一种SF6气体传感器及其放电电极的制备方法技术

本发明专利技术提供一种SF6气体传感器及其放电电极的制备方法，SF6气体传感器的传感头中的放电电极为经MEMS工艺制备的放电电极阵列，且所述放电电极阵列为微纳结构；且其外围控制电路中设有传感器控制电路切换系统。放电电极的制备方法包括采用体硅微加工技术在原有硅衬底表面刻均匀刻蚀制备微米尺度的锥形体的微纳电极；利用腐蚀方法减小所述微纳电极的曲率半径后集成封装。本发明专利技术提出的该SF6气体传感器及其放电电极的制备方法可应用于智能变电站GIS设备的长期实时在线监测，能够实现GIS设备SF6气体的长期在线预警检测，具有体积小、功耗低、成本低、灵敏度高等特点，兼顾长期在线监测和精确测量的优点。

SF6 gas sensor and preparation method thereof

The invention provides a preparation method of SF6 gas sensor and a discharge electrode, the discharge electrode sensing head SF6 gas sensor in the discharge electrode array was fabricated by MEMS process, and the discharge electrode array for micro nano structure; and the external control is provided with a sensor control circuit in the circuit switching system. Preparation method of discharge electrode including micro electrode using silicon bulk micromachining technology uniform cone etching to prepare micron scale in the silicon substrate surface moment; curvature radius by etching method reduce the micro nano electrode integrated package. The long-term real-time online monitoring method for the preparation of the SF6 gas sensor provided by the invention and the discharge electrode can be applied to the GIS device in Smart Substation, long-term online early warning detection can achieve SF6 GIS gas equipment, has the advantages of small volume, low power consumption, low cost, high sensitivity, taking into account the advantages of long-term online monitoring and accurate measurement.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及电子信息
和微机电精细加工领域，具体涉及一种SF6气体传感器及其放电电极的制备方法。
技术介绍
SF6气体具有与其他惰性气体相比拟的稳定的化学性质，是一种高电气绝缘强度的气体绝缘介质，广泛用于电力系统和电气设备中。对使用SF6气体绝缘介质的电气设备进行检漏是十分必要的，一是因为，SF6气体的泄露会降低电气设备的绝缘性能，带来安全隐患；二是因为，虽然纯SF6气体无毒性，但其分解产物带有毒性，会对电气设备和人身安全带来严重危害。目前，SF6气体浓度检测的方法主要有高压负电晕放电检测、SF6压力传感检测、超声波检测、紫外电离法检测、激光成像技术检测等。但以上技术手段均存在使用寿命短、误报警率高、环境适应性差等明显不足，部分设备由于需要采用先进的光源和特制的电路，设备成本较高，难以在智能变电站中广泛使用。基于负电晕放电原理的普通SF6气体传感器还存在尖端电极易老化、单电极结构灵敏度低、高压脉冲电路不稳定等问题，严重影响传感器的性能和使用寿命。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提供的一种SF6气体传感器及其放电电极的制备方法，该SF6气体传感器及其放电电极的制备方法可应用于智能变电站GIS设备的长期实时在线监测，能够实现GIS设备SF6气体的长期在线预警检测。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：一种SF6气体传感器，所述SF6气体传感器包括用于感知SF6气体的传感头和用于驱动传感头的外围控制电路；所述传感头中的放电电极为经MEMS工艺制备的放电电极阵列，且所述放电电极阵列为微纳结构；所述外围控制电路中设有传感器控制电路切换系统。优选的，所述放电电极阵列设置在硅衬底表面上，且所述放电电极阵列的上方设有与所述硅衬底平行设置的正电极金属平面电极板。优选的，所述放电电极阵列包括均匀分布的微纳电极；所述微纳电极为锥形体电极；所述锥形体电极的圆形底面设置在所述硅衬底表面上；所述锥形体电极的尖顶端位于所述正电极金属平面电极板的板面下。优选的，所述传感器控制电路切换系统包括依次连接的电路切换模块、直流高压控制模块、微处理器单元、电压/电流值数据采集模块和测量单元；所述测量单元又连接至所述电路切换模块形成循环回路。优选的，所述测量单元包括并联的恒压测流模块和恒流测压模块；所述恒压测流模块与恒流测压模块均连接在所述电压/电流值数据采集模块与所述电路切换模块之间。优选的，所述电路切换模块用于自动切换所述恒压测流模块和恒流测压模块；在无需对SF6气体浓度进行精确测量的工况下，所述电路切换模块自动接通所述恒流测压模块；在需要对SF6气体浓度进行精确测量的工况下，所述电路切换模块自动接通所述恒压测流模块；所述直流高压控制模块用于产生所述驱动所述测量单元所需的直流高电压；所述微处理器单元用于接收所述电压/电流值数据采集模块上传的电压或电流数据，并对所述电压或电流数据进行分析，根据分析结果控制直流高压控制模块，产生驱动所述测量单元所需的直流高电压；所述电压/电流值数据采集模块用于将测量模块所测得的电压或电流数据上传至所述微处理器单元模块；所述恒压测流模块用于在放电电极两端施加恒定直流电压，并测量放电电流值的大小，换算成SF6气体浓度；所述恒流测压模块用于保持所述SF6气体传感器电极间的放电电流值恒定不变，并测量放电所需的直流电压值的大小，换算成SF6气体的浓度。一种SF6气体传感器中放电电极的制备方法，所述放电电极为放电电极阵列，且所述放电电极阵列包括均匀分布的锥形体的微纳电极；所述制备方法包括如下步骤：步骤1.以硅衬底作为基底材料，采用体硅微加工技术在所述硅衬底表面刻均匀刻蚀制备微米尺度的锥形体的微纳电极；步骤2.利用腐蚀方法减小所述微纳电极的曲率半径；步骤3.在精确控制所述微纳电极间距前提下，利用键合工艺将正电极金属平面电极板封装在所述放电电极阵列的顶端，且保证所述正电极金属平面电极板平行于所述硅衬底；实现所述放电电极的集成封装。优选的，所述体硅微加工技术包括光刻加工技术、硅各向异性腐蚀加工技术及深刻蚀加工技术；所述腐蚀方法包括化学腐蚀方法及电化学腐蚀方法。从上述的技术方案可以看出，本专利技术提供了一种SF6气体传感器及其放电电极的制备方法，SF6气体传感器的传感头中的放电电极为经MEMS工艺制备的放电电极阵列，且所述放电电极阵列为微纳结构；且其外围控制电路中设有传感器控制电路切换系统。放电电极的制备方法包括采用体硅微加工技术在硅衬底表面刻均匀刻蚀制备微米尺度的锥形体的微纳电极；利用腐蚀方法减小所述微纳电极的曲率半径后集成封装。本专利技术提出的该SF6气体传感器及其放电电极的制备方法可应用于智能变电站GIS设备的长期实时在线监测，能够实现GIS设备SF6气体的长期在线预警检测，具有体积小、功耗低、成本低、灵敏度高等特点，兼顾长期在线监测和精确测量的优点。与最接近的现有技术比，本专利技术提供的技术方案具有以下优异效果：1、本专利技术所提供的技术方案中，采用先进的MEMS工艺制备微米尺度的放电电极阵列，可以有效的减小电极间的放电间距，降低电晕放电所需的放电电压。同时，MEMS工艺易于实现大批量生产，提高成品率，降低生产成本。2、本专利技术所提供的技术方案，创新性的采用了恒压测流与恒流测压相结合的方式，在提高设备使用寿命的同时，保证测量的精确度。3、本专利技术所提供的技术方案，采用硅作为基底材料，利用基于MEMS工艺的体硅微加工技术，在原有平面工作电极表面区域制备具有微米尺度的椎体型三维立体结构微电极阵列。用立体结构表面面积代替原有的平面区域面积，增加空间深度的同时增加了电极表面的有效放电面积，大大提高传感器的响应特性。采用MEMS工艺制备微纳电极阵列易于实现批量化加工，保证电极具备较好的一致性和重复性，有助于进一步实现片上集成系统(SOC)，降低生产成本。4、本专利技术所提供的技术方案，SF6气体传感器是一种基于以上微纳电极制备技术采用MEMS加工工艺制备的新型气体传感器，发生负电晕放电所需的高压值较普通负电晕放电气体传感器大幅下降，有效的降低由于高压放电带来的电极老化，延长传感器的使用寿命。5、本专利技术所提供的技术方案，SF6气体传感器是一种结合了恒压测流与恒流测压方式的新型传感器，具备在两种工作模式中快速切换的能力。恒压测流是指在放电电极两端施加恒定直流电压，测量放电电流值的大小，然后换算成SF6气体浓度。恒流测压是指保持传感器电极间放电电流值恒定不变，测量放电所需的直流电压值的大小，然后换算成SF6气体的浓度。经多组实验验证，恒压测流方法可获得较高的测量精度，但是放电电极的使用寿命较短；恒流测压方法的测量精度较低，但电极的使用寿命较长。基于以上两种测试方法所存在的不足，本设计将两种测试方法结合，从而获得一种兼顾测量精度和使用寿命的新型SF6气体传感器。6、本专利技术所提供的技术方案，日常使用免维护，采用恒压测流和恒流测压两种监测模式的自如切换，兼顾对传感器长期在线测量和测量精确度的要求，提高可靠性。7、本专利技术提供的技术方案，SF6气体传感器具有体积小、功耗低、成本低、灵敏度高等特点，兼顾长期在线监测和精确测量的优点，应用广泛，具有显著的社会效益和经济效益。附图说明图1是本专利技术的一种SF6气体传感器的结构示意图；图2是本专利技术的SF6气体本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种SF6气体传感器，所述SF6气体传感器包括用于感知SF6气体的传感头和用于驱动传感头的外围控制电路；其特征在于，所述传感头中的放电电极为经MEMS工艺制备的放电电极阵列，且所述放电电极阵列为微纳结构；所述外围控制电路中设有传感器控制电路切换系统。

【技术特征摘要】
1.一种SF6气体传感器，所述SF6气体传感器包括用于感知SF6气体的传感头和用于驱动传感头的外围控制电路；其特征在于，所述传感头中的放电电极为经MEMS工艺制备的放电电极阵列，且所述放电电极阵列为微纳结构；所述外围控制电路中设有传感器控制电路切换系统。2.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述放电电极阵列设置在硅衬底表面上，且所述放电电极阵列的上方设有与所述硅衬底平行设置的正电极金属平面电极板。3.如权利要求2所述的传感器，其特征在于，所述放电电极阵列包括均匀分布的微纳电极；所述微纳电极为锥形体电极；所述锥形体电极的圆形底面设置在所述硅衬底表面上；所述锥形体电极的尖顶端位于所述正电极金属平面电极板的板面下。4.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述传感器控制电路切换系统包括依次连接的电路切换模块、直流高压控制模块、微处理器单元、电压/电流值数据采集模块和测量单元；所述测量单元又连接至所述电路切换模块形成循环回路。5.如权利要求4所述的传感器，其特征在于，所述测量单元包括并联的恒压测流模块和恒流测压模块；所述恒压测流模块与恒流测压模块均连接在所述电压/电流值数据采集模块与所述电路切换模块之间。6.如权利要求5所述的传感器，其特征在于，所述电路切换模块用于自动切换所述恒压测流模块和恒流测压模块；在无需对SF6气体浓度进行精确测量的工况下，所述电路切换模块自动接通所述恒流测压模块；在需要对SF6气体浓度进行精确测量的工况下，所述电路...

【专利技术属性】
技术研发人员：李璐，陈硕，郑天祥，尉志勇，单来支，高慧，高运兴，
申请(专利权)人：国网智能电网研究院，国家电网公司，国网山东省电力公司泰安供电公司，
类型：发明
国别省市：北京;11