CN211877098U - 一种高温石墨烯压力/温度一体化传感器 - Google Patents

Abstract

一种高温石墨烯压力/温度一体化传感器，可以在温度1200℃、压力3MPa的环境下正常工作，所述传感器包括：一个封装外壳；陶瓷端盖，所述陶瓷端盖，设置在所述封装外壳顶部，所述陶瓷端盖上设置有多个通孔形成多孔结构；基板，所述基板设置在所述封装外壳内侧的底部；检测组件，所述检测组件设置在所述基板上用于检测压力和温度。本实用新型在原有温度和压力传感器基础上，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，大大的提高了温度传感器的测温区间，并且由于石墨烯材料的高热导率，有效的提高了器件的响应速度。温度对压力的原位补偿使得压力信号精确度更高。

Description

一种高温石墨烯压力/温度一体化传感器

技术领域

本实用新型涉及高温压力和温度测试技术领域，具体涉及一种高温石墨烯压力/温度一体化传感器。

背景技术

人类生活水平的提高，促进了科学技术的不断发展。现如今，在众多领域中，对于压力、温度的监测要求日益增大，尤其对于长时间高温恶劣环境下的测量是目前面临的重要问题之一。

目前应用较为广泛的压力传感器包括陶瓷压力传感器、不锈钢压力传感器以及MEMS压力传感器。陶瓷压力传感器在汽车、工业等领域具有广泛的应用；不锈钢压力传感器适合矿井、船舶等各种恶劣工况；MEMS压力传感器中,膜片封装的应用最广泛,是工业压力传感器的主要类型。

陶瓷是一种公认的高弹性、抗腐蚀、抗磨损、抗冲击和振动的材料，基于陶瓷材料制作的压力传感器具有较好的稳定性、抗腐蚀性，能够在-40℃～125℃的环境下稳定工作；应用最广泛的陶瓷压阻式压力传感器为凹膜型,主要得益于其较为简单的制作工艺和成本。但是凹膜型压力传感无过载保护机制,由于陶瓷为脆性材料,极端过压情况下可能出现感压膜爆破,导致介质泄露,虽然这种失效模式失效率很低,但是严重度等级很高,在一些可靠性要求高的场合无法使用。申请号为：201810225706.6的实用新型专利申请中公开了一种陶瓷MEMS压力传感器，采用了陶瓷作为骨架的密封结构，解决了输出信号偏小、稳定性差及精度偏低等问题，具有测量精度高、稳定性好等优点。

不锈钢压力传感器采用机加工成型的带有弹性膜片的不锈钢弹性基体作为基座,其上制作有应变结构,通过测量不锈钢弹性膜的应变实现压力测量。由于金属结构基于机加工工艺,可以采用焊接工艺组装,不存在胶黏、老化、泄露等问题,可靠性高,能够应用于工况环境恶劣、量程较大的领域。申请号为201810609758.3的实用新型专利申请中工公开了一种基于不锈钢基覆康铜箔板的制备工艺的压力传感器，具有很低的形变性、较高热导率及绝缘强度，康铜箔光面与不锈钢基板10有很高的粘接强度，很高的耐热应力等优点。

MEMS压力传感器是一种基于MEMS压力芯片的高精度压力传感器。当前，应用较多的MEMS芯片主要有硅杯型MEMS压力芯片和Cavity-SOI型压力芯片，硅杯型MEMS压力芯片通过湿法腐蚀工艺对硅衬底进行背腔腐蚀得到弹性膜,并在弹性膜的正面通过扩散工艺制作压敏电阻,并将硅衬底通过硅-玻璃阳极键合或硅-硅键合工艺键合在基片上，从而形成绝压或相对压力芯片。硅-玻璃型MEMS压力芯片采用玻璃基片，由于玻璃与不锈钢等材料的热匹配性较好,在工业等高精度领域有广泛应用。Cavity-SOI型压力芯片直接在Cavity-SOI基片上进行压阻制作,由于压阻与硅衬底之间有SiO2绝缘层,高温时压阻漏电流较小,有较好的高温稳定性,但成本较高。由于MEMS压力芯片本身十分脆弱,无法直接进行压力测量,需要进行封装间接测量介质压力以保障可靠性。

随着航空航天动力装置燃烧温度不断提升，在高速高温气流与狭小空间条件下进行较高温度测量，逐渐引起人们的重视。在航空发动机涡轮、燃烧室等高温部件试验以及高超飞行器表面热力学分析等研究中，准确测量高温零件的表面温度是必要的，适应这种复杂测量条件薄膜测温技术得到了不断发展。薄膜式温度传感器随着薄膜技术的成熟而发展起来的一种新型传感器，具有体积小、热动态响应时间短、灵敏度高、便于集成等特点。它可以取代传统的温度传感器，更适用于物体表面快速和小间隙场所的温度测量。

随着新科技新工艺的发现，多学科的交叉融合，传感器的发展迅猛。传感器的发展朝着微型化、高稳定性、高精度化方向发展。为了解决复杂的测量，多功能传感器应运而生。

由于石墨烯具有优良的电学、热学、力学和化学性能，可稳定存在于3000℃的高温无氧环境中，是良好的纳米传感器材料。本实用新型所述的高温石墨烯压力/温度一体化传感器与传统压力、温度传感器相比可用于高温恶劣环境下压力、温度测量。

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。

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，设计了一种高温石墨烯压力/温度一体化传感器。将石墨烯力敏元件和温敏元件置于同一温区，当温度作用于石墨烯材料，石墨烯受电声子耦合的影响，电阻率随之改变，电阻也改变，然后通过外部检测电路检测石墨烯薄膜2电导率的变化来实现对温度的测量。在压力作用下，温敏元件采用无腔室结构来减小外部压力的影响，获得单一的温度参量。而力敏元件受外界温度影响时，因为存在微腔结构，热应力对石墨烯的影响较大，石墨烯受热应力的影响电阻增大，且增大趋势大于石墨烯电声子耦合影响减小的趋势，利用测得的温度参量对力敏元件输出进行解耦，得到单一的压力输出参量。

一种高温石墨烯压力/温度一体化传感器，可以在温度1200℃、压力3MPa的环境下正常工作，所述传感器包括：

一个封装外壳；

陶瓷端盖，所述陶瓷端盖，设置在所述封装外壳顶部，所述陶瓷端盖上设置有多个通孔形成多孔结构；

基板，所述基板设置在所述封装外壳内侧的底部；

检测组件，所述检测组件设置在所述基板上用于检测压力和温度。

可选地，所述检测组件包括：第一衬底、第二衬底、金属键合层、力敏纳米薄膜、温敏纳米薄膜、氧化铝薄膜以及内部互连电极；

所述第一衬底和所述第二衬底分别通过金属键合层设置在所述基板上，所述第一衬底和所述第二衬底之间具有间隙，所述力敏纳米薄膜设置在所述间隙上方，所述力敏纳米薄膜一端设置在所述第一衬底上，所述力敏纳米薄膜另一端设置在所述第二衬底上，所述温敏纳米薄膜设置在所述第二衬底上，内部互连电极分别设置在所述力敏纳米薄膜和温敏纳米薄膜两侧，用于导出力敏纳米薄膜和温敏纳米薄膜的电学响应。

可选地，所述氧化铝薄膜分别覆盖在所述力敏纳米薄膜、温敏纳米薄膜上，所述氧化铝薄膜还分别覆盖在所述第一衬底和所述第二衬底外表面。

可选地，所述力敏纳米薄膜和温敏纳米薄膜均由上层氮化硼薄膜、石墨烯薄膜和下层氮化硼薄膜组成，所述上层氮化硼薄膜、石墨烯薄膜和下层氮化硼薄膜从上之下顺次排布设置，内部互连电极分别设置在所述石墨烯薄膜的端部，所述石墨烯薄膜端部贴覆在所述内部互连电极的下表面。

可选地，所述力敏纳米薄膜和温敏纳米薄膜的端部还设置有阻挡层，所述阻挡层将内部互连电极的包覆在内与第一衬底及第二衬底隔离开。

可选地，所述高温石墨烯压力/温度一体化传感器还包括互连组件，所述互连组件包括：互连引线、互连焊盘、互连凸点、引线柱和外部互连电极；

所述引线柱穿过所述封装外壳的底部，所述互连焊盘设置在所述引线柱位于封装外壳内部的一端，所述外部互连电极设置在所述引线柱位于封装外壳外部的一端，所述互连焊盘上设置所述互连凸点，所述内部互连电极通过所述互连引线与互连焊盘上的互连凸点连接。

本实用新型与背景技术相比具有明显的先进性，器件在原有温度和压力传感器基础上，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，大大的提高了温度传感器的测温区间，并且由于石墨烯材料的高热导率，有效的提高了器件的响应速度。温度对压力的原位补偿使得压力信号精确度更高。同时，力敏纳米薄膜和温敏纳米薄膜被氧化铝和衬底包裹着，有效的消除了周围环境中的干扰因素，且氧化铝隔绝了石墨烯薄膜与外界的直接接触，从而提升了器件的耐高温能力以及稳定性，并且，所述结构与已有基础结构相比，结构更为简单，测量灵敏度高，可应用于极其恶劣的测试环境，是十分理想的高温压力/温度一体化传感器。其可以工作在1200℃的高温，3MPa的压力环境下，实现对温度和压力的测试，并且耐酸碱、抗腐蚀，具有很高的应用价值。

附图说明

图1为本实用新型实施例的外部结构示意图；

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检测组件整体结构示意图；

图4为本实用实施例的检测组件结构俯视图；

图5为本实用实施例的力敏纳米薄膜、温敏纳米薄膜结构示意图；

图6为本实用实施例的力敏纳米薄膜、温敏纳米薄膜结构俯视图；

图7为本实用实施例的力敏纳米薄膜、温敏纳米薄膜结构截面图；

图中所示，附图标记清单如下：

1-上层氮化硼薄膜；2-石墨烯薄膜；3-下层氮化硼薄膜；4、18-互连引线；5、7、15、17、32-氧化铝薄膜；6-第一衬底；8、14-金属键合层；9、12-外部互连电极；10-基板；11-力敏纳米薄膜；13-外壳；16-第二衬底；19、21、22、23-内部互连电极；20-温敏纳米薄膜；24、25-互连凸点；26、27-引线柱；28、29-互连焊盘；30-陶瓷端盖；31-通孔；33-阻挡层。

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、2所示，为本实用实施例的外观立体图，提供一种高温石墨烯压力/温度一体化传感器，可以在温度1200℃、压力3MPa的环境下正常工作，所述传感器包括：

一个封装外壳13，所述封装外壳13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；

陶瓷端盖30，所述陶瓷端盖30，设置在所述封装外壳13顶部，所述陶瓷端盖30上设置有多个通孔31，形成多孔结构，所述通孔31结构形状不局限于本实用新型所示圆形，也可为方形等其他形状，并不做具体限定，所述多孔结构有利于温度和压力快速传递到内部，从而提高响应时间；

基板10，所述基板10设置在所述封装外壳13内侧的底部，所述基板10外周侧与所述封装外壳13内侧面相互搭接；

检测组件，所述检测组件设置在所述基板10上用于检测压力和温度；

所述陶瓷端盖30、基板10以及封装外壳13共同界定一个内部检测空间，所述陶瓷端盖30、基板10以及封装外壳13共同为内部的检测组件提供稳定支撑。

如图2-6所示，所述检测组件包括：第一衬底6、第二衬底16、金属键合层8、14、力敏纳米薄膜11、温敏纳米薄膜20、氧化铝薄膜5、7、15、17、32以及内部互连电极19、21、22、23。

如图2-4所示，所述第一衬底6和所述第二衬底16分别通过金属键合层8、14设置在所述基板10上，所述第一衬底6和所述第二衬底16之间具有间隙，所述力敏纳米薄膜11设置在所述间隙上方，所述力敏纳米薄膜11一端设置在所述第一衬底6上，所述力敏纳米薄膜11另一端设置在所述第二衬底16上，所述温敏纳米薄膜20设置在所述第二衬底16上，所述氧化铝薄膜5、7、15、17、32分别覆盖在所述力敏纳米薄膜11、温敏纳米薄膜20上，所述氧化铝薄膜5、7、15、17、32还分别覆盖在所述第一衬底6和所述第二衬底16外表面，内部互连电极19、21、22、23分别设置在所述力敏纳米薄膜11和温敏纳米薄膜20两侧，用于导出力敏纳米薄膜11和温敏纳米薄膜20的电学响应。所述第一衬底6、第二衬底16均可采用碳化硅衬底。

如图2-4所示，所述力敏纳米薄膜11、温敏纳米薄膜20上覆盖的氧化铝薄膜5、7、15、17、32以及第一衬底6、第二衬底16表面的氧化铝薄膜5、7、15、17、32隔绝了力敏纳米薄膜11、温敏纳米薄膜20与外界的直接接触，提供无氧防护。

如图5-7所示，所述力敏纳米薄膜11和温敏纳米薄膜20均由上层氮化硼薄膜1、石墨烯薄膜2和下层氮化硼薄膜3组成，所述上层氮化硼薄膜1、石墨烯薄膜2和下层氮化硼薄膜3从上之下顺次排布设置，内部互连电极19、21、22、23分别设置在所述石墨烯薄膜2的端部，所述石墨烯薄膜2端部贴覆在所述内部互连电极19、21、22、23的下表面，从而与所述内部互连电极19、21、22、23连通，用于导出力敏纳米薄膜11和温敏纳米薄膜20中的电学响应。

如图7所示，所述力敏纳米薄膜11和温敏纳米薄膜20的端部还设置有阻挡层33，所述阻挡层33将内部互连电极19、21、22、23的包覆在内与第一衬底6及第二衬底16隔离开，所述阻挡层33作为浸润层和保护层，阻止高温下金属原子和衬底原子的相互扩散。在其它实施例中，所述上层氮化硼薄膜1、下层氮化硼薄膜3的层数大于等于1，石墨烯薄膜2为单层结构。

所述力敏纳米薄膜11做为力敏检测部分用于感应压力变化，所述温敏纳米薄膜20做为温敏检测部分用于感应温度变化，所述力敏纳米薄膜11感应相应的压力信号，所述的温敏纳米薄膜20感应相应的温度信号，并且会对力敏部分进行原位温度补偿，补偿后的压力更适应瞬态温度变化的范围。

因为所述力敏纳米薄膜11设置在所述第一衬底6、第二衬底16的间隙上，存在微腔结构，热应力对石墨烯薄膜2的影响较大，可利用温敏纳米薄膜20对力敏纳米薄膜11进行原位温度补偿。该传感器也不存在因温敏纳米薄膜20位置与力敏纳米薄膜11的位置不同从而导致温度测量误差及温度测量不同步的问题，补偿后的压力输出更适应瞬态温度压力变化的场合。

如图2-6所示，所述高温石墨烯压力/温度一体化传感器还包括互连组件，所述互连组件包括：互连引线4、18、互连焊盘28、29、互连凸点24、25、引线柱26、27和外部互连电极9、12。所述引线柱26、27穿过所述封装外壳13的底部，所述互连焊盘28、29设置在所述引线柱26、27位于封装外壳13内部的一端，所述外部互连电极9、12设置在所述引线柱26、27位于封装外壳13外部的一端，所述互连焊盘28、29上设置所述互连凸点24、25，所述内部互连电极19、21、22、23通过所述互连引线4、18与互连焊盘28、29上的互连凸点24、25连接。通过互连引线4、18、互连焊盘28、29、互连凸点24、25、引线柱26、27和外部互连电极9、12，可将温敏纳米薄膜20和力敏纳米薄膜11与外部检测组件相连，用于传递温敏纳米薄膜20和力敏纳米薄膜11对于外界压力、温度信号的电学响应。所述外部检测组件为现有的构成完整读取检测传感器的组件即可。

所述金属键合层8、14是由上下两层铬层及夹在中间的铂键合层组成，可以耐高温，与所述基板10和所述第一衬底6及第二衬底16键合，有利于形成密封的真空腔环境。

所述第一衬底6、第二衬底16材料还可选择α-Al₂O₃材料，可承受1500℃以上的高温；所述第一衬底6、第二衬底16选择α-Al₂O₃，正常使用温度可达2030℃，因此进行无氧环境封装后的温敏纳米薄膜20和力敏纳米薄膜11可以稳定工作于1200℃以上的恶劣环境，基板10采用Al₂O₃材料，内部、外部互连电极9、12可选择Pt材料。

本实用新型原理是：

当外部压力、温度信号作用于传感器陶瓷端盖上表面时，会通过上层陶瓷端盖传递到检测组件上，由于压力对于采用无腔室结构的温敏元件来说，影响可以忽略不计，其主要受温度的影响，其材料内部的电声子耦合强度、声子散射强度发生改变，从而导致石墨烯薄膜的电导率发生改变。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。力敏元件主要受压力影响，可以检测压力信号，但是因为存在微腔结构，热应力对石墨烯的影响较大，石墨烯受热应力的影响电阻增大，且增大趋势大于石墨烯电声子耦合影响减小的趋势，可以利用测得的温度参量对力敏元件输出进行解耦，从而得到单一的压力输出参量。同时在这一过程中，氧化铝与衬底隔绝了力敏纳米薄膜和温敏纳米薄膜与外界的直接接触，为石墨烯提供无氧防护，确保了力敏纳米薄膜和温敏纳米薄膜可以在环境下恶劣工作，从而实现复杂环境下的高精度测量。

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 (6)

1.一种高温石墨烯压力/温度一体化传感器，可以在温度1200℃、压力3MPa的环境下正常工作，其特征在于，所述传感器包括：

一个封装外壳(13)；

陶瓷端盖(30)，所述陶瓷端盖(30)，设置在所述封装外壳(13)顶部，所述陶瓷端盖(30)上设置有多个通孔(31)形成多孔结构；

基板(10)，所述基板(10)设置在所述封装外壳(13)内侧的底部；

检测组件，所述检测组件设置在所述基板(10)上用于检测压力和温度。

2.根据权利要求1所述的高温石墨烯压力/温度一体化传感器，其特征在于，所述检测组件包括：第一衬底(6)、第二衬底(16)、金属键合层(8、14)、力敏纳米薄膜(11)、温敏纳米薄膜(20)、氧化铝薄膜(5、7、15、17、32)以及内部互连电极(19、21、22、23)；

所述第一衬底(6)和所述第二衬底(16)分别通过金属键合层(8、14)设置在所述基板(10)上，所述第一衬底(6)和所述第二衬底(16)之间具有间隙，所述力敏纳米薄膜(11)设置在所述间隙上方，所述力敏纳米薄膜(11)一端设置在所述第一衬底(6)上，所述力敏纳米薄膜(11)另一端设置在所述第二衬底(16)上，所述温敏纳米薄膜(20)设置在所述第二衬底(16)上，内部互连电极(19、21、22、23)分别设置在所述力敏纳米薄膜(11)和温敏纳米薄膜(20)两侧，用于导出力敏纳米薄膜(11)和温敏纳米薄膜(20)的电学响应。

3.根据权利要求2所述的高温石墨烯压力/温度一体化传感器，其特征在于，所述氧化铝薄膜(5、7、15、17、32)分别覆盖在所述力敏纳米薄膜(11)、温敏纳米薄膜(20)上，所述氧化铝薄膜(5、7、15、17、32)还分别覆盖在所述第一衬底(6)和所述第二衬底(16)外表面。

4.根据权利要求2所述的高温石墨烯压力/温度一体化传感器，其特征在于，所述力敏纳米薄膜(11)和温敏纳米薄膜(20)均由上层氮化硼薄膜(1)、石墨烯薄膜(2)和下层氮化硼薄膜(3)组成，所述上层氮化硼薄膜(1)、石墨烯薄膜(2)和下层氮化硼薄膜(3)从上之下顺次排布设置，内部互连电极(19、21、22、23)分别设置在所述石墨烯薄膜(2)的端部，所述石墨烯薄膜(2)端部贴覆在所述内部互连电极(19、21、22、23)的下表面。

5.根据权利要求2所述的高温石墨烯压力/温度一体化传感器，其特征在于，所述力敏纳米薄膜(11)和温敏纳米薄膜(20)的端部还设置有阻挡层(33)，所述阻挡层(33)将内部互连电极(19、21、22、23)的包覆在内与第一衬底(6)及第二衬底(16)隔离开。

6.根据权利要求2所述的高温石墨烯压力/温度一体化传感器，其特征在于，所述高温石墨烯压力/温度一体化传感器还包括互连组件，所述互连组件包括：互连引线(4、18)、互连焊盘(28、29)、互连凸点(24、25)、引线柱(26、27)和外部互连电极(9、12)；

所述引线柱(26、27)穿过所述封装外壳(13)的底部，所述互连焊盘(28、29)设置在所述引线柱(26、27)位于封装外壳(13)内部的一端，所述外部互连电极(9、12)设置在所述引线柱(26、27)位于封装外壳(13)外部的一端，所述互连焊盘(28、29)上设置所述互连凸点(24、25)，所述内部互连电极(19、21、22、23)通过所述互连引线(4、18)与互连焊盘(28、29)上的互连凸点(24、25)连接。

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