[实用新型]一种基于石墨烯压阻结的压力传感器

说明书

技术领域

本实用新型属于高温压力测量的技术领域，具体涉及一种基于石墨烯压阻结的压力传感器。

背景技术

高温压力传感器主要用于对火箭发动机、航空发动机、重型燃气轮机的喷嘴燃烧室、压气机、叶片等高温关键部位进行实时监测，提高燃烧性能、推进效率，在测试控制领域中扮演极为重要的角色。

目前MEMS高温压力传感器敏感方式主要分为压阻式和电容式。多数压阻式高温压力传感器利用硅压敏电阻结实现压力测量，虽然SIMOX技术、Al₂O₃衬底隔离等方法可提升使用温度，但硅压敏电阻本身耐温太低，超过120℃时漏电流加剧，致使传感器性能下降甚至失效，这是这类器件继续发展的瓶颈。SiC高温压力传感器是近年来的研究重点，制备过程需进行高能离子注入等工艺，所引入的损伤大、缺陷多，始终存在高温下非线性温漂严重，可重复性差的问题。电容式高温压力传感器的突出优势是精度高，但缺陷也十分明显，高温下电容梳齿的材料改性、膨胀变形等问题会直接降低器件性能甚至失效。

本实用新型提出一种基于石墨烯压阻结的新型高温压力传感器，在原有硅结构的基础上，利用石墨烯压阻结替代硅压敏电阻，提高高温压力传感器的高温稳定性，对石墨烯的研究是目前的研究热点，属前沿科学。据调研，文献Electromechanical Resonators from Graphene、Electromechanical Piezoresistive Sensing in Suspended Graphene Membranes等率先提出了石墨烯压力传感器，专利号：CN103378082和CN104359597A分别公布了石墨烯压力传感器，但上述器件均不耐高温，本实用新型提出的基于石墨烯压阻结的高温压力传感器可稳定工作于高温环境。实用新型人曾提出另一种基于石墨烯的高温压力传感器(专利号CN104155051)，但其采用无腔室结构，由于氮化硼/石墨烯异质结在压力作用下层间距的变化会引起石墨烯电导率发生改变，所以上述实用新型利用这一异质效应来敏感外部压力，而本实用新型采用压力腔，通过石墨烯的压阻效应敏感压力，所以本实用新型无论从器件结构还是作用机理均与之不同。

实验测试表明石墨烯可以稳定存在于3000℃的无氧高温环境中，氮化硼纳米陶瓷薄膜可工作于2800℃的无氧环境，两者均具有良好的耐高温特性，石墨烯压阻结的压阻效应是受压形变引起了能隙的变化，对高频力学信号具有极高灵敏度，同时可以避免类似Si PN结高温本征激发失效的现象，氮化硼具有与石墨烯相似的晶格结构，将石墨烯夹在两层氮化硼中，可以为石墨烯提供绝氧、隔绝杂质的保护和平整的介质层，此外基底碳化硅正常使用温度也可达1580℃，因此进行无氧环境封装后的石墨烯压阻结可以稳定工作于1000℃的恶劣环境。

利用石墨烯压阻结替代硅力敏电阻，实现高温环境下的压力测量，是目前最为前沿的科学技术，是世界科技界予以探索的技术领域。

实用新型内容

本实用新型的目的就是针对背景技术的不足，利用石墨烯压阻结代替硅压敏电阻结，设计一种基于石墨烯压阻结的压力传感器，以大幅度提高器件的高温区间。

本实用新型主要结构由基片、石墨烯压阻结、密封环、引线柱、陶瓷基座、封装外壳、复合电极组成；在陶瓷基座10表面通过密封环8、19设置基片1，通过无氧封装工艺，为纳米薄膜2、3提供无氧真空环境，基片1下表面设有两组石墨烯压阻结，位于膜片14边缘，所述石墨烯压阻结包括氮化硼/石墨烯/氮化硼纳米薄膜2、3及复合电极4、5、6、7，复合电极4、5、6、7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，用于传递压阻结对压力信号的电学响应，互连电极由互连凸点(21、22、23、24)与互连焊盘(25、26、27、28)键合构成，封装外壳13与陶瓷基座10相连并粘结牢固，基片1封闭封装外壳13。

所述基片1为圆形，氮化硼/石墨烯/氮化硼纳米薄膜2、3由上下两层氮化硼以及中间石墨烯构成，基片1上部被刻蚀形成凹形，膜片14为凹形下侧基片1的一部分，两组压阻结位于膜片14边缘，与外部电阻连接成惠斯通电桥。

所述陶瓷基座10通过密封环8、19与基片1相连接，通过无氧封装工艺，为纳米膜2、3提供无氧真空环境，腔内可填充惰性、热膨胀系数较小的气体调整真空度满足不同的测试环境。