一种基于石墨烯压阻效应的压力传感器[实用新型专利]

(12)实用新型专利

(10)授权公告号 CN 210464750 U(45)授权公告日 2020.05.05

(21)申请号 201921532520.1(22)申请日 2019.09.16

(73)专利权人 南京邮电大学

地址 210023 江苏省南京市亚东新城区文

苑路9号(72)发明人 李方清　王新国　王德波　(74)专利代理机构 南京正联知识产权代理有限

公司 32243

代理人 张玉红(51)Int.Cl.

G01L 1/18(2006.01)G01L 13/06(2006.01)

权利要求书1页 说明书4页 附图3页

(54)实用新型名称

一种基于石墨烯压阻效应的压力传感器(57)摘要

本实用新型公开了一种基于石墨烯压阻效应的压力传感器，包括高阻硅衬底，高阻硅衬底上方设有二氧化硅氧化层，二氧化硅氧化层中部刻蚀正三棱柱空腔，空腔上覆盖三角形石墨烯薄膜，石墨烯薄膜层数为1到3层，在正三棱柱顶面边长两端点处刻蚀金属电极。当石墨烯薄膜受到应力或薄膜内外有气压差时，石墨烯发生形变，根据石墨烯压阻效应，电阻发生变化，通过检测石墨烯电阻，从而实现压力或气压差的检测。该系统结构新颖，可应用于山体缝隙等体积较小的复杂环境，测量幅度范围大，具有较高稳定性和极高灵敏度，尺寸小，易于集成，适用范围广。CN 210464750 UCN 210464750 U

权　利　要　求　书

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1.一种基于石墨烯压阻效应的压力传感器，其特征在于，包括高阻硅衬底(4)，所述高阻硅衬底(4)上方设有二氧化硅氧化层(3)，在二氧化硅氧化层(3)中部刻蚀正三棱柱腔体(2)，正三棱柱腔体(2)上覆盖三角形石墨烯薄膜(1)，在三角形石墨烯薄膜(1)顶面边长两端点处分别刻蚀第一金属电极(5)和第二金属电极(6)。

2.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯压阻效应的压力传感器，其特征在于，所述高阻硅衬底(4)为正三棱柱形。

3.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯压阻效应的压力传感器，其特征在于，所述二氧化硅氧化层(3)为正三棱柱形，二氧化硅氧化层(3)的横截面与高阻硅衬底(4)横截面大小相同。

4.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯压阻效应的压力传感器，其特征在于，所述正三棱柱腔体(2)位于二氧化硅氧化层(3)的中部，正三棱柱腔体(2)的轴心与二氧化硅氧化层(3)的轴心重合，腔体的深度与二氧化硅氧化层(3)的厚度相等。

5.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯压阻效应的压力传感器，其特征在于，所述三角形石墨烯薄膜(1)为正三角形，覆盖于正三棱柱腔体(2)顶层，与正三棱柱腔体(2)横截面相适配。

6.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯压阻效应的压力传感器，其特征在于，所述三角形石墨烯薄膜(1)的层数为1至3层。

7.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯压阻效应的压力传感器，其特征在于，所述二氧化硅氧化层(3)为底面边长为6mm，高度为5mm的正三棱柱体。

8.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯压阻效应的压力传感器，其特征在于，所述正三棱柱腔体(2)为底面边长为3mm，高度为1.5mm的正三棱柱腔体。

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一种基于石墨烯压阻效应的压力传感器

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技术领域

[0001]本实用新型涉及微电子机械系统技术领域，具体涉及一种基于石墨烯压阻效应的高灵敏压力传感器。

背景技术

[0002]在纳机电技术研究中，微弱压力的改变是各设备或系统间相互协作和构建联系的重要媒介及环境发生改变的重要参考对象。在自然灾害预测、触屏设计等涉及微弱压力检测及医学、生物等纳米领域，对于微弱压力的准确检测是最重要的组成部分。传统的压力传感器是硅阻型、陶瓷型压力传感器，但由于材料限制，已有的压力传感器不再能满足需求。[0003]传统的硅阻型压力传感器如圆形硅薄膜微机电压力传感器(专利号 201010501581.9)，利用P型掺杂硅膜的电阻率随压力变化而发生变化的原理进行压力传感；硅的电子迁移率仅为1400cm2/(V·s)，导致硅阻式压力传感器的灵敏度有限，不适用于检测精度要求较高的环境，并且由于硅薄膜等材料由于硅的物理性能有限，灵敏度有限，随时间老化，零点漂移和迟滞增大现象明显。石墨烯的电子迁移率均在150000cm2/(V·s)且不随温度改变，一种基于石墨烯压阻效应的压阻式压力传感器的提出，能提高压力传感器灵敏度和稳定性，突破传统压力传感器的灵敏度极限。传统陶瓷压力传感器，如陶瓷电阻式压力传感器(专利号：201210278152.9)，利用陶瓷膜片在受力发生小挠度形变时，电阻与压力近似成线性函数关系进行压力传感。但由于陶瓷的薄膜的尺寸较大，无法在生物、医学等纳米领域进行普及，由于单层石墨烯薄膜厚度仅为0.335nm，一种基于石墨烯压阻效应的压力传感器的提出，可以将压力传感器缩至微型尺寸，可应用于要求极高的纳米领域。制成的石墨烯压力传感器较传统传感器具有高灵敏度、高量程、纳米尺寸、柔韧性、可穿戴性等优点。

发明内容

[0004]为了解决上述问题，本实用新型提供提供一种基于石墨烯的压阻效应的压力传感器，此装置主要能实现以下实验目标：

[0005]基于石墨烯电阻随压力变化而发生变化的原理进行压力传感，检测范围广、灵敏度高、可穿戴性强且便于集成解决现有石墨烯压力传感器灵敏度有限、尺寸较大、成本较高等问题。

[0006]为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本实用新型是通过以下技术方案实现的：一种基于石墨烯压阻效应的压力传感器，包括高阻硅衬底，所述高阻硅衬底上方设有二氧化硅氧化层，在二氧化硅氧化层中部刻蚀正三棱柱腔体，正三棱柱腔体上覆盖三角形石墨烯薄膜，在三角形石墨烯薄膜顶面边长两端点处分别刻蚀第一金属电极和第二金属电极。

[0007]进一步地，所述高阻硅衬底为正三棱柱形。[0008]进一步地，所述二氧化硅氧化层为正三棱柱形，二氧化硅氧化层的横截面与高阻

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硅衬底横截面大小相同。[0009]进一步地，所述正三棱柱腔体位于二氧化硅氧化层的中部，正三棱柱腔体的轴心与二氧化硅氧化层的轴心重合，腔体的深度与二氧化硅氧化层的厚度相等。[0010]进一步地，所述三角形石墨烯薄膜为正三角形，覆盖于正三棱柱腔体顶层，与正三棱柱腔体横截面相适配。[0011]进一步地，所述三角形石墨烯薄膜的层数为1至3层。[0012]进一步地，所述二氧化硅氧化层为底面边长为6mm，高度为5mm的正三棱柱体。[0013]进一步地，所述正三棱柱腔体为底面边长为3mm，高度为1.5mm的正三棱柱腔体。[0014]本实用新型的有益效果是：

[0015]1.所述基于石墨烯压阻效应的压力传感器，在硅衬底上采用干氧氧化制得的二氧化硅氧化层，制得的氧化层均匀性和重复性好、掩蔽能力强、钝化效果好。[0016]2.所述基于石墨烯压阻效应的压力传感器，采用的压阻材料为石墨烯薄膜，石墨烯具有优异的压阻性能，最大应变为25％，对压力检测范围广且检测灵敏度极高。[0017]3.所述基于石墨烯压阻效应的压力传感器，采用的衬底及腔体为正三棱柱结构，正三棱柱较其他形状具有较高稳定性，属于稳定结构。[0018]4.所述基于石墨烯压阻效应的压力传感器，在二氧化硅氧化层上刻蚀出的正三棱柱腔体腔体，在腔体上覆盖正三角形薄膜压阻感应材料，经仿真验证在等压力等面积的正三角形石墨烯压阻感应材料是任何其他三角形石墨烯中形变量最大的结构，仿真结果如图6及图4所示。

[0019]5.所述基于石墨烯压阻效应的压力传感器，整体形状为三棱柱型，较其他长方体型、圆柱体型压力传感器应用范围更广，可放置于山体缝隙等狭窄的检测区域。[0020]6.所述基于石墨烯压阻效应的压力传感器，石墨烯层数控制在1到3层，能保证较高灵敏度。如图5所示，经仿真与实验验证，若制作压力传感器的石墨烯的层数超过3层，检测灵敏度损失严重。

[0021]7.所述基于石墨烯压阻效应的压力传感器，在二氧化硅腔体的直径两点出刻蚀电极，可最大限度测量石墨烯电阻，保证石墨烯发生微弱形变时，电阻变化尽可能大，可有效放大石墨烯压阻效应。

附图说明

[0022]图1为本实用新型基于石墨烯压阻效应的压力传感器的立体结构示意图。[0023]图2为本实用新型基于石墨烯压阻效应的压力传感器的主视图。[0024]图3为本实用新型基于石墨烯压阻效应的压力传感器的俯视图。[0025]图4为正三角形石墨烯薄膜在面积为5μm2均布压强为410kPa下下的仿真图。[0026]图5为正三角形石墨烯薄膜的中心形变位移与石墨烯层数的关系图。[0027]图6为面积均为5μm2的的三角形石墨烯薄膜在相同均布压强410kPa下的形变比较表(腰底比k＝1时，等腰三角形腰长与底边长相等，为正三角形)。[0028]其中，1-三角形石墨烯薄膜，2-正三棱柱腔体，3-二氧化硅氧化层，4-高阻硅衬底，5-第一金属电极，6-第二金属电极。

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具体实施方式

[0029]下面结合附图1-6对本实用新型的较佳实施例进行详细阐述，以使本实用新型的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本实用新型的保护范围做出更为清楚明确的界定。

[0030]一种基于石墨烯压阻效应的压力传感器，包括高阻硅衬底4、二氧化硅氧化层3、正三棱柱腔体2、三角形石墨烯1及第一金属电极5和第二金属电极6，高阻硅衬底4上方设有二氧化硅氧化层3，在二氧化硅氧化层3中部刻蚀正三棱柱腔体2，正三棱柱腔体2上覆盖三角形石墨烯薄膜1，在三角形石墨烯薄膜1 顶面边长两端点处分别刻蚀第一金属电极5和第二金属电极6。所述高阻硅衬底 4为正三棱柱形。所述二氧化硅氧化层3为正三棱柱形，二氧化硅氧化层3的横截面与高阻硅衬底4横截面大小相同，所述正三棱柱腔体2位于二氧化硅氧化层 3的中部，正三棱柱腔体2的轴心与二氧化硅氧化层的轴心3重合，腔体的深度与二氧化硅氧化层3的厚度相等，所述三角形石墨烯薄膜1为正三角形，覆盖于正三棱柱腔体2顶层，与正三棱柱腔体2横截面相适配。三角形石墨烯薄膜1 的层数为1至3层。所述的正三棱柱高阻硅衬底4及正三棱柱腔体2，采用三棱柱形，属于稳定结构，能有效抵御外界破坏，并且整体为三棱柱型较圆柱体型、长方体型压力传感器，更有利放置于山体缝隙等体检较为狭窄的检测环境。所述正三角形石墨烯薄膜1经过仿真及实验验证，正三角形石墨烯较其他三角形石墨烯在相同压力下形变量最大，当石墨烯薄膜受到应力或薄膜内外有气压差时，石墨烯发生形变，由于石墨烯压阻效应，电阻发生变化，通过检测石墨烯电阻进行压力或气压差的检测。

[0031]本实用新型基于石墨烯压阻效应的压阻式压力传感器工作原理如下：当有力施加在石墨烯薄膜上或石墨烯薄膜内外有气压差时，石墨烯薄膜1会发生相应应变，由于石墨烯具有优异的压阻效应，石墨烯电阻发生改变，可通过第一金属电极5、第二金属电极6连接高精度万用表检测到，从而通过石墨烯压阻效应构建压力与电阻之间的关系。[0032]本实用新型的压力传感器将清洗、烘干后的晶圆硅片作为衬底4，利用干氧氧化的方法，在硅片表面氧化出一层二氧化硅绝缘层3，然后将硅片切割为底面边长为6mm，高度为5mm的正三棱柱体，并以此三棱柱表面中心为中心刻蚀出底面边长为3mm，高度为1.5mm的正三棱柱腔体2，并将氧化、刻蚀后得到的衬底进行清洗。[0033]利用化学气相沉积法得到石墨烯薄膜后，反复利用离子水、稀盐酸等溶液反复清洗多次得到较为纯净的石墨烯薄膜。[0034]在无尘工作环境下，将具有绝缘层的衬底完全浸入到表面漂浮石墨烯薄膜的去离子水中，将具有绝缘层的衬底移动至石墨烯下方，然后将石墨烯薄膜转移到具有空腔的二氧化硅绝缘层正上方，对准腔体后，通过范德华力的作用将石墨烯薄膜附着到腔体上方。[0035]在石墨烯薄膜上方旋涂光刻胶，然后在保证石墨烯薄膜与腔体之间气密性的前提下，通过将腔体以外的石墨烯薄膜除去得到正三角形石墨烯薄膜1。[0036]在二氧化硅绝缘层与石墨烯薄膜上方旋涂光刻胶，通过光刻在正三角形石墨烯边长两端点处处形成半径为0.1mm的圆形金属电极图案。

[0037]在两个圆形金属电极图案处形成第一金属电极5、第二金属电极6，再将整个设备置于丙酮中清洗5min除去光刻胶，然后用去离子水清洗3min。[0038]上所述仅为本实用新型的实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利

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用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。

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图1

图2

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说　明　书　附　图

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图3

图4

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说　明　书　附　图

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图5

图6

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