CN113203774A - 一种液体传感器及其制作方法、液体传感系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种液体传感器及其制作方法、液体传感系统，涉及检测技术领域。本发明提供的液体传感器包括：基材；敏感元件，所述敏感元件位于所述基材上，所述敏感元件由导电浆料印制后室温固化形成，所述敏感元件包括导电颗粒和树脂，所述敏感元件可在接触外界液体中的正离子后，所述正离子附着于所述导电颗粒之间的所述树脂上，所述敏感元件的电阻降低；信号输入引线和信号输出引线，所述信号输入引线和信号输出引线分别连接于所述敏感元件的两端。本发明的技术方案能够检测含正离子的液体的接触情况。

Description

一种液体传感器及其制作方法、液体传感系统

技术领域

本发明涉及检测技术领域，尤其涉及一种液体传感器及其制作方法、液体传感系统。

背景技术

液体是处于液态的物体，它没有确定的形状，在固定容器中，它的体积和形状在压力及温度不变的环境下，是固定不变的。但由于其具有流动性，在一些环境下液体的不可控流动会对生产、生活造成影响。因此，常常需要对液体(尤其是特定液体，如酸溶液、碱溶液、盐溶液等)的液位、泄漏情况等进行监控，急需提供一种可检测目标位置是否接触液体的简易设备。

发明内容

本发明提供一种液体传感器，可以检测含正离子的液体的接触情况。

第一方面，本发明提供一种液体传感器，采用如下技术方案：

所述液体传感器包括：

基材；

敏感元件，所述敏感元件位于所述基材上，所述敏感元件由导电浆料印制后室温固化形成，所述敏感元件包括导电颗粒和树脂，所述敏感元件可在接触外界液体中的正离子后，所述正离子附着于所述导电颗粒之间的所述树脂上，所述敏感元件的电阻降低；

信号输入引线和信号输出引线，所述信号输入引线和信号输出引线分别连接于所述敏感元件的两端。

可选地，所述液体传感器还包括封装层，所述封装层位于所述敏感元件所在层上方，且在所述敏感元件位置处设置有开口。

可选地，所述封装层的材质为环氧树脂、丙烯酸树脂、硅酮、有机硅树脂、聚氨酯、聚酯树脂或者聚酰亚胺。

可选地，按重量百分比计，所述导电浆料包括：导电填料30％～95％，有机树脂载体5％～70％和助剂0％～5％。

可选地，所述基材的材质为聚对苯二甲酸乙二酯、聚对苯二甲酸丁二酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺、聚酰胺、低密度聚乙烯、热塑性弹性体、热塑性聚氨酯弹性体橡胶、玻璃、陶瓷、硅片、聚四氟、木质中的一种。

可选地，所述信号输入引线和所述信号输出引线由导电浆料印制后加热固化形成。

可选地，所述敏感元件接触酸溶液、碱溶液或者盐溶液中的金属阳离子或者氢离子后，所述金属阳离子或者氢离子附着于所述导电颗粒之间的所述树脂上，所述敏感元件的电阻降低。

第二方面，本发明提供一种液体传感器的制作方法，采用如下技术方案：

所述液体传感器的制作方法包括：

提供一基材；

使用导电浆料在所述基材上印制敏感元件图形，所述导电浆料包括导电颗粒和树脂；

在室温下使所述敏感元件图形固化，得到敏感元件，所述敏感元件可在接触外界液体中的正离子后，所述正离子附着于所述导电颗粒之间的所述树脂上，所述敏感元件的电阻降低；

制作信号输入引线和信号输出引线，所述信号输入引线和信号输出引线分别连接所述敏感元件的两端。

可选地，在使用导电浆料在所述基材上印制敏感元件图形之前，在所述基材上使用导电浆料印制信号输入引线图形和信号输出引线图形，加热固化后得到所述信号输入引线和所述信号输出引线。

第三方面，本发明提供一种液体传感系统，采用如下技术方案：

所述液体传感系统包括：

至少一个以上任一项所述的液体传感器；

供电单元，所述供电单元与所述液体传感器中的信号输入引线和信号输出引线连接，构成回路；

电性能测量单元，所述电性能测量单元连接于所述回路中，用于测量所述液体传感器中的敏感元件的电阻变化；

分析单元，与所述电性能测量单元连接，用于确定电阻变化，并根据电阻变化确定接触外界液体情况。

本发明提供了一种液体传感器及其制作方法、液体传感系统，该液体传感器包括敏感元件，敏感元件由导电浆料印制后室温固化形成，导电浆料包括导电颗粒和树脂，敏感元件接触外界液体中的正离子后，正离子附着于导电颗粒之间的树脂上，敏感元件的电阻降低，从而通过信号输入引线和信号输出引线测量敏感元件的电阻大小，即可检测含正离子的液体(如酸溶液、碱溶液或者盐溶液)的接触情况。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的导电结构的微观结构示意图；

图2为本发明实施例提供的液体传感器的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的敏感元件的微观结构示意图；

图4为本发明实施例提供的正离子位置示意图一；

图5为本发明实施例提供的正离子位置示意图二；

图6为本发明实施例提供的液体传感器的制作方法流程图；

图7为本发明实施例提供的液体传感系统的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，本领域普通技术人员在没有做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。

需要说明的是，在不冲突的情况下本发明实施例中的各技术特征均可以相互结合。

传统导电浆料(包括导电颗粒和树脂)应用过程中，需经过印刷、喷涂或转印的方式在基材上形成图形，在150℃～300℃的温度下烘干固化，才能形成导电结构，若不加热固化则电阻非常大甚至不导通，无法应用。而本申请的发明人在研发过程中发现，导电浆料印制成图形，室温放置固化后(表干即可)，接触含有正离子的液体，可使其电阻大幅降低(降低50％以上，甚至达99％以上)，得到导电结构。发明人进一步发现，在刚开始接触时，电阻迅速降低，随着时间的延长，电阻降低的速度逐渐减慢，直至电阻达到稳定状态。也就是说，在一定时间内，接触时间越长，电阻降低越明显。且含正离子的液体中正离子的浓度越大，接触时间相同时，电阻降低越明显。

如图1所示，图1为本发明实施例提供的导电结构的微观结构示意图，正离子的存在对电学性能的提升的原理如下：正离子A的加入增加了导电结构整个体系中的空穴的数量，降低了电子穿过导电颗粒B之间的树脂C的难度，电子可先从导电颗粒B转移到正离子A上，再从正离子A转移到相邻的导电颗粒B上，从而提高了导电结构的电学性能。

基于上述新发现，本发明实施例提供一种液体传感器，具体地，如图2和图3所示，图2为本发明实施例提供的液体传感器的结构示意图，图3为本发明实施例提供的敏感元件的微观结构示意图，该液体传感器包括：

基材1；

敏感元件2，敏感元件2位于基材1上，敏感元件2由导电浆料印制后室温固化形成，敏感元件2包括导电颗粒21和树脂22，敏感元件2可在接触外界液体中的正离子A后，正离子A附着于导电颗粒21之间的树脂22上，敏感元件2的电阻降低；

信号输入引线3和信号输出引线4，信号输入引线3和信号输出引线4分别连接于敏感元件2的两端。

敏感元件2接触外界液体中的正离子A后，正离子A附着于导电颗粒21之间的树脂22上的方式可以有多种，比如，如图4所示，图4为本发明实施例提供的正离子位置示意图一，正离子A附着在树脂22的表面，或者，如图5所示，图5为本发明实施例提供的正离子位置示意图二，正离子A嵌入导电颗粒21和树脂22之间的缝隙中等，本发明实施例对此不进行限定。另外，正离子A也可以附着于导电颗粒21上。以上接触方式可包括浸泡、喷淋、滴加或者涂覆等方式。

需要说明的是，图3中导电颗粒21、树脂22的尺寸和位置仅为示例并非限定，实际中导电颗粒21之间会存在相互接触的情况。敏感元件2接触正离子A后，敏感元件2中可以同时存在多种通路，如导电颗粒21连接形成的通路，导电颗粒21通过树脂22形成的通路，导电颗粒21通过树脂22及其上的正离子A形成的通路，导电颗粒21通过正离子A形成的通路等。

由于敏感元件2由导电浆料印制后室温固化形成，敏感元件2包括导电颗粒21和树脂22，敏感元件2接触外界液体中的正离子A后，正离子A附着于导电颗粒21之间的树脂22上，敏感元件2的电阻降低，从而通过信号输入引线3和信号输出引线4测量敏感元件2的电阻大小，即可检测含正离子A的液体(如酸溶液、碱溶液或者盐溶液)的接触情况。

该液体传感器可以用于容器中液位检测、液体泄漏检测等。例如，将液体传感器设置于容器最高液位位置处，若容器中液体的量到达最高液位，则液体传感器与液体接触，液体中的正离子A附着于导电颗粒21之间的树脂22上，敏感元件2的电阻降低，从而实现对液位的检测；或者，将液体传感器设置于储液罐上易泄漏位置处，若液体泄漏，则液体传感器与液体接触，液体中的正离子A附着于导电颗粒21之间的树脂22上，敏感元件2的电阻降低，快速实现液体泄漏检测。

需要补充的是，敏感元件2上正离子A附着越多，对敏感元件2的电学性能的提升越明显。正离子A附着的多少可以由含正离子A的液体与敏感元件2的接触时间、接触面积、正离子A的浓度等因素影响，所以在本发明实施例中的液体传感器的应用过程中，若其他因素不变，仅一个因素变化，则还可以根据敏感元件2的电阻变化定性表征或定量分析接触时间、接触面积或者正离子A的浓度等因素。

可选地，如图2所示，本发明实施例中的液体传感器还包括封装层5，封装层5位于敏感元件2所在层上方，且在敏感元件2位置处设置有开口。封装层5可以起到固定、保护液体传感器中各结构的作用，提高液体传感器的结构稳定性。本发明实施例中的封装层5的材质为环氧树脂、丙烯酸树脂、硅酮、有机硅树脂、聚氨酯、聚酯树脂或者聚酰亚胺。封装层5可以为现成的膜材，也可以由具有流动性的物质固化后形成。

可选地，本发明实施例中的基材1的材质可以为聚对苯二甲酸乙二酯、聚对苯二甲酸丁二酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺、聚酰胺、低密度聚乙烯、热塑性弹性体、热塑性聚氨酯弹性体橡胶等柔性材料，也可以为玻璃、陶瓷、硅片、聚四氟、木质等硬质材料。

可选地，本发明实施例中用于制作敏感元件2的导电浆料可以包括以下组分：导电填料30％～95％，有机树脂载体5％～70％和助剂0％～5％，以上百分比均为重量百分比。其中，导电填料的重量百分比可以为：30％、35％、40％、45％、50％、55％、60％、65％、70％、75％、80％、85％、90％或者95％；有机树脂载体的重量百分比可以为5％、10％、15％、20％、25％、30％、35％、40％、45％、50％、55％、60％、65％或者70％；助剂的重量百分比可以为0、0.1％、0.2％、0.5％、1％、1.5％、2％、2.5％、3％、3.5％、4％、4.5％或者5％。

示例性地，本发明实施例中导电浆料中的导电填料、有机树脂载体和助剂可以参考以下内容进行选择。

导电填料

本发明实施例中，导电填料为金、银、铜、铁、镍、铝、石墨烯、炭黑、石墨、银包铜粉等中的一种或者至少两种组成的混合物。导电填料的形状为片状、球状、线形、棒状、针状、树枝状等中的一种或者至少两种组成的混合物。优选地，导电填料为银粉，具体可以为球状银粉、片状银粉或者二者的混合物。

有机树脂载体

本发明实施例中的有机树脂载体包括树脂(热塑性树脂或热固性树脂均可)，还可选地包含溶剂、固化剂等。

本发明实施例中的树脂可以为聚酯树脂、聚氨酯树脂、环氧树脂、丙烯酸树脂、酚醛树脂、醇酸树脂、有机硅树脂、氯醋树脂、聚酰亚胺树脂中的一种或者至少两种组成的混合物。

本发明实施例中的溶剂可选为乙醇、异丙醇、正丙醇、乙二醇、丙二醇、丙三醇、正丁醇、乙二醇丙醚、乙二醇丁醚、二乙二醇乙醚、二乙二醇丙醚、二乙二醇丁醚、丙二醇丙醚、丙二醇丁醚、二丙二醇乙醚、二丙二醇丙醚、二丙二醇丁醚、乙二醇丙醚醋酸酯、乙二醇丁醚醋酸酯、二乙二醇乙醚醋酸酯、二乙二醇丙醚醋酸酯、二乙二醇丁醚醋酸酯、丙二醇丙醚醋酸酯、丙二醇丁醚醋酸酯、二丙二醇乙醚醋酸酯、二丙二醇丙醚醋酸酯、二丙二醇丁醚醋酸酯、异佛尔酮和松油醇中的一种或者至少两种组成的混合物。

本发明实施例中的固化剂可以为异氰酸酯类固化剂、酚醛树脂类固化剂、胺类固化剂中的一种或几种。

助剂

本发明实施例中，助剂可以为润湿剂、分散剂、附着力促进剂、偶联剂、流平剂、触变剂、抗氧剂、消泡剂、酸碱平衡剂等中的一种或几种。

可选地，本发明实施例中的信号输入引线3和信号输出引线4可以为金属线(如铜线)、导电胶或者由导电浆料印制后加热固化形成的导电结构等。示例性地，本发明实施例中选择，信号输入引线3和信号输出引线4均由导电浆料印制后加热固化形成，以简化信号输入引线3和信号输出引线4与敏感元件2之间的电连接方式。

可选地，本发明实施例中敏感元件2接触酸溶液、碱溶液或者盐溶液中的金属阳离子或者氢离子后，金属阳离子或者氢离子附着于导电颗粒21之间的树脂22上，敏感元件2的电阻降低。金属阳离子、氢离子具有较强的极性，对敏感元件2的电学性能的提升效果更明显，液体传感器检测的灵敏度和准确度更高。示例性地，金属阳离子为钠离子、锂离子、钾离子中的一种或几种。

本发明提供一种液体传感器的制作方法，用于制作以上所述的液体传感器，如图6所示，图6为本发明实施例提供的液体传感器的制作方法流程图，该液体传感器的制作方法包括：

步骤S1、提供一基材。

步骤S2、使用导电浆料在基材上印制敏感元件图形，导电浆料包括导电颗粒和树脂。

本发明实施例中可以使用丝网印刷、钢网印刷、柔版印刷、移印、转印、挤出式点胶、涂覆等成型工艺，使用导电浆料在基材上制作敏感元件图形。

步骤S3、在室温下使敏感元件图形固化，得到敏感元件，敏感元件可在接触外界液体中的正离子后，正离子附着于导电颗粒之间的树脂上，敏感元件的电阻降低。

以上固化的程度只要是能够满足敏感元件的表层无溶剂即可，原因在于，若有溶剂，由于能够电离出正离子的物质易溶于水，不溶于溶剂，溶剂的存在会阻碍正离子的附着。敏感元件可以为表干，也可以为整体干燥，此处不进行限定。

以长180毫米，宽0.8毫米，厚20微米的敏感元件为例，经步骤S3后得到的敏感元件的电阻大小主要在十几欧到无限大(不导通)之间，具体跟导电浆料的种类和室温固化时间有关。

步骤S4、制作信号输入引线和信号输出引线，信号输入引线和信号输出引线分别连接敏感元件的两端。

其中制作信号输入引线和信号输出引线的步骤，可以位于制作敏感元件之前，也可以位于制作敏感元件之后。可选地，在使用导电浆料在基材上印制敏感元件图形之前，在基材上使用导电浆料印制信号输入引线图形和信号输出引线图形，加热固化后得到信号输入引线和信号输出引线，可以避免加热过程对敏感元件的影响。以上加热温度可以为120℃～200℃，加热时间为10min～80min。

本发明实施例中可以使用丝网印刷、钢网印刷、柔版印刷、移印、转印、挤出式点胶、涂覆等成型工艺，使用导电浆料在基材上制作信号输入引线和信号输出引线。

当然也可以通过导电胶、金属线等作为信号输入引线和信号输出引线。使用金属线时，可通过焊接、导电胶粘接等方式将金属线与敏感元件电连接。

此外，本发明实施例提供一种液体传感系统，具体地，如图7所示，图7为本发明实施例提供的液体传感系统的结构示意图，该液体传感系统包括：

至少一个以上任一项所述的液体传感器10；

供电单元20，供电单元20与液体传感器10中的信号输入引线和信号输出引线连接，构成回路；

电性能测量单元30，电性能测量单元30连接于回路中，用于测量液体传感器10中的敏感元件的电阻；

分析单元40，与电性能测量单元30连接，用于确定电阻变化，并根据电阻变化确定接触外界液体情况。

以上供电单元20可以为直流电、交流电、电池、电容等，供电单元20可以仅为液体传感器10供电，电性能测量单元30和分析单元40自供电，也可以由供电单元20为电性能测量单元30和分析单元40一并供电；以上电性能测量单元30可通过测量电流、电压、电阻等确定敏感元件的电阻变化。

以上液体传感系统的工作过程可包括：通过电性能测量单元30实时测量信号输入引线、敏感元件和信号输出引线形成的回路中的电阻，通过分析单元40实时确定电阻变化情况，并根据电阻变化确定接触外界液体情况，其中，若电阻无变化，则未接触目标外界液体，若电阻变小，则已接触目标外界液体。

该液体传感系统可用于检测酸溶液、碱溶液或者盐溶液的接触情况。酸溶液可以为浓度为1％～10％的硫酸溶液或者盐酸溶液，碱溶液可以为浓度为1％～10％的氢氧化钠溶液或者氢氧化钾溶液，盐溶液可以为浓度为1％～10％的氯化钠溶液或者氯化钾溶液。

实施例

需要说明的是，在以上各实施例中，以敏感元件尺寸为长180毫米，宽0.8毫米，厚20微米为例，接触方式均为浸泡。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种液体传感器，其特征在于，包括：

基材；

敏感元件，所述敏感元件位于所述基材上，所述敏感元件由导电浆料印制后室温固化形成，所述敏感元件包括导电颗粒和树脂，所述敏感元件可在接触外界液体中的正离子后，所述正离子附着于所述导电颗粒之间的所述树脂上，所述敏感元件的电阻降低；

信号输入引线和信号输出引线，所述信号输入引线和信号输出引线分别连接于所述敏感元件的两端。

2.根据权利要求1所述的液体传感器，其特征在于，还包括封装层，所述封装层位于所述敏感元件所在层上方，且在所述敏感元件位置处设置有开口。

3.根据权利要求2所述的液体传感器，其特征在于，所述封装层的材质为环氧树脂、丙烯酸树脂、硅酮、有机硅树脂、聚氨酯、聚酯树脂或者聚酰亚胺。

4.根据权利要求1所述的液体传感器，其特征在于，按重量百分比计，所述导电浆料包括：导电填料30％～95％，有机树脂载体5％～70％和助剂0％～5％。

5.根据权利要求1所述的液体传感器，其特征在于，所述基材的材质为聚对苯二甲酸乙二酯、聚对苯二甲酸丁二酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺、聚酰胺、低密度聚乙烯、热塑性弹性体、热塑性聚氨酯弹性体橡胶、玻璃、陶瓷、硅片、聚四氟、木质中的一种。

6.根据权利要求1所述的液体传感器，其特征在于，所述信号输入引线和所述信号输出引线由导电浆料印制后加热固化形成。

7.根据权利要求1所述的液体传感器，其特征在于，所述敏感元件接触酸溶液、碱溶液或者盐溶液中的金属阳离子或者氢离子后，所述金属阳离子或者氢离子附着于所述导电颗粒之间的所述树脂上，所述敏感元件的电阻降低。

8.一种液体传感器的制作方法，其特征在于，包括：

提供一基材；

使用导电浆料在所述基材上印制敏感元件图形，所述导电浆料包括导电颗粒和树脂；

在室温下使所述敏感元件图形固化，得到敏感元件，所述敏感元件可在接触外界液体中的正离子后，所述正离子附着于所述导电颗粒之间的所述树脂上，所述敏感元件的电阻降低；

制作信号输入引线和信号输出引线，所述信号输入引线和信号输出引线分别连接所述敏感元件的两端。

9.根据权利要求8所述的液体传感器的制作方法，其特征在于，在使用导电浆料在所述基材上印制敏感元件图形之前，在所述基材上使用导电浆料印制信号输入引线图形和信号输出引线图形，加热固化后得到所述信号输入引线和所述信号输出引线。

10.一种液体传感系统，其特征在于，包括：

至少一个如权利要求1～7任一项所述的液体传感器；

供电单元，所述供电单元与所述液体传感器中的信号输入引线和信号输出引线连接，构成回路；

电性能测量单元，所述电性能测量单元连接于所述回路中，用于测量所述液体传感器中的敏感元件的电阻；

分析单元，与所述电性能测量单元连接，用于确定电阻变化，并根据电阻变化确定接触外界液体情况。

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