一种高温石墨烯压力/温度一体化传感器制造技术

一种高温石墨烯压力/温度一体化传感器，可以在温度1200℃、压力3MPa的环境下正常工作，所述传感器包括：一个封装外壳；陶瓷端盖，所述陶瓷端盖，设置在所述封装外壳顶部，所述陶瓷端盖上设置有多个通孔形成多孔结构；基板，所述基板设置在所述封装外壳内侧的底部；检测组件，所述检测组件设置在所述基板上用于检测压力和温度。本实用新型专利技术在原有温度和压力传感器基础上，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，大大的提高了温度传感器的测温区间，并且由于石墨烯材料的高热导率，有效的提高了器件的响应速度。温度对压力的原位补偿使得压力信号精确度更高。

【技术实现步骤摘要】
一种高温石墨烯压力/温度一体化传感器
本技术涉及高温压力和温度测试
，具体涉及一种高温石墨烯压力/温度一体化传感器。
技术介绍
人类生活水平的提高，促进了科学技术的不断发展。现如今，在众多领域中，对于压力、温度的监测要求日益增大，尤其对于长时间高温恶劣环境下的测量是目前面临的重要问题之一。目前应用较为广泛的压力传感器包括陶瓷压力传感器、不锈钢压力传感器以及MEMS压力传感器。陶瓷压力传感器在汽车、工业等领域具有广泛的应用；不锈钢压力传感器适合矿井、船舶等各种恶劣工况；MEMS压力传感器中,膜片封装的应用最广泛,是工业压力传感器的主要类型。陶瓷是一种公认的高弹性、抗腐蚀、抗磨损、抗冲击和振动的材料，基于陶瓷材料制作的压力传感器具有较好的稳定性、抗腐蚀性，能够在-40℃～125℃的环境下稳定工作；应用最广泛的陶瓷压阻式压力传感器为凹膜型,主要得益于其较为简单的制作工艺和成本。但是凹膜型压力传感无过载保护机制,由于陶瓷为脆性材料,极端过压情况下可能出现感压膜爆破,导致介质泄露,虽然这种失效模式失效率很低,但是严重度等级很高,在一些可靠性要求高的场合无法使用。申请号为：201810225706.6的技术专利申请中公开了一种陶瓷MEMS压力传感器，采用了陶瓷作为骨架的密封结构，解决了输出信号偏小、稳定性差及精度偏低等问题，具有测量精度高、稳定性好等优点。不锈钢压力传感器采用机加工成型的带有弹性膜片的不锈钢弹性基体作为基座,其上制作有应变结构,通过测量不锈钢弹性膜的应变实现压力测量。由于金属结构基于机加工工艺,可以采用焊接工艺组装,不存在胶黏、老化、泄露等问题,可靠性高,能够应用于工况环境恶劣、量程较大的领域。申请号为201810609758.3的技术专利申请中工公开了一种基于不锈钢基覆康铜箔板的制备工艺的压力传感器，具有很低的形变性、较高热导率及绝缘强度，康铜箔光面与不锈钢基板10有很高的粘接强度，很高的耐热应力等优点。MEMS压力传感器是一种基于MEMS压力芯片的高精度压力传感器。当前，应用较多的MEMS芯片主要有硅杯型MEMS压力芯片和Cavity-SOI型压力芯片，硅杯型MEMS压力芯片通过湿法腐蚀工艺对硅衬底进行背腔腐蚀得到弹性膜,并在弹性膜的正面通过扩散工艺制作压敏电阻,并将硅衬底通过硅-玻璃阳极键合或硅-硅键合工艺键合在基片上，从而形成绝压或相对压力芯片。硅-玻璃型MEMS压力芯片采用玻璃基片，由于玻璃与不锈钢等材料的热匹配性较好,在工业等高精度领域有广泛应用。Cavity-SOI型压力芯片直接在Cavity-SOI基片上进行压阻制作,由于压阻与硅衬底之间有SiO2绝缘层,高温时压阻漏电流较小,有较好的高温稳定性,但成本较高。由于MEMS压力芯片本身十分脆弱,无法直接进行压力测量,需要进行封装间接测量介质压力以保障可靠性。随着航空航天动力装置燃烧温度不断提升，在高速高温气流与狭小空间条件下进行较高温度测量，逐渐引起人们的重视。在航空发动机涡轮、燃烧室等高温部件试验以及高超飞行器表面热力学分析等研究中，准确测量高温零件的表面温度是必要的，适应这种复杂测量条件薄膜测温技术得到了不断发展。薄膜式温度传感器随着薄膜技术的成熟而发展起来的一种新型传感器，具有体积小、热动态响应时间短、灵敏度高、便于集成等特点。它可以取代传统的温度传感器，更适用于物体表面快速和小间隙场所的温度测量。随着新科技新工艺的发现，多学科的交叉融合，传感器的发展迅猛。传感器的发展朝着微型化、高稳定性、高精度化方向发展。为了解决复杂的测量，多功能传感器应运而生。由于石墨烯具有优良的电学、热学、力学和化学性能，可稳定存在于3000℃的高温无氧环境中，是良好的纳米传感器材料。本技术所述的高温石墨烯压力/温度一体化传感器与传统压力、温度传感器相比可用于高温恶劣环境下压力、温度测量。利用石墨烯材料代替金属材料和其它半导体材料，实现在恶劣高温环境下的温度测量。
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，设计了一种高温石墨烯压力/温度一体化传感器。将石墨烯力敏元件和温敏元件置于同一温区，当温度作用于石墨烯材料，石墨烯受电声子耦合的影响，电阻率随之改变，电阻也改变，然后通过外部检测电路检测石墨烯薄膜2电导率的变化来实现对温度的测量。在压力作用下，温敏元件采用无腔室结构来减小外部压力的影响，获得单一的温度参量。而力敏元件受外界温度影响时，因为存在微腔结构，热应力对石墨烯的影响较大，石墨烯受热应力的影响电阻增大，且增大趋势大于石墨烯电声子耦合影响减小的趋势，利用测得的温度参量对力敏元件输出进行解耦，得到单一的压力输出参量。一种高温石墨烯压力/温度一体化传感器，可以在温度1200℃、压力3MPa的环境下正常工作，所述传感器包括：一个封装外壳；陶瓷端盖，所述陶瓷端盖，设置在所述封装外壳顶部，所述陶瓷端盖上设置有多个通孔形成多孔结构；基板，所述基板设置在所述封装外壳内侧的底部；检测组件，所述检测组件设置在所述基板上用于检测压力和温度。可选地，所述检测组件包括：第一衬底、第二衬底、金属键合层、力敏纳米薄膜、温敏纳米薄膜、氧化铝薄膜以及内部互连电极；所述第一衬底和所述第二衬底分别通过金属键合层设置在所述基板上，所述第一衬底和所述第二衬底之间具有间隙，所述力敏纳米薄膜设置在所述间隙上方，所述力敏纳米薄膜一端设置在所述第一衬底上，所述力敏纳米薄膜另一端设置在所述第二衬底上，所述温敏纳米薄膜设置在所述第二衬底上，内部互连电极分别设置在所述力敏纳米薄膜和温敏纳米薄膜两侧，用于导出力敏纳米薄膜和温敏纳米薄膜的电学响应。可选地，所述氧化铝薄膜分别覆盖在所述力敏纳米薄膜、温敏纳米薄膜上，所述氧化铝薄膜还分别覆盖在所述第一衬底和所述第二衬底外表面。可选地，所述力敏纳米薄膜和温敏纳米薄膜均由上层氮化硼薄膜、石墨烯薄膜和下层氮化硼薄膜组成，所述上层氮化硼薄膜、石墨烯薄膜和下层氮化硼薄膜从上之下顺次排布设置，内部互连电极分别设置在所述石墨烯薄膜的端部，所述石墨烯薄膜端部贴覆在所述内部互连电极的下表面。可选地，所述力敏纳米薄膜和温敏纳米薄膜的端部还设置有阻挡层，所述阻挡层将内部互连电极的包覆在内与第一衬底及第二衬底隔离开。可选地，所述高温石墨烯压力/温度一体化传感器还包括互连组件，所述互连组件包括：互连引线、互连焊盘、互连凸点、引线柱和外部互连电极；所述引线柱穿过所述封装外壳的底部，所述互连焊盘设置在所述引线柱位于封装外壳内部的一端，所述外部互连电极设置在所述引线柱位于封装外壳外部的一端，所述互连焊盘上设置所述互连凸点，所述内部互连电极通过所述互连引线与互连焊盘上的互连凸点连接。本技术与
技术介绍
相比具有明显的先进性，器件在原有温度和压力传感器基础上，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，大大的提高了温度传感器的测温区间，并且由于石墨烯材料的高热导率，有效的提本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高温石墨烯压力/温度一体化传感器，可以在温度1200℃、压力3MPa的环境下正常工作，其特征在于，所述传感器包括：/n一个封装外壳(13)；/n陶瓷端盖(30)，所述陶瓷端盖(30)，设置在所述封装外壳(13)顶部，所述陶瓷端盖(30)上设置有多个通孔(31)形成多孔结构；/n基板(10)，所述基板(10)设置在所述封装外壳(13)内侧的底部；/n检测组件，所述检测组件设置在所述基板(10)上用于检测压力和温度。/n

【技术特征摘要】
1.一种高温石墨烯压力/温度一体化传感器，可以在温度1200℃、压力3MPa的环境下正常工作，其特征在于，所述传感器包括：
一个封装外壳(13)；
陶瓷端盖(30)，所述陶瓷端盖(30)，设置在所述封装外壳(13)顶部，所述陶瓷端盖(30)上设置有多个通孔(31)形成多孔结构；
基板(10)，所述基板(10)设置在所述封装外壳(13)内侧的底部；
检测组件，所述检测组件设置在所述基板(10)上用于检测压力和温度。


2.根据权利要求1所述的高温石墨烯压力/温度一体化传感器，其特征在于，所述检测组件包括：第一衬底(6)、第二衬底(16)、金属键合层(8、14)、力敏纳米薄膜(11)、温敏纳米薄膜(20)、氧化铝薄膜(5、7、15、17、32)以及内部互连电极(19、21、22、23)；
所述第一衬底(6)和所述第二衬底(16)分别通过金属键合层(8、14)设置在所述基板(10)上，所述第一衬底(6)和所述第二衬底(16)之间具有间隙，所述力敏纳米薄膜(11)设置在所述间隙上方，所述力敏纳米薄膜(11)一端设置在所述第一衬底(6)上，所述力敏纳米薄膜(11)另一端设置在所述第二衬底(16)上，所述温敏纳米薄膜(20)设置在所述第二衬底(16)上，内部互连电极(19、21、22、23)分别设置在所述力敏纳米薄膜(11)和温敏纳米薄膜(20)两侧，用于导出力敏纳米薄膜(11)和温敏纳米薄膜(20)的电学响应。


3.根据权利要求2所述的高温石墨烯压力/温度一体化传感器，其特征在于，所述氧化铝薄膜(5、7、15、17、32)分别覆盖在所述力敏纳米薄膜(11)、温敏纳米薄膜(20)上，所述氧化铝薄膜(5、7、15、17、32...

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