一种基于金刚石薄膜的海水压力传感器制造技术

本实用新型专利技术属于海洋环境监测仪器技术领域，涉及一种用于检测海水压力的传感器。一种基于金刚石薄膜的海水压力传感器,包括底座、基底、绝缘层、压力敏感层、电极和金属外壳；其中，基底位于底座的顶面，其内部形成有应力腔；绝缘层位于基底的顶面；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构成的尺寸、结构、成分完全相同的四块薄膜；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；金属外壳安装在所述基底的顶面，并将所述绝缘层、压力敏感层和电极封装在其内，在金属外壳环绕形成的腔体内封装有液压油。本实用新型专利技术的海水压力传感器可以抑制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。

A Seawater Pressure Sensor Based on Diamond Film

The utility model belongs to the technical field of marine environmental monitoring instruments, and relates to a sensor for detecting sea water pressure. A seawater pressure sensor based on diamond film consists of a base, a base, an insulating layer, a pressure sensitive layer, an electrode and a metal shell; where the base is located on the top of the base and a stress cavity is formed inside; the insulating layer is located on the top of the base; and the pressure sensitive layer is located on the top of the insulating layer, which is composed of single crystal or polycrystalline boron-doped diamond with complete size, structure and composition. The same four thin films; four electrodes are arranged on four thin films forming the pressure sensitive layer; the metal shell is mounted on the top surface of the base, and the insulating layer, the pressure sensitive layer and the electrodes are encapsulated therein, and a hydraulic oil is encapsulated in the cavity formed around the metal shell. The seawater pressure sensor of the utility model can restrain the structural instability and signal drift of the sensor, and improve the sensitivity and stability of the sensor in response to seawater pressure.

【技术实现步骤摘要】
一种基于金刚石薄膜的海水压力传感器
本技术属于海洋环境监测仪器
，具体地说，是涉及一种用于检测海水压力的传感器。
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
本技术的目的在于提供一种海水压力传感器，解决现有传感器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。本技术解决其技术问题采用的其中一种技术方案是：一种基于金刚石薄膜的海水压力传感器，包括底座、基底、绝缘层、压力敏感层、电极和金属外壳；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，为单晶或多晶硼掺杂金刚石材料构成的尺寸、结构、成分完全相同的四块薄膜；所述电极包括四个，分别设置在形成所述压力敏感层的四块薄膜上；所述金属外壳安装在所述基底的顶面，并将所述绝缘层、压力敏感层和电极封装在其内，在所述金属外壳环绕形成的腔体内封装有液压油。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最好在5～20微米之间，四块薄膜用于布设电极的上表面的面积在100～2500μm2之间，四块薄膜形成四个压阻因子相同的薄膜电阻，所述四个薄膜电阻的压阻因子优选在120～3000之间。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，可以由本征金刚石或蓝宝石制成，并且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。优选的，所述基底为由蓝宝石、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，所述底座设计成圆柱形，其顶面形成环状的凸起，通过所述凸起与所述基底装配固定，以降低底座与基底之间的装配难度；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。与现有技术相比，本技术的基于金刚石薄膜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，从而可以有效解决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是本技术的海水压力传感器的一种实施例的纵剖面图；图2是本技术的海水压力传感器的一种实施例的立体透视图；图3是本技术的海水压力传感器的另外一种实施例的结构透视图。具体实施方式下面结合附图对本技术的具体实施方式进行详细地描述。本实施例的海水压力传感器为解决现有用于检测海水压力的传感器，在投放入待测海域时，受深海环境的影响易出现结构失稳、信号漂移的问题，选择硼掺杂金刚石材料作为压力传感器的核心传感材料，形成压力敏感层1，如图1所示，配合复合电极2、绝缘层6、基底3等主要部件，在提高压力传感器结构稳定性，降低漂移量的同时，有助于提升传感器对海水压力响应的灵敏度。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、金属外壳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，例如塑料等。在底座5中刻蚀走线通道53，供连接复合电极2的走线穿过，进而将复合电极2产生的电压信号引出底座5，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，底座5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，本实施例优选在底座5的顶面51形成一圈环形紧固凸起54，利用紧固凸起54与基底3的底部相结合，提高底座5与基底3装配的牢固性。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而成，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，但不穿透基底3的顶面。封堵基底3的底面，使应力腔31成为封闭的腔体，并对应力腔31进行抽真空处理，使其呈真空状态。在本实施例中，应力腔31朝向基底3顶面的腔口的直径大于朝向基底3底面的腔口直径，例如可以设计应力腔31的纵切面形状为T型或者倒置的圆台形，或者设计成口朝上的喇叭形。绝缘层6为承载压力敏感层1并与基底3牢固封装的绝缘材料，位于基底3的顶面，优选采用蓝宝石或本征金刚石等材料制成，其厚度最好限定在0.02-0.5mm的范围内，形成薄膜状。在本实施例中，所述绝缘层6应位于应力腔31的正上方，优选设计成圆形，且直径略大于应力腔31的直径，并最好与应力腔31呈同轴位置关系，以提高压力传感器对压力响应的灵敏度。在绝缘层6的顶面沉积压力敏感层1，所述压力敏感层1为单晶或多晶硼掺杂金刚石材料构成的尺寸、结构、成分完全相同的四块薄膜，该四块薄膜形成四个压阻效应完全相同的薄膜电阻。在本实施例中，每个薄膜电阻中硼的掺杂浓度的范围为5.0×1017～6.0×1019B/cm2，即每立方厘米的薄膜电阻中包含5.0×1017～6.0×1019个硼原子。每个薄膜电阻的厚度在5～20微米之间，每个薄膜电阻用于布设复合电极2的上表面的面积优选限定在100～2500μm2之间，四个薄膜电阻的压阻因子（压阻因子表示在单位应变下电阻的相对改变,是材料的压阻效应的量度）配置在120～3000之间。将四个薄膜电阻在绝缘层6的顶面呈圆周等间距排布，所成圆周的直径最好略小于或者相当于应力腔31朝向基底3顶面的腔口直径，并使应力腔31的中本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于金刚石薄膜的海水压力传感器，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，分别设置在形成所述压力敏感层的四块薄膜上；金属外壳，其安装在所述基底的顶面，并将所述绝缘层、压力敏感层和电极封装在其内，在所述金属外壳环绕形成的腔体内封装有液压油。

【技术特征摘要】
1.一种基于金刚石薄膜的海水压力传感器，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，分别设置在形成所述压力敏感层的四块薄膜上；金属外壳，其安装在所述基底的顶面，并将所述绝缘层、压力敏感层和电极封装在其内，在所述金属外壳环绕形成的腔体内封装有液压油。2.根据权利要求1所述的基于金刚石薄膜的海水压力传感器，其特征在于，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。3.根据权利要求2所述的基于金刚石薄膜的海水压力传感器，其特征在于，所述底座为圆柱形，其顶面形成环状的凸起，通过所述凸起与基底装配固定。4.根据权利要求1所述的基于金刚石薄膜的海水压力传感器，其特征在于，所述绝缘层为由本征金刚石或蓝宝石制成的圆形薄膜层，厚度在0.02～0.5mm之间，形成所述压力敏感层的四块薄膜在所述绝缘层的...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭风祥，盖志刚，张涛，张妹，胡鼎，刘寿生，曹琳，王韶琰，柴旭，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：新型
国别省市：山东,37