CN111257391B - 一种氢气传感器及其检测系统、制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种氢气传感器及其检测系统、制作方法，氢气传感器，其包括：基板，所述基板的中部设有一隔离区，所述隔离区将基板分割为第一电极区和第二电极区；其中，所述第一电极区表面溅射有铂膜层，所述第二电极区表面溅射有钨膜层，所述隔离区上设有电解质混合物层，所述电解质混合物层将铂膜层与钨膜层连接。与现有技术相比，其工作温度范围宽，湿度适应好，响应时间快，检测精度高，检测浓度范围宽，安全、无毒，功耗小。
Description
技术领域
本发明涉及氢气检测技术领域，尤其涉及一种氢气传感器及其检测系统、制作方法。
背景技术
目前氢作为一种天然的完全清洁的绿色能源越来越被应用到各行各业，尤其是氢燃料电动车，但氢有固有特性：泄露到空气中浓度达到一定程度在标准气压下遇到火源容易发生爆炸。所以迅速检测氢气是否泄露非常必要。
如中国专利：CN200780018403，公开了一种氢传感器，此传感器再树脂等基板的表面形成薄层（含硅化合物、或含氟化合伙或油脂构成），进一步在该波曾的表面形成催化剂层（铂或钯）。当该催化剂层与泄露的氢气接触时则通过其催化剂作用而使薄膜层迅速地进行氢化租用，并使薄膜层的光反射率变化。
该传感器特点是：在催化剂层表面形成保护膜防止催化剂层吸收环境中的水分或氧等，从而防止保护膜和催化剂层的恶化利用防水层降低水的影响。
另有中国专利：CN201110335970，公开了一种三电极固体电解质氢气传感器及采用该传感器的氢气浓度测量方法，此传感器是一种固体电解质氢气传感器，解决了现有固体电解质氢气传感器的氢气浓度检测精度低的问题，包含3个电及，三个电极距离相等，其中一个是参考电极，另2个电极相对参考电极的电动势E1，E2，他们之比进而计算获得氢气浓度，从而提高检测精度。
但是，现有的氢气传感器均存在以下缺点：工作温度范围窄，湿度范围适应性差，不能线性定量检测氢气浓度，抗跌落和振动差，达不到车规级要求。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种氢气传感器及其检测系统、制作方法，其解决了现有技术中互联网教育电子产品体验差的技术问题。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
第一方面，本发明的实施例提供了一种氢气传感器，其包括：基板，所述基板的中部设有一隔离区，所述隔离区将基板分割为第一电极区和第二电极区；其中，所述第一电极区表面溅射有铂膜层，所述第二电极区表面溅射有钨膜层，所述隔离区上设有电解质混合物层，所述电解质混合物层将铂膜层与钨膜层连接。
其中，所述铂膜层的厚度为100-500mm。
其中，所述钨膜层的厚度为100-500mm。
其中，所述基板为氧化铝或陶瓷基板。
其中，所述电解质混合物层的厚度为0.5-1mm。
其中，所述第一电极区和第二电极区均设有一焊盘，所述焊盘上设有插针，所述插针表面镀镍。
第二方面，本发明的实施例提供了一种氢气检测系统，其包括：控制与算法处理单元，电连接于所述控制与算法处理单元的运算放大处理单元，以及连接于所述运算放大处理单元的如上任意一项所述的氢气传感器，以及电源转换单元，所述电源转换单元将外部电压转换成5V电压供给所述控制与算法处理单元、运算放大处理单元和氢气传感器；所述运算放大处理单元将氢气传感器检测的氢气浓度的电信号进行放大处理，并由控制与算法处理单元对传输的放大信号进行运算处理以得到检测的氢气浓度值。
其中，所述控制与算法处理单元上还电连接有温度传感器和湿度传感器，所述温度传感器用于检测待检测氢气浓度环境的温度，所述湿度传感器用于检测待检测氢气浓度环境的湿度，由控制与算法处理单元根据检测环境的湿度、温度对氢气传感器检测的数据进行补偿。
第三方面，本发明的实施例提供了一种氢气传感器的制作方法，其包括以下步骤：
将氧化铝或陶瓷基板划分为隔离区，第一电极区和第二电极区，其中所述隔离区将氧化铝或陶瓷基板分割为所述的第一电极区和第二电极区；
采用溅射的方法在第一电极区溅射铂膜层，在第二电极区溅射钨膜层；
将电解质混合物涂覆于隔离区形成电解质混合物层，并用特氟龙棒压紧以致电解质混合物紧密贴附于基板表面，其中，电解质混合物层两侧分别连接于第一电极区的铂膜层和第二电极区的钨膜层；
将涂覆电解质混合物层后的氧化铝或陶瓷基板进行高温干燥以成型。
其中，所述“将电解质混合物涂覆于隔离区形成电解质混合物层，并用特氟龙棒压紧以致电解质混合物紧密贴附于基板表面，其中，电解质混合物层两侧分别连接于第一电极区的铂膜层和第二电极区的钨膜层”的步骤中电解质混合物为卡夫特AB胶与Nafion按照质量组分1:3混合均匀电解质混合物；或者采用磷钨酸或磷钨酸铯与KE-1024按照质量组分3:1均匀混合的混合物。
与现有技术相比，本发明的一种氢气传感器及其检测系统、制作方法，工作温度范围宽，湿度适应好，响应时间快，检测精度高，检测浓度范围宽，安全、无毒，功耗小。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明技术手段，可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征及优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，详细说明如下。
附图说明
图1为本发明的氢气传感器的结构示意图。
图2为本发明的氢气检测系统的功能框图。
图3为本发明的氢气传感器的制作方法流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不应理解为必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行结合和组合。
请参阅图1，在本实施例中，本发明的实施例提供了一种氢气传感器，其包括：基板10，所述基板10的中部设有一隔离区12，所述隔离区12将基板10分割为第一电极区11和第二电极13区；其中，所述第一电极区11表面溅射有铂膜层，所述第二电极区13表面溅射有钨膜层，所述隔离区12上设有电解质混合物层14，所述电解质混合物层14将第一电极区11铂膜层与第二电极区13钨膜层连接。具体的，溅射铂膜层的第一电极区11为阳极，溅射有钨膜层的第二电极区13为阴极。其中，溅射于第一电极区11上的铂膜层可以采用钯膜层替换。
其中，所述基板10为氧化铝或陶瓷基板。
具体的，所述铂膜层的厚度为100-500mm。溅射铂的纯度为99.98%以上，所述钨膜层的厚度为100-500mm。在同一氢气传感器上溅射的铂膜层与钨膜层的厚度相同。
其中，所述电解质混合物层14的厚度为0.5-1mm，要求厚度一致性误差为+/-0.1mm，优选1mm，并用特氟龙棒压紧使得电解质混合物紧密贴附在电极表面。该电解质混合物的制作流程如下：
首先，将Nafion（全氟磺酸树脂）用70%浓度的酒精湿润透，搅拌均匀；
然后，将作为固化剂的卡夫特AB胶与Nafion按照1:3的比率混合搅拌均匀，形成电解质混合物。
当然，所述Nafion也可以采用H3O40PW12.xH2O（磷钨酸）或CS2.5H0.5PW12P40（磷钨酸铯）替代。固化剂卡夫特AB胶可以采用KE-1024 (A/B)替换。
其中，所述第一电极区和第二电极区均设有一焊盘，所述焊盘上设有插针，所述插针表面镀镍。
第二方面，请参阅附图2，本发明的实施例提供了一种氢气检测系统，其包括：控制与算法处理单,1，电连接于所述控制与算法处理单元1的运算放大处理单元5，以及连接于所述运算放大处理单元5的如上所述的氢气传感器6，以及电源转换单元2，所述电源转换单元2将外部电压转换成5V电压供给所述控制与算法处理单元1、运算放大处理单元5和氢气传感器6；所述运算放大处理单元5将氢气传感器6检测的氢气浓度的电信号进行放大处理，并由控制与算法处理单元1对传输的放大信号进行运算处理以得到检测的氢气浓度值。
进一步的，所述控制与算法处理单元1上还电连接有温度传感器3和湿度传感器4，所述温度传感器3用于检测待检测氢气浓度环境的温度，所述湿度传感器4用于检测待检测氢气浓度环境的湿度，由控制与算法处理单元1根据检测环境的湿度、温度对氢气传感器检测的数据进行补偿。为了将检测的氢气浓度信号传递给外部系统，所述控制与算法处理单元1上还电连接有一LIN/CAN总线单元7，如图所示：对外接口为4PIN连接器，分别是PWR+为电源正，SIG+和SIG-分别是CAN通信总线的CANH和CANL或SIG+作为LIN总线，PWR-为电源地。
氢传感器6是本系统最关键的一个模块，感应氢气的浓度，浓度的大小与其电动势变化量大小成正比；当氢气浓度高时，输出的电动势变化量，响应快，浓度低输出电动势变化量小，响应慢。所述运算放大处理单元5接收到氢传感器6的电势信号进行处理给到控制与算法处理单元1进行算法处理，使得浓度与电压成线性比率关系。LIN/CAN总线单元7把控制与算法处理单元1处理后的信号通过总线给到外部系统进行报警或提示。温度传感器3和湿度传感器4采集温度与湿度信息给到控制与算法处理单元1，控制与算法处理单元通过相关算法对氢传感器6进行温湿度补偿。温度传感器3和湿度传感器4的作用也可以通过本系统外的其它类似温湿度传感器模块实现。上述的温度传感器3和湿度传感器4也均有上述电源转换单元2供电。
由于本系统探头的是自产生电势，所以不需要外部供电，系统功耗就非常小，只有单片机与温湿度传感器供电用，当系统休眠时，功耗0.05毫安；系统需要工作时通过外部总线唤醒系统。所述控制与算法处理单元1采用MCU等多型号的单片机。
上述对氢传感器6的温湿度补偿校正方法如下：
基准电压：在0%氢气环境中，用氮气混合进行基准电势的校准；由于氢气的电势波动大约1V，因此电路需要给出偏置电压，要大于1V，避免出现负电压。
氢气在空气中的初始电动势（湿度45%，温度25度），记录此值作为次基准Ei。
放在传感器在高低温箱里，然后调节温度-40度到85度范围，每10度，调节一次，记录每次其对应的电势值，这一组温度对应的电势值为Xn；温度对电势的影响就是：Ei-Xn。
同样，放在传感器在湿度箱里，调节湿度0%到100%，每5%调节一次，记录对应的电势值，一组湿度对应的电势值为Yn；湿度对电势的影响就是Ei-Yn；
把所有值做进单片机的EEPROM中，当实际环境温度与湿度就可以根据这些值进行查表补偿。
第三方面，请参阅图3，本发明的实施例提供了一种氢气传感器的制作方法，其包括以下步骤：
步骤S100、将氧化铝或陶瓷基板划分为隔离区，第一电极区和第二电极区，其中所述隔离区将氧化铝或陶瓷基板分割为所述的第一电极区和第二电极区；在本实施例中，如图所示：隔离区12为1*6.2mm的矩形区域，有所述隔离区12分割而成的第一电极区11和第二电极区13均为2.6*6.2mm的矩形区域。圆形区域即为电解质混合液层14区域。
步骤S200、采用溅射的方法在第一电极区溅射铂膜层，在第二电极区溅射钨膜层；所述铂膜层的厚度为100-500mm。溅射铂的纯度为99.98%以上，所述钨膜层的厚度为100-500mm。在同一氢气传感器上溅射的铂膜层与钨膜层的厚度相同。
步骤S300、将电解质混合物涂覆于隔离区形成电解质混合物层，并用特氟龙棒压紧以致电解质混合物紧密贴附于基板表面，其中，电解质混合物层两侧分别连接于第一电极区的铂膜层和第二电极区的钨膜层；该电解质混合物层14的厚度为0.5-1mm，要求厚度一致性误差为+/-0.1mm，优选1mm，并用特氟龙棒压紧使得电解质混合物紧密贴附在电极表面。
步骤S400、将涂覆电解质混合物层后的氧化铝或陶瓷基板进行高温干燥以成型。在本实施例中，采用高温100摄氏度进行一小时干燥，然后放在常温环境中冷却30分钟，即可成型使用。
其中，所述“将电解质混合物涂覆于隔离区形成电解质混合物层，并用特氟龙棒压紧以致电解质混合物紧密贴附于基板表面，其中，电解质混合物层两侧分别连接于第一电极区的铂膜层和第二电极区的钨膜层”的步骤中电解质混合物为卡夫特AB胶与Nafion按照质量组分1:3混合均匀电解质混合物；或者或者采用磷钨酸或磷钨酸铯与KE-1024按照质量组分3:1均匀混合的混合物。
该电解质混合液的调制步骤如下：
第一步、将Nafion用70%浓度的酒精湿润透，搅拌均匀；
第二步、将卡夫特AB胶与Nafion按照1:3的比率混合搅拌均匀，形成电解质混合物。
作为氢气泄露检测的传感器，则本氢传感器探头对准氢气泄露的口，越近越好，这样可以快速响应检测氢气浓度，以及时报警；
如果是密闭容器里的测试氢气浓度，比如氢气罐里的浓度，则需要使得本产品对准出气口，使得本产品的H2探头与出气口完全无缝连接，从而避免外部空气的干扰，进而保证检测精度。
与现有技术相比，本实施例的一种氢气传感器及其检测系统、制作方法，工作温度范围宽，湿度适应好，响应时间快，检测精度高，检测浓度范围宽，安全、无毒，功耗小。
上述仅以实施例来进一步说明本发明的技术内容，以便于读者更容易理解，但不代表本发明的实施方式仅限于此，任何依本发明所做的技术延伸或再创造，均受本发明的保护。本发明的保护范围以权利要求书为准。
Claims (4)
1.一种氢气传感器，其特征在于，包括：基板，所述基板的中部设有一隔离区，所述隔离区将基板分割为第一电极区和第二电极区；其中，所述第一电极区表面溅射有铂膜层，所述第二电极区表面溅射有钨膜层，所述隔离区上设有电解质混合物层，所述电解质混合物层将铂膜层与钨膜层连接；溅射铂的纯度为99.98%以上，电解质混合物为卡夫特AB胶与Nafion按照质量组分1:3混合均匀电解质混合物，所述铂膜层的厚度为100-500mm，所述钨膜层的厚度为100-500mm，所述基板为氧化铝或陶瓷基板，所述电解质混合物层的厚度为0.5-1mm，所述第一电极区和第二电极区均设有一焊盘，所述焊盘上设有插针，所述插针表面镀镍。
2.一种氢气检测系统，其特征在于，包括：控制与算法处理单元，电连接于所述控制与算法处理单元的运算放大处理单元，连接于所述运算放大处理单元的如权利要求1所述的氢气传感器，以及电源转换单元，所述电源转换单元将外部电压转换成5V电压供给所述控制与算法处理单元、运算放大处理单元和氢气传感器；所述运算放大处理单元将氢气传感器检测的氢气浓度的电信号进行放大处理，并由控制与算法处理单元对传输的放大信号进行运算处理以得到检测的氢气浓度值。
3.根据权利要求2所述的氢气检测系统，其特征在于，所述控制与算法处理单元上还电连接有温度传感器和湿度传感器，所述温度传感器用于检测待检测氢气浓度环境的温度，所述湿度传感器用于检测待检测氢气浓度环境的湿度，由控制与算法处理单元根据检测环境的湿度、温度对氢气传感器检测的数据进行补偿。
4.一种制作如权利要求1所述的氢气传感器的方法，其特征在于，包括以下步骤：
将氧化铝或陶瓷基板划分为隔离区，第一电极区和第二电极区，其中所述隔离区将氧化铝或陶瓷基板分割为所述的第一电极区和第二电极区；
采用溅射的方法在第一电极区溅射铂膜层，在第二电极区溅射钨膜层；
将电解质混合物涂覆于隔离区形成电解质混合物层，并用特氟龙棒压紧以致电解质混合物紧密贴附于基板表面，其中，电解质混合物层两侧分别连接于第一电极区的铂膜层和第二电极区的钨膜层；
将涂覆电解质混合物层后的氧化铝或陶瓷基板进行高温干燥以成型。
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