一种石墨烯风速风向传感器的制作方法

本发明涉及一种石墨烯风速风向传感器，属流体测量的技术领域。

背景技术：

到目前为止，人们根据光学、力学以及热力学等领域的研究成果开发了很多测量流体、流场的传感器，比如有早期的比托管和风速计，后来的热线热膜风速仪(hwa),以及近期出现的激光流速计(ldv)等，比托管的结构简单，使用方便，坚实可靠，价格低廉，但是其测速的范围比较窄，一般用来测量旺盛湍流的平均流速，所以测量的速度一般比较快，仅能测量二维流场，不能敏感反向流动，不能测量湍流流动的流场分布；热线热膜风速仪能够实现连续测量，信噪比好，能够分离和测量三维流场，测量的范围比较大，而且能够测量微风速，其灵敏度非常高，被广泛地应用于各种领域，比如测模拟风洞的速度场，换热管肋片周围的速度场，内燃机的流动特性等。

热线风速仪测量风速的基本原理是热平衡原理，利用放置在流场中的具有加热电流的细金属丝来测量流场中的流速，空气的流动会带走金属丝的热量，从而产生电信号而获得风速，具体工作机理分为恒流式与恒温式，恒流式通过热线的电流保持不变，金属丝热量散失温度下降电阻率发生变化，从而两端的电压发生变化，由此测量风速；恒温式保持热线的温度保持不变，根据所施加的电流可度量流速。

热线式风速仪由于探测元件一般选择铂等金属丝的限制，导热系数较低，对风速的测量仍有一定的滞后性，无法实现对风速的即时测量，而且无法实现对风向的测量。

针对上述问题，本发明提出一种石墨烯风速风向传感器。利用石墨烯高达5300w/k·的导热系数和温敏效应，可即时反馈传感器周围环境由风速导致的温度变化，通过芯片阵列可测量对称区域由于风强迫对流而引起的温差，同时实现对风速风向的准确测量。

技术实现要素：

发明目的

本发明的目的就是针对背景技术的不足，设计一种石墨烯风速风向传感器，实现对风速风向即时准确的测量。

技术方案

本发明的主要结构由氮化硼/石墨烯/氮化硼纳米薄膜阵列、加热电阻、引线柱、基片、陶瓷基板、玻璃基座、封装外壳组成。

在玻璃基座83上设置陶瓷基板81，并由绝热胶82粘结牢固，在陶瓷基板81表面通过密封环79、80键合基片1，基片1下表面布置了氮化硼/石墨烯/氮化硼纳米薄膜阵列(2、3、4、110、111、112、113、114、115)，并通过复合电极(5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22)固定并实现电学连接，纳米薄膜(2、3、4、110、111、112、113、114、115)四周布置有加热电阻(23、24、25、26)，引线柱(84、85、86、87、88、89、90、91、92、93、94、95、96、97、98、99、100、101、102、103、104、105、106、107、108、109)与互连电极相连，贯穿陶瓷基板81和玻璃基座83连接外部电路，互连电极由互连凸点(27、28、29、30、31、32、33、34、35、36、37、38、39、40、41、42、43、44、45、46、47、48、49、50、51、52)与互连焊盘(53、54、55、56、57、58、59、60、61、62、63、64、65、66、67、68、69、70、71、72、73、74、75、76、77、78、79)键合构成，复合电极(5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22)通过布线与互连凸点(27、28、29、30、31、32、33、34、35、36、37、38、39、40、41、42、43、44)电学连接，加热电阻与互连凸点(45、46、47、48、49、50、51、52)电学连接。

基片1下部布置了氮化硼/石墨烯/氮化硼纳米薄膜(2、3、4、110、111、112、113、114、115)阵列，由上下两层氮化硼层以及中间石墨烯层构成，器件中氮化硼的层数大于等于1；纳米薄膜(2、3、4、110、111、112、113、114、115)阵列四周布置有加热电阻(23、24、25、26)，四个方向上的加热电阻(23、24、25、26)用来对纳米薄膜(2、3、4、110、111、112、113、114、115)进行对称的加热。

陶瓷基板81通过密封环(79、80)键合基片1，基片1、陶瓷基板81、密封环(79、80)构成了一个密封的无氧腔，隔绝了纳米薄膜与外界的直接接触，玻璃基座83与陶瓷基板81由绝热胶82连接，将器件固定。

复合电极(5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22)分别布置在石墨烯薄膜两侧，用于导出氮化硼/石墨烯/氮化硼纳米薄膜中的电学响应，引线柱(84、85、86、87、88、89、90、91、92、93、94、95、96、97、98、99、100、101)用于传递氮化硼/石墨烯/氮化硼纳米薄膜(2、3、4、110、111、112、113、114、115)对温度信号的电学响应，引线柱(102、103、104、105、106、107、108、109)分别连接加热电阻(23、24、25、26)，为其提供电流。

加热电阻(23、24、25、26)加热的方式为恒流式，布置于纳米薄膜(2、3、4、110、111、112、113、114、115)阵列四周，对其进行对称加热。

浸润层(117、118、119、120、121、122、123、124、125、126、127、128、129、130、131、132、133、134)，分别连接复合电极(5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22)，密封环(79、80)与基片1，加大粘合力。封装外壳116用以隔绝外部环境，支撑、保护内部表头结构。

有益效果

本发明与背景技术相比具有明显的先进性，利用石墨烯高达5300w/k·的导热系数和温敏效应，提出将石墨烯应用于风速风向传感器，石墨烯被氮化硼纳米薄膜夹在中间，有效的消除了周围环境中的干扰因素，提升了器件的可靠性，石墨烯可即时反馈传感器周围环境由风速导致的温度变化，可测量芯片上对称区域由于风强迫对流而引起的温差，使器件同时实现对风速风向的即时准确测量。

附图说明

图1为本发明实施例的立体示意图；

图2为本发明实施例的整体结构剖面示意图；

图3为本发明实施例的芯片结构立体示意图；

图4为本发明实施例的芯片结构仰视图；

图5为本发明实施例的石墨烯敏感结构图；

图6为本发明实施例的石墨烯敏感结构俯视图；

图7为本发明实施例的石墨烯敏感结构截面图；

图8为本发明实施例的石墨烯敏感结构与电极连接处的截面图。

图中所示，附图标记清单如下：

1、基片；2、纳米薄膜；3、纳米薄膜；4、纳米薄膜；5、复合电极；6、复合电极；7、复合电极；8、复合电极；9、复合电极；10、复合电极；11、复合电极；12、复合电极；13、复合电极；14、复合电极；15、复合电极；16、复合电极；17、复合电极；18、复合电极；19、复合电极；20、复合电极；21、复合电极；22、复合电极；23、加热电阻；24、加热电阻；25、加热电阻；26、加热电阻；27、互连凸点；28、互连凸点；29、互连凸点；30、互连凸点；31、互连凸点；32、互连凸点；33、互连凸点；34、互连凸点；35、互连凸点；36、互连凸点；37、互连凸点；38、互连凸点；39、互连凸点；40、互连凸点；41、互连凸点；42、互连凸点；43、互连凸点；44、互连凸点；45、互连凸点；46、互连凸点；47、互连凸点；48、互连凸点；49、互连凸点；50、互连凸点；51、互连凸点；52、互连凸点；53、互连焊盘；54、互连焊盘；55、互连焊盘；56、互连焊盘；57、互连焊盘；58、互连焊盘；59、互连焊盘；60、互连焊盘；61、互连焊盘；62、互连焊盘；63、互连焊盘；64、互连焊盘；65、互连焊盘；66、互连焊盘；67、互连焊盘；68、互连焊盘；69、互连焊盘；70、互连焊盘；71、互连焊盘；72、互连焊盘；73、互连焊盘；74、互连焊盘；75、互连焊盘；76、互连焊盘；77、互连焊盘；78、互连焊盘；79、密封环；80、密封环；81、陶瓷基板；82、绝热胶；83、玻璃基座；84、引线柱；85、引线柱；86、引线柱；87、引线柱；88、引线柱；89、引线柱；90、引线柱；91、引线柱；92、引线柱；93、引线柱；94、引线柱；95、引线柱；96、引线柱；97、引线柱；98、引线柱；99、引线柱；100、引线柱；101、引线柱；102、引线柱；103、引线柱；104、引线柱；105、引线柱；106、引线柱；107、引线柱；108、引线柱；109、引线柱；110、纳米薄膜；111、纳米薄膜；112、纳米薄膜；113、纳米薄膜；114、纳米薄膜；115、纳米薄膜；116、封装外壳；117、浸润层；118、浸润层；119、浸润层；120、浸润层；121、浸润层；122、浸润层；123、浸润层；124、浸润层；125、浸润层；126、浸润层；127、浸润层；128、浸润层；129、浸润层；130、浸润层；131、浸润层；132、浸润层；133、浸润层；134、浸润层；135、石墨烯；136、石墨烯；137、石墨烯；138、石墨烯；139、石墨烯；140、石墨烯；141、石墨烯；142、石墨烯；143、石墨烯；144、上层氮化硼；145、上层氮化硼；146、上层氮化硼；147、上层氮化硼；148、上层氮化硼；149、上层氮化硼；150、上层氮化硼；151、上层氮化硼；152、上层氮化硼；153、底层氮化硼；154、底层氮化硼；155、底层氮化硼；156、底层氮化硼；157、底层氮化硼；158、底层氮化硼；159、底层氮化硼；160、底层氮化硼；161、底层氮化硼；162、外部互连电极；163、外部互连电极；164、外部互连电极；165、外部互连电极；166、外部互连电极；167、外部互连电极；168、外部互连电极；169、外部互连电极；170、外部互连电极；171、外部互连电极；172、外部互连电极；173、外部互连电极；174、外部互连电极；175、外部互连电极；176、外部互连电极；177、外部互连电极；178、外部互连电极；179、外部互连电极；180、外部互连电极；181、外部互连电极；182、外部互连电极；183、外部互连电极；184、外部互连电极；185、外部互连电极；186、外部互连电极；187、外部互连电极。

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。

发明原理是：

该传感器由加热元件和测温元件组成，加热电阻在测温元件的反馈下通以恒流产生一定的温度分布，在没有空气流体流动的情况下使纳米薄膜和基片的温度高于周围环境15℃左右，测温元件为氮化硼/石墨烯/氮化硼纳米薄膜阵列，随着风速的增加，器件向风中传递的热量增加，从而引起纳米薄膜温度下降，石墨烯的电阻率发生变化，信号输出后通过后端电路的处理即可得到风速的大小；

风的上游和下游会对传感器表面产生不均匀的冷却，从而在芯片表面产生温度梯度，在风向上的温度差值是最大的，通过收集数据和一个分段处理的算法，使得传感器能够360°敏感，实现对风向的测量。

以下结合附图对本发明做进一步说明：

如图1所示，为本发明第一实施例提出的一种石墨烯风速风向传感器的外观立体示意图，所述传感器包括一个封装外壳116，所述封装外壳116整体可以为圆柱形、正方体、长方体等，并不做具体限制，在附图1中仅示出了圆柱体结构；

所述封装外壳116上部内侧设置有基片1，封装外壳116及基片1共同界定一个内部检测空间，本发明提出的检测单元设置在所述内部检测空间内。

如图2所示，为本发明第一实施例提出的一种石墨烯风速风向传感器的整体结构截面图，所述内部检测空间底侧提供有一个玻璃基座83，所述玻璃基座83外周侧与所述壳体116内侧面相互接设，所述玻璃基座83为所述内部检测空间的下侧面。

所述检测单元置于所述内部检测空间内，并具体设置在所述基片1面向所述内部检测空间的一侧，所述检测单元包括检测阵列，所述检测阵列包括多个检测子单元，所述检测子单元呈阵列式排布，在横向及纵向上的数量相同，并呈均匀分布在所述检测空间内，并横向及纵向的之间间距均相同；

所述检测子单元为氮化硼/石墨烯/氮化硼纳米薄膜(2、3、4、110、111、112、113、114、115)，所述检测单元还包括连接检测子单元的复合电极(5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22)；基片1下侧面布置有所述氮化硼/石墨烯/氮化硼纳米薄膜(2、3、4、110、111、112、113、114、115)阵列，纳米薄膜(2、3、4、110、111、112、113、114、115)阵列横向及纵向所构成的四周布置有加热电阻(23、24、25、26)，四个方向上的加热电阻(23、24、25、26)用来对纳米薄膜(2、3、4、110、111、112、113、114、115)阵列进行对称的加热，基片1与被测的风流体进行热量的交换和防护纳米薄膜。

在所述陶瓷底座83面向内部监测空间的一侧设置有陶瓷基板81，所述基片1与所述陶瓷基板81通过密封环79、80键合，形成无氧腔体，腔体内可填充惰性气体，为纳米薄膜(2、3、4、110、111、112、113、114、115)阵列提供无氧防护，陶瓷基板81通过绝热胶82粘贴在玻璃基座83上，隔绝了热量向下的传递。

如图3、4所示，为本发明第一实施例的芯片整体结构与仰视图，所述复合电极(5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22)分别连接纳米薄膜(2、3、4、110、111、112、113、114、115)的两端，用于导出纳米薄膜(2、3、4、110、111、112、113、114、115)中的电学响应。具体方式为引线柱(84、85、86、87、88、89、90、91、92、93、94、95、96、97、98、99、100、101、102、103、104、105、106、107、108、109)与互连电极相连，贯穿陶瓷基板81和玻璃基座83通过外部互连电极(162、163、165、166、167、168、169、170、171、172、173、174、175、176、177、178、179、180、181、182、183、184、185、186、187)连接外部电路，互连电极由互连凸点(27、28、29、30、31、32、33、34、35、36、37、38、39、40、41、42、43、44、45、46、47、48、49、50、51、52)与互连焊盘(53、54、55、56、57、58、59、60、61、62、63、64、65、66、67、68、69、70、71、72、73、74、75、76、77、78、79)键合构成，复合电极(5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22)通过布线与互连凸点(27、28、29、30、31、32、33、34、35、36、37、38、39、40、41、42、43、44)电学连接，加热电阻与互连凸点(45、46、47、48、49、50、51、52)电学连接。

如图5所示，为传感器感应风速风向的原理图，该传感器由加热元件和测温元件组成，加热电阻通以恒流产生一定的温度分布，测温元件为氮化硼/石墨烯/氮化硼纳米薄膜阵列，随着风速的增加，器件向风中传递的热量增加，从而引起纳米薄膜温度下降，石墨烯的电阻率发生变化，信号输出后通过后端电路的数据处理即可得到风速的大小，石墨烯阵列还可以减小误差。

风的上游和下游会对传感器表面产生不均匀的冷却，从而在芯片表面产生温度梯度，而该温度梯度在风向上的温度差值是最大的，通过纳米薄膜阵列的检测、数据收集和一个分段处理的算法，就可以确定风向，使得传感器能够360°敏感。

如图6、7、8所示，在所述所述复合电极(5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22)、密封环(79、80)与基片1之间均相应的设置有浸润层(117、118、119、120、121、122、123、124、125、126、127、128、129、130、131、132、133、134)，加强粘合力。

如图8所示，所述氮化硼/石墨烯/氮化硼纳米薄膜(2、3、4、110、111、112、113、114、115)由上层氮化硼层(144、145、146、147、148、149、150、151、152)、下层氮化硼层(153、154、155、156、157、158、159、160、161)及夹在其中的石墨烯层(135、136、137、138、139、140、141、142、143)组成，在其它实施例中，所述上层氮化硼(144、145、146、147、148、149、150、151、152)、下层氮化硼(153、154、155、156、157、158、159、160、161)的层数大于等于1，石墨烯29为单层结构，所述上层氮化硼(144、145、146、147、148、149、150、151、152)及石墨烯层(135、136、137、138、139、140、141、142、143)贴覆在所述复合电极(5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22)的上侧面，所述下层氮化硼层(153、154、155、156、157、158、159、160、161)两端与所述浸润层(117、118、119、120、121、122、123、124、125、126、127、128、129、130、131、132、133、134)相互接触。

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。