本实用新型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。所述高温压力传感器为无腔室结构；所述高温压力传感器包括用于感受外部压力的氮化硼/石墨烯/氮化硼异质结，所述氮化硼/石墨烯/氮化硼异质结的外部不设置腔室结构；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。本实用新型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。
【技术实现步骤摘要】
本技术涉及高温压力测试
，具体涉及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：P1×V1T1=P2×V2T2---(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：P2P1=T2T1---(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。本技术提供一种新型无腔室的石墨烯高温压力传感器，本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，所述高温压力传感器为无腔室结构；所述高温压力传感器包括用于感受外部压力的氮化硼/石墨烯/氮化硼异质结，所述氮化硼/石墨烯/氮化硼异质结的外部不设置腔室结构；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；所述高温压力传感器还包括基片、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。进一步地，所述高温压力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，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。进一步地，所述氮化硼/石墨烯/氮化硼异质结感受外部压力产生电学响应信号，所述电学响应信号依次经由电极、引线传递至检测模块，所述检测模块将所述电学响应信号进行放大、去噪以及整流处理获得压力信号，并经由信号显示模块对压力信号进行显示。进一步地，所述高温压力传感器既能够实现接触式压力测量，又能够实现非接触式压力测量。进一步地，所述高温压力传感器中的基片、异质结、电极、引线、绝热凸台均采用耐高温材料制备，其中，基片采用4号料高温玻璃制成，可承受1200℃高温；利用铂制备的电极和引线耐温高达1768℃；绝热凸台采用航空专用隔热材料高温表面绝热瓦HRSI，可隔离1260℃的高温。进一步地，所述底层固定基座呈圆形，面积为9π平方厘米；所述绝热凸台为正方形面积为4平方厘米。本技术的有益技术效果：本技术中所述高温压力传感器，在基片上设置氮化硼/石墨烯/氮化硼异质结作为敏感元件，当外界压力作用于氮化硼/石墨烯/氮化硼异质结的表面时，会使其内部原子间距发生变化，从而影响石墨烯六角晶格结构，使石墨烯能带在狄拉克点打开能隙，从而使石墨烯的电学性能发生巨大的变化，通过检测流过石墨烯面内的电流大小就能得到外部所施加的应力大小，同时在这一过程中，氮化硼层为石墨烯提供保护，保证了石墨烯可在900℃高温环境中工作，从而达到在高温环境中测量外部压力的目的。本技术采用无腔室的开放式结构设计方案，去除了同类器件敏感压力所依赖的压力腔，避免了高温环境下压力腔内气、液体受热膨胀后给敏感薄膜带来的噪声压力影响，可将噪声压力减小300％，同时无腔室的结构也简化了器件的加工工艺，这使本技术中的高温压力传感器与同类器件相比具有工艺简单、灵敏度高、灵敏度温度系数小的优势。附图说明图1高温压力传感器整体结构原理图；图2氮化硼/石墨烯/氮化硼异质结结构示意图；图3高温压力传感器整体结构示意图；图4高温压力传感器结构俯视图；图5氮化硼/石墨烯/氮化硼异质结敏感原理图。附图标记：1.基片、2.氮化硼/石墨烯/氮化硼异质结、3.电极、4.引线、5.通孔、6.绝热凸台、7.螺纹卡口、8.底层固定基座、9.信号检测模块、10.信号显示模块。具体实施方式为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本技术，并不用于限定本技术。相反，本技术涵盖任何由权利要求定义的在本实本文档来自技高网...
【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为无腔室结构；所述高温压力传感器包括用于感受外部压力的氮化硼/石墨烯/氮化硼异质结（2），所述氮化硼/石墨烯/氮化硼异质结（2）的外部不设置腔室结构；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。
【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为无腔室结构；所述高温压力传感器包括用于感受外部压力的氮化硼/石墨烯/氮化硼异质结（2），所述氮化硼/石墨烯/氮化硼异质结（2）的外部不设置腔室结构；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。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两个电极（3）、引线（4）、贯穿绝热凸台（6）和底层固定基座（8）的通孔（5）、位于底层固定基座（8）下部的检测模块（9）以及信号显示模块（10）；其中，两个电极（3）设置于基片（1）上部，且分别设置在所述氮化硼/石墨烯\...
【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：新型
国别省市：山西;14
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