CN214010600U - 一种基于膜结构的石墨烯高温压力传感器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型属于高温压力测试技术领域，具体涉及一种基于膜结构的石墨烯高温压力传感器，包括封装外壳、上端盖、陶瓷基座、检测基片和互连组件，所述封装外壳的顶部设置有上端盖，所述封装外壳的内部设置有陶瓷基座，所述陶瓷基座中部开设有方形安装槽，所述检测基片设置在陶瓷基座的方形安装槽内，所述互连组件的一端与检测基片连接，所述互连组件的另一端与外部设备进行连接，从而将压力信号传递出来。本实用新型利用二维材料石墨烯纳米膜作为测压元件，极大提高了压力传感器的响应速度；同时本实用新型极大提高了传感器的高温耐受性、气密性和可靠性，可以20MPa的高压环境下，700℃以上可以稳定工作。本实用新型用于压力的检测。
Description
技术领域
本实用新型属于高温压力测试技术领域，具体涉及一种基于膜结构的石墨烯高温压力传感器。
背景技术
大多数压力测试都是在室温下进行，但是随着科学技术的发展，在高温恶劣的环境中测量压力变得越来越重要。压力参数的原位测试在食品、汽车发动机、石油勘探、化工和核电机组等领域中有着广泛的需求。基于微系统(MEMS)技术的硅基压阻式压力传感器性能优异、体积小且工艺成熟，采用P-N结隔离压敏电阻与衬底，在室温压力测试设备中有着广泛的应用。然而由于硅材料的半导体特性限制(工作温度超过125℃时P-N结会产生漏电流)，使得压力传感器工作性能降低甚至失效。此外，在高温环境中硅材料的塑性形变也会导致传感器不能满足上述应用领域中对高温环境下压力测试的要求。
石墨烯是由排列成蜂窝晶格的单层碳原子组成的二维(2D)碳同素异形体。压力传感器是近年来最流行的微系统研究方向之一，是电子产品的关键组件。石墨烯作为一种先进的纳米材料，具有卓越的特性包括超高灵敏度、高电导率、出色的机械性能、柔韧性和高热导率，石墨烯是用于压力和应变测试应用最好的纳米材料之一。因此，进一步研究和开发基于石墨烯的应变和压力传感器至关重要。
实用新型内容
针对上述压力传感器在高温时工作性能降低甚至失效的技术问题，本实用新型提供了一种响应速度快、高温耐受性强、气密性好、可靠性高的基于膜结构的石墨烯高温压力传感器。
为了解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案为：
一种基于膜结构的石墨烯高温压力传感器，包括封装外壳、上端盖、陶瓷基座、检测基片和互连组件，所述封装外壳的顶部设置有上端盖，所述封装外壳的内部设置有陶瓷基座，所述陶瓷基座中部开设有方形安装槽，所述检测基片设置在陶瓷基座的方形安装槽内，所述互连组件的一端与检测基片连接，所述互连组件的另一端与外部设备进行连接，从而将压力信号传递出来。
所述检测基片包括纳米薄膜、金属电极、硅膜片、下层氮化硅阻挡层和上层氮化硅阻挡层，所述纳米薄膜布置在硅膜片中心处的上表面，所述硅膜片设置在陶瓷基座的方形安装槽内，所述金属电极接设于纳米薄膜上，通过纳米薄膜感受外部压力变化，所述下层氮化硅阻挡层设置在下层氮化硅阻挡层与硅膜片之间，所述上层氮化硅阻挡层设置在纳米薄膜和金属电极的上表面。
所述互连组件包括互连引线、互连焊盘、引线柱和外部互连电极，所述互连引线、互连焊盘、引线柱和外部互连电极顺次连接，所述陶瓷基座上开设有安装引线柱的安装孔，所述引线柱设置在安装孔内，所述互连焊盘设置在陶瓷基座上，所述互连焊盘与引线柱一端连接，所述互连引线一端通过互连凸点与金属电极连接，所述互连引线另一端通过互连凸点与互连焊盘连接；所述封装外壳底部设置有容纳外部互连电极的开口，所述外部互连电极设置在陶瓷基座底部，所述外部互连电极与引线柱另一端连接，所述外部互连电极连接有外部检测电路。
所述检测基片与陶瓷基座之间设置有衬底，所述硅膜片与衬底之间通过Cu-Sn键合连接，所述硅膜片与衬底之间形成了密封空腔。
所述纳米薄膜包括上层氮化硼层、中层石墨烯层和下层氮化硼层，所述上层氮化硼层、中层石墨烯层、下层氮化硼层由上至下顺次设置。
所述中层石墨烯层为弯折的回折结构，所述上层氮化硼层和下层氮化硼层为方形结构，所述上层氮化硼层和下层氮化硼层的层数大于等于1，所述中层石墨烯层为单层结构。
所述上端盖的材料采用不锈钢，所述上端盖设置有多个通孔，所述通孔为圆形、方形或矩形。
所述检测基片与陶瓷基座通过纳米银焊料焊接，所述纳米银焊料设置在陶瓷基座底部的边缘处，所述陶瓷基座采用氯化铝陶瓷材料。
所述金属电极与外部互连电极的材料均采用铜，所述互连引线采用Au丝引线键合形成。
所述封装外壳与上端盖通过纳米银焊料焊接，所述陶瓷基板外周侧与封装外壳内侧面连接，所述封装外壳与陶瓷基座通过纳米银焊料焊接，所述封装外壳的底部连接有不锈钢底座，所述封装外壳与不锈钢底座通过纳米银焊料焊接。
本实用新型与现有技术相比，具有的有益效果是：
本实用新型利用二维材料石墨烯纳米膜作为测压元件，极大提高了压力传感器的响应速度；同时本实用新型的封装外壳、上端盖、检测基片以及基座之间均使用纳米银连接层进行连接，极大提高了传感器的高温耐受性、气密性和可靠性，可以20MPa的高压环境下，700℃以上可以稳定工作。
附图说明
图1为本实用新型的外部结构示意图；
图2为本实用新型的整体结构截面图；
图3为本实用新型检测基片的整体结构示意图；
图4为本实用新型检测基片的内部结构示意图；
图5为本实用新型纳米薄膜的结构示意图。
其中：1为封装外壳，2为上端盖，3为陶瓷基座，4为检测基片，5为互连组件，6为衬底，7为不锈钢底座，21为通孔，41为纳米薄膜，42为金属电极，43为硅膜片，44为下层氮化硅阻挡层，45为上层氮化硅阻挡层，51为互连引线，52为互连焊盘，53为引线柱，55为互连凸点，46为密封空腔，411为上层氮化硼层，412为中层石墨烯层，413为下层氮化硼层。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。
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。
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：
一种基于膜结构的石墨烯高温压力传感器，如图1、图2所示，包括封装外壳1、上端盖2、陶瓷基座3、检测基片4和互连组件5，封装外壳1的顶部设置有上端盖2，封装外壳1的内部设置有陶瓷基座3，陶瓷基座3中部开设有方形安装槽，检测基片4设置在陶瓷基座3的方形安装槽内，互连组件5的一端与检测基片4连接，互连组件5的另一端与外部设备进行连接，从而将压力信号传递出来。
进一步，如图3、图5所示，检测基片4包括纳米薄膜41、金属电极42、硅膜片43、下层氮化硅阻挡层44和上层氮化硅阻挡层45，纳米薄膜41布置在硅膜片43中心处的上表面，有利于传递硅膜片43的最大应变。硅膜片43设置在陶瓷基座3的方形安装槽内，金属电极42接设于纳米薄膜41上，用于导出纳米薄膜41中的电学信号，通过纳米薄膜41感受外部压力变化，下层氮化硅阻挡层44设置在下层氮化硅阻挡层44与硅膜片43之间，上层氮化硅阻挡层45设置在纳米薄膜41和金属电极42的上表面。
进一步，如图4所示，互连组件5包括互连引线51、互连焊盘52、引线柱53和外部互连电极，互连引线51、互连焊盘52、引线柱53和外部互连电极顺次连接，陶瓷基座3上开设有安装引线柱53的安装孔31，引线柱53设置在安装孔31内，互连焊盘52设置在陶瓷基座3上，互连焊盘52与引线柱53一端连接，互连引线51一端通过互连凸点55与金属电极42连接，互连引线51另一端通过互连凸点55与互连焊盘52连接；封装外壳1底部设置有容纳外部互连电极的开口，外部互连电极设置在陶瓷基座3底部，外部互连电极与引线柱53另一端连接，外部互连电极连接有外部检测电路。
进一步，检测基片4与陶瓷基座3之间设置有衬底6，硅膜片43与衬底6之间通过Cu-Sn键合连接，硅膜片43与衬底6之间形成了密封空腔46。
进一步，纳米薄膜41包括上层氮化硼层411、中层石墨烯层412和下层氮化硼层413，上层氮化硼层411、中层石墨烯层412、下层氮化硼层413由上至下顺次设置。中层石墨烯层412与下层氮化硅阻挡层44、上层氮化硅阻挡层45接触，下层氮化硅阻挡层44、上层氮化硅阻挡层45作为浸润层和保护层，连接金属电极42与衬底6，阻止金属原子和衬底原子的相互扩散。
进一步，优选的，中层石墨烯层412为弯折的回折结构，上层氮化硼层411和下层氮化硼层413为方形结构，上层氮化硼层411和下层氮化硼层413的层数大于等于1，中层石墨烯层412为单层结构。
进一步，优选的，上端盖2的材料采用不锈钢，上端盖2设置有多个通孔21，通孔21为圆形、方形或矩形。
进一步，优选的，检测基片4与陶瓷基座3通过纳米银焊料焊接，纳米银焊料设置在陶瓷基座3底部的边缘处，陶瓷基座3采用氯化铝陶瓷材料。
进一步，优选的，金属电极42与外部互连电极的材料均采用铜，互连引线51采用Au丝引线键合形成，采用引线互联和引线柱的组合方式，极大提高传感器的高温耐受性，避免铜TSV互连在高温下发生热失效，更有利于传感器在高温下工作。
进一步，优选的，封装外壳1与上端盖2通过纳米银焊料焊接，陶瓷基板3外周侧与封装外壳1内侧面连接，封装外壳1与陶瓷基座3通过纳米银焊料焊接，封装外壳1的底部连接有不锈钢底座7，封装外壳1与不锈钢底座7通过纳米银焊料焊接。
本实用新型的工作原理为：
当外部压力信号作用于传感器不锈钢上端盖2表面时，压力会通过上端盖2中间的通孔21传递到检测基片4上表面，检测基片4的纳米薄膜41受压力的影响，石墨烯力敏结构发生形变，从而导致纳米薄膜41的电导率发生改变。通过检测纳米薄膜41内的电流变化即可测得外部施加的压力值。同时在这一过程中，上端盖2与封装外壳1减少了纳米薄膜41与外界的接触面积，为传感器结构提供支撑，确保了纳米薄膜41可以在高压环境下工作，从而实现恶劣复杂高温高压环境下压力的高精度测量。
上面仅对本实用新型的较佳实施例作了详细说明，但是本实用新型并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本实用新型宗旨的前提下作出各种变化，各种变化均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种基于膜结构的石墨烯高温压力传感器，其特征在于：包括封装外壳(1)、上端盖(2)、陶瓷基座(3)、检测基片(4)和互连组件(5)，所述封装外壳(1)的顶部设置有上端盖(2)，所述封装外壳(1)的内部设置有陶瓷基座(3)，所述陶瓷基座(3)中部开设有方形安装槽，所述检测基片(4)设置在陶瓷基座(3)的方形安装槽内，所述互连组件(5)的一端与检测基片(4)连接，所述互连组件(5)的另一端与外部设备进行连接，从而将压力信号传递出来；所述检测基片(4)包括纳米薄膜(41)、金属电极(42)、硅膜片(43)、下层氮化硅阻挡层(44)和上层氮化硅阻挡层(45)，所述纳米薄膜(41)布置在硅膜片(43)中心处的上表面，所述硅膜片(43)设置在陶瓷基座(3)的方形安装槽内，所述金属电极(42)接设于纳米薄膜(41)上，通过纳米薄膜(41)感受外部压力变化，所述下层氮化硅阻挡层(44)设置在下层氮化硅阻挡层(44)与硅膜片(43)之间，所述上层氮化硅阻挡层(45)设置在纳米薄膜(41)和金属电极(42)的上表面。
2.根据权利要求1所述的一种基于膜结构的石墨烯高温压力传感器，其特征在于：所述互连组件(5)包括互连引线(51)、互连焊盘(52)、引线柱(53)和外部互连电极，所述互连引线(51)、互连焊盘(52)、引线柱(53)和外部互连电极顺次连接，所述陶瓷基座(3)上开设有安装引线柱(53)的安装孔(31)，所述引线柱(53)设置在安装孔(31)内，所述互连焊盘(52)设置在陶瓷基座(3)上，所述互连焊盘(52)与引线柱(53)一端连接，所述互连引线(51)一端通过互连凸点(55)与金属电极(42)连接，所述互连引线(51)另一端通过互连凸点(55)与互连焊盘(52)连接；所述封装外壳(1)底部设置有容纳外部互连电极的开口，所述外部互连电极设置在陶瓷基座(3)底部，所述外部互连电极与引线柱(53)另一端连接，所述外部互连电极连接有外部检测电路。
3.根据权利要求1所述的一种基于膜结构的石墨烯高温压力传感器，其特征在于：所述检测基片(4)与陶瓷基座(3)之间设置有衬底(6)，所述硅膜片(43)与衬底(6)之间通过Cu-Sn键合连接，所述硅膜片(43)与衬底(6)之间形成了密封空腔(46)。
4.根据权利要求1所述的一种基于膜结构的石墨烯高温压力传感器，其特征在于：所述纳米薄膜(41)包括上层氮化硼层(411)、中层石墨烯层(412)和下层氮化硼层(413)，所述上层氮化硼层(411)、中层石墨烯层(412)、下层氮化硼层(413)由上至下顺次设置。
5.根据权利要求4所述的一种基于膜结构的石墨烯高温压力传感器，其特征在于：所述中层石墨烯层(412)为弯折的回折结构，所述上层氮化硼层(411)和下层氮化硼层(413)为方形结构，所述上层氮化硼层(411)和下层氮化硼层(413)的层数大于等于1，所述中层石墨烯层(412)为单层结构。
6.根据权利要求1所述的一种基于膜结构的石墨烯高温压力传感器，其特征在于：所述上端盖(2)的材料采用不锈钢，所述上端盖(2)设置有多个通孔(21)，所述通孔(21)为圆形、方形或矩形。
7.根据权利要求1所述的一种基于膜结构的石墨烯高温压力传感器，其特征在于：所述检测基片(4)与陶瓷基座(3)通过纳米银焊料焊接，所述纳米银焊料设置在陶瓷基座(3)底部的边缘处，所述陶瓷基座(3)采用氯化铝陶瓷材料。
8.根据权利要求2所述的一种基于膜结构的石墨烯高温压力传感器，其特征在于：所述金属电极(42)与外部互连电极的材料均采用铜，所述互连引线(51)采用Au丝引线键合形成。
9.根据权利要求1所述的一种基于膜结构的石墨烯高温压力传感器，其特征在于：所述封装外壳(1)与上端盖(2)通过纳米银焊料焊接，所述陶瓷基座(3) 外周侧与封装外壳(1)内侧面连接，所述封装外壳(1)与陶瓷基座(3)通过纳米银焊料焊接，所述封装外壳(1)的底部连接有不锈钢底座(7)，所述封装外壳(1)与不锈钢底座(7)通过纳米银焊料焊接。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
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| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20221202 Address after: No. 3, Xueyuan Road, Taiyuan, Shanxi 030006 Patentee after: NORTH University OF CHINA Patentee after: Nantong Institute for Advanced Study Address before: 226000 building w-9, Zilang science and Technology City, central innovation District, Nantong City, Jiangsu Province Patentee before: Nantong Institute of intelligent optics, North China University Patentee before: NORTH University OF CHINA |
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