CN108955995B - 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 - Google Patents

Abstract

本发明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。

Description

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

技术领域

本发明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。

背景技术

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。

发明内容

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，本发明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。

本发明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，本发明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，本发明的优点和积极效果是：本发明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是本发明的海水压力传感器一种实施例的纵剖面图；

图2是本发明的海水压力传感器的一种实施例的立体透视图；

图3是本发明的海水压力传感器的另一种实施例的结构透视图；

图4是本发明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发明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，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，形成真空状态。在本实施例中，优选设计应力腔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，如图1和2所示。

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，采用蓝宝石或本征金刚石等材料制成，其厚度在0.02～0.5mm的范围内，形成薄膜状。在本实施例中，绝缘层6位于应力腔31的正上方，设计成圆形，且直径略大于应力腔31的直径，与应力腔31同轴，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，压力敏感层1为硼掺杂金刚石，可以是单晶或多晶硼掺杂金刚石形成的尺寸、结构、成分完全相同的四块薄膜，也可以是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复合薄膜，该四块薄膜或复合薄膜形成四个压阻因子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5.0×10¹～6.0×10¹⁹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电极2的上表面的面积在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）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的中心轴线穿过所述圆周的圆心。

在每个薄膜电阻的上表面分别安装一个复合电极2，复合电极2优选采用钛金复合电极或者钛铬复合电极，且钛Ti与金Au的厚度比范围或者钛Ti与铬Cr的厚度比范围最好限定在1:2-1:10之间。钛Ti的厚度优选为50～100nm，金Au或铬Cr的厚度优选为200～500nm，采用电子束蒸发镀膜技术实现两种材料的结合，形成所需的复合电极2。在每一个复合电极2上分别连接一根引线，将引线穿过绝缘层6和基底3（或者从绝缘层6和基底3的一侧引出），进而穿入底座5中的走线通道53，并从走线通道53中引出底座5，以用于传输电极2间产生的电压信号。

在绝缘层6的顶面沉积防护材料，例如类金刚石或者碳化硅或者类金刚石与碳化硅的复合材料，以形成防护层4，实现对四个复合电极2以及压力敏感层1的封装。防护层4在将复合电极2和压力敏感层1与海水隔绝的同时，易于将海水压力传导至压力敏感层1和绝缘层6，使压力敏感层1和绝缘层6产生应力形变。压力敏感层1通过复合电极2联接构成惠斯登电桥，根据外界海水压力的变化生成与之对应的电压信号，以表征压力大小，进而通过引线传送至后端的信号采集电路。

在本实施例中，防护层4优选沉积成圆形，且直径最好与绝缘层6的直径相等，以实现对压力敏感层和电极的保护作用。

此外，为了使本实施例的海水压力传感器能够方便地与水下监测设备固定装配且进行电信号的传输，本实施例优选在海水压力传感器的底座5的底面52安装水密插头10，如图3所示。将海水压力传感器的底座5与注塑成型的水密插头10紧密连接，利用水密插头10与水下监测设备的插座配合使用，既可实现海水压力传感器在水下监测设备上的装配定位与防水设计，又可通过水密插头10上带有的金属接触件12传输压力传感器工作所需的供电及压力传感器产生的反映海水压力大小的电压信号，安装操作简单快捷。水密插头10上的金属接触件12包括四个，分别与连接四个复合电极2的四根引线一一对应连接；水密插头10外可配置活动螺母，提高海水压力传感器水下连接的密封性。作为一种优选结构设计，可以将所述水密插头10设计成两级台阶结构，上级台阶与底座5的走线通道53密封装配，下级台阶安装四个金属接触件12，且每一级台阶的周边11采用倾角设计，以提高水密插头10与插座连接的密封性。

下面结合图4，对本实施例的海水压力传感器的制备方法进行详细阐述，具体包括以下步骤：

（1）利用高精密抛光技术对绝缘材料进行抛光处理，表面光洁度不低于7级，形成绝缘层6；

（2）在抛光的绝缘层6的顶面依次沉积二氧化硅层7和光刻胶8；

（3）利用掩膜板9对光刻胶8进行紫外光刻，以在光刻胶8上刻蚀出尺寸、形状相同的四个图案81，图4中仅示出了其中的两个图案；

（4）移走掩膜板9，在形成的四个图案81中分别注入氢氟酸，利用氢氟酸对二氧化硅层7进行刻蚀，露出其下的绝缘层6；绝缘层6露出部分61的形状与图案81相同；

（5）利用氧气等离子体进行清洗，并结合双氧水和硫酸清洗工艺去除掉二氧化硅层7上的光刻胶8；

（6）利用化学气相沉积技术，在绝缘层6顶面的露出部分61进行压力敏感层1的沉积，即，沉积单晶或多晶的硼掺杂金刚石材料，也可以是硼掺杂金刚石与碳化硅、或硼掺杂金刚石与石墨材料，继而形成尺寸、结构、成分完全相同的四块薄膜或复合薄膜，构成压阻效应相同的四个薄膜电阻，图4中仅示出了其中的两个薄膜电阻；

（7）去除二氧化硅层7，也可保留少许；

（8）利用电子束蒸发镀膜技术在所述四个薄膜电阻上分别制备一个复合电极2，例如，利用电子束蒸发镀膜技术依次制备50～100nm厚的钛Ti和200～500nm后的金Au或铬Cr，形成所需的复合电极2；

（9）在每一个复合电极2上连接引线，并穿过所述绝缘层6或者从绝缘层6的一侧引出；

（10）在绝缘层6的顶面沉积防护材料，形成防护层4，利用防护层4对压力敏感层1和复合电极2进行封装；

（11）将绝缘层6的底面固定到基底3的顶面上；

（12）从基底3的底面向基底3的顶面进行刻蚀但不穿透所述基底3的顶面，形成应力腔31，并使应力腔31位于绝缘层6的正下方；封堵基底3的底面，使应力腔31形成封闭腔体，并对应力腔31进行抽真空处理，形成真空状态的应力腔31；

（13）将基底3安装在底座5上；

（14）从底座5的底面向底座5的顶面进行刻蚀，形成贯通底座5的底面和顶面的走线通道53，将引线从基底3中穿过或者从基底3的一侧引出，伸入到走线通道53中，并从走线通道53中引出底座5，以用于连接后端的信号采集电路；

（15）对底座5上的走线通道53进行密封处理，以阻隔外界海水的进入，或者，在底座5的底面安装水密插头10，将走线通道53中的四根引线分别与水密插头10上的四个金属接触件12一一对应连接，以用于传输供电和检测信号。

本实施例的海水压力传感器结构简单、体积小、响应灵敏、结构稳定性高、漂移低，可广泛应用在温盐深探测仪、潜标及水下移动平台等各种海洋观测系统中，实现海水深度的准确测量，并且装配操作简单快捷。

Claims (10)

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；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；

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，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1:2～1:10之间。

8.一种如权利要求1-5任一项所述的基于金刚石薄膜快速响应的海水压力传感器的制备方法，其特征在于，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；

（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，将连接四个电极的引线通过所述走线通道引出底座。

9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述步骤（2）包括以下步骤：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与所述的四个图案相同；

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，在所述绝缘层露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。

10.根据权利要求8或9所述的制备方法，其特征在于，所述步骤（5）包括以下步骤：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基底的顶面，形成位于绝缘层正下方的应力腔；

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。