CN102869986A - 使用导电弹性体的电解质传感器 - Google Patents

Abstract

一种使用导电聚合物电极的电解质传感器。使用传感器检测的分析物包括尿液、唾液、血液、粪便和脊髓液中所存在的分析物，但是还存在进行电解质检测的其他分析物。导电弹性体轨迹电极由间隙或通道分开，该间隙或通道可由电解质桥接，由此使连接报警器或其他电路的电路闭合。间隙或通道距离改变与探测特定电解质相关联的电阻的水平。

Description

使用导电弹性体的电解质传感器

技术领域

本公开案涉及导电弹性体在电子器件中的使用。更特定而言，本公开案涉及传感器中使用的电极。更特定而言，本公开案涉及检测包括但不限于尿液、汗液、血液、粪便、唾液、和脊髓液中所存在电解质的传感器中使用的电极。

背景技术

本部分中所述的方法可能有人研究过，但不一定是以前被想到的方法。因此，除非本文中另外指出，本部分中所述的方法不是本申请案权利要求中的先有技术，并不因为包括在本部分中而纳入先有技术。

众所周知，由于导电聚合物和导电弹性体具有弹性和导电性，因此以垫片或密封件的形式得到使用。作为导体的一些有用性能包括方便的成型、耐腐蚀性和气密接触界面。但是，由于很难得到金属一样低的电阻率，其作为导体的使用有限。导电弹性体一般由引入导电碳素或金属颗粒的硅橡胶构成。材料的电阻率随导电颗粒含量变化。

与报警装置通过电路连接的传感器电极用于遗尿症治疗是众所周知的事情。尿液中存在的电解质通过充填电极之间的空隙或通道实现报警电路闭合，由此指示出现排尿的情况。大多数现有电极有一组平行的正负电极图形，否则就是线性蛇形的图形，故此尿液必须接触裸线使报警电路闭合。裸线通过绝缘体中的间隙能够与尿液接触，这样尿液就必须进入正负极间隙以接触电线并使电路闭合(见PCT/JP2006/313995，Wada等人)。

US 2008/0246620和PCT/NZ2008/000331在Wada之外另外提出，其限于电路沿两个导电塑料半区之间的狭窄间隙闭合，每个半区分别与从接线端子伸入传感器主体的一个正极导电元件和一个负极导电元件接触。因为电解质可能存在于一个塑料半区而不使电路闭合，整个传感器仅通过此电路由两个半区组成的表面，所以这种情况存在不利之处。本公开案不限于这种方式，通过本发明导电弹性体正负轨迹电极连接到各自电线端子引线端，并且导电弹性体轨迹电极在整个传感器“轨迹图案”上都相互靠近，从而使电解质可以通过同时接触沿占去整个传感器表面的整个轨迹图案的正负轨迹电极表面上任何点就使电路闭合。这是一个很重要的改进，这是因为要考虑到阴茎或其他电解质源在电解质位置方面不可预测，故此在神经系统训练中每一刻都要争取时，每个闭合电路所需的电解质体积或数量应尽可能低，对应的电路闭合应尽可能迅速，以实现有效的治疗。传感器轨迹图案的实例如图2A-2L中所示。

与现有解决方案相比的另一个优势是使用热成型安装轨迹电极。所述热成型弹性体电极显著比现有传感器薄膜或印刷电路更大更牢固，能够耐受用户穿戴过夜，也能耐受尿液等腐蚀性物质的降解。Crnkovich等人的US 2008/0041792中描述了一种完全使用固体非柔性载体上印刷电路板探测导液管部位泄漏的“湿度传感器”。这种电路不能耐受尿液的腐蚀性效应与佩戴者的过夜连续使用的合并作用。

用来探测尿液以外物质中存在的电解质所用的传感器将会以传感器电极之间形成导电桥接的相同原理运行，由此执行闭合电路的功能，为不同治疗形式提供帮助，具体取决于传感器探测的内容、上游电子器件以及处理的是何种人体系统。其他目的的实例包括探测导液管部位的血液或脊髓液泄漏和感知尿布中的粪便。这些实例并不排除其他用途，而是要描述一些在传感器电极中使用导电弹性体的一些应用，以及在哪些方面显示出导电弹性体电极因为很多原因（但是特别是因为电解质可接触耐用弹性体轨迹电极的表面任何部分并立即产生电流，而现有解决方案需要额外的时间使电解质与散布的金属线触点接触或需要足够的体积和方向性连接塑料电极半区)比现有解决方案普遍有改善。

发明内容

提供本概述是为了以一种简化形式介绍一系列概念的精选，在下面详细描述中将进行进一步的描述。本概述的目的并不是识别请求保护对象的关键特征或基本特征，其目的也不是用来帮助确定请求保护对象的范围。

本专利公开的使用导电弹性体的电解质传感器是一种探测电解质的传感器，所探测的电解质包括但不限于尿液、汗液、唾液、粪便、脊髓液和血液中存在的电解质，且该传感器能够作为所有电解质的传感器使用。应了解术语“电解质”包括但不限于汗液、血液、尿液、粪便、唾液或脊髓液中存在的电解质。使用导电弹性体的电解质传感器的一个应用实例是在遗尿症治疗领域，由此将传感器接入由传感器中尿液的存在触发的报警电路。传感器包含正负导电弹性体轨迹电极、一个或多个基底部分以及分隔电极的一个或多个间隙或通道。“正”“负”轨迹电极被定义为相应连接到最终转而与正负电池端子相连的正负接线端引线的电极。导电弹性体轨迹电极优选热成型在高度柔性的非导电性有机硅基底部分上，间隙或通道借此将整个图案上的正负轨迹电极分隔开。

轨迹电极可安置在基底部分的顶部，也可陷入基底部分；间隙或通道可能包含使用可用的空气作为气体绝缘体的空间空穴，或者将由此陷入的电极用间隙或通过由基底部分中有机硅等实体绝缘材料组成的间隙或通道分隔开。间隙或通道不限于均匀尺寸，由此整个轨迹图案上的间隙或通道可能尺寸不均匀。电解质(如尿液中存在的电解质)形成了跨相邻正负轨迹之间通道或间隙的导电桥接，造成电路闭合，尿液中存在的电解质由此能够在正负轨迹电极之间传导电荷。电路闭合后连接报警装置或能够向远程报警或其他电子装置发送信号的发射器。在一些实施例中，使用导电弹性体的电解质传感器由一个电解质传感器组成。

在一些实施例中，使用导电弹性体的电解质传感器提高了速度，探测电解质的传感器使用其通过用导电弹性体制成的传感器电极发出存在电解质的警报，故此导电弹性体能够在沿其整个表面的任何一点传导电流，故此电路在正导电弹性体电极和负导电弹性体电极之间闭合，并且正负电极由此通过金属线、导电弹性体的其他部分或任何其他将电流施加到传感器部分电极的方式连接到电源。

在一些实施例中，使用导电弹性体的电解质传感器通过使用导电弹性体制成电解质传感器电极而提高了传感器对所需电解质响应的专一性，故此弹性体组成和电极轨迹之间的间隙或通道大小是跨间隙形成电流所需克服电阻数值的函数。

在一些实施例中，使用导电弹性体的电解质传感器可通过用导电弹性体制成尿液传感器电极并将其通过轨迹图案连接到高度柔性的有机硅基底部分来改进尿液传感器的功能形状，故此阴茎在夜间可改变定位，故此导电弹性体电极轨迹可设计成图案探测几乎任何形状有用面积的尿液。

在一些实施例中，使用导电弹性体的电解质传感器可通过用导电弹性体制成电解质传感器，借助减少触发电解质传感器所需电解质的量，改进最先进的电解质探测。

在一些实施例中，使用导电弹性体的电解质传感器可通过用导电弹性体制成电解质传感器以及使用柔性有机硅基底部分或桥接部分提高电解质传感器的柔性。

在一些实施例中，使用导电弹性体的电解质传感器，可通过用导电弹性体制成电解质传感器以及使用柔性有机硅制成基底部分或桥接部分，利用包括触感相对温暖等弹性体的固有性质，提高用户穿戴的电解质传感器的舒适度，故此有机硅基底部分做成柔软的圆滑边角。使用弹性体替代传感器表面的金属同样增加了舒适度，故此尽可能减少了刚硬尖锐材料在传感器构造中的使用。

在一些实施例中，使用导电弹性体的电解质传感器通过将电解质传感器电极和引线在有机硅基底上热成型提高了电解质传感器的耐久性。

在一些实施例中，使用导电弹性体的电解质传感器通过用导电弹性体而不是金属线制成电解质传感器提高电解质传感器的电阻率。

在本概述以及以下详细描述中所描述实施例的特点和应用并非包括一切。有了以下附图、说明书和权利要求，所述领域的普通技术人员会很清楚很多其他特征和优点。

 实施例通过举例的方法图示说明，在附图的图形中并不是限制，图中相似的参考符号表示类似的要素，附图中：。

图1所示为按照一个实施例连接到基底件和电极轨迹的接入电极引线端子透视图。

图2A-L所示为按照一个实施例作为可制成图案的各种电极轨迹图案。

图3是按照一个实施例具有岛状电极图案的传感器的分解侧视图。

描述了本公开案的实施例。在下列描述中，出于说明的目的，陈述了很多具体的细节，以便提供对实施例的充分了解。但是，本领域的技术人员会很清楚，本专利也可在没有这些具体细节的情况下实施。

本公开案涉及优选用于探测汗液、血液、尿液、粪便、唾液和脊髓液的电解质传感器，所有这些都含有能够在电极间传导电流的电解质，应理解术语“电解质”包括但不限于下列分析物中存在的电解质：汗液、血液、尿液、粪便、唾液或脊髓液。本公开案同样旨在实现一般意义下所有可能的分析物跨电极间隙的电阻测量。

本公开案中所述的优点可能源自用导电弹性体制成电解质传感器以及具有各种性能，这些性能能够实现的包括设计传感器形状和面积(例如涉及阴茎或尿液或电解质来源位置的多变性)方面的灵活性、用电极面积和响应时间函数表示的电解质导电的更高灵敏性、传感器耐腐蚀性、传感器对汗液、血液、尿液、粪便或脊髓液的导电专一性、传感器柔性和舒适性以及由于热成型结构所带来的传感器耐久性。

图1所示为连接到基底件和电极轨迹的接入电极引线端子透视图。图2A-L所示为作为本发明可制成图案实例的各种电极轨迹图案。图3是具有岛状电极图案的传感器的分解侧视图。在线型轨迹电极以外，本专利中“轨迹电极”是包含多个间隔开的“电极岛”(本发明中的“岛”)的电极图案设计的其他优选实施例。见图2L和图3。使用岛状图案的传感器组成包含连接端子线305、315，两者接正负覆盖平面导电网格325、335，这两个网格通过基底部分110中的绝缘层1100内部相互分隔开。平面网格325、335具有相应的较小正负线柱327、337，两者从平面网格上垂直突出，穿过绝缘材料到达基底部分110的外表面。正负突起线柱在位置上相互偏移，弹性体热成型在两者之上。结果是多个弹性体岛电极310、320，它们是通过物理和电的方式由间隙120分隔的交替柱状或非柱状正负电极，然后电解质可充满或穿过较长距离的间隙，由此可使电路闭合。

生产导电弹性体的化学工艺为总所周知，主要由混合弹性体和导电颗粒组成。应了解的是，可使用很多等效组合物产生能够成型合适正负电极的弹性体组合物。此外，使用的组合物可归类为聚合物，与弹性体形成对照。本公开案弹性体组成的优选实施例在以下的表格中说明。

分隔正负轨迹电极150、170或岛310、320以保持电极间要求距离的方法包括但不限于将电极轨迹150、170或岛310、320以相互之间要求的距离热成型到基底件110上，或者使用电极间的非导电“桥接”，故此可能使用或可能不使用基底部分。优选的实施例是使用非导电性有机硅基底件110，由此通过热成型到电极轨迹或岛以及基底件110将接入端子引线50、70或305、315连接到轨迹电极150、170或岛310、320，以防止端子末端在使用中脱落或使脱落很难发生。裸露的端子引线50、70或305、315靠近对应的电极一部分定位。来自有机硅基底部分110的有机硅熔融在裸露端子线50、70或305、315周围，将连接处硫化。将端子50、70或305、315在电极上热成型，传感器制造就不受要将金属线顺应弹性体轨迹模具成形相关的物理和成本限制，这是另外的一个优势。

热成型还是将接线端子50、70或305、315连接到有机硅基底部分的优选手段。本公开案还预计使用铆钉、螺丝、摩擦和/或压缩连接手段。

预计端子接线50、70或305、315可直接连接到报警或其他电子装置，或可将端子引线连接到发射装置，发射装置可传输到远程报警或其他电子装置。另外预计传感器100可具有一个以上的感应表面，由此基底部分110可包含一个以上的表面，其上可在表面上放置具有相同或不同轨迹图案的弹性体轨迹电极。

包含正负轨迹电极150、170或岛310、320的导电弹性体轨迹通过将正负轨迹电极分开的通道或间隙120布置，故此通道或间隙距离被确定为正电极或其部分与最靠近的负电极或其部分之间的距离。电极间通道或间隙距离的大小被确定为由电解质在正负导电弹性体轨迹电极间迅速形成电路桥接的导电能力决定的发挥功能的大小，故此没有电解质时通道或间隙距离大小就会造成电路保持开路。预计电解质不仅可使相互之间只有一个间隙或通道距离的正负电极桥接，也可桥接由很多间隙或通道分隔或可能采用大小不均匀的间隙或轨道距离的的正负轨迹。因此确定，应理解到预期轨迹间的间隙或通道距离的实施例以及轨迹宽度或面积的相关实施例包含的发挥功能的值仅由跨过特定距离并在具有一定电阻等级的承载电流的电极之间的给定电极导电性限定。正负电极之间非限定的优选实施例包含间隙或通道距离是1-20 mm，轨迹宽度或直径大小的优选实施例是1-20 mm。

应进一步了解本公开案预期到不相等大小的间隙或通道距离，以及同一个传感器中有不同的轨迹大小。但是，优选实施例是使轨迹电极图案具有用于给定电解质探测所需大小范围内的间隙和轨道距离和/或轨迹宽度和直径。见图 2A-2L。

还应理解，本公开案预期在由此得到的实施例中，使用非导电性有机硅或同等材料形成很小的桥接，其布置根据的是起到在电极间建立和保持相互之间间隙或通道或者多个间隙或通道的功能的功能性间隔。但是，本公开案的优选实施例是利用非导电性有机硅基底110作为分隔手段，形成电极轨迹之间的间隙或通道120，由此将导电弹性体轨迹150、170或岛310、320安装到非导电性有机硅基底110上，其安装方式使间隙或通道120设在它们之间，由此将电极轨迹安装到基底优选的安装方法是热成型。导电弹性体轨迹以及有机硅基底的优选组成如下表中所示：。

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导电弹性体。

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有机硅：甲基乙烯基硅橡胶（二甲基聚硅氧烷） …………………………57%。 

导电炭黑：乙炔炭黑（乙炔黑）  ……………………………………………42%。

硬化剂：2.5-2.5-2-甲基叔丁基过氧-2乙烷（二甲基-2.5二(叔丁基过氧)己烷) …1%。

。 

绝缘硅橡胶基底（传感器基底）。 

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有机硅：甲基乙烯基硅橡胶（二甲基聚硅氧烷） ………………………99%。 

硬化剂：2.5-2.5-2-甲基叔丁基过氧-2乙烷（二甲基-2.5二(叔丁基过氧)己烷) …1%。 

。 

有了上述对电极轨迹实施例的功能性定义，就有可能有很多具有正负导电弹性体轨迹间相关间隙或通道的轨迹图案等效发挥功能。这些实例中的一些如图2A-2L所示。因此应了解，使用上述功能定义的轨迹图案相互等效，优选实施例更准确应被理解为一系列间隙或通道距离以及相关轨迹宽度和面积（直径）的值的范围。

因此也就描述了使用导电弹性体的电解质传感器的实施例。虽然，己经用具体实施方案对实施例作了描述，但显而易见在本发明基础上可以作一些改进或修改，而不偏离本发明更广泛的精神和本案中所述系统和方法的范围。因此，应将本说明书和图纸视为说明而非限制意义。

Claims (13)

1.一种用于分析物检测的电解质传感器，所述电解质传感器包含一个或一个以上正负轨迹电极，所述正负轨迹电极包括一种导电聚合物，在整个电解质传感器表面以相对靠近的图案布置，以使分析物在接触表面时使电路闭合。

2.权利要求1的电解质传感器，其中所述的一个或一个以上的正负轨迹电极连接到各自的端子引线端，端子引线端与各自的正负电池端子连接。

3.权利要求1的电解质传感器，其中的聚合物是一种弹性体。

4.权利要求1的电解质传感器，其中正负轨迹电极靠近的距离足够防止正负轨迹电极之间形成电路。

5.权利要求1的电解质传感器，其中靠近的距离由一个或一个以上不均匀尺寸的间隙或通道形成。

6.权利要求5的电解质传感器，其中正负轨迹电极在整个表面形成岛状，所述的一个或一个以上的间隙或通道将岛状隔开。

7.权利要求5的电解质传感器，其中测量所述的一个或一个以上的间隙或通道两侧间的电阻，分析物包括下列一种或一种以上：固体、液体和气体。

8.权利要求5的电解质传感器，其中所述一个或一个以上的间隙或通道相应具有足够的大小，允许固体、液体或气体中存在的分析物在所述一个或一个以上正负轨迹电极之间导电。

9.权利要求1的电解质传感器，其中所述一个或一个以上的正负轨迹电极由一个或一个以上桥接分开。

10.权利要求1的电解质传感器，其中所述一个或一个以上的正负轨迹电极布置在柔性的不导电基底部分上，所述不导电基底部分实现了所述一个或一个以上正负轨迹电极的分隔，并且在所述正负轨迹电极之间的距离具有足够的刚性。

11.权利要求1的电解质传感器，其中所述一个或一个以上的正负轨迹电极通过热成型和硫化或通过胶粘剂附着在柔性不导电基底部分上。

12.权利要求1的电解质传感器，其中所述的柔性不导电基底部分包括一种有机硅。

13.权利要求1的电解质传感器，其中所述的分析物包括下列中的一种或一种以上：尿液、血液、唾液、脊髓液、汗液和粪便。

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