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一种基于石墨烯压阻结的压力传感器制造技术

技术编号:17777304 阅读:39 留言:0更新日期:2018-04-22 04:41
本发明专利技术公开一种基于石墨烯压阻结的压力传感器,主要结构由石墨烯压阻结、引线柱、基片、封装外壳、互连电极、复合电极、密封环、陶瓷基座组成,石墨烯压阻结由氮化硼/石墨烯/氮化硼纳米薄膜、复合电极组成,纳米薄膜由上下两层氮化硼与夹在其中的石墨烯组成,压阻结布置在基片下表面,基片上部刻蚀形成凹形结构,基片与陶瓷基座通过金属键合形成无氧真空腔,隔绝了压阻结与外界的直接接触,为其提供无氧防护,压阻结通过互连电极和引线柱与外部电阻相连构成惠斯通电桥,此器件用石墨烯压阻结替代硅压敏电阻结,可长期稳定工作于1000℃以上的高温环境,重复性好、可靠性高,耐酸碱、抗腐蚀,可应用于动态、静态高温测试环境,显著提升高温区间。

【技术实现步骤摘要】
一种基于石墨烯压阻结的压力传感器
本专利技术属于高温压力测量的
,具体涉及一种基于石墨烯压阻结的压力传感器。
技术介绍
高温压力传感器主要用于对火箭发动机、航空发动机、重型燃气轮机的喷嘴燃烧室、压气机、叶片等高温关键部位进行实时监测,提高燃烧性能、推进效率,在测试控制领域中扮演极为重要的角色。目前MEMS高温压力传感器敏感方式主要分为压阻式和电容式。多数压阻式高温压力传感器利用硅压敏电阻结实现压力测量,虽然SIMOX技术、Al2O3衬底隔离等方法可提升使用温度,但硅压敏电阻本身耐温太低,超过120℃时漏电流加剧,致使传感器性能下降甚至失效,这是这类器件继续发展的瓶颈。SiC高温压力传感器是近年来的研究重点,制备过程需进行高能离子注入等工艺,所引入的损伤大、缺陷多,始终存在高温下非线性温漂严重,可重复性差的问题。电容式高温压力传感器的突出优势是精度高,但缺陷也十分明显,高温下电容梳齿的材料改性、膨胀变形等问题会直接降低器件性能甚至失效。本专利技术提出一种基于石墨烯压阻结的新型高温压力传感器,在原有硅结构的基础上,利用石墨烯压阻结替代硅压敏电阻,提高高温压力传感器的高温稳定性,对石墨烯的研究是目前的研究热点,属前沿科学。据调研,文献ElectromechanicalResonatorsfromGraphene、ElectromechanicalPiezoresistiveSensinginSuspendedGrapheneMembranes等率先提出了石墨烯压力传感器,专利号:CN103378082和CN104359597A分别公布了石墨烯压力传感器,但上述器件均不耐高温,本专利技术提出的基于石墨烯压阻结的高温压力传感器可稳定工作于高温环境。专利技术人曾提出另一种基于石墨烯的高温压力传感器(专利号CN104155051),但其采用无腔室结构,由于氮化硼/石墨烯异质结在压力作用下层间距的变化会引起石墨烯电导率发生改变,所以上述专利技术利用这一异质效应来敏感外部压力,而本专利技术采用压力腔,通过石墨烯的压阻效应敏感压力,所以本专利技术无论从器件结构还是作用机理均与之不同。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,氮化硼纳米陶瓷薄膜可工作于2800℃的无氧环境,两者均具有良好的耐高温特性,石墨烯压阻结的压阻效应是受压形变引起了能隙的变化,对高频力学信号具有极高灵敏度,同时可以避免类似SiPN结高温本征激发失效的现象,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,此外基底碳化硅正常使用温度也可达1580℃,因此进行无氧环境封装后的石墨烯压阻结可以稳定工作于1000℃的恶劣环境。利用石墨烯压阻结替代硅力敏电阻,实现高温环境下的压力测量,是目前最为前沿的科学技术,是世界科技界予以探索的

技术实现思路
本专利技术的目的就是针对
技术介绍
的不足,利用石墨烯压阻结代替硅压敏电阻结,设计一种基于石墨烯压阻结的压力传感器,以大幅度提高器件的高温区间。本专利技术主要结构由基片、石墨烯压阻结、密封环、引线柱、陶瓷基座、封装外壳、复合电极组成;在陶瓷基座10表面通过密封环8、19设置基片1,通过无氧封装工艺,为纳米薄膜2、3提供无氧真空环境,基片1下表面设有两组石墨烯压阻结,位于膜片14边缘,所述石墨烯压阻结包括氮化硼/石墨烯/氮化硼纳米薄膜2、3及复合电极4、5、6、7,复合电极4、5、6、7通过布线与互连电极相连,引线柱11、12贯穿陶瓷基座10,连接互连电极与外部,用于传递压阻结对压力信号的电学响应,互连电极由互连凸点(21、22、23、24)与互连焊盘(25、26、27、28)键合构成,封装外壳13与陶瓷基座10相连并粘结牢固,基片1封闭封装外壳13。所述基片1为圆形,氮化硼/石墨烯/氮化硼纳米薄膜2、3由上下两层氮化硼以及中间石墨烯构成,基片1上部被刻蚀形成凹形,膜片14为凹形下侧基片1的一部分,两组压阻结位于膜片14边缘,与外部电阻连接成惠斯通电桥。所述陶瓷基座10通过密封环8、19与基片1相连接,通过无氧封装工艺,为纳米膜2、3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。基片1、密封环(8、19)、互连电极可选用不同材料使传感器满足不同温区的测量需求,基片1可以选择Si、SiC等材料,密封环(8、19)、互连电极可选择Au/Sn合金、Ag/Cu合金、纳米Ag、Au-Au等材料。基片1选择Si,密封环(8、19)、互连电极择Au/Sn合金,传感器可应用于300℃以下的高温环境;基片1选择Si,密封环(8、19)、互连电极选择Ag/Cu合金时,传感器可应用于300~600℃的高温环境;基片1为SiC,密封环(8、19)、互连电极为纳米Ag时,传感器可稳定工作于600~800℃的高温环境;基片1为SiC,密封环(8、19)、互连电极为Au-Au时,传感器可稳定工作于800~1000℃的高温环境。所述复合电极4、5、6、7布置在石墨烯薄膜两侧,通过布线与互连电极相连,引线柱11、12贯穿基片1,连接互连电极与外部,用于传递压阻结对压力信号的电学响应,互连电极由互连凸点(21、22、23、24)与互连焊盘(25、26、27、28)键合构成,阻挡层15、16、17、18作为浸润层和阻挡层,连接复合电极4、5、6、7与基片1,阻止高温下金原子和硅原子的扩散。封装外壳13用以隔绝外部环境,支撑、保护内部表头结构。本专利技术与
技术介绍
相比具有明显的先进性,器件在原有硅结构基础上,利用石墨烯压阻结替代硅压敏电阻,直接避免了硅压敏电阻面对高温时电流泄露导致的性能退化问题,可将器件使用温度提高至1000℃,相比于现有技术优势突出。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,提升了器件的高温稳定性,再通过石墨烯压阻结桥路的过滤,检测数据一致性好、可靠性高,可应用于动态、静态高温测试环境,是十分理想的高温压力传感器。附图说明图1为本专利技术实施例的外观立体示意图;图2为本专利技术实施例的整体结构截面图;图3为本专利技术实施例的芯片整体结构图;图4为本专利技术实施例的芯片结构仰视图;图5为本专利技术实施例的惠斯通电桥结构;图6为本专利技术实施例的石墨烯压阻结结构图;图7为本专利技术实施例的石墨烯压阻结俯视图;图8为本专利技术实施例的石墨烯压阻结截面图;图中所示,附图标记清单如下:1、基片;2、氮化硼/石墨烯/氮化硼纳米薄膜;3、氮化硼/石墨烯/氮化硼纳米薄膜;4、复合电极;5、复合电极;6、复合电极;7、复合电极;8、密封环;9、互连焊盘;10、陶瓷基座;11、引线柱;12、引线柱;13、封装外壳;14、膜片;15、阻挡层;16、阻挡层;17、阻挡层;18、阻挡层;19、密封环;20、无氧真空腔;21、互连凸点;22、互连凸点;23、互连凸点;24、互连凸点;25、互连焊盘;26、互连焊盘;27、互连焊盘;28、引线柱;29、引线柱;30、外部互连电极;31、外部互连电极;32、外部互连电极;33、外部互连电极。具体实施方式下面详细描述本专利技术的实施例,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本文档来自技高网
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一种基于石墨烯压阻结的压力传感器

【技术保护点】
一种基于石墨烯压阻结的压力传感器,其特征在于,所述传感器包括: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座及一个基片,所述陶瓷基座、所述基片及所述封装外壳共同界定一个检测空间,所述基片上侧为一个凹形结构,所述凹形结构底部为膜片结构;一个检测单元,所述检测单元设置在所述检测空间内,所述检测单元包括两个石墨烯压阻结,所述石墨烯压阻结包括氮化硼/石墨烯/氮化硼纳米薄膜及复合电极,两个所述氮化硼/石墨烯/氮化硼纳米薄膜对称地布置在所述膜片结构边缘应力最大处,所述复合电极接设于所述氮化硼/石墨烯/氮化硼纳米薄膜上;所述检测空间为一个能够将氮化硼/石墨烯/氮化硼纳米薄膜与外部空气隔离的无氧真空腔。

【技术特征摘要】
2017.08.14 CN 20171069364281.一种基于石墨烯压阻结的压力传感器,其特征在于,所述传感器包括: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座及一个基片,所述陶瓷基座、所述基片及所述封装外壳共同界定一个检测空间,所述基片上侧为一个凹形结构,所述凹形结构底部为膜片结构;一个检测单元,所述检测单元设置在所述检测空间内,所述检测单元包括两个石墨烯压阻结,所述石墨烯压阻结包括氮化硼/石墨烯/氮化硼纳米薄膜及复合电极,两个所述氮化硼/石墨烯/氮化硼纳米薄膜对称地布置在所述膜片结构边缘应力最大处,所述复合电极接设于所述氮化硼/石墨烯/氮化硼纳米薄膜上;所述检测空间为一个能够将氮化硼/石墨烯/氮化硼纳米薄膜与外部空气隔离的无氧真空腔。2.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯压阻结的压力传感器,其特征在于,在所述基片的下侧面外周侧通过金属键合在所述陶瓷基座上侧面,所述陶瓷基座、膜片及密封环构成所述无氧真空腔。3.根据权...

【专利技术属性】
技术研发人员:李孟委吴承根赵世亮王莉王俊强王高
申请(专利权)人:中北大学
类型:发明
国别省市:山西,14

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