一种SF6气体传感器的制作方法
本发明涉及一种气体传感器，具体讲涉及一种SF6气体传感器。
背景技术：
六氟化硫(SF6)气体绝缘强度高，作为高压、超高压、特高压领域的绝缘和灭弧介质广泛应用于电力系统气体绝缘变电站(GIS)、气体绝缘变压器(GIT)和气体绝缘断路器(GCB)等。
六氟化硫(SF6)气体泄露会降低电力设备的绝缘强度，削弱熄弧能力，威胁电力设备的安全运行和电力系统的稳定可靠运行，造成人员伤害和污染大气。
目前应用较多的SF6气体传感器采用电子捕获探测和局部真空负离子捕获探测原理，不适合现场在线检测。
比较先进的SF6传感器有半导体传感器、采用超声波测速法设计的传感器、及电化学传感器等。
应用红外激光传感器的SF6检漏设备可实现高精度的定量检测，应用红外成像原理的SF6检漏设备适用于在线监测并可实现漏点定位。但这些设备结构复杂、成本较高，难以实现广泛应用。
由于SF6气体具有很强的电负性，极易吸附自由电子形成带负电的离子，当发生负电晕放电时电极周围如果有SF6气体，SF6气体将吸附形成负电晕电流的自由电子，形成SF6-离子。由于SF6分子量很大，所以SF6-离子在电场中移动速度很慢，从而使负电晕电流减小，而且电晕电流的减小量与SF6气体的浓度成正比。基于该原理发展了基于负电晕放电原理的SF6气体传感器。
传统基于负电晕放电原理的SF6传感器金属电极随着温度的变化造成的膨胀引起了电极间距的改变，从而引起了电压的随温度漂移，这种漂移对检测SF6的结果带来了很大的不确定性；另外每个探头由于加工工艺等原因造成的差异性太大，一致性很差，很难应用在在线式系统中；同时放电电极在检测过程中处于高压状态，寿命和稳定性都存在一些问题。这些问题阻碍了其在相关行业中的进一步应用。
技术实现要素：
为克服现有技术存在的上述缺陷，本发明提供了一种SF6气体传感器，该气体传感器，采用负电晕放电原理和针-板放电结构，采用硅尖阵列电极替代传统的单放电针电极，降低单个电极的电晕放电电流，增大了放电区域，提高检测的线性范围和灵敏度，减小每个尖端电极的放电电流，延缓电极老化过程，延长传感器寿命。
为实现上述发明目的，本发明采取的技术方案为：
一种SF6气体传感器，传感器包括直流电源和电极，电极由对应设置的平板电极和硅尖阵列电极组成，其间设有绝缘膜。
直流电源为高压直流电源。
进一步的，平板电极与电源正极连接，硅尖阵列电极与电源负极连接。
进一步的，硅尖阵列电极对应的平板电极的一面设有镀膜，与之对应的硅尖阵列电极的一面设有硅尖阵列。
进一步的，平板电极为表面镀有金属膜或高掺杂的低阻硅膜的玻璃，金属膜选用Au、Pt、Ag或W。
进一步的，硅尖阵列电极采用金属和/或金属氧化物对硅尖阵列进行表面修饰。
进一步的，硅尖阵列电极包括其上均匀垂直设置等高硅尖阵列的硅片衬底，设置硅尖阵列一侧的硅片衬底的表面和硅尖阵列表面包覆金属薄膜层，位于硅尖阵列峰顶的金属薄膜层设有纳米颗粒。
进一步的，硅片衬底剖面为凹槽形，硅尖阵列竖直设于凹槽的凹陷部，其高度与凹槽两凸块的高度相等，硅片衬底厚度为100μm-1000μm，硅片衬底为方形或圆形。
进一步的，硅尖阵列为均匀分布的圆台阵列，圆台下底面间距为1μm-100μm；圆台上下直径分别为0.5μm-1μm和5μm-100μm，高度为5μm-800μm。
进一步的，金属薄膜层厚度为10nm-300nm，金属薄膜层选用Au、Pt、Cr或W，金属薄膜层为单层。
进一步的，纳米颗粒为金属纳米颗粒和/或金属氧化物纳米颗粒，纳米颗粒为直径为1nm-100nm的球形颗粒。
进一步的，金属纳米颗粒为Au、Pt、Cr、或W纳米颗粒；金属氧化物纳米颗粒为ZnO、 SnO2或WO3纳米颗粒。
进一步的，硅尖阵列的密度为40～4000/mm2；硅尖阵列高度5μm～100μm。
进一步的，硅尖阵列电极的硅尖距平板电极距离为10μm～1000μm。
进一步的，绝缘膜为单层，绝缘膜为氮化硅膜、氧化硅膜、聚合物膜或陶瓷膜。
纳米电极阵列的制备方法，包括如下步骤：
(1)于清洗后的硅片衬底表面热氧化形成二氧化硅膜，光刻形成的形状与硅尖阵列镜像对称的二氧化硅掩膜，用HF缓冲液去除硅湿法腐蚀制备微米级硅尖阵列的二氧化硅；
进一步的，硅片衬底为110晶向的双面抛光硅片；
进一步的，热氧化制备二氧化硅。
进一步的，热氧化为湿氧氧化，反应温度为600-1000℃,形成二氧化硅膜的厚度为10nm-200nm；
利用硅各向异性腐蚀形成垂直排布在硅片衬底上的硅尖阵列；
影响刻蚀形状的因素主要有刻蚀液、刻蚀温度、刻蚀添加物、掩膜补偿和自停止技术等。
具有一定密度和稳定的表面活性剂分子薄膜能够针对外部环境侵蚀和老化提供灵活有效的保护方式。表面活性剂的加入为使各向异性湿法刻蚀后获得光滑的刻蚀表面。表面活性剂分子具有吸附性，该种刻蚀技术能控制刻蚀结构形貌的变化。
表面活性剂选用TritonX-100或NC-200。
(2)用薄膜沉积法在硅片衬底和硅尖阵列表面沉积金属薄膜层；
(3)用静电喷雾法在硅尖阵列顶端金属薄膜层表面敷设纳米颗粒形成纳米尖端；
(4)大气或氮气氛中100℃～600℃下高温烧结30min～2h,提高纳米颗粒同硅尖阵列金属层表面的粘附性。
进一步的，步骤(1)的硅湿法腐蚀的腐蚀溶液为KOH溶液或四甲基氢氧化铵(TMAH)溶液，于湿法腐蚀操作台上腐蚀，温度为室温；
KOH表现出较强的各向异性，针对所有晶面具有约100的较大的刻蚀速率比，对刻蚀结构形状的良好控制性。KOH溶液毒性小，使用后的废弃液体容易处理。SiO2掩膜在长时间刻蚀中会被大量或完全去掉。通常Si与SiO2掩膜的刻蚀选择比约为150。
进一步的，步骤(2)的薄膜沉积方法包括溅射或热蒸发，沉积时间为10min～2h；磁控 溅射工艺参数：溅射功率20W，溅射气压0.5Pa；溅射金属膜层厚度由溅射时间控制，时间为10-30min。
进一步的，步骤(4)高温烧结于湿法刻蚀设备中进行，湿法刻蚀设备为马弗炉或程控管式炉。
与最接近的现有技术比，本发明的有益效果包括：
1.本发明中的SF6气体传感器，采用负电晕放电原理和针-板放电结构，采用硅尖阵列电极替代传统的单放电针电极，降低每个电极的电晕放电电流。
2.本发明中的SF6气体传感器，电极主体材料为低热膨胀系数的单晶硅，温度对电极间距影响较小，从而减少了环境温度对传感器的影响。
3.本发明中的SF6气体传感器使用的纳米电极阵列，体积小、密度大、尖端曲率半径小，可用于电离型气体传感器低成本、小体积、且大批量制备。
4.本发明中的SF6气体传感器，采用高熔点金属、贵金属及金属氧化物纳米材料对硅尖阵列电极表面进行修饰，提高了传感器的稳定性和寿命。
5.本发明中的SF6气体传感器，将传统结构中毫米量级的放电电极间隙减小到几微米到几百微米，降低传感器负电晕放电电压，简化了结构。
6.本发明中的SF6气体传感器，纳米电极阵列放电起晕电压为500-700V，远远小于其他纳米电极阵列的放电起晕电压1000V以上。
7.本发明中的SF6气体传感器，增大了放电区域，提高检测的线性范围和灵敏度，减小单个尖端电极的放电电流，延缓电极老化过程，延长传感器寿命。
8.本发明中的SF6气体传感器具有高灵敏度、高选择性，能够实现快速、便携、低成本现场检测。
附图说明
图1是的本发明气体传感器结构示意图；
图2是的本发明气体传感器硅尖阵列电极结构示意图；
其中(1)硅尖阵列电极,(2)平板电极,(3)直流电源,(4)绝缘材料，(5)硅片衬底,(6)硅尖阵列,(7)金属薄膜层,(8)纳米颗粒。
具体实施方式
下面结合实例对本发明进行详细的说明。
实施例1：
按如下步骤制备纳米电极阵列：
(1)于清洗后的厚度为100μm的方形硅片衬底1表面湿氧氧化形成二氧化硅膜，硅片衬底1为110晶向的双面抛光硅片，反应温度为600℃，形成二氧化硅膜的厚度为10nm；光刻形成的形状与硅尖阵列2镜像对称的二氧化硅掩膜，利用硅各向异性硅湿法腐蚀形成垂直排布在硅片衬底1上的硅尖阵列2，腐蚀溶液为KOH溶液，于湿法腐蚀操作台上腐蚀，温度为室温；用HF缓冲液去除硅尖阵列的二氧化硅；
表面活性剂选用TritonX-100。
形成的硅片衬底1上均匀垂直设置等高硅尖阵列2，硅片衬底1剖面为凹槽形，硅尖阵列2竖直设于凹槽的凹陷部，其高度与凹槽两凸块的高度相等，硅尖阵列2为均匀分布的圆台阵列，圆台下底面间距为1μm；圆台上下直径分别为0.5μm和5μm，高度为5μm。
(2)用溅射法在硅片衬底1和硅尖阵列2表面沉积金属薄膜层3，磁控溅射工艺参数：溅射功率20W/cm2，溅射气压0.5Pa；溅射金属膜层厚度由溅射时间控制，时间为10min。
设置硅尖阵列2一侧的硅片衬底1的表面和硅尖阵列2表面包覆金属薄膜层3，金属薄膜层3厚度为10nm，金属薄膜层3选用Au，金属薄膜层3为单层。
(3)用静电喷雾法在硅尖阵列2顶端金属薄膜层3表面敷设纳米颗粒4形成纳米尖端；
位于硅尖阵列2峰顶的金属薄膜层3设有纳米颗粒4。
纳米颗粒4为直径为1nm的球形Au颗粒。
(4)于马弗炉中大气氛围中600℃下高温烧结30min，提高纳米颗粒同硅尖阵列金属层表面的粘附性。
SF6气体传感器，传感器包括直流电源和电极，电极由对应设置的平板电极和硅尖阵列电极组成，其间设有绝缘膜。
直流电源为高压直流电源。
平板电极与电源正极连接，硅尖阵列电极与电源负极连接。
硅尖阵列电极对应的平板电极的一面设有镀膜，与之对应的硅尖阵列电极的一面设有硅尖阵列。
平板电极为表面镀有金属Au膜。
硅尖阵列电极的硅尖距平板电极距离为10μm。
绝缘膜为单层，绝缘膜为氮化硅膜。
制备的纳米电极阵列放电起晕电压为600V。
实施例2：
按如下步骤制备纳米电极阵列：
(1)于清洗后的厚度为1000μm的圆形硅片衬底1表面湿氧氧化形成二氧化硅膜，硅片衬底1为110晶向的双面抛光硅片，反应温度为1000℃，形成二氧化硅膜的厚度为200nm；光刻形成的形状与硅尖阵列2镜像对称的二氧化硅掩膜，利用硅各向异性硅湿法腐蚀形成垂直排布在硅片衬底1上的硅尖阵列2，腐蚀溶液为四甲基氢氧化铵(TMAH)溶液，于湿法腐蚀操作台上腐蚀，温度为室温；用HF缓冲液去除硅尖阵列的二氧化硅；
表面活性剂选用NC-200。
形成的硅片衬底1上均匀垂直设置等高硅尖阵列2，硅片衬底1剖面为凹槽形，硅尖阵列2竖直设于凹槽的凹陷部，其高度与凹槽两凸块的高度相等，硅尖阵列2为均匀分布的圆台阵列，圆台下底面间距为100μm；圆台上下直径分别为1μm和100μm，高度为800μm。
(2)用热蒸发在硅片衬底1和硅尖阵列2表面沉积金属薄膜层3。
设置硅尖阵列2一侧的硅片衬底1的表面和硅尖阵列2表面包覆金属薄膜层3，金属薄膜层3厚度为300nm，金属薄膜层3选用Pt，金属薄膜层3为单层。
(3)用静电喷雾法在硅尖阵列2顶端金属薄膜层3表面敷设纳米颗粒4形成纳米尖端；
位于硅尖阵列2峰顶的金属薄膜层3设有纳米颗粒4。
纳米颗粒4为直径为100nm的球形Pt颗粒。
(4)于程控管式炉中氮气氛中100℃下高温烧结2h,提高纳米颗粒同硅尖阵列金属层表面的粘附性。
制备的纳米电极阵列放电起晕电压为700V。
SF6气体传感器，传感器包括直流电源和电极，电极由对应设置的平板电极和硅尖阵列电极组成，其间设有绝缘膜。
直流电源为高压直流电源。
平板电极与电源正极连接，硅尖阵列电极与电源负极连接。
硅尖阵列电极对应的平板电极的一面设有镀膜，与之对应的硅尖阵列电极的一面设有硅尖阵列。
平板电极为表面镀有金属Pt膜。
硅尖阵列电极的硅尖距平板电极距离为1000μm。
绝缘膜为单层，绝缘膜为氧化硅膜。
实施例3：
按如下步骤制备纳米电极阵列：
(1)于清洗后的厚度为500μm的方形硅片衬底1表面湿氧氧化形成二氧化硅膜，硅片衬底1为110晶向的双面抛光硅片，反应温度为800℃，形成二氧化硅膜的厚度为100nm；光刻形成的形状与硅尖阵列2镜像对称的二氧化硅掩膜，利用硅各向异性硅湿法腐蚀形成垂直排布在硅片衬底1上的硅尖阵列2，腐蚀溶液为KOH溶液，于湿法腐蚀操作台上腐蚀，温度为室温；用HF缓冲液去除硅尖阵列的二氧化硅；
表面活性剂选用TritonX-100。
形成的硅片衬底1上均匀垂直设置等高硅尖阵列2，硅片衬底1剖面为凹槽形，硅尖阵列2竖直设于凹槽的凹陷部，其高度与凹槽两凸块的高度相等，硅尖阵列2为均匀分布的圆台阵列，圆台下底面间距为50μm；圆台上下直径分别为0.5μm和50μm，高度为400μm。
(2)用溅射法在硅片衬底1和硅尖阵列2表面沉积金属薄膜层3，磁控溅射工艺参数：溅射功率20W/cm2，溅射气压0.5Pa；溅射金属膜层厚度由溅射时间控制，时间为20min。
设置硅尖阵列2一侧的硅片衬底1的表面和硅尖阵列2表面包覆金属薄膜层3，金属薄膜层3厚度为100nm，金属薄膜层3选用Cr，金属薄膜层3为单层。
(3)用静电喷雾法在硅尖阵列2顶端金属薄膜层3表面敷设纳米颗粒4形成纳米尖端；
位于硅尖阵列2峰顶的金属薄膜层3设有纳米颗粒4。
纳米颗粒4为直径为50nm的球形Cr颗粒。
(4)于马弗炉中大气氛围中400℃下高温烧结1h,提高纳米颗粒同硅尖阵列金属层表面 的粘附性。
SF6气体传感器，传感器包括直流电源和电极，电极由对应设置的平板电极和硅尖阵列电极组成，其间设有绝缘膜。
直流电源为高压直流电源。
平板电极与电源正极连接，硅尖阵列电极与电源负极连接。
硅尖阵列电极对应的平板电极的一面设有镀膜，与之对应的硅尖阵列电极的一面设有硅尖阵列。
平板电极为表面镀有金属W膜。
硅尖阵列电极的硅尖距平板电极距离为100μm。
绝缘膜为单层，绝缘膜为聚合物膜。
制备的纳米电极阵列放电起晕电压为550V。
实施例4：
按如下步骤制备纳米电极阵列：
(1)于清洗后的厚度为100μm的方形硅片衬底1表面湿氧氧化形成二氧化硅膜，硅片衬底1为110晶向的双面抛光硅片，反应温度为600℃，形成二氧化硅膜的厚度为10nm；光刻形成的形状与硅尖阵列2镜像对称的二氧化硅掩膜，利用硅各向异性硅湿法腐蚀形成垂直排布在硅片衬底1上的硅尖阵列2，腐蚀溶液为KOH溶液，于湿法腐蚀操作台上腐蚀，温度为室温；用HF缓冲液去除硅尖阵列的二氧化硅；
表面活性剂选用TritonX-100。
形成的硅片衬底1上均匀垂直设置等高硅尖阵列2，硅片衬底1剖面为凹槽形，硅尖阵列2竖直设于凹槽的凹陷部，其高度与凹槽两凸块的高度相等，硅尖阵列2为均匀分布的圆台阵列，圆台下底面间距为10μm；圆台上下直径分别为0.5μm和50μm，高度为15μm。
(2)用溅射法在硅片衬底1和硅尖阵列2表面沉积金属薄膜层3，磁控溅射工艺参数：溅射功率20W/cm2，溅射气压0.5Pa；溅射金属膜层厚度由溅射时间控制，时间为10min。
设置硅尖阵列2一侧的硅片衬底1的表面和硅尖阵列2表面包覆金属薄膜层3，金属薄膜层3厚度为10nm，金属薄膜层3选用Au，金属薄膜层3为单层。
(3)用静电喷雾法在硅尖阵列2顶端金属薄膜层3表面敷设纳米颗粒4形成纳米尖端；
位于硅尖阵列2峰顶的金属薄膜层3设有纳米颗粒4。
纳米颗粒4为直径为1nm的球形Au颗粒。
(4)于马弗炉中氮气氛中600℃下高温烧结30min，提高纳米颗粒同硅尖阵列金属层表面的粘附性。
SF6气体传感器，传感器包括直流电源和电极，电极由对应设置的平板电极和硅尖阵列电极组成，其间设有绝缘膜。
直流电源为高压直流电源。
平板电极与电源正极连接，硅尖阵列电极与电源负极连接。
硅尖阵列电极对应的平板电极的一面设有镀膜，与之对应的硅尖阵列电极的一面设有硅尖阵列。
平板电极为表面镀有低阻硅膜的玻璃。
硅尖阵列电极的硅尖距平板电极距离为500μm。
绝缘膜为单层，绝缘膜为陶瓷膜。
制备的纳米电极阵列放电起晕电压为500V。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
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