CN104245042A - 传感器阵列 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种传感器组件，该传感器组件具有基底，该基底具有第一表面和与第一表面相对的第二表面，至少一个分析物传感器位于基底的第一表面和第二表面中的至少一个上，位于基底上的至少一个电触点与至少一个分析物传感器中相对应的一个电连通。基底构造成限定具有内表面和外表面的管。基底的第一表面的至少一部分限定管的内表面，至少一个分析物传感器设置在管的内表面和外表面中的至少一个上。

Description

传感器阵列

参考引用

2012年4月23日提交的序列号为61/636840的美国临时专利申请的整体以引用的方式被结合到本文。

技术领域

本文公开以及要求保护的发明构思总体涉及用于执行流体诊断测试的系统和方法，更具体涉及但是不限于具有电化学传感器的传感器组件以及制造传感器组件的方法，其中，这些电化学传感器用于在采用低体积样本的流体诊断测试中同时测量多个参数。

背景技术

在化学以及医学中使用生物传感器阵列以确定生物学分析物的存在和浓度。例如，通过对于从病人的感染物、体液或脓疮取得的液体样本进行分析可以执行与病人分析和治疗相关的各种类型的分析测试。常见测试的体液包括尿液、血液、血浆、唾液、脑脊液、胸膜液、鼻咽物质等。血液样本例如被例行分析以获得CO₂和O₂的局部压力和血液中电解质和代谢物的浓度的测量值。

当前存在多种不同的分析器，采用刚性层传感器组件和电路进行这样的测量。这样的传感器组件被用于通过主要的临床指征，例如通过监测pCO₂, pO₂, pH, Na⁺, K⁺, Ca²⁺, Cl^-、葡萄糖、乳酸盐和血红素的值来估算医疗病人的状况。由于很多病人被测试的这种频率，期望能够使用小的样本尺寸来执行分析。加护病房中的病人可能要求每天15-20次的采样频率，以用于血液气体和临床化学测量。在这些情况下，由于在相对短的时间段内取得比较大量的样本，因此分析小的血液样本是所期望的。另外，为了限制所执行测试的数量，期望每次测试收集尽可能多的信息。

一些现有技术的分析器包括传感器阵列，该传感器阵列自身限定了流通道的一个壁。使用结合到包含传感器构件的壁的诸如模制塑料的第二材料来产生流体路径。用于流体分析的其它生物传感器组件包括多个基底，这些基底带有位于其间的间隔件，用于提供流体路径。

采用间隔件的传感器组件通常具有设置在一个或两个板状表面上的传感器。当与位于其间的间隔件结合时，两个基底被定位成使得支撑传感器的基底的表面彼此相对。位于其间的间隔件可以提供并且限定用于流体样本的基本上直的流通道，或者可以将流从传感器重新定向至设置在附接基底的内表面周围的传感器。一种低体积的多分析物分析器使用带有压敏粘合剂（PSA）的粘合剂层，以便在两组相对的传感器之间提供和限定流路径。PSA膜适用于刚性基底。

当前系统的一个问题在于，为了降低样本体积要求，流通道横截面和/或长度必须被降低，而这可能限制传感器膜横截面及其总体积。需要经济型的生物传感器阵列，其能够增加传感器数量，同时维持或降低样本体积要求。本发明公开的发明构思与这样的装置和方法有关。

发明内容

本文公开和要求保护的发明构思总体涉及传感器组件。传感器组件具有基底，该基底具有第一表面和与第一表面相对的第二表面，至少一个分析物传感器位于基底的第一表面和第二表面中的至少一个上，位于基底上的至少一个电触点与至少一个分析物传感器中相对应的一个电连通。基底构造成限定具有内表面和外表面的管。基底的第一表面的至少一部分限定管的内表面，至少一个分析物传感器设置在管的内表面和外表面中的至少一个上。

附图说明

附图中相同的参考标号代表和指代相同或相似的元件或功能。当考虑以下详细说明书时，可以更好地理解本公开的实施。这样的说明书参考附加的图片表示、示意图、图表和图纸。附图不一定是按照比例，为了清楚和简洁，某些特征和附图的某些视图可以扩大、按照比例或者示意性地示出。在附图中：

图1是根据本文公开的发明构思所构造的传感器组件的透视图。

图2是如图1所构造的基底的一部分的平面视图。

图3为沿着图1中的线3-3所取得的截面图。

图4是根据本文公开的发明构思所构造的传感器组件的另一实施例的透视图。

图5是如图4所构造的基底的一部分的平面视图。

图6为沿着图4中的线6-6所取得的截面图。

图7是根据本文公开的发明构思所构造的传感器组件的一个实施例的截面图。

图8是根据本文公开的发明构思所构造的传感器组件的另一个实施例的截面图。

图9是传感器组件的透视图，示出了在两个端部上的盖。

图10为示出了流体输送到传感器组件的透视图。

图11是根据本文公开的发明构思所构造的传感器组件的另一实施例的透视图。

图12是根据本文公开的发明构思所构造的传感器组件的又一实施例的截面图。

具体实施方式

在详细解释本文公开的发明构思的至少一个实施例之前，应该懂得，发明构思在其应用中不限于在以下说明书中阐明或者在附图中示出的构造、实验、示例性数据、和/或构件的布置的细节。当前公开和要求保护的发明构思能够用于其它实施例或者能够以各种方式被实践或实施。并且，还应该懂得，本文采用的措辞和术语仅是为了描述，而不应被认为以任何方式进行限定。

在对发明构思的实施例的以下详细描述中，阐述了多个特定细节，以便提供对发明构思的更为彻底的理解。然而，本领域技术人员清楚的是，本公开之内的发明构思可以在没有这些特定细节的情况下实施。在其它情况下，熟知的特征不再进行详细描述，以避免使本公开不必要地变复杂。

另外，除非明确指出，否则“或”指的是包含在内的或，而不是排他性的或。例如，通过以下的任意一个满足条件A或B：A为真（或存在）并且B为假（或不存在），A为假（或不存在）并且B为真（或存在），以及A和B都为真（或存在）。

此外，使用“一”或“一个”是为了描述本文实施例的元件和构件。这仅是为了方便并且给出发明构思的一般含义而为之。该描述应该被认为是包括一个或至少一个，并且单数还包括复数，除非显然不是这个意思。

最后，如本文中所用，任何提到的“一个实施例”或“一实施例”意味着结合实施例描述的特定元件、特征、结构、或特性包括在至少一个实施例中。在说明书各个地方出现的短语“在一个实施例中”不一定都指相同的实施例。

现在参考附图，并且更具体地参考附图1，其中示出了根据本文公开并且要求保护的发明构思构造的传感器组件10的示例性实施例。传感器组件10包括基底12，基底12具有第一表面14以及与第一表面14相对的第二表面16。至少一个分析物传感器18位于基底12的第一表面14上。至少一个电触点20位于基底12上，与至少一个分析物传感器18中相对应的一个电连通。基底12构造成限定管22，该管22限定流体流路经23，并且具有流体入口24、流体出口26、内表面28、以及外表面30。基底12的第一表面14的至少一部分限定管22的内表面28，至少一个分析物传感器18设置在管22的内表面28上。

基底12可以由多种材料制成，诸如玻璃、塑料或诸如铝、硅或硼的氧化物的陶瓷材料。本领域技术人员熟知合适的材料。在一个实施例中，基底12是柔性材料。合适的柔性材料的非限制性示例包括纸、聚对苯二甲酸乙二酯（PET）、聚乙烯（PE）、聚酰亚胺（PI）、聚醚醚铜（PEEK）等。使用柔性基底能够降低传感器组件10的尺寸和重量。如本公开的接下来部分中详细讨论的，使用柔性基底能够允许增加电路密度以及经济地修改传感器组件10的整体形状。

位于基底12的第一表面14上的分析物传感器18可以是能够测量化学或物理参数（诸如化学物质的浓度）的任何传感器。血液样本中传感器测量值的非限制性示例包括pCO₂, pO₂, pH, Na⁺, K⁺, Ca²⁺, Cl^-、葡萄糖、乳酸盐和血红素。可以使用很多不同类型和设计的分析物传感器18。通常，分析物传感器18包括两个或三个电极（未示出）。分析物传感器18可以与被测量的流体直接接触，并且可包括薄膜或类似物，提供流体和分析物传感器18中的电极之间的间接接触。在一个实施例中，分析物传感器18是电化学生物传感器，并且可以采用导电率、电位或电流技术将化学信息转换为可测量的信号。

例如，基于导电率技术的生物传感器所利用的事实是，电化学反应产生离子或电子，并且溶液的导电率或电阻率成比例变化。电位生物传感器可以采用离子选择性电极或具有离子可透过膜的电极，该离子可透过膜选择性地允许感兴趣离子扩散通过。其操作原理基于的事实是，当电压被施加到溶液时，由于电化学反应，电流发生变化。电流生物传感器具有高敏感性用于检测生物学样本中存在的电活性种类，并且经常用于诸如葡萄糖和乳酸盐的分析物。电流生物传感器采用工作电极和参考电极，工作电极通常是生物识别构件覆盖的贵金属或丝网印刷层。

分析物传感器18现在可以以平面形式制造，例如通过使用厚膜和/或薄膜技术，将薄的材料层连续施加到基介电基底。平面分析物传感器可以被制造得更小并且更紧密地构造在一起，降低样本体积要求。在陶瓷基板上制造平面厚膜电极经常使用标准工艺实现。超纯金属可以被用来在恒定的极化之下延长使用寿命。已经采用导电墨和介电墨，诸如镀铂碳糊墨，用于丝网印刷葡萄糖和乳酸盐生物传感器的有源电极。聚合物可以用作内电解质，诸如Nafion，硫化四氟乙烯聚合物，在一些用于pO₂的电流式传感器中用作内电解质。对于离子选择性分析物传感器，聚甲基丙烯酰胺丙基三甲基氯化铵和甲基丙烯酸甲酯的共聚物（MAPTAC/MMA）已经被用作固体内触点。

因此，可以单独或组合地使用各种分析物传感器18，每个分析物传感器18与位于基底12上的对应电触点20电连接。在一个实施例中，分析物传感器18以及电触点20构件使用最近被开发并且被本领域技术人员所了解的材料和方法，使得电路能够被印刷到柔性基底上，诸如柔性的聚合物片材上。这样的印刷电路通常被称为柔性电路。尽管本文描述了制造柔性电路的已知材料和方法，但是应该懂得，用于制造分析物传感器18和电触点20并且将它们固定到柔性基底上的新的和当前未知的材料也被包括在本发明公开并且要求保护的发明构思中。

带有柔性基底的传感器组件10的设计和制造可以包括单面、双入口（double access）、和双面柔性电路。单面柔性电路在柔性介电膜上具有单个导体层，该导体层由金属或导电性（填充金属）聚合物制成。可以从一侧访问构件末端的特征。可以在基膜上形成孔，以便允许构件引线通过，用于互连。单面柔性电路可以被制造成带有或不带有这种保护涂层作为覆盖层或覆盖涂层。双入口柔性电路具有单个导体层，该导体层被加工成允许从两侧访问导体图案的所选特征。双面柔性电路实际上具有两个导体层。

可以使用与刚性印刷电路板所用相同的构件来制造聚合物厚膜柔性电路，允许该电路板顺应期望的形状，或者在其使用中弯曲。柔性电路通常使用光刻技术来制造。制造柔性电路的一种替代性方式包括在两个PET层之间层叠非常薄的铜条。这些PET层被涂覆有热固性粘合剂，该粘合剂在层叠过程中将被激活。

在一个实施例中，使用丝网印刷、轮转凹版印刷、移印、模板印、喷印等将导电墨和介电墨沉积在基底12上，以提供电触点20，以及分析物传感器18的电极和其它构件。导电墨可以部分地由纳米铂、金、银、铜、硅或任何其它导电元素或元素的组合形成。膜材料被施加到基底12的适当区域，以产生有功能的分析物传感器18。基底12是柔性的，并且可以由纸、聚对苯二甲酸乙二酯（PET）、聚乙烯（PE）、聚酰亚胺（PI）等制成。

与对应的分析物传感器18电连通的电触点20可以是任何形状和任何导电材料。用于电触点20的合适材料包括但不限于金、银、铜和铝金属及其合金，以及导电墨。

在一个实施例中，电触点20位于基底12的第一表面14上，如图1至3所示。可以使用也沿着基底12的第一表面14定位的迹线32来实现分析物传感器18和电触点20之间的电连通。迹线32可以是诸如铜的导电金属条、导电墨等，能够在分析物传感器18和电触点20之间产生电连接以便承载信号。电触点20的位置、尺寸和形状被形成为与分析器（未示出）上的电触点接合，该分析器用于基于流体样本的分析物传感器测量值来处理和输出分析物结果。

在另一个实施例中，电触点20位于基底12的第二表面16上，如图4至6所示。可以使用部分地沿着基底12的第一表面14定位的迹线32来实现位于第一表面14上的分析物传感器18和位于第二表面16上的电触点20之间的电连通。迹线32在某个点穿过孔或过孔34，以便连接到第二表面16上的对应电触点20。过孔34可以是例如填充有导电材料的钻孔，导电材料是例如金属或导电墨。

基底12可以被构成为限定管22，例如通过将基底12卷绕、弯曲或折叠至期望形状。在一个实施例中，已经附接了分析物传感器、电触点20、迹线32和其它必要或期望的电构件和连接（统称为“电路36”）的基底12在电路36施加过程中可以是平的，然后被卷绕以形成如图1至图6所示具有圆形横截面的管22。在另一实施例中，带有附接的电路36的基底12可以被弯曲或折叠，以形成具有至少三个平面侧的管22，例如图7和图8所示。

管22具有流体入口24和流体出口26，以及内表面28和外表面30。传感器组件10可以被构造在整体的整片基底12上，该传感器组件10仅具有单一接缝38，该接缝38可以使用本领域技术人员已知的压敏粘合剂、环氧树脂、丙烯酸树脂或其它结合方式和材料来固定。无需间隔材料。另外，多个分析物传感器18可以被印刷到膜上，例如在电极之间具有充分的距离，以便最小化串扰和其它干扰。当基底12和分析物传感器18被卷绕为管构造时，传感器的放置变得有相对也有相邻，从而使得能够在较小的流体路径中放置较大数量的分析物传感器18。

在一个实施例中，电触点20位于基底12的第二表面16上，如图4至6所示。使用例如带有电触点的接收端口可以容易地将电触点20连接到分析器，该接收端口上的电触点构造成与管22的外表面上的电触点20接合。

在一个实施例中，电触点20位于基底12的第一表面14上，如图1至图3、图7和图8所示，基底12被卷绕、弯曲或折叠，以留出襟翼（tab）40，该襟翼40从管22延伸，并且具有位于襟翼40上的电触点20。襟翼40能够沿与管22相切的关系延伸。使用例如带状的连接器能够将襟翼40容易地连接到分析器，该带状连接器构造成与电触点20和襟翼40接合，以便传递电信号，用于基于流体样本的传感器测量值处理和输出分析物结果。

参考图2，放大器前端电路42可以位于基底的第一表面上，靠近至少一个分析物传感器18中相对应的一个并且与其电连通。当分析物传感器18产生容易受到干扰和噪声影响的低档输出时，放大器前端电路42可以是有用的。这样的干扰和噪声可能会破坏沿迹线32传递的信号的完整性。在将来自分析物传感器18的信号传递至分析器（未示出）以用于处理和输出分析物结果之前，放大器前端电路42将来自分析物传感器18的信号放大。该放大降低了信号损失，并且改善了信号被传递至分析器时信号完整性被破坏的风险。

对于分析物传感器18，放大器前端电路42可以通过使用导电墨直接印刷到基底12上或者印刷到稍后施加到基底12的薄膜上而形成。放大器前端电路42位于基底12上，与分析物传感器18紧密靠近，并且沿着迹线32电连接。

现在参考图9，传感器组件10可以包括覆盖流体入口24的第一盖43和/或覆盖流体出口26的第二盖43’。第一盖43可包括接管44，便于将待分析的流体样本插入到管22中。类似地，第二盖43’可包括接管44’，便于从管22移去流体样本。

在一个实施例中，传感器组件10包括如图10所示的套圈45以及可选的套圈盖46。套圈45便于将流体样本手动插入传感器组件10中，并且易于搬运和存储。套圈45还便于将传感器组件移动至分析器以及从分析器移走传感器组件。

现在参考图11，其中示出了根据本文公开并且要求保护的发明构思构造的传感器组件10的另一示例性实施例。在该实施例中，基底12构造成限定管22，该管22具有内表面28’和外表面30’。至少一个分析物传感器18设置在管22的外表面30’上，对应的电触点20位于管22的内表面30’上。可以设想，具有该布置的传感器组件10可以用作插管，用于插入身体，进行流体测量。布线50可以被容纳在管22内，体液可以在管的外表面30’获取。

图11所示的实施例还可以被容纳在外接管52内，如图12所示，管22和外接管52在它们之间限定了环形区域54。待监测的血液或其它流体流过环形区域54并且被一个或多个分析物传感器18所测量。盖43'防止流体进入管22的内部。当用于插入病人的身体时，外接管52由对人体无害的材料制成。在不希望病人暴露或较长时间暴露于管22的外表面30’的情况下，该设计可以是有用的。

形成传感器组件的方法包括在柔性基底的表面上形成多个分析物传感器的步骤，如上所述。多个电触点形成在柔性基底上，使得电触点与分析物传感器中相对应的一个电连通。柔性基底被构造成限定具有流体入口、流体出口、内表面和外表面的管，形成有分析物传感器的表面限定管的内表面，使得分析物传感器设置在管的内表面上。如果期望的话，传感器组件可以被化学处理或者被热处理，以增加刚性。可选地，补强件可以附接到传感器组件以支撑和维持整体形状。

类似地，形成传感器组件的另一方法包括在柔性基底的表面上形成多个分析物传感器以及在柔性基底上形成多个电触点的步骤，使得电触点与分析物传感器中相对应的一个电连通。在该情况下，柔性基底被构造成限定具有内表面和外表面的管，形成有分析物传感器的表面限定管的外表面，使得分析物传感器设置在管的外表面上。

从以上描述清楚的是，本文公开的发明构思适于执行本文提到以及本文公开的发明构思中固有的目标和获得其优点。尽管为了本公开的目的而描述了本文公开的发明构思的示例性实施例，但是应该懂得，可以做出很多改变，这些改变是本领域技术人员容易想到和容易实现的，而不偏离本文公开的发明构思的范围以及权利要求所限定的范围。

Claims (29)

1.一种传感器组件，包括：

基底，所述基底具有第一表面和与所述第一表面相对的第二表面；

位于所述基底的第一表面和第二表面中的至少一个上的至少一个分析物传感器；以及

位于所述基底上的至少一个电触点，所述至少一个电触点与所述至少一个分析物传感器中相对应的一个电连通，

其中，所述基底被构造成限定具有内表面和外表面的管，所述基底的第一表面的至少一部分限定所述管的内表面，所述至少一个分析物传感器设置在所述管的内表面和外表面中的至少一个上。

2.如权利要求1所述的传感器组件，其中，所述基底是柔性的。

3.如权利要求1所述的传感器组件，其中，所述基底是整片式基底。

4.如权利要求1所述的传感器组件，其中，所述管具有圆形横截面。

5.如权利要求1所述的传感器组件，其中，所述管具有至少三个平面侧，并且其中，在每个所述平面侧上定位有至少一个分析物传感器。

6.如权利要求1所述的传感器组件，其中，至少一个电触点位于所述管的外表面上。

7.如权利要求1所述的传感器组件，还包括：

外接管，所述外接管围绕所述管以限定流体接收环形区域。

8.如权利要求1所述的传感器组件，其中，至少一个电触点位于所述管的内表面上。

9.如权利要求1所述的传感器组件，其中，所述基底还构造成具有从所述管延伸的襟翼，并且其中，所述至少一个电触点位于所述襟翼上。

10.如权利要求9所述的传感器组件，其中，所述襟翼以与所述管相切的关系从所述管延伸。

11.如权利要求1所述的传感器组件，还包括：

位于所述基底上的至少一个放大器前端电路，所述放大器前端电路靠近所述至少一个分析物传感器中相对应的一个并且与其电连通。

12.如权利要求1所述的传感器组件，还包括：

连接到所述管的第一盖，所述第一盖具有限定流体入口的接管；以及

连接到所述管的第二盖，所述第二盖具有限定流体出口的接管。

13.一种传感器组件，包括：

基底，所述基底具有第一表面和与所述第一表面相对的第二表面；

位于所述基底的第一表面上的至少一个分析物传感器；以及

位于所述基底上的至少一个电触点，所述至少一个电触点与所述至少一个分析物传感器中相对应的一个电连通，

其中，所述基底被构造成限定具有内表面和外表面的管，所述基底的第二表面的至少一部分限定所述管的内表面，所述至少一个分析物传感器设置在所述管的内表面上。

14.如权利要求13所述的传感器组件，其中，所述基底是柔性的。

15.如权利要求13所述的传感器组件，其中，所述基底是整片式基底。

16.如权利要求13所述的传感器组件，其中，所述管具有圆形横截面。

17.如权利要求13所述的传感器组件，其中，所述管具有至少三个平面侧，并且其中，在每个所述平面侧上定位有至少一个分析物传感器。

18.一种形成传感器组件的方法，包括：

在柔性基底的表面上形成多个分析物传感器；

在所述柔性基底上形成多个电触点，使得所述电触点与所述分析物传感器中相对应的一个电连通；以及

构造所述柔性基底，以限定具有内表面和外表面的管，形成有所述分析物传感器的表面被形成为限定所述管的内表面，使得所述分析物传感器设置在所述管的内表面上。

19.如权利要求18所述的方法，其中，所述管被构造为具有圆形横截面。

20.如权利要求18所述的方法，其中，所述管被构造为具有至少三个平面侧，并且其中，所述分析物传感器被形成在所述基底上，使得在每个所述平面侧上定位有至少一个分析物传感器。

21.如权利要求18所述的方法，其中，所述电触点形成在所述基底上，使得所述电触点位于所述管的外表面上。

22.如权利要求18所述的方法，其中，所述基底还构造成具有从所述管延伸的襟翼，并且其中，所述电触点形成在所述基底上，使得所述电触点位于所述襟翼上。

23.如权利要求22所述的方法，其中，所述基底还构造成使得所述襟翼以与所述管相切的关系从所述管延伸。

24.如权利要求18所述的方法，还包括以下步骤：

在所述基底上形成多个放大器前端电路，所述放大器前端电路靠近所述分析物传感器中相对应的一个并且与其电连通。

25.一种形成传感器组件的方法，包括：

在柔性基底的表面上形成多个分析物传感器；

在所述柔性基底上形成多个电触点，使得所述电触点与所述分析物传感器中相对应的一个电连通；以及

构造所述柔性基底，以限定具有内表面和外表面的管，形成有所述分析物传感器的表面被形成为限定所述管的外表面，使得所述分析物传感器设置在所述管的外表面上。

26.如权利要求25所述的方法，其中，所述管被构造为具有圆形横截面。

27.如权利要求25所述的方法，其中，所述管被构造为具有至少三个平面侧，并且其中，所述分析物传感器被形成在所述基底上，使得在每个所述平面侧上定位有至少一个分析物传感器。

28.如权利要求25所述的方法，其中，所述电触点形成在所述基底上，使得所述电触点位于所述管的内表面上。

29.如权利要求25所述的方法，还包括以下步骤：

在所述基底上形成多个放大器前端电路，所述放大器前端电路靠近所述分析物传感器中相对应的一个并且与其电连通。