一种新型无腔室的石墨烯高温压力传感器的制作方法

本实用新型涉及高温压力测试技术领域，具体涉及一种新型无腔室的石墨烯耐高温压力传感器。

背景技术：

高温压力传感器主要用于高速飞行器、喷气式发动机、火箭、导弹等耐热腔体及其表面各处压力的测量。传统的压力传感器主要是硅扩散型压阻式压力传感器，其工艺成熟且性能优异，但器件采用P-N结作为敏感结，受P-N结耐温限制，当工作温度高于125℃时，硅发生本征扩散，使得器件性能严重下降，超过600℃时会发生塑性形变和电流泄漏，同时压力传感器腔室内的气体在高温环境下的膨胀作用会带来噪声压力，这严重制约了器件灵敏度的提升。上述因素使得传统压力传感器完全无法满足上述应用领域中对高温环境下压力测量的要求。

随着新原理、新材料的不断开发，各类新型高温压力传感器不断涌现，这类器件通过改进压力传感器的敏感结大幅提升了工作温度，但也存在不足之处。目前的高温压力传感器按照原理和材料的不同可以分为：多晶硅高温压力传感器、SOI高温压力传感器、蓝宝石-硅(SOS)高温压力传感器、SiC高温压力传感器、光纤高温压力传感器等。多晶硅高温压力传感器和SOI高温压力传感器工艺成熟，可大幅提高工作温度，但附加应力、内在应力等本征因素以及高温环境下压力传感器腔室内的气体膨胀会严重影响器件的灵敏度。蓝宝石-硅(SOS)高温压力传感器可耐受350℃的高温且具有优异的灵敏度，但蓝宝石-硅衬底制备工艺复杂，价格昂贵。SiC高温压力传感器最高可耐受600℃高温，具有优异的高温性能，但其对封装要求极高，一般的封装技术很难达到其所需的封口温度。光纤高温压力传感器具有高灵敏、高工作温度等优点，但其需要光源、光检测器件、棱镜等设备支持，应用条件复杂。

对目前的高温压力传感器而言压力腔的存在是器件敏感外部压力变化的重要保障，但是某一固定腔室内的气体会因温度的升高而膨胀从而产生噪声压力，并且噪声压力会随着温度的升高而变大，具体计算公式为：

$\frac{P1\×V1}{T1}=\frac{P2\×V2}{T2}---\left(1\right)$

式中，左边代表常温下压力腔内的气体状态，P₁为常温下压力腔内的气体压力，V₁为常温下压力腔内气体的体积，T₁为常温温度，以开尔文为单位表示为293.15K；右边代表900℃时压力腔内的气体状态，P₂为900℃下压力腔内的气体压力，V₂为900℃下压力腔内气体的体积，T₂的数值为1173.15K。假设压力腔内气体的体积从常温升至900℃时近似保持不变，则有V₁＝V₂，式(1)变形为：

$\frac{P2}{P1}=\frac{T2}{T1}---\left(2\right)$

由式(2)可知压力腔内气体压力仅与温度有关，又有T₂/T₁＝4.002，则900℃条件下压力腔内的气体压力约为常温下压力腔内气体压力的4倍，这就意味着产生了300％的噪声压力，这部分由于温度升高所产生的噪声压力将大大降低高温下压力传感器的灵敏度。

技术实现要素：

针对现有高温压力传感器在高温环境中灵敏度受敏感元件及压力腔内气、液体热膨胀噪声压力限制难以提升的问题。本实用新型提供一种新型无腔室的石墨烯高温压力传感器，本实用新型所述高温压力传感器利用氮化硼/石墨烯/氮化硼异质结作为敏感元件感受外部压力信号，器件灵敏度不依赖于压力腔，所以不会产生额外的噪声压力引起的温度漂移，噪声压力减小300％，可大幅提高器件在高温环境下的灵敏度。

本实用新型是通过以下技术方案实现的：

一种新型无腔室的石墨烯高温压力传感器，所述高温压力传感器为无腔室结构；所述高温压力传感器包括用于感受外部压力的氮化硼/石墨烯/氮化硼异质结，所述氮化硼/石墨烯/氮化硼异质结的外部不设置腔室结构；所述氮化硼/石墨烯/氮化硼异质结为三层结构，从上到下依次为顶层氮化硼、石墨烯层和底层氮化硼；

所述高温压力传感器还包括基片、绝热凸台、螺纹卡口以及底层固定基座；所述氮化硼/石墨烯/氮化硼异质结设置在基片上部的中心位置，所述基片设置在所述绝热凸台的中心位置，所述绝热凸台设置于底层固定基座上部，在底层固定基座的周边设置至少一个螺纹卡口，通过螺纹卡口将底层固定基座固定于指定位置。

进一步地，所述顶层氮化硼和底层氮化硼的厚度均为20nm-30nm；所述石墨烯层由单层碳原子构成，具有六角晶格结构，厚度为0.035nm。

进一步地，所述高温压力传感器还包括两个电极、引线、贯穿绝热凸台和底层固定基座的通孔、位于底层固定基座下部的检测模块以及信号显示模块；其中，两个电极设置于基片上部，且分别设置在所述氮化硼/石墨烯/氮化硼异质结的两侧，两个电极均通过引线与检测模块连接，信号检测模块与信号显示模块相连接，其中，引线穿过通孔后与检测模块连接。

进一步地，所述信号检测模块设置于底层固定基座的未设置绝热凸台的一侧；且所述信号检测模块设置在与绝热凸台相对应的位置。

进一步地，所述氮化硼/石墨烯/氮化硼异质结感受外部压力产生电学响应信号，所述电学响应信号依次经由电极、引线传递至检测模块，所述检测模块将所述电学响应信号进行放大、去噪以及整流处理获得压力信号，并经由信号显示模块对压力信号进行显示。

进一步地，所述高温压力传感器既能够实现接触式压力测量，又能够实现非接触式压力测量。

进一步地，所述高温压力传感器中的基片、异质结、电极、引线、绝热凸台均采用耐高温材料制备，其中，基片采用4号料高温玻璃制成，可承受1200℃高温；利用铂制备的电极和引线耐温高达1768℃；绝热凸台采用航空专用隔热材料高温表面绝热瓦HRSI，可隔离1260℃的高温。

进一步地，所述底层固定基座呈圆形，面积为9π平方厘米；所述绝热凸台为正方形面积为4平方厘米。

本实用新型的有益技术效果：

本实用新型中所述高温压力传感器，在基片上设置氮化硼/石墨烯/氮化硼异质结作为敏感元件，当外界压力作用于氮化硼/石墨烯/氮化硼异质结的表面时，会使其内部原子间距发生变化，从而影响石墨烯六角晶格结构，使石墨烯能带在狄拉克点打开能隙，从而使石墨烯的电学性能发生巨大的变化，通过检测流过石墨烯面内的电流大小就能得到外部所施加的应力大小，同时在这一过程中，氮化硼层为石墨烯提供保护，保证了石墨烯可在900℃高温环境中工作，从而达到在高温环境中测量外部压力的目的。

本实用新型采用无腔室的开放式结构设计方案，去除了同类器件敏感压力所依赖的压力腔，避免了高温环境下压力腔内气、液体受热膨胀后给敏感薄膜带来的噪声压力影响，可将噪声压力减小300％，同时无腔室的结构也简化了器件的加工工艺，这使本实用新型中的高温压力传感器与同类器件相比具有工艺简单、灵敏度高、灵敏度温度系数小的优势。

附图说明

图1高温压力传感器整体结构原理图；

图2氮化硼/石墨烯/氮化硼异质结结构示意图；

图3高温压力传感器整体结构示意图；

图4高温压力传感器结构俯视图；

图5氮化硼/石墨烯/氮化硼异质结敏感原理图。

附图标记：1.基片、2.氮化硼/石墨烯/氮化硼异质结、3.电极、4.引线、5.通孔、6.绝热凸台、7.螺纹卡口、8.底层固定基座、9.信号检测模块、10.信号显示模块。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

相反，本实用新型涵盖任何由权利要求定义的在本实用新型的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本实用新型有更好的了解，在下文对本实用新型的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本实用新型。

实施例1

一种新型无腔室的石墨烯高温压力传感器，所述高温压力传感器利用由氮化硼和石墨烯构成的氮化硼/石墨烯/氮化硼异质结敏感外部压力信号，该异质结可承受900℃的持续高温，对高频压力信号极为敏感，同时传感器的整体设计中不涉及压力腔室，这使本实用新型避免了同类高温压力器件中由压力腔室内的气、液体受热膨胀后噪声压力信号，使器件灵敏度大幅提升。

本实用新型所述高温压力传感器的基本工作原理是：当外部压力发生变化时，应力作用于氮化硼/石墨烯/氮化硼异质结表面，导致石墨烯与氮化硼之间的原子间距发生变化，原子间距的变化使石墨烯与氮化硼接触面周围产生一对穿层的偶极子，这对穿层偶极子的运动会打破石墨烯中碳原子的对称性，使得石墨烯的能带在狄拉克点处打开了能隙。能隙的产生会影响石墨烯的电导率，致使整个异质结电学性能的变化，通过采集流过石墨烯面内的电流值，输入到信号检测模块就最终可获得施加于氮化硼/石墨烯/氮化硼异质结表面的应力的大小。

以下结合附图对本实用新型做进一步说明：

如图1和图3所示，氮化硼/石墨烯/氮化硼异质结2和电极3设置在基片1上，两片电极分别与氮化硼/石墨烯/氮化硼异质结2相连接；基片1与绝热凸台6键合连接；通孔5位于基片1的两侧，通孔5贯穿绝热凸台6和底层固定基座8；引线4穿过通孔5，并且引线4连接信号检测模块9和电极3，绝热凸台6与底层固定基座8键合连接；底层固定基座8通过螺纹卡口7与目标测试环境或是被测目标相连接，信号检测模块9与底层固定基座8相连接信号检测模块9与信号显示模块10相连接，其中，所述信号检测模块9设置于底层固定基座8的未设置绝热凸台6的一侧；且所述信号检测模块9设置在与绝热凸台6相对应的位置，绝热凸台用于保护信号检测模块不受测试环境的高温影响。

如图2所示，氮化硼/石墨烯/氮化硼异质结由上下两层氮化硼以及中间的石墨烯层构成，上下氮化硼层，即顶层氮化硼和底层氮化硼的厚度为均为20-30nm；中间的石墨烯层是由一层碳原子按六角晶格结构排列构成的，石墨烯层厚度为0.035nm，顶层氮化硼和石墨烯层覆盖在电极上，石墨烯层与电极接触，从而保证电极将氮化硼/石墨烯/氮化硼异质结的电学响应信号传递到信号检测模块。

如图4所示，氮化硼/石墨烯/氮化硼异质结2和电极3设置于基片1(10mm×10mm)的中心区域，。氮化硼/石墨烯/氮化硼异质结2敏感外部压力信号的有效区域为5mm×5mm，有效区域的宽度也是两个电极3之间的距离，基片1设置在绝热凸台6(20mm×20mm)的区域内。

如图5所示，该图是氮化硼/石墨烯/氮化硼异质结敏感原理图，由引线、电极、氮化硼/石墨烯/氮化硼异质结组成电流环路，信号检测模块为所述电流环路提供截止电压V，此时流过氮化硼/石墨烯/氮化硼异质结面内的电流为I，当高温传感器受到外部压力作用时，氮化硼/石墨烯/氮化硼异质结的原子间距在外部压力的作用下发生变化，从而导致氮化硼/石墨烯/氮化硼异质结的电导率发生变化，电导率的变化会使电流环路中的电流产生三个数量级的变化；通过检测环路中电流的变化，最终经过信号检测电路可以获得获得外部压力的大小。

当氮化硼/石墨烯/氮化硼异质结受到外部压力信号作用时，流过石墨烯面内的电流大小与所施加的压力有如下关系：

I(Vb)∝exp[eVb–Eg(P)]

其中，I(Vb)是电流测量的回路电流；Vb是偏压电源提供的偏压；e是基本电荷；P是压力；Eg是被氮化硼夹着的石墨烯的禁带宽度，Eg为P的函数。

当外部压力在0-5nN/nm²之间变化时，随着压力的增大通过石墨烯面内的电流由10^-6A减小至10^-9A，变化3个数量级。这表明氮化硼/石墨烯/氮化硼异质结在面对外部压力作用时具有极高的灵敏度，证明了本实用新型中将氮化硼/石墨烯/氮化硼异质结应用于高温压力传感器的可行性，体现了异质结作为敏感结构与其他同类高温压力器件相比的巨大优势。

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实用新型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和示例。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实用新型的实施例，本领域的普通技术人员可以理解，在不脱离本实用新型的原理和宗旨的情况下可以对实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由权利要求及其等同物限定。