侧面刻蚀有许多小孔形成的多孔结构，在所述衬底相反于多孔结构的一面布置所述纳米薄膜，并所述纳米薄膜的面积小于整个所述衬底的面积。

4.根据权利要求2所述一种石墨烯高温温度传感器，其特征在于，在所述衬底相反于多孔结构的一面周侧通过密封环支撑在所述陶瓷基板上侧面，所述陶瓷基板、衬底及密封环构成所述无氧真空腔，所述无氧真空腔内可填充惰性、热膨胀系数较小的气体。

5.根据权利要求4所述一种石墨烯高温温度传感器，其特征在于，所述封装外壳与陶瓷基板相连并粘结牢固。

6.根据权利要求1-5任意之一所述一种石墨烯高温温度传感器，其特征在于，所述纳米薄膜包括上层氮化硼层、下层氮化硼层、及夹在其中的石墨烯层。

7.根据权利要求6所述一种石墨烯高温温度传感器，其特征在于，所述金属电极包括分别连接所述纳米薄膜两端的第一金属电极及第二金属电极，所述第一金属电极依次通过第一互连凸点、第一互连焊盘及第一引线柱连接外部检测组件；所述第二金属电极依次通过第二互连凸点、第二互连焊盘及第二引线柱连接外部检测组件。

8.根据权利要求7所述一种石墨烯高温温度传感器，其特征在于，在所述第一金属电极、第二金属电极、密封环与衬底之间均相应的设置有阻挡层；

所述下层氮化硼、及石墨烯层贴覆在所述第一金属电极、第二金属电极的一侧面，所述石墨烯层两端与所述阻挡层接触设置。

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