CN108316486A - 输电塔超声波防冻装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种输电塔超声波防冻装置，包括风力发电机组、湿度传感器、单片机控制开关、超声波雾化器；风力发电机组通过单片机控制开关与超声波雾化器电气连接，湿度传感器与单片机控制开关电气连接；所述的湿度传感器基于氧化锆复合材料，该湿度传感器为电阻式，包括硅片衬底，在硅片衬底上设有WO3薄膜，WO3薄膜之上设有插指电极，该插指电极是通过IC工艺流程中lift‑off技术实现的，并且在WO3薄膜之上、插指电极四周设有ZrO2薄膜，在插指电极和ZrO2薄膜之上设有CeO2薄膜。

Description

输电塔超声波防冻装置
技术领域
本发明涉及输电塔领域，尤其涉及一种输电塔超声波防冻装置。
背景技术
目前，随着用电量的增加，远距离输电的作用越来越重要。远距离输电主要依靠输电塔作为线路支撑物，由于输电塔为角钢框架结构，承载负荷能力有限，在实际使用中，因为冻雨、积雪等不可预知的自然因素，往往导致输电塔承载负荷严重而坍塌，严重危害供电安全。
发明内容
本发明旨在提供一种输电塔超声波防冻装置，以解决上述提出问题。
本发明的实施例中提供了一种输电塔超声波防冻装置，包括风力发电机组、湿度传感器、单片机控制开关、超声波雾化器；风力发电机组通过单片机控制开关与超声波雾化器电气连接，湿度传感器与单片机控制开关电气连接；所述的湿度传感器基于氧化锆复合材料，该湿度传感器为电阻式，包括硅片衬底，在硅片衬底上设有WO3薄膜，WO3薄膜之上设有插指电极，该插指电极是通过IC工艺流程中lift-off技术实现的，并且在WO3薄膜之上、插指电极四周设有ZrO2薄膜，在插指电极和ZrO2薄膜之上设有CeO2薄膜。
本发明的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：
本发明超声波雾化器与湿度传感器联合使用，有效确保输电塔表面无过多水分聚集，降低输电塔钢结构结冰风险。
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是本发明超声波防冻装置的原理图。
图2是本发明所述湿度传感器的结构示意图。
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。
本发明的实施例涉及一种输电塔超声波防冻装置，结合图1，包括风力发电机组、湿度传感器、单片机控制开关、超声波雾化器，风力发电机组通过单片机控制开关与超声波雾化器电气连接，湿度传感器与单片机控制开关电气连接；风力发电机组包含风力发电机、发电控制单元、蓄电池，发电控制单元分别与风力发电机、蓄电池电气连接，超声波雾化器设置在输电塔关键承重部位。
当风力满足风力发电机组的工作要求时，风力发电机组开始发电并蓄能，当湿度大于设定值时，单片机控制开关接通工作电路，由风力发电机组为超声波雾化器提供电力，超声波雾化器工作，将液态水雾化，使其无法附着在输电塔上，当湿度小于设定值时，单片机控制开关断开工作电路，超声波雾化器停止工作。
为了更好的达到预期效果，所述的湿度传感器要求具有较短的响应恢复速度。本发明中所述的湿度传感器基于氧化锆复合材料。
图2为本发明所述湿度传感器的结构示意图，该湿度传感器为电阻式，包括硅片衬底1，在硅片衬底1上设有WO3薄膜2，WO3薄膜2之上设有插指电极3，该插指电极3是通过IC工艺流程中lift-off技术实现的，并且在WO3薄膜2之上、插指电极3四周设有ZrO2薄膜4，在插指电极3和ZrO2薄膜4之上设有CeO2薄膜5，即，在WO3薄膜2和CeO2薄膜5之间设有插指电极3和ZrO2薄膜4；这样使得该插指电极3能够同时接触WO3薄膜2、CeO2薄膜5和ZrO2薄膜4。
氧化锆化学性质比较稳定，ZrO2与其它物质复合会在不同条件下对电、声、光、气、温度和水汽等展开敏感特性，因此，复合的ZrO2被广泛用于电子陶瓷和功能陶瓷等领域中，主要有电压元件、滤波器、超声波振荡器、蜂鸣器及气体传感器、温度传感器等敏感元件，但是其在湿度传感器方面应用较少。目前基于ZrO2薄膜的湿度传感器已经被开发，然而，现有技术中，基于ZrO2薄膜的湿度传感器存在着响应恢复速度较慢、稳定性较差等缺点。本发明所述的湿度传感器中，结构方面，在插指电极四周创造性的设有ZrO2薄膜，然后在插指电极和ZrO2薄膜上、下设有WO3薄膜和CeO2薄膜，进而经过烧结，取得了意料不到的技术效果，使得上述各物质能够同时作用于插指电极并反馈湿度信息，使得该湿度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。
下面详细介绍湿度传感器各部分：
硅片衬底：
硅片衬底经过了热氧化，热氧化后的氧化硅的电阻高达5×1015Ω·m，是很好的绝缘材料，为了将插指电极和半导体衬底隔离开来，防止漏电，对硅片采取了热氧化处理，氧化炉内的温度为1300℃，氧化时间为2h，氧化后，氧化膜厚度为3μm。
WO3薄膜：
所述的WO3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W靶为溅射源，这样W与设备中残留的氧气反应，生成WO3薄膜，控制该WO3薄膜的厚度为3μm。
优选地，在WO3薄膜中掺杂有Sn，掺杂量为4wt.％。掺杂有Sn的WO3薄膜的存在取得了意料不到的技术效果，WO3薄膜的作用一是提供应力支持，防止高温煅烧后插指电极和ZrO2薄膜出现严重的龟裂现象，此外，重要的是，该WO3薄膜作为一种敏感材料，经过与ZrO2薄膜煅烧结合，能够表现为对水汽的快速响应，提高湿度传感器的响应速度。
插指电极：
所述的插指电极是通过IC工艺流程中lift-off技术在硅片上制备的，具体如下：
1)将上述制备有WO3薄膜的硅片清洗：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，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；
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，用叉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2μm；
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
ZrO2薄膜：
所述的ZrO2薄膜采用溶胶-凝胶法制备，其中掺杂有Fe，掺杂量为7wt.％：
称取5g的ZrOCl2·8H2O放入30ml乙醇中，然后加入适量的FeCl3，在50℃水浴中强烈搅拌80h后，得到掺杂有Fe的ZrO2溶胶，然后利用匀胶机将该ZrO2溶胶旋涂在硅片上，旋涂结束后，将该硅片放在70℃热板上，烘8min，如此反复几次，使得该ZrO2溶胶厚度为2μm，即该ZrO2溶胶被设置在插值电极四周。通过在ZrO2薄膜中掺杂Fe元素，产生了意料不到的技术效果，使得该ZrO2薄膜的湿敏灵敏度大大提高，同时响应恢复速度大大提高。
CeO2薄膜：
所述的CeO2薄膜的厚度为1μm，该CeO2薄膜中掺杂有Cu，掺杂量为16wt.％，制备过程为：称取适量的硝酸铈、氯化铜，将其混合均匀，在研钵中研磨半小时，然后将混合物放置在石英舟中，放入管式炉中，在650℃下加热20h，自然冷却至室温，得到掺有Cu的CeO2粉末，然后再将其与适量乙醇混合，研磨3h，得到浆料，将该浆料涂覆在硅片的插指电极和ZrO2溶胶上。
进而，将该硅片放入管式炉中，设置升温速度为6℃/min，在760℃下煅烧10h，连接引线后得到所述的湿度传感器。上述的烧结过程，能够使得ZrO2薄膜、CeO2薄膜形成晶体，此外，该烧结过程还使得ZrO2薄膜、CeO2薄膜具有多孔结构，有利于水汽的进入，增大了水汽与敏感材料的接触面积；同时，由于ZrO2薄膜与CeO2薄膜和WO3薄膜接触，经过煅烧处理后，产生了意料不到的技术效果，使得上述物质的结合处相互渗透、进而产生一种复杂的晶相，能够对湿度表现快速的响应速度，并且该结合处由于受到薄膜的保护，使得所述湿度传感器表现良好的稳定性。
将本发明所述的湿度传感器在湿敏元件测试系统中测量：
经过不同煅烧温度处理后，在相同的测量条件(25℃、20Hz)下，得到的灵敏度、响应恢复时间及稳定性数据；其中，稳定性为在相同条件下，重复测量1000次后的该变量(％)。
表2实施例经过不同煅烧温度处理后的敏感特性
灵敏度kΩ·(％RH)-1 响应时间s 恢复时间s 稳定性％
500℃ 435 8 300 15
700℃ 744 4 270 12
730℃ 893 2 280 8
760℃ 1597 3 50 2
790℃ 1209 3 160 9
900℃ 765 6 240 11
从上可以看到，经过不同温度处理后，实施例中湿度传感器的灵敏特性不同，具体来说：
随着煅烧温度的提高，灵敏度呈现先增大后减小的趋势，在760℃时，灵敏度最高，为1597kΩ·(％RH)-1；
在730℃时，响应时间最短；
在760℃时，恢复时间最短，并且稳定性最好。
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 (8)

1.输电塔超声波防冻装置，包括风力发电机组、湿度传感器、单片机控制开关、超声波雾化器；其特征在于，风力发电机组通过单片机控制开关与超声波雾化器电气连接，湿度传感器与单片机控制开关电气连接；所述的湿度传感器基于氧化锆复合材料，该湿度传感器为电阻式，包括硅片衬底，在硅片衬底上设有WO3薄膜，WO3薄膜之上设有插指电极，该插指电极是通过IC工艺流程中lift-off技术实现的，并且在WO3薄膜之上、插指电极四周设有ZrO2薄膜，在插指电极和ZrO2薄膜之上设有CeO2薄膜。
2.根据权利要求1所述的输电塔超声波防冻装置，其特征在于，所述风力发电机组包含风力发电机、发电控制单元、蓄电池，发电控制单元分别与风力发电机、蓄电池电气连接。
3.根据权利要求1所述的输电塔超声波防冻装置，其特征在于，所述硅片衬底经过热氧化，氧化膜厚度为3μm。
4.根据权利要求1所述的输电塔超声波防冻装置，其特征在于，所述WO3薄膜为采用磁控溅射法制备，厚度为3μm。
5.根据权利要求4所述的输电塔超声波防冻装置，其特征在于，在所述WO3薄膜中掺杂有Sn，掺杂量为4wt.％。
6.根据权利要求1所述的输电塔超声波防冻装置，其特征在于，所述插指电极采用Pt电极，厚度为2μm，所述ZrO2薄膜采用溶胶-凝胶法制备，厚度为2μm，所述ZrO2薄膜中掺杂有Fe，掺杂量为7wt.％。
7.根据权利要求1所述的输电塔超声波防冻装置，其特征在于，所述CeO2薄膜的厚度为1μm，该CeO2薄膜中掺杂有Cu，掺杂量为16wt.％。
8.根据权利要求1所述的输电塔超声波防冻装置，其特征在于，所述湿度传感器经过了热处理，过程为：设置升温速度为6℃/min，在760℃下煅烧10h。
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