中北大学在抗冲击型超高压压力传感器方面取得进展

在爆炸冲击波及火炮膛压等动压测试中，通常面临高温、高压、高冲击、强火光、强温度变化和强电离场等极端恶劣环境，压力峰值甚至达到10⁸ Pa量级，对压力传感器的量程上限、抗冲击能力、频率响应与长期可靠性都提出了极高要求。石墨烯作为二维材料，具备超高的拉伸应变、高电子迁移率、优异的耐高温性以及显著的压阻效应，是超高压传感领域的理想选择，但现有石墨烯压力传感器受芯片结构与封装形式制约，在高冲击极端场景的落地应用仍存在技术瓶颈。

据麦姆斯咨询报道，针对现有压力传感器在高温高压高冲击环境下应用受限的问题，中北大学研究团队设计了一种基于倒装结构的石墨烯超高压压力传感器，仿真结果表明，该传感器兼具测量范围大、灵敏度高、集成度高、可靠性强等特点，为抗冲击型超高压压力传感器的开发提供了可行的技术方案。相关研究成果发表在《舰船电子工程》期刊上。

这项研究提出的石墨烯超高压压力传感器芯片采用“钢膜+倒装硅膜”复合结构，旨在结合钢材的抗冲击性与硅膜的高集成度优势。其中硅膜设计为十字梁形式，钢膜下表面与倒装硅膜上表面的中心位置均设置凸柱，通过将倒装硅膜嵌入钢膜下表面，利用凸柱结构进行物理连接，外界压力可直接作用于钢膜上，进而通过凸柱传递至硅膜的十字梁结构，引起石墨烯敏感薄膜产生形变，并基于压阻效应将应变转化为电阻信号，最终通过惠斯通电桥转化为可测量的电压信号。

图1 压力传感器整体结构示意图

图2 芯片三维结构示意图

为了实现对0 ~ 200 MPa量程范围的高精度测量，研究团队利用ANSYS有限元仿真软件对芯片尺寸进行了系统优化。仿真结果表明，当钢膜实际厚度设定为0.6 mm、凸柱长度为1.2 μm时，传感器性能达到较优状态。在200 MPa的压力载荷下，该传感器芯片的最大应变可达3.59%，且工作频率达到279.33 kHz，表现出良好的动态响应特性。此外，为进一步提升灵敏度，研究团队对硅膜十字梁进行了尺寸优化（梁厚70 μm，梁长300 μm），并特别将石墨烯敏感电阻设计为“M”型。仿真分析显示，这一布局能够最大限度地覆盖十字梁上应变最大的区域，有效提升了传感器的灵敏度与输出线性度。

图3 不同钢膜厚度与凸柱长度下的最大应力（左）、最大挠度（右）

图4 不同十字梁长度与厚度下的最大应力（左）、硅膜应变（右）

图5 硅膜应变仿真图

图6 十字梁横梁轴线上的应变分布图

图7 石墨烯敏感电阻结构示意图

这项研究所设计的压力传感器芯片包括“钢膜”和“倒装硅膜”两部分，“钢膜”采用机械加工，通过车削和铣削传统加工工艺进行加工，并对钢膜带有凸柱的一面进行打磨，达到“镜面”效果，增强键合可靠性；“倒装硅膜”则通过微系统制造技术进行加工，包括光刻、干法刻蚀、磁控溅射等工艺。

图8 硅膜工艺流程示意图

综上所述，这项研究提出的基于倒装结构的石墨烯超高压压力传感器，通过对芯片结构进行优化设计，实现了超高压量程下的高灵敏度、高频响特性，为抗冲击型超高压压力传感器的开发提供了可行的技术方案。

论文信息：

DOI: 10.3969/j.issn.1672-9730.2025.09.044