一种片内温度补偿石墨烯压力传感器制造技术

一种片内温度补偿石墨烯压力传感器，主要结构由力敏薄膜、温敏薄膜、互连电极、基片、密封环、封装外壳、基板、陶瓷基座、引线柱组成。力敏薄膜和温敏薄膜均由复合纳米薄膜、电极组成，布置于基片下侧，处于同一温区，基片上部刻蚀有一个凹型结构，基板在与温敏薄膜相对的位置刻蚀形成一凸台结构，复合纳米薄膜由两层氮化硼与夹在其中的石墨烯组成，基片底部外周侧通过密封环键合在基板上构成无氧真空腔，隔绝了复合纳米薄膜与外界的直接接触，互连电极、引线柱将力敏薄膜和温敏薄膜与外部相连接，传感器可应用于动态、静态测试环境，利用温敏薄膜检测温度干扰信号，补偿力敏薄膜压力测量时产生的温度误差，实现对压力的准确测量。

An internal temperature compensated graphitic pressure sensor

An on-chip temperature compensated graphene pressure sensor is mainly composed of You Li sensitive thin film, Wen Min film, interconnect electrode, substrate, sealing ring, package shell, substrate, ceramic base and lead post. Thin film and temperature sensitive films are composed of nano composite films and electrodes arranged on the lower side of a substrate, at the same temperature, the upper substrate etching has a concave structure, and substrate temperature sensitive thin film etching in position relative to the formation of a convex structure, the nanocomposite film is composed of two layers of boron nitride with the clip on graphene which the composition of the substrate at the bottom of the peripheral side sealing ring through the vacuum cavity in the anaerobic bonding substrate from direct contact with the outside world of the composite nanometer thin film electrode, lead, interconnection column of thin film and temperature sensitive film is connected with an external sensor, which can be applied to dynamic and the static test environment, using temperature sensitive film to detect temperature signal interference, temperature error compensation of thin film pressure measurement, realize the accurate measurement of the pressure.

【技术实现步骤摘要】
一种片内温度补偿石墨烯压力传感器
本专利技术涉及一种片内温度补偿的石墨烯压力传感器，属压力测量及误差分析的

技术介绍
现代化工业生产过程中，压力与温度、流量一起并称为自动化控制的三大要素。航空航天、水利水电、武器装备、汽车生产等工业领域，对压力传感器的测控精度以及稳定性提出了越来越高的要求。实际应用过程中，压力传感器的测量精度受温度影响会产生严重的漂移，主要包括零点漂移和灵敏度漂移，其产生的原因分别是敏感电阻的电导率和压阻系数会受到温度的影响，半导体压敏电阻的温度系数与掺杂浓度相关，制作工艺上很难实现惠斯通电桥每个桥臂电阻的温度系数完全相同，力敏电阻的不等性使得温度漂移更加复杂，也成为压力传感器温度补偿工作难度大的根本原因。目前多采用的有前端隔温处理或后端算法补偿这两种方法，复杂而且未从根本上解决问题。针对上述问题，本专利技术提出一种片内温度补偿石墨烯压力传感器，提出将石墨烯取代传统半导体力敏材料，利用石墨烯优异的力敏和温敏特性，由温敏薄膜检测温度干扰信号，补偿力敏薄膜压力测量过程中的温度误差，实现器件的自温度补偿，从根本上解决压力传感器温度补偿难度大的问题。
技术实现思路
专利技术目的本专利技术的目的就是针对
技术介绍
的不足，设计一种片内温度补偿石墨烯压力传感器，从根本上解决压力传感器难以实现准确温度补偿的难题。技术方案本专利技术的主要结构由力敏纳米薄膜、温敏纳米薄膜、互连电极、基片、密封环、封装外壳、基板、陶瓷基座、引线柱组成。在陶瓷基座12上设置基板11，并粘结牢固，在基板11表面通过密封环8、9键合基片7，基板11在相对于温敏纳米薄膜4的位置刻蚀形成一凸台结构17，基片7下表面布置了力敏纳米薄膜1和温敏纳米薄膜4，并通过电极1、2、5、6粘接牢固，电极1、2、5、6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，用于传递温敏薄膜与力敏薄膜对压力信号和温度信号的电学响应，互连电极由互连凸点(30、31、32、33)与互连焊盘(34、35、36、37)键合构成；基片7上部刻蚀了凹形结构；封装外壳10与陶瓷基座12键合，基片7封闭封装外壳10。基片7下部布置了力敏纳米薄膜3和温敏纳米薄膜4，均由上下两层氮化硼层以及中间单层石墨烯构成，所述氮化硼的层数大于等于1；基片7上部刻蚀形成了凹形结构，膜片16为凹形结构的一部分,基片7与封装外壳10键合。基板11通过密封环8、9键合基片7，基片7、基板11、密封环(8、9)组成了一个密封的无氧真空腔，隔绝了纳米薄膜与外界的直接接触，并保障两组纳米薄膜(3、4)处于同一温区，基板11在相对于温敏薄膜4的位置刻蚀形成一凸台结构17，保障温敏薄膜4在外部压力作用下不会发生形变，陶瓷基座12与基板11相连接，将器件固定。电极1、2、5、6布置在石墨烯薄膜两侧，用于导出氮化硼/石墨烯/氮化硼纳米薄膜中的电学响应，电极1、2、5、6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，用于传递温敏薄膜与力敏薄膜对压力信号和温度信号的电学响应，互连电极由互连凸点(30、31、32、33)与互连焊盘(34、35、36、37)键合构成；浸润层18、19、20、21、22、23起到浸润与阻挡的作用，分别连接电极1、2、5、6，密封环8、9与基片7，加大粘合力，并阻止高温下金属原子和基片原子的相互扩散。封装外壳10用以隔绝外部环境，支撑、保护内部表头结构。有益效果本专利技术与
技术介绍
相比具有明显的先进性，利用石墨烯薄膜替代了传统的半导体压阻材料，避免了力敏电阻因掺杂导致的不等现象，进而使温度漂移问题简单化，利用金属将基片与基板键合形成无氧真空腔，同时，石墨烯夹在两层氮化硼纳米薄膜之间，有效的消除了周围环境中的干扰因素，提升了器件的可靠性，传感器可应用于动态、静态高力学测试环境，利用温敏薄膜检测温度干扰信号补偿力敏薄膜压力测量时产生的温度误差，从根本上解决目前压力传感器难以实现准确温度补偿的问题。附图说明图1为本专利技术实施例的立体示意图；图2为本专利技术实施例的整体结构示意图；图3为本专利技术实施例的芯片结构立体示意图；图4为本专利技术实施例的芯片结构俯视图；图5为本专利技术实施例的芯片结构侧视图；图6为本专利技术实施例的石墨烯敏感结构图；图7为本专利技术实施例的石墨烯敏感结构俯视图；图8为本专利技术实施例的石墨烯敏感结构截面图；图中所示，附图标记清单如下：1、电极；2、电极；3、力敏纳米薄膜；4、温敏纳米薄膜；5、电极；6、电极；7、基片；8、密封环；9密封环；10、封装外壳；11、基板；12陶瓷基座；13、引线柱；14、引线柱；15、无氧真空腔；16、膜片；17、凸台结构；18、浸润层；19、浸润层；20、浸润层；21、浸润层；22、浸润层；23、浸润层；24、底层氮化硼；25、底层氮化硼；26、石墨烯；27、石墨烯；28、上层氮化硼；29、上层氮化硼；30、互连凸点；31、互连凸点；32、互连凸点；33、互连凸点；34、互连焊盘；35、互连焊盘；36、互连焊盘；37、互连焊盘；38、引线柱；39、引线柱；40、外部互连电极；41、外部互连电极；42、外部互连电极；43、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，仅用于解释本专利技术，而不能理解为对本专利技术的限制。在本专利技术的描述中，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专利技术和简化描述，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专利技术的限制。另外，本专利技术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。在本专利技术的描述中，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专利技术中的具体含义。专利技术原理是：当外部压力信号作用于刻蚀形成的凹形结构时，会使膜片与力敏石墨烯发生形变，形变打破了石墨烯六角晶格的对称结构，使石墨烯的能带在狄拉克点打开能隙，改变了石墨烯的电导率。与此同时测试环境温度的升高会导致石墨烯电导率发生变化，并对石墨烯的压阻系数产生影响，但并未出现类似半导体力敏电阻不等导致的复杂温漂现象，使温漂现象简单化。密闭的无氧真空腔将力敏纳米薄膜与温敏纳米薄膜处于同一温区中，利用温敏薄膜检测温度干扰信号反馈补偿检测单元的压力检测结果，即可实现高精度压力测量，从根本上解决了高精度温度补偿的难题。以下结合附图对本专利技术做进一步说明：如图1所示，为本专利技术第一实施例提出的一种片内温度补偿石墨烯压力传感器的外观立体示意图，所述传感器包括一个封装外壳10，所述封装外壳10整体可以为圆柱形、正方体、长方体等，并不做具体限制，在附图1中仅示本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种片内温度补偿石墨烯压力传感器，其特征在于，所述传感器包括：封装壳体，所述封装壳体上部为开口结构，在所述开口结构内侧设置有基片，所述封装壳体内侧设置有陶瓷基座，所述基片、陶瓷基座及封装壳体共同界定一个内部检测空间；检测单元，所述检测单元设置在所述内部检测空间内，并所述检测单元包括置于同一温区的力敏纳米薄膜、及温敏纳米薄膜，所述力敏纳米薄膜及温敏纳米薄膜布置在所述基片面向内部检测空间的一侧面上，所述基片相对力敏纳米薄膜的部分为感应压力部分，相对温敏纳米薄膜的部分为感应温度部分；所述内部检测空间提供一个凸台结构置于所述温敏纳米薄膜下侧面，并与所述温敏纳米薄膜相互接触，还于相对力敏纳米薄膜的下侧提供无氧真空腔；所述力敏纳米薄膜及温敏纳米薄膜通过电极连接外部检测组件。

【技术特征摘要】
1.一种片内温度补偿石墨烯压力传感器，其特征在于，所述传感器包括：封装壳体，所述封装壳体上部为开口结构，在所述开口结构内侧设置有基片，所述封装壳体内侧设置有陶瓷基座，所述基片、陶瓷基座及封装壳体共同界定一个内部检测空间；检测单元，所述检测单元设置在所述内部检测空间内，并所述检测单元包括置于同一温区的力敏纳米薄膜、及温敏纳米薄膜，所述力敏纳米薄膜及温敏纳米薄膜布置在所述基片面向内部检测空间的一侧面上，所述基片相对力敏纳米薄膜的部分为感应压力部分，相对温敏纳米薄膜的部分为感应温度部分；所述内部检测空间提供一个凸台结构置于所述温敏纳米薄膜下侧面，并与所述温敏纳米薄膜相互接触，还于相对力敏纳米薄膜的下侧提供无氧真空腔；所述力敏纳米薄膜及温敏纳米薄膜通过电极连接外部检测组件。2.根据权利要求1所述的一种片内温度补偿石墨烯压力传感器，其特征在于，所述基片包括在上侧面刻蚀的凹形结构、及凹形结构凹腔对应所述基片下侧的膜片结构；所述力敏纳米薄膜及温敏纳米薄膜对称的布置在所述膜片面向所述内部检测空间的侧面上。3.根据权利要求1所述的一种片内温度补偿石墨烯压力传感器，其特征在于，所述陶瓷基座面向内部检测空间的侧面上设置有基板，所述膜片的下侧面外周侧通过密封环键合在所述基板上；所述基板相对所述温敏薄膜的位...

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