CN103502796B - 具有可更换盒体和阅读器的传感器系统 - Google Patents
具有可更换盒体和阅读器的传感器系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种传感器系统（100），包括具有传感器单元（155、156）的阅读器（150），以及用于可更换盒体（110）的容纳空间（151）。所述盒体（110）通过至少一个接触元件（111）被保持在所述容纳空间（151）中，所述接触元件（111）具有增大的热阻和/或减小尺寸的接触面积。因此能够在所述盒体（110）内实现更均匀的温度分布，从而减小可能对光学测量有不利影响的变形。
Description
技术领域
本发明涉及包括可更换盒体和用于在所述盒体中进行测量的阅读器的传感器系统。此外，其还涉及用于这种传感器系统的盒体。
背景技术
WO2009016533A2公开了一种微电子传感器设备，其用于在载体处进行光学检查，具体而言用于通过受抑内全反射（FTIR）检测载体的接触表面处的磁性粒子。特定的激光器模块用于将在测量期间由载体的热膨胀引起的光学变形最小化。
发明内容
本发明的目标是改善在可更换盒体中进行的测量的准确性和鲁棒性，尤其是如果所述盒体内的温度可能不同于环境温度。
该目标通过根据权利要求1或权利要求2的传感器系统、根据权利要求3的可更换盒体，以及根据权利要求11的用于得以实现。在从属权利要求中公开了优选的实施例。
根据其第一个方面，本发明涉及用于对样品进行检查的传感器系统，具体而言涉及用于在生物样品中进行测量的传感器系统。所述传感器系统包括两个主要部件，即：
-可更换盒体，其具有能够在其中提供样品的“检查区域”，并且具有在那里能够从外侧接触所述盒体的（至少）第一接触区域和第二接触区域。所述盒体优选为具有微流体腔的低成本注射塑模的塑料零件，诸如血液或唾液的样品能够被容纳在所述微流体腔中。由于样品对其的污染，所述盒体通常在一次使用之后被丢弃。
-阅读器，其具有能够在检查期间容纳前文提及的盒体的容纳空间，并且具有用于当所述盒体在所述容纳空间中时，在所述盒体的所述检查区域中进行测量的传感器单元。换言之，界定的所述检查区域为或包括所述盒体中这样的区域，当所述盒体在所述容纳空间中时，在所述区域中所述阅读器进行（或能够进行）测量。此外，所述盒体的所述第一接触区域和第二接触区域为这样的区域，当正在所述容纳空间中时，所述盒体在所述第一接触区域和第二接触区域处被所述阅读器接触。
所述传感器系统还包括至少一个接触元件，所述盒体通过所述接触元件被支撑在所述容纳空间中（即所述盒体的重量的至少一部分由该元件承载），并且所述接触元件包括所述第一接触区域或（当所述盒体在所述容纳空间中时）触及所述第一接触区域。所述接触元件可以为其自身的部件，但其通常为所述盒体的或所述阅读器的组分部分。此外，应注意，所述接触元件为涉及所述盒体和所述阅读器的附属部件，即，其体积和/或重量通常小于所述盒体的体积/重量的50%，优选小于其10%。
此外，所述传感器系统的上述部件被设计为使得存在通过所述接触元件的第一横截面，该横截面的热阻高于在任意其他（第二）横截面处的热阻，所述任意其他（第二）横截面
（i）穿过所述盒体，
（ii）包括所述检查区域，并且
（iii）将所述第一接触区域与所述第二接触区域分开。
由于其较高的热阻，所述第一横截面将在以下被称为“高阻”横截面。所述第二横截面将相应地被称为“低阻”横截面。此外，应注意，所述低阻横截面的热阻涉及这样的状态，在该状态中用样品液体，通常用水基液体填充所述盒体。具体而言，该液体可以为（纯）水。尽管所述“低阻”横截面应仅包括包含所述检查区域的那些横截面，但针对所述接触元件所提及的要求将优选地还保留仅满足条件（i）和（iii）的所有横截面的更大的集合。
在本发明的上下文中，面积A（这里为高阻横截面或低阻横截面的盒体区域）的“热阻”R被定义为以下等式中的（反）比例常数：
P=grad T/R （1）
该等式表示当假设恒定温度梯度（grad T）跨过面积A时，通过所考虑的面积A的热流量P（单位：W）。应注意，热阻的值R通常与所考虑面积A的大小成反比。
根据第二个方面，本发明涉及一种传感器系统，包括：
-可更换盒体，其具有能够在其中提供样品的检查区域，并且具有能够在那里接触所述可更换盒体的第一接触区域。
-阅读器，其具有用于所述盒体的容纳空间，并且具有用于在所述盒体的所述检查区域中进行测量的传感器单元。
-至少一个接触元件，所述盒体通过所述接触元件被支撑在所述容纳空间中，并且所述接触元件包括或触及所述第一接触区域，其中所述第一接触区域（C1、C2）的面积小于约200mm2。优选地，该面积小于约100mm2，最优选小于约50mm2。
根据第二个方面的所述传感器系统优选地可以包括根据本发明第一个方面的传感器系统的特征。盒体与阅读器之间小的接触面积实现了如第一传感器系统的设计的模拟效果，即其在所述接触元件中产生高热阻。
通过提供带有在阅读器的容纳空间内的盒体的具有高（相对）热阻的接触元件，能够增加测量的鲁棒性和准确度，尤其是在涉及所述盒体内的温度控制的测定中。这是因为，无论何时一定量的热流过所述盒体从而使得其通过所述第一接触区域和第二接触区域两者（它们为所述盒体能够通过它们交换热的主要区域），在所述接触元件的所述高阻横截面遭遇的热阻都大于在任意其他低阻横截面遭遇的热阻。因此所述接触元件因其高热阻而提供了热交换的瓶颈，其继而造成在所述盒体的剩余部分内更均匀的温度分布。这尤其允许使热应力和变形远离所述盒体的所述检查区域中对测量关键的部分，例如光学表面。
由于所述传感器系统的所述盒体和所述阅读器为物理上和商业上的独立项，本发明的思想能够被应用于并实现在它们的任一个中。因此，本发明还涉及作为独立元件的、用于上文描述种类的传感器系统的可更换盒体，所述盒体包括能够在其中提供样品的检查区域，能够在那里接触所述盒体的第一接触区域和（任选地）第二接触区域，以及至少一个接触元件，所述盒体通过所述接触元件被支撑，并且所述接触元件包括所述第一接触区域。此外，存在穿过所述接触元件的高阻横截面，所述高阻横截面的热阻高于在穿过所述盒体和所述检查区域并将所述接触区域分开的任意其他低阻横截面处的热阻。备选地或额外地，所述第一接触区域的面积小于约200mm2。
类似地，本发明还涉及用于上文描述种类的传感器系统的阅读器，所述阅读器包括以下部件：
-用于盒体的容纳空间。
-用于在所述盒体的检查区域中进行测量的传感器单元。
-用于在所述容纳空间中支撑所述盒体的至少一个接触元件，其中，所述接触元件（i）具有高阻横截面，所述高阻横截面的热阻高于在穿过所述盒体的所述检查区域的任意其他低阻横截面处的热阻，和/或（ii）包括小于约200mm2的盒体与阅读器之间的接触面积。
下文中，将描述涉及上文描述的所述传感器系统、所述可更换盒体，和/或所述阅读器的本发明的各个优选实施例。
第一个实施例涉及针对热阻的优选相对值。穿过所述盒体的任意低阻横截面的热阻应任选地小于所述接触元件中所述高阻横截面的热阻的50%，优选小于10%，还要更优选小于3%，并且最优选小于1%。
优选地，所述盒体与所述阅读器之间的所有接触区域均被设计为具有高热阻的“接触元件”（至少所有承载所述盒体的重量的那些区域，并且可以除了旨在进行受控热交换的区域）。
在能够如何增加所述接触元件相对于所述盒体的剩余部分的热阻方面存在不同的方式。例如，所述接触元件可以由具有比其余盒体的材料更小热导率的材料制成。然而，为了允许所述盒体具有成本效益地从单一材料生产，优选经由其几何设计实现所述接触元件的增加的热阻。在本发明的具体实施例中，所述接触元件因此包括从所述盒体的本体或从所述阅读器延伸的支柱。所述支柱因此表示具有减小的横截面的元件，热必须通过该横截面传输，从而在通过所述立柱的高阻横截面中产生增加的热阻。
在对前文提及的实施例的进一步发展中，所述支柱可以被提供有锥形尖端或圆形尖端，所述盒体与所述阅读器在所述尖端处接触。在圆形尖端的情况中，弯曲的半径优选介于约10μm至1000μm之间。在锥形或圆形尖端处，热流必须通过其而发生的横截面还被进一步减小（在线接触或点接触中理论上为零的值），因此，相应地增加热阻。
在本发明的另一实施例中，所述阅读器包括热控制单元，所述热控制单元用于当所述盒体被设置于所述容纳空间中时与所述盒体交换热。所述热控制单元应能够生成热（充当加热器）和/或吸收热（充当冷却器）。利用这种热控制单元，能够根据期望控制所述盒体内的温度，这对于许多生物测定是至关重要的。所述热控制单元通常与所述盒体热接触，以允许精确且快速的温度调节。与此相反，所述盒体与所述阅读器之间的剩余接触优选地全部经由具有高热阻的接触元件制成。因此所述盒体被紧密热耦合到所述热控制单元，而仅被弱耦合到所述阅读器的剩余部分。
前文提及的热控制单元优选被设置为与所述至少一个接触单元相对。因此，热基本上从一侧被转移到（或转移出）所述盒体，所述盒体在另一侧被保持在热隔离中。
所述阅读器的所述传感器单元可以适于根据任意适合于手头工作的测量原理进行测量，所述传感器单元可以例如为光学、磁性、机械、声学、热和/或电子传感器单元。磁性传感器单元可以具体包括线圈、霍尔传感器、平面霍尔传感器、磁通门传感器、SQUID（超导量子干涉设备）、磁共振传感器、磁限制传感器，或在WO2005/010543Al或WO2005/010542A2中描述的种类的磁阻式传感器，尤其为GMR（巨磁电阻）、TMR（隧道磁电阻）或AMR（各向异性磁电阻）。
最优选地，所述阅读器的所述传感器单元适于进行光学测量。光学传感器单元例如可以适于检测产生于因感测表面处的目标粒子造成的受抑内全反射的输入光束的变化。光学测量通常对热影响非常敏感，其例如影响光学表面的几何结构。因此，这些测量将从本发明提供的优点而大大获益。
本发明还涉及上文描述的所述传感器系统、所述盒体，或所述阅读器的用途，以用于分子诊断、生物样品分析、化学样品分析、食品分析，和/或法医分析。分子诊断例如可以在直接或间接附着到目标分子的磁珠或荧光粒子的帮助下得以完成。
附图说明
本发明的这些以及其他方面将参考下文描述的实施例变得显而易见，并且将参考下文描述的实施例进行阐述。
在附图中：
图1示意性示出根据本发明的传感器系统的侧视图；
图2示意性示出在阅读器上的具有锥形支柱的盒体；
图3示意性示出示意性示出在具有锥形立柱的阅读器上的盒体；
图4示意性示出在阅读器上的具有收缩支柱的盒体；
图5示意性示出在阅读器上的具有包括绝缘区域的支柱的盒体；
图6示出针对a）具有钝头支柱的盒体和b）具有锥形支柱的盒体的模拟温度曲线；
图7示出包括具有脊的支柱的盒体的备选实施例。
具体实施方式
图1示意性示出根据本发明的手持式传感器系统100。类似于已知的传感器系统，该系统100包括两个主要部件，即：
-可更换（一次性）盒体110/CR，其具有能够在其中提供样品的检查区域ER。为此，检查区域ER通常包括微流体腔，所述微流体腔因与本发明的上下文不相关而未在图中详细示出。所述盒体具有顶侧和底侧，其中呈支柱111形式的两个“接触元件”CE从所述底侧向下延伸。
-阅读器150/RD，其提供容纳空间151，盒体110在测量期间能够被设置于容纳空间151中。此外，阅读器150包括传感器单元，所述传感器单元在所图示的范例中包括光发生器155和光检测器156，光发生器155用于将输入光束L1向盒体110引导，光检测器156用于检测从所述盒体返回的输出光束L2。根据定义，所述盒体的“检查区域”ER应具体包括所述盒体中输入光束L1和/或输出光束L2（包括从其生成的瞬逝波）所到达的那些区域。通过这种传感器单元完成的光学测量例如可以基于受抑内全反射（FTIR），如在WO2009016533A2中更详细描述的。
容纳空间151由阅读器150的某种腔构成。该腔151的底部提供盒体110能够利用其支柱111立于其上的表面152。因此所述支柱的尖端在所述盒体被所述阅读器接触的地方具有（第一）“接触区域”C1和C2。
为了利用传感器系统100得到准确的测定结果，测试期间所述测定的温度是重要的，因为测定通常是依赖温度的。因此，阅读器150被装配有加热单元153，以控制一次性盒体110的温度。该加热单元153的加热板被压在盒体110的顶部，以将热转移到所述盒体中。所述加热板在另外的（“第二”）接触区域C3中接触所述盒体。
单侧加热的副作用在于，得到的盒体110中的温度曲线可能导致所述盒体的变形，这对光学读出有不利影响。所述盒体变形主要是所述盒体中不均匀温度曲线的结果。如果所述盒体的一侧比所述盒体的另一侧温度更高，则所述盒体中更高温的一侧将更大程度膨胀，从而导致机械变形。
因此，本发明的目标是改善利用上文描述的种类的传感器系统进行测量的鲁棒性。根据本发明，该目的通过所述盒体中改善的温度曲线得以实现，使得所述盒体的关键元件显示出因温度的局部变化的最小变形。
所述盒体的不期望的机械变形的显著减小可以通过以下方式得以得到：在盒体中不具有直接光学功能的特定部分中局部增加热阻，从而使得大多数温度变化位于盒体的该特定部分，从而导致在所述盒体的光学活性零件中减少的变形。
在图1中所示的实施例中，这通过限定在与读出装置150的接口处的所述盒体的V形接触元件111而得以实现。这导致所述盒体的较小热机械变形，这导致分析光学仪器中更稳定的光学行为。应注意，能够类似地在阅读器150上形成V形锥形尖端。
由于支柱111的V形尖端，针对支撑所述盒体的重量的每个接触区域C1、C2，盒体110与阅读器150之间的接触面积能够显著减小。例如，典型的特征尺寸是两个尖端为100μm宽和4cm长，从而得到约8mm2的接触面积。针对没有在肋上的额外尖端（或脊，参考图7）的盒体，接触面积将为约80mm2（两倍于1mm宽和40mm长）。与此相反，完全没有肋的典型盒体（10mm宽和40mm长）将具有约400mm2的接触面积。
图2为对由本发明实现的效果而言是必不可少的部件的单独图示。它们为：
-盒体CR，具有其检查区域ER和（三个）接触区域C1、C2、C3，所述盒体CR能够在所述接触区域处被阅读器RD接触。
-阅读器RD，具有支撑所述盒体的表面。
盒体CR包括两个“接触元件”CE，即具有尖端的支柱，所述盒体经由所述支柱被支撑在所述阅读器RD上/中，并且所述支柱分别包括接触区域C1和C2。针对每个接触元件CE，满足以下要求（这里针对具有接触区域C1的所述接触元件表达）：存在通过接触元件CE的“高阻”横截面a-a，所述“高阻”横截面a-a的热阻高于在任意其他“低阻”横截面处的热阻，所述“低阻”横截面
（i）穿过整个盒体CR，
（ii）包括检查区域ER，并且
（iii）将所考虑的接触元件CE的接触区域C1与所述其他接触区域（即，C2、C3）中的任意一个分开。
在所示的范例中，所述高阻横截面a-a定位使得其包括所述接触元件CE的各自接触区域C1。针对所述低阻横截面b-b，在图2中示出一个范例。其他范例适于图3至图5中。所述横截面通常为平面的。此外，它们通常切断所述盒体的连接区域。
无论何时在阅读器RD与盒体CR之间交换热，该热交换将通过经由接触区域C1、C2或C3之一的热流而发生（忽略跨所述盒体的表面到周围空气中的热流）。以上要求因此意味着经由接触区域C1到任意其他接触区域（即，C2和/或C3）的任何热流均在接触元件CE中，即在所述高阻横截面a-a中，遭遇最大热阻。因此将在这里出现最大的温度梯度，同时在检查区域ER中的温度将更为均匀。
应注意，横截面（a-a或b-b）的“热阻”R由等式（1）定义，P=grad_T/R，假设恒定温度梯度grad_T跨过横截面区域的。热阻R以K·m/W被测量。在均匀材料中（或，更一般地，在具有恒定热导率λ的主体中），穿过所述主体的任意横截面的热阻R仅为R=c/A，其中c为常数，并且A为所考虑的横截面的面积。因此，不同横截面的热阻的比较相当于对应的横截面积的比较。
图3图示对图2的传感器系统的修改。接触元件CE现在为具有锥形尖端的立柱，该立柱与阅读器RD集成。热效应当然类似于图2中的那些。
图4图示对图2的传感器系统的另一种修改。这里接触元件CE包括它们的直径的收缩处。现在所述高阻横截面a-a通过所述收缩处，而不通过接触区域C1、C2。
图5图示对图4的传感器系统的修改。不同于收缩处，这里的接触元件包括具有较低热导率的区域。这些区域例如可以通过包括热绝缘材料而得到。
图6通过在2℃环境温度获得的在具有支柱（具有钝形末端）的盒体CR（图6a）内的和在根据上文描述的具有锥形支柱的盒体CR（图6b）内的温度曲线，图示了利用本发明可以实现的优点。
此外，在图6中指示了所述盒体中心处和其支柱处的温度。这些温度和温度曲线示出，针对具有V形尖端的盒体温度更少依赖于环境温度，并且示出，针对该盒体，实现了更均匀的温度分布。这导致在V形尖端的情况中，小得多的因热梯度造成的热机械变形。
图7示出盒体210的另一实施例的底侧。在该实施例中，通过在所述盒体的支柱211的底部上限定小的圆形脊212，来局部增加热阻。脊212的弯曲的半径通常可以为约100μm。该实施例的主要优点在于非常容易以低成本制造。
总之，通过局部增加盒体的非关键部分的热阻，使得该非关键部分吸收了大部分的温度下降，而显著改善了因盒体内部的温度曲线造成的一次性盒体的不期望的变形。因此，盒体的关键部分的光学性能不再因机械变形而受损。
尽管已在附图和前面的描述中详细说明并描述了本发明，但这种说明和描述应被认为是说明性或示范性的而不是限制性的；本发明不限于所公开的实施例。本领域技术人员在实施要求保护的本发明时，通过研究附图、说明书以及权利要求书，能够理解并实现对所公开实施例的其他变化变型。在权利要求书中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，并且量词“一”或“一个”不排除多个。在互不相同的从属权利要求中记载了特定措施并不指示不能有利地使用这些措施的组合。权利要求书中的任何附图标记不得被解释为对范围的限制。
Claims (12)
1.一种传感器系统(100)，包括：
-可更换盒体(CR、110、210)，其具有检查区域(ER)，并且具有第一接触区域(C1、C2)和第二接触区域(C3)，在所述检查区域中能够提供样品，在所述第一接触区域和所述第二接触区域处所述可更换盒体能够被接触；
-阅读器(RD、150)，其具有用于所述盒体(CR、110、210)的容纳空间(151)，并且具有用于在所述盒体(CR、110、210)的所述检查区域(ER)中进行测量的传感器单元(155、156)；
-至少一个接触元件(CE、111、211)，所述盒体(CR、110、210)通过所述至少一个接触元件被支撑在所述容纳空间(151)中，并且所述至少一个接触元件包括或触及所述第一接触区域(C1、C2)，
其中，存在通过所述接触元件(CE、111、211)的“高阻”横截面(a-a)，所述“高阻”横截面的热阻高于在任意其他“低阻”横截面(b-b)处的热阻，所述“低阻”横截面
(i)穿过所述盒体(CR、110、210)，
(ii)包括所述检查区域(ER)，并且
(iii)将所述第一接触区域(C1、C2)与所述第二接触区域(C3)分开。
2.一种传感器系统(100)，包括：
-可更换盒体(CR、110、210)，其具有检查区域(ER)，并且具有第一接触区域(C1、C2)，在所述检查区域中能够提供样品，在所述第一接触区域处所述可更换盒体能够被接触；
-阅读器(RD、150)，其具有用于所述盒体(CR、110、210)的容纳空间(151)，并且具有用于在所述盒体(CR、110、210)的所述检查区域(ER)中进行测量的传感器单元(155、156)；
-至少一个接触元件(CE、111、211)，所述盒体(CR、110、210)通过所述至少一个接触元件被支撑在所述容纳空间(151)中，并且所述至少一个接触元件包括或触及所述第一接触区域(C1、C2)，其中，所述第一接触区域(C1、C2)的面积小于200mm2。
3.一种可更换盒体(110、210)，其用于根据权利要求1所述的传感器系统(100)，所述可更换盒体(110、210)包括：
-检查区域(ER)，在所述检查区域中能够提供样品；
-第一接触区域(C1、C2)和第二接触区域(C3)，在所述第一接触区域和所述第二接触区域处所述可更换盒体能够被接触；
-至少一个接触元件(CE、111、211)，所述盒体(CR、110、210)通过所述至少一个接触元件被支撑，并且所述至少一个接触元件包括所述第一接触区域(C1、C2)，
其中，存在通过所述接触元件(CE、111、211)的“高阻”横截面(a-a)，所述“高阻”横截面的热阻高于在任意其他“低阻”横截面(b-b)处的热阻，所述“低阻”横截面
(i)穿过所述盒体(CR、110、210)，
(ii)包括所述检查区域(ER)，并且
(iii)将所述第一接触区域(C1、C2)与所述第二接触区域(C3)分开。
4.根据权利要求1所述的传感器系统(100)或根据权利要求3所述的盒体(CR、110、210)，
其特征在于，在任意低阻横截面(b-b)处的热阻小于在所述高阻横截面(a-a)处的热阻的10％。
5.根据权利要求4所述的传感器系统(100)或所述的盒体(CR、110、210)，
其特征在于，在任意低阻横截面(b-b)处的热阻小于在所述高阻横截面(a-a)处的热阻的3％。
6.根据权利要求1或2所述的传感器系统(100)或根据权利要求3所述的盒体(CR、110、210)，
其特征在于，所述接触元件(CE)包括从所述盒体(CR、110、210)或所述阅读器延伸的支柱(111、211)。
7.根据权利要求6所述的传感器系统(100)或所述的盒体(CR、110)，
其特征在于，所述支柱(CE、111)包括锥形尖端。
8.根据权利要求6所述的传感器系统(100)或所述的盒体(CR、210)，
其特征在于，所述支柱(211)包括圆形尖端(212)，具体而言所述圆形尖端具有介于10μm至1000μm之间的半径。
9.根据权利要求1或2所述的传感器系统(100)或根据权利要求3所述的盒体(CR、110、210)，
其特征在于，所述阅读器(RD、150)包括热控制单元(153)，所述热控制单元用于与所述容纳空间(151)中的盒体(CR、110、210)交换热。
10.根据权利要求9所述的传感器系统(100)或所述的盒体(CR、110、210)，
其特征在于，所述热控制单元(153)被设置为与所述接触元件(CE、111、211)相对。
11.根据权利要求1或2所述的传感器系统(100)或根据权利要求3所述的盒体(CR、110、210)，
其特征在于，所述阅读器(RD、150)的所述传感器单元(155、156)适于进行光学测量。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的传感器系统(100)或所述的盒体(CR、110、210)用于分子诊断、生物样品分析、化学样品分析、食品分析和/或法医分析的用途。
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