一種高靈敏度壓阻式壓力傳感器及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種高靈敏度壓阻式壓力傳感器，該壓阻式壓力傳感器包括硅襯底、氮化硅層、玻璃、感應(yīng)薄膜層和金屬電極；其中，硅襯底中設(shè)有空腔，硅襯底的底面與玻璃鍵合，氮化硅層生長在襯底的頂面；感應(yīng)薄膜層固定連接氮化硅層的頂面，兩個金屬電極固定連接在感應(yīng)薄膜層上。該壓力傳感器具有很好的靈敏度，同時制作簡單。
【專利說明】
一種高靈敏度壓阻式壓力傳感器及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及了一種壓力傳感器，具體來說，涉及一種高靈敏度壓阻式壓力傳感器及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在利用硅微加工技術(shù)實(shí)現(xiàn)的產(chǎn)品中，壓力傳感器是發(fā)展最早的一類。而在所有的壓力傳感器中，壓阻式壓力傳感器又是應(yīng)用最廣的一類，因?yàn)槠涑叽巛^小，成本較低，而且靈敏度高且制造工藝簡單。目前的壓力傳感器在小的量級，對靈敏度的要求很高，所以，設(shè)計與制造靈敏度較高的壓力傳感器是很有必要的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]技術(shù)問題:本發(fā)明需要解決的技術(shù)問題是，提供一種高靈敏度壓阻式壓力傳感器及其制備方法，該壓力傳感器具有很好的靈敏度。同時制作簡單。
[0004]技術(shù)方案:為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:
一種高靈敏度壓阻式壓力傳感器，該壓阻式壓力傳感器包括硅襯底、氮化硅層、玻璃、感應(yīng)薄膜層和金屬電極;其中，硅襯底中設(shè)有空腔，硅襯底的底面與玻璃鍵合，氮化硅層生長在襯底的頂面;感應(yīng)薄膜層固定連接氮化硅層的頂面，兩個金屬電極固定連接在感應(yīng)薄膜層上。
[0005]作為優(yōu)選例，所述的感應(yīng)薄膜為氧化還原石墨稀材料制成。
[0006]作為優(yōu)選例，所述的感應(yīng)薄膜為呈陣列排布的金字塔形。
[0007]作為優(yōu)選例，所述的感應(yīng)薄膜位于空腔上方。
[0008]—種高靈敏度壓阻式壓力傳感器的制備方法，該制備方法包括如下步驟:
第一步，在娃襯底上淀積一層氮化娃層；
第二步，對氮化硅層圖形化，形成第一凹槽；
第三步，采用各向異性腐蝕法從氮化硅層的凹槽處腐蝕，在硅襯底上刻蝕出金字塔結(jié)構(gòu)的第二凹槽；
第四步，采用化學(xué)腐蝕法，將位于硅襯底上的氮化硅層腐蝕；
第五步:將有機(jī)材料PDMS置入第二凹槽中，并且有機(jī)材料PDMS覆蓋硅襯底上方，形成PDMS 層;
第六步:將PDMS層從第二凹槽中取出，PDMS層的表面具有金字塔微結(jié)構(gòu)；
第七步:在TOMS層表面轉(zhuǎn)移附著一氧化石墨烯薄膜層，氧化石墨烯薄膜層形狀與TOMS層表面一致；
第八步:對氧化石墨烯薄膜層進(jìn)行降解，最終在TOMS層表面生成氧化還原石墨烯薄膜層；
第九步:取一硅襯底，在硅襯底上下兩個表面分別淀積一氮化硅層；
第十步:在硅襯底背部首先通過光刻刻蝕掉一部分氮化硅，然后，對硅襯底進(jìn)行各向異性刻蝕，隨后，去除背部的氮化硅層，用玻璃進(jìn)行陽極鍵合，形成空腔；
第十一步:將第八步形成的PDMS層和氧化還原石墨烯薄膜層的結(jié)構(gòu)置于第十步制成的硅襯底上方，且氧化還原石墨烯薄膜層連接在硅襯底的氮化硅層上，且位于空腔上方；
第十二步:去除PDMS層，并通過電子束濺射金屬并圖形化，形成金屬電極。
[0009]有益效果:與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明實(shí)施例具有以下有益效果:具有良好的靈敏度。本發(fā)明實(shí)施例的感應(yīng)薄膜采用氧化還原石墨烯材料制成。這種材料具有良好的壓阻特性。同時，感應(yīng)薄膜具有金字塔結(jié)構(gòu)。這樣就大大提高了壓力傳感器的靈敏度。
【附圖說明】
[0010]圖1為本發(fā)明實(shí)施例中壓力傳感器的結(jié)構(gòu)剖視圖；
圖2為本發(fā)明實(shí)施例中制備方法的第一步的結(jié)構(gòu)剖視圖；
圖3為本發(fā)明實(shí)施例中制備方法的第二步的結(jié)構(gòu)剖視圖；
圖4為本發(fā)明實(shí)施例中制備方法的第三步的結(jié)構(gòu)剖視圖；
圖5為本發(fā)明實(shí)施例中制備方法的第四步的結(jié)構(gòu)剖視圖；
圖6為本發(fā)明實(shí)施例中制備方法的第五步的結(jié)構(gòu)剖視圖；
圖7為本發(fā)明實(shí)施例中制備方法的第六步的結(jié)構(gòu)剖視圖；
圖8為本發(fā)明實(shí)施例中制備方法的第七步的結(jié)構(gòu)剖視圖；
圖9為本發(fā)明實(shí)施例中制備方法的第八步的結(jié)構(gòu)剖視圖；
圖10為本發(fā)明實(shí)施例中制備方法的第九步的結(jié)構(gòu)剖視圖；
圖11為本發(fā)明實(shí)施例中制備方法的第十步中的光刻刻蝕后的結(jié)構(gòu)剖視圖；
圖12為本發(fā)明實(shí)施例中制備方法的第十步中的各向異性刻蝕后的結(jié)構(gòu)剖視圖；
圖13為本發(fā)明實(shí)施例中制備方法的第十步中的進(jìn)行陽極鍵合的結(jié)構(gòu)剖視圖；
圖14為本發(fā)明實(shí)施例中制備方法的第十一步的結(jié)構(gòu)剖視圖；
圖15為本發(fā)明實(shí)施例中制備方法的第十二步的結(jié)構(gòu)剖視圖。
[0011]圖中有:硅襯底1、氮化硅層2、玻璃3、感應(yīng)薄膜4、金屬電極5、氧化還原石墨烯薄膜層6、PDMS層7、空腔101。
【具體實(shí)施方式】
[0012]下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明實(shí)施例的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)的說明。
[0013]如圖1所示，本發(fā)明實(shí)施例的一種高靈敏度壓阻式壓力傳感器，包括硅襯底1、氮化硅層2、玻璃3、感應(yīng)薄膜層4和金屬電極5。硅襯底I中設(shè)有空腔101，硅襯底I的底面與玻璃3鍵合，氮化硅層2生長在襯底I的頂面。感應(yīng)薄膜層4固定連接氮化硅層2的頂面，兩個金屬電極5固定連接在感應(yīng)薄膜層4上。
[0014]上述實(shí)施例的壓力傳感器工作時，當(dāng)有外界壓力施加在傳感器表面時，感應(yīng)薄膜層4由于受到壓力作用變形，從而導(dǎo)致感應(yīng)薄膜層4的電阻發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致輸出信號的變化。這樣，通過測量輸出信號的變化可以間接測量外界壓力的變化。在上述實(shí)施例的壓力傳感器中，感應(yīng)薄膜4優(yōu)選為氧化還原石墨稀材料制成。氧化還原石墨稀材料具有很好的電子迀移率，所以其導(dǎo)電性能優(yōu)秀。并且石墨烯是目前發(fā)現(xiàn)的硬度最大的物質(zhì)，具有極高的強(qiáng)度，所以其力學(xué)性能也很優(yōu)異。和氧化石墨烯(GO)相比，氧化還原石墨烯去除了表面的官能團(tuán)，這使得它更穩(wěn)定，很難與其他物質(zhì)結(jié)合。在本優(yōu)選例中，所述的感應(yīng)薄膜4為呈陣列排布的金字塔形。當(dāng)在感應(yīng)薄膜4上施加壓力時，金字塔微結(jié)構(gòu)會變形，使得金字塔微結(jié)構(gòu)與氮化硅層2之間的接觸面積變大。在相同的壓力條件下，金字塔微結(jié)構(gòu)感應(yīng)薄膜的電阻變化大于平面感應(yīng)薄膜。這就增加了壓力傳感器的靈敏度。在本實(shí)施例中，優(yōu)選感應(yīng)薄膜4位于空腔101上方。
[0015]上述實(shí)施例的壓阻式壓力傳感器的制備方法，包括如下步驟:
第一步，如圖2所示，在娃襯底I上淀積一層氮化娃層2 ；第二步，如圖3所示，對氮化娃層2圖形化，形成第一凹槽。
[0016]第三步，如圖4所示，采用各向異性腐蝕法從氮化硅層2的凹槽處腐蝕，在硅襯底I上刻蝕出金字塔結(jié)構(gòu)的第二凹槽。
[0017]第四步，如圖5所示，采用化學(xué)腐蝕法，將位于硅襯底I上的氮化硅層2腐蝕。
[0018]第五步:如圖6所示，將有機(jī)材料PDMS(對應(yīng)中文:聚二甲基硅氧烷，英文全稱為polydimethylsiloxane)置入第二凹槽中，并且有機(jī)材料PDMS覆蓋硅襯底I上方，形成PDMS
層7 ο
[0019]第六步:如圖7所示，將PDMS層7從第二凹槽中取出，PDMS層的表面具有金字塔微結(jié)構(gòu)。
[0020]第七步:如圖8所示，在PDMS層7表面轉(zhuǎn)移附著一氧化石墨烯薄膜層，氧化石墨烯薄膜層形狀與PDMS層表面一致。即形成帶有金字塔微結(jié)構(gòu)的氧化石墨烯薄膜層。
[0021 ]第八步:如圖9所示，對氧化石墨烯薄膜層進(jìn)行降解，最終在PDMS層7表面生成氧化還原石墨烯薄膜層6。
[0022]第九步:如圖10所示，取一硅襯底I，在硅襯底I上下兩個表面分別淀積一氮化硅層2。
[0023]第十步:如圖11所示，在硅襯底I背部首先通過光刻刻蝕掉一部分氮化硅，然后，如圖12所示，對硅襯底I進(jìn)行各向異性刻蝕，隨后，如圖13所示，去除背部的氮化硅層，用玻璃3進(jìn)行陽極鍵合，形成空腔101。
[0024]第十一步:如圖14所示，將第八步形成的PDMS層7和氧化還原石墨烯薄膜層6的結(jié)構(gòu)置于第十步制成的硅襯底I上方，且氧化還原石墨烯薄膜層6連接在硅襯底I的氮化硅層2上，且位于空腔101上方。
[0025]第十二步:如圖15所示，去除PDMS層7，并通過電子束濺射金屬并圖形化，形成金屬電極5。
[0026]上述實(shí)施例的方法制備的壓阻式壓力傳感器，采用氧化還原石墨烯材料作為感壓敏感部件，同時在結(jié)構(gòu)上，為了進(jìn)一步提高靈敏度而采用了具有金字塔微結(jié)構(gòu)的氧化還原石墨烯膜。
[0027]上述實(shí)施例，感應(yīng)薄膜4同時結(jié)合了石墨烯材料以及有序的微結(jié)構(gòu)的優(yōu)良特性，使壓力傳感器具有良好的靈敏度。
[0028]以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理、主要特征和優(yōu)點(diǎn)。本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本發(fā)明不受上述具體實(shí)施例的限制，上述具體實(shí)施例和說明書中的描述只是為了進(jìn)一步說明本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā)明還會有各種變化和改進(jìn)，這些變化和改進(jìn)都落入要求保護(hù)的本發(fā)明范圍內(nèi)。本發(fā)明要求保護(hù)的范圍由權(quán)利要求書及其等效物界定。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種高靈敏度壓阻式壓力傳感器，其特征在于，該壓阻式壓力傳感器包括硅襯底(I)、氮化硅層(2)、玻璃(3)、感應(yīng)薄膜層(4)和金屬電極(5);其中， 硅襯底(I)中設(shè)有空腔(101)，硅襯底(I)的底面與玻璃(3)鍵合，氮化硅層(2)生長在襯底(I)的頂面;感應(yīng)薄膜層(4 )固定連接氮化娃層(2 )的頂面，兩個金屬電極(5 )固定連接在感應(yīng)薄膜層(4)上。2.按照權(quán)利要求1所述的高靈敏度壓阻式壓力傳感器，其特征在于，所述的感應(yīng)薄膜(4)為氧化還原石墨稀材料制成。3.按照權(quán)利要求1所述的高靈敏度壓阻式壓力傳感器，其特征在于，所述的感應(yīng)薄膜(4)為呈陣列排布的金字塔形。4.按照權(quán)利要求1所述的高靈敏度壓阻式壓力傳感器，其特征在于，所述的感應(yīng)薄膜(4)位于空腔(101)上方。5.—種權(quán)利要求1所述的高靈敏度壓阻式壓力傳感器的制備方法，其特征在于，該制備方法包括如下步驟: 第一步，在娃襯底(I)上淀積一層氮化娃層(2); 第二步，對氮化硅層(2)圖形化，形成第一凹槽； 第三步，采用各向異性腐蝕法從氮化硅層(2)的凹槽處腐蝕，在硅襯底(I)上刻蝕出金字塔結(jié)構(gòu)的第二凹槽； 第四步，采用化學(xué)腐蝕法，將位于硅襯底(I)上的氮化硅層(2)腐蝕； 第五步:將有機(jī)材料PDMS置入第二凹槽中，并且有機(jī)材料PDMS覆蓋硅襯底(I)上方，形成PDMS層(7); 第六步:將PDMS層(7)從第二凹槽中取出，PDMS層的表面具有金字塔微結(jié)構(gòu)； 第七步:在PDMS層(7)表面轉(zhuǎn)移附著一氧化石墨烯薄膜層，氧化石墨烯薄膜層形狀與PDMS層表面一致； 第八步:對氧化石墨烯薄膜層進(jìn)行降解，最終在PDMS層(7)表面生成氧化還原石墨烯薄膜層(6)； 第九步:取一硅襯底(I )，在硅襯底(I)上下兩個表面分別淀積一氮化硅層(2); 第十步:在硅襯底(I)背部首先通過光刻刻蝕掉一部分氮化硅，然后，對硅襯底(I)進(jìn)行各向異性刻蝕，隨后，去除背部的氮化硅層，用玻璃(3)進(jìn)行陽極鍵合，形成空腔(101); 第十一步:將第八步形成的PDMS層(7)和氧化還原石墨烯薄膜層(6)的結(jié)構(gòu)置于第十步制成的硅襯底(I)上方，且氧化還原石墨烯薄膜層(6)連接在硅襯底(I)的氮化硅層(2)上，且位于空腔(101)上方； 第十二步:去除PDMS層(7)，并通過電子束濺射金屬并圖形化，形成金屬電極(5)。
【文檔編號】B81B3/00GK106017751SQ201610353494
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年5月25日
【發(fā)明人】聶萌, 夏云漢, 黃慶安
【申請人】東南大學(xué)