柔性电化学溶解氧传感器及其制备方法

本发明涉及传感器，尤其涉及一种柔性电化学溶解氧传感器及其制备方法。

背景技术：

1、溶解氧是指水体中游离氧含量，它是水体指标的参数之一，广泛应用于环境监测、水产养殖以及水处理等领域。溶解氧的含量决定了水生生物的生存与发育，溶解氧含量过低将导致水生生物的死亡，过高则会致使幼鱼产生气泡病，甚至导致死亡。

2、电化学溶解氧传感器是通过氧气在电极上的氧化还原反应实现对溶解氧含量的测量，其通常由反应电极、透氧膜和电解液组成。反应电极主要为金、银、铂等金属，透氧膜主要为聚四氟乙烯、聚氯乙烯、硅氧烷及硅胶等，电解液主要为氯化钾或氯化钾/氢氧化钾混合溶液。

3、现有的溶解氧传感器多使用硬质的金属电极制造而成，而采用丝网印刷或溅射等工艺制成的传感器也多使用较为硬质的基底材料。传统的金属电极-电解液传感器为刚性结构，虽然现有的覆膜传感器可以避免传统金属电极的使用，但其使用寿命较短，精度有限，受干扰影响比较严重，并且覆膜金属电极在水体的长时间冲刷下容易脱落，从而造成传感器的失效。

技术实现思路

1、本发明提供一种柔性电化学溶解氧传感器及其制备方法，用以解决相关技术中溶解氧传感器大多为硬质的刚性结构、测量精度有限，且覆膜金属电极在水体的长时间冲刷下容易脱落，从而造成传感器的易失效的问题。

2、本发明提供一种柔性电化学溶解氧传感器，包括柔性基底、反应电极、电解液、溶解氧透过膜、温度传感元件以及信号采集电路，其中，所述柔性基底包括阵列式结构的若干个空腔，所述电解液充满各所述空腔内部，所述反应电极内封装于各所述空腔内部，所述空腔的一侧开口通过柔性材料密封，另一侧开口封盖有所述溶解氧透过膜，以使溶解氧透过所述溶解氧透过膜与所述空腔内的所述反应电极及所述电解液发生电化学反应，所述信号采集电路包括溶解氧电极信号子电路与温度传感元件信号子电路，各所述空腔内部的所述反应电极与所述溶解氧电极信号子电路连接，所述温度传感元件与所述温度传感元件信号子电路连接，所述信号采集电路用于采集所有的所述空腔内发生的电化学反应时的反应电流及所述温度传感元件所测得的环境温度。

3、根据本发明提供的柔性电化学溶解氧传感器，所述柔性基底包括上层封装衬体与下层封装衬体，所述反应电极内封于所述上层封装衬体的腔体内部，所述上层封装衬体的腔体上侧开口通过所述柔性材料密封，所述上层封装衬体的腔体下侧开口封盖所述溶解氧透过膜，并与所述下层封装衬体的腔体上侧开口一一对应粘贴，所述温度传感元件粘贴在所述上层封装衬体的表面，并被所述柔性材料包裹密封，所述温度传感元件的引线与所述温度传感元件信号子电路连接。

4、根据本发明提供的柔性电化学溶解氧传感器，所述反应电极包括反应部分与引线连接部分，所述反应部分内封于所述上层封装衬体的腔体内部，并与腔体内部的电解液进行电化学反应，所述引线连接部分设于腔体外部并通过柔性材料包裹后与所述溶解氧电极信号子电路连接。

5、根据本发明提供的柔性电化学溶解氧传感器，所述反应电极包括反应阳极与反应阴极，所述反应阳极的反应部分与所述反应阴极的反应部分分别粘贴于所述上层封装衬体的腔体内壁两侧，所述反应阳极的引线连接部分与所述溶解氧电极信号子电路的阳极总线连接，所述反应阴极的引线连接部分与所述溶解氧电极信号子电路的阴极总线连接。

6、根据本发明提供的柔性电化学溶解氧传感器，所述柔性基底是基于所述柔性材料制作而成，所述柔性材料包括聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺及聚对苯二甲酸乙二醇酯中的任意一种。

7、本发明还提供一种应用于上述柔性电化学溶解氧传感器的柔性电化学溶解氧传感器的制备方法，所述制备方法包括：

8、在柔性薄膜基底上制备出反应电极；

9、将柔性混合液浇筑于预先制备好的阵列式的空腔结构模具中，经过脱气、烘干以及翻模后，制备得到包括若干个空腔的柔性基底，所述柔性混合液是将柔性材料与固化剂按照预设比例混合后得到的；

10、将所述反应电极粘贴于各所述空腔内部；

11、在粘贴好所述反应电极后的各所述空腔的一侧开口封装一层柔性材料，并在封装好的所述柔性基底的空腔内注满电解液后，在各所述空腔的另一侧开口封盖溶解氧透过膜；

12、将各所述空腔内部的所述反应电极与信号采集电路的溶解氧电极信号子电路连接起来，将温度传感元件粘贴在所述柔性基底的表面，并使用所述柔性材料将所述温度传感元件包裹密封后，将所述温度传感元件的引线与所述信号采集电路的温度传感元件信号子电路连接起来，得到制备好的柔性电化学溶解氧传感器。

13、根据本发明提供的制备方法，所述反应电极包括反应阳极与反应阴极，所述在柔性薄膜基底上制备出反应电极包括：

14、在柔性材料薄膜上制作出阵列式的若干个相等尺寸的反应阳极的反应部分，并在各所述反应阳极的反应部分的一端粘贴制备好的反应阳极的引线连接部分，得到制备好的反应阳极；

15、在所述柔性材料薄膜上制作出阵列式的若干个相等尺寸的反应阴极，所述反应阴极包括分别位于两端的反应阴极的引线连接部分与反应阴极的反应部分，以及位于所述反应阴极的引线连接部分与所述反应阴极的反应部分之间的绝缘部分。

16、根据本发明提供的制备方法，所述制备方法还包括：

17、分别将所述反应阳极的引线连接部分与所述反应阴极的引线连接部分与柔性连接线焊接，并使用所述柔性混合液浇筑所述引线连接部分与柔性连接线的焊接部分；

18、分别将经过所述柔性连接线引出的各所述空腔内的所述反应阳极的引线连接部分与各所述空腔内的所述反应阴极的引线连接部分使用柔性线路连接到所述溶解氧电极信号子电路。

19、根据本发明提供的制备方法，所述柔性基底包括具备阵列式的空腔结构的上层封装衬体，所述在粘贴好所述反应电极后的各所述空腔的一侧开口封装一层柔性材料，包括：

20、将粘贴好反应阳极与反应阴极后的上层封装衬体置于所述阵列式的空腔结构模具中，在所述上层封装衬体中的各所述空腔内填充满隔绝物质；

21、将所述柔性混合液浇筑于所述阵列式的空腔结构模具中，经过脱气、烘干以及翻模后，使所述上层封装衬体的顶部封装一层柔性材料。

22、根据本发明提供的制备方法，所述柔性基底还包括具备阵列式的空腔结构的下层封装衬体，所述在封装好的所述柔性基底的空腔内注满电解液后，在各所述空腔的另一侧开口封盖溶解氧透过膜，包括：

23、在所述上层封装衬体的各所述空腔内注满电解液，并在各所述空腔中的电解液上方封盖上溶解氧透过膜；

24、将所述下层封装衬体覆盖在所述上层封装衬体的溶解氧透过膜上，并使用所述柔性混合液将所述下层封装衬体、所述溶解氧透过膜以及所述上层封装衬体粘贴，所述下层封装衬体的空腔与所述上层封装衬体的空腔一一对应。

25、本发明提供的柔性电化学溶解氧传感器及其制备方法，通过使用柔性基底，使得传感器具备柔性和可穿戴的功能，且柔性基底包括阵列式结构的若干个空腔，电解液充满各所述空腔内部，反应电极内封装于各空腔内部，空腔的一侧开口通过柔性材料密封，另一侧开口封盖有溶解氧透过膜，以使溶解氧透过该溶解氧透过膜与空腔内的反应电极及电解液发生电化学反应，信号采集电路包括溶解氧电极信号子电路与温度传感元件信号子电路，各空腔内部的反应电极与溶解氧电极信号子电路连接，温度传感元件与温度传感元件信号子电路连接，信号采集电路用于采集所有的空腔内发生的电化学反应时的反应电流及温度传感元件所测得的环境温度，本发明的柔性电化学溶解氧传感器为阵列式结构，每个空腔(即传感单元)内的反应电极汇聚在信号采集电路的溶解氧电极信号子电路上，如此通过多个空腔(即传感单元)中反应电流的叠加，可实现更低浓度和更高精度的溶解氧浓度测量，另外本发明中的柔性电化学溶解氧传感器中的反应电极通过采用内封的方式可以有效避免外部流水冲刷导致的电极脱落问题，此外发明的柔性电化学溶解氧传感器中设置的温度传感元件可用于实时获得传感器周围环境的温度信息，以便于根据环境温度对溶解氧浓度进行更精确地分析。