一种基于膜结构的石墨烯高温压力传感器制造技术

本发明专利技术属于高温压力测试技术领域，具体涉及一种基于膜结构的石墨烯高温压力传感器，包括封装外壳、上端盖、陶瓷基座、检测基片和互连组件，所述封装外壳的顶部设置有上端盖，所述封装外壳的内部设置有陶瓷基座，所述陶瓷基座中部开设有方形安装槽，所述检测基片设置在陶瓷基座的方形安装槽内，所述互连组件的一端与检测基片连接，所述互连组件的另一端与外部设备进行连接，从而将压力信号传递出来。本发明专利技术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；同时本发明专利技术极大提高了传感器的高温耐受性、气密性和可靠性，可以20MPa的高压环境下，700℃以上可以稳定工作。本发明专利技术用于压力的检测。

【技术实现步骤摘要】
一种基于膜结构的石墨烯高温压力传感器
本专利技术属于高温压力测试
，具体涉及一种基于膜结构的石墨烯高温压力传感器。
技术介绍
大多数压力测试都是在室温下进行，但是随着科学技术的发展，在高温恶劣的环境中测量压力变得越来越重要。压力参数的原位测试在食品、汽车发动机、石油勘探、化工和核电机组等领域中有着广泛的需求。基于微系统(MEMS)技术的硅基压阻式压力传感器性能优异、体积小且工艺成熟，采用P-N结隔离压敏电阻与衬底，在室温压力测试设备中有着广泛的应用。然而由于硅材料的半导体特性限制(工作温度超过125℃时P-N结会产生漏电流)，使得压力传感器工作性能降低甚至失效。此外，在高温环境中硅材料的塑性形变也会导致传感器不能满足上述应用领域中对高温环境下压力测试的要求。石墨烯是由排列成蜂窝晶格的单层碳原子组成的二维(2D)碳同素异形体。压力传感器是近年来最流行的微系统研究方向之一，是电子产品的关键组件。石墨烯作为一种先进的纳米材料，具有卓越的特性包括超高灵敏度、高电导率、出色的机械性能、柔韧性和高热导率，石墨烯是用于压力和应变测试应用最好的纳米材料之一。因此，进一步研究和开发基于石墨烯的应变和压力传感器至关重要。
技术实现思路
针对上述压力传感器在高温时工作性能降低甚至失效的技术问题，本专利技术提供了一种响应速度快、高温耐受性强、气密性好、可靠性高的基于膜结构的石墨烯高温压力传感器。为了解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案为：一种基于膜结构的石墨烯高温压力传感器，包括封装外壳、上端盖、陶瓷基座、检测基片和互连组件，所述封装外壳的顶部设置有上端盖，所述封装外壳的内部设置有陶瓷基座，所述陶瓷基座中部开设有方形安装槽，所述检测基片设置在陶瓷基座的方形安装槽内，所述互连组件的一端与检测基片连接，所述互连组件的另一端与外部设备进行连接，从而将压力信号传递出来。所述检测基片包括纳米薄膜、金属电极、硅膜片、下层氮化硅阻挡层和上层氮化硅阻挡层，所述纳米薄膜布置在硅膜片中心处的上表面，所述硅膜片设置在陶瓷基座的方形安装槽内，所述金属电极接设于纳米薄膜上，通过纳米薄膜感受外部压力变化，所述下层氮化硅阻挡层设置在下层氮化硅阻挡层与硅膜片之间，所述上层氮化硅阻挡层设置在纳米薄膜和金属电极的上表面。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引线柱的安装孔，所述引线柱设置在安装孔内，所述互连焊盘设置在陶瓷基座上，所述互连焊盘与引线柱一端连接，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外部互连电极的开口，所述外部互连电极设置在陶瓷基座底部，所述外部互连电极与引线柱另一端连接，所述外部互连电极连接有外部检测电路。所述检测基片与陶瓷基座之间设置有衬底，所述硅膜片与衬底之间通过Cu-Sn键合连接，所述硅膜片与衬底之间形成了密封空腔。所述纳米薄膜包括上层氮化硼层、中层石墨烯层和下层氮化硼层，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弯折的回折结构，所述上层氮化硼层和下层氮化硼层为方形结构，所述上层氮化硼层和下层氮化硼层的层数大于等于1，所述中层石墨烯层为单层结构。所述上端盖的材料采用不锈钢，所述上端盖设置有多个通孔，所述通孔为圆形、方形或矩形。所述检测基片与陶瓷基座通过纳米银焊料焊接，所述纳米银焊料设置在陶瓷基座底部的边缘处，所述陶瓷基座采用氯化铝陶瓷材料。所述金属电极与外部互连电极的材料均采用铜，所述互连引线采用Au丝引线键合形成。所述封装外壳与上端盖通过纳米银焊料焊接，所述陶瓷基板外周侧与封装外壳内侧面连接，所述封装外壳与陶瓷基座通过纳米银焊料焊接，所述封装外壳的底部连接有不锈钢底座，所述封装外壳与不锈钢底座通过纳米银焊料焊接。本专利技术与现有技术相比，具有的有益效果是：本专利技术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；同时本专利技术的封装外壳、上端盖、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20MPa的高压环境下，700℃以上可以稳定工作。附图说明图1为本专利技术的外部结构示意图；图2为本专利技术的整体结构截面图；图3为本专利技术检测基片的整体结构示意图；图4为本专利技术检测基片的内部结构示意图；图5为本专利技术纳米薄膜的结构示意图。其中：1为封装外壳，2为上端盖，3为陶瓷基座，4为检测基片，5为互连组件，6为衬底，7为不锈钢底座，21为通孔，41为纳米薄膜，42为金属电极，43为硅膜片，44为下层氮化硅阻挡层，45为上层氮化硅阻挡层，51为互连引线，52为互连焊盘，53为引线柱，55为互连凸点，46为密封空腔，411为上层氮化硼层，412为中层石墨烯层，413为下层氮化硼层。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。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。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专利技术中的具体含义。以下结合附图对本专利技术做进一步说明：一种基于膜结构的石墨烯高温压力传感器，如图1、图2所示，包括封装外壳1、上端盖2、陶瓷基座3、检测基片4和互连组件5，封装外壳1的顶部设置有上端盖2，封装外壳1的内部设置有陶瓷基座3，陶瓷基座3中部开设有方形安装槽，检测基片4设置在陶瓷基座3的方形安装槽内，互连组件5的一端与检测基片4连接，互连组件5的另一端与外部设备进行连接，从而将压力信号传递出来。进一步，如图3、图5所示，检测基片4包括纳米薄膜41、金属电极42、硅膜片43、下层氮化硅阻挡层44和上层氮化硅阻挡层45，纳米薄膜41布置在硅膜片43中心处的上表面，有利于传递硅膜片43的最大应变。硅膜片43设置在陶瓷基座3的方形安装槽内，金属电极42接设于纳米薄膜41上，用于导出纳米薄膜41中的电学信号，通过纳米薄膜41感受外部压力变化，下层氮化硅阻挡层44本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于膜结构的石墨烯高温压力传感器，其特征在于：包括封装外壳(1)、上端盖(2)、陶瓷基座(3)、检测基片(4)和互连组件(5)，所述封装外壳(1)的顶部设置有上端盖(2)，所述封装外壳(1)的内部设置有陶瓷基座(3)，所述陶瓷基座(3)中部开设有方形安装槽，所述检测基片(4)设置在陶瓷基座(3)的方形安装槽内，所述互连组件(5)的一端与检测基片(4)连接，所述互连组件(5)的另一端与外部设备进行连接，从而将压力信号传递出来。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于膜结构的石墨烯高温压力传感器，其特征在于：包括封装外壳(1)、上端盖(2)、陶瓷基座(3)、检测基片(4)和互连组件(5)，所述封装外壳(1)的顶部设置有上端盖(2)，所述封装外壳(1)的内部设置有陶瓷基座(3)，所述陶瓷基座(3)中部开设有方形安装槽，所述检测基片(4)设置在陶瓷基座(3)的方形安装槽内，所述互连组件(5)的一端与检测基片(4)连接，所述互连组件(5)的另一端与外部设备进行连接，从而将压力信号传递出来。


2.根据权利要求1所述的一种基于膜结构的石墨烯高温压力传感器，其特征在于：所述检测基片(4)包括纳米薄膜(41)、金属电极(42)、硅膜片(43)、下层氮化硅阻挡层(44)和上层氮化硅阻挡层(45)，所述纳米薄膜(41)布置在硅膜片(43)中心处的上表面，所述硅膜片(43)设置在陶瓷基座(3)的方形安装槽内，所述金属电极(42)接设于纳米薄膜(41)上，通过纳米薄膜(41)感受外部压力变化，所述下层氮化硅阻挡层(44)设置在下层氮化硅阻挡层(44)与硅膜片(43)之间，所述上层氮化硅阻挡层(45)设置在纳米薄膜(41)和金属电极(42)的上表面。


3.根据权利要求1所述的一种基于膜结构的石墨烯高温压力传感器，其特征在于：所述互连组件(5)包括互连引线(51)、互连焊盘(52)、引线柱(53)和外部互连电极，所述互连引线(51)、互连焊盘(52)、引线柱(53)和外部互连电极顺次连接，所述陶瓷基座(3)上开设有安装引线柱(53)的安装孔(31)，所述引线柱(53)设置在安装孔(31)内，所述互连焊盘(52)设置在陶瓷基座(3)上，所述互连焊盘(52)与引线柱(53)一端连接，所述互连引线(51)一端通过互连凸点(55)与金属电极(42)连接，所述互连引线(51)另一端通过互连凸点(55)与互连焊盘(52)连接；所述封装外壳(1)底部设置有容纳外部互连电极的开口，所述外部互连电极设置在陶瓷基座(3)底部，所述外部互连电极与引线柱(53)另一端连接，所述外部互连电极连接有外部检测电路。


4.根据权利要求2...

【专利技术属性】
技术研发人员：王俊强，黄佳维，毛喜玲，李孟委，
申请(专利权)人：中北大学南通智能光机电研究院，中北大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32