[发明专利]一种石墨烯/六方氮化硼异质结构压力传感器及制备方法

说明书

本发明提供了一种石墨烯/六方氮化硼异质结构压力传感器及制备方法，所述传感器至少由硅/二氧化硅衬底层、石墨烯/六方氮化硼异质结构压力感应层、外壳组成。所述衬底层包含电极和空腔；述感应层采用石墨烯和六方氮化硼两种材料制备；所述感应层附着在衬底层的空腔上方；衬底层和感应层封装在外壳内。所述制备方法包括：刻蚀衬底层空腔，制备石墨烯/六方氮化硼异质结构压力感应层，刻蚀感应图案和封装。本发明提供的石墨烯/六方氮化硼异质结构压力传感器线性度好、成品率高、灵敏度较高、稳定性好、预期使用寿命长，且其制作成本低、工艺简易、过程可控，可用于流场压力感知等。

技术领域

本发明涉及感测压力的半导体纳米器件的领域，特别涉及一种石墨烯/六方氮化硼异质结构压力传感器及制备方法。

背景技术

相关理论与实践研究表明，石墨烯作为一种具有良好压阻效应的新型敏感材料，在高性能压力传感领域具有极好的应用前景。国内外科研工作者在石墨烯压力传感器的理论研究、仿真模拟与实验测试等方面取得了一定进展，已制成的基于石墨烯薄膜的压力传感器样品灵敏度比传统硅薄膜压力传感器高20-100倍，初步验证了基于石墨烯的优良特性设计压力传感器的可行性。

目前，石墨烯压力传感器的发展时间尚短，从已有石墨烯薄膜压力传感器的测试结果来看，基于悬浮石墨烯薄膜压阻效应的压力传感器的压力—电阻变化曲线的起始段(0-0.6bar)对压力变化不敏感，局部压力点重复测量结果随机性大，影响了传感器压力测量的线性度和准确性。分析研究后认为，导致上述问题的原因主要是石墨烯薄膜表面褶皱、初始形变、温度等的影响，然而现阶段对此问题缺乏系统深入的理论和实验研究，传感器性能有进一步提升的空间。此外，在石墨烯压力传感器试制过程中发现悬浮在空腔上方的石墨烯薄膜易破损，且破损多为于基底与空腔形成的台阶处，表现为薄膜塌陷、撕裂，致使成品率较低。

发明内容

针对悬浮石墨烯压力传感器中初始段线性度较差，以及在传感器工艺过程中石墨烯薄膜易破损的问题，本发明提供一种石墨烯/六方氮化硼异质结构压力传感器，具体技术方案如下：

所述石墨烯/六方氮化硼异质结构压力传感器至少由硅/二氧化硅衬底层、石墨烯/六方氮化硼异质结构压力感应层、外壳组成；

其中所述硅/二氧化硅衬底层包含电极；所述电极为钛金电极，且为两层结构，上层为金、下层为钛；所述金层厚度为190-210nm；所述钛层为40-60nm；

其中所述硅/二氧化硅衬底层上表面刻蚀有空腔，所述空腔深度不小于1.5μm；

所述石墨烯/六方氮化硼异质结构压力感应层采用石墨烯和六方氮化硼两种材料制备，为两层结构，上层为六方氮化硼，下层为石墨烯；所述石墨烯/六方氮化硼异质结构压力感应层附着在所述硅/二氧化硅衬底层上表面的空腔上方，且所述石墨烯/六方氮化硼异质结构压力感应层与所述硅/二氧化硅衬底层上的电极直接接触；

所述石墨烯/六方氮化硼异质结构压力感应层上刻蚀有圆形的图案；

所述外壳包括基片、管座、管脚、盖帽；所述硅/二氧化硅衬底与所述基片上表面键合连接，所述基片下表面与所述管座上表面通过键合连接；所述盖帽覆盖在石墨烯/六方氮化硼异质结构压力感应层上方；所述管脚贯穿管座上下表面，所述管脚的上端通过引线与所述硅/二氧化硅衬底的电极相连，下端连接外部的测试电路；

所述外壳覆盖硅/二氧化硅衬底层、石墨烯/六方氮化硼异质结构压力感应层。

所述石墨烯/六方氮化硼异质结构压力传感器的工作量程为0.2-1.0bar。

所述石墨烯/六方氮化硼异质结构压力感应层静态电阻为5.3-5.5KΩ。

所述石墨烯层厚度为0.335-1.0nm；六方氮化硼层厚度为0.330-1.0nm。