专利摘要

一种基于十字梁结构的石墨烯高压压力传感器，包括：封装外壳，封装外壳内侧底部设置安装槽；膜片，膜片设置在封装外壳的顶部；基座，基座设置在安装槽内；基片，基片设置在基座上，基片中心开设有方形孔，方形孔上设置有十字梁，十字梁与基片的连接处均设置有石墨烯压阻结；凸柱，凸柱一端连接在膜片底部，凸柱另一端与十字梁中心连接。本实用新型在硅结构基片和不锈钢膜片基本架构上，采用十字梁结构最大程度提高了压力测量范围，最大程度利用石墨烯压阻结的压敏特性，灵敏度进一步提高，同时将器件承受温度提高至300℃，高温高压下测量优势明显，再通过压阻结桥路的过滤，成为应用于动态、静态高温高压环境下十分理想的高温压力传感器。

权利要求

1.一种基于十字梁结构的石墨烯高压压力传感器，其特征在于，包括：

封装外壳(1)，所述封装外壳(1)内侧底部设置有安装槽；

膜片(3)，所述膜片(3)设置在所述封装外壳(1)的顶部；

基座(13)，所述基座(13)设置在所述安装槽内；

基片(4)，所述基片(4)设置在所述基座(13)上，所述基片(4)中心开设有方形孔，所述方形孔上设置有十字梁，所述十字梁(11)与所述基片(4)的连接处均设置有石墨烯压阻结(10)；

凸柱(2)，所述凸柱(2)一端连接在所述膜片(3)底部，所述凸柱(2)另一端与所述十字梁(11)中心连接。

2.根据权利要求1所述的基于十字梁结构的石墨烯高压压力传感器，其特征在于，所述石墨烯压阻结(10)包括：纳米薄膜(12)和复合电极(9)，两个所述复合电极(9)分别与所述纳米薄膜(12)的两端电性连接，所述纳米薄膜(12)设置在所述十字梁(11)的上表面，所述纳米薄膜(12)靠近所述十字梁(11)与所述基片(4)的连接处设置，所述复合电极(9)设置在所述基片(4)上靠近所述纳米薄膜(12)的位置。

3.根据权利要求2所述的基于十字梁结构的石墨烯高压压力传感器，其特征在于，所述纳米薄膜(12)由上下两层氮化硼薄膜(15)以及夹在两层氮化硼薄膜(15)中间的石墨烯薄膜(16)构成，所述石墨烯薄膜(16)呈蛇形弯折结构，所述石墨烯薄膜(16)两端分别与所述复合电极(9)连接。

4.根据权利要求2所述的基于十字梁结构的石墨烯高压压力传感器，其特征在于，所述基片(4)上靠近所述复合电极(9)处均设有硅通孔(5)，所述基片(4)和所述基座(13)之间设置有多个互连焊盘(7)，所述互连焊盘(7)设置在所述硅通孔(5)底部，所述复合电极(9)通过硅通孔(5)与所述互连焊盘(7)电性连接。

5.根据权利要求4所述的基于十字梁结构的石墨烯高压压力传感器，其特征在于，所述互连焊盘(7)使所述基片(4)和基座(13)之间具有间隙。

6.根据权利要求1所述的基于十字梁结构的石墨烯高压压力传感器，其特征在于，所述基片(4)的外表面设置有氧化硅保护层(8)。

7.根据权利要求5所述的基于十字梁结构的石墨烯高压压力传感器，其特征在于，所述基座(13)上开设有多个安装孔，所述安装孔内设置有引线柱(14)，所述引线柱(14)底端设置有外部互连电极(6)，所述引线柱(14)一端通过布线与所述互连焊盘(7)电性连接，所述封装外壳(1)底部开设有让所述外部互连电极(6)外露的开口，用于与外部检测装置连接。

8.根据权利要求2所述的基于十字梁结构的石墨烯高压压力传感器，其特征在于，所述纳米薄膜(12)与外部电阻连接成二分之一惠斯通电桥，其中惠斯通电桥公式为U输出＝U输入*R1/(R1+R3)-U输入*R4/(R2+R4)，式中的R1、R3为压阻结的电阻值，R2、R4为阻值恒定的电阻。

9.根据权利要求1所述的基于十字梁结构的石墨烯高压压力传感器，其特征在于，所述膜片(3)为圆柱体，膜片(3)顶部中心设置有凹槽，所述凹槽截面呈倒梯形。

10.根据权利要求1所述的基于十字梁结构的石墨烯高压压力传感器，其特征在于，封装外壳(1)外部设置螺纹结构用于连接外部安装组件。

说明书

技术领域

本实用新型属于高压压力测量技术领域，具体涉及一种基于十字梁结构的石墨烯高压压力传感器。

背景技术

高压压力传感器广泛应用于爆炸场、冲击波、炮膛、油井钻探、深海探测、化工制药等领域的压力测量。但是传统压力传感器采用的是C型方膜结构，方膜结构具有制造工艺简单，灵敏度高等优点，当测量压力范围增大后，灵敏度将会受到很大影响，另外传统压力传感器采用的力敏电阻材料大多为硅材料，其在高温环境下性能不稳定。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种基于十字梁结构的石墨烯高压压力传感器，以解决上述背景技术中提出的传统压力传感器在当测量压力范围增大后，灵敏度将会受到很大影响，另外传统压力传感器在高温环境下性能不稳定的问题。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

一种基于十字梁结构的石墨烯高压压力传感器，包括：

封装外壳，所述封装外壳内侧底部设置有安装槽；

膜片，所述膜片设置在所述封装外壳的顶部；

基座，所述基座设置在所述安装槽内；

基片，所述基片设置在所述基座上，所述基片中心开设有方形孔，所述方形孔上设置有十字梁，所述十字梁与所述基片的连接处均设置有石墨烯压阻结；

凸柱，所述凸柱一端连接在所述膜片底部，所述凸柱另一端与所述十字梁中心连接。

可选地，所述石墨烯压阻结包括：纳米薄膜和复合电极，两个所述复合电极分别与所述纳米薄膜的两端电性连接，所述纳米薄膜设置在所述十字梁的上表面，所述纳米薄膜靠近所述十字梁与所述基片的连接处设置，所述复合电极设置在所述基片上靠近所述纳米薄膜的位置。

可选地，所述纳米薄膜由上下两层氮化硼薄膜以及夹在两层氮化硼薄膜中间的石墨烯薄膜构成，所述石墨烯薄膜呈蛇形弯折结构，所述石墨烯薄膜两端分别与所述复合电极连接。

可选地，所述基片上靠近所述复合电极处均设有硅通孔，所述基片和所述基座之间设置有多个互连焊盘，所述互连焊盘设置在所述硅通孔底部，所述复合电极通过硅通孔与所述互连焊盘电性连接。

可选地，所述互连焊盘使所述基片和基座之间具有间隙。

可选地，所述基片的外表面设置有氧化硅保护层。

可选地，所述基座上开设有多个安装孔，所述安装孔内设置有引线柱，所述引线柱底端设置有外部互连电极，所述引线柱一端通过布线与所述互连焊盘电性连接，所述封装外壳底部开设有让所述外部互连电极外露的开口，用于与外部检测装置连接。

可选地，所述纳米薄膜与外部电阻连接成二分之一惠斯通电桥，其中惠斯通电桥公式为U输出＝U输入*R1/(R1+R3)-U输入*R4/(R2+R4)，式中的R1、R3为压阻结的电阻值，R2、R4为阻值恒定的电阻。

可选地，所述膜片为圆柱体，膜片顶部中心设置有凹槽，所述凹槽截面呈倒梯形。

可选地，封装外壳外部设置螺纹结构用于连接外部安装组件。

本实用新型的有益效果在于：本实用新型在硅结构基片和不锈钢膜片基本架构上，采用十字梁结构最大程度提高了压力测量范围，使器件可承受400MPa下压强，最大程度利用了石墨烯压阻结的压敏特性，灵敏度进一步提高，同时将器件承受温度提高至300℃，对于现有技术，器件在高温高压下测量优势明显，再通过压阻结桥路的过滤，器件可成为应用于动态、静态高温高压环境下十分理想的高温压力传感器。

附图说明

图1为本实用新型外部结构示意图；

图2为本实用新型内部结构示意图；

图3为本实用新型基片的俯视图；

图4为本实用新型石墨烯压阻结的结构示意图；

图5为本实用新型纳米薄膜截面图；

图6为本实用新型的惠斯通电桥图；

图中：1-封装外壳；2-凸柱；3-膜片；4-基片；5-硅通孔；6-外部互连电极；7-互连焊盘；8-氧化硅保护层；9-复合电极；10-石墨烯压阻结；11-十字梁；12-纳米薄膜；13-基座；14-引线柱；15-氮化硼薄膜；16-石墨烯薄膜。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

如图1-2所示，一种基于十字梁结构的石墨烯高压压力传感器，包括：

封装外壳1，所述封装外壳1内侧底部设置有安装槽，封装外壳1外部设置螺纹结构用于连接外部安装组件，所述封装外壳1可以为正方形、长方形、圆形等不同形状，并不做具体限定，在本实施例及附图中，以圆柱体结构为例；

膜片3，所述膜片3设置在所述封装外壳1的顶部，所述膜片3可通过激光焊接连接在所述封装外壳1上，所述膜片3将所述封装外壳1顶部密封使封装外壳1的内部形成无氧真空环境，以起到保护内部结构作用；

基座13，所述基座13设置在所述安装槽内，所述基座13可选用压电陶瓷材料可使器件最大程度耐受100℃-300℃、100MPa-400MPa的高温高压环境；

基片4，所述基片4设置在所述基座13上，所述基片4中心开设有方形孔，所述方形孔上设置有十字梁，所述十字梁11与所述基片4的连接处均设置有石墨烯压阻结10；

凸柱2，所述凸柱2一端连接在所述膜片13底部，所述凸柱2另一端与所述十字梁11中心连接，所述凸柱2与十字梁11可通过金属键合连接，凸柱2用于传递膜片3所受到的压力，压强过高时，凸柱2具有缓冲、保护芯片内部结构作用。

如图2-3所示，所述十字梁11设置在所述基片4的方形孔上并位于方形孔的正中央，所述十字梁11的四个端部分别与所述方形孔的内壁连接，所述十字梁11的上表面与基片4的上表面位于同一水平面。传统的压力传感器多采用“C”型结构，为提高灵敏度这需要减薄弹性膜厚度，从而使非线性增大，与之相比，十字梁结构能够较大幅度减小中心挠度，使非线性误差减小，提高压力传感器灵敏度。

如图2-5所示，所述石墨烯压阻结10包括：纳米薄膜12和复合电极9，两个所述复合电极9分别与所述纳米薄膜12的两端电性连接，所述纳米薄膜12设置在所述十字梁11的上表面，所述纳米薄膜12靠近所述十字梁11与所述基片4的连接处设置，所述复合电极9设置在所述基片4上靠近所述纳米薄膜12的位置。所述十字梁11与所述基片4的连接处为十字梁11上表面应力最大地方，该处设置纳米薄膜12，可大大提高器件的灵敏度。

如图5所示，所述纳米薄膜12由上下两层氮化硼薄膜15以及夹在两层氮化硼薄膜15中间的石墨烯薄膜16构成，所述石墨烯薄膜16呈蛇形弯折结构，所述石墨烯薄膜16两端分别与所述复合电极9连接，由于纳米薄膜12设置十字梁11上表面应力最大地方，所述石墨烯薄膜16准确的感应到十字梁11的应变，可根据测量需要改变石墨烯薄膜16的折叠数目。

如图2所示，所述基片4上靠近所述复合电极9处均设有硅通孔5(即TSV)，所述基片4和所述基座13之间设置有多个互连焊盘7，所述互连焊盘7设置在所述硅通孔5底部，所述复合电极9通过硅通孔5与所述互连焊盘7电性连接，所述互连焊盘7使所述基片4和基座13之间具有间隙，互连焊盘7作为浸润层和阻挡层连接硅通孔5和引线柱14，主要用于阻止高温下金原子的扩散。

如图2所示，所述基片4的外表面设置有氧化硅保护层8，所述氧化硅保护层8作为硅材料掩模版布置在基片4外表面，用于防止键合金属材料泄露，保护基片4不受损坏。

如图2所示，所述基座13上开设有多个安装孔，所述安装孔内设置有引线柱14，所述引线柱14底端设置有外部互连电极6，所述引线柱14一端通过布线与所述互连焊盘7电性连接，所述封装外壳1底部开设有让所述外部互连电极6外露的开口，用于与外部检测装置连接，将石墨烯压阻结10受到压力变化产生的电学信号传输到外部检测装置。

如图6所示，所述纳米薄膜12与外部电阻连接成二分之一惠斯通电桥，其中惠斯通电桥公式为U输出＝U输入*R1/(R1+R3)-U输入*R4/(R2+R4)，式中的R1、R3为压阻结的电阻值，R2、R4为阻值恒定的电阻，阻值与压力为零时的R1、R3相等，压力为零时，U输出为0，当受到压力作用后，R1、R3电阻值增大，此时式中的减数增大，被减数减小，会大大提高测试的精度。

如图1-2所示，所述膜片3为圆柱体，膜片3顶部中心设置有凹槽，所述凹槽截面呈倒梯形，所述凹槽可通过金属加工工艺刻蚀形成，所述膜片3下表面的中心与所述凸柱2的一端连接。

本实用新型中，所述膜片3与凸柱2均可选用316L不锈钢材料，基片4可选用Si材料，封装外壳1可选用316L不锈钢材料。

本实用新型中的所述金属键合方式包括但不限定于Cu-Sn键合、Au-Sn键合、Cu-Cu键合或Au-Au键合。

本实用新型的工作原理及使用流程：本实用新型在使用时，外部压力作用于膜片3使其产生形变，压力传导至凸柱2，凸柱2产生位移又作用于十字梁11，十字梁11由于受到震动带动石墨烯压阻结10发生纵向形变，石墨烯压阻结10中的纳米薄膜12受到均布载荷作用后，石墨烯与氮化硼间的原子间距随之发生变化，使得石墨烯的能带打开能隙，从而影响到石墨烯的电导率，惠斯通电桥随之失去平衡，继而产生电学信号，通过检测电学信号并进行计算可获得传感器受到的压力大小。

以上所述的具体实施例，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施例而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

一种基于十字梁结构的石墨烯高压压力传感器专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。