CN107702821A - 一种金刚石薄膜深海温度传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种金刚石薄膜深海温度传感器，包括一端密封的筒状金属耐压外壳，所述金属耐压外壳内纵向设有片状金刚石基底，所述金刚石基底一侧设有温度响应元件，所述温度响应元件为双螺旋线状结构，所述温度响应元件两端设有与外部信号采集电路连接的引线，所述温度响应元件和引线表面覆盖有陶瓷或类金刚石绝缘层，所述陶瓷或类金刚石绝缘层与金属耐压外壳接触；所述温度响应元件为硼掺杂金刚石薄膜材料，同时公开了该温度传感器的制备方法，本发明所公开的深海温度传感器响应速度快、结构稳定、不受外界海水压力的影响。
Description
技术领域
本发明涉及一种深海温度传感器，特别涉及一种金刚石薄膜深海温度传感器及其制备方法。
背景技术
深海水域海水温度的快速测量，是表征海水水团边界，反映水体动力现象的重要参数。深海温度传感器也是探索、研究深海黑烟囱等高温热液活动区的重要手段。现有的海洋用温度传感器响应速度慢，对海水温度的快速变化难以测量。
现阶段，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，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。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。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种金刚石薄膜深海温度传感器及其制备方法，以达到响应速度快、结构稳定、不受外界海水压力影响的目的。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种金刚石薄膜深海温度传感器，包括一端密封的筒状金属耐压外壳，所述金属耐压外壳内纵向设有片状金刚石基底，所述金刚石基底一侧设有温度响应元件，所述温度响应元件为双螺旋线状结构，所述温度响应元件两端设有与外部信号采集电路连接的引线，所述温度响应元件和引线表面覆盖有陶瓷或类金刚石绝缘层，所述陶瓷或类金刚石绝缘层与金属耐压外壳接触；所述温度响应元件为硼掺杂金刚石薄膜材料。
上述方案中，所述金刚石基底的厚度为毫米级别。
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.％。
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。
上述方案中，所述金刚石基底为金刚石薄膜晶粒尺寸为100纳米～100微米的多晶及2～5nm的超细纳米晶金刚石薄膜。
上述方案中，所述金刚石基底的两侧边与金属耐压外壳的内壁固定连接。
一种金刚石薄膜深海温度传感器的制备方法，包括如下步骤：
(1)利用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硼掺杂金刚石温度响应元件；
(3)利用磁控溅射技术依次制备引线、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引线密封，仅预留引线与测量电路的焊接位置，使陶瓷或类金刚石绝缘层与金属耐压外壳接触。
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。
通过上述技术方案，本发明提供的金刚石薄膜深海温度传感器采用硼掺杂金刚石薄膜材料作为温度响应元件，其阻值的改变能够反映测量温度的变化；金刚石绝缘层是在金刚石薄膜温度响应元件表面制作的绝缘层，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；金属耐压外壳，是保护温度响应元件及引线不受外界压力影响的金属耐压结构。
利用半导体的硼掺杂金刚石薄膜作为温度响应元件，响应速度快，信号传输稳定，能够满足水下滑翔机等高速移动载体、黑烟囱等海洋高温流体的快速识别等应用需求。金刚石与类金刚石薄膜，具有导热系数高、比热容小，能提高温度传导速度。同时，金刚石基底具有极低的摩擦系数，高的结构强度，在与金属耐压外壳接触过程中，能够承受压力加载所产生的挤压、摩擦等机械作用，而不影响温度响应元件的测量，从而保证测量结果的准确性。
附图说明
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。
图1为本发明实施例所公开的一种金刚石薄膜深海温度传感器俯视图；
图2为本发明实施例所公开的金刚石薄膜深海温度传感器纵向剖面图；
图3为本发明实施例所公开的金刚石薄膜深海温度传感器立体图；
图4为本发明实施例所公开的金刚石薄膜深海温度传感器制备工艺流程示意图。
图中，1、金属耐压外壳；2、金刚石基底；3、温度响应元件；4、引线；5、陶瓷或类金刚石绝缘层；6、掩膜板；7、二氧化硅层；8、光刻胶。
具体实施方式
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。
本发明提供了一种金刚石薄膜深海温度传感器，如图1和图2所示，该温度传感器响应速度快，信号传输稳定，能够满足水下滑翔机等高速移动载体、黑烟囱等海洋高温流体的快速识别等应用需求。
如图1至图3所示的金刚石薄膜深海温度传感器，包括一端密封的筒状金属耐压外壳1，金属耐压外壳1内纵向设有片状金刚石基底2，金刚石基底2的厚度为毫米级别。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。金刚石基底2为金刚石薄膜晶粒尺寸为100纳米～100微米的多晶及2～5nm的超细纳米晶金刚石薄膜。金刚石基底2的两侧边与金属耐压外壳1的内壁固定连接。
金刚石基底2一侧设有温度响应元件3，温度响应元件3为双螺旋线状结构，温度响应元件3为硼掺杂金刚石薄膜材料，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3两端设有与外部信号采集电路连接的引线4，温度响应元件3和引线4表面覆盖有陶瓷或类金刚石绝缘层5，陶瓷或类金刚石绝缘层5与金属耐压外壳1接触。
一种金刚石薄膜深海温度传感器的制备方法，包括如下步骤：
(1)利用化学气相沉积技术制备金刚石基底2；
(2)利用化学气相沉积技术制备硼掺杂金刚石温度响应元件3；
参见图4，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6进行紫外光刻，在光刻胶8上刻蚀出所需图形；移走掩膜板6，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；
(3)利用磁控溅射技术依次制备引线4、陶瓷或类金刚石绝缘层5，通过陶瓷或类金刚石绝缘层5将温度响应元件3和引线4密封，仅预留引线4与测量电路的焊接位置，使陶瓷或类金刚石绝缘层5与金属耐压外壳1接触。
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。
Claims (8)
1.一种金刚石薄膜深海温度传感器，其特征在于，包括一端密封的筒状金属耐压外壳，所述金属耐压外壳内纵向设有片状金刚石基底，所述金刚石基底一侧设有温度响应元件，所述温度响应元件为双螺旋线状结构，所述温度响应元件两端设有与外部信号采集电路连接的引线，所述温度响应元件和引线表面覆盖有陶瓷或类金刚石绝缘层，所述陶瓷或类金刚石绝缘层与金属耐压外壳接触；所述温度响应元件为硼掺杂金刚石薄膜材料。
2.根据权利要求1所述的一种金刚石薄膜深海温度传感器，其特征在于，所述金刚石基底的厚度为毫米级别。
3.根据权利要求1所述的一种金刚石薄膜深海温度传感器，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.％。
4.根据权利要求1所述的一种金刚石薄膜深海温度传感器，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。
5.根据权利要求4所述的一种金刚石薄膜深海温度传感器，其特征在于，所述金刚石基底为金刚石薄膜晶粒尺寸为100纳米～100微米的多晶及2～5nm的超细纳米晶金刚石薄膜。
6.根据权利要求1所述的一种金刚石薄膜深海温度传感器，其特征在于，所述金刚石基底的两侧边与金属耐压外壳的内壁固定连接。
7.一种如权利要求1所述的金刚石薄膜深海温度传感器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)利用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硼掺杂金刚石温度响应元件；
(3)利用磁控溅射技术依次制备引线、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引线密封，仅预留引线与测量电路的焊接位置，使陶瓷或类金刚石绝缘层与金属耐压外壳接触。
8.根据权利要求7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。
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