[发明专利]一种基于金刚石薄膜的全海深温度传感器及其制备方法

说明书

技术领域

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

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。

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

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。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

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。

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。

上述方案中，所述温度响应元件形状为栅状。

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，所述密封圈为类金刚石表面改性的密封圈。

上述方案中，所述温度响应元件为环形或螺旋形。

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：

(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。

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。