本发明专利技术涉及高温压力测试技术领域，具体涉及一种新型无腔室的石墨烯耐高温压力传感器，所述传感器采用无腔室基底结构用于减少噪声压力信号；并所述传感器利用氮化硼/石墨烯/氮化硼异质结作为敏感元件感受外部压力；所述氮化硼/石墨烯/氮化硼异质结外部无腔室结构，直接暴露于被测空间；所述氮化硼/石墨烯/氮化硼异质结为三层结构，从上到下依次包括顶层氮化硼、石墨烯层和底层氮化硼，所述氮化硼/石墨烯/氮化硼异质结采用石墨烯和氮化硼两种耐高温材料制备；所述传感器能够在20‑900℃的温度环境中稳定工作。本发明专利技术所述传感器解决了现有高温压力传感器在高温环境中灵敏度受敏感结及压力腔内气、液体热膨胀噪声压力限制难以提升的问题。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及高温压力测试
，具体涉及一种一种新型无腔室的石墨烯耐高温压力传感器。
技术介绍
高温压力传感器主要用于高速飞行器、喷气式发动机、火箭、导弹等耐热腔体及其表面各处压力的测量。传统的压力传感器主要是硅扩散型压阻式压力传感器，其工艺成熟且性能优异，但器件采用P-N结作为敏感结，受P-N结耐温限制，当工作温度高于125℃时，硅发生本征扩散，使得器件性能严重下降，超过600℃时会发生塑性形变和电流泄漏，同时压力传感器腔室内的气体在高温环境下的膨胀作用会带来噪声压力，这严重制约了器件灵敏度的提升。上述因素使得传统压力传感器完全无法满足上述应用领域中对高温环境下压力测量的要求。随着新原理、新材料的不断开发，各类新型高温压力传感器不断涌现，这类器件通过改进压力传感器的敏感结大幅提升了工作温度，但也存在不足之处。目前的高温压力传感器按照原理和材料的不同可以分为：多晶硅高温压力传感器、SOI高温压力传感器、蓝宝石-硅(SOS)高温压力传感器、SiC高温压力传感器、光纤高温压力传感器等。多晶硅高温压力传感器和SOI高温压力传感器工艺成熟，可大幅提高工作温度，但附加应力、内在应力等本征因素以及高温环境下压力传感器腔室内的气体膨胀会严重影响器件的灵敏度。蓝宝石-硅(SOS)高温压力传感器可耐受350℃的高温且具有优异的灵敏度，但蓝宝石-硅衬底制备工艺复杂，价格昂贵。SiC高温压力传感器最高可耐受600℃高温，具有优异的高温性能，但其对封装要求极高，一般的封装技术很难达到其所需的封口温度。光纤高温压力传感器具有高灵敏、高工作温度等优点，但其需要光源、光检测器件、棱镜等设备支持，应用条件复杂。对目前的高温压力传感器而言压力腔的存在是器件敏感外部压力变化的重要保障，但是某一固定腔室内的气体会因温度的升高而膨胀从而产生噪声压力，并且噪声压力会随着温度的升高而变大，具体计算公式为： P 1 × V 1 T 1 = P 2 × V 2 T 2 - - - ( 1 ) ]]>式中，左边代表常温下压力腔内的气体状态，P1为常温下压力腔内的气体压力，V1为常温下压力腔内气体的体积，T1为常温温度，以开尔文为单位表示为293.15K；右边代表900℃时压力腔内的气体状态，P2为900℃下压力腔内的气体压力，V2为900℃下压力腔内气体的体积，T2的数值为1173.15K。假设压力腔内气体的体积从常温升至900℃时近似保持不变，则有V1＝V2，式(1)变形为： P 2 P 1 = T 2 T 1 - - - ( 2 ) ]]>由式(2)可知压力腔内气体压力仅与温度有关，又有T2/T1＝4.002，则900℃条件下压力腔内的气体压力约为常温下压力腔内气体压力的4倍，这就意味着产生了300％的噪声压力，这部分由于温度升高所产生的噪声压力将大大降低高温下压力传感器的灵敏度。
技术实现思路
针对现有高温压力传感器在高温环境中灵敏度受敏感元件及压力腔内气、液体热膨胀噪声压力限制难以提升的问题。本专利技术提供一种新型无腔室的石墨烯高温压力传感器，本专利技术所述高温压力传感器利用氮化硼/石墨烯/氮化硼异质结作为敏感元件感受外部压力信号，器件灵敏度不依赖于压力腔，所以不会产生额外的噪声压力引起的温度漂移，噪声压力减小300％，可大幅提高器件在高温环境下的灵敏度。本专利技术是通过以下技术方案实现的：一种新型无腔室的石墨烯高温压力传感器，所述传感器采用无腔室结构以减少噪声压力信号；所述传感器采用氮化硼/石墨烯/氮化硼异质结作为敏感元件感受外部压力；所述氮化硼/石墨烯/氮化硼异质结直接暴露于被测空间，其外部无腔室结构；所述氮化硼/石墨烯/氮化硼异质结为三层结构，从上到下依次为顶层氮化硼、石墨烯层和底层氮化硼，所述氮化硼/石墨烯/氮化硼异质结采用石墨烯和氮化硼两种耐高温材料制备；所述传感器能够稳定工作的最高温度为900℃。顶层氮化硼、石墨烯层和底层氮化硼构成的三层结构通过范德瓦尔兹力相互结合。其中，氮化硼/石墨烯/氮化硼异质结可以耐受900℃高温，进而使传感器具有高达900℃的温度耐受性；具体原理为，位于石墨烯层上下两侧的顶层氮化硼和底层氮化硼为石墨烯创造了无氧环境，无氧环境的创造使石墨烯层能够适应高温环境，从而使氮化硼/石墨烯/氮化硼异质结具有耐高温特性。氮化硼/石墨烯/氮化硼异质结还具有极高的力学敏感性，在0-5nN/nm2的应力范围内，随着压力的增大通过石墨烯面内的电流由10-6A减小至10-9A，变化3个数量级，因而，氮化硼/石墨烯/氮化硼异质结对施加于其表面的力学信号具有极高的敏感性。同时，无腔室的结构设计避免了压力腔中气、液体高温下的膨胀压力对敏感膜的影响，从而使本专利技术所述高温压力传感器在高温环境下将具有极高的灵敏度。本专利技术采用氮化硼/石墨烯/氮化硼异质结直接构成高温压力传感器，异质结的石墨烯与氮化硼间的原子间距随外部应力的变化而变化，从而影响异质结的电学性能变化，使其对高频力学信号具有极高的灵敏度，进一步地，所述顶层氮化硼和底层氮化硼的厚度均为20nm-30nm；所述石墨烯层由单层碳原子构成，厚度为0.035nm。进一步地，所述传感器还包括基片、绝热凸台、螺纹卡口以及底层固定基座；所述氮化硼/石墨烯/氮化硼异质结设置在基片上部的中心位置，所述氮化硼/石墨烯/氮化硼异质结通过范德瓦尔兹力与基片1相连，所述基片设置在所述绝热凸台的中心位置，所述绝热凸台设置于底层固定基座上部，在底层固定基座的周边设置至少一个螺纹卡口，通过螺纹卡口将底层固定基座固定于指定位置。进一步地，所述传感器还包括两个电极、引线、贯穿绝热凸台和底层固定基座的两个通孔、位于底层固定基座下部的检测模块以及信号显示模块；其中，两个电极设置于基片上部，且分别设置在所述氮化硼/石墨烯/氮化硼异质结的两侧，两个电极均通过引线与检测模块连接，信号检测模块与信号显示模块相连接，其中，两个通孔分别位于两个电极的附近，所述连接电极的引线穿过通孔后与检测模块连接。进一步地，所述信号检测模块设置于底层固定基座的未设置绝热凸台的一侧；且所述信号检测模块设置在与绝热凸台相对应的位置。其中，将所述信号检测模块设置在与绝热凸台相对应的位置，从而使绝热凸台保护信号检测模块不受测试环境的高温影响。进一步地，所述氮化硼/石墨烯/氮化硼异质本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种新型无腔室的石墨烯高温压力传感器，其特征在于，所述高温压力传感器采用无腔室基底结构以减少噪声压力信号；所述高温压力传感器采用氮化硼/石墨烯/氮化硼异质结（2）作为敏感元件感受外部压力；所述氮化硼/石墨烯/氮化硼异质结（2）直接暴露于被测空间，其外部无腔室结构；所述氮化硼/石墨烯/氮化硼异质结（2）为三层结构，从上到下依次为顶层氮化硼、石墨烯层和底层氮化硼，所述氮化硼/石墨烯/氮化硼异质结（2）采用石墨烯和氮化硼两种耐高温材料制备；所述高温压力传感器能够稳定工作的最高温度为900℃。
【技术特征摘要】
1.一种新型无腔室的石墨烯高温压力传感器，其特征在于，所述高温压力传感器采用无腔室基底结构以减少噪声压力信号；所述高温压力传感器采用氮化硼/石墨烯/氮化硼异质结（2）作为敏感元件感受外部压力；所述氮化硼/石墨烯/氮化硼异质结（2）直接暴露于被测空间，其外部无腔室结构；所述氮化硼/石墨烯/氮化硼异质结（2）为三层结构，从上到下依次为顶层氮化硼、石墨烯层和底层氮化硼，所述氮化硼/石墨烯/氮化硼异质结（2）采用石墨烯和氮化硼两种耐高温材料制备；所述高温压力传感器能够稳定工作的最高温度为900℃。2.根据权利要求1所述的一种新型无腔室的石墨烯高温压力传感器，其特征在于，所述顶层氮化硼和底层氮化硼的厚度均为20nm-30nm；所述石墨烯层由单层碳原子构成，具有六角晶格结构，厚度为0.035nm。3.根据权利要求1所述的一种新型无腔室的石墨烯高温压力传感器，其特征在于，所述高温压力传感器还包括基片（1）、绝热凸台（6）、螺纹卡口（7）以及底层固定基座（8）；所述氮化硼/石墨烯/氮化硼异质结（2）设置在基片（1）上部的中心位置，所述基片（1）设置在所述绝热凸台（6）的中心位置，所述绝热凸台（6）设置于底层固定基座（8）上部，在底层固定基座（8）的周边设置至少一个螺纹卡口（7），通过螺纹卡口（7）将底层固定基座（8）固定于指定位置。4.根据权利要求3所述的一种新型无腔室的石墨烯高温压力传感器，其特征在于，所述高温压力传感器还包括两个电极（3）、引...
【专利技术属性】
技术研发人员：李孟委，吴承根，
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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