一種用于檢測(cè)銅金屬蒸氣濃度的多電極微型傳感器的制造方法
【專(zhuān)利摘要】一種用于檢測(cè)銅金屬蒸氣濃度的多電極微型傳感器，其下而上包括：包括金屬放電針陣列的放電陰極，所述放電陰極接地，通過(guò)在金屬放電針尖端局部小區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生強(qiáng)電場(chǎng)從而場(chǎng)致發(fā)射電子；用于隔絕放電陰極和提取電極的第一絕緣支撐；連接直流電源的提取電極，用于提取被測(cè)氣體通過(guò)電離、碰撞、擴(kuò)散后產(chǎn)生的正離子流，實(shí)現(xiàn)電子和正離子流的分離；用于隔絕提取電極和收集電極的第二絕緣支撐；連接直流電源的收集電極，使正離子流被電場(chǎng)加速?gòu)亩皇占姌O吸收。本發(fā)明所公開(kāi)的傳感器可以在常溫、大氣壓及較低電壓的條件下使被測(cè)氣體發(fā)生微弱放電，并在收集電極上得到相應(yīng)放電電流，可用于檢測(cè)斷路器滅弧室內(nèi)銅蒸氣濃度。
【專(zhuān)利說(shuō)明】-種用于檢測(cè)銅金屬蒸氣濃度的多電極微型傳感器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及斷路器電壽命檢測(cè)領(lǐng)域，特別的，涉及一種用于檢測(cè)銅金屬蒸氣濃度 的多電極微型傳感器。

【背景技術(shù)】
[0002] 在電力系統(tǒng)中，斷路器是開(kāi)關(guān)電氣中最重要的設(shè)備之一，其性能的可靠性關(guān)系到 電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。實(shí)踐表明，斷路器的電壽命是斷路器壽命診斷的重要參數(shù)。目前，高 壓SF 6斷路器的機(jī)械特性、局部放電（絕緣特性）、SF6氣體特性等都得到了深入研究，并有 切實(shí)可行的實(shí)用技術(shù)可供應(yīng)，但是高壓SF 6斷路器的電壽命特性研究?jī)H有基于N_Ib曲線、能 量累積法等少數(shù)大致估算的方法。
[0003] 現(xiàn)有的電壽命監(jiān)測(cè)方法主要依賴(lài)于斷路器開(kāi)斷電流參數(shù)，如累積能量法，是通過(guò) 累積一定時(shí)間內(nèi)斷路器觸頭兩端流過(guò)的電流而獲得的能量，將該能量乘以系數(shù)后對(duì)應(yīng)于斷 路器的電壽命。但該方法完全沒(méi)有考慮流過(guò)觸頭兩端的電流與斷路器觸頭燒蝕之間的復(fù)雜 關(guān)系，也未考慮流過(guò)觸頭的能量到底有多少用于觸頭的燒蝕，因此所得的結(jié)果非常粗略，難 以實(shí)際應(yīng)用。
[0004] 研究表明，影響電壽命的主要因素是電磨損，包括滅弧室、滅弧介質(zhì)、觸頭三方面， 起決定性作用的是觸頭的電磨損。伴隨電弧的燃燒過(guò)程，觸頭燒蝕產(chǎn)生大量金屬蒸氣，同時(shí) 在電弧作用下SF 6分解產(chǎn)生帶電粒子，與雜質(zhì)反應(yīng)后形成穩(wěn)定的中性粒子，如S0F2, S02F2等， 長(zhǎng)期存在于滅弧室內(nèi)。因此，金屬蒸氣的含量與觸頭的燒蝕程度及斷路器的電壽命密切相 關(guān)，而且SF 6部分分解產(chǎn)物也與觸頭燒蝕情況有關(guān)，可作為斷路器電壽命的特征量。
[0005] 而對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)中的各種傳感器而言，近年來(lái)，隨著碳納米管技術(shù)的飛躍發(fā)展， 碳納米管傳感器以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)已逐步應(yīng)用到高壓GIS局部放電的監(jiān)測(cè)，使其具備了應(yīng)用 到高壓SF 6斷路器電壽命監(jiān)測(cè)的可能性。但是如何得到一種能夠精確地檢測(cè)銅蒸汽濃度的 微型傳感器，從而應(yīng)用于斷路器壽命和GIS絕緣壽命檢測(cè)，仍然是現(xiàn)有技術(shù)亟需解決的技 術(shù)問(wèn)題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于提出一種監(jiān)測(cè)銅金屬濃度的新型微米尺寸傳感器，從而通過(guò) SF6斷路器弧觸頭燒蝕狀況來(lái)監(jiān)測(cè)和評(píng)估斷路器的電壽命。
[0007] 為達(dá)此目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：
[0008] -種用于檢測(cè)銅金屬蒸氣濃度的多電極微型傳感器，其下而上包括：
[0009] 放電陰極，所述放電陰極包括金屬放電針陣列，所述放電陰極接地，通過(guò)在金屬放 電針尖端局部小區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生強(qiáng)電場(chǎng)從而場(chǎng)致發(fā)射電子，實(shí)現(xiàn)電極間被測(cè)氣體分子電離；
[0010] 第一絕緣支撐，用于隔絕放電陰極和提取電極；
[0011] 提取電極，所述提取電極連接直流電源，提取被測(cè)氣體通過(guò)電離、碰撞、擴(kuò)散后產(chǎn) 生的正離子流，實(shí)現(xiàn)電子和正離子流的分離；
[0012] 第二絕緣支撐，用于隔絕提取電極和收集電極；
[0013] 收集電極，所述收集電極連接直流電源，使正離子流被電場(chǎng)加速?gòu)亩皇占姌O 收集。
[0014] 優(yōu)選地，所述放電陰極包括位于底部的底板，在所述底板內(nèi)表面中部的金屬薄膜 基底，以及在所述金屬薄膜基底上的金屬放電針陣列。
[0015] 進(jìn)一步優(yōu)選地，所述底板采用高硼硅玻璃底板，所述金屬薄膜基底為T(mén)i金屬薄 膜，所述金屬放電針陣列利用等離子體沉積法制備得至IJ。
[0016] 優(yōu)選地，所述提取電極采用Si02材料作為底板，兩側(cè)面附著金屬膜，所述收集電極 采用Si0 2材料作為底板，內(nèi)側(cè)附著金屬膜。所述提取電極表面具有多個(gè)通氣孔。
[0017] 優(yōu)選地，所述金屬放電針陣列中的單個(gè)放電針的長(zhǎng)度約為ΙΟΟμπι到1mm，各放電 針之間的距離約為50 μ m到100 μ m。進(jìn)一步優(yōu)選地，所述放電針的長(zhǎng)度約為10 μ m，直徑約 為 1 μ m。
[0018] 優(yōu)選地，所述提取電極使用100V到200V的直流電源，所述收集電極使用的直流電 壓低于所述提取電極和放電電極之間的電壓。
[0019] 優(yōu)選地，所述第一絕緣支撐為方框形，其邊界制作成鋸齒形，所述第二絕緣支撐為 多個(gè)矩形絕緣塊，位于所述提取電極的邊緣。
[0020] 優(yōu)選地，所述第一絕緣支撐和所述第二絕緣支撐為高硼硅玻璃材質(zhì)或者聚酰亞 胺。
[0021] 本發(fā)明能夠檢測(cè)和評(píng)估斷路器的電壽命，具有適用于氣體濃度在線監(jiān)測(cè)，降低實(shí) 際操作難度，便于安裝，減少氣體擊穿的起始電壓，能有效識(shí)別不同的氣體、檢測(cè)氣體濃度， 可應(yīng)用于斷路器電壽命和GIS絕緣壽命監(jiān)測(cè)的優(yōu)點(diǎn)。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0022] 圖1是根據(jù)本發(fā)明的具體實(shí)施例的微型微米尺度傳感器的立體結(jié)構(gòu)側(cè)視圖；
[0023] 圖2是本發(fā)明的微型微米尺度傳感器和現(xiàn)有技術(shù)的傳感器在電極間距改變時(shí)，能 夠得到的銅金屬蒸氣的放電起始電壓對(duì)比圖；
[0024] 圖3是本發(fā)明中的微型微米尺度傳感器放電電流取對(duì)數(shù)與被測(cè)各種蒸汽的氣體 濃度之間的關(guān)系。
[0025] 圖中的附圖標(biāo)記所分別指代的技術(shù)特征為：
[0026] 1、收集電極；2、提取電極；3、第一絕緣支撐；4、金屬放電針陣列；5、底板；6、第二 絕緣支撐；7、金屬薄膜基底。

【具體實(shí)施方式】
[0027] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明?？梢岳斫獾氖?，此處所描 述的具體實(shí)施例僅僅用于解釋本發(fā)明，而非對(duì)本發(fā)明的限定。另外還需要說(shuō)明的是，為了便 于描述，附圖中僅示出了與本發(fā)明相關(guān)的部分而非全部結(jié)構(gòu)。
[0028] 參見(jiàn)圖1，公開(kāi)了根據(jù)本發(fā)明具體實(shí)施例的一種用于檢測(cè)銅金屬蒸氣濃度的多電 極微型傳感器，其下而上包括：
[0029] 放電陰極，所述放電陰極包括金屬放電針陣列4,所述放電陰極接地，通過(guò)在金屬 放電針尖端局部小區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生強(qiáng)電場(chǎng)從而場(chǎng)致發(fā)射電子，實(shí)現(xiàn)電極間被測(cè)氣體分子電離；
[0030] 第一絕緣支撐3,用于隔絕放電陰極和提取電極2 ;
[0031] 提取電極2,所述提取電極連接直流電源，提取被測(cè)氣體通過(guò)電離、碰撞、擴(kuò)散后產(chǎn) 生的正離子流，實(shí)現(xiàn)電子和正離子流的分離；
[0032] 第二絕緣支撐6,用于隔絕提取電極2和收集電極1，優(yōu)選地；
[0033] 收集電極1，所述收集電極連接直流電源，使正離子流被電場(chǎng)加速?gòu)亩皇占姌O 收集。
[0034] 因此，首先本發(fā)明采用金屬放電針陣列，解決氣體擊穿需要較高電壓的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn) 了在較低電壓下產(chǎn)生高電場(chǎng)使被測(cè)氣體擊穿；其次由于本發(fā)明采用金屬放電針陣列和提取 電極結(jié)構(gòu)，傳感器的壽命大幅度提高；再次，本發(fā)明采用收集電極吸收正離子流，其上流過(guò) 的放電電流可以靈敏的反應(yīng)被測(cè)氣體濃度。這樣一來(lái)，被測(cè)氣體在放電電極和提取電極之 間發(fā)生微弱放電，收集電極上流過(guò)放電電流，可用于檢測(cè)被測(cè)氣體濃度。
[0035] 優(yōu)選的，所述放電陰極包括位于底部的底板5,在底板5內(nèi)表面中部的金屬薄膜基 底7,以及在所述金屬薄膜基底7上的金屬放電針陣列4。
[0036] 進(jìn)一步優(yōu)選地，所述底板采用高硼硅玻璃底板，金屬薄膜基底7為T(mén)i金屬薄膜，利 用等離子體沉積法制備所述金屬放電針陣列4。采用高硼硅玻璃底板，能夠提高其耐高溫特 性；采用Ti金屬薄膜作為基底生長(zhǎng)金屬放電針陣列，有助于緊密結(jié)合基底和金屬放電針陣 列，并具有足夠強(qiáng)度、足夠小的接觸電阻，保證在加工過(guò)程中大部分放電針不會(huì)脫離。利用 等離子體沉積法制備金屬放電針陣列，能夠使得得到的金屬放電針具有足夠的密度而且放 電針間距大于針長(zhǎng)，保證有足夠數(shù)量的放電針參與電離和場(chǎng)發(fā)射過(guò)程，并且減小放電針之 間的電場(chǎng)屏蔽作用。
[0037] 進(jìn)一步優(yōu)選地，所述收集電極使用的直流電壓低于所述提取電極和放電電極之間 的電壓。因此，能夠加速前文所述的正離子流向收集電極運(yùn)動(dòng)。
[0038] 為了實(shí)現(xiàn)較好的測(cè)量效果，所述提取電極2采用正的直流電源，例如，使用100V到 200V的直流電源。實(shí)際應(yīng)用中，不同被測(cè)氣體具有不同起始放電電壓，提取電極使用的直流 電壓選擇范圍在100V-200V。
[0039] 優(yōu)選地，所述提取電極2采用Si02材料作為底板，兩側(cè)面附著金屬膜。這樣，由于 提取電極上所加電壓為100- 200V，所以提取電極和放電陰極之間的電場(chǎng)方向指向放電陰 極；而收集電極上所施加的電壓低于提取電極和放電陰極之間的電壓，所以提取電極和收 集電極之間的電場(chǎng)方向指向收集電極；所以提取電極兩側(cè)的電場(chǎng)方向相反，進(jìn)一步的利用 提取電極兩側(cè)的反向電場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)電子和離子流的分離。
[0040] 進(jìn)一步優(yōu)選地，在所述提取電極2表面具有多個(gè)通氣孔，優(yōu)選為，3至4個(gè)橢圓形通 氣孔，這樣就能夠提取正離子流而不會(huì)破壞放電針。在實(shí)際應(yīng)用中，如前文所述的正離子流 能夠克服提取電極2附近的微弱電場(chǎng)通過(guò)所述提取電極的通氣孔進(jìn)入提取電極2和收集 電極1之間的區(qū)域，避免轟擊放電針，從而提高所述新型傳感器的使用壽命。
[0041] 優(yōu)選地，所述收集電極采用Si02材料作為底板，內(nèi)側(cè)附著金屬膜。優(yōu)選地，底板內(nèi) 側(cè)金屬膜采用A1或Cu材料。
[0042] 優(yōu)選地，所述金屬放電針陣列4中的單個(gè)放電針的長(zhǎng)度約為100 μ m到1mm，各放電 針之間的距離約為50μπ?到ΙΟΟμπ?。因此，可以利用體積小這一特點(diǎn)，避免反復(fù)拆裝，保證 被測(cè)氣體不被污染從而提高測(cè)量精確度，從而便于將所述傳感器安裝于斷路器滅弧室內(nèi)或 GIS腔體內(nèi)壁。
[0043] 進(jìn)一步的，參見(jiàn)圖2，是本發(fā)明的微型微米尺度傳感器和現(xiàn)有技術(shù)的傳感器在電極 間距改變時(shí)，能夠得到的銅金屬蒸氣的放電起始電壓對(duì)比圖。將電極間距控制在較小范圍 內(nèi)，可以降低被測(cè)氣體放電的起始電壓。
[0044] 進(jìn)一步優(yōu)選地，所述放電針的長(zhǎng)度約為lOym，直徑約為Ιμπι。因此，利用放電針 尖端大曲率這一特點(diǎn)，在尖端附近較小區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生非常高的非線性電場(chǎng)，從而在周?chē)x子 化氣體中發(fā)生介質(zhì)擊穿現(xiàn)象，使得在相對(duì)較低電壓下產(chǎn)生微弱的放電電流。
[0045] 因此，本發(fā)明所公開(kāi)的新型微米尺度傳感器可以測(cè)量銅金屬蒸汽，以及SF6在發(fā)生 放電時(shí)的主要分解產(chǎn)物（如sof 2、so2f2等）作為主要放電氣體。這些被測(cè)氣體是反應(yīng)斷路 器電壽命或GIS絕緣壽命的關(guān)鍵成分，精確測(cè)量這些氣體的濃度可以很好的反應(yīng)斷路器電 壽命或GIS絕緣壽命。
[0046] 不僅于此，并且，本發(fā)明所公開(kāi)的新型微米尺度傳感器還可以用于環(huán)境測(cè)量，此 時(shí)，被測(cè)氣體可以是C0、NH 3、03、C2H2、S02等有害氣體。在另一個(gè)實(shí)施例中，為區(qū)別和測(cè)量多 種氣體，選用多個(gè)具有不同間距的傳感器組成傳感器陣列，所述傳感器陣列可以同時(shí)對(duì)混 合的多種氣體進(jìn)行檢測(cè)，用于區(qū)分氣體種類(lèi)。
[0047] 同時(shí)，所述第一絕緣支撐3為方框形，其邊界制作成鋸齒形，并且優(yōu)選采用高硼硅 玻璃作為絕緣材料進(jìn)行隔離和支撐。將第一絕緣支撐3的邊界制作成鋸齒形，是為保證所 述新型傳感器內(nèi)外被測(cè)氣體分布的均一性，并且加強(qiáng)支撐作用。采用高硼硅玻璃隔離具有 不同電位的所述放電陰極和提取電極，具有高強(qiáng)度、耐磨耗、耐高溫、防腐蝕以及電氣絕緣 等特殊性能。
[0048] 所述第二絕緣支撐6為多個(gè)矩形絕緣塊，位于所述提取電極2的邊緣，也采用高硼 娃玻璃作為絕緣材料進(jìn)行隔離和支撐。
[0049] 同時(shí)，所述第一絕緣支撐和所述第二絕緣支撐均可以采用聚酰亞胺材料代替高硼 硅玻璃。
[0050] 在本發(fā)明的新型微米尺度傳感器中，所述傳感器的放電電流為nA級(jí)。不同被測(cè)氣 體具有不同放電電流響應(yīng)規(guī)律。圖3示出了本發(fā)明中的微型微米尺度傳感器放電電流取對(duì) 數(shù)與被測(cè)銅金屬蒸氣、S0F 2、S02F2、02、SF6等氣體濃度之間的關(guān)系，從圖中可見(jiàn)，在實(shí)際應(yīng)用 中，隨著氣體濃度的增加，放電電流的對(duì)數(shù)與氣體濃度呈正相關(guān)線性關(guān)系。不同氣體的放電 電流有明顯區(qū)別，即本發(fā)明對(duì)不同種類(lèi)的氣體有不同的靈敏度。據(jù)此可檢測(cè)被測(cè)氣體濃度， 并識(shí)別氣體成分。
[0051] 綜上所述，本發(fā)明所述的新型微米尺度傳感器具有以下優(yōu)點(diǎn)：
[0052] (1)本發(fā)明提出一種全新的多電極結(jié)構(gòu)微米尺度傳感器，這種傳感器結(jié)構(gòu)通過(guò)金 屬放電針陣列產(chǎn)生高場(chǎng)強(qiáng)而場(chǎng)致發(fā)射電子，在較小的外加電壓下滿足氣體的放電條件，就 可以在分段的電極間隙內(nèi)產(chǎn)生大量正離子流和電子，而由于提取電極的鏤空結(jié)構(gòu)和附近弱 電場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)正離子流和電子的分離，從而提高所述的新型微米尺度傳感器，適用于氣體濃度 在線監(jiān)測(cè)；
[0053] (2)采用金屬放電針作為放電電極，利用其在尖端附近區(qū)域形成的非常高的非線 性電場(chǎng)，使得在較低電壓下達(dá)到被測(cè)氣體的擊穿條件，降低實(shí)際操作難度；
[0054] (3)采用微米尺度結(jié)構(gòu)，利于本發(fā)明安裝在斷路器滅弧室和GIS腔體內(nèi)壁，并且微 米尺度電極間距進(jìn)一步能減小氣體擊穿的起始電壓：
[0055] ⑷被測(cè)氣體為銅金屬蒸氣以及3?6在發(fā)生放電時(shí)的主要分解產(chǎn)物（如S0F 2、S02F2 等），本發(fā)明能有效識(shí)別氣體、檢測(cè)氣體濃度，可應(yīng)用于斷路器電壽命和GIS絕緣壽命監(jiān)測(cè)。
[0056] 以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明所作的進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，不能認(rèn)定 本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】?jī)H限于此，對(duì)于本發(fā)明所屬【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫 離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干簡(jiǎn)單的推演或替換，都應(yīng)當(dāng)視為屬于本發(fā)明由所 提交的權(quán)利要求書(shū)確定保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1. 一種用于檢測(cè)銅金屬蒸氣濃度的多電極微型傳感器，其下而上包括： 放電陰極，所述放電陰極包括金屬放電針陣列，所述放電陰極接地，通過(guò)在金屬放電針 尖端局部小區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生強(qiáng)電場(chǎng)從而場(chǎng)致發(fā)射電子，實(shí)現(xiàn)電極間被測(cè)氣體分子電離； 第一絕緣支撐，用于隔絕放電陰極和提取電極； 提取電極，所述提取電極連接直流電源，提取被測(cè)氣體通過(guò)電離、碰撞、擴(kuò)散后產(chǎn)生的 正離子流，實(shí)現(xiàn)電子和正離子流的分離； 第二絕緣支撐，用于隔絕提取電極和收集電極； 收集電極，所述收集電極連接直流電源，使正離子流被電場(chǎng)加速?gòu)亩皇占姌O收集。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多電極微型傳感器，其特征在于： 優(yōu)選的，所述放電陰極包括位于底部的底板，在所述底板內(nèi)表面中部的金屬薄膜基底， 以及在所述金屬薄膜基底上的金屬放電針陣列。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的多電極微型傳感器，其特征在于： 所述底板采用高硼硅玻璃底板，所述金屬薄膜基底為T(mén)i金屬薄膜，所述金屬放電針陣 列利用等離子體沉積法制備得到。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多電極微型傳感器，其特征在于： 所述提取電極采用Si02材料作為底板，兩側(cè)面附著金屬膜，所述收集電極采用Si02M 料作為底板，內(nèi)側(cè)附著金屬膜。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的多電極微型傳感器，其特征在于： 所述提取電極表面具有多個(gè)通氣孔。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1-5所述的多電極微型傳感器，其特征在于： 所述金屬放電針陣列中的單個(gè)放電針的長(zhǎng)度約為l〇〇ym到1_，各放電針之間的距離 約為50 μ m至丨J 100 μ m。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的多電極微型傳感器，其特征在于： 所述放電針的長(zhǎng)度約為10 μ m，直徑約為1 μ m。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的多電極微型傳感器，其特征在于： 所述提取電極使用100V到200V的直流電源，所述收集電極使用的直流電壓低于所述 提取電極和放電電極之間的電壓。
9. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的多電極微型傳感器，其特征在于： 所述第一絕緣支撐為方框形，其邊界制作成鋸齒形，所述第二絕緣支撐為多個(gè)矩形絕 緣塊，位于所述提取電極的邊緣。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的多電極微型傳感器，其特征在于： 所述第一絕緣支撐和所述第二絕緣支撐為高硼硅玻璃材質(zhì)或者聚酰亞胺。
【文檔編號(hào)】G01N27/70GK104062350SQ201410190655
【公開(kāi)日】2014年9月24日 申請(qǐng)日期:2014年5月7日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月7日
【發(fā)明者】王小華, 付鈺偉, 楊?lèi)?ài)軍, 榮命哲, 劉定新, 汪溟 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)