一种虚拟传感器阵列及其制备方法技术

本公开揭示了一种虚拟传感器阵列，包括：加热基底、传感器衬底、纳米气敏材料和测试电极；本公开还揭示了一种制备虚拟传感器阵列的方法。本公开采用纳米气敏材料制备传感器，采用脉冲加热电压改变实验温度，构成虚拟传感器阵列，能够减小传感器物理阵列规模，便于电力设备的在线监测，还能有效降低工作能耗。

A Virtual Sensor Array and Its Preparation Method

The present disclosure discloses a virtual sensor array comprising a heating substrate, a sensor substrate, a nano gas sensing material and a test electrode, and also discloses a method for preparing a virtual sensor array. The sensor is made of nanometer gas sensitive material, and the experimental temperature is changed by pulse heating voltage to form a virtual sensor array, which can reduce the size of the sensor physical array, facilitate on-line monitoring of power equipment, and effectively reduce working energy consumption.

【技术实现步骤摘要】
一种虚拟传感器阵列及其制备方法
本公开属于气体分解产物检测领域，具体涉及一种虚拟传感器阵列及其制备方法。
技术介绍
六氟化硫(SF6)因优异的绝缘性能和灭弧性能被大规模应用于气体绝缘组合电器(GIS)、变压器、互感器等电力设备之中。当这些电力设备内部发生电弧、火花或电晕放电时，部分SF6气体分子在高温放电作用下发生分解等一系列反应，最终生成几种典型的稳定的分解产物：硫化氢(H2S)、二氧化硫(SO2)、氟化亚硫酰(SOF2)、氟化硫酰(SO2F2)等。这些有毒化合物不仅威胁到维护人员的健康，也会加速设备绝缘老化并且腐蚀设备的金属表面，最终可能引发GIS故障，给电力系统安全运行造成隐患。上述SF6放电分解产物的含量与放电类型和放电强度均有关，可通过检测分解产物的种类与含量进行电力设备故障诊断。基于纳米材料的气体传感器体积小，成本低，可靠性高，便于应用于电力设备在线监测等特点。但现有研究中对其工作温度的要求通常较高，且一种纳米材料对应的传感器常常对几种测试气体均有响应，即此类传感器的交叉敏感问题是限制传感器应用的重要因素。为达到合适的工作温度，需要给传感器施加一定的加热电压，致使传感器功耗增加。通过多个敏感性不同的传感器构建阵列，是解决交叉敏感问题的一种常见思路。然而，为检测多种混合气体中各组分含量，所需的阵列规模也将随之扩大，导致阵列体积大、成本高。
技术实现思路
针对传统气体传感器阵列施加恒定加热电压升高温度导致功耗大的不足，本公开采用施加脉冲电压的加热方式降低传感器阵列的功耗；针对现有大规模传感器阵列结构复杂、体积大的不足，本公开通过利用不同纳米材料对气体响应的温度特性，视每个不同的温度点为一个“虚拟传感器”，能够取得在传感器阵列物理规模较小的情况下获取更多实验数据的效果。本公开的目的是通过以下技术方案实现的。一种虚拟传感器阵列，包括：加热基底、传感器衬底、测试电极和纳米气敏材料；其中，所述传感器衬底置于所述加热基底上；所述传感器衬底上刻有所述测试电极；所述测试电极引出电极引线；所述纳米气敏材料涂覆于所述测试电极表面的中央区域。优选的，所述传感器衬底的制备材料包括如下任一：二氧化硅、氮化硅、氧化铝和陶瓷。优选的，所述加热基底的制备材料为金-镍或铂。优选的，所述测试电极的制备材料包括如下任一：金、铂、银-钯。优选的，所述测试电极为叉指电极。一种制备虚拟传感器阵列的方法，包括如下步骤：S100：传感器基底加工：在传感器衬底表面上加工出叉指状电极，并引出相应的电极引线；S200：传感器制备：将不同的纳米气敏材料充分研磨并通过乙醇分散后均匀涂覆在设置于传感器衬底表面的测试电极上；S300：虚拟传感器阵列构建对步骤S200中的涂覆有纳米气敏材料的传感器施加不同波形的脉冲加热电压，获取不同温度下所述传感器的气敏响应数据。优选的，所述叉指状电极是通过电子束蒸发镀膜工艺和光刻工艺形成在传感器衬底表面上的。优选的，所述纳米气敏材料包括二氧化铈、氧化铟、氧化钨、氧化锌、石墨烯和黑磷。优选的，步骤S200中，所述纳米气敏材料涂覆在所述传感器基底表面上是通过如下任一方式进行的：喷涂、旋涂和滴涂。优选的，步骤S200中，所述纳米气敏材料的涂覆厚度为50nm～2um。与现有技术相比，本公开带来的有益效果为：1、采用纳米气敏材料制成的传感器具有体积小，成本低，便于应用于电力设备在线监测的特点；2、本专利技术提出的虚拟传感器阵列可以极大的减小传感器阵列规模，缩小器件的整体体积，且能快速获得实验所需数据，提高实验效率，适用于多种应用条件，普及性好；3、本专利技术采用的脉冲电压加热方式与传统恒定电压加热方式相比，传感器阵列功耗显著降低。附图说明图1是本专利技术的一种虚拟传感器阵列的结构示意图；图2是本专利技术施加脉冲加热电压的效果示意图；图3(a)至图3(b)是本专利技术对50ppmSO2和50ppmSOF2测试气体的温度特性曲线示意图；图4(a)至图4(b)是本专利技术中涂覆CeO2纳米材料的传感器在200℃时对SO2和SOF2测试气体的浓度特性响应曲线示意图；图5(a)至图5(b)是本专利技术中涂覆In2O3纳米材料的传感器在200℃时对SO2和SOF2测试气体的浓度特性响应曲线示意图；图6(a)至图6(b)是本专利技术中涂覆WO3纳米材料的传感器在200℃时对SO2和SOF2测试气体的浓度特性响应曲线示意图。具体实施方式下面结合附图和实施例对本公开的技术方案进行详细描述。参见图1，一种虚拟传感器阵列，包括加热基底1、传感器衬底2、测试电极3和纳米气敏材料5；其中，所述传感器衬底2置于所述加热基底1上；所述传感器衬底2上刻有所述测试电极3；所述测试电极3引出电极引线4；所述纳米气敏材料5涂覆于所述测试电极3表面的中央区域。上述实施例完整的公开了本专利技术的技术方案，利用不同纳米气敏材料5对气体响应的温度特性制备虚拟传感器阵列，具有极大减小传感器阵列规模和缩小器件整体体积的特点，并且相较于传统的传感器具有显著降低功耗的特点。另一个实施例中，所述传感器衬底2的制备材料包括如下任一：二氧化硅、氮化硅、氧化铝和陶瓷片。本实施例中，传感器衬底2用于支撑测试电极3，需要选用绝缘材料作为传感器衬底2的制备材料，优选的，本实施例选用二氧化硅、氮化硅、氧化铝或陶瓷片作为传感器衬底2的制备材料，更优选的，本实施例选用陶瓷片作为制备材料，所述陶瓷片的体积为10.0×5.0×0.3mm。另一个实施例中，所述加热基底1的制备材料为金-镍或铂。本实施例中，加热基底1用于承受不同脉冲加热电压实现对传感器的温度进行调节，选用金-镍或铂作为加热基底1上蛇形加热元件的制备材料，是充分利用其具有良好导热性和高熔点的特性，避免加热基底1在对传感器导热的过程中被熔化。优选的，本实施例中选择铂作为加热基底1的制备材料，大小为3.0×4.0mm，厚度为100nm。另一个实施例中，所述测试电极3的制备材料包括如下任一：金、铂和银-钯。本实施例中，金、铂和银-钯具有导电性优良的特点，适于测试电极需要快速导电的特性。另一个实施例中，所述测试电极3为叉指电极。本实施例中，所述叉指电极优选银-钯作为制备材料，所述叉指电极的厚度为100nm，叉指电极的间距与宽度均为100um。另一个实施例中，本公开还提供一种制备虚拟传感器阵列的方法，包括如下步骤：S100：传感器基底加工：在传感器衬底2表面上加工出叉指状电极，并引出相应的电极引线4；S200：传感器制备：将不同的纳米气敏材料5充分研磨并通过乙醇分散后均匀涂覆在设置于传感器衬底2表面的测试电极上；S300：虚拟传感器阵列构建：对步骤S200中的涂覆有纳米气敏材料5的传感器施加不同波形的脉冲加热电压，获取不同温度下所述传感器的气敏响应数据。另一个实施例中，所述叉指状电极是通过电子束蒸发镀膜工艺和光刻工艺形成在传感器衬底2表面上的。另一个实施例中，所述纳米气敏材料5包括二氧化铈、氧化铟、氧化钨、氧化锌、石墨烯和黑磷。另一个实施例中，步骤S200中，所述纳米气敏材料5涂覆在所述传感器基底表面的测试电极3上是通过如下任一方式进行的：喷涂、旋涂和滴涂。本实施例中，将纳米气敏材料5均匀涂覆在传感器基底表面的测试电极3上形成稳定的气敏薄膜，所述测试电极3和气敏薄膜共同组成了传感本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种虚拟传感器阵列，包括：加热基底、传感器衬底、测试电极和纳米气敏材料；其中，所述传感器衬底置于所述加热基底上；所述传感器衬底上刻有所述测试电极；所述测试电极引出电极引线；所述纳米气敏材料涂覆于所述测试电极表面的中央区域。

【技术特征摘要】
1.一种虚拟传感器阵列，包括：加热基底、传感器衬底、测试电极和纳米气敏材料；其中，所述传感器衬底置于所述加热基底上；所述传感器衬底上刻有所述测试电极；所述测试电极引出电极引线；所述纳米气敏材料涂覆于所述测试电极表面的中央区域。2.根据权利要求1所述的虚拟传感器阵列，其特征在于，优选的，所述传感器衬底的制备材料包括如下任一：二氧化硅、氮化硅、氧化铝和陶瓷片。3.根据权利要求1所述的虚拟传感器阵列，其特征在于，所述加热基底的制备材料为金-镍或铂。4.根据权利要求1所述的虚拟传感器阵列，其特征在于，所述测试电极和所述测试端子的制备材料包括如下任一：金、铂、银-钯。5.根据权利要求1所述的虚拟传感器阵列，其特征在于，所述测试电极为叉指电极。6.一种制备权利要求1所述的虚拟传感器阵列的方法，包括如下步骤：S100：传感器基底加工：在传感器衬底表面上加工出叉指状电...

【专利技术属性】
技术研发人员：王小华，李渭娟，褚继峰，王大伟，兰天松，杨旭，杨爱军，荣命哲，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61