[发明专利]一种宽量程石墨烯高温压力传感器

说明书

技术领域

本发明涉及高温压力测试领域，具体而言，涉及一种宽量程石墨烯高温压力传感器。

背景技术

压力传感器技术是现代测量和自动化系统的重要技术之一。随着极端环境应用需求的扩展，压力传感器广泛应用于航天航空发动机测试、爆炸冲击波威力场测试、空气动力学实验等领域。这些领域要求压力传感器耐高温，(发动机内压最高达1000℃以上)、瞬时响应(冲击波响应时间在ns级)、宽量程(低至数十千帕，高至数十兆帕)。

近年来，国内外众多的单位和学者对高温压力传感器进行了大量的研究和产品开发。其中，以基于压阻效应的SOI高温压力传感器、SiC高温压力传感器和基于法布里-珀罗干涉原理的光纤高温压力传感器最为引人注目。

美国kulite公司利用SOI材料，采用胶囊式结构和无引线专利技术制备的压阻式高温压力传感器，其工作温度可达到482℃。国内西安交通大学采用SIMOX技术研制出能在-30-250℃环境下完成1000MPa以下任意量程范围压力测量的SOI耐高温微压力传感器。由于硅的最高工作温度小于600℃，这种SOI高温压力传感器的最高工作温度已接近极限，提升空间十分有限。

美国国家宇航局NASA的Galenn研究中心研制出SiC高温压力传感器，其工作温度可达500℃。国内西安电子科技大学利用APCVD系统采用选择生长法成功的生长了3C-SiC单晶薄膜与多晶薄膜，并开发了3C-SiC高温压力传感器。这种压力传感器的主要研发瓶颈是其封装存在很大困难。

加拿大的菲索公司开发的一款基于法布里-珀罗干涉原理工作的光纤高温压力传感器，工作温度可达450℃。这种传感器的主要问题是，在高温条件下，热膨胀以及和温度有关的材料折射率变化将明显影响输出信号。

纵观压力传感器的发展历程，国内外现有的耐高温MEMS压力传感器的温度在500℃，且响应时间慢，达不到ns级的要求，难以集成化、智能化应用。另外，现有的高温传感器只含有一个敏感元件，导致单次测试误差较大甚至测试数据无效，增加测试成本；并且，单一敏感元件的测试量程有限，限制传感器的使用领域。

发明内容

为了有效解决上述问题，本发明提出一种宽量程石墨烯高温压力传感器。

本发明的目的是提供一种宽量程石墨烯高温压力传感器。宽量程石墨烯高温压力传感器采用敏感元件的矩阵式结构，借助于氮化硼/石墨烯/氮化硼异质结构的电学特性受压力调制这一机理，实现对压力的测量。石墨烯硬度大，抗断性能好，可采用单层结构，实现传感器的微体积；石墨烯的载流子有非常大的本征迁移率，可承受比铜大六个数量级的电流密度，实现传感器的高灵敏度。氮化硼具有和石墨烯近似的晶格常数，具有优异的耐高温性能，在氧化气氛下使用温度可达900℃以上，而在非活性还原气氛下可达2800℃，同时具有很好的耐腐蚀和电绝缘性能。将石墨烯薄膜夹在氮化硼薄膜(单层或多层)之间形成异质结构，氮化硼层可为石墨烯提供耐高温保护，且不影响石墨烯的导电机理。氮化硼/石墨烯/氮化硼异质结构为微体积、耐高温、高灵敏度、高可靠性、大量程压力传感器的实现提供了可行性支持。

一种宽量程石墨烯高温压力传感器，包括：键合基板、复合金属电极及传感器阵列，所述传感器阵列固定在键合基板上，所述复合金属电极嵌入在键合基板和传感器阵列之间；

所述传感器阵列由M个单元传感器组成，所述M个单元传感器采用1×M的排列方式固定在键合基板上，每个单元传感器的结构相同，厚度不相同，其中M的取值范围为2≤M≤100，所述传感器单元包括N个敏感单元；

复合金属电极包括主电极及接触点，所述接触点溅射于主电极一侧的中心区域；

键合基板刻蚀有接触孔，接触孔的位置和接触点的位置对应；

进一步地，所述单元传感器包括一第一氮化硼层、N个中间石墨烯层及N个第二氮化硼层，所述第一氮化硼层下表面和N个中间石墨烯层的一侧面完全覆盖相连，N个中间石墨烯层之间相互存在间隙，所述N个中间石墨烯的另一侧面中间区域和第二氮化硼层的上表面接触相连，所述第一氮化硼层、一中间石墨烯层及一第二氮化硼层构成一个敏感单元，所述一个单元传感器具有N个敏感单元，N的取值范围为4≤N≤100，所述N个敏感单元的结构相同，厚度相同；

进一步地，所述石墨烯层的另一侧面两端区域和主电极另一侧接触相连；

进一步地，所述N个敏感单元为A×B个敏感单元，横向为A个，纵向为B个；

进一步地，所述每个单元传感器的厚度不相同，具体为组成单元传感器的第二氮化硼层厚度不相同；