TWI475981B - 基於電化學電容器的液體檢測裝置、方法及紙尿褲 - Google Patents

Description

基於電化學電容器的液體檢測裝置、方法及紙尿褲

本發明係與一種檢測領域有關，特別是與一種基於電化學電容器的液體檢測裝置、方法及紙尿褲有關。

液體檢測在人們日常生活中會經常接觸到，例如在洗衣機、太陽能熱水器、抽洗機、咖啡壺等家電設備中都需要用到水位檢測、水位控制或水位報警。除此之外，液體檢測還經常用於水濕報警、水浸報警、尿濕指示、尿濕報警，以及空氣相對濕度檢測等。液體檢測通常包括檢測所述液體(例如水)是否存在，存在量的多少，以及液面的高低、濕度的大小等。

目前現有的液體檢測技術主要是基於電阻式及電容式來進行的。請參照第1圖所示，這是習知技術的電阻式水位檢測裝置原理結構示意圖。電阻式水位檢測主要是透過金屬電極檢測水的導電性來實現。圖中10為水溶液，水位高度為L，11、12分別為浸泡於水中的電極，一般採用不鏽金屬來擔當，其中11為陽極，12為陰極。當在陽極11及陰極12之間加上一個電壓時，這個電壓通常會令水發生分解反應而產生電流，透過對所述電流的檢測便可知道電極之間是否有水(或其他包含電解質的液體)的存在。

採用上述電阻式水位檢測方法一般只會知道電極之間是否有水的存在而很難確定水位的高低，因為水的電阻大小與水中包含的電解質(例如水溶性礦物質，或自來水消毒時殘留的氯離子等)有關，電解質含量越高，水的導電能力就越強，這直接影響了水位檢測的精確性。電阻式水位檢測的另一個缺點是水中接通直流電會出現氧化還原電解反應，電解反應會造成陽極的侵蝕並加速水垢在電極上的沉積，令電極老化及污染水質。為了解決這個問題，人們於是提出了電容式的水位檢測方案。

下面請再參照第2圖所示，這是習知技術的電容式水位檢測裝置原理結構示意圖。電容式水位檢測則是對電阻式水位檢測的一個改進，主要是透過浸泡於水中的絕緣電極來實現水位的檢測。圖中20為水溶液，L為水位的高度，21、22為金屬電極，25、26則為覆蓋於金屬電極上的絕緣塗層(通常為絕緣塑膠或橡膠)。由於25、26的存在，金屬電極21、22與水(或其他液體)之間沒有直接的接觸，因而也就不會有水的分解情況發生，金屬電極會因此得到較好的保護，不會出現陽極氧化的情況。圖中，金屬電極21、22之間的電容量與水位L的高低有關，因為水的介電常數比空氣介電常數大，水位越高金屬電極21、22間的電容量就越大。但不管水位多高，金屬電極21、22之間呈現的電容量始終都是很小的(通常在幾皮法到幾百皮法之間)，為了能實施對所述電容的檢測，通常會將金屬電極21、22與一個高頻振盪器電路的輸入端連接，金屬電極21、22間的電容量越小，振盪頻率就越高，透過對振盪頻率的檢測便可知道水位的高低狀況了。

第2圖展示的實際上是一個電介質電容器的結構，金屬電極21、22上覆蓋的絕緣塗層(例如油漆、塑膠、橡膠材料等)25、26，以及金屬電極21、22之間存在的水及空氣都是電介質，這種電介質電容器又稱為非化學電容器(non chemical capacitor)，因為其工作過程中沒有牽涉到化學或電化學的過程。非化學電容器的特點是頻率高、電容量小及無極性。而其最大不足就是電容量太小，特別是在低水位時容易有自激現象的出現，造成系統的不穩定。

上述兩種技術用於紙尿褲的尿濕檢測方面也會面對同樣的問題：電阻式檢測無法檢測尿濕的程度，而電容式檢測對尿濕檢測則很不可靠，因為人體的電容效應會大大干擾檢測的結果。

本發明所要解決的技術問題在於，提供一種使用穩定、測量精確的基於電化學電容器的液體檢測裝置、方法及紙尿褲。

為了解決上述技術問題，本發明提供一種基於電化學電容器的液體檢測裝置，包括：可與待測包含電解質的液體直接接觸的兩個電極；電源裝置，電氣連接在所述電極之間，用於向由所述電極及所述待測液體組成的電化學電容器注入電流，並由此產生一個特定的偏置電壓；以及測量裝置，電氣連接在所述電極之間，用於在所述電源裝置向由所述電極及所述待測液體組成的電化學電容器注入電流的過程中測量所述電極之間在所述特定偏置電壓下的直流電容量，並根據所述電容量的大小判斷所述待測液體是否與所述電極相接觸、接觸面積的大小和/或液位的高低。

本發明還提供一種基於電化學電容器的液體檢測方法，所述電化學電容器由兩個電極及待測包含電解質的液體組成，所述電極均可與所述待測液體直接接觸，所述液體檢測方法包括以下步驟：向所述電極注入電流，並由此產生一個特定的偏置電壓；在向所述電極注入電流的過程中測量所述電極之間在所述特定偏置電壓下的直流電容量；以及根據所述電容量的大小判斷所述待測液體是否與所述電極相接觸、接觸面積的大小和/或液位的高低。

本發明還提供一種基於電化學電容器的尿濕檢測裝置，包括：尿液吸收裝置，用於當發生尿濕時吸收尿液；兩條感應線，設置在所述尿液吸收裝置上，均可與待測尿液直接接觸；電源裝置，電氣連接所述感應線之間，用於向由所述感應線及所述待測尿液組成的電化學電容器注入電流，並由此產生一個特定的偏置電壓；以及測量裝置，電氣連接所述感應線之間，用於在所述電源裝置向由所述感應線及所述待測尿液組成的電化學電容器注入電流的過程中測量所述感應線之間在所述特定偏置電壓下的直流電容量，並根據所述電容量的大小判斷所述感應線區域尿濕狀況。

本發明還提供一種基於電化學電容器的尿濕護理用品，包括：尿液吸收裝置，用於當發生尿濕時吸收尿液，所述尿液吸收裝置包括乾爽層、吸濕層和防漏層；至少兩條感應線，設置在所述尿液吸收裝置上，均可與待測尿液直接接觸；電源輸入端，電氣連接在所述感應線之間，作為向由所述感應線及所述待測尿液組成的電化學電容器注入電流並產生一個特定的偏置電壓的埠；以及電容測量端，電氣連接在所述感應線之間，作為在透過所述電源輸入端向由所述感應線及所述待測尿液組成的電化學電容器注入電流過程中測量所述感應線之間於所述特定偏置電壓下的直流電容量，並根據所述電容量的大小判斷所述感應線區域尿濕狀況的埠。

本發明還提供一種尿濕檢測發訊器，可分離地連接在尿濕護理用品上，所述尿濕檢測發訊器包括：電源裝置，電氣連接所述電源輸入端，用於向由所述感應線及所述待測尿液組成的電化學電容器注入電流，並由此產生一個特定的偏置電壓；以及測量裝置，電氣連接所述電容測量端，用於在所述電源裝置向由所述感應線及所述待測尿液組成的電化學電容器注入電流的過程中測量所述感應線之間在所述特定偏置電壓下的直流電容量，並根據所述電容量的大小判斷所述感應線區域尿濕狀況。

本發明還提供一種基於電化學電容器的一次性紙尿褲，包括乾爽層、吸濕層和防漏層，還包括：至少兩條感應線，每條感應線均可與待測尿液直接接觸；電源輸入端，設置在所述感應線上，作為向由所述感應線及所述待測尿液組成的電化學電容器注入電流並產生一個特定的偏置電壓的埠；以及電容測量端，設置在所述感應線上，作為在透過所述電源輸入端向由所述感應線及所述待測尿液組成的電化學電容器注入電流過程中測量所述感應線之間於所述特定偏置電壓下的直流電容量，並根據所述電容量的大小判斷所述感應線區域尿濕狀況的埠。

本發明所提供的基於電化學電容器的液體檢測裝置、方法及紙尿褲，可實現精確可靠的液體檢測或尿濕檢測或尿濕程度檢測，為相關的應用提供了全新及有效的解決方案。

下面參考附圖對本發明的較佳實施例進行描述。

本發明實施例對液體的檢測基於電化學電容器(electro chemical capacitor)的原理。所謂電化學電容器，在這裏是泛指工作中有電解液參與電容過程的電容器，例如電解電容器、超級電容器等。這些電容器主要由電容的陽極、陰極及電解液組成，並且所述的陽極、陰極直接與電解液相接觸(浸泡於電解液中)，電解液參與了電容器的工作過程，其電容量比同等體積的非電化學電容器要大4~8個數量級，同時電化學電容器只適合工作於直流模式(或低頻交流模式)，與非電化學電容器在材料及工作原理上有實質性區別。

第3圖為本發明實施例基於電化學電容器的液體檢測裝置原理示意圖。如第3圖所示，電解質溶液30(電化學電容之待測液體)在實際應用中可為水溶液(例如水位檢測)，也可以是尿液(例如在尿濕檢測的應用中)，因為水(包括自來水、天然水)或尿液均包含有水溶性電解質，在裝置中可擔當電解液的角色。31為裝置的陽極，32為裝置的陰極，31、32可直接浸泡於液體30之中，從而組成了一個由陽極31、陰極32及電解液30組成的電化學電容器(或簡稱化學電容器)，所述電化學電容器包括電解電容器及雙電層電容器(或稱為超級電容器)。當在電極31、32之間加上一個特定的直流偏置電壓時，31、32與液體30會產生一系列的電化學過程，並會在31、32之間呈現出一個比第2圖所示的傳統電容式裝置(指介質電容裝置)要大得多的電容(電化學電容)效應來，使系統的工作更穩定可靠，同時還可使電極間呈現高直流阻抗特徵，可有效防止電解反應出現及陽極的氧化侵蝕。

下面分別透過第4圖和第5圖以電解電容器和超級電容器為例，說明在本發明實施例中，基於電化學電容器進行液體檢測的原理。

參照第4圖所示，這是本發明實施例基於電解電容器的液體檢測裝置原理示意圖。本實施例以鋁電解質電容器為例，圖中40為電解質液體(待測液體，包括水溶液)，液位高度為L，41為經過陽極氧化處理(化成處理)的鋁電極(作為電解電容器的陽極)，在陽極41上覆蓋有一層金屬氧化膜(氧化鋁)43，所述氧化膜43具有單向導電性，當陽極電壓為正，電解液40電壓為負時，氧化膜具有絕緣性，其可承受的耐壓值與氧化膜的厚度有關，大約為1.2 nm/V，即1.2奈米的厚度可承受約1伏特的電壓，1微米厚度的氧化膜則可承受高達800 V的電壓，在一般情況下，20奈米的厚度已經足夠。

圖中42為液體檢測裝置的陰極，可用任何導電體組成，在實際應用中同樣可用鋁電極，至於是否經過化成處理都沒有關係(如果陰極作了化成處理，則陰極上也會覆蓋上一層氧化鋁膜，但由於陰極的電位為負值，氧化鋁膜的單向導電性不會影響陰極與電解質液體之間的導電性)。陰極42在裝置中的作用是將外部施加的電壓傳遞給電解液40，而電解液40在液體檢測裝置中是實際上的陰極。當在陽極、陰極41、42之間施加一個直流正向偏置電壓時，由於金屬氧化膜43在正向電壓下呈絕緣性，這個電壓便疊加在金屬氧化膜43的兩邊，這時陽極41會產生一個正電荷層46，與正電荷層46相對應的電解液40上會形成一個負電荷層48，本實施例將所述的正、負兩個電荷層簡稱為“雙電層”。

由於這個雙電層的間距非常小(小於1微米)，因此電極41、42間呈現的電容值較第2圖所示的傳統電介質電容式水位檢測的電容值大3~6個數量級，這使得對電極間的電容檢測更容易、更可靠並且不會出現自激現象。同時這個電容量與兩電極的間距無關(只與金屬氧化膜43的厚度有關)，這樣在安裝調試和使用上都會更加方便。

電解電容器的陽極材料主要有金屬鋁及金屬鉭，其對應的金屬氧化膜主要成分是三氧化二鋁及五氧化二鉭。鋁是一種常用金屬，用鋁做電極比較符合成本效益。同時自然狀態下的金屬鋁也有一層氧化膜，這個天然生成的氧化膜的擊穿電壓一般在1.5 V左右，如果電極工作電壓(即施加的特定偏置電壓)低於1.5 V，則所有的鋁材料都可以作陽極來使用，這將大大方便應用。另外如果陰極也作了化成處理，則陰極也可作陽極來使用(這時原來的陽極就自動變為陰極)，這樣應用時就不需要考慮極性的問題，這也會給使用者帶來方便。

請再參照第5圖所示，為本發明實施例基於超級電容器的液位元檢測裝置原理示意圖。圖中50為電解液(待測液體，包括含電解質的水溶液)，液位高度為L，51、52分別為用特殊材料製成的陽極及陰極，當在陽極51及陰極52之間施加一個小於電解液50分解電壓的電壓值(對於水來說是小於1.23 V)，這時電解液50中的正、負離子在電場的作用下會迅速向兩極運動，並分別在兩個電極的表面形成緊密的電荷層，即雙電層(包括陽極側的雙電層56及陰極側的雙電層58)，它所形成的雙電層和傳統電容器中的電介質在電場作用下產生的極化電荷相似，從而產生電容效應，由於緊密的電荷層間距極小(小於1奈米)，從而產生極大的電容量(比常規電介質電容器大4-8個數量級(視乎不同的電極材料及處理工藝))，因此這個電容就被稱為“超級電容”。

對於超級電容(或稱為雙電層電容器)來說，電極材料是重要的，目前常用的超級電容器的電極材料主要有純碳材料、碳複合材料、導電橡膠材料、金屬氧化物以及水合物材料、金屬複合材料、導電聚合物電極材料等，用這些材料製成電極通常有較大的表比面積，因此可以產生更大的電容量。在本發明實施例中，電極之間的電容量在1 μF~1000 μF之間是較合適的，在這種情況下幾乎所有的導電材料(不限於大表比面積的材料)都可以使用，只要控制電極之間的偏置電壓不超過水解電壓既可。例如，在實際應用中，可採用碳性導電油墨(或其他導電油墨)按需要印刷出所需的電極，在這種情況下，每平方釐米表面產生的雙電層電容量大約在幾微法至幾十微法之間，這便可有效滿足本發明實施例的應用要求。

在一般情況下，電解電容器及超級電容器都是有極性的(包括陽極及陰極)，但亦可製作成無極性的電解電容器及雙電層電容器。在無極性電解電容器中，陽極及陰極都做了氧化處理，這樣任一電極既可作為陽極使用，亦可作為陰極使用，這樣會為應用帶來方便。至於雙電層電容器，更可以設計成無極性的，例如可用導電油墨印刷出兩條一模一樣的電極，每個電極既可以作為陽極，亦可作為陰極，這會給實際應用帶來方便。上述關於陽極、陰極的分析可以看作為無極性電容的其中一種特定工作狀態。

實施例一：

下面再請參照第6圖所示，為本發明實施例一基於電化學電容器(包括電解電容器及超級電容器)的液體檢測裝置結構示意圖。圖中63所示為一液體裝載容器，在實際應用中可以為鍋爐、熱水器、洗衣機、咖啡機的水箱，水箱中有電解液(例如水溶液)60。本實施例液體檢測裝置(以基於電解電容器結構為例)包括陽極61、陰極62，電源裝置68以及測量裝置69。陽極61和陰極62浸泡於電解液60之中形成一個電化學電容器。如前所述，本發明實施例中對陽極和陰極的區分並無特殊要求，為方便應用，電化學電容器通常設計為無極性，這樣任一電極既可作為陽極使用，亦可作為陰極使用。在本實施例及後續實施例中，為便於描述，將電極具體稱為陽極或陰極，但應理解的是，這並不能視為是對陽極或陰極的限制。電源裝置68包括有恆流輸出裝置，分別與陽極61及陰極62電氣連接，向由陽極61和陰極62及電解液60組成的電化學電容器注入電流，並由此產生一個特定的偏置電壓。如果電流從陽極61流入並從陰極62流出(即向陽極61注入正向電流)，則產生的特定的偏置電壓為正向偏置電壓，在此正向偏置電壓下，陽極61端的液體介面上將生成一個間距極小的雙電層，陽極61呈現大直流電阻特性。如果電流從陰極62流入並從陽極61流出(即向陽極61注入反向電流，或可視為釋放電流)，則產生的特定的偏置電壓為反向偏置電壓，在此反向偏置電壓下，陰極62端的液體介面上將生成一個間距極小的雙電層，陰極62呈現大直流電阻特性。前述正向或反向電流係針對選定的陽極，由於電極61、62均可作為陽極，因此對於選定61為陽極時：(1)電流從陽極61流入並從陰極62流出即是為陽極61注入正向電流；(2)電流從陰極62流入並從陽極61流出即是為陽極61注入反向電流。對於第(2)種情形，也可以認為相當於選定62為陽極，那麼相對於“陽極62”而言，注入的即是正向電流。當然，注入電流或釋放電流也與正向或反向有關，例如，對陽極61注入正向電流(電流從陽極61流入並從陰極62流出)則相當於從陰極62釋放電流；反之，對陽極61注入反向電流(電流從陰極62流入並從陽極61流出)則相當於從陽極61釋放電流。

在電源裝置68中還包括一個極性控制裝置，用於控制恒流輸出裝置向陽極或陰極輸出正向或反向的恒定電流，使陽極和陰極與所述待測液體組成的電化學電容器的偏置電壓發生變化，以便於電容器電容量的反復測量。作為一種替代，電源裝置68還包括放電裝置，用於為陽極和陰極之間的電容提供放電回路，並透過放電回路調節電容器的偏置電壓，以便於電容器電容量的反復測量。

電氣連接在電極61、62之間的便是測量裝置69，測量裝置69包括電壓測量裝置以及數據處理。為了測試兩電極間的直流電容量，電源裝置68會輸出一個已知的恒定電流對電極間電容進行充電(或放電)，然後測量裝置69便可在充電(或放電)過程中實現兩極間的電容量測量，具體可採用c=q/v=I*t/v=I/(v/t)的測量公式，當電流為一恒定值時，電容量c與電容兩端的電壓變化率(v/t)成反比。在水位檢測的實際應用中，充、放電電流可在0.1 μA~10 mA之間選擇。

本實施例的液體檢測裝置的電極間電容量c還與電解液60的電極接觸面積成正比，也就是與電解液的液位高度L成正比。當圖中的電解液低於L1位置時，電極與電解液之間無接觸，這時電極間的電容量c接近零，測量裝置69測量到的電壓變化率接近無限大；當液位高於L1位置時，兩電極間的電容量幾乎是線性增長的，由此可透過對兩電極間的電容量(或電壓變化率)的測量來判斷液位L的高低。

由於電極間的電容量除與電解液的接觸面積有關之外，還與電極材料及液體中的電解質含量有關，而電極長時間工作時其參數也可能會發生變化(例如受污染、結垢、老化等因素影響)。為了能對電容量c與液位元高度L的關係進行校正，本實施例在電極61、62上均對應設置防液絕緣塗層(例如採用油漆、塑膠、橡膠等材料)，使電極在此處不與電解液直接接觸，其中65為陽極上的絕緣塗層，66為陰極上的絕緣塗層。絕緣塗層65、66具有相同的寬度和相對高度差，並且當待測液體60的液面於絕緣塗層區域間變動時，陽極61和陰極62與待測液體60的實際接觸面積保持不變。可以理解的是，本實施例中絕緣塗層也可單獨設置在陽極61或陰極62上。如圖所示，當液位到達L2位置時兩極間的電容量不會進一步增加(因為電極與電解液的接觸面積沒有增加)，可以透過這個現象判斷液位是否到達L2的位置。這個做法的意義在於可對透過測量裝置69計算得出的液位高度L進行校正，使L的計算值與實際數值相一致，從而使本實施例液體檢測裝置具有自動液體適應能力(適應不同電解質含量的液體)以及時間老化適應能力。如果對結果要求更精確，還可以在陽極61和/或陰極62上分隔設置多段絕緣塗層，使得可以在例如L3、L4位置上對液位進行進一步校正。

第7圖是本發明實施例一中基於電化學電容器的液體檢測裝置液位元/電容關係曲線圖。圖中橫坐標L為液位(或水位)，縱坐標C為陽極及陰極間的電容量。當液位處於L0至L1之間時，由於液體和電極之間並無接觸，因此化學電容不起作用，電極間只有空氣介質電容的存在，由於這個電容量非常小，可忽略不計。當液位上升到L1位置後，電解液開始與電極接觸，並產生化學電容效應，其電容量與液位元成線性比例關係，液位元越高電容量越大。但當液位上升到L2位置時，由於L2覆蓋有防液(防水)絕緣層，液體與電極在這個位置上並無接觸，因此電容量在L2的整個絕緣區間內均無變化，而本實施例液體檢測裝置正是利用這個特性來判斷液位是否處於L2的區間位置。同樣地，液位於L3、L4這兩個絕緣區間內也不會令電極間的電容量發生變化，而在無絕緣層的區間內電容量的變化是呈線性上升的。根據這些特性，本實施例液體檢測裝置可以準確判斷液體處於哪一個電極區間之內。進一步地，本實施例液體檢測裝置還可以利用這個結構特性對電容/液位的關係作進行校正，使液位的測量更加精確及可靠，這個結構原理可自動適應不同水質對電容量的影響，以及可有效消除電極老化對液體測量精度的影響。

至於本實施例中電極材料，均可從前述分別以電解電容器和超級電容器為例，說明在本發明實施例中，基於電化學電容器進行液體檢測的原理時提到的材料中選擇。如果按電解電容器原理為例，則陽極材料選擇可生成單向導電性金屬氧化膜的金屬材料，陰極材料為任意導電體，並且本實施例的特定偏置電壓須小於金屬氧化膜的擊穿電壓。如果按超級電容器原理為例，則陽極和陰極的材料為任意導電材料，其中包括但不限於以下其中一種：碳纖維材料、純碳材料、碳複合材料、碳性導電油墨材料、導電橡膠材料、金屬氧化物以及水合物材料、金屬複合材料、導電聚合物材料，並且本實施例的特定偏置電壓須小於待測液體的分解電壓。

在本實施例的一個實際應用中，電極61、62為碳纖維電極，絕緣塗層絕緣油漆，其的寬度和非絕緣部分的寬度一致，均為2CM，電極上高度L1、L2、L3、L4分別為2CM、5CM、9CM、13CM。在容器63中以恒定速度注入自來水60，並測量電極間的電容C0、C1、C2、C3分別約為0 μF、20 μF、40 μF、60 μF，證明兩電極間的電容量與水位高度基本上成正比的。更換大小不同及性能不同的電極，C的數值會發生變化，數值範圍在1 μF~0.1 F不等，這要比常規介質電容式水位檢測的幾pF到幾百pF電容大4~8次方倍不等。這樣使得電容量的測量更容易，液體的檢測結果更準確。

實施例二：

對應於本發明實施例一的液體檢測裝置，本發明實施例二提供一種基於電化學電容器的液體檢測方法，所述電化學電容器由兩個電極及待測包含電解質的液體組成，所述電極均可與所述待測液體直接接觸，所述液體檢測方法包括以下步驟：向所述電極注入電流，並由此產生一個特定的偏置電壓；在向所述電極注入電流的過程中測量所述電極之間在所述特定偏置電壓下的直流電容量；以及根據所述電容量的大小判斷所述待測液體是否與所述電極相接觸、接觸面積的大小和/或液位的高低。

具體步驟請參照第8圖所示：

步驟S801為設置一個陽極，與包含電解質的液體(待測液體)之間無電介質分隔，可以直接與所述液體相接觸；

步驟S802為設置一個陰極，所述陰極與所述液體之間無電介質分隔，所述陰極可以直接與所述液體相接觸；

步驟S803為將所述的陽極及陰極固定於液體裝載容器之內；

步驟S804為向所述液體裝載容器注入所述液體；

步驟S805為於所述陽極及陰極中注入電流，所述電流從所述陽極流入並從所述陰極流出；

步驟S806為於所述陽極中建立起一個特定的正向偏置電壓，所述偏置電壓的建立是透過對所述陽極注入電流來實現的；

步驟S807為於所述陽極與所述液體的接觸介面上生成一個雙電荷層，其中所述陽極表面生成正電荷層，所述液體介面上生成負電荷層，所述正、負電荷層的間距不超過1微米，令所述陽極具備直流隔離能力並呈現大電容特性，這個雙電層的生成是透過對所述陽極注入電流來實現的；

步驟S808為透過所述電流的注入令所述陽極與陰極之間的電容出現充電效應，並令所述陽極與陰極之間的電壓發生變化；

步驟S809為檢測所述陽極與陰極之間的電壓變化率，並根據所述電壓變化率計算出液位參數；

步驟S810為於所述陽極與陰極中注入反方向電流，或對所述陽極與陰極之間的電容實施放電處理，或等待一段電容自然放電時間，令所述液體檢測功能可以重複進行。

作為對本實施例的進一步改進，請參照第9圖所示，在步驟S801、S802分別設置陽極、陰極時，增加步驟S901，即在陽極或陰極的特定位置上覆蓋絕緣塗層。絕緣塗層可以單獨設置在陽極或陰極上，也可以同時對應設置在陽極和陰極上。絕緣塗層使電極在此處不與電解液直接接觸，並且當電解液的液面於絕緣塗層區域間變動時，陽極和陰極與電解液的實際接觸面積保持不變。

如此，在步驟S809檢測電壓變化率中，進一步包括步驟S902，於所述液體注入過程中連續測量所述陽極與陰極之間的電壓變化率，當所述電壓變化率由大向小發生突變時判斷所述液體到達最低液面位置，當所述電壓變化率不跟隨所述液體的注入而改變時判斷所述液體到達所述絕緣塗層位置；或於所述液體釋放過程中連續測量所述陽極與陰極之間的電壓變化率，當所述電壓變化率不因液體釋放而改變時判斷所述液體處於所述絕緣塗層位置，當所述電壓變化率從小向大發生突變時判斷所述液體到達最低液面位置。

而後增加步驟S903，根據所述於最低液面位置及絕緣層位置對在步驟S809中計算得到的液位參數進行校正。

本實施例中，電流為恒定電流，特定的偏置電壓小於待測液體的分解電壓(當採用超級電容器原理時)，或小於陽極氧化膜的擊穿電壓(當採用電解電容器原理時)，電極特定材料可以為電化學電容器常用的陽極材料，包括以下其中一種材料或其組合：碳纖維材料、純碳材料、碳複合材料、碳性導電油墨材料、導電橡膠材料、金屬氧化物以及水合物材料、金屬複合材料、導電聚合物材料、鋁材料、鉭材料。在本發明實施例中，由於需要的電容量也不需要太大，因此除上述材料之外，幾乎任何導電材料都可以用來構成本實施例的雙電層電容器的電極，包括陽極及陰極。

以上是本發明實施例於液位檢測方面的應用。在實際應用中，本發明實施例還可應用於液體存在檢測及濕度檢測方面，例如檢測牆壁、地面、物體表面或物體裏面是否潮濕或水浸等。在這種情況下，可將檢測所需的陽極、陰極製作成柔軟的薄膜貼於檢測位置上，只要陽極及陰極之間有潮濕便可令兩電極之間的電容發生變化，檢測電容的變化程度便可檢測潮濕的面積或潮濕的程度。在這個應用中，既可以用鋁箔來製作陽極及陰極，也可以採用碳性導電油墨印刷於親水性薄膜(例如高分子聚乙烯醇PVA等)上作為化學電容的陽極及陰極製成濕度感測器以實現濕度的檢測。

實施例三：

請參照第10圖所示，系本發明實施例三基於電化學電容器的濕度感測器的結構示意圖。圖中101、102為濕度感測器的兩條感應線，同時也作為電化學電容器的陽極及陰極，並被配置於親水性薄膜105之上，108則為電源裝置及測量裝置，當感應線101、102之間存在一個潮濕區100時，電源裝置及測量裝置108便可檢測到直流電容的存在，電容越大，則說明潮濕的區域越大，或潮濕的程度越嚴重。

感應線101、102可以是柔軟性的鋁箔材料，也可以採用碳性導電油墨直接印刷於親水性薄膜105之上。為了使感濕效果更好，可以先將親水性薄膜105於電解質液體(例如鹽水)中浸泡然後再曬乾使用，這樣感濕感測器的靈敏度及可靠性會更佳。

如第11圖所示，系本實施例基於電化學電容器的濕度感測器的又一結構示意圖。圖中115為經電解質液體浸泡曬乾的親水性薄膜，111、112為碳性導電油墨於115上印刷的感應線，可作為電化學電容器的陽極及陰極，而透過對111、112之間的直流電容的檢測便可知道115的濕度。由於這個結構的兩個電極間距很小，並且有較大的相對面積，因此感濕靈敏度會更高及更穩定，並可以作為空氣相對濕度檢測之用。與目前現有及最常用的感濕電阻式及交流電容式濕度檢測技術相比，本實施例的直流電容式濕度感測器在濕度檢測上具有更高的靈敏度(特別是於高濕度情況下)，以及更加省電(因為具有高直流電阻及無需振盪式檢測線路)，可作為新一代濕度感應器件來使用。

為了能檢測上述濕度感測器的電容值，與感測器陽極及陰極連接的電源裝置及測量裝置是必不可少的，電源裝置用於為陽極提供一個特定的偏置電壓；而測量裝置則用於在這個特定偏置電壓下測量陽極及陰極間的直流電容量，並根據電容量的大小判斷濕度的高低。

上述的電源裝置一般還包括恒流輸出裝置、極性控制裝置或放電裝置，可對陽極及陰極實施充、放電功能。而測量裝置一般還包括電壓測量裝置，當恒流輸出裝置對陽極及陰極實施充、放電時，電壓測量裝置可得到陽極及陰極間的電壓變化率，這個電壓變化率與陽極及陰極間的電容量成反比，與親水性薄膜的濕度成反比。特定的偏置電壓一般設定小於水的分解電壓，或小於電極金屬氧化膜的擊穿電壓即可。

陽極材料除了鋁箔和碳性導電油墨外，其他電化學電容器的電極材料也是可用的(參前述實施例)，此處不再贅述。至於親水性薄膜可採用高分子膜材料，例如聚乙烯醇(PVA)等。

上述的濕度感測器除可用於潮濕檢測及空氣相對濕度檢測之外，在現實生活中還特別適用於嬰兒、老人的尿濕檢測，在這些應用中尿液是被當作電解液來使用的。如此，濕度感測器則成為一種基於電化學電容器的尿濕檢測裝置，這樣的尿濕檢測裝置包括：尿液吸收物，用於當發生尿濕時吸收尿液；兩條感應線，設置在尿液吸收物上，具體是設在與尿液吸收物相接觸的薄膜上，每條感應線均可作為電化學電容器的陽極或陰極，均可與待測尿液直接接觸；電源裝置，電氣連接在所述感應線之間，用於向由所述感應線及所述待測尿液組成的電化學電容器注入電流，並由此產生一個特定的偏置電壓；測量裝置，電氣連接在所述感應線之間，用於在所述電源裝置向由所述感應線及所述待測尿液組成的電化學電容器注入電流的過程中測量所述感應線之間在所述特定偏置電壓下的直流電容量，並根據所述電容量的大小判斷所述感應線區域尿濕狀況。

實施例四：

結合本發明實施例一、二、三，可將液體檢測(尿濕檢測)技術應用到實際的產品當中，由此本發明實施例四提供一種基於電化學電容器的尿濕護理用品，這種尿濕護理用品可以是廣義上的吸濕用衛生用品，包括尿褲、尿片、紙尿褲、紙尿片、一次性紙尿褲、一次性紙尿片等。

請參照第12圖所示，本發明實施例四基於電化學電容器的尿濕護理用品體現為一次性紙尿褲的外觀示意圖。一次性紙尿褲125(也可以是多次性使用尿褲，或其他吸濕用品)上設置有尿濕感應線121、122，其同時可作為電化學電容器的陽極及陰極來使用。本實施例中，尿濕感應線為121作為陽極，尿濕感應線122作為陰極。這兩條感應線可用柔軟的鋁箔材料來做(組成一個電解電容器)，也可以採用碳性導電油墨於紙尿褲上直接印刷出來(組成一個超級電容器)。

第12圖中尿濕區域120橫跨紙尿褲的陽極121及陰極122，作為電解液的尿液將陽極121、陰極122連在一起，組成了一個廣義的電化學電容器。由於電化學電容器的電容量比傳統電介質電容式檢測的電容量大3~8個數量級(根據不同設置，在121、122間測量到的直流電容可以分別大於1微法、10微法或100微法)，因此可有效消除人體電容效應對尿濕檢測的影響，使檢測精度及可靠性都得到有效的保證，是一種有別於現有尿濕檢測技術的全新的尿濕檢測理論和實踐模式。

第13圖為第12圖所示A-A向截面圖。如圖所示，紙尿褲通常包括乾爽層(也稱為內層)133、吸濕層(也稱為夾層)135和防漏層(也稱為外層)138。乾爽層為紙尿褲的最內層，當使用者尿失禁時，尿液可穿過乾爽層為吸濕層所吸收，從而使乾爽層得以保持乾爽。防漏層可以在吸濕層吸濕能力下降後防止尿液漏出。第12圖中分別作為陽極和陰極的感應線121、122在第13圖中顯示的側剖面標示為131，其被印刷在紙尿褲的防漏層138之上，在實際應用中也可以印刷在紙尿褲的乾爽層133的下麵，總之是能夠與吸濕層135緊密接觸的地方，以提高尿濕檢測的可靠性。

為了能給紙尿褲的陽極及陰極提供一個特定的偏置電壓，以及可以有效測量陽極及陰極之間的直流電容(有別於習知技術的交流電容檢測)，在陽極及陰極尿濕感應線中還必須設置一個電源輸入端及電容測量端，以便與外部的電源裝置及測量裝置實施電氣連接。電源輸入端，電氣連接在所述感應線之間，作為向由所述感應線及所述尿液組成的電化學電容器注入電流並產生一個特定的偏置電壓的埠；電容測量端，電氣連接在所述感應線之間，作為在透過所述電源輸入端向由所述感應線及所述尿液組成的電化學電容器注入電流過程中測量所述感應線之間於所述特定偏置電壓下的直流電容量，並根據所述電容量的大小判斷所述感應線區域尿濕狀況的埠。

電源輸入端及電容測量端在實際應用中可以有各種不同的設計，最簡單的設計是採用一個夾子直接夾在陽極及陰極上面將信號引出以實現所述的功能，在這樣的設計中紙尿褲的電源輸入端及電容測量端就是陽極及陰極本身。如果需要其他電氣連接方式，則要根據所需的方式來設計該電源輸入端及電容測量端，這裏不作詳述。

感應線的寬度設置需要考慮其本身電阻對測量電容量的影響。如果過窄，則其電阻較大，在注入的恒定電流維持不變的情況下，產生的偏置電壓就會增大，有可能出現超過待測尿液分解電壓或金屬箔擊穿電壓，導致檢測結果不準確；而如果減小注入的恒定電流，則充電時間將延長，導致檢測週期過長。另外，感應線的寬窄還和紙尿褲的實際應用相關，如果過窄，電源輸入端及電容測量端不易設置(如採用夾子會因太窄無法有效接觸)；如果過寬，則會消耗更多的感應線材料(例如使用更多的導電油墨)，這會造成不必要的浪費。所以，經反復試驗，在本發明實施例中(包括所有提到感應線的實施例)，感應線的寬度設置為4毫米到10毫米是合適的。

由於紙尿褲具有柔軟性，為了防止陽極及陰極短路，必須採用適當的方法來將電極分開，例如將陽極及陰極分開一定的距離印刷在(或貼在)紙尿褲的防漏層(外層)或乾爽層(內層)上，在這裏將分開陽極及陰極的物體統稱為分隔物，例如第12圖中的128。

由於尿濕護理用品常因尿濕而需更換，而電源裝置及測量裝置則可反復使用，因此本實施例的尿濕護理用品並未將電源裝置及測量裝置包括在內，而是將電源裝置及測量裝置設計為外接裝置，透過電源輸入端及電容測量端分別接入。這樣做的好處在於可以避免不必要的浪費，降低成本，使用也更為方便。在家庭、醫院等護理場所，只用為護理物件配備一套電源裝置及測量裝置，尿濕護理用品作為隨時可更換的消耗品，使用時將二者電氣插接即可。

實施例五：

下面請再參照第14圖所示，為本發明實施例五提供的與如本發明實施例四尿濕護理用品(一次性紙尿褲)配合使用的可分離的尿濕檢測發訊器結構示意圖。圖中140為所述可分離的尿濕檢測發訊器，該發訊器可透過連接機構143與紙尿褲上的陽極感應線141及陰極感應線142電氣連接，亦可透過分離機構145與紙尿褲上的陽極感應線141及陰極感應線142電氣分離。所述感應線141、142的信號在發訊器140內部被進一步與電源裝置146及測量裝置147(亦包括數據處理)電氣連接，其檢測結果(尿濕資料或尿濕報警信號)則最終透過輸出裝置148進行輸出。

在電源裝置146中包括有恆流輸出裝置，可以用於向紙尿褲的陽極141注入(或釋放)電流，並由此產生一個特定的偏置電壓。電源裝置146進一步包括極性控制裝置或放電裝置，其中，極性控制裝置用於控制所述恒流輸出裝置向所述電極輸出正向或反向的恒定電流；放電裝置則用於為所述電極之間的電容提供放電回路，並透過所述放電回路調節所述電容器的偏置電壓。本實施例中，極性控制裝置和放電裝置的目的均是為所述電容器電容量的反復測量提供方便。測量裝置147用於測量由紙尿褲陽極、陰極及尿液組成的化學電容器的電容值，並根據這個電容值來判斷紙尿褲是否被尿濕，以及尿濕的程度。測量裝置147中包括有電壓測量裝置，所述的恒流輸出裝置對紙尿褲陽極及陰極進行充、放電操作時(在實際應用中，紙尿褲的尿濕檢測充放電電流可在50 nA~50 μA之間選擇)，電壓測量裝置可檢測電極間的電壓變化率，檢測到的電壓變化率與紙尿褲陽極及陰極間的電容量成反比，與尿液及電極接觸面積成反比。

實施例六：

如第15圖所示，本發明實施例六提供一種包括尿濕護理用品及可分離的尿濕檢測發訊器的尿濕檢測裝置結構示意圖。圖中155為紙尿褲，151、152為設置於紙尿褲上的陽極及陰極感應線(簡稱陽極及陰極)，150為尿濕區域，而158為可分離的尿濕檢測發訊器，這些結構組成與第12圖~14基本上是一致的。本實施例要表達的是可將基於電化學電容器的尿濕檢測系統分為兩個部分，第一部分包括了前述的陽極、陰極、電源輸入端、電容測量端、尿液吸收物、分隔物等部分，這些部分被稱為尿濕護理用品，包括廣義上的吸濕用衛生用品，例如尿褲、尿片、紙尿褲、紙尿片、一次性紙尿褲、一次性紙尿片，或其他一次性吸濕用衛生用品。而第二部分則包括了可對上述一次性尿濕護理用品的尿濕感應電極施加特定偏置電壓，以及對兩電極間的電容進行充、放電，並在充、放電過程中實施對電容的檢測，並得到尿濕程度的資料，以及將尿濕信號/資料進行輸出的裝置。在本實施例中，第一部分為一次性用品，用後即棄；第二部分為多次性使用，可以與不同的一次性尿濕護理用品配合使用。因此第一部分與第二部分是可以相互組合與分離的，以提高產品使用的靈活性和成本上的經濟性。

實施例七：

下面請再參照第16圖所示，為本發明實施例七基於電化學電容器的尿濕檢測方法流程圖，該方法包括以下步驟：

步驟S161為設置一個陽極，所述陽極由特定材料組成，與尿液之間無電介質分隔，可以直接與所述尿液相接觸；

步驟S162為設置一個陰極，所述陰極與尿液之間無電介質分隔，所述陰極可以直接與所述尿液相接觸；

步驟S163為採用分隔物將所述陽極與陰極進行分隔及固定，防止所述陽極及陰極之間短路；

步驟S164為將尿液吸收物鋪設於所述陽極及陰極上，用於吸收尿液並使所述尿液與所述陽極及陰極具有良好的接觸；

步驟S165為於所述陽極及陰極中注入電流，所述電流從所述陽極流入並從所述陰極流出；

步驟S166為於所述陽極中建立起一個特定偏置電壓，所述特定偏置電壓的建立是透過對所述陽極注入電流來實現的；

步驟S167為於所述陽極與所述尿液的接觸介面上生成一個雙電荷層，其中所述陽極表面生成正電荷層，所述尿液介面上生成負電荷層，所述正、負電荷層的間距不超過1微米，所述陽極在特定偏置電壓下具備直流隔離能力並呈現大電容特性，這個雙電層的生成是透過對所述陽極注入電流來實現的；

步驟S168為透過所述電流的注入令所述陽極與陰極之間的電容出現充電效應，並令所述陽極與陰極之間的電壓發生變化；

步驟S169為檢測所述陽極與陰極之間的電壓變化率，並根據所述電壓變化率判斷所述陽極及陰極之間是否有尿液存在，以及尿濕的程度；

步驟S16A於所述陽極及陰極中注入反方向電流，或對所述陽極及陰極間的電容進行放電處理，或等待一段電容自然放電時間，令所述尿濕檢測功能可以重複進行。

實施例八：

請再參照第17圖所示，這是本發明實施例八基於電化學電容器的尿濕檢測裝置結構示意圖。與第12圖所示實施例四相似，本實施例中，一次性紙尿褲175(也可以是多次性使用尿褲，或其他吸濕用品)上設置有尿濕感應線171、172，其同時可作為電化學電容器的陽極及陰極來使用。本實施例中，尿濕感應線為171作為陽極，尿濕感應線172作為陰極。這兩條感應線可用柔軟的鋁箔材料來做(組成一個電解電容器)，也可以採用碳性導電油墨於紙尿褲上直接印刷出來(組成一個超級電容器)。尿濕感應線171、172設有電源輸入端和電容測量端，分別與數位化尿濕檢測發訊器178相連接而實現前述的尿濕檢測功能。尿濕檢測發訊器178的結構、原理、功能均與實施例五、六相同。本實施例與第12圖所示實施例四不同的是，在第17圖中包括有兩個尿濕區域，分別為170A及170B，170A及170B均橫跨紙尿褲的陽極171及陰極172，作為電解液的尿液可透過所述尿濕區域將陽極、陰極尿濕感應線171、172聯繫起來，組成一個廣義上的化學電容器。

相較於實施例四，本實施例的一次性紙尿褲不但可以實現數位化尿濕程度的檢測，同時還可以實現尿濕位置的檢測。第17圖中170B比170A離尿濕檢測發訊器178更遠，也就是說尿濕檢測發訊器的充電及放電電流要流經更長的尿濕感應線才能到達170B的尿濕位置，由於尿濕感應線本身有電阻(特別是由碳性導電油墨印刷生成的導電感應線)，從尿濕檢測發訊器178端看過去的直流阻抗對不同位置的尿濕是不同的，這就有可能透過對回路電阻的檢測來判斷尿濕的位置。

第18圖所示為本實施例一次性紙尿褲的等效尿濕線路示意圖。圖中C170A、C170B分別為尿濕區域170A、170B於尿濕感應線171、172之間生成的等效尿濕電容(假設其電容量分別為Ca及Cb)，而R171A、R172A分別為尿濕檢測發訊器178與尿濕區域170A之間的尿濕感應線的等效電阻，R171B、R172B分別為尿濕區域170A與尿濕區域170B之間的尿濕感應線的等效電阻。至於尿濕檢測發訊器端與尿濕區域170B間的等效電阻則分別為(R171A+R171B)及(R172A+R172B)。如果以充放電回路的總電阻值來看，則對C170A充放電的回路總電阻為Ra=R171A+R172A，而對C170B充放電的回路總電阻為Rb=R171A+R172A+R171B+R172B。

假設尿濕檢測發訊器178在電容C170A、C170B的初始電壓值為V1時分別對C170A、C170B實施恒流充電操作，以及在電容C170A、C170B初始電壓值為V2時分別對C170A、C170B實施恒流放電操作。假設充放電的電流為I，充放電時間為t，則有計算結果如表一、表二所示：

表一：尿濕檢測發訊器分別對C170A和C170B實施恒流充電的參數及計算結果一覽表

表二：尿濕檢測發訊器分別對C170A和C170B實施恒流放電的參數及計算結果一覽表

從表一、表二中可以看到，不管尿濕發生的區域是170A還是170B，在充、放電時電極兩端產生的電壓變化率與尿濕電容(尿濕面積)成反比而與尿濕位置(回路電阻)無關，但可以透過對尿濕電容充放電瞬間(t=0)的電壓突變值(I*Ra、I*Rb，或-I*Ra、-I*Rb)來計算回路的電阻(Ra、Rb)，然後可根據這個回路電阻計算出尿濕發生的位置資訊，因為尿濕位置(與尿濕檢測發訊器的距離)與回路電阻成正比。

本實施例的一個典型應用如下：尿濕感應線171、172採用碳性導電油墨於PE(聚乙烯)膜上進行凹版印刷而成，其長度為900 mm，寬度為8 mm，由171、172構成的回路總電阻為100K ohm。在實際尿濕測試中，可測量到回路電阻Ra為25K ohm，Rb為75K ohm，C170A(Ca)及C170B(Cb)分別約為100 μF。在實際測試中V1為0V，I採用1 μA恒流，對於尿濕區域107A進行測試的結果為充電瞬間電壓突變值(I*Ra)為25 mV，恒流充電過程中的電壓為25+10*t(mV)，電壓變化率為10 mV/S；而對於尿濕區域107B進行測試的結果為充電瞬間電壓突變值(I*Rb)為75 mV，恒流充電過程中的電壓為75+10*t(mV)，電壓變化率為10 mV/S。根據上述情況可以判斷尿濕區域170A約位於尿濕感應線的25%處，而170B約位於尿濕感應線的75%處，170A與170B的大小相當，尿濕面積約為整個紙尿褲區域的25%。

上述測量的尿濕感應線間的電容量從幾十μF到幾百μF不等。透過更換尿濕感應線的電極材料(根據前述的“電極材料”選擇範圍)及改變其寬度/長度/間距，測量到的電容量可以在1 μF~0.1 F之間變化，這要比常規介質電容式尿濕檢測的幾十pF到幾百pF的電容大3~8次方倍不等。

實施例九：

請再參照第19圖所示，為本發明實施例九基於電化學電容器的尿濕檢測裝置的結構示意圖。圖中193為紙尿褲的乾爽層，195為紙尿褲的吸濕層，198為紙尿褲的防漏層，在防漏層上印刷有兩條尿濕感應線191、192，其中191充當陽極，192充當陰極，尿液190從乾爽層193進入形成乾爽層尿濕區域190A，並進而穿過乾爽層進入吸濕層195形成吸濕層尿濕區域190B，最後透過吸濕層進入防漏層198形成防漏層尿濕區域190C，然後尿濕區域190C與尿濕感應線191、192組成一個可實現尿濕檢測的化學電容器，這些和前述的本發明實施例八的情形是相似的。

與本發明實施例八不同的地方在於，本實施例的乾爽層193上也設置有兩條尿濕感應線，分別為196及197，這兩條感應線也可以與尿濕區域190A組成另外一個化學電容器，在這個化學電容器中196充當電容器的陽極，197充當電容器的陰極，190A中的尿液為電容器的電解液，這樣便可以在紙尿褲的乾爽層193上也實現尿濕程度的檢測。

在同一紙尿褲的不同層上實現尿濕狀況的檢測具有不同的檢測效果和意義。由於尿濕發生的過程是先經過乾爽層進入吸濕層，然後再到達防漏層的，於是在乾爽層上的尿濕檢測便能更快檢測到尿濕的發生。然而在乾爽層上實現尿濕檢測的意義遠不止如此，由於在尿失禁發生過程中乾爽層檢測到的電容量是比較大的(因為尿液直接淋在乾爽層的尿濕感應線上)，而當尿失禁過程結束後，由於吸濕層的作用，尿液被鎖定在吸濕層上，這時乾爽層會變得較為乾爽，因此檢測到的電容量會比尿失禁發生過程中的數值為小。根據這個特點，乾爽層上的尿濕檢測還可以用來實現尿失禁過程的檢測，包括失禁何時發生，失禁歷時的長短，並由此可記錄尿失禁發生的次數、時間及估算排尿量。

除此之外，根據不同層上的尿濕程度檢測還可以得到更多有關紙尿褲狀況的資訊。例如將乾爽層尿濕發生時間、程度與防漏層尿濕發生時間、程度相比較，便可以分析紙尿褲的吸濕能力如何，以及分析排尿量是否已接近或超過了紙尿褲的吸濕能力。例如當乾爽層記錄到尿濕而防漏層檢測不到尿濕時，證明紙尿褲的尿濕狀況輕微；當失禁過程停止後乾爽層的尿濕電容很快由大變小，證明紙尿褲的吸濕能力很強；當尿失禁過程停止後乾爽層的尿濕電容變小速度變慢，並且防漏層開始變得越來越濕時，說明尿液正逐步積累於吸濕層並接近飽和；當乾爽層和防漏層同時變得很濕時，說明紙尿褲的吸尿量已達到或超過了紙尿褲的吸濕能力。上述這些資料對紙尿褲的尿濕情況判斷具有很重要的作用。

在紙尿褲乾爽層上設置尿濕感應線的另一個意義在於實現大便排泄物的檢測。這個檢測的機理是基於大便缺乏流動性，會較長久沾在乾爽層上，使乾爽層的尿濕電容增大並且保持較長的時間，在這種情況下就需要提示護理人員儘早更換紙尿褲了。這個檢測功能對於嬰兒大便檢測更為有效，因為嬰兒的排泄物較為濕潤，更易沾在乾爽層上，出現檢測錯誤的機會也更小。

如果要更準確檢測整個紙尿褲的狀態，還可以在紙尿褲的吸濕層上設置尿濕感應線，及於各層上設置多條(而不僅是兩條)尿濕感應線，以及將不同感應線分別組合來實現更多樣化的尿濕檢測。例如將191作陽極，197作陰極於紙尿褲的乾爽層與防漏層間實現尿濕檢測，以及將196作陽極，192作陰極進行檢測等，不同感應線之間的尿濕檢測具有一些不同的效果及意義。例如，在第19圖中尿液是從乾爽層193透過吸濕層195流向防漏層198的，每兩條感應線之間的電容值有不同的含義。例如196/197呈大電容而191/192呈小電容證明尿只濕了紙尿褲的表面；而如果196/197及191/192之間都呈現大電容，則證明紙尿褲上下都濕透了。另外如果197/191呈大電容而196/192呈小電容，則說明只濕了一邊。要留意的是，在實施例中，每一條尿濕感應線都可以作為電容器的陽極或陰極來使用，當作為陽極使用時，將會對陽極注入正向電流，以此類推。

實施例十：

下面請再參照第20圖所示，本發明實施例十提供一種包括尿濕護理用品及可分離的尿濕檢測發訊器的尿濕檢測裝置結構示意圖。這是對前述第15圖所示實施例六的一個擴展和補充。圖中205為紙尿褲，在205中有複數條尿濕感應線(這裏具體為4條)，尿濕感應線201、202設置於紙尿褲防漏層上，其中201充當陽極，202充當陰極(或反之)。圖中200為尿濕區域，而208為可分離的尿濕檢測發訊器，這些結構組成與前述的第15圖基本上是一致的，可參考第15圖的相關描述。而與第15圖不同的地方是第20圖中除了防漏層上的尿濕感應線201、202之外，還包括了乾爽層上的尿濕感應線206、207，以及在尿濕檢測發訊器中包括有尿濕程度檢測單元、尿濕位置分析單元、大小便判別單元，可實現尿濕程度、尿濕位置的檢測及大小便的判斷，有關功能描述可參考第12圖~19的相關描述。除此之外，第20圖還包括有4個連接端子(作電源輸入端及電容測量端)，分別為201A、206A、202A、207A，可分別與紙尿褲上的4條尿濕感應線201、206、202、207相連接，實現201與202之間，以及206與207之間的尿濕電容檢測。為了使系統具有更強的尿濕檢測功能，208內部還包括有尿濕感應線切換矩陣單元，可以切換任意兩條感應線，供測量裝置測量所述感應線之間的直流電容量，例如防漏層的201與乾爽層的206之間，以及乾爽層的207與防漏層的202之間的尿濕電容等，實現立體化的尿濕檢測功能，使尿濕檢測更為精確及可靠。同樣地，在第20圖中每一條尿濕感應線都可根據需要用作電容器的陽極或陰極來使用。

需要說明的是，在前述本發明各實施例中，“尿濕狀況”為一概括性用語，其包括是否發生尿濕、尿濕發生的時間、尿濕的面積、尿濕的位置、尿濕的程度等各種情形，並且隨裝置的不同結構反映出來的具體尿濕情形也有所不同。例如，在實施例四~七中，尿濕狀況為是否發生尿濕以及尿濕程度；實施例八中尿濕狀況則增加了尿濕位置；實施例九中尿濕狀況更包括尿濕發生的時間及長短、尿濕發生的次數、排尿量等。

雖然本發明已用較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

10、20．．．水溶液

11．．．陽極

12．．．陰極

21、22．．．金屬電極

25、26．．．絕緣塗層

30、40、50、60．．．電解質溶液

31、41、51、61．．．陽極

32、42、52、62．．．陰極

43．．．氧化膜

46．．．正電荷層

48．．．負電荷層

56．．．陽極側的雙電層

58．．．陰極側的雙電層

63．．．液體裝載容器

65．．．陽極上的絕緣塗層

66．．．陰極上的絕緣塗層

68．．．電源裝置

69．．．測量裝置

S801~S810．．．步驟

S901~S903．．．步驟

100．．．潮濕區

101、102．．．感應線

105、115．．．親水性薄膜

108．．．電源裝置及測量裝置

111、112．．．碳性導電油墨

120．．．尿濕區域

121、122．．．尿濕感應線

125．．．一次性紙尿褲

128．．．分隔物

131．．．感應線

133．．．乾爽層

135．．．吸濕層

138．．．防漏層

140．．．尿濕檢測發訊器

141．．．陽極感應線

142．．．陰極感應線

143．．．連接機構

145．．．分離機構

146．．．電源裝置

147．．．測量裝置

148．．．輸出裝置

150．．．尿濕區域

151．．．陽極感應線

152．．．陰極感應線

155．．．紙尿褲

158．．．尿濕檢測發訊器

S161~S169．．．步驟

S16A．．．步驟

170A．．．尿濕區域

170B．．．尿濕區域

C170A、C170B．．．等效尿濕電容

171、172．．．尿濕感應線

175．．．一次性紙尿褲

178．．．尿濕檢測發訊器

R171A、R172A．．．等效電阻

R171B、R172B．．．等效電阻

190．．．尿液

190A．．．乾爽層尿濕區域

190B．．．吸濕層尿濕區域

190C．．．防漏層尿濕區域

191、192．．．尿濕感應線

193．．．乾爽層

195．．．吸濕層

196、197．．．尿濕感應線

198．．．防漏層

200．．．尿濕區域

201、206、202、207．．．尿濕感應線

201A、206A．．．連接端子

202A、207A．．．連接端子

205．．．紙尿褲

206、207．．．乾爽層尿濕感應線

208．．．尿濕檢測發訊器

為了更清楚地說明本發明實施例或習知技術中的技術方案，上面將對實施例或習知技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，上面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對於本發明所屬技術領域中具有通常知識者，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。

第1圖是習知技術的電阻式水位檢測裝置原理示意圖。

第2圖是習知技術的電容式水位檢測裝置原理示意圖。

第3圖是本發明實施例基於電化學電容器的液體檢測裝置原理示意圖。

第4圖是本發明實施例基於電解電容器的液體檢測裝置原理示意圖。

第5圖是本發明實施例基於超級電容器的液體檢測裝置原理示意圖。

第6圖是本發明實施例一基於電化學電容器的液體檢測裝置的結構示意圖。

第7圖是本發明實施例一中基於電化學電容器的液體檢測裝置液位元/電容關係曲線圖。

第8圖是本發明實施例二基於電化學電容器的液體檢測方法的流程示意圖。

第9圖是本發明實施例二基於電化學電容器的液體檢測方法的又一流程示意圖。

第10圖是本發明實施例三基於電化學電容器的濕度感測器的結構示意圖。

第11圖是本發明實施例三基於電化學電容器的濕度感測器的又一結構示意圖。

第12圖是本發明實施例四基於電化學電容器的尿濕護理用品體現為一次性紙尿褲的外觀示意圖。

第13圖是第12圖所示A-A向截面圖。

第14圖是本發明實施例五尿濕檢測發訊器的結構示意圖。

第15圖是本發明實施例六包括尿濕護理用品及可分離的尿濕檢測發訊器的尿濕檢測裝置的結構示意圖。

第16圖是本發明實施例七基於電化學電容器的尿濕檢測方法的流程示意圖。

第17圖是本發明實施例八基於電化學電容器的尿濕檢測裝置的結構示意圖。

第18圖是本發明實施例八中一次性紙尿褲的等效尿濕線路示意圖。

第19圖是本發明實施例九基於電化學電容器的尿濕檢測裝置的結構示意圖。

第20圖是本發明實施例十包括尿濕護理用品及可分離的尿濕檢測發訊器的尿濕檢測裝置的結構示意圖。

200．．．尿濕區域

201、206、202、207．．．尿濕感應線

201A、206A．．．連接端子

202A、207A．．．連接端子

205．．．紙尿褲

206、207．．．乾爽層尿濕感應線

208．．．尿濕檢測發訊器

Claims (50)

1. 一種基於電化學電容器的液體檢測裝置，包括：可與待測包含電解質的液體直接接觸的兩個電極；電源裝置，電氣連接在所述電極之間，用於向由所述電極及所述待測液體組成的電化學電容器注入電流，並由此產生一個特定的偏置電壓；以及測量裝置，電氣連接在所述電極之間，用於在所述電源裝置向由所述電極及所述待測液體組成的電化學電容器注入電流的過程中測量所述電極之間在所述特定偏置電壓下的直流電容量，並根據所述電容量的大小判斷所述待測液體是否與所述電極相接觸、接觸面積的大小和/或液位的高低。
2. 如申請專利範圍第1項所述的液體檢測裝置，其中，作為陽極的電極材料為可生成單向導電性金屬氧化膜的金屬材料，作為陰極的電極材料為導電體，以及所述特定的偏置電壓小於所述金屬氧化膜的擊穿電壓。
3. 如申請專利範圍第2項所述的液體檢測裝置，其中作為陰極的電極材料為可生成單向導電性金屬氧化膜的金屬材料。
4. 如申請專利範圍第2或3項所述的液體檢測裝置，其中所述金屬材料為經過化成處理的鋁或鉭。
5. 如申請專利範圍第1項所述的液體檢測裝置，其中：所述電極的材料均為以下其中一種：碳纖維材料、純碳材料、碳複合材料、碳性導電油墨材料、導電橡膠材料、金屬氧化物以及水合物材料、金屬複合材料、導電聚合物材料；以及所述特定的偏置電壓小於所述待測液體的分解電壓。
6. 如申請專利範圍第1-3項任一項所述的液體檢測裝置，其中所述電極表面設置絕緣塗層，使所包裹的電極部分不與所述待測液體接觸，並且當所述待測液體的液面於所述絕緣塗層區域間變動時，所述電極與所述待測液體的實際接觸面積保持不變。
7. 如申請專利範圍第6項所述的液體檢測裝置，其中所述測量裝置還用於：在所述待測液體注入過程中連續測量所述電極之間的電壓變化率，當所述電壓變化率由大向小發生突變時判斷所述液體到達最低液面位置，當所述電壓變化率不跟隨所述液體的注入而改變時判斷所述液體到達所述絕緣塗層位置；或在所述待測液體釋放過程中連續測量所述電極之間的電壓變化率，當所述電壓變化率不因液體釋放而改變時判斷所述液體處於所述絕緣塗層位置，當所述電壓變化率從小向大發生突變時判斷所述液體到達最低液面位置。
8. 如申請專利範圍第1項所述的液體檢測裝置，其中所述測量裝置進一步包括：電壓測量裝置，用於在所述電源裝置向由所述電極及所述待測液體組成的電化學電容器注入電流的過程中測量所述電極之間的電壓變化率；以及計算裝置，用於根據所述電壓變化率計算所述電極之間在所述特定偏置電壓下的直流電容量。
9. 如申請專利範圍第1項所述的液體檢測裝置，其中所述電源裝置進一步包括恒流輸出裝置，用於向所述電極注入正向或反向的恒定電流。
10. 如申請專利範圍第9項所述的液體檢測裝置，其中所述電源裝置還包括：極性控制裝置，用於控制所述恒流輸出裝置向所述電極注入正向或反向的恒定電流，使由所述電極與所述待測液體組成的電化學電容器的偏置電壓發生變化，以便於所述電容器電容量的反復測量；或放電裝置，用於為所述電極之間的電容提供放電回路，並透過所述放電回路調節所述電容器的偏置電壓，以便於所述電容器電容量的反復測量。
11. 一種基於電化學電容器的液體檢測方法，所述電化學電容器由兩個電極及待測包含電解質的液體組成，所述電極均可與所述待測液體直接接觸，所述液體檢測方法包括以下步驟：向所述電極注入電流，並由此產生一個特定的偏置電壓；在向所述電極注入電流的過程中測量所述電極之間在所述特定偏置電壓下的直流電容量；以及根據所述電容量的大小判斷所述待測液體是否與所述電極相接觸、接觸面積的大小和/或液位的高低。
12. 如申請專利範圍第11項所述的液體檢測方法，其中向所述電極注入電流具體包括：控制電流從作為陽極的電極流入並從作為陰極的電極流出，產生特定的正向偏置電壓；或控制電流從作為陰極的電極流入並從作為陽極的電極流出，產生特定的反向偏置電壓。
13. 如申請專利範圍第11項所述的液體檢測方法，其中在向所述電極注入電流的過程中測量所述電極之間在所述特定偏置電壓下的直流電容量具體包括：在向所述電極注入電流的過程中測量所述電極之間在所述特定偏置電壓下的電壓變化率；以及根據所述電壓變化率計算所述直流電容量。
14. 如申請專利範圍第11項所述的液體檢測方法，其中還包括步驟：向所述電極注入反方向電流，或對所述電極之間的電容實施放電處理，或等待一段電容自然放電時間，使所述液體檢測方法可以重複進行。
15. 如申請專利範圍第11項所述的液體檢測方法，其中還包括步驟：在所述電極上設置絕緣塗層，使所包裹的電極部分不與所述待測液體接觸，並且當所述待測液體的液面於所述絕緣塗層區域間變動時，所述電極與所述待測液體的實際接觸面積保持不變。
16. 如申請專利範圍第15項所述的液體檢測方法，其中還包括步驟：於所述液體注入過程中連續測量所述電極之間的電壓變化率，當所述電壓變化率由大向小發生突變時判斷所述液體到達最低液面位置，當所述電壓變化率不跟隨所述液體的注入而改變時判斷所述液體到達所述絕緣塗層位置；或於所述液體釋放過程中連續測量所述電極之間的電壓變化率，當所述電壓變化率不因液體釋放而改變時判斷所述液體處於所述絕緣塗層位置，當所述電壓變化率從小向大發生突變時判斷所述液體到達最低液面位置。
17. 一種基於電化學電容器的尿濕檢測裝置，包括：尿液吸收裝置，用於當發生尿濕時吸收尿液；兩條感應線，設置在所述尿液吸收裝置上，均可與待測尿液直接接觸；電源裝置，電氣連接所述感應線之間，用於向由所述感應線及所述待測尿液組成的電化學電容器注入電流，並由此產生一個特定的偏置電壓；以及測量裝置，電氣連接所述感應線之間，用於在所述電源裝置向由所述感應線及所述待測尿液組成的電化學電容器注入電流的過程中測量所述感應線之間在所述特定偏置電壓下的直流電容量，並根據所述電容量的大小判斷所述感應線區域尿濕狀況。
18. 如申請專利範圍第17項所述的尿濕檢測裝置，其中：所述作為陽極的感應線材料為可生成單向導電性金屬氧化膜的柔性金屬箔材料；所述作為陰極的感應線材料為導電體；以及所述特定的偏置電壓小於所述金屬氧化膜的擊穿電壓。
19. 如申請專利範圍第18項所述的尿濕檢測裝置，其中所述作為陰極的感應線材料為可生成單向導電性金屬氧化膜的柔性金屬箔材料。
20. 如申請專利範圍第18或19項所述的尿濕檢測裝置，其中所述柔性金屬箔材料為柔性鋁箔或柔性鉭箔。
21. 如申請專利範圍第17項所述的尿濕檢測裝置，其中：所述感應線的材料為以下其中一種：碳纖維材料、純碳材料、碳複合材料、碳性導電油墨材料、導電橡膠材料、金屬氧化物以及水合物材料、金屬複合材料、導電聚合物材料；以及所述特定的偏置電壓小於所述待測尿液的分解電壓。
22. 如申請專利範圍第17項所述的尿濕檢測裝置，其中所述電源裝置進一步包括恒流輸出裝置，用於向所述感應線注入正向或反向的恒定電流。
23. 如申請專利範圍第22項所述的尿濕檢測裝置，其中所述電源裝置還包括：極性控制裝置，用於控制所述恒流輸出裝置向所述感應線注入正向或反向的恒定電流，使由所述感應線與所述待測液體組成的電化學電容器的偏置電壓發生變化，以便於所述電容器電容量的反復測量；或放電裝置，用於為所述感應線之間的電容提供放電回路，並透過所述放電回路調節所述電容器的偏置電壓，以便於所述電容器電容量的反復測量。
24. 如申請專利範圍第17項所述的尿濕檢測裝置，其中所述測量裝置進一步包括：電壓測量裝置，用於在所述電源裝置向由所述感應線及所述待測液體組成的電化學電容器注入電流的過程中測量所述感應線之間的電壓變化率；以及計算裝置，用於根據所述電壓變化率計算所述感應線之間在所述特定偏置電壓下的直流電容量。
25. 如申請專利範圍第17項所述的尿濕檢測裝置，還包括：連接機構，用於使所述電源裝置及測量裝置與所述感應線電氣連接；以及分離機構，用於使所述電源裝置及測量裝置與所述感應線電氣分離。
26. 一種基於電化學電容器的尿濕護理用品，包括：尿液吸收裝置，用於當發生尿濕時吸收尿液，所述尿液吸收裝置包括乾爽層、吸濕層和防漏層；至少兩條感應線，設置在所述尿液吸收裝置上，均可與待測尿液直接接觸；電源輸入端，電氣連接在所述感應線之間，作為向由所述感應線及所述待測尿液組成的電化學電容器注入電流並產生一個特定的偏置電壓的埠；以及電容測量端，電氣連接在所述感應線之間，作為在透過所述電源輸入端向由所述感應線及所述待測尿液組成的電化學電容器注入電流過程中測量所述感應線之間於所述特定偏置電壓下的直流電容量，並根據所述電容量的大小判斷所述感應線區域尿濕狀況的埠。
27. 如申請專利範圍第26項所述的尿濕護理用品，其中所述感應線的材料為柔性鋁箔，所述特定偏置電壓小於所述柔性鋁箔經化成處理生成的氧化膜的擊穿電壓。
28. 如申請專利範圍第26項所述的尿濕護理用品，其中所述感應線的材料為碳性導電油墨，所述特定偏置電壓小於所述尿液的分解電壓。
29. 如申請專利範圍第26項所述的尿濕護理用品，其中所述感應線均設置在所述乾爽層、吸濕層和防漏層中的同一層上。
30. 如申請專利範圍第26項所述的尿濕護理用品，其中所述感應線為四條，其中兩條設置在所述乾爽層上，另兩條設置在所述防漏層上。
31. 如申請專利範圍第26項所述的尿濕護理用品，其中所述感應線中至少有一條與其餘感應線分別設置在所述乾爽層、吸濕層和防漏層中的不同層上。
32. 如申請專利範圍第26項所述的尿濕護理用品，其中所述作為陽極和陰極的感應線之間設置有分隔物，用以防止所述感應線之間發生短路。
33. 如申請專利範圍第26-32項任一項所述的尿濕護理用品，其中所述尿液吸收裝置為紙尿褲、紙尿片或紙尿墊。
34. 一種尿濕檢測發訊器，其可分離地連接在如申請專利範圍第26-32項任一項所述的尿濕護理用品上，所述尿濕檢測發訊器包括：電源裝置，電氣連接所述電源輸入端，用於向由所述感應線及所述待測尿液組成的電化學電容器注入電流，並由此產生一個特定的偏置電壓；以及測量裝置，電氣連接所述電容測量端，用於在所述電源裝置向由所述感應線及所述待測尿液組成的電化學電容器注入電流的過程中測量所述感應線之間在所述特定偏置電壓下的直流電容量，並根據所述電容量的大小判斷所述感應線區域尿濕狀況。
35. 如申請專利範圍第34項所述的尿濕檢測發訊器，其中所述電源裝置進一步包括恒流輸出裝置，用於向所述感應線注入正向或反向的恒定電流。
36. 如申請專利範圍第35項所述的尿濕檢測發訊器，其中所述電源裝置還包括：極性控制裝置，用於控制所述恒流輸出裝置向所述感應線注入正向或反向的恒定電流，使所述感應線與所述待測液體組成的電化學電容器的偏置電壓發生變化，以便於所述電容器電容量的反復測量；或放電裝置，用於為所述感應線之間的電容提供放電回路，並透過所述放電回路調節所述電容器的偏置電壓，以便於所述電容器電容量的反復測量。
37. 如申請專利範圍第34項所述的尿濕檢測發訊器，其中所述測量裝置進一步包括：電壓測量裝置，用於在所述電源裝置向由所述感應線及所述待測液體組成的電化學電容器注入電流的過程中測量所述感應線之間的電壓變化率；以及計算裝置，用於根據所述電壓變化率計算所述感應線之間在所述特定偏置電壓下的直流電容量。
38. 如申請專利範圍第34項所述的尿濕檢測發訊器，還包括：連接機構，用於使所述電源裝置及測量裝置與所述感應線電氣連接；以及分離機構，用於使所述電源裝置及測量裝置與所述感應線電氣分離。
39. 如申請專利範圍第34項所述的尿濕檢測發訊器，還包括輸出裝置，用於輸出尿濕狀況的檢測結果。
40. 如申請專利範圍第34項所述的尿濕檢測發訊器，其中還包括感應線切換單元，用於切換任意兩條感應線，供所述測量裝置測量所述感應線之間的直流電容量。
41. 一種基於電化學電容器的紙尿褲，包括乾爽層、吸濕層和防漏層，其中還包括：至少兩條感應線，每條感應線均可與待測尿液直接接觸；電源輸入端，設置在所述感應線上，作為向由所述感應線及所述待測尿液組成的電化學電容器注入電流並產生一個特定的偏置電壓的埠；以及電容測量端，設置在所述感應線上，作為在透過所述電源輸入端向由所述感應線及所述待測尿液組成的電化學電容器注入電流過程中測量所述感應線之間於所述特定偏置電壓下的直流電容量，並根據所述電容量的大小判斷所述感應線區域尿濕狀況的埠。
42. 如申請專利範圍第41項所述的紙尿褲，其中所述感應線均設置在所述乾爽層、吸濕層和防漏層中的同一層上。
43. 如申請專利範圍第41項所述的紙尿褲，其中所述感應線為四條，其中兩條設置在所述乾爽層上，另兩條設置在所述防漏層上。
44. 如申請專利範圍第41項所述的紙尿褲，其中所述感應線中至少有一條與其餘感應線分別設置在所述乾爽層、吸濕層和防漏層中的不同層上。
45. 如申請專利範圍第41項所述的紙尿褲，其中所述感應線之間設置有分隔物，用以防止所述感應線之間發生短路。
46. 如申請專利範圍第41項所述的紙尿褲，其中所述感應線之間的直流電容量大於1微法。
47. 如申請專利範圍第46項所述的紙尿褲，其中所述感應線之間的直流電容量大於10微法。
48. 如申請專利範圍第47項所述的紙尿褲，其中所述感應線之間的直流電容量大於100微法。
49. 如申請專利範圍第41項所述的紙尿褲，其中所述感應線的材料為碳性導電油墨，所述特定的偏置電壓小於所述待測尿液的分解電壓。
50. 如申請專利範圍第41~49項任一項所述的紙尿褲，其中所述感應線的寬度為4毫米到10毫米。