[發明專利]一種金剛石薄膜深海溫度傳感器及其制備方法

在審

• 申請號: 201710957111.5
• 申請日: 2017-10-16
• 公開（公告）號: CN107702821A
• 公開（公告）日: 2018-02-16
• 發明（設計）人: 蓋志剛;郭風祥;張濤;張妹;邱慧敏;胡鼎;李恒;李正軍
• 申請（專利權）人: 山東省科學院海洋儀器儀表研究所
• 主分類號: G01K13/02
• 分類號: G01K13/02
• 代理公司: 青島華慧澤專利代理事務所(普通合伙)37247
• 代理人: 劉娜,李新欣

技術領域

本發明涉及一種深海溫度傳感器，特別涉及一種金剛石薄膜深海溫度傳感器及其制備方法。

背景技術

深海水域海水溫度的快速測量，是表征海水水團邊界，反映水體動力現象的重要參數。深海溫度傳感器也是探索、研究深海黑煙囪等高溫熱液活動區的重要手段。現有的海洋用溫度傳感器響應速度慢，對海水溫度的快速變化難以測量。

現階段，通用的海洋溫度傳感器采用鉑電阻作為溫度響應元件，利用氧化鋁、氮化鋁等陶瓷材料作為基底，溫度響應元件裸露或者利用玻璃等進行絕緣封裝，與外殼、溫度響應元件等金屬材料相比這些材料的熱導率低，比熱容高，將降低溫度響應元件的響應速度。海鳥SBE39plus溫度傳感器，在深海使用時，需要鈦合金外殼保護，其溫度響應常數高達25秒。專利[申請號：CN200920164155.3]涉及一種利用蜂窩狀保護管結合片狀鉑電阻的快速響應溫度傳感器。專利[申請號：CN200420055437.7]涉及一種絕緣隔板，固定并防止溫度響應元件變形，但是該方式降低了傳感器的響應速度。

發明內容

為解決上述技術問題，本發明提供了一種金剛石薄膜深海溫度傳感器及其制備方法，以達到響應速度快、結構穩定、不受外界海水壓力影響的目的。

為達到上述目的，本發明的技術方案如下：

一種金剛石薄膜深海溫度傳感器，包括一端密封的筒狀金屬耐壓外殼，所述金屬耐壓外殼內縱向設有片狀金剛石基底，所述金剛石基底一側設有溫度響應元件，所述溫度響應元件為雙螺旋線狀結構，所述溫度響應元件兩端設有與外部信號采集電路連接的引線，所述溫度響應元件和引線表面覆蓋有陶瓷或類金剛石絕緣層，所述陶瓷或類金剛石絕緣層與金屬耐壓外殼接觸；所述溫度響應元件為硼摻雜金剛石薄膜材料。

上述方案中，所述金剛石基底的厚度為毫米級別。

上述方案中，所述溫度響應元件薄膜中硼的摻雜濃度范圍為0～5at.％。

上述方案中，所述金剛石基底材料為本征單晶金剛石、多晶微晶金剛石、超細納米晶本征金剛石、本征金剛石/碳化硅復合膜、摻雜金剛石/氮化鋁膜中的一種或者幾種的復合薄膜或者多層膜結構。

上述方案中，所述金剛石基底為金剛石薄膜晶粒尺寸為100納米～100微米的多晶及2～5nm的超細納米晶金剛石薄膜。

上述方案中，所述金剛石基底的兩側邊與金屬耐壓外殼的內壁固定連接。

一種金剛石薄膜深海溫度傳感器的制備方法，包括如下步驟：

(1)利用化學氣相沉積技術制備金剛石基底；

(2)利用化學氣相沉積技術制備硼摻雜金剛石溫度響應元件；

(3)利用磁控濺射技術依次制備引線、陶瓷或類金剛石絕緣層，通過陶瓷或類金剛石絕緣層將溫度響應元件和引線密封，僅預留引線與測量電路的焊接位置，使陶瓷或類金剛石絕緣層與金屬耐壓外殼接觸。

上述方案中，所述步驟(2)的具體方法為在金剛石基底上依次沉積二氧化硅層和光刻膠；利用掩膜板進行紫外光刻，在光刻膠上刻蝕出所需圖形；移走掩膜板，利用氫氟酸對二氧化硅層進行刻蝕，并露出金剛石基底；利用氧氣等離子體清洗，結合雙氧水和硫酸清洗工藝去除光刻膠；利用化學氣相沉積技術，在金剛石基底具有二氧化硅層的一側進行溫度響應元件的沉積。

通過上述技術方案，本發明提供的金剛石薄膜深海溫度傳感器采用硼摻雜金剛石薄膜材料作為溫度響應元件，其阻值的改變能夠反映測量溫度的變化；金剛石絕緣層是在金剛石薄膜溫度響應元件表面制作的絕緣層，防止硼摻雜金剛石薄膜的溫度響應元件的阻值受外界電阻、壓力等的影響；金屬耐壓外殼，是保護溫度響應元件及引線不受外界壓力影響的金屬耐壓結構。

利用半導體的硼摻雜金剛石薄膜作為溫度響應元件，響應速度快，信號傳輸穩定，能夠滿足水下滑翔機等高速移動載體、黑煙囪等海洋高溫流體的快速識別等應用需求。金剛石與類金剛石薄膜，具有導熱系數高、比熱容小，能提高溫度傳導速度。同時，金剛石基底具有極低的摩擦系數，高的結構強度，在與金屬耐壓外殼接觸過程中，能夠承受壓力加載所產生的擠壓、摩擦等機械作用，而不影響溫度響應元件的測量，從而保證測量結果的準確性。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹。

圖1為本發明實施例所公開的一種金剛石薄膜深海溫度傳感器俯視圖；

圖2為本發明實施例所公開的金剛石薄膜深海溫度傳感器縱向剖面圖；