CN112504572A

CN112504572A - 电容式液体泄漏传感器

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Publication number: CN112504572A
Application number: CN202010966542.XA
Authority: CN
Inventors: 成百明
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2019-09-16
Filing date: 2020-09-15
Publication date: 2021-03-16
Anticipated expiration: 2040-09-15
Also published as: US20210080338A1; KR102198819B1; CN112504572B

Abstract

本发明涉及一种液体泄漏传感器，更具体地，涉及一种用于防止归因于化学溶液泄漏的金属电极的损坏的液体泄漏传感器，被形成为检测膜的顶表面上的液体泄漏的状态。液体泄漏传感器包括：下膜，在该下膜中，至少一对金属电极以一定间隔平行地形成在其顶表面上，以便检测泄漏液体；以及石墨烯油墨层，其被涂覆以覆盖电极。石墨烯油墨层是通过混合5至10重量％的石墨烯、30至50重量％的粘合剂、20至25重量％的2‑乙氧基乙醇、20至25重量％的DPGDME、和5至10的分散剂然后使用通过高压分散制造的石墨烯油墨将混合物印刷在电极上而形成的。

Description

电容式液体泄漏传感器

技术领域

本公开涉及一种液体泄漏传感器，更具体地，涉及一种用于防止归因于化学溶液泄漏的金属电极的损坏的液体泄漏传感器。

背景技术

授予本申请人的韩国专利第10-1983662号(标题为“电容式油检测传感器”)具有用于检测泄漏油和有机溶剂的结构。如图1至图4所示，该结构具有“结构包括壳体100、从壳体100引出的用于供电的电缆102、安装在电缆102的端部的连接器103、以及设置在壳体100的底部并具有电容感测图案210的感测元件200，该电容感测图案210中有通过漏油而形成的电容。

此外，感测图案210包括形成在PCB 214的顶表面上的一对导线211和212。一对导线211和212中的每一个都分支成多条导线。分支导线以给定间隔交替布置。

此外，感测图案210包括形成在PCB 214的顶表面上的铜层215。镍铜层216形成在铜层215的顶表面上。镀金的导线211和212被堆叠并形成在镍铜层216的顶表面上。

因此，当将水或油引入感测图案中时，可以基于电容值的变化来确定水、油、和有机溶剂。

然而，由于感测图案210由诸如铜、镍、或金的导电金属材料制成，所以根据这种传统技术的电容式油检测传感器具有优异的导电性，但是如果电容式油检测传感器与诸如碱溶液或酸溶液的化学溶液接触，重复使用的次数受到限制并且由于腐蚀而引起的检测信号的误差经常发生。

<现有技术文献>

1.韩国专利第10-1983662号

(电容式油检测传感器)

发明内容

各个实施例针对提供一种电容性液体泄漏传感器，该电容性液体泄漏传感器可以通过涂覆形成金属感测图案的导线(即电极)来保护电极，从而不损坏电极并保持高电导率，使用石墨烯油墨从而防止化学物质和电极直接相互接触。

根据一个实施例，电容式液体泄漏传感器包括：壳体；电缆，其从壳体引出，用于提供电源；连接器，其安装在电缆的端部；以及感测元件，其设置在壳体底部并配置有多个金属电极，从而通过漏油形成电容，电容式液体泄漏传感器包括石墨烯油墨层，石墨烯油墨层被涂覆从而覆盖多个电极。石墨烯油墨层是通过混合5至10重量％的石墨烯、30至50重量％的粘合剂、20至25重量％的2-乙氧基乙醇、20至25重量％的DPGDME、和5至10重量％的分散剂然后使用通过高压分散制造的石墨烯油墨将混合物印刷在电极上而形成的。

附图说明

图1至图4是示出根据现有技术的电容式液体泄漏传感器的结构的图。

图5是示出其中石墨烯油墨层被涂覆在形成感测图案的电极上的结构的图。

图6是示出电极的另一种形式的图。

图7是示出涂覆在电极表面上的带正电并还原的氧化石墨烯的图。

图8是示出当已知的电缆传感器与有毒物质接触时的电荷分布的图。

图9是示出当根据本公开的另一实施例的包括带电并还原的氧化石墨烯的检测线与有毒物质接触时的电荷分布的图。

具体实施例

参照附图详细描述了前述目的、特征和优点，因此，本公开所属领域的普通技术人员可以容易地实践本公开的技术精神。

在描述本公开内容时，如果认为与本公开内容相关的现有技术的详细描述会不必要地模糊本公开的要点，则将省略该详细描述。

通过考虑本公开中的功能，选择现在广泛使用的通用术语作为本公开中使用的术语，并且这些术语可以根据本领域技术人员的意图、先例、或新技术的出现而不同。

此外，在特定情况下，一些术语是由申请人随机选择的。在这种情况下，将在相应发明的描述性部分中详细描述相应术语的含义。

因此，本公开中使用的术语不应基于其名称简单地定义，而应基于其在本公开之上的实质含义和内容来定义。

在下文中，参考附图详细描述本公开的实施例。

然而，可以以各种其他形式修改本公开的实施例，并且本公开的范围不限于以下实施例。

本公开的实施例被提供给本领域的普通技术人员以更充分地描述本公开。

根据本公开的实施例的基本结构，即，如图1和2所示的壳体100、电缆102、连接器103、和具有感测图案210的感测元件200的结构是相同或相似的。因此，基本描述了用于通过涂覆来隔离形成感测图案210的金属电极211和212的石墨烯油墨层300的结构。

形成为从壳体100的底表面暴露到下部的感测图案210形成在PCB 214的顶表面上。石墨烯油墨层310和320印刷在形成感测图案的电极211和212上，电极211和212使用印刷方法将感测图案210分别形成为厚度为1至2μm。引入到电极211和212之间的诸如水、化学溶液、油或有机溶剂的泄漏液体不直接与电极211和212接触。因此，可以保护电极211和212免受氧化或损坏。

在本公开的实施例中，电极211和212可具有如现有技术中堆叠不同类型的金属的形式。作为另一种形式，电极211和212可以使用诸如铜、镍、银或金的单一金属形成，而无需堆叠不同类型的金属。

石墨烯油墨层300的电阻比金属制的电极211和212高，但是由于它以很薄的厚度被印刷到电极211和212上，所以具有非常低的电阻。

也就是说，泄漏和引入的液体以及电极211和212具有对应于石墨烯油墨层300的厚度的间隔。因此，石墨烯油墨层300的电阻几乎可以忽略不计。

因此，如果要使用电容方法检测诸如泄漏的酸、碱、油、或有机溶剂之类的液体，则保护电极211和212免受化学溶液的侵蚀。作为另一种形式的应用示例，如果要基于由在两个电极211与212之间泄漏的液体而引起的导电性的变化或电阻值的变化来检测诸如水、酸或碱之类的导电性泄漏液体的状态，石墨烯油墨层300将施加到电极211和212的电源传导到泄漏液体。因此，可以基于电导率或电阻值的变化来确定泄漏液体的状态和泄漏液体的类型。

石墨烯油墨层300以石墨烯油墨的形式制造，石墨烯油墨可以通过具有导电性的石墨烯印刷，然后涂覆在电极211和212上。通过混合5至10重量％的石墨烯、30至50重量％的粘合剂、20至25重量％的2-乙氧基乙醇、20至25重量％的二丙二醇二甲醚(DPGDME)、和5至10重量％的分散剂，搅拌该混合物，并在高压下分散该混合物，从而以油墨形式制造石墨烯油墨。

在这种情况下，具有耐酸性和耐化学性的氟树脂被用作粘合剂。将2-乙氧基乙醇作为溶剂混合。将DPGDME作为延迟溶剂混合。

如果这样的混合物在高压下分散，则产生热量，并且由于快速挥发，石墨烯油墨的粘度增加。此时，需要通过延迟挥发来保持粘度。

因此，通过使用DPGDME延迟挥发，即使在高压分散之后，石墨烯油墨也可以具有均匀的粘度。

此外，为了使氟树脂快速硬化，在高压分散之后，对应于17至23重量％的氟树脂，即总体石墨烯油墨的5.1至11.5重量％的硬化剂可以被额外输入。

使用印刷方法涂覆所制造的石墨烯油墨以完全覆盖电极211和212，使得电极211和212不暴露于外部。石墨烯油墨层310和320不耦合。

为了增加石墨烯油墨层300的导电性，可以混合银油墨。可以将40至60重量％的银油墨与40至60重量％的石墨烯油墨混合。相对于40至60重量％的银油墨，银油墨由15至25重量％的银粉、40至60重量％的粘合剂和20至30重量％的DPGDME混合而成。

此外，如图6所示，电极211和212可以包括具有圆形形式的电极211和具有环形形式的电极212。电极211也可以形成为环形。

将包括氧化石墨烯的电极用组合物分别涂覆在电极211和212上。因此，该组合物具有耐化学性、耐药品性、耐化学性和耐药品性，并用作电极。一个电极形成为涂覆有电极用组合物的电极，该组合物包括带正电并还原的氧化石墨烯。另一个电极形成为涂覆有电极用组合物的电极，该组合物包括带负电并还原的氧化石墨烯。

在本公开的实施例中，石墨烯用作电极的组合物。石墨烯是由碳原子构成的二维碳片，与现有的纳米材料相比，显示出宽的比表面积，优异的导热性和快速的电子迁移特性。

石墨烯可以被物理上逐层分离。这种方法不适用于大规模生产，并且使得不可能制造大面积的石墨烯。另一种方法是用于石墨的化学剥离方法，即，氧化过程的制造工艺。如果使用这种方法，则可以降低制造成本，可以进行批量生产，并且由于生成的石墨烯被官能化，因此可以获得允许各种应用的氧化石墨烯。

使用物理方法，氧化石墨烯可以具有比石墨烯更少的层数。

在通过氧化过程获得的氧化石墨烯的表面上存在几个官能团，例如环氧基、羟基、羰基、和羧基。

在本公开的实施例中，为了使用氧化石墨烯作为电极的元件，氧化石墨烯被还原并用作还原的氧化石墨烯(Rgo)。

特别地，根据本公开的实施例，当制造还原的氧化石墨烯时，使用具有极性的还原的氧化石墨烯。在这种情况下，可以显著提高电容式传感器的灵敏度。

根据本公开的实施例的液体泄漏传感器可以通过执行以下步骤来制造：用包括带正电并还原的氧化石墨烯的电极用组合物涂覆一个电极，用包括带负电并还原的氧化石墨烯的电极用组合物涂覆另一个电极，并进行硬化。

图7是示出带正电并还原的氧化石墨烯的图。图8是示出带负电并还原的氧化石墨烯的图。在根据本公开的实施例的电极用组合物中，在电极中使用带电并还原的氧化石墨烯。

可以将通过还原氧化石墨烯而获得的还原的石墨烯用作电极，因为其具有与绝缘的氧化石墨烯不同的导电性。

在本公开的实施例中，特别地，在还原的氧化石墨烯中，使用带正电并还原的氧化石墨烯或带负电并还原的氧化石墨烯。

带正电并还原的氧化石墨烯可以具有由NH 3+官能团提供的表面电荷(图7)。带负电并还原的氧化石墨烯可以具有由COO-官能团提供的表面电荷(图8)。

具有NH3+官能团或COO-官能团的还原的氧化石墨烯可以通过还原具有当氧化石墨烯被还原时留下的NH3+官能团或COO-官能团的氧化石墨烯来获得。

如果还原的氧化石墨烯被充电，则与传感器的灵敏度有关的电容变化值受到影响。

图9是示出现有传感器的初始电荷分布的图。图10是示出了应用于本公开的实施例的包括带电并还原的氧化石墨烯的检测线的初始电荷分布的图。图11是示出当现有的电缆传感器与有毒物质接触时的电荷分布的图。

此外，图12是示出当根据本公开的另一实施例的包括带电并还原的氧化石墨烯的检测线与有毒物质接触时的电荷分布的图。

参照图9，如果现有的电极不包括具有极性的物质，则电荷被分配到+电极和-电极，因此可以获得初始电荷量值。

图10示出了在将带电并还原的氧化石墨烯涂覆在电极上时，即如果在用作+电极的一个电极(上部电极或下部电极)上涂覆带正电并还原的氧化石墨烯并且在用作-电极的另一个电极(下部电极或上部电极)上涂覆带负电并还原的氧化石墨烯的情况下的施加电压的状态。

当在+电极上涂覆带正电并还原的氧化石墨烯时，初始电荷量值降低，因为由施加电压引起的-电荷被带正电并还原的氧化石墨烯抵消。

参考图11和图12，如果现有电缆传感器的电极没有极性并且带电并还原的氧化石墨烯被涂覆在电极上，则当电极暴露于有毒物质时，有毒物质取决于电荷量值。因此，两种情况下的当前电荷量值相似，因为基于相同有毒物质的电荷量值相同。

由于电容取决于电荷量，因此电容的变化取决于当前电荷量与初始电荷量之间的差。因此，假设当减小初始电荷量的值时，当前电荷量的值相同，则电容值的变化增加，从而提高了电缆型液体泄漏传感器的分辨率和灵敏度。

即，如本公开的实施方案中，如果将带电并还原的氧化石墨烯添加至电极用组合物，则电荷量受到影响。因此，可以提高根据本公开的实施例的用作电容的电缆型液体泄漏传感器的灵敏度。

应用于本公开的实施例的用于电容性有毒物质电极的组合物包括带电并还原的氧化石墨烯、粘合剂、溶剂、和硬化剂。

此外，根据本公开的实施例的用于电容性有毒物质电极的组合物可以进一步包含分散剂和挥发性抑制剂，从而增加带电并还原的氧化石墨烯的分散性。

可以用于根据本公开的实施例的用于电容性有毒物质电极的组合物中的粘合剂可以包括乙基纤维素、聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇缩丁醛、聚(甲基丙烯酸甲酯)、聚氨酯或聚酯，但是为了高耐酸性，最优选油基氟树脂。

可以在根据本公开的实施例的用于电容性有毒物质电极的组合物中使用的溶剂可以包括2-乙氧基乙醇、乙醇、甲醇、甲苯、二甲苯或甲基乙基酮。

可以在应用于本公开的实施例的用于电容性有毒物质电极的组合物中使用的分散剂可以包括Solspers 20000、Solspers 38500、和BYK 170。

可以在根据本公开的实施例的用于电容性有毒物质电极的组合物中使用的挥发抑制剂可以包括丁基卡必醇乙酸酯和二丙二醇二甲醚。

可以在根据本公开的实施例的用于电容性有毒物质电极的组合物中使用的硬化剂可以包括苯甲酰过氧化物、偶氮异丁炔腈、2-氰基-2-丙基偶氮甲酰胺、2,2-偶氮二(2,4-二甲基戊腈)、2,2-偶氮二[2-(2-咪唑啉-2-基)丙烷]、和2,2-偶氮二(2-甲基丁腈)。其中，最优选2,2-偶氮二(2,4-二甲基戊腈)。

可通过执行以下步骤来制造应用于本公开的实施例的用于电容性有毒物质电极的组合物：混合带电并还原的氧化石墨烯、粘合剂、溶剂、分散剂、和挥发抑制剂；通过使用均质混合器搅拌混合物来初级分散混合物，使用高压分散器将初级分散的混合物次级分散；以及将硬化剂输入到分散的混合物中。

在100℃下的初级硬化之后，可以在180℃的硬化温度下完成硬化。

初级分散混合物的步骤是将带电并还原的氧化石墨烯和油基氟树脂与溶剂混合的步骤，该步骤使电容反应宽度最大化，并且可以以5,000至7,000rpm进行一小时或两小时。

使用高压分散器次级分散初级混合物的步骤通过以高压状态粉碎和分散初级混合物来提高用于电容性有毒物质电极的组合物的涂覆性能和分散性。

次级分散可以在300至350巴的压力下进行5至10次。

将硬化剂添加至分散的混合物中，并使用均质混合器以3,000至5,000rpm搅拌混合物10至30分钟。

相对于用于电容性有毒物质电极的组合物的总重量，可以包括5至20重量％的带电并还原的氧化石墨烯、30至60重量％的粘合剂、30至50重量％的溶剂、20至60重量％的硬化剂、5至20重量％的分散剂。

根据本公开的实施例的电容式液体泄漏传感器可以防止对金属电极的损坏并且还保持高电导率，因为石墨烯油墨被涂覆在形成感测图案的金属电极上，因此泄漏的油和泄漏的化学溶液不直接与金属电极接触。

因此，根据本公开的实施例的液体泄漏传感器具有的优点在于其可以被多次使用或半永久地使用。

上面已经描述了本公开内容的特定部分。对于本领域的普通技术人员来说，这样的详细描述仅仅是优选的实施例，并且显而易见的是，本公开的范围不受这些详细描述的限制。

因此，可以说，本公开的实质范围由所附权利要求书及其等同物所限定。

<附图标记的描述>

210：感测图案

211、212：电极

300：石墨烯油墨层。

Claims

1.一种电容式液体泄漏传感器，包括：壳体；电缆，其从该壳体引出，用于提供电源；连接器，其安装在该电缆的端部；和感测元件，其设置在该壳体的底部并且由多个金属电极构成，从而通过泄漏油形成电容，该电容式液体泄漏传感器包括：

石墨烯油墨层，其被涂覆以覆盖该多个电极。

2.根据权利要求1所述的电容式液体泄漏传感器，其中，通过混合石墨烯、粘合剂、2-乙氧基乙醇、DPGDME、和分散剂然后使用通过高压分散而制造的石墨烯油墨将该混合物印刷在该电极上来形成所述石墨烯油墨层。

3.根据权利要求2所述的电容式液体泄漏传感器，其中，该石墨烯为5至10重量％，该粘合剂为30至50重量％，该2-乙氧基乙醇为20至25重量％，该DPGDME为20至25重量％，且该分散剂为5至10重量％。

4.根据权利要求2所述的电容性液体泄漏传感器，其中：

该石墨烯油墨层是通过将40至60重量％的银油墨与40至60重量％的石墨烯油墨混合而形成的，

该银油墨由15至25重量％的银粉、40至60重量％的粘合剂、和20至30重量％的DPGDME构成。

5.根据权利要求2所述的电容式液体泄漏传感器，其中，将5.1至11.5重量％的硬化剂额外地添加至该石墨烯油墨。

6.根据权利要求1所述的电容性液体泄漏传感器，其中：

该多个电极中的一个是通过涂覆电极用组合物而构成的，该电极用组合物包含带正电并还原的氧化石墨烯，

该多个电极中的另一个是通过涂覆电极用组合物而构成的，该电极用组合物包含带负电并还原的氧化石墨烯，

该带正电荷并还原的氧化石墨烯由具有NH3+官能团提供的表面电荷，并且

该带负电荷并还原的氧化石墨烯由具有COO-官能团提供的表面电荷。

7.根据权利要求6所述的电容式液体泄漏传感器，其中，每种该电极用组合物包括：5至20重量％的带电并还原的氧化石墨烯；30至60重量％的粘合剂，其是油基氟树脂；30至50重量％的溶剂；20至60重量％的硬化剂；和5至20重量％的分散剂。