CN114585771A - 非平面多晶金刚石体 - Google Patents

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Abstract

非平面化学气相沉积多晶金刚石体具有圆顶体，该圆顶体具有顶点和外周边。该圆顶体具有在4mm至25mm范围内的平均曲率半径和不大于26mm的圆顶体的外周边处最大线性尺寸。该平均曲率半径不小于该外周边处最大线性尺寸的0.6倍。还公开了制造高非平面金刚石体的方法。

Description

非平面多晶金刚石体
领域
本发明涉及非平面金刚石体领域，特别是至少部分由多晶金刚石制成的非平面体。
背景
金刚石因其长寿命和美学吸引力而已被长期用于珠宝中。金刚石材料对于大量不同的技术应用还具有一系列理想的性质。例如，金刚石的高导热性使其适于散热应用。金刚石的性质使其适于许多光学应用。金刚石的硬度使其在研磨应用中出色。金刚石的刚度使其适于例如扬声器圆顶应用。这样的扬声器圆顶可形成具有超出人类音频范围的极高中断(break-up)频率的高频高音扬声器，以便产生在人类音频范围内极高品质的声音。非平面金刚石体可用于包括但不限于扬声器圆顶、传声器振膜和光学元件的应用中。
WO2005/101900公开了这样的金刚石扬声器圆顶。如在WO2005/101900中描述，谐波可延伸到低于基本中断频率，因此期望中断频率很好地高于人类音频范围的末端，以确保声音复制不会因扬声器圆顶在高频振荡下弯曲而受损。WO2005/101900描述具有高中断频率的扬声器圆顶可由具有特定尺寸的整体周边边缘的合成金刚石扬声器圆顶提供。该文献中没有记载制造这样的扬声器圆顶的具体制造方法的细节。
在一些应用中，例如耳机扬声器，不使用单独的高音扬声器，并且单个金刚石扬声器必须处理比高音扬声器预期处理的宽得多的频率范围；这包括低、中和高范围的频率。
GB2429367公开了金刚石振膜，其具有可变的厚度、硬度和阻尼特性，以便覆盖较宽的频率范围。使用热丝技术生长GB2429367中描述的金刚石振膜。振膜顶点处的厚度与振膜的外周边处的厚度明显相差大于一个数量级(在3μm至50μm的范围内)，其中顶点具有比周边大得多的厚度。
厚度变化的另一问题在于其影响振膜的机械完整性并使其处理更困难。这样的振膜可具有几十微米量级的厚度，所以任何较薄的区域可为显著的薄弱区。厚度改变还可使金刚石振膜在生长之后从基材脱离时更容易开裂。在振膜在它最薄的点处，在金刚石中可出现针孔，并且不会以其它方式对金刚石的整体强度造成太大损害的裂纹可从振膜的一侧穿过厚度到达另一侧，从而显著削弱振膜。
概述
已发现以上描述的厚度变化减小振膜的中断频率，这对它的性能有害。目标是提供具有允许改进的中断频率而且改进的厚度变化的尺寸范围以确保更好机械处理的非平面多晶化学气相沉积(CVD)金刚石体。
根据第一方面，提供了非平面CVD多晶金刚石体，其包含具有顶点和外周边的圆顶体。圆顶体具有在4mm至25mm范围内的平均曲率半径、不大于26mm的圆顶体的外周边处最大线性尺寸，其中平均曲率半径不小于外周边处最大线性尺寸的0.6倍。发现这些参数使厚度变化减小同时维持适当的中断频率。注意到对于具有圆形平面剖面的圆顶体而言，最大线性尺寸是直径。
作为选择，非平面CVD多晶金刚石体具有不大于82.5°的扇形角
Figure BDA0003604624430000021
非平面CVD多晶金刚石体任选具有至少部分围绕圆顶体的外周边延伸的周边体。圆顶体和周边体任选由多晶金刚石整体形成。
作为选择，圆顶体是部分球面。圆顶体任选包含部分椭球面和部分球面中任一。
在所附权利要求书中描述非平面CVD多晶金刚石体的任选尺寸。
根据第二方面，提供了包含如以上在第一方面中描述的非平面CVD多晶金刚石体的扬声器圆顶。作为选择，在使用过程中，扬声器圆顶的中断频率选自大于10kHz、20kHz、30kHz、40kHz、50kHz、60kHz、65kHz和70kHz中任一。
根据第二方面，提供了制造如以上在第一方面中描述的非平面CVD多晶金刚石体的方法。该方法包括提供非平面基材，该基材限定圆顶体模具，该圆顶体模具具有在4mm至25mm范围内的平均曲率半径、不大于26mm的圆顶体的外周边处最大线性尺寸，其中平均曲率半径不小于外周边处最大线性尺寸的0.6倍。在CVD反应器中在非平面基材上生长多晶金刚石膜至平均圆顶体厚度在10μm至100μm的范围内。然后从基材去除多晶金刚石膜以形成非平面体。
作为选择，基材由硅形成，并且从基材去除多晶金刚石膜的步骤包括将硅溶解在酸中。作为供选择的选择，基材由石墨形成，并且从基材去除多晶金刚石膜的步骤包括从多晶金刚石处理掉石墨。作为另外的供选择的选择，基材由形成碳化物的难熔金属基材形成，并且从基材去除多晶金刚石膜的步骤包括以受控的速率冷却形成碳化物的难熔金属基材和多晶CVD合成金刚石材料膜，由此多晶CVD合成金刚石材料膜在冷却期间从形成碳化物的难熔金属基材的金属碳化物表面脱层。作为另外的选择，基材由碳化硅或碳化硅/金刚石结构形成。还可任选在基材的表面上使用中间层。
技术人员将理解反应器选自任何合适的CVD反应器，其实例包括微波等离子体CVD反应器、热丝反应器和DC电弧喷射反应器。
非平面基材任选包含凸圆顶形状或凹圆顶形状。
作为选择，该方法包括提供多个非平面基材并在CVD反应器中在多个非平面基材中每个上生长多晶金刚石膜。
附图简要描述
现在将通过实例的方式并参照附图描述非限制性实施方案，其中：
图1说明示例性非平面CVD金刚石体的侧视截面图；
图2是示例性非平面CVD金刚石体的透视图；
图3说明示例性非平面CVD金刚石体的一部分圆顶体的侧视截面图；
图4a和4b说明其上生长非平面CVD金刚石体的供选择基材设计的侧视截面图；
图5以平面图示意说明测量圆顶体厚度的点；
图6是显示用于制造多晶CVD金刚石非平面圆顶体的示例性步骤的流程图；
图7说明在横截面中各种平均曲率半径；和
图8说明在横截面中各种平均直径。
详细描述
本文描述的非平面体的多晶化学气相沉积(CVD)合成金刚石部分可使用多种方法生长，包括热丝、微波等离子体和DC电弧喷射反应器。这些方法各有优点。DC电弧喷射沉积系统往往具有高度局部化的生长速率，但是遭受电极/喷嘴侵蚀、高气体消耗和相对差的区域覆盖。热丝反应器可涂覆大的区域和3D形状，但膜厚度有限并且金刚石品质相对较差。相比之下，微波等离子体CVD金刚石已经被确立为生产高品质大块金刚石的主要方法。遗憾的是，由于微波电场和非平面基材的相互作用，微波等离子体方法具有有限的涂覆非平面基材的能力。即使是简单的3D形状(例如工具插入件或扬声器圆顶)的涂覆，也由于外角处电场集中或相反地内角处电场弱化的影响而变得困难。电场的这种变化不利地影响金刚石膜的品质和厚度两者的均匀性。在熔点或热冲击方面热敏的材料在微波等离子体反应器中均匀涂覆更具挑战性。
鉴于以上，技术人员将预期微波等离子体方法将不适于实施本发明的实施方案。然而，发现微波等离子体CVD设备的仔细控制，基材表面的仔细处理以及生长和冷却循环的仔细控制使得能够使用微波等离子体CVD方法来进行本发明。因为当与替代的生长方法相比这样的方法产生更高品质的金刚石材料，因此使用微波等离子体CVD反应器以便制造高品质的多晶CVD合成金刚石材料是有利的。例如，CVD反应器可在800MHz至1000MHz的范围内的微波频率，以及压力为至少80托、100托、120托、140托、160托、180托、200托、230托、260托或300托，和/或微波功率为至少2kW、5kW、10kW、15kW、20kW、25kW或30kW下操作。如果高操作功率和压力用于CVD金刚石生长，生长后的冷却可通过降低CVD反应器内的功率和压力来实现，以避免多晶CVD合成金刚石非平面体的热致开裂。例如，受控的冷却速率可包括在CVD反应器中熄灭等离子体之前，在至少10分钟、15分钟或20分钟的时间段内，在受控的下降速度下将生长温度降低到至少800℃、750℃、700℃、650℃或600℃或550℃。
工艺气体可包括以下一种或多种:在总工艺气体流量的1至10％、1至7％、2至5％、2至4％或2.5至3.5％的范围内的含碳气体；在总工艺气体流量的0至10％、0.5至7％、0.5至5％、0.5至3％或1.0至2.0％的范围内的不活泼气体例如氩气；和在总工艺气体流量的85至98％、90至98％、93.0至97.5％、94.0至96.5％或95.0至96％的范围内的氢气。工艺气体通过在CVD反应器内的一个或多个气体入口喷嘴被引导朝向基材。
为了提供本体的非平面形状，将金刚石沉积在提供主要为圆顶形的生长表面(凸或凹)的基材上。
图1示意说明示例性非平面多晶CVD金刚石体1的侧视图。本体1包含圆顶体2，该圆顶体2具有顶点3和外周边4。任选提供从外周边4延伸的周边体5。周边体可改进本体1的整体刚度并因此改进中断频率。在图1的实例中，周边体5显示为从外周边4延伸的基本上柱形体，但是它可采取不同形状。
圆顶体2具有来自外周边4的最宽部分的最大尺寸6。外周边在平面图中是圆形，并因此最大尺寸6是直径。圆顶体2还具有曲率半径(RoC)7和高度8，高度是与顶点3相交的平面和与外周边4相交的平行平面之间的距离。扇形角
Figure BDA0003604624430000051
描述在连接外周边4上的第一点与圆顶体2的球心的第一线和连接外周边4上的第二点与圆顶体2的球心的第二线之间的角度，第二点位于距第一点最远距离的外周边4上。在部分椭球圆顶体2的情况下，这是指最大扇形角和RoC。
本文中图2是示例性非平面多晶CVD金刚石体1的透视图。
中断频率(或截止频率)代表系统频率响应的边界，超过该边界输入能变衰减。就圆顶体2的声学中断频率而言，其中频率是振动的而不是电磁的，中断频率是系统的频率响应中的边界，超过该边界声学驱动器(例如扬声器圆顶或传声器膜)不再可以高保真度再现驱动声频。换句话说，大于中断频率，出现失真并且驱动声频的再现精度减小。在驱动器内建立驻波并且扬声器圆顶的变形损失了能量。这导致在扬声器圆顶的不同点处不均匀的扬声器圆顶振动和变形，其根据扬声器圆顶表面上的位置给出可变幅度的振动。
可通过提高扬声器圆顶的结构刚度来增强或提高扬声器圆顶的中断频率。可通过提高几何设计和/或制成扬声器圆顶的材料来提高刚度。提高的刚度允许扬声器圆顶抵抗当驱动至更高频率时的变形。金刚石是理想的材料选择，因为它是低密度并具有任何材料最高的杨氏模量。高杨氏模量意味着金刚石扬声器圆顶能够抵抗变形，并且低密度意味着金刚石扬声器圆顶轻并因此能够对移动有响应。
发明人考虑了扬声器圆顶几何形状的改变和这些将如何影响扬声器圆顶的中断频率。简单说，扬声器圆顶可认为是薄的回转球壳：由两个弯曲表面限定的三维体。固有频率(本征频率)是任何系统在没有阻尼或驱动力的情况下倾向于振荡的最低频率。相反，中断频率是由驱动振荡产生的现象，但是固有频率和中断频率是直接可比较的，并且两者都表示相同的最低能量振动模式。应注意中断频率是组件的性质，该组件的主要物体是简单支撑的圆顶，而对于未支撑或支撑的结构可计算固有频率。
固有频率可如下模型化：
E＝杨氏模量
ρ*＝比密度
h＝壳厚度
i,j＝整数指数，i,j＝0、1、2...
θ＝泊松比
R＝球或球截形的半径
Ω2＝频率参数
s1,2＝结构因子，由球壳描述的母球体的范围决定
ω＝薄球壳的固有频率；和
Figure BDA0003604624430000071
Figure BDA0003604624430000072
Figure BDA0003604624430000073
Figure BDA0003604624430000074
等式1至3描述在固有频率的初始表达式中以及在此在频率参数的表达式中球壳的固有频率与杨氏模量的平方根成比例，与比密度的平方根成反比和与RoC成反比。在结构因子项中没有描述进一步的RoC依赖性。
结构因子s1和s2是几何项，其对频率参数Ω有贡献。它不受RoC支配，但是描述圆顶/球壳限定的任何球的范围。因为
Figure BDA0003604624430000075
倾向于零(即描述的球的比例降低)，s1提高且s2降低；s1与
Figure BDA0003604624430000076
成反比并且s2与
Figure BDA0003604624430000077
成比例。当组合时，结构因子项s1/s2(并因此Ω2)与
Figure BDA0003604624430000078
成反比。
换句话说，在任何RoC-圆顶设计上降低
Figure BDA0003604624430000079
降低了球壳的直径并且降低圆顶尺寸需要更小的波长(提高的频率)来建立代表固有频率振动模式的驻波。因此期望较小的RoC以产生提高的中断频率。
如以上描述，非平面多晶CVD金刚石体1的厚度在不同点变化。图3示意说明示例性非平面体1的一部分圆顶体2的侧视截面图。顶点3处的厚度9比距顶点3更远的一部分圆顶体2处的厚度10大得多。厚度典型地在圆顶体2的外周边4处于它的最低值。如以上描述，这对由非平面多晶CVD金刚石体1制成的扬声器圆顶的中断频率有害，并且由于金刚石提高的开裂、针孔和弱化使得更难以处理振膜。
可通过厚度的变化Δd除以圆顶体2的平均厚度<d>使这种厚度变化归一化。
在生长过程期间出现厚度的变化，因为圆顶2的顶点4比圆顶2的外周边4更接近等离子体。在生长表面和等离子体之间较短的距离和较高的温度的组合意味着来自等离子体的碳优先沉积在顶点2处而不是外周边4。这意味着圆顶体2的高度8对厚度的变化有影响；更大的高度8将导致在顶点3和外周边4之间更大的厚度变化。对于给定的RoC，高度8与扇形角
Figure BDA0003604624430000081
成比例。因此明显的是厚度的变化也依赖于扇形角
Figure BDA0003604624430000082
扇形角
Figure BDA0003604624430000083
越低，高度8越低并因此厚度变化越低。
然而，减小对于给定扇形直径6的RoC提高圆顶体2的高度8，和因此减小的RoC，同时导致改进的中断频率，还导致更大的厚度变化。这个更大的厚度变化减小中断频率。如果圆顶的限制在于它必须具有固定的直径(例如以与其它部件匹配)，则减小RoC因此将是不期望的。然而，注意到减小RoC同时维持恒定的扇形角
Figure BDA0003604624430000084
将导致更小的高度8，并因此改进厚度变化。
类似地，如果提高RoC并降低扇形角
Figure BDA0003604624430000085
这还可根据这些参数的改变程度来提高厚度变化。再次，提高的厚度变化对中断频率有害。
在以下表1中总结影响中断频率的因素：
表1：影响中断频率(BuF)的因素总结
Figure BDA0003604624430000086
发明人认识到影响中断频率的各种参数可具有冲突的效果。通过调节一个参数尝试改进中断频率可对另一参数有不好的影响，这转而对中断频率有不好的影响。
例如，如果圆顶体2的RoC降低同时扇形角
Figure BDA0003604624430000091
提高，这可对中断频率有不好的影响。虽然减小的RoC就其本身而言会导致中断频率的提高，提高的扇形角
Figure BDA0003604624430000092
会导致厚度变化的提高，这转而会降低中断频率并弱化圆顶体2。
类似地，如果扇形角
Figure BDA0003604624430000093
降低但RoC提高，减小的扇形角
Figure BDA0003604624430000094
将减小厚度变化，这转而会提高中断频率。然而，提高RoC会降低中断频率并弱化圆顶体2。
先前在其它参数的上下文中没有理解厚度变化的影响。尽管改变参数的冲突效果，发明人发现了最大化中断频率同时仍减小厚度变化的扇形角
Figure BDA0003604624430000095
和RoC参数。
圆顶体2典型地具有在4mm至25mm、6mm至23mm、8mm至20mm、或10mm至15mm的范围内的曲率半径。
圆顶体2典型地具有不大于82.5°、不大于80°、不大于70°和不小于40°的扇形角
Figure BDA0003604624430000096
圆顶体2典型地具有在5mm至26mm、6mm至20mm和8mm至15mm的范围内的外周边最大尺寸(如之前提到的，这是球形圆顶体的直径)。
圆顶体2典型地具有在10μm至100μm、20至80μm、30至60μm、或40至50μm的范围内的平均圆顶体厚度。
圆顶体2典型地具有不大于0.10、不大于0.08、不大于0.07和不大于0.05的平均圆顶体厚度变化系数。
圆顶体2典型地具有选自不大于500μm、不大于400μm、不大于300μm、不大于200μm、不大于100μm、不大于75μm、和不大于50μm中任一的平均厚度。
圆顶体2典型地具有选自1至6mm、2至5mm和2.5至4mm中任一的高度，定义为与顶点相交的第一平面和与外周边相交的第二平行平面之间的距离。
非平面体典型地具有在选自15mg至150mg、40mg至120mg和60mg至110mg中任一范围内的质量。
在图4a中示意说明其上为非平面多晶CVD金刚石体1的基材。应注意可通过在倒置基材上生长来逆转顶点3处比外周边4处更高的厚度，例如在图4b中示意说明的。在这种情况下，在生长期间，顶点4距等离子体最远。然而，这没有减小Δd/<d>并且在生长之后从基材脱离非平面多晶CVD金刚石体1更困难。这是因为脱离主要受非平面多晶CVD金刚石体1和金刚石体之间的热膨胀系数不匹配影响；在图4a的实例中，基材比非平面多晶CVD金刚石体1收缩更多，从而允许容易脱离。在图4b的实例中基材比非平面多晶CVD金刚石体1收缩更多，从而使CVD金刚石体压缩。
当选择基材设计时，技术人员必须考虑例如在生长之后非平面体从基材上脱离的容易程度以及金刚石在基材表面上沉积的均匀程度的因素。技术人员还知道，在成核面(即金刚石在基材上开始生长的地方)的金刚石的平均晶粒尺寸典型地大于在相对面的金刚石的平均晶粒尺寸。由于这可影响所得非平面体的性质，技术人员在选择基材设计时可以考虑这个因素。
技术人员还必须选择合适的基材材料。可使用例如形成碳化物的难熔金属、硅、石墨、多晶金刚石、碳化硅和碳化硅/金刚石复合材料的材料。US5556464描述了通过在凸起弯曲基材上化学气相沉积合成金刚石材料以在其上形成合成金刚石膜，然后将合成金刚石膜与基材分离以产生金刚石扬声器圆顶来形成扬声器圆顶。合成金刚石材料沉积在凸起弯曲的硅基材上，并且通过将硅基材溶解在酸中来实现合成金刚石膜与基材的分离以产生金刚石扬声器圆顶。
如WO2013/178535中所述，供选择的方法是使用难熔的形成碳化物的金属作为基材。在这种情况下，描述了仔细控制基材的表面粗糙度。多晶CVD金刚石沉积在基材上，金刚石和基材之间热膨胀系数的不匹配允许在冷却时金刚石从基材受控脱离。这种类型的方法也适于形成本文所述的非平面体，但是应当理解，复杂的形成因素形状可能导致金刚石在基材上键合(keying)并增加金刚石从基材脱离时开裂的风险。
以上实例描述完全由多晶金刚石形成的非平面体。然而，仅能够由多晶金刚石形成圆顶体2，并且能够由不同的材料形成周边体5。在以下表2中显示多晶金刚石和具有高杨氏模量的其它材料的杨氏模量和密度的典型值。可看出多晶金刚石具有与其它材料明显更高的杨氏模量和相当的密度，并因此比由其它材料制成的扬声器圆顶提供具有更高中断频率的更刚性的扬声器圆顶。
表2：材料的所选性质：
材料 杨氏模量GPa 密度g/cm<sup>3</sup>
Mg 45 1.74
Al 70 2.70
Au 79 19.3
Be 287 1.85
蓝宝石 345 3.98
多晶金刚石 1143 3.51
为了提供具有高杨氏模量的另一材料，周边体5可由表2的材料或由致密化或部分致密化的嵌有超硬颗粒或砂砾的金属或金属合金复合材料形成。在这种情况下，超硬颗粒或砂砾可为金刚石或立方氮化硼。周边体5和圆顶体2可使用任何合适的技术例如使用黏合剂或钎焊连接在一起。
还注意到可有利的在非平面体上提供涂层，例如WO2012/110357中描述的那些。
实施例
使用微波等离子体CVD技术制造一系列非平面多晶金刚石体。将第一组圆顶体生长至50μm的标称厚度，其中曲率半径为28mm且扇形角
Figure BDA0003604624430000111
为88.8°。将第二组圆顶体生长至50μm的标称厚度，其中曲率半径为20mm且扇形角
Figure BDA0003604624430000121
为82.0°。
在图5的平面图中显示的点使用点千分尺手动测量每个圆顶体的厚度。对于每个圆顶体，基于在图5中显示的点处进行的测量结果测定厚度变化系数。变化系数是测量圆顶体厚度均匀性的方式并由以下等式给出：
Figure BDA0003604624430000122
其中cv是变化系数，σ是标准偏差且μ是厚度的平均值。
如图5中说明，使用顶点3处的厚度测量结果、周边4周围的八个厚度测量结果和大约在周边4和顶点3之间一半的点处的四个厚度测量结果计算每个圆顶体的厚度变化系数。注意到虽然测量十三个厚度数据点/圆顶并用于计算厚度变化系数，但是技术人员将理解可获得更多或更少的数据点。
第一组圆顶准备两次运行，并且第二组圆顶准备四次运行，每个生长运行在反应器中放置多个圆顶体。在运行1和2中生长第一组圆顶体，且在运行3至6中生长第二组圆顶体。从每组随机选择样品并且如以上描述计算厚度变化系数。表3中显示运行1至6的变化系数：
表3：从测量的圆顶的变化系数
1 2 3 4 5 6
0.115 0.110 0.049 0.053 0.067 0.051
0.108 0.118 0.059 0.055 0.045 0.068
0.127 0.123 0.049 0.070 0.061 0.062
0.130 0.113 0.054 0.054 0.048 0.060
0.127 0.119 0.046 0.046 0.049 0.063
0.119 0.116 0.066 0.064 0.065 0.043
可看出对于头两组圆顶，厚度变化系数始终大于0.10，显示在圆顶体上的厚度变化。对于第二组圆顶，厚度变化系数始终小于0.10，显示在圆顶体上较低的厚度变化。
现在转向图6，示出了显示制造如以上描述的非平面体的示例性步骤的流程图。以下编号对应于图6所示的编号：
S1.提供了非平面基材。可使用任何合适的基材。例如，已知在硅基材、在石墨基材、在碳化硅体或在形成碳化物的难熔金属基材(例如钨、钼、铌、钽、钛及它们的合金)上生长金刚石。注意到非平面基材可用于形成整个非平面体的基材，其中圆顶体和周边体一体成型，或者可用于仅形成圆顶体。基材可包括在其上生长金刚石的凸或凹的圆顶体模具。非平面基材圆顶体模具具有在4mm至25mm的范围内的曲率半径和不大于82.5°的扇形角
Figure BDA0003604624430000131
S2.将基材放在反应器中，且在基材上生长CVD多晶金刚石的膜至在10μm至100μm的范围内的平均圆顶体厚度。合适的反应器包括微波等离子体CVD反应器、热丝反应器和DC电弧喷射反应器。
S3.一旦金刚石生长到需要的厚度，就将CVD多晶金刚石从基材去除。在基材由硅形成的情况下，从基材去除多晶金刚石膜的步骤可包括将硅溶解在酸中。在基材由石墨形成的情况下，从基材去除多晶金刚石膜的步骤可包括从CVD多晶金刚石处理掉石墨。在基材由形成碳化物的难熔金属基材形成的情况下，从基材去除多晶金刚石膜的步骤可包括以受控的速率冷却形成碳化物的难熔金属基材和多晶CVD合成金刚石材料膜，由此多晶CVD合成金刚石材料膜在冷却期间由于热膨胀系数不匹配而从形成碳化物的难熔金属基材的金属碳化物表面脱层。
在非平面CVD多晶金刚石体1不包括整体周边体5的情况下，该方法可还包括将周边体5附着到圆顶体2的外周边以形成非平面CVD多晶金刚石体1。例如，当在反应器中生长圆顶体2时，该方法还包括将周边体5附着到圆顶体2以形成非平面体1。
本文中术语“平均曲率半径”用于描述非平面体几何形状的一方面。例如，虽然非平面圆顶体可具有曲率半径的部分球面，但是它可替代地采用其它形状例如部分椭球。为了说明如何发现平均曲率半径，在图7中提供不同几何形状的四个实例。
在每个实例中，平均曲率半径定义如下：由三个点对着的弧的半径描述圆顶轮廓的性质。三个点中两个位于圆顶边缘，位于圆顶直径的平面上。给出平均曲率半径的第三点位于由圆顶几何形状的“最高”部分确定的平面上；换句话说，距与圆顶边缘轮廓相交的平面最远的平面上的点，另外两个点位于圆顶边缘轮廓上。第三点在其它两点之间最小距离相等。在图7的全部四个实例中，与外直径相交(interested)的平面上方轮廓的最高点形成平均曲率半径的名义最高点。
图7a说明平均曲率半径是曲率半径的实例。
图7b说明非平面体具有“平坦”轮廓的实例。
图7c说明非平面体具有基本上圆锥轮廓的实例。
图7d说明当在平面图中观看时圆顶的顶点未在由直径限定的圆的中心的实例。
术语“外周边处最大线性尺寸在本文中用于描述非平面体几何形状的另一方面。在大多数情况下，本体在非平面体的外周边处将具有圆形轮廓，并且在外周边处的最大线性尺寸与非平面体的直径相同。这个实例在图8a中说明。然而，在外周边处可存在其它轮廓。例如，非平面体可限定具有大直径和小直径的椭圆形。在这种情况下，外周边处的最大线性尺寸定义为由具有最大线性分离的非平面体的外周边处的点描述的线。在图8b的实例中，最大线性分离显示为25.76mm，并因此这给出为外周边处最大线性尺寸。类似地，8c显示非平面体限定多边形形状的极端实例。再次，外周边处的最大线性尺寸定义为由具有最大线性分离的非平面体周围的点描述的线。这个情况在图8c中显示。
虽然参考优选实施方案特别显示和描述了这个发明，但是本领域技术人员将理解可在不离开由所附权利要求书限定的本发明范围的情况下做出形式和细节上的各种改变。例如，使用微波等离子体CVD反应器来制造上述示例性实施方案，但是技术人员将会理解，可使用各种技术来制造非平面体，包括在热丝和DC电弧喷射反应器中生长。

Claims (22)

1.非平面化学气相沉积CVD多晶金刚石体，包含：
具有顶点和外周边的圆顶体；
该圆顶体具有在4mm至25mm的范围内的平均曲率半径；
不大于26mm的圆顶体的外周边处最大线性尺寸；和
该平均曲率半径不小于该外周边处最大线性尺寸的0.6倍。
2.根据权利要求1所述的非平面CVD多晶金刚石体，还包含不大于82.5°的扇形角
Figure FDA0003604624420000011
3.根据权利要求1或2所述的非平面CVD多晶金刚石体，还包含至少部分围绕该圆顶体的外周边延伸的周边体。
4.根据权利要求3所述的非平面CVD多晶金刚石体，其中该圆顶体和该周边体由多晶金刚石整体形成。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的非平面CVD多晶金刚石体，其中该圆顶体包含部分球面。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的非平面CVD多晶金刚石体，其中该非平面CVD多晶金刚石体具有在选自15mg至150mg、40mg至120mg和60mg至110mg中任一的范围内的质量。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的非平面CVD多晶金刚石体，其中该圆顶体具有选自6mm至23mm、8mm至20mm、和10mm至15mm中任一的平均曲率半径。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的非平面CVD多晶金刚石体，其中该圆顶体具有选自5mm至25mm、6mm至20mm、和8mm至15mm中任一的外周边处最大线性尺寸。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的非平面CVD多晶金刚石体，其中与该顶点相交的第一平面和与该外周边相交的第二平行平面之间的距离选自1至6mm、2至5mm和2.5至4mm中任一。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的非平面CVD多晶金刚石体，其中圆顶体厚度具有选自不大于0.10、不大于0.08、不大于0.07和不大于0.05中任一的变化系数。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的非平面CVD多晶金刚石体，其中平均圆顶体厚度选自10μm至100μm、20至80μm、30至60μm、和40至50μm中任一。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的非平面CVD多晶金刚石体，其中扇形角
Figure FDA0003604624420000021
选自不大于80°、不大于70°和不小于40°中任一个。
13.扬声器圆顶，包含根据权利要求1至12中任一项的非平面CVD多晶金刚石体。
14.根据权利要求13所述的扬声器圆顶，其中在使用过程中，该扬声器圆顶的中断频率选自大于10kHz、20kHz、30kHz、40kHz、50kHz、60kHz、65kHz和70kHz中任一。
15.制造根据权利要求1至12中任一项的非平面CVD多晶金刚石体的方法，该方法包括：
提供非平面基材，该基材限定圆顶体模具，该圆顶体模具具有在4mm至25mm范围内的平均曲率半径、不大于26mm的圆顶体的外周边处最大线性尺寸，其中该平均曲率半径不小于该外周边处最大线性尺寸的0.6倍；
在CVD反应器中在该非平面基材上生长多晶金刚石膜至平均圆顶体厚度在10μm至100μm的范围内；和
从该基材去除该多晶金刚石膜以形成非平面体。
16.根据权利要求15所述的方法，其中该基材由硅形成，并且从该基材去除该多晶金刚石膜的步骤包括将硅溶解在酸中。
17.根据权利要求15所述的方法，其中该基材由石墨形成，并且从该基材去除该多晶金刚石膜的步骤包括从多晶金刚石处理掉石墨。
18.根据权利要求15所述的方法，其中该基材由形成碳化物的难熔金属基材形成，并且从该基材去除该多晶金刚石膜的步骤包括以受控的速率冷却该形成碳化物的难熔金属基材和多晶CVD合成金刚石材料膜，由此该多晶CVD合成金刚石材料膜在冷却期间从该形成碳化物的难熔金属基材的金属碳化物表面脱层。
19.根据权利要求15至18中任一项所述的方法，其中该反应器选自微波等离子体CVD反应器、热丝反应器和DC电弧喷射反应器中任一个。
20.根据权利要求15至19中任一项所述的方法，其中该非平面基材包含凸圆顶形状。
21.根据权利要求15至19中任一项所述的方法，其中该非平面基材包含凹圆顶形状。
22.根据权利要求15至21中任一项所述的方法，还包括提供多个非平面基材并在CVD反应器中在该多个非平面基材中每个上生长多晶金刚石膜。
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