CN102844655A - 包括具有膜片载体的共振器的测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种测量装置（10,50），该测量装置用于测量流体特性，并且包括共振器（20,52）和基部支撑件（26,30），所述共振器具有灵敏区域，所述共振器（20,52）插入所述基部支撑件（26,30）内，并且与所述基部支撑件（26,30）接触，所述灵敏区域保持能够由所述流体接近，并且所述共振器（20,52）能够通过在所述基部支撑件（26,30）上的触点（24,40）激活。本发明的特征在于所述基部支撑件（26,30）通过膜片结构单独地形成。
Description
本发明涉及记载在权利要求1前序部分中的包括特定类型共振器的测量装置和根据权利要求7的用于安置测量装置的机头（Handstück）。
最接近的现有技术（即德国专利申请10 2006 015 512 A1）中公开了一种用于分析流体的振荡石英晶体。出于这个目的，振荡石英晶体在测量表面上具有灵敏区域（sensitiven Bereich）。为了便于操作和密封，振荡石英晶体具有连接有膜片的测量表面。该膜片具有用于进入（give access to）振荡石英晶体的灵敏区域的开口。通常，该膜片粘结于振荡石英晶体的上边缘。与膜片结合的这种结构插入基部支撑单元，并且在用于接触振荡石英晶体的支撑件上设置触点（contacts）。通过在所述膜片上设置测量腔来实现所述接触，所述膜片将石英晶体压靠在设置于支撑件内的触点上。但是，这种结构的缺点在于：由于必须从外部向所述石英晶体施加压力，该结构总是必须包括一些装置。此类装置将适当机械地固定石英晶体/膜片结构，这样将不自觉地引起在上述灵敏表面产生死区容积。
相似的设计是在德国专利申请20 2009 007 108 U1中公开的一种液浸探头。在该发明中，振荡石英晶体以位于壳体的边缘区域上的方式插入灵敏头内。振荡石英晶体的灵敏区域利用O型圈密封，该O型圈也将振荡石英晶体固定在适当的位置。在该实施方式中，该O型密封圈的使用也会产生顶部开放型的测量腔，然后引起死区容积的形成。此外，由于灵敏头具有相对较大的尺寸，其设计仅允许浸入相对较大的容器中。
在美国专利申请2008/0134767A1中公开了一种共振器，该共振器能够通过石英载体连接于刚性电路板。盖子包括石英载体、共振器和电路板并且通过非强制或强制联锁的形式将所有部件固定在一起。
本发明的目的是提供一种记载在权利要求1前序部分中的特定类型的测量装置，该测量装置仅需要很小的安装空间并且能够独立使用。此外，所述测量装置能够灵活地使用并且不会在其灵敏的传感器表面上存在任何死区容积。
这些目的通过结合权利要求1前序部分的权利要求1的特征部分的特征来实现。
在已知的方式中，测量装置包括具有连接点的基部支撑件，共振器能够通过所述连接点接触并且最终得到激活和评估（evaluated）。
根据本发明，基部支撑件仅通过膜片结构形成，同时共振器安装在与底部膜片分离的位置，以允许所述共振器不受削弱地以最大程度振荡。
膜片结构具有使得独立部件（特别是膜片）的加工和装配非常容易并且由此而成本低廉的优点。独立的膜片能够以简单的方式设置为使它们的加工仅涉及切割和/或取出独立的膜片部分以及连接独立的膜片。这允许精密检测元件设置为一次性物品的形式。
根据另一种发明原理，共振器具有连接于末位膜片的一个表面，该表面也具有灵敏区域。所述末位膜片将共振器固定在其位于基部支撑件的位置上并且将其张紧，从而确保电接触。末位膜片以不漏液体的方式连接于共振器并且包括用于接近共振器的灵敏区域的开口。事实上，末位膜片张紧共振器并且将其固定在合适的位置以确保共振器固定在接触位置，并且允许在材料极少的灵敏区域待完成的没有自由死区容积的测量通过末位膜片增加。此外，共振器仅最低限度地预张紧，该预张紧能够明显提高测量结果。
在一种优选实施方式中，支撑单元包括底部膜片，该底部膜片在朝向基部的方向上划定支撑单元的界限并且在朝向基部的方向上密封振荡石英晶体。
具体地，导体路径可以设置在底部膜片上，该底部膜片终止于共振器接触垫。为了接触，然后将共振器安装在这些导体路径上，优选地，这些导体路径具有使得接触垫能够保持安装后的共振器与底部膜片相分离的厚度。
优选地，支撑膜片也设置在所述底部膜片上。该支撑膜片设计为使得安装在支撑膜片上的共振器仅在边缘处位于支撑膜片上。支撑膜片能够帮助使共振器与底部膜片以一定距离保持分离。更具体地，共振器接触垫设置在支撑膜片上。因此，导体路径也设置在支撑膜片上。
在另一种优选实施方式中，间隔膜片可以设置在所述支撑膜片上。该间隔膜片具有开口，共振器通过该开口可以固定在支撑膜片上或底部膜片上。优选地，所述开口的尺寸可以选择为略大于穿过其固定的共振器的尺寸，以允许共振器沿横向自由地振荡。这样的设计具有的优势在于，能够防止由于共振器只有一个电极能够由穿过所述开口被接近而造成的短路。
间隔膜片允许补偿共振器的厚度。因此，基部支撑件可以设计为使得其上表面几乎与共振器表面齐平。因此，共振器可以仅使用一些预紧力和/或紧固力而固定在合适的位置上。具体地，间隔膜片具有使其上表面相对于共振器表面间隔大约50μm的厚度。间隔膜片的厚度能够通过公式d=(c/f)/2-x计算，其中c为声速，f为共振器的共振频率，x为实现所需预紧力功能的高度差。为了产生厚度d<=0，需要不设间隔膜片。
本发明中使用的术语膜片不仅涉及高分子膜片，还涉及具有极小厚度的层，优选为微米级。
共振器能够接触流体而用于分析流体，并且能够对应材料、物质、颗粒和/或微生物的大量沉积物而通过改变共振频率和/或削减共振频率进行检测。然后，这样可以通过相关的测量单元进行评估。
在具有灵敏区域的其测量表面上，共振器可以具有覆盖整个共振器表面的第一电极。该电极延伸超过共振器的边缘并且延伸到石英晶体的下侧上，在石英晶体的下侧，其具有与两个导体路径中的一者的接触垫接触的特征。此外，石英晶体的下侧设置有另一个电极，该电极未覆盖下侧的整个表面，并且因此，石英晶体的下侧与第一电极电隔离并且连接于两个导体路径中的另一者。
为了密封石英晶体，在共振器的测量表面和基部支撑件之间可以应用粘结层。此外，所述层将在接触垫上将振荡石英晶体固定在合适的位置。
作为粘结连接的一种选择，末位膜片也可以以这样的方式将末位膜片设置在振荡石英晶体的上侧上来使用，该方式即，振荡石英晶体的灵敏区域将仍能够被接近，并且至少部分地覆盖基部支撑件地延伸以及能够连接于基部支撑件。
具体地，共振器没有粘结于基部支撑件或末位膜片，但是可仅通过末位膜片产生的张紧力保持在合适的位置。这样的优势在于，由于不需要在共振器本身施加粘结剂，而施加粘结剂总是引起污染共振器表面的危险，因此能够明显简化共振器的制造。此外，单独通过预张紧力支撑共振器在共振器的振动动作上具有有利的效果，即共振器将能够在横向自由地振荡。
优选地，末位膜片可以通过热粘结方式连接于基部支撑件。由于不必施加单独的粘结剂而有利于生产。
共振器不直接粘结于基部支撑件而是通过上述的末位膜片的预张紧力而固定在合适的位置，共振器在一定程度上是机械地可拆卸连接。如果支撑结构（例如其连接区域）弯曲，这将仅对共振器的振动特性上产生可以忽略的不利影响。
与共振器的直径相比，末位膜片具有非常小的厚度，与现有技术相反地，不需在表面建立测量空间，这种测量空间将会产生死区容积。同样，这可以防止在传感器表面上形成气泡，这将不会产生测量中的吸附作用。
更加具体地，末位膜片的开口具有略小于共振器的直径的直径。因此，膜片仅位于边缘区域上，在边缘区域上会产生最小的振幅。因此，能够将由末位膜片的造成的共振器的衰减最小化。
膜片层可以通过粘结剂相互连接。优选地，粘结连接可以为热粘结的方式。这样允许所述结构的独立部件在热能的影响下精确地对齐并且相互粘结。
更加具体地是，支撑膜片以陶瓷膜片的形式设置。一方面，这样能够确保一定程度的稳定性，另一方面，能够允许通过真空蒸发法进一步加工。此外，导体路径设置为在共振器压靠在导体路径上时能够与共振器接触。优选地，导体路径可以安装在支撑膜片上。由于共振器能够通过导体路径与膜片分离，可以避免压力并且能够容易接触共振器。优选地，在膜片上的触点由金制成。
在特别具有优势的实施方式中，所有膜片由聚酰亚胺（PI,polyimide）制成。通过使用低刚度的膜片使得所述结构基本具有柔性，能够具有使膜片结构不易断裂的优点。
此外，膜片结构通过较厚的膜片可以在共振器的区域得到加强。由于这样明显减小了引入性压力，将能够提高获得的测量结果的质量。
将基部支撑件设置为膜片结构具有的优势在于，在一次测量之后可以丢弃整个支撑件。这样尤其有利于保证共振器在后续的测量中不受污染。这样简单的可替换性可通过根据本发明的设计的成本低廉的实施而实现，根据本发明的设计为包括共振器的测量装置。
基部支撑件在其一个表面上具有需要的触点。触点设置为电路板接触垫的形式。优选地，这些触点可以设置在支撑膜片上。在载体膜片或者相等的末位膜片设置在支撑膜片的位置上，这些膜片具有在电路板接触垫的区域内的开口，穿过该开口，能够接近电路板接触垫。优选地，与设置在此处的导体垫相反，电路板接触垫可以是平的且薄的。
通过电路板接触垫，振荡石英晶体能够容易地接近并且容易地与夹紧或者弹性触点相接触。这样能够允许最大范围的应用。例如，测量装置可以简单地与具有探头的探测台接触，并且待分析的样品流体被吸移到共振器上。这能够允许其用于与普通实验仪器的连接，该普通实验仪器能够使得这种结构特别引人关注地用于单独测试。
每个所述膜片的厚度可以是在25μm-100μm之间，特别是50μm，并且通过厚度为大约18μm的粘结层连接。因此，测量装置的总体厚度极小。这种用于容纳振荡石英晶体的支撑单元的非常薄的设计能够允许测量装置用于各种应用中，甚至应用在包括最小的示例容积的最小容器中。
除了共振器的振动参数的分析外，测量装置还可以用作电化学测量中的工作电极。
在尤其优选的实施方式中，支撑单元沿振荡石英晶体的周缘绕成半圆形状。当用于液浸探头时，这样允许振荡石英晶体移动到尽可能靠近容器底部的位置，以保持需要的测量容积尽可能小。尤其是测量昂贵的流体样品，这样能够提供潜在的巨大的成本节约。
根据另一种实施方式，机头设置为电路板状的测量装置可以插入其中该机头中。因此，在机头的第一端，包括用于电路板状的测量装置或支撑单元的安置接触件。
在一种实施方式中，测量装置固定在安置件内的其位置上并且凸出于机头。这样能够保证最小的尺寸，因此允许其也能够用于少量的流体样品中。在这种结构中，振荡石英晶体也可以用作在流体中检测和/或测量材料、物质和/或微生物浓度的液浸探头。
安置件可以设置有横向引导件，该横向引导件沿横向引导支撑单元。并且通过弹簧夹获得接触。更准确地，该弹簧夹设计为两件式（two parts）结构，所述两个夹具触点通过绝缘体连接。这样保持两个端部彼此相对稳定并且允许它们同时移动，从而保证测量装置的插入。本实施方式具有的优势在于，能够使用相同的夹具获得电路板接触垫的机械性固定和电接触。更具体地，引入壳体内的夹具能够防潮密封，这种密封可以例如通过使用硅树脂密封壳体来获得。此外，夹具的端部在所述壳体内延伸至连接电路板并且在此焊接。
在另一种实施方式中，机头为两件式设计。在其第一部件中，可以安置电缆或其它电子设备。第二部件具有位于其自由端的用于测量装置的安置件，以及位于其另一端的用于连接机头的第一部件的接触连接电路板。第二部件以第一部件的内部空间受防潮保护的方式连接于机头的第一部件。因此，所述两个部件可以通过密封圈彼此相对密封。优选地，机头的部件在过渡区域重叠。因此，设置在第二部件内的连接电路板也在第一部件内延伸。
另外，机头可以具有允许其连接于电源和/或评估装置的接头。特别地，该接头设置为同轴电缆接头。
下面是结合附图对本发明的更加详细的说明。对于本发明很重要的进一步的细节和优点可以从附图和对它们的说明中获得。用于整个附图的参考附图标记在附图标记列表中列出了。
在附图中，
图1是共振器电路板的截面图；
图2是共振器电路板的俯视图；
图3是包括三个膜片的支撑单元的基部支撑件的视图；
图4是具有振荡石英晶体和末位膜片（final film）的基部支撑件的视图；
图5是具有插入在机头中的共振器电路板的机头的视图；以及
图6是机头的第一部件的细节图。
图1是共振器电路板10的截面图。所述共振器电路板10包括基部支撑件，该基部支撑件包括底部膜片12、支撑膜片14和间隔膜片16。此外，末位膜片18设置为将振荡石英晶体20固定在底部支撑件内的其位置上。另外，支撑膜片14包括导体路径22。这些导体路径在振荡石英晶体的边缘处的共振器触点22中终止。
为了形成基部支撑件26，支撑膜片14粘结在底部膜片12上。支撑膜片14在其上侧设置有共振器触点22。共振器20在其下侧也具有用于其电极的触点，共振器20通过这些触点位于共振器触点22上。为了将共振器20固定在合适的位置，共振器20包括粘结于末位膜片18的上侧，该上侧还包括共振器的灵敏元件，该末位膜片18仅位于共振器20的边缘区域上。间隔膜片16的厚度设置为保证粘结于间隔膜片16的末位膜片18在共振器20上施加尽可能小的压力。尽管如此，施加的压力也将足够大以将共振器20的接触表面永久地且可靠地电连接于共振器触点22上。这种结构能够以简单的方式制造共振器电路板，由于共振器电路板的尺寸和设置在其上的触点，共振器电路板能够灵活且稳定地使用。此外，由于共振器电路板成本低廉的设计，能够将它作为一次性物品使用。对于测量来说，能够完全排除污染现象则特别有利。
图2是根据图1的共振器电路板10的示意性的俯视图。共振器电路板10大致为正方形的形状并且在朝向顶部的方向上通过末位膜片18限定界限。并且，在其中显示了共振器20的灵敏区域。与导体路径26相同设置在支撑膜片和导体路径26上的石英触点22仅在图中显示。导体路径26将石英触点22连接于接头触点24。接头触点24可以通过位于末位膜片18内的开口从外部接近。
因此，在不需要复杂的腔室设计的情况下，共振器20可以由传统的测量和控制装置通过容易接近的接头触点24以简单的方式连接和激活。
图3是包括三个膜片（即底部膜片32、支撑膜片34和末位膜片36）的基部支撑件30的视图。基部支撑件30的中间件由支撑膜片34构成。后者具有石英触点44，该石英触点44通过导体路径42连接于接头触点40。接头触点和石英触点44通过化学镀金而成并且具有大约1-2微米的厚度。两个触点连接于大约35微米厚的铜制导体路径。为了形成基部支撑件30，底部膜片32、支撑膜片34和间隔膜片36通过含有硅胶的丙烯酸粘结剂（silicone-containing acrylic adhesive）粘结在一起。粘结层设置为具有大约25微米的厚度。
图4显示包括基部支撑件30和末位膜片54的共振器电路板50。为了获得测量装置，共振器52通过末位膜片54插入并且粘结于设置在基部支撑件30内的开口中。末位膜片54仅位于共振器52的边缘上。末位膜片54密封共振器的灵敏表面而使其不与共振器52的剩余部分接触。这样也保持共振器52与间隔膜片的圆周距离并且共振器能够自由地振荡。通过基部支撑件30和末位膜片54，支撑单元50的前部可以完全地密封以防止液体渗入。这使得该结构还特别适用于作为液浸探头使用。
图5是插入在包括第一部件56和第二部件58的两件式机头中的共振器电路板50的视图。为了安置支撑单元50，前端设置有与触点62接合的接触夹60，该接触夹60通过触点62与机头接触，并且同时通过其弹性作用将支撑单元50固定在合适的位置。第一机头部件56和第二机头部件58通过密封圈64彼此连接。这样可以防止流体或湿气进入第二机头部件。设置在第二机头部件的末端上的是同轴电缆接头66（BNC connector，Bayonet NutConnector），该同轴电缆接头能够用于将其连接于电源和测量装置。
由于可移动地支撑在机头内的事实，这种结构尤其适用于作为液浸探头使用，其能够允许测量装置根据需要定位，也因此能够浸入包含样品流体的容器内。机头部件由聚醚醚酮树脂（PEEK）制成并且还包括电绝缘体，其中，聚醚醚酮树脂尤其能够抵抗化学品和温度的侵蚀。此外，机头（尤其是其第二部件）可以用作其它电信号处理元件或其它电路的支撑件。
这样可以极大地增加根据本发明的测量装置可能的应用范围。
图6是第二机头部件52的细节图。需要特别注意的是接触夹60，该接触夹60包括通过安装绝缘体70而相互连接的第一触点69和第二触点72。触点69、72的末端容纳在机头的第一部件内。此外，触点69、72具有它们的安置端，该安置端成形为使得触点68、72在机头的第二部件的接触面上施加弹簧负载。另外，该安置件包括用于安置共振器电路板的测量装置的横向引导件。触点68、72的端部封装在接触电路板76内。后者将增加导电接触，从而确保第一机头部件和第二机头部件之间的安全且稳定的接触。连接两个触点68、72的绝缘体70具有额外的优点，即由于触点的特殊形状，它不仅能够电隔离但机械地连接两个触点，而且能够作为用于共振器电路板的连接的控制元件。绝缘体70容易接近并且因此能够在不产生任何问题的情况下进行触摸和提升。
附图标记说明
10 共振器电路板
12 底部膜片
14 支撑膜片
16 间隔膜片
18 末位膜片
20 共振器
22 导体路径
24 接头触点
26 基部支撑件
30 基部支撑件
32 底部膜片
34 支撑膜片
36 间隔膜片
38 导体路径
40 接头触点
42 导体路径
44 石英晶体触点
46 接触开口
48 石英晶体开口
50 共振器电路板
52 共振器
54 末位膜片
56 第一机头部件
58 第二机头部件
60 接触夹
62 共振器电路板触点
64 密封件
66 同轴电缆接头
68 第一触点
70 绝缘连接件
72 第二触点
74 部件触点
76 接触电路板
Claims (10)
1.一种测量装置（10,50），该测量装置用于测量流体特性，并且包括共振器（20,52）和基部支撑件（26,30），所述共振器具有灵敏区域，所述共振器（20,52）插入所述基部支撑件（26,30）内，并且与所述基部支撑件（26,30）接触，所述灵敏区域保持能够接近所述流体，并且所述共振器（20,52）能够通过位于所述基部支撑件（26,30）上的触点（24,40）激活，其特征在于，所述基部支撑件（26,30）通过膜片结构单独地形成。
2.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述共振器（20,52）连接于末位膜片（18,54），所述共振器（20,52）通过所述末位膜片（18,54）固定在所述基部支撑件（26,30）内的合适位置。
3.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述基部支撑件（26,30）包括底部膜片（12），该底部膜片（12）在下侧封闭所安置的所述共振器（20,52）。
4.根据权利要求1或2所述的测量装置，其特征在于，所述基部支撑件（26,30）包括支撑膜片（14,34），并且仅所述共振器（20,52）的边缘区域位于所述支撑膜片（14,34）上。
5.根据前述权利要求中的任意一项所述的测量装置，其特征在于，设置有间隔膜片（16,36），该间隔膜片（16,36）包括开口，所述共振器（20,52）能够插入所述开口中，并且所述间隔膜片（16,36）的厚度与所述共振器（20,52）的厚度相对应。
6.根据权利要求4或5所述的测量装置，其特征在于，所述共振器（20,52）通过导体路径（27,42）接触，该导体路径（27,42）设置在所述支撑膜片（14,34）上，并且在所述支撑膜片（14,34）和所述间隔膜片（16,36）之间延伸。
7.一种机头，该机头用于安置根据前述权利要求中的任意一项所述的测量装置，所述机头包括安置接触件（56），该安置接触件（56）接触电路板状的所述测量装置（50）的触点（62），并且将所述触点（62）固定在所述机头内的合适位置。
8.根据权利要求7所述的机头，其特征在于，所述测量装置（50）能够可拆卸地连接于所述机头。
9.根据权利要求7或8所述的机头，其特征在于，所述接触通过夹紧弹簧（60）来实现，该夹紧弹簧（60）将所述测量装置（50）固定在合适的位置并且同时与所述触点（62）接触。
10.根据权利要求7-9中的任意一项所述的机头，其特征在于，所述机头（56,58）为两件式设计。
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