多晶金刚石复合感压薄膜、其制备方法及电容薄膜真空规与流程

本发明涉及一种多晶金刚石复合感压薄膜、其制备方法及电容薄膜真空规，属于真空测量技术领域。

背景技术：

真空技术已发展成为一门独立的学科，其科学体系日臻完善。近年来，真空技术在航空、航天、高能物理、可控热核聚变等尖端科学研究领域均得到广泛应用。在部分严酷环境条件下，如化工反应釜和冶炼塔内的压力测量、高温油井和各种发动机腔体内的压力测量、航天飞行器的姿态控制、高速飞行器或远程超高速导弹的飞行控制、喷气发动机、火箭、导弹、卫星等耐热腔体和表面各部分的压力测量等领域中，都需要用到真空计进行真空度测量，因此对真空规的耐热、耐腐蚀、抗辐射等提出了更为迫切的需求。人工生长的大面积金刚石薄膜材料的逐步应用，为解决上述传统真空规材料引起的各类问题，提供了新的思路。

电容薄膜真空规是利用弹性薄膜在压差作用下产生位移，引起电极和膜片之间距离的变化，导致电容量发生改变，通过测量电容的变化，达到测量压力目的的真空测量仪器。它具有测量准确度高、线性好、输出的重复性和长期稳定性好、能够测量气体和蒸汽的全压力，测量结果与气体成分和种类无关等特点，可用作低真空的参考标准和量值传递过程中的传递标准，对国民经济、科学技术发展和研究具有重要意义。

目前，传统电容薄膜真空规的检测感压膜片为单一的金属膜片，耐腐蚀及散热性较差，美国MKS(美国万机仪器)公司生产的电容薄膜真空规采用了Inconel(因科镍)合金检测膜片，所述膜片在耐腐蚀性气体方面对水蒸气及各种干燥气体较良好，但对潮湿的氟气(F₂)、氯气(Cl₂)以及二氧化硫(SO₂)等则较差，热导率平均仅为14.8W/m·K。

当前诸多领域中的真空测量，都需要用到耐腐蚀、耐高温，导热快以及抗辐射的电容薄膜真空规，因此有必要提出一种检测感压膜片，克服传统电容薄膜真空规检测感压膜片耐腐蚀性差，导热慢以及不耐辐射等引起的测量问题，同时，拓展感压薄膜材料型谱、提高电容薄膜真空规的稳定性、准确度以及抗恶劣测试环境等性能指标。

技术实现要素：

针对现有技术存在的缺陷，本发明的目的之一在于提供一种多晶金刚石复合感压薄膜，所述复合感压薄膜可实现化学腐蚀性气体的全压力测量，耐高温且抗辐射。

本发明的目的之二在于提供一种多晶金刚石复合感压薄膜的制备方法。

本发明的目的之三在于提供一种电容薄膜真空规，所述电容薄膜真空规采用本发明所述多晶金刚石复合感压薄膜作为检测感压膜片。

为实现本发明的目的，提供以下技术方案。

一种多晶金刚石复合感压薄膜，所述复合感压薄膜由衬底及衬底单侧整个表面分布的多晶金刚石薄膜组成；

其中，衬底为硅片、铝片、钛片或不锈钢片，多晶金刚石薄膜通过微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)法在衬底上直接生长得到。

优选所述复合感压薄膜为圆形，直径为50mm～70mm。

衬底厚度可根据加工要求进行设置，通常在100μm以下。

多晶金刚石薄膜厚度可根据加工要求进行设置，通常在20μm以下。

一种本发明所述多晶金刚石复合感压薄膜的制备方法，所述方法步骤如下：

步骤一、使用金刚石粉对衬底单侧表面进行研磨，磨出均匀的划痕，使衬底表面变得粗糙，得到预处理后衬底；

其中，优选金刚石粉的平均粒度小于等于1μm；

优选粗糙度小于等于0.5μm；

残留在划痕处的金刚石粉可作为多晶金金刚石薄膜生长的籽晶，加速多晶金金刚石薄膜的生长；

步骤二、将洁净的预处理后衬底放置于压力为0.1Pa～0.01Pa的真空环境下，然后预热至200℃～300℃，通入氢气，当压力达到10000Pa～13000Pa，加入微波激发氢气起辉，再通入甲烷和氮气，调节微波功率为1800W～2000W，加热至700℃～900℃进行多晶金刚石薄膜的沉积，得到本发明所述的一种多晶金刚石复合感压薄膜；

其中，氢气、甲烷和氮气的流量比为(450～500):(5～10):(0.8～1)。

可通过将预处理后衬底用无水乙醇擦干，超声清洗得到洁净的预处理后衬底；

优选加入功率为100W～200W的微波激发氢气起辉；

根据所需多晶金刚石薄膜的厚度确定沉积时间。

一种电容薄膜真空规，所述电容薄膜真空规中，所述复合感压膜片为本发明所述的一种多晶金刚石复合感压薄膜。

优选所述电容薄膜真空规为专利号为“201210451437”，发明名称为“抗热变形的电容薄膜式压力传感器”中所述的电容薄膜式压力传感器，具体为：

所述电容薄膜真空规主要包括：机架、底架、复合感压膜片、陶瓷焊料、电极板与电极板导线；

所述机架包括：顶板与侧板，所述侧板位于所述顶板的下方，对所述顶板形成周向支撑，所述机架的纵剖面为n型结构，所述顶板上开有两个通孔，一个为进气孔，另一个为电线引出孔，所述顶板的下表面中央位置开有凹槽；

复合感压膜片焊接在所述机架侧板的下端面，将所述机架封闭为待测气室；

所述底架的上表面设有环形凸台，所述环形凸台的外径等于复合感压膜片的直径，所述底架通过其上的环形凸台与复合感压膜片的边缘焊接，所述底架中央开有通孔，所述通孔为抽气孔；

所述电极板安装于所述待测气室中，它包括:电极圆盘以及安装于所述电极圆盘上表面中央位置的电极支柱，在所述电极圆盘与所述电极支柱的连接处设有环形凹槽，所述电极支柱通过所述陶瓷焊料套接在所述机架顶板下表面的凹槽内，所述电极支柱的上端面距所述机架顶板间留有缝隙，所述电极板悬挂于所述待测气室中；

所述电极板导线一端与所述电极圆盘连接，另一端通过所述电线引出口引出，并在所述电线引出口处通过所述陶瓷焊料密封。

其中，所述复合感压膜片为本发明所述的一种多晶金刚石复合感压薄膜。

有益效果

1.本发明提供了一种多晶金刚石复合感压薄膜及其制备方法，利用MPCVD可以实现不同基底(硅、铝、钛或不锈钢)上生长多晶金刚石薄膜作为复合感压薄膜，不仅耐受各种温度下的氧化性酸及各类腐蚀性气体，同时也克服了传统材料感压薄膜热应力集中产生的膜片变形导致的测量误差，加之金刚石薄膜极好的机械性能，有助于扩展电容薄膜真空规测量范围及灵敏度；

2.本发明提供了一种多晶金刚石复合感压薄膜及其制备方法，基底单面生长多晶金刚石感压薄膜，不改变基底面积条件下，有效保证了多晶金刚石薄膜的各项物理性能指标，同时有望结合微机电系统(MEMS)微加工技术，有利于电容薄膜规的微型化应用。

附图说明

图1为本发明中一种多晶金刚石复合感压薄膜的结构示意图。

图2为实施例中一种电容薄膜真空规的结构示意图。

图3为实施例1制备得到的多晶金刚石薄膜的形貌图。

图4为实施例1制备得到的多晶金刚石薄膜的拉曼光谱图。

图5为实施例2制备得到的多晶金刚石薄膜的形貌图。

图6为实施例2制备得到的多晶金刚石薄膜的拉曼光谱图。

其中，1—机架，2—底架，3—复合感压膜片，4—陶瓷焊料，5—电极板，5-1—电极圆盘，5-2—电极支柱，5-3—环形凹槽，6—电极板导线，7—进气孔，8—抽气孔，9—电线引出口。

具体实施方式

以下实施例中：

沉积多晶金刚石薄膜的MPCVD装置为日本岛津公司的ASTX5250型圆柱谐振腔式MPCVD装置；

对制备得到的多晶金刚石复合感压薄膜进行测试如下：

(1)多晶金刚石薄膜厚度及形貌特征使用日本岛津公司生产的SSX-550型扫描电子显微镜、MAGELLAN400场发射扫描电子显微镜镜(FEI)以及JXA-8200型电子探针扫描电子显微镜(JEOL)进行测试；

(2)多晶金刚石薄膜的Raman(拉曼)光谱使用英国Renishaw公司生产的RM-1000型inVia micro Raman光谱仪进行测试。

实施例1

步骤一、对直径为70mm，厚度为100μm的圆形316L不锈钢片衬底进行金刚石膜生长前的预处理，使用平均粒度小于1μm的金刚石粉研磨10min，磨出均匀的划痕，使衬底表面变得粗糙，粗糙度为0.3μm，残留在划痕处的金刚石粉可作为多晶金刚石薄膜生长的籽晶。

步骤二、将预处理后衬底用无水乙醇擦干，超声清洗得到洁净的预处理后衬底；洁净的预处理后衬底放入MPCVD装置的反应室中，用机械泵对反应室抽真空至压力为0.01Pa，同时打开微波电源对反应室进行初步预热至300℃；通入流量为500sccm的氢气，当压力达到13000Pa，加入功率为200W的微波激发氢气起辉，再通入流量为10sccm的甲烷和流量为0.8sccm的氮气，调节微波功率为2000W，加热至900℃进行多晶金刚石薄膜的沉积，沉积1h，得到所述的一种多晶金刚石复合感压薄膜，如图1所示，上层为多晶金刚石薄膜，下层为衬底；

对本实施例制得的多晶金刚石复合感压薄膜进行测试，结果如下：

(1)多晶金刚石薄膜厚度为14μm，多晶体形貌特征如图3所示；

(2)拉曼光谱测试结果如图4所示，图中显示金刚石特征峰数值为1332证明沉积得到的薄膜为多晶金刚石薄膜。

实施例2

步骤一、对直径为50mm，厚度为100μm的圆形316L不锈钢片衬底进行金刚石膜生长前的预处理，使用平均粒度小于1μm的金刚石粉研磨10min，磨出均匀的划痕，使衬底表面变得粗糙，粗糙度为0.4μm，残留在划痕处的金刚石粉可作为多晶金刚石薄膜生长的籽晶。

步骤二、将预处理后衬底用无水乙醇擦干，超声清洗得到洁净的预处理后衬底；洁净的预处理后衬底放入MPCVD装置的反应室中，用机械泵对反应室抽真空至压力为0.1Pa，同时打开微波电源对反应室进行初步预热至200℃；通入流量为450sccm的氢气，当压力达到10000Pa，加入功率为100W的微波激发氢气起辉，再通入流量为5sccm的甲烷和流量为1sccm的氮气，调节微波功率为1800W，加热至700℃进行多晶金刚石薄膜的沉积，沉积0.5h，得到所述的一种多晶金刚石复合感压薄膜，如图1所示，上层为多晶金刚石薄膜，下层为衬底；

对本实施例制得的多晶金刚石复合感压薄膜进行测试，结果如下：

(1)多晶金刚石薄膜厚度为6μm，多晶体形貌特征如图5所示；

(2)拉曼光谱测试结果如图6所示，图中显示金刚石特征峰数值为1332，证明沉积得到的薄膜为多晶金刚石薄膜。

实施例3

将实施例1中制备得到的多晶金刚石复合感压薄膜可作为一种电容薄膜真空规中的复合感压膜片使用。所述电容薄膜真空规为专利号为“201210451437”，发明名称为“抗热变形的电容薄膜式压力传感器”中所述的电容薄膜式压力传感器，如图2所示，具体包括：机架1、底架2、复合感压膜片3、陶瓷焊料4、电极板5与电极板导线6；

机架1包括：顶板与侧板，侧板位于顶板的下方，对顶板形成周向支撑，机架1的纵剖面为n型结构，顶板上开有两个通孔，一个为进气孔7，另一个为电线引出口9，顶板的下表面中央位置开有凹槽；

复合感压膜片3焊接在机架1侧板的卜端面，将机架1封闭为待测气室；

底架2的上表面设有环形凸台，环形凸台的外径等于复合感压膜片3的直径，底架2通过其上的环形凸台与复合感压膜片3的边缘焊接，底架2中央开有通孔，通孔为抽气孔8；

电极板5安装于待测气室中，它包括：电极圆盘5-1以及安装于电极圆盘5-1上表面中央位置的电极支柱5-2，在电极圆盘5-1与电极支柱5-2的连接处设有环形凹槽5-3，电极支柱5-2通过陶瓷焊料4套接在机架1顶板下表面的凹槽内，电极支柱5-2的上端面距机架1顶板间留有缝隙，电极板5悬挂于待测气室中，电极支柱5-2的上端面距机架1顶板间的距离为2mm，环形凹槽5-3外径与内径之差为2-4mm，环形凹槽5-3的宽度为电极圆盘5-1宽度的二分之一；

电极板导线6一端与电极圆盘5-1连接，另一端通过电线引出口9引出，并在电线引出口9处通过陶瓷焊料4密封。

对所述电容薄膜真空规依照中华人民共和国计量技术规范《JJF1503-2015电容薄膜真空计校准规范》进行测试，所述电容薄膜真空规显示压力为P_b，校准测试结果表明其标准不确定度满足常规真空度的测量需求，测试数据见表1。

表1实施例3中电容薄膜真空计的测量数据

实施例4

将实施例2中制备得到的多晶金刚石复合感压薄膜可作为一种电容薄膜真空规中的复合感压膜片3使用，所述电容薄膜真空规显示压力为P_b，校准测试结果表明其标准不确定度满足常规真空度的测量需求，测试数据见表2，其余同实施例3。

表2实施例4电容薄膜真空计测量数据

本领域技术人员还可在本发明精神内做其它变化，依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围之内。