專利名稱：一種具有納米SiC薄膜的壓力傳感器的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及壓力傳感器的設(shè)計(jì)與制造領(lǐng)域，尤其涉及一種具有納米SiC
薄膜的壓力傳感器的制備方法。
背景技術(shù)：
SiC是Si和C唯一穩(wěn)定的化合物。SiC晶體的機(jī)械性能僅次于金剛石。 其抗腐蝕性非常強(qiáng)，在1500°C以下幾乎不受作用于任何實(shí)驗(yàn)溶劑。常壓下不 能將其融化，大于2100°C時(shí)升華，分解為Si和C蒸汽。35個(gè)大氣壓下，2830°C 時(shí)發(fā)現(xiàn)SiC的轉(zhuǎn)熔點(diǎn)。SiC的飽和電子漂移速度是Si的2倍，其介電常數(shù)僅 高于金剛石，略高于GaN，均低于Si和GaAs等幾種常用的半導(dǎo)體材料。因 此SiC是一種非常好的半導(dǎo)體電子材料。300K時(shí)SiC的熱導(dǎo)率比GaAs高 8-10倍，擊穿場強(qiáng)大約是GaAs或Si的lO倍，而飽和電子漂移速度與GaAs相 同。這些優(yōu)越性是由于Si-C原子間短鍵可產(chǎn)生高頻晶格振動(dòng)。SiC晶體中光 學(xué)聲子的能量可高達(dá)100-120meV，從而導(dǎo)致高的飽和電子遷移率和高的熱導(dǎo) 率，它的熱導(dǎo)率僅次于金剛石，是GaN的4-5倍。SiC高擊穿場強(qiáng)與高的熱 導(dǎo)率的結(jié)合，使SiC器件的功率承受能力大大提高，在高溫大功率領(lǐng)域具有 廣闊的應(yīng)用前景。同時(shí)，寬禁帶可降低產(chǎn)生電荷數(shù)，這就決定了 SiC器件具 有微波特性，應(yīng)用在高頻器件具有很大潛力。
目前，壓力器件的制備主要是采用Si為材料來制備的，存在的問題是器 件耐高溫、抗輻射能力較差，使得器件的應(yīng)用受到了很大的限制。近年來世 界各國的許多科學(xué)工作者在該領(lǐng)域進(jìn)行了大量的探索，取得了很大的成果， 但問題仍然沒有徹底解決。納米碳化硅材料以其優(yōu)異的電學(xué)特性受到世人的 關(guān)注，如寬的禁帶寬度，大的熱導(dǎo)率，很高的硬度，很高的擊穿場強(qiáng)以及 飽和漂移速率等，特別是碳化硅材料的化學(xué)性能穩(wěn)定，在高溫、大功率、強(qiáng)抗輻射及藍(lán)光器件等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
但是，大面積均勻的納米SiC薄膜的的制備是該類傳感器制造的瓶頸。 目前，SiC薄膜的制備的方法有升華法生長(Sublimation Growth)、液相外延 (Liquid Phase Epitaxy)、化學(xué)氣相沉禾只(Chemical Vapor Deposition)、分子束 外延(Molecular Beam Epitaxy)、濺射沉積(Sputtering deposition)。但是這些 方法都不能得到大面積均勻的納米SiC薄膜。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供種一種具有納米SiC薄膜的壓力傳感器，使用納 米SiC薄膜作為壓力傳感材料，制作的壓力傳感器具有高的靈敏度，好的穩(wěn)
定性和長的使用壽命。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)。
一種具有納米SiC薄膜的壓力傳感器的制備方法，其特別征在于，包括下
列步驟
a、 制備納米SiC衆(zhòng)料
首先，分別研磨納米SiC、納米石墨，散開其團(tuán)聚體，再將納米石墨、納 米SiC、乙基纖維素按重量比用4:7:8比例混合作為溶質(zhì)，按重量比1:5至1:9 將溶質(zhì)加入松油醇溶劑中，超聲分散3-5小時(shí)后，加熱到340-380K溫度充分 攪拌，然后過400-450目篩，最后自然冷卻至室溫，得納米SiC漿料待用；
b、 制備陰極發(fā)射板
首先，選擇300-350目的金屬絲網(wǎng)或滌綸絲網(wǎng)，將納米SiC漿料絲網(wǎng)印刷 在基板上，再進(jìn)行熱燒結(jié)處理，然后在退火爐中，在氮?dú)獗Ｗo(hù)下，在溫度為 550K-580K、時(shí)間為15-20min條件下進(jìn)行退火，最后自然冷卻室溫，即得具
有納米SiC薄膜的陰極發(fā)射板；
c、 制備發(fā)射器件
首先，在陰極發(fā)射板的基板上粘貼彈性絕緣筒，彈性絕緣筒上粘貼與基 板平行的蓋板，基板、彈性絕緣筒、蓋板構(gòu)成密閉腔體，并抽真空，然后， 在蓋板和基板上分別引出正、負(fù)極引線；d、構(gòu)成傳感器
在發(fā)射器件的正、負(fù)極接入恒壓電源，恒壓電源的負(fù)極和發(fā)射器件的負(fù) 極之間接入電流表，所述電流表的電流值表征作用于蓋板與基板上的壓力值。
本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)和特點(diǎn)在于
所述制備納米SiC漿料步驟中，將乙基纖維素經(jīng)過研磨后，與納米SiC、
納米石墨混合。
所述制備陰極發(fā)射板步驟中，熱燒結(jié)處理時(shí)，先升溫至325K后保持25-30 分鐘，再升溫至450K后保持60-80分鐘，再次升溫至600K后保持90-100分 鐘，然后自然冷卻至室溫，得到燒結(jié)后薄膜，采用機(jī)械方法剝離燒結(jié)后薄膜 表面堆積的有機(jī)物，最后置于退火爐中退火；所述采用機(jī)械方法剝離燒結(jié)后 薄膜表面堆積的有機(jī)物，即用100pm-20(^m厚的聚四氟乙烯薄膜片劃剝燒結(jié) 后薄膜表面堆積的有機(jī)物，然后用微弱粘膠性的藍(lán)膜粘貼燒結(jié)后薄膜表面的 有機(jī)物，最后用風(fēng)力吹掉遺留的殘?jiān)?br> 所述制備發(fā)射器件步驟中，抽真空的真空度為10—4 10_5Pa。
所述基板為導(dǎo)電玻璃板或銅板，蓋板為銅板。
所述彈性絕緣筒由塑料熱傳導(dǎo)膠帶粘接而成。
本發(fā)明采用絲網(wǎng)印刷的方法制備具有納米SiC薄膜的陰極發(fā)射板，納米 SiC薄膜質(zhì)地均勻、面積大、成本低，適宜于制作大型發(fā)射器件；利用納米 SiC薄膜與電導(dǎo)率、熱導(dǎo)率很高的薄銅片制做的壓力傳感器，其電子發(fā)射效率 高，當(dāng)外力作用于薄銅片上時(shí)，塑料熱傳導(dǎo)膠帶厚度改變使發(fā)射器件的陰陽 極間距改變，微安電流表顯示的場發(fā)射電流也靈敏地改變，即微安電流表的 電流值表征作用于蓋板與基板上的壓力值；采用了電導(dǎo)率、熱導(dǎo)率很高的薄 銅片和塑料熱傳導(dǎo)膠帶，增加了壓力傳感器的穩(wěn)定性和使用壽命。同時(shí)，本 發(fā)明的壓力傳感器的制備方法簡單，容易實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)。
本發(fā)明制備納米SiC漿料時(shí)，分別研磨納米SiC、納米石墨，散開其團(tuán)聚 體。原因在于，納米顆粒容易團(tuán)聚成帶有若干弱連接界面的尺寸較大的團(tuán)聚體，這將影響納米SiC在薄銅片表面的均勻分布，從而影響電子發(fā)射的均勻 性，在漿料制備前分別將納米SiC和納米石墨進(jìn)行研磨，使其團(tuán)聚體散開粒
度變小。同時(shí)，對(duì)乙基纖維素進(jìn)行研磨，使其與納米金剛、納米石墨混合更 充分。
本發(fā)明的納米SiC薄膜的熱燒結(jié)曲線包括3個(gè)升溫階段、3個(gè)恒溫階段和 1個(gè)降溫階段。第一段的恒溫主要是烘干納米SiC薄膜；第二段的恒溫主要是 通過漿料本身的表面張力的作用而使納米SiC印刷層表面更加均勻和平整， 是一個(gè)自修飾過程，并使印刷層充分干燥；第三段的恒溫過程是為了使干燥 后的制漿材料在600K高溫下分解揮發(fā)。未經(jīng)熱燒結(jié)處理的印刷納米SiC薄膜 中制槳材料包圍在納米SiC晶體的周圍，所以必須對(duì)其進(jìn)行熱燒結(jié)處理。熱 燒結(jié)處理有兩個(gè)目的 一方面可以使薄膜干燥并牢固地粘結(jié)在襯底上，另一 方面可以使薄膜中所含制漿材料分解蒸發(fā)掉。如果制漿材料(乙基纖維素) 不能充分地將其分解蒸發(fā)掉，這些材料在印刷層干燥后會(huì)緊密地包裹在納米 SiC周圍，使之無法發(fā)射電子，因此必須在熱處理過程中加以去除，使納米 SiC微尖露出薄膜表面，有利于電子場發(fā)射。


圖1為本發(fā)明的具有納米SiC薄膜的壓力傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1:
具有納米SiC薄膜的壓力傳感器的制備方法，包括以下步驟
a、制備納米SiC漿料
首先，分別研磨納米SiC、納米石墨、乙基纖維素，散開其團(tuán)聚體，再將 納米石墨、納米SiC、乙基纖維素按重量比用4:7:8比例混合，充分?jǐn)嚢杈鶆颍?作為溶質(zhì)，按重量比1:5將溶質(zhì)加入松油醇溶劑中，加熱到380K溫度充分?jǐn)?拌，超聲分散3小時(shí)，然后過400目篩，最后自然冷卻至室溫，得納米SiC 漿料待用。b、 制備陰極發(fā)射板
首先，選擇350目的金屬絲網(wǎng)，將納米SiC漿料絲網(wǎng)印刷在導(dǎo)電玻璃板 (即基板)上，再進(jìn)行熱燒結(jié)處理。熱燒結(jié)處理時(shí)，先升溫至325K后保持 25分鐘，再升溫至450K后保持65分鐘，再次升溫至600K后保持100分鐘， 而后自然冷卻至室溫，得到燒結(jié)后薄膜，然后用100Hm-20(^m厚的聚四氟乙 烯薄膜片劃剝燒結(jié)后薄膜表面堆積的有機(jī)物，再用微弱粘膠性的藍(lán)膜粘貼燒 結(jié)后薄膜表面的有機(jī)物，隨后用風(fēng)力吹掉遺留的殘?jiān)捎脵C(jī)械方法剝離燒結(jié) 后薄膜表面堆積的有機(jī)物，最后置于退火爐中退火。
然后，在退火爐中，在氮?dú)獗Ｗo(hù)下，在溫度為580K、時(shí)間為15min條件
下進(jìn)行退火，最后自然冷卻室溫，即得具有納米SiC薄膜的陰極發(fā)射板。
c、 制備發(fā)射器件
首先，在陰極發(fā)射板的基板上粘貼彈性絕緣筒(由塑料熱傳導(dǎo)膠帶粘接 而成)，彈性絕緣筒上粘貼與基板平行的蓋板(蓋板為銅板)，基板、彈性絕 緣筒、蓋板構(gòu)成密閉腔體，并抽真空，然后在蓋板和基板上分別引出正、負(fù) 極引線。
d、 構(gòu)成傳感器
在發(fā)射器件的正、負(fù)極接入恒壓電源，恒壓電源的負(fù)極和發(fā)射器件的負(fù) 極之間接入電流表，所述電流表的電流值表征作用于蓋板與基板上的壓力值。
具有納米SiC薄膜的壓力傳感器的制備方法，包括以下步驟-
a、 制備納米SiC漿料
先分別研磨納米SiC、納米石墨、乙基纖維素，散開其團(tuán)聚體，再將納米 石墨、納米SiC、乙基纖維素按重量比用4:7:8比例混合，充分?jǐn)嚢杈鶆蜃鳛?溶質(zhì)，按重量比1:6將溶質(zhì)加入松油醇溶劑中，加熱到370K溫度充分?jǐn)嚢瑁?超聲分散4小時(shí)，然后過450目篩，納米SiC漿料自然冷卻至室溫待用。
b、 制備陰極發(fā)射板首先，選擇300目的金屬絲網(wǎng)，將納米SiC漿料絲網(wǎng)印刷在銅板(即基 板)上，再進(jìn)行熱燒結(jié)處理。熱燒結(jié)處理時(shí)，先升溫至325K后保持30分鐘， 再升溫至450K后保持75分鐘，再次升溫至600K后保持90分鐘，而后自然 冷卻至室溫，得到燒結(jié)后薄膜，然后用100Hm-200nm厚的聚四氟乙烯薄膜片 劃剝燒結(jié)后薄膜表面堆積的有機(jī)物，再用微弱粘膠性的藍(lán)膜粘貼燒結(jié)后薄膜 表面的有機(jī)物，隨后用風(fēng)力吹掉遺留的殘?jiān)捎脵C(jī)械方法剝離燒結(jié)后薄膜表 面堆積的有機(jī)物，最后置于退火爐中退火。
然后，在退火爐中，在氮?dú)獗Ｗo(hù)下，在溫度為570K、時(shí)間為18min條件
下進(jìn)行退火，最后自然冷卻室溫，即得具有納米SiC薄膜的陰極發(fā)射板。
c、 制備發(fā)射器件
首先，在陰極發(fā)射板的基板上粘貼彈性絕緣筒(由塑料熱傳導(dǎo)膠帶粘接 而成)，彈性絕緣筒上粘貼與基板平行的蓋板(蓋板為銅板)，基板、彈性絕 緣筒、蓋板構(gòu)成密閉腔體，并抽真空，然后在蓋板和基板上分別引出正、負(fù) 極引線。
d、 構(gòu)成傳感器
在發(fā)射器件的正、負(fù)極接入恒壓電源，恒壓電源的負(fù)極和發(fā)射器件的負(fù)極之 間接入電流表，所述電流表的電流值表征作用于蓋板與基板上的壓力值。 實(shí)施例3:
具有納米SiC薄膜的壓力傳感器的制備方法，包括以下步驟
a、 制備納米SiC漿料
首先，分別研磨納米SiC、納米石墨、乙基纖維素，散開其團(tuán)聚體，再將 納米石墨、納米SiC、乙基纖維素按重量比用4:7:8比例混合，充分?jǐn)嚢杈鶆颍?作為溶質(zhì)，按重量比1:8將溶質(zhì)加入松油醇溶劑中，加熱到350K溫度充分?jǐn)?拌，超聲分散5小時(shí)，然后過400目篩，最后自然冷卻至室溫，得納米SiC 漿料待用。
b、 制備陰極發(fā)射板
9首先，選擇350目的滌綸絲網(wǎng)，將納米SiC漿料絲網(wǎng)印刷在導(dǎo)電玻璃板 (即基板)上，再進(jìn)行熱燒結(jié)處理。熱燒結(jié)處理時(shí)，先升溫至325K后保持 30分鐘，再升溫至450K后保持80分鐘，再次升溫至600K后保持100分鐘， 而后自然冷卻至室溫，得到燒結(jié)后薄膜，然后用100^im-20(Him厚的聚四氟乙 烯薄膜片劃剝燒結(jié)后薄膜表面堆積的有機(jī)物，再用微弱粘膠性的藍(lán)膜粘貼燒 結(jié)后薄膜表面的有機(jī)物，隨后用風(fēng)力吹掉遺留的殘?jiān)捎脵C(jī)械方法剝離燒結(jié) 后薄膜表面堆積的有機(jī)物，最后置于退火爐中退火。
然后，在退火爐中，在氮?dú)獗Ｗo(hù)下，在溫度為560K、時(shí)間為20min條件
下進(jìn)行退火，最后自然冷卻室溫，即得具有納米SiC薄膜的陰極發(fā)射板。
c、 制備發(fā)射器件
首先，在陰極發(fā)射板的基板上粘貼彈性絕緣筒(由塑料熱傳導(dǎo)膠帶粘接 而成)，彈性絕緣筒上粘貼與基板平行的蓋板(蓋板為銅板)，基板、彈性絕 緣筒、蓋板構(gòu)成密閉腔體，并抽真空，然后在蓋板和基板上分別引出正、負(fù) 極引線。
d、 構(gòu)成傳感器
在發(fā)射器件的正、負(fù)極接入恒壓電源，恒壓電源的負(fù)極和發(fā)射器件的負(fù)極之 間接入電流表，所述電流表的電流值表征作用于蓋板與基板上的壓力值。
參見圖1，本發(fā)明的制備的一具有納米SiC薄膜的壓力傳感器，包括兩塊 平行的電導(dǎo)率、熱導(dǎo)率很高的薄銅片l，作為陰陽極，該兩片薄銅片l之間粘 貼有彈性絕緣條做成彈性絕緣筒3，構(gòu)成密封腔體，并抽真空。在陰極薄銅片 1上印刷有納米SiC薄膜2;陰陽極薄銅片1的正負(fù)極引線4分別引出壓力敏 傳感器外，負(fù)極引線上串接有微安表5，正負(fù)極引線之間接有伏特表6，正極 上串接有保護(hù)電阻7，正負(fù)極引線末端之間接在恒壓電源8上。將壓敏傳感器 的陰極接地，陽極加恒定電壓，使均勻分布在薄銅片1上的SiC微尖發(fā)射電 子，隨外力的變化彈性絕緣條的厚度改變使陰陽極間距變化，微安表顯示出 場發(fā)射電流變化量。即壓力的大小以發(fā)射電流變化量的大小感應(yīng)并傳出。
權(quán)利要求
1、一種具有納米SiC薄膜的壓力傳感器的制備方法，其特別征在于，包括下列步驟a、制備納米SiC漿料首先，分別研磨納米SiC、納米石墨，散開其團(tuán)聚體，再將納米石墨、納米SiC、乙基纖維素按重量比用4∶7∶8比例混合作為溶質(zhì)，按重量比1∶5至1∶9將溶質(zhì)加入松油醇溶劑中，加熱到340-380K溫度充分?jǐn)嚢?，超聲分?-5小時(shí)，然后過400-450目篩，最后自然冷卻至室溫，得納米SiC漿料待用；b、制備陰極發(fā)射板首先，選擇300-350目的金屬絲網(wǎng)或滌綸絲網(wǎng)，將納米SiC漿料絲網(wǎng)印刷在基板上，再進(jìn)行熱燒結(jié)處理，然后在退火爐中，在氮?dú)獗Ｗo(hù)下，在溫度為550K-580K、時(shí)間為15-20min條件下進(jìn)行退火，最后自然冷卻室溫，即得具有納米SiC薄膜的陰極發(fā)射板；c、制備發(fā)射器件首先，在陰極發(fā)射板的基板上粘貼彈性絕緣筒，彈性絕緣筒上粘貼與基板平行的蓋板，基板、彈性絕緣筒、蓋板構(gòu)成密閉腔體，并抽真空，然后，在蓋板和基板上分別引出正、負(fù)極引線；d、構(gòu)成傳感器在發(fā)射器件的正、負(fù)極接入恒壓電源，恒壓電源的負(fù)極和發(fā)射器件的負(fù)極之間接入電流表，所述電流表的電流值表征作用于蓋板與基板上的壓力值。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有納米SiC薄膜的壓力傳感器的制備方 法，其特別征在于，所述制備納米SiC漿料步驟中，將乙基纖維素經(jīng)過研磨 后，與納米SiC、納米石墨混合。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有納米SiC薄膜的壓力傳感器的制備方 法，其特別征在于，所述制備陰極發(fā)射板步驟中，熱燒結(jié)處理時(shí)，先升溫至 325K后保持25-30分鐘，再升溫至450K后保持60-80分鐘，再次升溫至600K后保持90-100分鐘，然后自然冷卻至室溫，得到燒結(jié)后薄膜，采用機(jī)械方法 剝離燒結(jié)后薄膜表面堆積的有機(jī)物，最后置于退火爐中退火。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種具有納米SiC薄膜的壓力傳感器的制備方 法，其特別征在于，所述采用機(jī)械方法剝離燒結(jié)后薄膜表面堆積的有機(jī)物， 即用100pm-200iim厚的聚四氟乙烯薄膜片劃剝燒結(jié)后薄膜表面堆積的有機(jī) 物，然后用微弱粘膠性的藍(lán)膜粘貼燒結(jié)后薄膜表面的有機(jī)物，最后用風(fēng)力吹 掉遺留的殘?jiān)?br> 5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有納米SiC薄膜的壓力傳感器的制備方 法，其特別征在于，所述制備發(fā)射器件步驟中，抽真空的真空度為1(T4 10—5 Pa。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有納米SiC薄膜的壓力傳感器的制備方 法，其特別征在于，所述基板為導(dǎo)電玻璃板或銅板，蓋板為銅板。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有納米SiC薄膜的壓力傳感器的制備方 法，其特別征在于，所述彈性絕緣筒由塑料熱傳導(dǎo)膠帶粘接而成。
全文摘要
本發(fā)明涉及壓力傳感器的設(shè)計(jì)與制造領(lǐng)域，公開了一種具有納米SiC薄膜的壓力傳感器的制備方法，具體包括以下步驟a、制備納米SiC漿料；b、制備陰極發(fā)射板；c、制備發(fā)射器件；d、構(gòu)成傳感器。本發(fā)明采用絲網(wǎng)印刷制備納米SiC薄膜，制作成本低，得到納米SiC薄膜面積大、均勻，制作的傳感器靈敏度高、穩(wěn)定性好、使用壽命長。
文檔編號(hào)B82B3/00GK101586992SQ20091002297
公開日2009年11月25日 申請日期2009年6月18日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月18日
發(fā)明者盧秉恒, 張秀霞, 魏舒怡 申請人:西安交通大學(xué)