无氧封装石墨烯压力传感器设计与实现

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石墨烯是一种新型的二维材料,其优秀的力学与电学性能,使其可以应用到压力传感器作为敏感单元。目前,石墨烯压力传感器已经取得了一定的研究成果,但大多面向低温和低量程,原因在于石墨烯易污染和高温有氧环境下易氧化,因此对于石墨烯的防护也就成为石墨烯压力传感器加工生产的一个关键技术。据此提出了一种采用Si Nx膜保护石墨烯,双重金属键合保证石墨烯处于无氧气密环境的石墨烯压力传感器制备方案。首先,设计了无氧封装石墨烯压力传感器的芯片结构,将芯片分为了三部分,各部分通过键合实现无氧封装互连,对键合结构和金属层进行了详细的设计,其次设计了传感器的加工工艺流程,并且利用软件绘制了配套的光刻版,最后设计了两种封装管壳应对不同的温度环境。然后,探究了传感器芯片的重点加工工艺,重点对硅弹性膜片的制备工艺、石墨烯的湿法转移及图形化工艺、Si Nx膜保护工艺、密封环和键合凸点制备工艺以及十字梁结构刻蚀工艺进行了探究,采用金属键合工艺实现传感器芯片各部分的无氧封装互连,通过纳米银将芯片焊接到封装管壳上,同时引线完成传感器的整体加工。最后,对得到的传感器样品进行了测试与表征。其中主要表征了石墨烯的转移质量、键合质量以及传感器的性能。通过光学显微镜观察石墨烯表面没有明显的缺陷存在,电学测试发现键合完成后的石墨烯电阻基本没有变化,石墨烯温度实验表明了石墨烯在高温下无氧气密封装的必要性。界面分析、剪切强度测试、气密性测试以及高温存储测试展现了优秀的键合质量,证明了双重键合封装可以使石墨烯在高温下长期处于无氧状态。器件的平均剪切强度在14.3 MPa,漏率高达1.72×10-4Pa·cm~3/s,在350℃高温存储(HTS)10 h后,器件的平均剪切强度和泄漏率也几乎保持不变。通过静态测试发现传感器在0~100 MPa的平均灵敏度为3.11Ω/MPa,并且具有高重复性,这表明了双重键合封装方式适用于石墨烯压力传感器,是实现石墨烯器件实用化,提升器件稳定性的有效方案。
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