一种基于纳米孔的石墨烯高压压力传感器制造技术

一种基于纳米孔的石墨烯高压压力传感器，传感器包括：封装外壳，以及设置在封装外壳顶端的不锈钢端盖和设置在封装外壳内部底端的基板，不锈钢端盖上设置有多个圆孔，基板上设置有衬底，衬底中心设置有纳米孔；压力检测单元，压力检测单元设置在衬底上；互连组件，互连组件设置在压力检测单元两侧，互连组件一端与压力检测单元连接，互连组件另一端与外部连接。本实用新型专利技术在在纳米孔中充入惰性气体，通过将纳米薄膜排布在纳米孔结构上，衬底与基板通过金属键合形成惰性气体密封腔，利用石墨烯的性质，可长期稳定工作在400MPa的高压环境中且响应时间低于1μs，并且耐酸碱、抗腐蚀，适用于各种高压测试环境，具有很高的实用价值。

【技术实现步骤摘要】
一种基于纳米孔的石墨烯高压压力传感器
本技术涉及高压测试
，具体涉及一种基于纳米孔的石墨烯高压压力传感器。
技术介绍
随着科学技术的不断发展，在众多领域对于压力的测量要求日益增大，尤其对于长时间高压恶劣环境下的压力测量是目前面临的重要问题之一。例如在航空航天发动机内、火炮膛内等环境中，就需要用压力传感器对这些设备的承压部件的压力参数进行测量，从而准确的评估承压部件的健康状况，有利于设计出耐高压的关键部件。由于石墨烯具有优良的力学、电学、热学和化学性能，是已知强度最高的材料之一，同时还具有很好的韧性，且可以弯曲，石墨烯的理论杨氏模量达1.0TPa，固有的拉伸强度为130GPa。同时石墨烯在室温下的载流子迁移率约为15000cm2/(V·s)，这一数值超过了硅材料的10倍，是目前已知载流子迁移率最高的物质锑化铟(InSb)的两倍以上。在某些特定条件下如低温下，石墨烯的载流子迁移率甚至可高达250000cm2/(V·s)。与很多材料不一样，石墨烯的电子迁移率受温度变化的影响较小，50～500K之间的任何温度下，单层石墨烯的电子迁移率都在15000cm2/(V·s)左右，是良好的纳米传感器材料。故其对于压力的响应时间极短。目前硅压阻式压力传感器在航空航天、武器装备等领域应用较广，但其测压范围较小，响应时间较长。无法达到膛压400MPa的测试需求、精度高且性能稳定；但其热惯性大、响应时间长。如某型火炮发射过程中，膛内压力达到300～400MPa，响应时间小于50ms。本技术所述的基于纳米孔的石墨烯高压压力传感器与传统硅压阻式压力传感器相比，基于纳米孔的石墨烯高压压力传感器可用于高压恶劣环境下的压力测量。使用纳米孔作为敏感结构，利用石墨烯材料代替金属材料和其它半导体材料，从而开发一种响应时间快且体积小的高性能高压压力传感器是目前急需解决的一项科学技术。
技术实现思路
为了有效解决上述
技术介绍
问题的不足，利用石墨烯材料代替金属材料和其它半导体材料，通过将石墨烯覆盖于纳米孔结构上，设计了一种基于纳米孔的石墨烯高压压力传感器。石墨烯薄膜受压力影响，电学特性发生改变，具体是压力导致石墨烯薄膜发生形变，引起石墨烯的电导率发生变化，然后通过外部检测电路检测石墨烯薄膜电导率的变化来实现对压力的测量。一种基于纳米孔的石墨烯高压压力传感器，可长期稳定工作在400MPa的高压环境中且响应时间低于1μs，所述传感器包括：封装外壳，以及设置在所述封装外壳顶端的不锈钢端盖和设置在封装外壳内部底端的基板，所述不锈钢端盖上设置有多个圆孔，所述基板上设置有衬底，所述衬底中心设置有纳米孔；压力检测单元，所述压力检测单元设置在所述衬底上；互连组件，所述互连组件设置在所述压力检测单元两侧，所述互连组件一端与所述压力检测单元连接，所述互连组件另一端与外部连接导出压力检测单元的电学响应。可选地，所述压力检测单元包括：纳米薄膜和金属电极，所述纳米薄膜设置在所述衬底上表面并覆盖在所述纳米孔上，所述金属电极分别设置在靠近所述纳米薄膜的边角处，所述纳米薄膜两侧分别设置有一布线，所述金属电极通过对应侧的布线与所述纳米薄膜的两侧连接，所述衬底上的纳米孔、基板与所述纳米薄膜共同组成了一个惰性气体密封腔，所述惰性气体密封腔内填充有惰性气。可选地，所述纳米薄膜由上层氮化硼层、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，所述纳米薄膜的中层石墨烯层两侧分别覆盖在相应侧的布线上，将中层石墨烯层的电学响应导出到金属电极上。可选地，所述金属电极和布线底部还设置有阻挡层。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。可选地，所述基板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基板上并与所述引线柱一端连接，所述互连焊盘上键合设置有互连凸点，所述互连引线一端与所述互连焊盘上的互连凸点连接，所述互连引线另一端与所述金属电极连接，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基板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组件。本技术与
技术介绍
相比具有明显的先进性，器件利用包含石墨烯的纳米膜替代其它金属材料或者半导体材料，提高了压力传感器的测压区间，通过在衬底上刻蚀“方”形的纳米孔结构，纳米孔结构可以提高石墨烯的承压能力，将石墨烯层覆盖在纳米孔上进一步提高了压力传感器的测压上限，使器件可以满足高压测试的需求。并且由于石墨烯材料的高载流子迁移率，有效的提高了器件的响应速度。同时，纳米薄膜被不锈钢端盖和封装外壳包裹着，纳米孔内也填充有惰性气体，可以有效的降低了周围环境中的干扰因素，从而提升了器件的稳定性，可应用于及其恶劣的高压测试环境，是十分理想的高压压力传感器。附图说明图1为本技术外部结构示意图；图2为本技术内部结构示意图；图3为本技术纳米孔为阵列设置时的示意图；图4为本技术基板、衬底和压力检测单元结构示意图；图5为本技术基板、衬底和压力检测单元俯视结构示意图；图6为本技术基板仰视结构示意图；图7为本技术压力检测单元结构示意图；图8为本技术压力检测单元俯视结构示意图；图9为本技术纳米薄膜截面结构示意图；图中所示，附图标记清单如下：1、纳米薄膜；2、不锈钢端盖；3、圆孔；4、纳米孔；5、6、30、31金属电极；7、8、26、27互连引线；9、10、28、29互连凸点；11、12、22、23互连焊盘；13、14、36、37引线柱；15、16、38、39外部互连电极；17、衬底；18、基板；19、封装外壳；20、惰性气体密封腔；24、25布线；32、阻挡层；33、上层氮化硼层；34、中层石墨烯层；35、下层氮化硼层。具体实施方式下面详细描述本技术的实施例，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，仅用于解释本技术，而不能理解为对本技术的限制。在本技术的描述中，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技术的限制。另外，本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，或一体本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于纳米孔的石墨烯高压压力传感器，可长期稳定工作在400MPa的高压且响应时间低于1μs，其特征在于，所述传感器包括：/n封装外壳(19)，以及设置在所述封装外壳(19)顶端的不锈钢端盖(2)和设置在封装外壳(19)内部底端的基板(18)，所述不锈钢端盖(2)上设置有多个圆孔(3)，/n所述基板(18)上设置有衬底(17)，所述衬底(17)中心设置有纳米孔(4)；/n压力检测单元，所述压力检测单元设置在所述衬底(17)上；/n互连组件，所述互连组件设置在所述压力检测单元两侧，所述互连组件一端与所述压力检测单元连接，所述互连组件另一端与外部连接导出压力检测单元的电学响应。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于纳米孔的石墨烯高压压力传感器，可长期稳定工作在400MPa的高压且响应时间低于1μs，其特征在于，所述传感器包括：
封装外壳(19)，以及设置在所述封装外壳(19)顶端的不锈钢端盖(2)和设置在封装外壳(19)内部底端的基板(18)，所述不锈钢端盖(2)上设置有多个圆孔(3)，
所述基板(18)上设置有衬底(17)，所述衬底(17)中心设置有纳米孔(4)；
压力检测单元，所述压力检测单元设置在所述衬底(17)上；
互连组件，所述互连组件设置在所述压力检测单元两侧，所述互连组件一端与所述压力检测单元连接，所述互连组件另一端与外部连接导出压力检测单元的电学响应。


2.根据权利要求1所述的基于纳米孔的石墨烯高压压力传感器，其特征在于，所述压力检测单元包括：纳米薄膜(1)和金属电极(5、6、30、31)，所述纳米薄膜(1)设置在所述衬底(17)上表面并覆盖在所述纳米孔(4)上，所述金属电极(5、6、30、31)分别设置在靠近所述纳米薄膜(1)的边角处，所述纳米薄膜(1)两侧分别设置有一布线(24、25)，所述金属电极(5、6、30、31)通过对应侧的布线(24、25)与所述纳米薄膜(1)的两侧连接，所述衬底(17)上的纳米孔(4)、基板(18)与所述纳米薄膜(1)共同组成了一个惰性气体密封腔(20)，所述惰性气体密封腔(20)内填充有惰性气。


3.根据权利要求2所述的基于纳米孔的石墨烯高压压力传感器，其特征在于，所述纳米薄膜(1)由上层氮化硼层(33)、中层石墨烯层(34)、下层氮化硼层(35)组成，所述上层氮化硼层(33)、中层石墨烯层(34)、下层氮化硼层(35)由上至下顺次设置，所述纳米薄膜(1)的中层石墨烯层(34)两侧分别覆盖在相应侧的布线(24...

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