[發(fā)明專利]一種石墨烯/六方氮化硼異質(zhì)結(jié)構(gòu)壓力傳感器及制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710938254.1
• 申請日: 2017-09-30
• 公開（公告）號: CN107748025B
• 公開（公告）日: 2019-10-29
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 張勇;劉冠軍;方中正;邱靜;劉瑛;呂克洪;楊鵬;代岳;程先哲
• 申請（專利權(quán)）人: 中國人民解放軍國防科技大學
• 主分類號: G01L1/20
• 分類號: G01L1/20
• 代理公司: 國防科技大學專利服務中心 43202
• 代理人: 徐志宏

本發(fā)明提供了一種石墨烯/六方氮化硼異質(zhì)結(jié)構(gòu)壓力傳感器及制備方法，所述傳感器至少由硅/二氧化硅襯底層、石墨烯/六方氮化硼異質(zhì)結(jié)構(gòu)壓力感應層、外殼組成。所述襯底層包含電極和空腔；述感應層采用石墨烯和六方氮化硼兩種材料制備；所述感應層附著在襯底層的空腔上方；襯底層和感應層封裝在外殼內(nèi)。所述制備方法包括：刻蝕襯底層空腔，制備石墨烯/六方氮化硼異質(zhì)結(jié)構(gòu)壓力感應層，刻蝕感應圖案和封裝。本發(fā)明提供的石墨烯/六方氮化硼異質(zhì)結(jié)構(gòu)壓力傳感器線性度好、成品率高、靈敏度較高、穩(wěn)定性好、預期使用壽命長，且其制作成本低、工藝簡易、過程可控，可用于流場壓力感知等。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及感測壓力的半導體納米器件的領(lǐng)域，特別涉及一種石墨烯/六方氮化硼異質(zhì)結(jié)構(gòu)壓力傳感器及制備方法。

背景技術(shù)

相關(guān)理論與實踐研究表明，石墨烯作為一種具有良好壓阻效應的新型敏感材料，在高性能壓力傳感領(lǐng)域具有極好的應用前景。國內(nèi)外科研工作者在石墨烯壓力傳感器的理論研究、仿真模擬與實驗測試等方面取得了一定進展，已制成的基于石墨烯薄膜的壓力傳感器樣品靈敏度比傳統(tǒng)硅薄膜壓力傳感器高20-100倍，初步驗證了基于石墨烯的優(yōu)良特性設(shè)計壓力傳感器的可行性。

目前，石墨烯壓力傳感器的發(fā)展時間尚短，從已有石墨烯薄膜壓力傳感器的測試結(jié)果來看，基于懸浮石墨烯薄膜壓阻效應的壓力傳感器的壓力—電阻變化曲線的起始段(0-0.6bar)對壓力變化不敏感，局部壓力點重復測量結(jié)果隨機性大，影響了傳感器壓力測量的線性度和準確性。分析研究后認為，導致上述問題的原因主要是石墨烯薄膜表面褶皺、初始形變、溫度等的影響，然而現(xiàn)階段對此問題缺乏系統(tǒng)深入的理論和實驗研究，傳感器性能有進一步提升的空間。此外，在石墨烯壓力傳感器試制過程中發(fā)現(xiàn)懸浮在空腔上方的石墨烯薄膜易破損，且破損多為于基底與空腔形成的臺階處，表現(xiàn)為薄膜塌陷、撕裂，致使成品率較低。

發(fā)明內(nèi)容

針對懸浮石墨烯壓力傳感器中初始段線性度較差，以及在傳感器工藝過程中石墨烯薄膜易破損的問題，本發(fā)明提供一種石墨烯/六方氮化硼異質(zhì)結(jié)構(gòu)壓力傳感器，具體技術(shù)方案如下：

所述石墨烯/六方氮化硼異質(zhì)結(jié)構(gòu)壓力傳感器至少由硅/二氧化硅襯底層、石墨烯/六方氮化硼異質(zhì)結(jié)構(gòu)壓力感應層、外殼組成；

其中所述硅/二氧化硅襯底層包含電極；所述電極為鈦金電極，且為兩層結(jié)構(gòu)，上層為金、下層為鈦；所述金層厚度為190-210nm；所述鈦層為40-60nm；

其中所述硅/二氧化硅襯底層上表面刻蝕有空腔，所述空腔深度不小于1.5μm；

所述石墨烯/六方氮化硼異質(zhì)結(jié)構(gòu)壓力感應層采用石墨烯和六方氮化硼兩種材料制備，為兩層結(jié)構(gòu)，上層為六方氮化硼，下層為石墨烯；所述石墨烯/六方氮化硼異質(zhì)結(jié)構(gòu)壓力感應層附著在所述硅/二氧化硅襯底層上表面的空腔上方，且所述石墨烯/六方氮化硼異質(zhì)結(jié)構(gòu)壓力感應層與所述硅/二氧化硅襯底層上的電極直接接觸；

所述石墨烯/六方氮化硼異質(zhì)結(jié)構(gòu)壓力感應層上刻蝕有圓形的圖案；

所述外殼包括基片、管座、管腳、蓋帽；所述硅/二氧化硅襯底與所述基片上表面鍵合連接，所述基片下表面與所述管座上表面通過鍵合連接；所述蓋帽覆蓋在石墨烯/六方氮化硼異質(zhì)結(jié)構(gòu)壓力感應層上方；所述管腳貫穿管座上下表面，所述管腳的上端通過引線與所述硅/二氧化硅襯底的電極相連，下端連接外部的測試電路；

所述外殼覆蓋硅/二氧化硅襯底層、石墨烯/六方氮化硼異質(zhì)結(jié)構(gòu)壓力感應層。

所述石墨烯/六方氮化硼異質(zhì)結(jié)構(gòu)壓力傳感器的工作量程為0.2-1.0bar。

所述石墨烯/六方氮化硼異質(zhì)結(jié)構(gòu)壓力感應層靜態(tài)電阻為5.3-5.5KΩ。

所述石墨烯層厚度為0.335-1.0nm；六方氮化硼層厚度為0.330-1.0nm。