本技术公开了一种水中溶解氢气传感器及其制备方法,水中溶解氢气传感器包括PI柔性基板、两个氢敏芯片,氢敏芯片包括基底、设置在基底上的多个电化学特性相同的氢敏电阻元件、金属电极凸点,两个氢敏芯片的氢敏电阻元件组成惠斯通电桥结构;PI柔性基板部分开孔,两个氢敏芯片分别倒装连接在PI柔性基板开孔和未开孔处,金属电极凸点与PI柔性基板连接;两个氢敏芯片的背面及其周围喷涂密封胶,PI柔性基板开孔处的氢敏芯片的正面及其周围依次喷涂纳米氧化铝颗粒层和石墨烯层,PI柔性基板未开孔处的氢敏芯片位于PI柔性基板和密封胶之间的密闭腔室内。本发明的水中溶解氢气传感器结构简单,具有优良的疏水性能,较好的绝缘性,能在水中长期稳定工作。
背景技术
氢气是主要的工业原料,也是最重要的工业气体和特种气体,在石化、冶金、半导体以及电力行业有着广泛的应用。
与常规气体相比,氢气有着很多不利于安全的属性。氢气在空气中的爆炸范围更宽4%~75%vol、着火能更低(0.019mJ)、更容易泄漏、更高的火焰传播速度等,因此使用氢气传感器对氢气使用环境中的氢气浓度和泄漏进行监测已经非常广泛。但是在一些特殊工业领域,对氢气的检测不全是气体的形式,还有变压器油中溶解氢气和水中溶解氢气等。因为变压器油具有一定的电绝缘特性,因此用钯合金薄膜电阻直接测量油中溶解氢气浓度是可行的,且近年来已大量运用于电力行业。然而水具有弱导电性,常规的氢气传感器均无法直接插在水中对氢气浓度进行直接测量。
大型发电机定冷水含氢量高,会使发电机绝缘材料老化,严重影响绝缘性能,容易导致机器短路甚至断电;另外高含氢量冷却水中溢出和聚集的含氢气体在机器内部容易产生电晕放电,造成电机故障,甚至会导致电机烧毁。含氢气体还对接触点的机械强度以及导电性能会产生不良影响,容易导致电弧灼伤,加剧设备故障。因此发电机对其定冷水中溶解氢气浓度的检测和趋势监测要求非常高,而目前行业均采用定期取水样实验室离线检测的方式。这种检测方式时间长,步骤多,且无法实现实时连续监测,因此在测量精度和时效性上存在着一定的短板。另外,因为氢气在水中的溶解度非常低,因此对检测技术的灵敏度和测量精度也有着较高的要求。
专利申请CN116380986A提出一种纯水中溶解氢气和电阻率测量装置,利用钯合金氢气传感器来直接检测水中溶解氢气浓度,该传感器芯片集成了加热器和温度传感器。氢气传感器芯片表面没有制备隔离纯水的装置,而芯片的氢敏电阻和加热器等工作都具有较大的电流,且水是一种导电介质,当传感器芯片长期处于纯水中工作时,其较差的电绝缘性能会导致传感器损坏,该专利申请并未详细阐述其解决氢气传感器芯片在水中工作时的绝缘防护方法。
专利申请CN102037349A提出在固态传感器表面使用“分子堆栈”的沉积技术制备聚四氟乙烯和氧化铝的复合涂层,利用聚四氟乙烯的疏水性能和氧化铝的抑制氧的性能,使得传感器能实现水/氧分子的渗透。“分子堆栈”等的沉积技术制备的聚四氟乙烯厚度有限,且聚四氟乙烯非超疏水性,只能作为短期隔离水汽使用,若长时间浸泡在水或者水汽中,水依然可以部分或完全渗透,导致传感器工作异常,甚至损坏。
实现思路