一种薄膜结构石墨烯高温温度传感器的制作方法

本发明涉及高温测试技术领域，具体涉及一种薄膜结构石墨烯高温温度传感器。

背景技术：

由于航空航天发动机、重型燃气轮机、火力发电站及冶炼炉等设备中某些部件长时间工作于高温恶劣环境下，因而需要用温度传感器对这些高温部件的温度参数进行实时监测，从而准确评估设备的健康状况，提高设备运行寿命，保证安全可靠运行。

由于石墨烯在无氧环境下可耐3000℃的高温，且石墨烯热导率高达5300w/(m·k)，故采用石墨烯薄膜制备的传感器对温度的响应时间极短。由于al2o3可承受1500℃以上的高温，衬底材料α-al2o3熔点可达2030℃，因此采用al2o3薄膜和α-al2o3衬底对石墨烯无氧封装后可在1500℃以上的环境中稳定工作。

目前金属薄膜高温温度传感器测温范围0～1300℃、精度高且性能稳定；但其热惯性大、响应时间长。如上海航空测控技术研究所开发的某型用于航空发动机涡轮叶片的薄膜高温温度传感器最高测量温度为1100℃[发明号：cn109338290a]，陕西电器研究所开发的某型用于飞行器快速响应薄膜温度传感器测温上限为1200℃，响应时间小于50ms[发明号：cn104748876a]。

利用石墨烯材料开发一种快响应、体积小、高性能耐高温薄膜温度传感器是目前急需解决的一项科学技术。本发明所述的薄膜结构石墨烯高温温度传感器与金属薄膜高温温度传感器相比，石墨烯高温温度传感器可用于1500℃的高温且响应时间低至10ms。

技术实现要素：

为了有效解决上述背景技术问题的不足，本发明利用石墨烯代替金属和其它半导体材料，设计了一种薄膜结构石墨烯高温温度传感器。具有石墨烯层的检测纳米薄膜受温度影响电学特性发生改变，具体是温度改变了石墨烯层的电导率，然后通过外部检测电路检测检测纳米薄膜电导率的变化来实现对温度的测量。

一种薄膜结构石墨烯高温温度传感器，可以长期稳定工作在1500℃的高温，所述传感器包括：

封装外壳，以及设置在所述封装外壳顶端的陶瓷端盖和设置在封装外壳内部底端的陶瓷基板，所述陶瓷端盖上设置有多个通孔；

检测单元，所述检测单元设置在由所述陶瓷端盖、陶瓷基板以及封装外壳共同界定的内部检测空间内并位于所述陶瓷基板上；

互连组件，所述互连组件设置在所述检测单元两侧，所述互连组件一端与所述检测单元连接，所述互连组件另一端与外部连接导出检测单元中的电学响应。

可选地，所述检测单元设置在所述陶瓷基板上面向内部检测空间的一侧，所述检测单元包括：检测纳米薄膜、金属电极、氧化铝纳米薄膜、衬底和阻挡层，所述衬底设置在所述陶瓷基板上，所述检测纳米薄膜设置在所述衬底上表面，所述氧化铝纳米薄膜覆盖在所述检测纳米薄膜上表面，所述金属电极设置在所述检测纳米薄膜两侧并与所述检测纳米薄膜连接，所述阻挡层设置在所述金属电极与衬底之间。

可选地，所述检测纳米薄膜由上层氮化硼层、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结构或圆盘形弯折结构。

可选地，所述金属电极由复合电极，布线和内部互连电极组成，所述复合电极通过布线与内部互连电极连接，所述复合电极分别与所述中层石墨烯层的两个相对的端部连接，所述互连电极与互连组件连接，用于导出检测纳米薄膜中的电学响应。

可选地，所述阻挡层设置在所述复合电极，布线和内部互连电极底部。

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。

可选地，所述陶瓷基板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板上并与所述引线柱一端连接，所述互连焊盘上设置有互连凸点，所述互连引线一端与所述互连焊盘上的互连凸点连接，所述互连引线另一端与所述内部互连电极连接，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板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组件。

本发明的有益效果在于，器件在原有电阻式温度传感器基础上，利用包含石墨烯层的检测纳米薄膜替代其它金属材料或者半导体材料，大大的提高了电阻式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。同时，检测纳米薄膜被氧化铝纳米薄膜和衬底包裹着，有效的消除了周围环境中的干扰因素，且氧化铝纳米薄膜隔绝了检测纳米薄膜与外界的直接接触，从而提升了器件的耐高温能力以及稳定性，可应用于及其恶劣的高温测试环境，是十分理想的高温温度传感器，器件可以长期稳定工作在1500℃的高温且响应时间低至10ms，并且适用于各种高温测试环境，具有很高的实用价值。

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为本发明实施例的检测单元结构俯视图；

图4为本发明实施例的检测纳米薄膜与金属电极结构示意图；

图5为本发明实施例的检测纳米薄膜与金属电极俯视结构示意图；

图6为本发明实施例的检测纳米薄膜截面结构示意图；

图7为本发明实施例的中层石墨烯层与金属电极俯视结构示意图；

图中所示，附图标记清单如下：

检测纳米薄膜-1；通孔-2；氧化铝纳米薄膜-3；复合电极-4、8；布线-5、9；内部互连电极-6、10；陶瓷端盖-7；互连引线-11、13；互连凸点-12、14；互连焊盘-15、17；引线柱-16、18；衬底-19；陶瓷基板-20；封装外壳-21；上层氮化硼层-22；中层石墨烯层-23；下层氮化硼层-24；阻挡层-25、26；外部互连电极-27、28。

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，提供一种薄膜结构石墨烯高温温度传感器，可以长期稳定工作在1500℃的高温，所述传感器包括：

封装外壳21，所述封装外壳21整体可以为圆柱体、立方体、长方体等形状，并不做具体限定，本发明附图中，仅示出了圆柱体结构，封装外壳用以隔绝外界环境，支撑、保护内部结构；

陶瓷端盖7，所述陶瓷端盖7设置在所述封装外壳21顶端，所述陶瓷端盖7上设置有多个通孔2，所述陶瓷端盖7上表面是由多个通孔2形成多孔结构，有利于热量快速传递到内部，从而提高响应时间，所述通孔2形状不局限于本发明所示圆形，也可为方形等其他形状，并不做具体限定；

陶瓷基板20，所述陶瓷基板20设置在封装外壳21内部底端，所述陶瓷端盖7、陶瓷基板20以及封装外壳21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；

检测单元，所述检测单元设置在内部检测空间内并位于所述陶瓷基板20上；

互连组件，所述互连组件设置在所述检测单元两侧，所述互连组件一端与所述检测单元连接，所述互连组件另一端与外部连接。

如图2所示，为本发明第一实施例的整体结构截面图，在所述内部检测空间的底部设置有一个陶瓷基板20，所述陶瓷基板20外周侧与所述封装外壳21内侧面搭接连接。

如图2-5所示，所述检测单元设置在所述陶瓷基板20上面向内部检测空间的一侧，所述检测单元包括：检测纳米薄膜1、金属电极、氧化铝纳米薄膜3、衬底19和阻挡层25、26，所述衬底19设置在所述陶瓷基板20上，所述检测纳米薄膜1设置在所述衬底19上表面，所述氧化铝纳米薄膜3覆盖在所述检测纳米薄膜1上表面，所述金属电极设置在所述检测纳米薄膜1两侧并与所述检测纳米薄膜1连接，所述阻挡层25、26设置在所述金属电极与衬底19之间。

如图2、4、6所示，所述检测纳米薄膜1由上层氮化硼层22、中层石墨烯层23、下层氮化硼层24组成，所述上层氮化硼层22、中层石墨烯层23、下层氮化硼层24由上至下顺次设置，所述中层石墨烯层23为蛇形弯折的“回折”形结构，所述中层石墨烯层23采用回折形结构的灵敏度较高，所述中层石墨烯层23结构形状不局限于本发明所示的“回折”型结构也可呈类似蚊香螺旋状的“圆盘”形弯折等其他形状，不做具体限定，所述中层石墨烯层23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22、下层氮化硼层24的层数大于等于1，中层石墨烯层23为单层结构。本发明中，温度直接通过上层氧化铝纳米薄膜3传导至检测纳米薄膜1的中层石墨烯层23上，从而感受外部温度变化，极大提高响应时间。

如图2-7所示，所述金属电极由复合电极4、8，布线5、9和内部互连电极6、10组成，所述复合电极4、8通过布线5、9与内部互连电极6、10连接，所述复合电极4、8分别与所述中层石墨烯层23的两个相对的端部连接，所述互连电极与互连组件连接，用于导出检测纳米薄膜1中的电学响应；所述阻挡层25、26设置在所述复合电极4、8，布线5、9和内部互连电极6、10底部，所述阻挡层25、26作为浸润层和保护层将金属电极与衬底19隔离开，阻止高温下金属原子和衬底原子的相互扩散。

如图2、3所示，所述互连组件包括：互连引线11、13，互连焊盘15、17，引线柱16、18和外部互连电极27、28，所述互连引线11、13，互连焊盘15、17，引线柱16、18和外部互连电极27、28顺次连接。所述陶瓷基板20上开设有安装所述引线柱16、18的安装孔，所述引线柱16、18设置在所述安装孔内，所述互连焊盘15、17设置在所述陶瓷基板20上并与所述引线柱16、18一端连接，所述互连焊盘15、17上设置有互连凸点12、14，所述互连引线11、13一端与所述互连焊盘15、17上的互连凸点12、14连接，所述互连引线11、13另一端与所述内部互连电极6、10连接，所述封装外壳21底部设置有容纳所述外部互连电极27、28的开口，所述外部互连电极27、28设置在所述陶瓷基板20底部并与所述引线柱16、18另一端连接，所述外部互连电极27、28连接外部检测组件，用于传递和检测纳米薄膜1对温度信号的电学响应，外部检测组件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11、13采用pt丝引线键合形成，所述衬底与陶瓷基板采用pt-pt金属键合技术使衬底下表面与陶瓷基板紧密接触为温度传感器芯片提供牢固支撑。

所述氧化铝纳米薄膜3可采用蒸发的方式覆盖在所述检测纳米薄膜1上表面上对所述检测纳米薄膜1进行无氧封装，所述检测纳米薄膜1上表面的氧化铝纳米薄膜3与衬底19隔绝了检测纳米薄膜1与外界的直接接触，为检测纳米薄膜内1的中层石墨烯层23提供无氧防护。

本发明检测纳米薄膜被氧化铝纳米薄膜保护，然后使用陶瓷管壳进行封装，便于封装。

在本实施例中，所述衬底19为圆柱体，所述检测纳米薄膜1的面积小于整个所述衬底19的上侧面面积。

本发明中，所述衬底材料可选择α-al2o3材料，基板可采用al2o3材料，金属电极以及内部、外部互连电极可选择pt材料。

所述封装外壳与陶瓷端盖7、陶瓷基板20相连并粘结牢固。

本发明原理是：

当外部温度信号作用于传感器陶瓷端盖上表面时，温度会通过上层陶瓷端盖传递到检测单元上，其中的中层石墨烯层受温度的影响，其材料内部的电声子耦合强度、声子散射强度发生改变，从而导致中层石墨烯层的电导率发生改变。通过检测中层石墨烯层面内的电流变化即可测得外部施加的温度值。同时在这一过程中，氧化铝纳米薄膜与衬底隔绝了检测纳米薄膜与外界的直接接触，为中层石墨烯层提供无氧防护，确保了检测纳米薄膜可以在高温环境下工作，从而实现恶劣复杂高温环境下温度的高精度测量。

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。