一种十字梁结构石墨烯高温压力传感器的制作方法

本发明涉及高温高压测试技术领域，具体涉及一种十字梁结构石墨烯高温压力传感器。

背景技术：

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。本发明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。

技术实现要素：

本发明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，本发明提供如下技术方案：

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。

本发明的有益效果在于，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为本发明实施例的外部结构示意图；

图2为本发明实施例的截面结构示意图图；

图3为本发明实施例的纳米检测单元结构安装俯视图；

图4为本发明实施例的传压硅膜俯视图

图5为本发明实施例的传压硅膜仰视图

图6为本发明实施例的检测基片结构仰视图；

图7为本发明实施例的检测基片结构俯视图；

图8为本发明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

下面详细描述本发明的实施例，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，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，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发明和简化描述，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发明的限制。另外，本发明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。

在本发明的描述中，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本发明中的具体含义。

以下结合附图对本发明做进一步说明：

如图1、2所示，为本发明第一实施例的外观立体图，提供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37，所述封装外壳37整体为圆柱体，所述封装外壳37内部具有容纳空间，用于支撑、保护内部结构；

上端盖10，所述上端盖10设置在所述封装外壳37顶端，所述上端盖10上设置有一个圆通孔100，圆通孔100用于压力传递从而使压力传递到封装外壳37内部，所述上端盖10的材料可采用不锈钢；

陶瓷基座9，所述陶瓷基座9设置在封装外壳37内部底端，所述陶瓷基座9中部开设有安装槽，所述上端盖10、传压硅膜1、陶瓷基座9以及封装外壳37共同界定一个内部检测空间，为内部的元件提供支撑和保护；

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。

封装外壳37、上端盖10、陶瓷基座9、检测基片7、传压硅膜1之间采用纳米银连接层进行连接固定，具体的：

如图2、4所示，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，在本实施例中，所述第一纳米银连接层2沿所述圆通孔100外周侧设置。所述第一纳米银连接层2连接使得上端盖10与所述传压硅膜1固定连接在一起。

如图2、3、5所示，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，在本实施例中，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相互连接使得传压硅膜1底部与所述检测基片7固定连接在一起。

如图2、6所示，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，在本实施例中，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。所述第四纳米银连接层6连接使得检测基片7与所述陶瓷基座9固定连接在一起，为检测基片7提供牢固支撑。

如图2所示，所述陶瓷基座9外侧壁侧通过第五纳米银连接层(图中未示)与所述封装外壳37内侧面连接，使得陶瓷基座9与所述封装外壳37固定连接在一起。

通过采用纳米银连接层进行连接，极大提高了传感器整体的高温耐受性和可靠性，可选地，纳米银连接层采用焊接的方式将相邻的结构进行连接固定。

如图2、3、7、8所示，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。

如图2、3、7、8所示，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。

如图8所示，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还设置在所述金属电极11、12、37、38、56、57、74、75与检测基片7之间，所述下层氧化硅阻挡层30将纳米膜31、50、68、86和金属电极11、12、37、38、56、57、74、75与检测基片7隔离开。所述下层氧化硅阻挡层30作为浸润层和保护层将金属电极11、12、37、38、56、57、74、75和纳米膜31、50、68、86与检测基片7隔离开，阻止高温下原子的相互扩散。

如图8所示，所述上层氧化硅阻挡层49设置在所述金属电极11、12、37、38、56、57、74、75上表面，防止金属电极11、12、37、38、56、57、74、75与设置在检测基片7上的第三纳米银连接层3短路。

所述十字梁8与所述基片4的连接处为十字梁8上表面应力最大地方，该处设置纳米膜31、50、68、86可大大提高器件的灵敏度，由于有四个纳米膜31、50、68、86，极大提高了检测的准确性。

如图7、8所示，所述纳米膜31、50、68、86由上层氮化硼层32、51、69、87、中层石墨烯层33、52、70、88、下层氮化硼层34、53、71、89组成，所述上层氮化硼层32、51、69、87、中层石墨烯层33、52、70、88、下层氮化硼层34、53、71、89由上至下顺次设置，所述中层石墨烯层33、52、70、88为蛇形弯折的回折结构。所述中层石墨烯层33、52、70、88采用回折形结构的灵敏度较高，所述中层石墨烯层33、52、70、88回折条数不限于本实施例所示的个数，也可为其他个数并不做具体限定。在其它实施例中，所述上层氮化硼层32、51、69、87、下层氮化硼层34、53、71、89的层数大于等于1，中层石墨烯层33、52、70、88为单层结构。

如图8所示，所述压层金属35、36、54、55、72、73、90、91设置在所述上层氮化硼层32、51、69、87、中层石墨烯层33、52、70、88和下层氮化硼层34、53、71、89的一侧，所述压层金属35、36、54、55、72、73、90、91将所述上层氮化硼层32、51、69、87、中层石墨烯层33、52、70、88和下层氮化硼层34、53、71、89压紧在所述下层氧化硅阻挡层30上，用于提高纳米膜31、50、68、86的粘附力，避免因压力太大而使纳米膜31、50、68、86脱落，提高可靠性。

本发明中，压力通过传压硅膜1传递至检测基片的十字梁8上进而使纳米膜31、50、68、86的中层石墨烯层33、52、70、88感受外部压力变化。

如图2、3所示，所述互连组件包括：互连引线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和外部互连电极92、93、94、95、96、97、98、99。所述互连引线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和外部互连电极92、93、94、95、96、97、98、99顺次连接。所述陶瓷基座9上开设有安装所述引线柱28、29、47、48、66、67、84、85的安装孔，所述引线柱28、29、47、48、66、67、84、85设置在所述安装孔内，所述互连焊盘26、27、45、46、64、65、82、83设置在所述陶瓷基座9上并与所述引线柱28、29、47、48、66、67、84、85一端连接，所述互连引线16、17、41、42、60、61、78、79一端通过互连凸点14、15、39、40、58、59、76、77与金属电极11、12、37、38、56、57、74、75连接，所述互连引线16、17、41、42、60、61、78、79另一端通过互连凸点18、19、43、44、62、63、80、81与互连焊盘26、27、45、46、64、65、82、83连接；所述封装外壳37底部设置有容纳所述外部互连电极92、93、94、95、96、97、98、99的开口，所述外部互连电极92、93、94、95、96、97、98、99设置在所述陶瓷基座9底部并与所述引线柱28、29、47、48、66、67、84、85另一端连接，所述外部互连电极92、93、94、95、96、97、98、99连接外部检测电路。外部检测电路可以为现有技术中构成完整传感器结构的组件。

所述互连引线16、17、41、42、60、61、78、79可采用au丝引线键合形成，采用引线互连和引线柱的组合方式，极大提高传感器的高温耐受性，避免了铜tsv互连在高温下发生热失效，更有利于传感器在高温下工作。

本发明位于检测基片7十字梁8上的纳米膜31、50、68、86被传压硅膜1通过纳米银焊接连接，检测基片7背部与陶瓷基座通过纳米银焊料焊接，然后使用不锈钢进行封装，集成度高，可靠性高。

本发明中，所述检测基片7材料可选择si材料，陶瓷基座9可采用al2o3陶瓷材料，金属电极11、12、37、38、56、57、74、75以及外部互连电极可选择铜材料。

当外部压力作用于传感器上端盖上表面时，压力会通过上层上端盖的圆通孔传递到传压硅膜上表面，从而使传压硅膜硅膜产生变形位移，通过硅膜背面中心的硅膜凸柱传递到检测基片的十字梁上，使得检测基片十字梁也发生变形，进而使得布置在十字梁上表面纳米膜的石墨烯层产生变形导致中层石墨烯电导率发生改变，通过检测石墨烯纳米膜的电导率变化即可测得外部施加的压力大小。

本发明的有益效果在于，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。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解，在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。