一种基于金刚石薄膜的全海深温度传感器及其制备方法

摘要

本发明公开了一种基于金刚石薄膜的全海深温度传感器，包括管状的金属外壳，所述金属外壳顶端设有金刚石基底，所述金属外壳内部位于金刚石基底上设有硼掺杂金刚石薄膜材料制成的温度响应元件，所述温度响应元件的两端设有电极引线，所述温度响应元件和电极引线表面覆盖有陶瓷或类金刚石绝缘层；所述金属外壳和金刚石基底的连接处设有密封圈，同时还公开了该温度传感器的制备方法，本发明所公开的温度传感器体积小、响应速度快、分辨率高、结构稳定、测量不受外界海水压力影响。

权利要求

1.一种基于金刚石薄膜的全海深温度传感器，其特征在于，包括管状的金属外壳，所述金属外壳顶部设有金刚石基底，所述金属外壳内部位于金刚石基底上设有硼掺杂金刚石薄膜材料制成的温度响应元件，所述温度响应元件的两端设有电极引线，所述温度响应元件和电极引线表面覆盖有陶瓷或类金刚石绝缘层；所述金属外壳和金刚石基底的连接处设有密封圈。

2.根据权利要求1所述的一种基于金刚石薄膜的全海深温度传感器，其特征在于，所述金刚石基底位于金属外壳顶部内侧或外侧。

3.根据权利要求1所述的一种基于金刚石薄膜的全海深温度传感器，其特征在于，所述温度响应元件形状为栅状。

4.根据权利要求1所述的一种基于金刚石薄膜的全海深温度传感器，其特征在于，所述金刚石基底的厚度为毫米级别。

5.根据权利要求3所述的一种基于金刚石薄膜的全海深温度传感器，其特征在于，所述温度响应元件薄膜中硼的掺杂浓度范围为0～5at.％。

6.根据权利要求1所述的一种基于金刚石薄膜的全海深温度传感器，其特征在于，所述金刚石基底材料为本征单晶金刚石、多晶微晶金刚石、超细纳米晶本征金刚石、本征金刚石/碳化硅复合膜、掺杂金刚石/氮化铝膜中的一种或者几种的复合薄膜或者多层膜结构。

7.根据权利要求1所述的一种基于金刚石薄膜的全海深温度传感器，其特征在于，所述密封圈为类金刚石表面改性的密封圈。

8.根据权利要求1所述的一种基于金刚石薄膜的全海深温度传感器，其特征在于，所述温度响应元件为环形或螺旋形。

9.一种如权利要求1所述的基于金刚石薄膜的全海深温度传感器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)利用高温高压或者化学气相沉积技术制备金刚石基底；

(2)利用化学气相沉积技术制备温度响应元件；

(3)利用磁控溅射技术依次制备电极引线、陶瓷或类金刚石绝缘层，通过陶瓷或类金刚石绝缘层将温度响应元件和电极引线密封，仅预留电极引线与测量电路的焊接位置；

(4)利用类金刚石表面改性密封圈将载有温度响应元件的金刚石基底固定在金属外壳上，确保水密性。

10.根据权利要求9所述的一种基于金刚石薄膜的全海深温度传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)的具体方法为在金刚石基底上依次沉积二氧化硅层和光刻胶；利用掩膜板进行紫外光刻，在光刻胶上刻蚀出所需图形；移走掩膜板，利用氢氟酸对二氧化硅层进行刻蚀，并露出金刚石基底；利用氧气等离子体清洗，结合双氧水和硫酸清洗工艺去除光刻胶；利用化学气相沉积技术，在金刚石基底具有二氧化硅层的一侧进行温度响应元件的沉积。

说明书

一种基于金刚石薄膜的全海深温度传感器及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种温度传感器，特别涉及一种基于金刚石薄膜的全海深温度传感器的制备方法。

背景技术

[0002] 温度是海洋的最基本的水文动力学参数之一，也是获取盐度等海洋物理参量的必需参数，海洋水体交换及水汽交换的重要影响因素。海水温度的高精度快速测量，探索海洋内波、研究深海黑烟囱等高温热液活动区的重要手段。

[0003] 现阶段，特别是工作水深超过4000m的温度传感器，通用的海洋温度传感器采用铂电阻作为温度响应元件，利用氧化铝、氮化铝等陶瓷材料作为基底，温度响应元件裸露或者利用玻璃等进行绝缘封装，温度响应元件与金属外壳之间无直接接触，与外壳、温度响应元件等金属材料相比这些材料的热导率低，比热容高，将降低温度响应元件的响应速度，对海水温度的快速变化难以捕获，难以满足快速测量和水下移动平台的应用需要。海鸟SBE39plus温度传感器，在深海使用时，需要钛合金外壳保护，其温度响应常数高达25秒。专利申请号：CN200920164155.3涉及一种利用蜂窝状保护管结合片状铂电阻的快速响应温度传感器。专利申请号：CN200420055437.7涉及一种绝缘隔板，固定并防止温度响应元件变形，但是该方式降低了传感器的响应速度。专利申请号：CN201020107919.8涉及耐高压快速响应温度传感器，提出在测温探针内部利用导热介质填充微型热敏电阻的方式，提高温度测量的响应速度，然而，介质的增加通常导致系统比热容的增加，降低对温度变化的敏感性和响应速度。发明申请号：CN201510236552.7涉及一种高灵敏度薄膜型电阻温度传感器及制造方法，提出利用薄壁结构提高温度传感器响应速度，然而，该结构难以避免压力对温度响应元件的影响，并且在深海水域，该传感结构需要进一步强化。

发明内容

[0004] 为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于金刚石薄膜的全海深温度传感器的制备方法，以达到体积小、响应速度快、分辨率高、结构稳定、测量不受外界海水压力影响的目的。

[0005] 为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

[0006] 一种基于金刚石薄膜的全海深温度传感器，包括管状的金属外壳，所述金属外壳顶部设有金刚石基底，所述金属外壳内部位于金刚石基底上设有硼掺杂金刚石薄膜材料制成的温度响应元件，所述温度响应元件的两端设有电极引线，所述温度响应元件和电极引线表面覆盖有陶瓷或类金刚石绝缘层；所述金属外壳和金刚石基底的连接处设有密封圈。

[0007] 上述方案中，所述金刚石基底位于金属外壳顶部内侧或外侧。

[0008] 上述方案中，所述温度响应元件形状为栅状。

[0009] 上述方案中，所述金刚石基底的厚度为毫米级别。

[0010] 上述方案中，所述温度响应元件薄膜中硼的掺杂浓度范围为0～5at.％。

[0011] 上述方案中，所述金刚石基底材料为本征单晶金刚石、多晶微晶金刚石、超细纳米晶本征金刚石、本征金刚石/碳化硅复合膜、掺杂金刚石/氮化铝膜中的一种或者几种的复合薄膜或者多层膜结构。

[0012] 上述方案中，所述密封圈为类金刚石表面改性的密封圈。

[0013] 上述方案中，所述温度响应元件为环形或螺旋形。

[0014] 一种基于金刚石薄膜的全海深温度传感器的制备方法，包括如下步骤：

[0015] (1)利用高温高压或者化学气相沉积技术制备金刚石基底；

[0016] (2)利用化学气相沉积技术制备温度响应元件；

[0017] (3)利用磁控溅射技术依次制备电极引线、陶瓷或类金刚石绝缘层，通过陶瓷或类金刚石绝缘层将温度响应元件和电极引线密封，仅预留电极引线与测量电路的焊接位置；

[0018] (4)利用类金刚石表面改性密封圈将载有温度响应元件的金刚石基底固定在金属外壳上，确保水密性。

[0019] 上述方案中，所述步骤(2)的具体方法为在金刚石基底上依次沉积二氧化硅层和光刻胶；利用掩膜板进行紫外光刻，在光刻胶上刻蚀出所需图形；移走掩膜板，利用氢氟酸对二氧化硅层进行刻蚀，并露出金刚石基底；利用氧气等离子体清洗，结合双氧水和硫酸清洗工艺去除光刻胶；利用化学气相沉积技术，在金刚石基底具有二氧化硅层的一侧进行温度响应元件的沉积。

[0020] 通过上述技术方案，本发明提供的基于金刚石薄膜的全海深温度传感器的金刚石基底，是利用高温高压方法或者化学气相沉积方法制备的绝缘自支撑金刚石薄膜，作为沉积金刚石薄膜温度响应元件的基底；金刚石薄膜温度响应元件，是具有热阻效应的硼掺杂金刚石薄膜制作的温度响应元件，通过阻值的改变反映测量温度的变化；电极引线是将金刚石薄膜温度响应元件接入信号采集电路的高熔点金属线；陶瓷或类金刚石绝缘层是在金刚石薄膜温度响应元件和电极引线表面制作的绝缘层，防止硼掺杂金刚石薄膜的温度响应元件的阻值受外界电阻、压力等的影响；金属外壳，是支持金刚石基底、保护引线及信号测量不受外界压力影响的金属管状结构。

[0021] 金刚石机械强度高，抗压能力强，在作为基底的同时，具有导热系数高，绝缘性能优异，比热容与金属接近等特点，是绝佳的海洋温度传感器基底和绝缘材料。硼掺杂金刚石薄膜的电阻率温度系数高，容易制备成型，作为温度响应元件具备高的温度测量精度和响应速度。本发明以硼掺杂金刚石薄膜作为温度响应元件、厚度为毫米级别的金刚石薄膜作为基底、温度响应元件直接与金刚石基底连接的全海深温度传感器，具有体积小、响应速度快、分辨率高、结构稳定、测量不受外界海水压力影响的特点。

附图说明

[0022] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

[0023] 图1为本发明实施例所公开的一种基于金刚石薄膜的全海深温度传感器立体示意图；

[0024] 图2为本发明实施例一所公开的基于金刚石薄膜的全海深温度传感器剖面示意图；

[0025] 图3为本发明实施例二所公开的基于金刚石薄膜的全海深温度传感器剖面示意图；

[0026] 图4为本发明实施例三所公开的基于金刚石薄膜的全海深温度传感器立体示意图；

[0027] 图5为本发明实施例三所公开的基于金刚石薄膜的全海深温度传感器剖面示意图；

[0028] 图6为本发明实施例所公开的基于金刚石薄膜的全海深温度传感器制备工艺流程示意图。

[0029] 图中，1、金属外壳；2、金刚石基底；3、温度响应元件；4、电极引线；5、陶瓷或类金刚石绝缘层；6、密封圈；7、二氧化硅层；8、光刻胶；9、掩膜板。

具体实施方式

[0030] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

[0031] 本发明提供了一种基于金刚石薄膜的全海深温度传感器，如图1所示，该温度传感器体积小、响应速度快、分辨率高、结构稳定、测量不受外界海水压力影响，尤其适合深海探测。

[0032] 如图1所示，本发明公开的基于金刚石薄膜的全海深温度传感器，包括管状的金属外壳1，金属外壳1顶部设有金刚石基底2，金刚石基底2的厚度为毫米级别。

[0033] 如图2所示，本发明实施例一中的金刚石基底2位于管状金属外壳1内部，温度响应元件3为环形。

[0034] 如图3所示，本发明实施例二中，金刚石基底2位于管状金属外壳1的外部，温度响应元件3为环形。

[0035] 为实现深海高水压探测，本发明实施例三中如图4和图5所示，使用柱状实体金属支撑，金刚石基底2位于柱状实体金属外壳1外部，柱状实体金属轴线处打一细孔供电极引线4，温度响应元件3为螺旋形。

[0036] 金刚石基底2材料为本征单晶金刚石、多晶微晶金刚石、超细纳米晶本征金刚石、本征金刚石/碳化硅复合膜、掺杂金刚石/氮化铝膜中的一种或者几种的复合薄膜或者多层膜结构。

[0037] 金属外壳1内部位于金刚石基底2上设有环形或螺旋形的硼掺杂金刚石薄膜材料制成的温度响应元件3，温度响应元件3薄膜中硼的掺杂浓度范围为0～5at.％，温度响应元件3形状为栅状。

[0038] 温度响应元件3的两端设有电极引线4，温度响应元件3和电极引线4表面覆盖有陶瓷或类金刚石绝缘层5；金属外壳1和金刚石基底2的连接处设有密封圈6，密封圈6为类金刚石表面改性的密封圈。

[0039] 上述基于金刚石薄膜的全海深温度传感器的制备方法，包括如下步骤：

[0040] (1)利用高温高压或者化学气相沉积技术制备金刚石基底2；

[0041] (2)利用化学气相沉积技术制备温度响应元件3；

[0042] 参见图6，具体方法为：在金刚石基底2上依次沉积二氧化硅层7和光刻胶8；利用掩膜板9进行紫外光刻，在光刻胶8上刻蚀出所需图形；移走掩膜板9，利用氢氟酸对二氧化硅层7进行刻蚀，并露出金刚石基底2；利用氧气等离子体清洗，结合双氧水和硫酸清洗工艺去除光刻胶8；利用化学气相沉积技术，在金刚石基底2具有二氧化硅层7的一侧进行温度响应元件3的沉积；

[0043] (3)在金刚石薄膜温度响应元件3的表面沉积电极引线4，电极引线4与外部连接后，利用磁控溅射方法在金刚石薄膜温度响应元件3和电极引线4表面沉积陶瓷或类金刚石绝缘层5；

[0044] (4)利用类金刚石表面改性密封圈6将载有温度响应元件3的金刚石基底2固定在金属外壳1上，确保水密性。

[0045] 对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。