CN108120748A - 一种具有湿度检测功能的高压真空环网柜 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有湿度检测功能的高压真空环网柜，包括长方形柜体，在长方形柜体内部及外部均设有湿度报警装置，所述湿度报警装置包括电连接的湿度检测模块及报警模块；所述湿度检测模块为湿敏传感器；所述的湿敏传感器为电阻型，采用硅片为衬底，在该硅片上设有ZnO薄膜，ZnO薄膜之上设有插指电极，插指电极上设有敏感薄膜。

Description

一种具有湿度检测功能的高压真空环网柜

技术领域

本发明涉及环网柜技术领域，尤其涉及一种具有湿度检测功能的高压真空环网柜。

背景技术

众所周知，真空环网柜柜是一种电力设备，一些环网柜长期工作在湿度较大的环境中，由其是在雨水频繁季节，环网柜工作环境湿度较大，对环网柜正常工作造成很大隐患。

发明内容

本发明旨在提供一种具有湿度检测功能的高压真空环网柜，以解决上述提出问题。

本发明的实施例中提供了一种具有湿度检测功能的高压真空环网柜，包括长方形柜体，在长方形柜体内部及外部均设有湿度报警装置，所述湿度报警装置包括电连接的湿度检测模块及报警模块；所述湿度检测模块为湿敏传感器；所述的湿敏传感器为电阻型，采用硅片为衬底，在该硅片上设有ZnO薄膜，ZnO薄膜之上设有插指电极，插指电极上设有敏感薄膜。

优选地，所述敏感薄膜为双层设置，包括敏感薄膜A、敏感薄膜B，敏感薄膜A位于敏感薄膜B之上；所述敏感薄膜A、敏感薄膜B均为Zn₂SnO₄-ZnO-TiO₂敏感材料。

优选地，所述Zn₂SnO₄为纳米颗粒，粒径为500nm；所述ZnO为微球，粒径为5μm；所述TiO₂为纳米粒子，粒径为50nm。

优选地，所述硅片衬底经过热氧化处理，氧化膜厚度为2μm。

优选地，所述ZnO薄膜的厚度为2μm，在ZnO薄膜中掺杂有Cr，掺杂量为2wt.％。

优选地，所述插指电极是通过IC工艺流程中lift-off技术实现的，插指电极采用Pt电极，插指电极厚度为200nm。

优选地，所述敏感薄膜A的厚度为300nm；敏感薄膜A中，所述Zn₂SnO₄、ZnO、TiO₂的质量比为7:1:2。

优选地，所述敏感薄膜B的厚度150nm；敏感薄膜B中，所述Zn₂SnO₄、ZnO、TiO₂的质量比为1:5:2。

优选地，所述敏感薄膜A、敏感薄膜B的形成过程为：

步骤1，将2mmol的SnCl₄·5H₂O溶于20ml去离子水中，形成透明溶液A，将3mmol的Zn(NO₃)₂·6H₂溶于20ml去离子水中，形成透明溶液B，然后将透明溶液A与B混合，磁力搅拌均匀，逐滴加入0.2M的NaOH溶液，调节溶液pH值为10.5，将调节好pH值的溶液转移至高压釜中，在200℃条件下反应8h，反应结束后，取出，使其在室温下自然冷却，将反应后产物离心洗涤，在80℃下干燥12h，得到白色粉末，然后将白色粉末氧气气氛中、300℃条件下退火1h，得到Zn₂SnO₄；

步骤2，取去离子水50ml，在其中加入3mmol的醋酸锌和10mmol的尿素，搅拌均匀，然后将混合溶液移入水热釜中，在150℃下保持5h，反应结束后，自然冷却降温，依次用乙醇、去离子水离心分离、洗涤，重复清洗三次，将所得产物在70℃下干燥20h，得到样品A，然后将样品A在320℃退火0.5h，得到ZnO；

步骤3，将上述Zn₂SnO₄、ZnO及TiO₂纳米粒子混合，添加适量乙醇，研磨2h，形成浆料B，然后将浆料B涂覆在制备有插指电极的硅片表面；

将上述Zn₂SnO₄、ZnO及TiO₂纳米粒子混合，添加适量乙醇，研磨2h，形成浆料A，然后将浆料A涂覆在上述敏感薄膜B表面；

进而，将该硅片放入管式炉中，设置升温速度为5℃/min，在420℃、560℃下分别煅烧2h、7h，得到所述敏感薄膜A、敏感薄膜B。

本发明的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：

本发明通过在真空环网柜本体上设置湿敏传感器，该湿敏传感器基于双层Zn₂SnO₄-ZnO-TiO₂敏感材料，提高敏感材料的灵敏度。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。

附图说明

利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。

图1为本发明实施方式中所述真空环网柜的结构示意图；

图2为本发明实施方式中所述湿敏传感器的剖面结构示意图。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置和方法的例子。

结合图1，本发明的实施例涉及一种具有湿度检测功能的高压真空环网柜，包括长方形柜体11，在长方形柜体11内部及外部均设有湿度报警装置12，该湿度报警装置12包括电连接的湿度检测模块及报警模块，当湿度检测模块检测到湿度超过一定阈值后，启动报警模块工作，提醒用户。

优选实施方式为，所述湿度检测模块为湿敏传感器。

目前，以Fe₂O₃和Al₂O₃为代表的陶瓷型湿度传感器研制成功，这类传感器是利用陶瓷材料吸附水后，表面电势发生变化，从而引起电极之间电阻发生变化的原理制备，此类传感器价格低廉、耐高温、但耐污染性差，稳定性及重复性有待改善。

基于湿敏传感器的发展历程，其发展的核心是新的湿敏材料，目前对于LiCl的研究已经很少，而随着纳米材料的发展，纳米材料为湿度传感器的发展注入新的能量，随着纳米材料制备技术的成熟，金属氧化物纳米半导体材料有望在湿敏传感器应用方面发挥重要作用。

现有技术中，单一的某类材料作为湿敏传感器的敏感材料并不能完全满足要求，如灵敏度不高、响应恢复时间较长、稳定性不高等，针对上述技术问题，为湿敏传感器提供更多选择，本发明公开了一种基于双层敏感薄膜的湿敏传感器，其工作在室温，且具有快速的响应能力。

如图2所示，本发明所述的湿敏传感器为电阻型，采用硅片21为衬底，在该硅片21上设有ZnO薄膜22，ZnO薄膜22之上设有插指电极23，该插指电极23是通过IC工艺流程中lift-off技术实现的，插指电极23上设有敏感薄膜。

如上所述，敏感薄膜为湿敏传感器的核心，本公开方案中，该敏感薄膜为双层设置，包括敏感薄膜A24、敏感薄膜B25，其中，敏感薄膜A24位于敏感薄膜B25之上。

薄膜材料通常具有纳米微粒和纳米微孔，其具有高的比表面积，有利于水分子的吸附。在通常的湿敏传感器中，敏感薄膜通常设置为单层，或者在单层膜中掺入微量的杂质，而采用不同敏感薄膜的双层或多层交替、层叠的技术方案较少，本发明技术方案中，创造性的采用敏感薄膜A、敏感薄膜B层叠的技术特征，取得了有益的技术效果，有利于减小湿敏传感器的湿滞，提高敏感材料的灵敏度。

具体的，该敏感薄膜A、敏感薄膜B均为Zn₂SnO₄-ZnO-TiO₂敏感材料，其中，Zn₂SnO₄为纳米颗粒，ZnO为微球，TiO₂为纳米粒子。

ZnO纳米材料由于具有独特的光学、电学、催化特性，在众多领域都有广泛的应用，具体到传感器方面，氧化锌对各种气体、湿度等都具有敏感特性，将氧化锌纳米材料应用于湿敏传感器成为可能。然而，单独的氧化锌纳米材料存在易污染、重复性差、灵敏度低等缺点，因此，改善和提高其湿敏性能成为创新点。本发明公开的技术方案中，创造性的将Zn₂SnO₄、ZnO、TiO₂材料结合，制备了基于上述体系的湿敏传感器，上述各物质能够同时作用于插指电极并反馈湿度信息，取得了意料不到的技术效果，使得该湿敏传感器的响应恢复速度大大提高，并提高了重复使用的稳定性。

如下为本发明湿敏传感器制备流程：

首先，对硅片衬底进行热氧化，例如可以是氧化炉内的温度为1250℃，氧化时间为5h，氧化后，氧化膜厚度为2μm。这样，可以使得氧化硅的电阻高达5×10¹⁵Ω·m，形成很好的绝缘层，将插指电极和半导体衬底隔离开来，防止漏电。

该ZnO薄膜为采用磁控溅射法制备，将热氧化后的硅片放入磁控溅射设备中，抽真空至一定压强，然后采用Zn靶为溅射源，这样Zn与设备中残留的氧气反应，生成ZnO薄膜，通过控制溅射本底真空、溅射功率，使该ZnO薄膜的厚度为2μm。

优选实施方式为，在ZnO薄膜中掺杂有Cr，掺杂量为2wt.％。

通过在ZnO薄膜中掺杂Cr取得了意料不到的技术效果，ZnO薄膜可以防止敏感薄膜与硅片衬底的接触不佳、开裂的问题，此外，重要的是，ZnO薄膜也可以作为敏感薄膜，参与反应，这样，通过掺杂Cr，使得ZnO薄膜能够表现为对水汽的快速响应，提高湿敏传感器的响应速度。

湿敏传感器中，该插指电极是通过IC工艺流程中lift-off技术实现的：

1)将上述制备有ZnO薄膜的硅片清洗；

将硅片先后放入丙酮、乙醇、去例子水溶液中，分别超声清洗20min，然后放入由体积比1:1:3的氨水、双氧水、去离子水构成的清洗液中，煮沸15min后，再用去离子水冲洗5min，用氮气吹干；

清洗的目的是去除硅片表面所有污染物，包括磁控溅射后的金属离子、固体颗粒及有机杂质等，

2)光刻与显影

涂胶，将清洗后的硅片用氮气吹干，用匀胶机在硅片表面旋涂光刻胶；

前烘，将旋涂有光刻胶的硅片放在热板上在110℃下烘干5min；

曝光，用插指电极的掩模版覆盖在硅片上，将硅片放在曝光机上使得光刻胶曝光；

显影，将硅片在显影液中放置一段时间，使得硅片上的光刻胶呈现插指电极掩模版的图形；

后烘，后烘温度为90℃，烘干时间为3min；

3)溅射

采用磁控溅射制备插指电极，本发明技术方案中，该插指电极采用Pt电极，插指电极厚度为200nm。

4)剥离

溅射完成后，由于未曝光区域还有一层光刻胶，将硅片放置在丙酮溶液中，随着光刻胶的脱落，其上覆盖的金属液脱落，最后剩下插指电极图案，然后用丙酮、乙醇冲洗干净。

插指电极的制作采用IC工艺流程，所用到的设备如下表1：

表1所用到的设备

仪器名称	型号规格	厂家	国别	功能
					氧化扩散炉	BGJ-3	13所	中国	氧化硅片
匀胶机	Suss Delta 80T	SUSS	德国	旋涂光刻胶
					光刻机	MA6	SUSS	德国	光刻
磁控溅射台	LAB-18	Kurt J.Lesker	美国	磁控溅射

本方案中，敏感薄膜A、敏感薄膜B的形成过程为：

步骤1，将2mmol的SnCl₄·5H₂O溶于20ml去离子水中，形成透明溶液A，将3mmol的Zn(NO₃)₂·6H₂溶于20ml去离子水中，形成透明溶液B，然后将透明溶液A与B混合，磁力搅拌均匀，逐滴加入0.2M的NaOH溶液，调节溶液pH值为10.5，将调节好pH值的溶液转移至高压釜中，在200℃条件下反应8h，反应结束后，取出，使其在室温下自然冷却，将反应后产物离心洗涤，在80℃下干燥12h，得到白色粉末，然后将白色粉末氧气气氛中、300℃条件下退火1h，得到Zn₂SnO₄；

步骤2，取去离子水50ml，在其中加入3mmol的醋酸锌和10mmol的尿素，搅拌均匀，然后将混合溶液移入水热釜中，在150℃下保持5h，反应结束后，自然冷却降温，依次用乙醇、去离子水离心分离、洗涤，重复清洗三次，将所得产物在70℃下干燥20h，得到样品A，然后将样品A在320℃退火0.5h，得到ZnO；

步骤3，将上述Zn₂SnO₄、ZnO及TiO₂纳米粒子混合，添加适量乙醇，研磨2h，形成浆料B，然后将浆料B涂覆在制备有插指电极的硅片表面；

将上述Zn₂SnO₄、ZnO及TiO₂纳米粒子混合，添加适量乙醇，研磨2h，形成浆料A，然后将浆料A涂覆在上述敏感薄膜B表面；

进而，将该硅片放入管式炉中，设置升温速度为5℃/min，在420℃、560℃下分别煅烧2h、7h，得到所述敏感薄膜A、敏感薄膜B。

经过上述的煅烧过程，能够使得Zn₂SnO₄、ZnO进一步形成晶体，烧结过程还使得Zn₂SnO₄、ZnO具有多孔结构，从而有利于水汽的进入，增大水汽与敏感材料的接触面积；此外，经过煅烧处理，产生了意料不到的技术效果，使得上述物质结合更紧密，能够对湿度表现快速的响应速度，同时使得所述湿敏传感器表现良好的稳定性。

本方案中，该Zn₂SnO₄为纳米颗粒，粒径为500nm；该ZnO为微球，粒径为5μm；该TiO₂为纳米粒子，粒径为50nm。

优选实施方式为，敏感薄膜B中，Zn₂SnO₄、ZnO、TiO₂的质量比为1:5:2。

优选实施方式为，敏感薄膜A中，Zn₂SnO₄、ZnO、TiO₂的质量比为7:1:2。

本方案通过具体限定敏感薄膜A、B中物质的质量比例，产生有益的技术效果，使得敏感薄膜发挥最大的灵敏度。

优选地，敏感薄膜A、敏感薄膜B厚度分别为300nm、150nm。

敏感薄膜B厚度小于插指电极厚度，这样，可以使得敏感薄膜A、B均与插指电极能够接触，插指电极接收到来自敏感薄膜A、B的双重信号，可靠性增加。

实施例1

本实施例中，该湿敏传感器为电阻型：

采用硅片21为衬底，硅片衬底经过热氧化处理，氧化膜厚度为2μm；

在该硅片21上设有ZnO薄膜22，ZnO薄膜的厚度为2μm，在ZnO薄膜中掺杂有Cr，掺杂量为2wt.％；

ZnO薄膜22之上设有插指电极23，该插指电极23是通过IC工艺流程中lift-off技术实现的，插指电极采用Pt电极，插指电极厚度为200nm；

插指电极23上设有敏感薄膜，该敏感薄膜为双层设置，包括敏感薄膜A24、敏感薄膜B25，其中，敏感薄膜A24位于敏感薄膜B25之上；该敏感薄膜A、敏感薄膜B均为Zn₂SnO₄-ZnO-TiO₂敏感材料，其中，该Zn₂SnO₄为纳米颗粒，粒径为500nm；该ZnO为微球，粒径为5μm；该TiO₂为纳米粒子，粒径为50nm；

敏感薄膜A、敏感薄膜B厚度分别为300nm、150nm；

敏感薄膜A中，Zn₂SnO₄、ZnO、TiO₂的质量比为7:1:2；

敏感薄膜B中，Zn₂SnO₄、ZnO、TiO₂的质量比为1:5:2；

本实施例中，敏感薄膜A、敏感薄膜B的形成过程为：

步骤1，将2mmol的SnCl₄·5H₂O溶于20ml去离子水中，形成透明溶液A，将3mmol的Zn(NO₃)₂·6H₂溶于20ml去离子水中，形成透明溶液B，然后将透明溶液A与B混合，磁力搅拌均匀，逐滴加入0.2M的NaOH溶液，调节溶液pH值为10.5，将调节好pH值的溶液转移至高压釜中，在200℃条件下反应8h，反应结束后，取出，使其在室温下自然冷却，将反应后产物离心洗涤，在80℃下干燥12h，得到白色粉末，然后将白色粉末氧气气氛中、300℃条件下退火1h，得到Zn₂SnO₄；

步骤2，取去离子水50ml，在其中加入3mmol的醋酸锌和10mmol的尿素，搅拌均匀，然后将混合溶液移入水热釜中，在150℃下保持5h，反应结束后，自然冷却降温，依次用乙醇、去离子水离心分离、洗涤，重复清洗三次，将所得产物在70℃下干燥20h，得到样品A，然后将样品A在320℃退火0.5h，得到ZnO；

步骤3，将上述Zn₂SnO₄、ZnO及TiO₂纳米粒子混合，添加适量乙醇，研磨2h，形成浆料B，然后将浆料B涂覆在制备有插指电极的硅片表面；

将上述Zn₂SnO₄、ZnO及TiO₂纳米粒子混合，添加适量乙醇，研磨2h，形成浆料A，然后将浆料A涂覆在上述敏感薄膜B表面；

进而，将该硅片放入管式炉中，设置升温速度为5℃/min，在420℃、560℃下分别煅烧2h、7h，得到所述敏感薄膜A、敏感薄膜B。

实施例2

在实施例1基础上，不同之处在于：

敏感薄膜A、敏感薄膜B厚度分别为150nm、300nm；

实施例3

在实施例1基础上，不同之处在于：

敏感薄膜A中，Zn₂SnO₄、ZnO、TiO₂的质量比为1:5:2；

敏感薄膜B中，Zn₂SnO₄、ZnO、TiO₂的质量比为7:1:2；

将本发明所述的湿敏传感器在湿敏元件测试系统中测量：

在相同的测量条件(25℃、50Hz)下，得到的灵敏度、响应恢复时间及稳定性数据，如下：

表1不同实施例中湿敏传感器的敏感特性

	灵敏度kΩ·(％RH)-1	响应时间s	恢复时间s	稳定性％
					实施例1	8863	3	25	1
实施例2	3008	37	114	18
					实施例3	2433	19	56	6

通过上述测试，可以看到，本发明所公开的湿敏传感器具有较高的灵敏度及稳定性，长时间工作可靠，将其用于真空环网柜，对真空环网柜工作环境中湿度具有灵敏、可靠的检测性。

以上所述仅为本发明的较佳方式，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种具有湿度检测功能的高压真空环网柜，包括长方形柜体，其特征在于，在长方形柜体内部及外部均设有湿度报警装置，所述湿度报警装置包括电连接的湿度检测模块及报警模块；所述湿度检测模块为湿敏传感器；所述的湿敏传感器为电阻型，采用硅片为衬底，在该硅片上设有ZnO薄膜，ZnO薄膜之上设有插指电极，插指电极上设有敏感薄膜。

2.根据权利要求1所述的一种具有湿度检测功能的高压真空环网柜，其特征在于，所述敏感薄膜为双层设置，包括敏感薄膜A、敏感薄膜B，敏感薄膜A位于敏感薄膜B之上；所述敏感薄膜A、敏感薄膜B均为Zn₂SnO₄-ZnO-TiO₂敏感材料。

3.根据权利要求2所述的一种具有湿度检测功能的高压真空环网柜，其特征在于，所述Zn₂SnO₄为纳米颗粒，粒径为500nm；所述ZnO为微球，粒径为5μm；所述TiO₂为纳米粒子，粒径为50nm。

4.根据权利要求1所述的一种具有湿度检测功能的高压真空环网柜，其特征在于，所述硅片衬底经过热氧化处理，氧化膜厚度为2μm。

5.根据权利要求1所述的一种具有湿度检测功能的高压真空环网柜，其特征在于，所述ZnO薄膜的厚度为2μm，在ZnO薄膜中掺杂有Cr，掺杂量为2wt.％。

6.根据权利要求1所述的一种具有湿度检测功能的高压真空环网柜，其特征在于，所述插指电极是通过IC工艺流程中lift-off技术实现的，插指电极采用Pt电极，插指电极厚度为200nm。

7.根据权利要求2所述的一种具有湿度检测功能的高压真空环网柜，其特征在于，所述敏感薄膜A的厚度为300nm；敏感薄膜A中，所述Zn₂SnO₄、ZnO、TiO₂的质量比为7:1:2。

8.根据权利要求2所述的一种具有湿度检测功能的高压真空环网柜，其特征在于，所述敏感薄膜B的厚度150nm；敏感薄膜B中，所述Zn₂SnO₄、ZnO、TiO₂的质量比为1:5:2。

9.根据权利要求2所述的一种具有湿度检测功能的高压真空环网柜，其特征在于，所述敏感薄膜A、敏感薄膜B的形成过程为：

步骤1，将2mmol的SnCl₄·5H₂O溶于20ml去离子水中，形成透明溶液A，将3mmol的Zn(NO₃)₂·6H₂溶于20ml去离子水中，形成透明溶液B，然后将透明溶液A与B混合，磁力搅拌均匀，逐滴加入0.2M的NaOH溶液，调节溶液pH值为10.5，将调节好pH值的溶液转移至高压釜中，在200℃条件下反应8h，反应结束后，取出，使其在室温下自然冷却，将反应后产物离心洗涤，在80℃下干燥12h，得到白色粉末，然后将白色粉末氧气气氛中、300℃条件下退火1h，得到Zn₂SnO₄；

步骤2，取去离子水50ml，在其中加入3mmol的醋酸锌和10mmol的尿素，搅拌均匀，然后将混合溶液移入水热釜中，在150℃下保持5h，反应结束后，自然冷却降温，依次用乙醇、去离子水离心分离、洗涤，重复清洗三次，将所得产物在70℃下干燥20h，得到样品A，然后将样品A在320℃退火0.5h，得到ZnO；

步骤3，将上述Zn₂SnO₄、ZnO及TiO₂纳米粒子混合，添加适量乙醇，研磨2h，形成浆料B，然后将浆料B涂覆在制备有插指电极的硅片表面；

将上述Zn₂SnO₄、ZnO及TiO₂纳米粒子混合，添加适量乙醇，研磨2h，形成浆料A，然后将浆料A涂覆在上述敏感薄膜B表面；

进而，将该硅片放入管式炉中，设置升温速度为5℃/min，在420℃、560℃下分别煅烧2h、7h，得到所述敏感薄膜A、敏感薄膜B。