一种十字梁结构石墨烯高温压力传感器制造技术

一种十字梁结构石墨烯高温压力传感器，可长期稳定工作在900℃和20MPa的高温高压环境下，传感器包括：封装外壳，设置在封装外壳顶部的上端盖以及设置在封装外壳内部底端的陶瓷基座；上端盖上设置有一个圆通孔；陶瓷基座中部开设有安装槽；还包括，检测基片，检测基片设置在陶瓷基座的安装槽内，检测基片中心开设有方形孔，方形孔上设置有十字梁，十字梁与检测基片的连接处均设置有纳米检测单元；传压硅膜，传压硅膜设置在检测基片上，传压硅膜上表面的边缘与上端盖底部连接，传压硅膜底部中心设置有突出的硅膜凸柱与十字梁中心连接，实现力的传递；互连组件，互连组件一端与纳米检测单元连接，互连组件另一端与外部连接从而将压力信号传递出来。

A cross beam graphene high temperature pressure sensor

【技术实现步骤摘要】
一种十字梁结构石墨烯高温压力传感器
本专利技术涉及高温高压测试
，具体涉及一种十字梁结构石墨烯高温压力传感器。
技术介绍
高温压力传感器主要对航空航天发动机、核电机组、石油勘探等设备中高温高压区域的压力测量。现有硅压力传感器灵敏度高，精度好；但其温度特性差，高温环境下稳定性低，无法满足某些设备高温高压区域的压力测量，此外由于封装等技术问题，目前采用石墨烯制作的压力传感器多用于常温低压环境下如清华大学设计的石墨烯纸基压力传感器(Graphene-PaperPressureSensorforDetectingHumanMotions)，其量程为0～20KPa，可以实现手腕脉搏、说话、呼吸和运动状态的测量。由于石墨烯、氮化硼的耐高温性，纳米银焊料可承受900℃的高温，且采用纳米银焊接的器件抗剪强度达50MPa。故可利用石墨烯氮化硼材料设计一种集成度高，稳定性强的耐高温压力传感器。本专利技术所述的十字梁结构石墨烯高温压力传感器可实现900℃高温20MPa压力的满量程压力检测。
技术实现思路
本专利技术利用石墨烯设计了一种十字梁结构石墨烯高温压力传感器。具有石墨烯层的纳米膜受压力影响使得十字梁发生形变进而使其电导率发生改变，然后通过外部检测电导率的变化来实现对压力的检测。为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种十字梁结构石墨烯高温压力传感器，可以长期稳定工作在900℃和20MPa的高温高压环境下，所述传感器包括：封装外壳，设置在所述封装外壳顶部的上端盖以及设置在所述封装外壳内部底端的陶瓷基座；所述上端盖上设置有一个圆通孔；所述陶瓷基座中部开设有安装槽；还包括，检测基片，所述检测基片设置在所述陶瓷基座的安装槽内，所述检测基片中心开设有方形孔，所述方形孔上设置有十字梁，所述十字梁与所述检测基片的连接处均设置有纳米检测单元；传压硅膜，所述传压硅膜设置在所述检测基片上，所述传压硅膜上表面的边缘与所述上端盖底部连接，所述传压硅膜底部中心设置有突出的硅膜凸柱与所述十字梁中心连接，实现力的传递；互连组件，所述互连组件一端与所述纳米检测单元连接，所述互连组件另一端与外部连接从而将压力信号传递出来。可选地，所述上端盖与所述传压硅膜之间通过第一纳米银连接层连接，所述第一纳米银连接层沿所述圆通孔外周侧设置；所述传压硅膜与所述检测基片之间通过第二纳米银连接层和第三纳米银连接层连接，所述第二纳米银连接层分别设置在所述传压硅膜底部的边缘处和硅膜凸柱上，所述第三纳米银连接层分别设置在所述检测基片的边缘处和十字梁中心，所述第二纳米银连接层和第三纳米银连接层相互连接；所述检测基片与所述陶瓷基座之间通过第四纳米银连接层连接，所述第四纳米银连接层设置在所述陶瓷基座底部的边缘处；所述陶瓷基座外侧壁侧通过第五纳米银连接层与所述封装外壳内侧面连接。可选地，所述纳米检测单元包括：纳米膜、金属电极、下层氧化硅阻挡层、上层氧化硅阻挡层和压层金属。可选地，所述纳米膜设置在所述十字梁的上表面，所述纳米膜靠近所述十字梁与所述检测基片的连接处设置，所述金属电极设置在所述检测基片上靠近所述纳米膜的位置，两个所述金属电极、分别与所述纳米膜的两端电性连接，所述金属电极用于导出纳米膜中的电学响应，所述压层金属设置在所述纳米膜一侧并将纳米膜一端压紧。可选地，所述下层氧化硅阻挡层设置在所述纳米膜与检测基片之间，所述下层氧化硅阻挡层还设置在所述金属电极与检测基片之间，所述下层氧化硅阻挡层将纳米膜和金属电极与检测基片隔离开；所述上层氧化硅阻挡层设置在所述金属电极上表面。可选地，所述纳米膜由上层氮化硼层、中层石墨烯层、下层氮化硼层组成，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蛇形弯折的回折结构。可选地，所述压层金属设置在所述上层氮化硼层、中层石墨烯层和下层氮化硼层的一侧，所述压层金属将所述上层氮化硼层、中层石墨烯层和下层氮化硼层压紧在所述下层氧化硅阻挡层上。可选地，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所述引线柱的安装孔，所述引线柱设置在所述安装孔内，所述互连焊盘设置在所述陶瓷基座上并与所述引线柱一端连接，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所述外部互连电极的开口，所述外部互连电极设置在所述陶瓷基座底部并与所述引线柱另一端连接，所述外部互连电极连接外部检测电路。本专利技术的有益效果在于，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。同时封装外壳、端盖、传压硅膜、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，可以长期稳定工作在900℃和20MPa的高温高压环境下。附图说明图1为本专利技术实施例的外部结构示意图；图2为本专利技术实施例的截面结构示意图图；图3为本专利技术实施例的纳米检测单元结构安装俯视图；图4为本专利技术实施例的传压硅膜俯视图图5为本专利技术实施例的传压硅膜仰视图图6为本专利技术实施例的检测基片结构仰视图；图7为本专利技术实施例的检测基片结构俯视图；图8为本专利技术实施例的纳米膜截面结构示意图；图中所示，附图标记清单如下：传压硅膜-1；第一纳米银连接层-2；第三纳米银连接层-3；第二纳米银连接层-4；硅膜凸柱-5；第四纳米银连接层-6；检测基片-7；十字梁-8；陶瓷基座-9；上端盖-10；金属电极-11、12、37、38、56、57、74、75；互连凸点-14、15、18、19、39、40、43、44、58、59、62、63、76、77、80、81；引线互连-16、17、41、42、60、61、78、79；互连焊盘-26、27、45、46、64、65、82、83；引线柱-28、29、47、48、66、67、84、85；下层氧化硅阻挡层-30；纳米膜-31、50、68、86；上层氮化硼层-32、51、69、87；中层石墨烯层-33、52、70、88；下层氮化硼层-34、53、71、89；压层金属-35、36、54、55、72、73、90、91；封装外壳-37；上层氧化硅阻挡层-49；外部互连电极-92、93、94、95、96、97、98、99；圆通孔-100。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本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种十字梁结构石墨烯高温压力传感器，可以长期稳定工作在900℃和20MPa的高温高压环境下，其特征在于，所述传感器包括：/n封装外壳(37)，设置在所述封装外壳(37)顶部的上端盖(10)以及设置在所述封装外壳(37)内部底端的陶瓷基座(9)；/n所述上端盖(10)上设置有一个圆通孔(100)；/n所述陶瓷基座(9)中部开设有安装槽；/n还包括，检测基片(7)，所述检测基片设置在所述陶瓷基座(9)的安装槽内，所述检测基片(7)中心开设有方形孔，所述方形孔上设置有十字梁(8)，所述十字梁(8)与所述检测基片(7)的连接处均设置有纳米检测单元；/n传压硅膜(1)，所述传压硅膜(1)设置在所述检测基片(7)上，所述传压硅膜(1)上表面的边缘与所述上端盖(10)底部连接，所述传压硅膜(1)底部中心设置有突出的硅膜凸柱(5)与所述十字梁(8)中心连接，实现力的传递；/n互连组件，所述互连组件一端与所述纳米检测单元连接，所述互连组件另一端与外部连接从而将压力信号传递出来。/n

【技术特征摘要】
1.一种十字梁结构石墨烯高温压力传感器，可以长期稳定工作在900℃和20MPa的高温高压环境下，其特征在于，所述传感器包括：
封装外壳(37)，设置在所述封装外壳(37)顶部的上端盖(10)以及设置在所述封装外壳(37)内部底端的陶瓷基座(9)；
所述上端盖(10)上设置有一个圆通孔(100)；
所述陶瓷基座(9)中部开设有安装槽；
还包括，检测基片(7)，所述检测基片设置在所述陶瓷基座(9)的安装槽内，所述检测基片(7)中心开设有方形孔，所述方形孔上设置有十字梁(8)，所述十字梁(8)与所述检测基片(7)的连接处均设置有纳米检测单元；
传压硅膜(1)，所述传压硅膜(1)设置在所述检测基片(7)上，所述传压硅膜(1)上表面的边缘与所述上端盖(10)底部连接，所述传压硅膜(1)底部中心设置有突出的硅膜凸柱(5)与所述十字梁(8)中心连接，实现力的传递；
互连组件，所述互连组件一端与所述纳米检测单元连接，所述互连组件另一端与外部连接从而将压力信号传递出来。


2.根据权利要求1所述的十字梁结构石墨烯高温压力传感器，其特征在于，所述上端盖(10)与所述传压硅膜(1)之间通过第一纳米银连接层(2)连接，所述第一纳米银连接层(2)沿所述圆通孔(100)外周侧设置；
所述传压硅膜(1)与所述检测基片(7)之间通过第二纳米银连接层(4)和第三纳米银连接层(3)连接，所述第二纳米银连接层(4)分别设置在所述传压硅膜(1)底部的边缘处和硅膜凸柱(5)上，所述第三纳米银连接层(3)分别设置在所述检测基片(7)的边缘处和十字梁(8)中心，所述第二纳米银连接层(4)和第三纳米银连接层(3)相互连接；
所述检测基片(7)与所述陶瓷基座(9)之间通过第四纳米银连接层(6)连接，所述第四纳米银连接层(6)设置在所述陶瓷基座(9)底部的边缘处；
所述陶瓷基座(9)外侧壁侧通过第五纳米银连接层与所述封装外壳(37)内侧面连接。


3.根据权利要求1所述的十字梁结构石墨烯高温压力传感器，其特征在于，所述纳米检测单元包括：纳米膜(31、50、68、86)、金属电极(11、12、37、38、56、57、74、75)、下层氧化硅阻挡层(30)、上层氧化硅阻挡层(49)和压层金属(35、36、54、55、72、73、90、91)。


4.根据权利要求3所述的十字梁结构石墨烯高温压力传感器，其特征在于，所述纳米膜(31、50、68、86)设置在所述十字梁(8)的上表面，所述纳米膜(31、50、68、86)靠近所述十字梁(8)与所述检测基片(7)的连接处设置，所述金属电极(11、12、37、38、56、57、74、75)设置在所述检测基片(7)上靠近所述纳米膜(31、50、68、86)的位置，两个所述金属电极(11、12、37、38、56、57、74、75)、分别与所述纳米膜(31、50、68、86)的两端电性连接，所述金属电极(11、12、37、38、56、57、74、75)用于导出纳米膜(31、50、68、86)中的电学响应，所述压层金属(35、36、54、55、72、73、90、91)设置在所述纳米膜(31、50、68、86)一侧并将纳米膜(31、50、68、86)一端压紧。


5.根据权利要求3所述的十字梁结构石墨烯高温压力传感器，其特征在于，所述下层氧化硅阻挡层(30)设置在所述纳米膜(31、50、68、86)与检测基片(7)之间，所述下层氧化硅阻挡层(30)还设置在所...

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