基于金刚石薄膜的快速响应的海水压力传感器及制备方法技术

技术编号:19685911 阅读:35 留言:0更新日期:2018-12-08 09:50
本发明专利技术属于海洋环境监测设备技术领域,涉及一种用于检测海水压力的传感器及其制备方法。基于金刚石薄膜的快速响应的海水压力传感器,包括底座、基底、绝缘层、压力敏感层、电极和防护层;所述基底位于底座的顶面,其内部形成有应力腔;所述绝缘层位于基底的顶面;所述压力敏感层位于绝缘层的顶面,为单晶或多晶硼掺杂金刚石材料,或硼掺杂金刚石与碳化硅、或硼掺杂金刚石与石墨材料构成的尺寸、结构、成分完全相同的四块薄膜;所述电极包括四个,分别设置在形成压力敏感层的四块薄膜上;防护层沉积在绝缘层的顶面,并将压力敏感层和电极封装在其内。本发明专利技术的海水压力传感器可以避免传感器结构失稳与信号漂移,提高传感器对海水压力响应的灵敏度和稳定性。

【技术实现步骤摘要】
基于金刚石薄膜的快速响应的海水压力传感器及制备方法
本专利技术属于海洋环境监测设备
,涉及一种用于检测海水压力的传感器及其制备方法。
技术介绍
海水深度是海洋探测与开发利用领域的重要参量,准确获取海水压力与深度信息,是揭示海洋动力学参量演变规律的重要前提和基础。海水压力传感器可以通过测量海水压力得到待测海域的深度信息。目前已被广泛应用于温盐深探测仪、潜标及水下移动平台等海洋观测系统中。压阻式压力传感器作为一种广泛使用的压力传感器,具有响应快、体积小、精度高、灵敏度高且无运动部件等优点,但由于扩散硅半导体材料性能的缺陷以及制造工艺方面的原因,该类型压力传感器存在结构失稳与时间漂移问题,使得测量结果受环境温度的影响大。为解决该类压力传感器的漂移问题,目前常用的方法是利用硬件电路、软件补偿算法等方式进行温度补偿与压力补偿,以提高压力传感器的整体性能。然而,由于扩散硅在高压下结构失稳,这些解决方法只能够在一定的时间范围内有效,对于需要长期连续工作以及工作环境在深海水下的海水压力传感器而言,将会导致检测结果出现严重的漂移,继而产生累计数据误差,严重影响海水深度检测的准确性。
技术实现思路
为了解决现有的压力传感器存在的结构失稳与信号漂移问题,提高传感器对海水压力响应的灵敏度和稳定性,本专利技术提供一种基于金刚石薄膜的快速响应的海水压力传感器,同时还提供了该压力传感器的制备方法。本专利技术解决其技术问题采用的技术方案是:一种基于金刚石薄膜的快速响应的海水压力传感器,包括底座、基底、绝缘层、压力敏感层、电极和防护层;其中,所述基底位于所述底座的顶面,其内部形成有应力腔;所述绝缘层位于所述基底的顶面,且位于所述应力腔的正上方;所述压力敏感层位于所述绝缘层的顶面,压力敏感层,其位于所述绝缘层的顶面,为单晶或多晶硼掺杂金刚石、或硼掺杂金刚石与碳化硅、或硼掺杂金刚石与石墨构成的尺寸、结构、成分完全相同的四块薄膜;所述电极包括四个,分别设置在形成所述压力敏感层的四块薄膜上;所述防护层沉积在所述绝缘层的顶面,并将所述压力敏感层和电极封装在其内。优选的,所述底座设计成圆柱形,其顶面设有环状的凸起,通过所述的凸起与所述基底装配固定;在所述底座中开设有走线通道,连接四个电极的引线通过所述走线通道穿出底座。优选的,所述基底为由高阻硅或蓝宝石或类金刚石或本征金刚石材料制成的圆柱体,基底中形成的应力腔为真空腔体。优选的,所述绝缘层设计成圆形薄膜层,厚度在0.02~0.5mm之间,由本征金刚石或蓝宝石制成,并且形成压力敏感层的四块复合薄膜在所述绝缘层的顶面呈圆周等间距排布。优选的,在所述压力敏感层中,硼的掺杂浓度为每立方厘米5.0×1017~6.0×1019个硼原子。优选的,所述四块薄膜的厚度在5~20微米之间,面积在100~2500μm2之间,四块薄膜形成四个压阻因子相同的薄膜电阻,所述薄膜电阻的压阻因子优选在120~3000之间。优选的,所述电极为复合电极,由钛和金制成或者由钛和铬制成,并且所述钛与金的厚度比或者钛与铬的厚度比在1:2~1:10之间。优选的,所述防护层采用类金刚石或碳化硅,或类金刚石与碳化硅的复合材料形成薄膜层,厚度为3~50μm。为了解决所述的技术问题,本专利技术还提出了基于金刚石薄膜的快速响应的海水压力传感器的制备方法,包括以下步骤:(1)利用高精密抛光技术对绝缘材料进行抛光处理,形成绝缘层;(2)利用掩膜结合化学气相沉积技术在所述绝缘层的顶面制备压力敏感层,所述压力敏感层为为单晶或多晶硼掺杂金刚石、或硼掺杂金刚石与碳化硅、或硼掺杂金刚石与石墨构成的尺寸、结构、成分完全相同的四块薄膜;(3)利用电子束蒸发镀膜技术在所述四块薄膜上分别制备一个电极;(4)在所述绝缘层的顶面沉积防护材料,形成防护层,并利用所述防护层对所述压力敏感层和电极进行封装;(5)将所述绝缘层固定到基底上,并在基底中形成真空状态的应力腔,且所述应力腔位于绝缘层的正下方;(6)将所述基底安装在底座上;(7)对所述底座进行刻蚀,形成走线通道,将连接四个所述电极的引线通过所述走线通道引出所述底座。所述步骤(2)的具体步骤为:在抛光的绝缘层的顶面依次沉积二氧化硅层和光刻胶;利用掩膜板对光刻胶进行紫外光刻,在光刻胶上刻蚀出尺寸、形状相同的四个图案;移走掩膜板,在所述四个图案中注入氢氟酸,利用氢氟酸对二氧化硅层进行刻蚀,露出二氧化硅层下方的绝缘层,所述绝缘层露出部分的形状同所述的四个图案;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,在所述绝缘层漏出部分进行压力敏感层的沉积,形成尺寸、结构、成分完全相同的四块薄膜;去除二氧化硅层。所述步骤(5)的具体步骤为:将所述绝缘层的底面固定到所述基底的顶面;从所述基底的底面向基底的顶面方向进行刻蚀但不穿透所述基底的顶面,形成位于所述绝缘层的正下方的应力腔;封堵所述基底的底面,使所述应力腔形成封闭腔体,并将应力腔抽成真空状态。与现有技术相比,本专利技术的优点和积极效果是:本专利技术的海水压力传感器结构简单、体积小、使用方便,从传感材料角度提出采用高弹性模量、高压阻因子、高稳定的硼掺杂金刚石材料制备压力传感器的核心传感部件——压力敏感层,从而可以有效避免压力传感器的结构失稳和信号漂移问题,配合基底上开设的应力腔,可以显著提高传感器对海水压力响应的灵敏度与稳定性,有助于提升海水深度检测的准确性,尤其适合应用在各种海洋观测系统中,实现对海洋深度的准确检测。附图说明图1是本专利技术的海水压力传感器一种实施例的纵剖面图;图2是本专利技术的海水压力传感器的一种实施例的立体透视图;图3是本专利技术的海水压力传感器的另一种实施例的结构透视图;图4是本专利技术的海水压力传感器的制备方法的一种实施例的流程图。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术的基于金刚石薄膜的快速响应的海水压力传感器及其制备方法进行详细地描述。如图1和图2所示,本实施例的海水压力传感器主要包括底座5、基底3、绝缘层6、压力敏感层1、复合电极2、防护层4等组成部分。其中,底座5作为整个传感器的承载部件,优选采用承载力强、遇海水不锈蚀的材料制成。在底座5中开设有走线通道53,供连接电极2的引线穿过,进而将电极2产生的电压信号引出传感器,以传送至后端的信号采集电路。作为本实施例的一种优选结构设计,所述底座5优选设计成圆柱体结构,可以从底座5的底面52向其顶面51刻蚀走线通道53,形成贯穿底座5的顶面51和底面52的通孔结构。走线通道53的纵切面形状可以设计成T型,如图1所示,直径小的一端开设在底座5的顶面51,直径大的一端开设在底座5的底面52,其内部可以布设信号采集电路板,实现信号采集电路板与传感器的整合。当然,所述信号采集电路板也可以外置于传感器,本实施例对此不进行具体限制。为了便于底座5与基底3之间的装配固定,在底座5的顶面51形成一圈环形紧固凸起54,利用该紧固凸起54与基底3的底部相结合,可以提高底座5与基底3装配的牢固性,如图2所示。在本实施例中,基底3可以采用蓝宝石、类金刚石或者本征金刚石等材料制成,优选设计成圆柱形,且直径小于底座5的直径,安装于底座5的顶面51,且与底座5同轴。在基底3中刻蚀空腔,形成应力腔31。应力腔31从基底3的底面向顶面方向刻蚀本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于金刚石薄膜的快速响应的海水压力传感器,其特征在于,包括:底座;基底,其位于所述底座的顶面,其内部形成有应力腔;绝缘层,其位于所述基底的顶面,且位于所述应力腔的正上方;压力敏感层,其位于所述绝缘层的顶面,为单晶或多晶硼掺杂金刚石材料,或硼掺杂金刚石与碳化硅、或硼掺杂金刚石与石墨材料构成的尺寸、结构、成分完全相同的四块薄膜;电极,其包括四个,分别设置在形成压力敏感层的四块薄膜上;防护层,其沉积在所述绝缘层的顶面,并将所述压力敏感层和电极封装在其内。

【技术特征摘要】
1.一种基于金刚石薄膜的快速响应的海水压力传感器,其特征在于,包括:底座;基底,其位于所述底座的顶面,其内部形成有应力腔;绝缘层,其位于所述基底的顶面,且位于所述应力腔的正上方;压力敏感层,其位于所述绝缘层的顶面,为单晶或多晶硼掺杂金刚石材料,或硼掺杂金刚石与碳化硅、或硼掺杂金刚石与石墨材料构成的尺寸、结构、成分完全相同的四块薄膜;电极,其包括四个,分别设置在形成压力敏感层的四块薄膜上;防护层,其沉积在所述绝缘层的顶面,并将所述压力敏感层和电极封装在其内。2.根据权利要求1所述的海水压力传感器,其特征在于,所述底座为圆柱形,其顶部设有环状的凸起,通过所述的凸起与基底装配固定;所述底座中开设有走线通道,连接四个电极的引线通过所述走线通道引出底座。3.根据权利要求1所述的海水压力传感器,其特征在于,所述基底为由高阻硅或蓝宝石、或类金刚石、或本征金刚石材料制成的圆柱体,基底中形成的应力腔为真空腔体。4.根据权利要求1所述的海水压力传感器,其特征在于,在形成所述压力敏感层中,硼的掺杂浓度为每立方厘米5.0×1017~6.0×1019个硼原子。5.根据权利要求1所述的海水压力传感器,其特征在于,所述绝缘层为圆形薄膜层,厚度在0.02~0.5mm之间,由本征金刚石或蓝宝石构成;形成所述压力敏感层的四块薄膜在所述绝缘层的顶面呈圆周等间距排布。6.根据权利要求1-5任一项所述的海水压力传感器,其特征在于,所述四块薄膜的厚度在5~20μm之间,面积在100~2500μm2之间;四块薄膜形成四个压阻因子相同的薄膜电阻,所述薄膜电阻的压阻因子在120~3000之间。7.根据权利要求1-5中任一项所述的海水压力传感器,其特征在于,所述电极为复合电极,由钛和金制成或者由钛和铬制成,并且所述钛与金的厚度比或者钛与铬的厚度比在1:2...

【专利技术属性】
技术研发人员:郭风祥盖志刚姜辛张涛张妹胡鼎邱慧敏禹定峰孙小玲王宜豹
申请(专利权)人:山东省科学院海洋仪器仪表研究所
类型:发明
国别省市:山东,37

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