CN113196048B - 包括流体吸收和分配层的流体感测设备 - Google Patents

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Abstract

提供了包括流体吸收和分配材料层的流体感测设备。该层包括多孔纤维非织造基质，该多孔纤维非织造基质用于将流体从对象吸收到层的第一主表面并且将所吸收的流体横向分配在整个层上并且分配到层的与第一主表面相反的第二主表面。水合传感器设置在层的第二主表面上以测量水合程度。

Description

包括流体吸收和分配层的流体感测设备
技术领域
本公开涉及流体感测设备以及该流体感测设备的制造和使用方法。
背景技术
包括流体感测设备的便携式电子设备已被广泛使用。
发明内容
本公开提供基于加热流体吸收和分配层的局部区域并且测量其热响应的流体感测设备。该区域在其吸收流体时的热导率和热扩散率的增加可用于确定所吸收的流体的量。期望改善流体在整个流体吸收和分配层上的均匀分配。
在一个方面，本公开描述了一种流体感测设备，该流体感测设备包括一个或多个水合传感器以及流体吸收和分配材料层。一个或多个水合传感器设置在流体吸收和分配材料层上，并且流体吸收和分配材料层包括多孔纤维非织造基质。
在另一方面，本公开描述了一种用于定量流体感测的方法。该方法包括：提供流体吸收和分配材料层，该流体吸收和分配材料层具有与对象流体连通的第一主表面；将流体从所述对象吸收到所述层的所述第一主表面，并且将所吸收的流体横向分配在整个所述层上并且分配到所述层的与所述第一主表面相反的第二主表面；以及提供一个或多个水合传感器，该一个或多个水合传感器设置在层的第二主表面上以测量其水合程度。流体吸收和分配材料层包括多孔纤维非织造基质。
在本公开的示例性实施方案中获取各种意料不到的结果和优点。本公开的示例性实施方案的一个此类优点在于，本文所述的流体吸收和分配材料层可将流体从对象吸收到其第一主表面，并且将所吸收的流体横向分配在整个层上并且分配到相反的第二主表面。对于这种均匀的流体分配，设置在第二主表面上的具有相对较小覆盖区的感测元件可测量局部区域处的水合程度，该局部区域代表整个层。
已总结本公开的示例性实施方案的各种方面和优点。上面的发明内容并非旨在描述本公开的当前某些示例性实施方案的每个例示的实施方案或每种实施方式。下面的附图和具体实施方式更具体地举例说明了使用本文所公开的原理的某些优选实施方案。
附图说明
结合附图考虑到以下对本公开的各种实施方案的详细说明可以更全面地理解本公开，其中：
图1A示出根据一个实施方案的包括天线的无线流体感测设备的示意性俯视图。
图1B示出根据一个实施方案的图1A的无线感测设备的剖视图。
图1C示出根据另一实施方案的有源流体感测设备的示意性俯视图。
图1D示出根据另一实施方案的有源流体感测设备的示意性俯视图。
图2A示出实施例E4的一个主表面的光学图像。
图2B示出实施例E4的另一主表面的光学图像。
图3A示出实施例E1的一个主表面的光学图像。
图3B示出实施例E1的另一主表面的光学图像。
图4A示出比较例C1的一个主表面的光学图像。
图4B示出比较例C1的另一主表面的光学图像。
图5A示出实施例和比较例的诱导温度变化对流体体积的曲线图。
图5B示出图5A的诱导温度变化的一阶导数对流体体积的曲线图。
图6示出实施例和比较例的流体分配均匀度对流体体积的曲线图。
在附图中，相似的附图标号指示相似的元件。虽然可不按比例绘制的上面标识的附图阐述了本公开的各种实施方案，但还可想到如在具体实施方式中所提到的其它实施方案。在所有情况下，本公开以示例性实施方案的表示的方式而非通过表述限制来描述当前所公开的公开内容。应当理解，本领域的技术人员可想出许多其它修改和实施方案，这些修改和实施方案落在本公开的范围和实质内。
具体实施方式
图1A至图1B示出根据一些实施方案的无线流体感测设备100。无线流体感测设备100(或称为射频(RF)传感器标签)包括基板110、天线120和电耦合到天线120的感测电路130。基板110具有第一主表面112和与第一主表面112相反的第二主表面114。天线120设置在基板110的主表面114或112的周边部分上。感测电路130设置在第二主表面114上，并且包括电耦合到天线120的RF部件132。示例性感测电路在WO 2016/073344(Jesme等人)中有所描述，该专利以引用方式并入本文。
基板110可以是柔性的或刚性的。在一些实施方案中，基板110可为可拉伸的。在一些实施方案中，基板110可包括聚合物膜。在一些实施方案中，基板110可包括聚氨酯。合适的聚合物膜可包括例如弹性体聚氨酯、共聚酯、聚醚嵌段酰胺、聚酯、聚乙烯、聚萘二甲酸乙二醇酯、硅氧烷诸如聚二甲基硅氧烷(PDMS)、柔性环氧树脂、聚酰亚胺、聚硫化物、含氟聚合物等。应当理解，基板110可由任何适用于柔性电路的材料制成，例如任何适用于绷带的材料、任何适用于皮肤上佩戴的膜等。
天线120可具有被设计用于与RF读取器近场耦合的任何合适的配置。天线120可被设置在基板的一侧或两侧上。在一些实施方案中，基板120可为线圈天线。在一些情况下，天线120可具有螺旋形式。在一些具体实施中，天线120可包括一个或多个基本上同心的导电环。在一些配置中，天线可具有在第一端部与第二端部之间的长度，该长度小于例如约2米。线圈天线可具有基于其几何结构的电感，该电感与电连接的部件(一般称为RF部件)的电容产生谐振，从而增强与RF读取器的频率接近的给定磁场强度下的感应电压。
当无线感测设备100被设置为靠近对象(例如，人的皮肤)以测量例如对象的水合程度时，感测电路130被定位为靠近对象以测量对象的性质。
在图1A至图1B的所描绘的实施方案中，感测电路130包括电耦合到天线120的RF部件132。在一些情况下，RF部件132可根据标准ISO 14443A、ISO 15693或其它标准或专有通信协议来实行调制和解调。感测电路130还包括加热元件134和感测元件136，该感测元件热耦合到加热元件134，并被配置为生成传感器信号(例如，感测加热元件134的温度)。RF部件132可功能性地连接到感测元件，以接收传感器信号，并且经由天线120与外部设备传达传感器信号。
在一些具体实施中，RF部件132(该RF部件包括收发器和/或控制电路的部件)可被配置为包含可调谐或可切换的电容以产生至少两个电容值(即，第一电容、第二电容)，或者可包含用于控制外部可变电容的电路，或者可包含用于允许一个或多个外部电容元件切换到电路之中或之外的电路。
在一些实施方案中，加热元件134和感测元件136可为集成电路的部件。在一些实施方案中，感测元件136可为热传感器，该热传感器检测响应于温度改变在电气性质、光学性质、声学性质等中的可测量改变。
在一些实施方案中，感测电路130可为水合传感器，该水合传感器被配置为当水合传感器被设置为靠近对象时测量对象的水合程度。感测电路130可包括一个或多个部件，所述一个或多个部件包括例如收发器、控制电路、能量收获设备、储能设备、热源、传感器等。应当理解，感测电路130可为用于感测将被测量的对象的物理或化学性质的任何合适类型的传感器。
在一些实施方案中，天线120和感测电路130中的一个或多个可为射频识别(RFID)标签的部件。柔性和/或可拉伸基板上的RFID标签在于2014年7月31日提交的名称为“可拉伸基板上的RFID标签(RFID Tag on Stretchable Substrate)”的美国专利申请62/031,581以及于2014年7月31日提交的名称为“柔性基板上的RFID标签(RFID Tag on FlexibleSubstrate)”的美国专利申请62/031,603中有更详细的描述，这两个专利申请的全部内容以引用方式并入本文。
虽然图1A至图1B示出了无源无线流体感测设备的一个实施方案，但本文所述的流体感测设备可具有其它合适的配置。例如，如图1C所示，有源无线流体感测设备200包括功能性地连接到天线220的水合感测电路230，并且电源202被配置为向设备200提供电力。与图1A至图1B的感测电路130类似，水合感测电路230包括加热元件234和感测元件236，该感测元件热耦合到加热元件234并且被配置为生成传感器信号(例如，感测加热元件134的温度)。水合感测电路230还包括电耦合到天线220的RF部件232。如图1D所示，有源有线流体感测设备300包括经由连接器306功能性地连接到控制器304的水合感测电路330，并且电源302被配置为向设备300提供电力。水合感测电路330还包括加热元件334和感测元件336，该感测元件热耦合到加热元件334并且被配置为生成传感器信号(例如，感测加热元件334的温度)。水合感测电路330可不需要RF部件。
在所示的各种实施方案中，当流体感测电路(例如，130、230或330)热耦合到目标区域时，感测电路130可感测目标区域温度的时间变化，并且传输所感测的温度的时间变化。可提供处理器以接收传感器信号并且基于所感测的目标区域温度的时间变化来确定指示水合程度的水合指示。
在图1A至图1D的所描绘的实施方案中，各种流体感测设备100、200和300各自包括流体吸收和分配层10，该流体吸收和分配层用作流体吸收和分配介质以吸收液体，诸如汗液、伤口渗出液、冷凝物、出汗、油等，并且将所吸收的液体均匀地分配在整个层10上。层10包括多孔纤维非织造基质，该多孔纤维非织造基质用于将流体从对象吸收到层14的第一主表面12，并且将所吸收的流体横向分配在整个层上并且分配到层的与第一主表面12相反的第二主表面14。
热加热元件(例如，134、234或334)与流体吸收和分配层10的目标区域热接触以向该局部区域提供热量。在一些情况下，热加热元件可被设置为彼此靠近并且形成热接触。在其它情况下，热加热元件可与目标区域物理直接接触。在一些情况下，热加热元件沿着层10设置在所吸收的液体上或至少部分地设置在其中。
感测元件(例如，136、236或336)热耦合到热加热元件以测量该目标区域的热响应，该热响应可取决于目标区域中的所吸收流体的浓度或性质。可通过经由加热元件将已知量的热量引入目标区域中并且测量所得温度随时间的变化来测量目标区域处的局部流体浓度。在一些情况下，局部流体浓度可与每单位输入功率(热量)的诱导温度变化(ΔT)成反比。这种工作原理的详细讨论可见于WO2016073344。
一般来讲，影响热响应的局部区域的范围包括竖直范围和横向范围。影响热响应的局部区域的竖直范围(即，厚度)可被设计成类似于或小于流体吸收和分配层10的厚度，使得其热响应的测量主要指示流体吸收和分配层10的状态。竖直范围可被称为测量的探测深度，其主要由加热的持续时间以及流体吸收和分配层10的有效热扩散率限定。热扩散率(导出的材料性质)为热导率与密度和比热容的乘积的比率。流体吸收和分配层10为含有多种材料的有效介质，因此其具有基于其构成材料、周围介质诸如空气和所收集的流体的分数组合的有效材料性质。影响热响应的局部区域的横向范围(例如，长度和宽度)至少为加热元件的横向尺寸，其尺寸以类似于测量的探测深度的方式通过加热的持续时间和流体吸收和分配层10的有效热扩散率增加。
感测设备100的横向尺寸显著大于其竖直范围，这意味着影响热响应的局部区域的横向尺寸远小于感测设备100的横向尺寸。对感测设备100的最小横向尺寸的约束在一些实施方案中包括天线120的所需尺寸，并且在可能需要显著的横向表面积来准确地对对象进行采样的情况下包括发射流体的对象的性质。在一个示例性应用中，对象为人体皮肤，并且感兴趣的流体为汗液，其中人体的典型表面积为约1.5平方米至约2平方米，并且代表身体的给定区域中的人体出汗模式的采样面积可为大约10平方厘米、100平方厘米或500平方厘米，其中期望对跨感测设备100的至少数百或数千个汗腺的群体进行采样。在另一示例性应用中，对象为人体伤口并且感兴趣的流体为渗出液，其中伤口敷料的典型横向尺寸可为约5厘米至最多约30厘米或更大。跨感测设备100内的流体吸收和分配层10的横向尺寸实现相对均匀的流体分配在这些示例性应用和其它设想的流体收集应用中是有利的，使得影响流体吸收和分配层10的热响应的局部区域可被测量并且被认为代表层的状态。
感测元件(例如，136、236或336)可具有有效感测区域11，如图1B所示。可经由感测元件通过测量诱导温度变化(ΔT)来确定有效感测区域11中的局部流体浓度。在一些实施方案中，有效感测区域11可具有与层10上的感测元件的覆盖区相关的覆盖区尺寸11S。在一些实施方案中，覆盖区尺寸11S可相当于层10的在相反的表面12和14之间的厚度D。在一些实施方案中，层10可具有在例如约0.5mm至约5cm、约1mm至约2cm、或约2mm至约1cm范围内的厚度D。根据期望的应用，层10可具有任何表面积。在许多应用中，层10的横向尺寸(例如，长度或宽度)可为厚度D的至少2倍、5倍或10倍。在一些实施方案中，感测元件在层10上的有效感测覆盖区(例如，对应于图1B中的覆盖区尺寸11S)可小于层10的表面积的20％、小于10％、小于5％或小于2％。
本公开提供基于加热流体吸收和分配层的局部区域并且测量其热响应的流体感测设备。期望改善流体在整个流体吸收和分配层上的均匀分配。否则，测量可能易受不均匀的流体分配的影响，这在一些情况下可能是不期望的。例如，不均匀的流体分配将需要包括多个感测元件以充分映射不均匀度，以便确定准确的总流体量，从而需要额外的材料成本以及额外的加热功率和能量。本公开的示例性实施方案的一个优点在于，本文所述的流体吸收和分配材料层可将流体从对象吸收到其第一主表面，并且将所吸收的流体均匀地分配在整个层上并且分配到相反的第二主表面。对于这种均匀的流体分配，设置在第二主表面上的具有相对较小覆盖区的感测元件可测量局部区域处的水合程度，该局部区域代表整个层。
流体吸收和分配材料层10包括多孔纤维非织造基质。在一些实施方案中，流体吸收和分配层10还可包括被包裹在多孔纤维非织造基质中的多个无定形球化金属硅酸盐颗粒。
可用的金属硅酸盐包括金属的硅酸盐，金属诸如镁、钙、锌、铝、铁、钛等(优选地，镁、锌、铁和钛；更优选地，镁)以及它们的组合。优选的是为至少部分熔融的颗粒形式的无定形金属硅酸盐(更优选地，无定形球化金属硅酸盐；最优选地，无定形球化硅酸镁)。金属硅酸盐是已知的并且可通过已知方法来化学合成，或者通过开采和加工天然存在的原矿获得。
在一些实施方案中，可基本上通过可提供使颗粒被包裹在其中的纤维非织造基质(即，并非织造或针织织物的纤维网或介质，其包含互层的纤维)的任何方法来制备流体吸收和分配层。可用的方法包括熔吹、纺粘法和其它气流成网技术；粗梳法；湿法成网；等等；以及它们的组合(优选地为气流成网、湿法成网以及它们的组合；更优选地，湿法成网)。
适用于制备多孔纤维非织造基质的纤维包括可制浆纤维。优选的可制浆纤维为对辐射和/或对多种溶剂稳定的那些纤维。可用的纤维包括聚合物纤维、无机纤维以及它们的组合。优选地，所用的纤维中的至少一些纤维表现出一定程度的亲水性，并且所用的纤维中的至少一些纤维表现出一定程度的疏水性。
合适的聚合物纤维包括从天然聚合物(动物或植物)和/或合成聚合物(包括热塑性聚合物和溶剂可分散的聚合物)制成的那些聚合物纤维。可用的聚合物包括羊毛；蚕丝；纤维素聚合物(例如纤维素、纤维素衍生物等)；氟化聚合物(例如，聚(氟乙烯)、聚(偏二氟乙烯)、偏二氟乙烯的共聚物(例如，聚(偏二氟乙烯-共-六氟丙烯))、三氟氯乙烯的共聚物(例如，聚(乙烯-共-三氟氯乙烯)等)；氯化聚合物；聚烯烃(例如，聚(乙烯)、聚(丙烯)、聚(1-丁烯)、乙烯和丙烯的共聚物、α烯烃共聚物(诸如乙烯或丙烯与1-丁烯、1-己烯、1-辛烯和1-癸烯的共聚物)、聚(乙烯-共-1-丁烯)、聚(乙烯-共-1-丁烯-共-1-己烯)等)；聚(异戊二烯)；聚(丁二烯)；聚酰胺(例如，尼龙6；尼龙6，6；尼龙6，12；聚(亚氨己二酰亚氨六亚甲基)；聚(亚氨己二酰亚氨十亚甲基)；聚己内酰胺；等)；聚酰亚胺(例如，聚(均苯四酰亚胺)等)；聚醚；聚(醚砜)(例如，聚(二苯醚砜)、聚(二苯砜-共-二苯醚砜)等)；聚(砜)；聚(醋酸乙烯酯)；醋酸乙烯酯的共聚物(例如，聚(乙烯-共-醋酸乙烯酯)、其中至少一些醋酸酯基团已经水解以提供多种聚(乙烯醇)，包括聚(乙烯-共-乙烯醇)等)；聚(磷腈)；聚(乙烯酯)；聚(乙烯醚)；聚(乙烯醇)；聚芳酰胺(例如，聚对-芳酰胺，诸如聚(对苯二甲酰对苯二胺)以及特拉华州威名顿市的杜邦公司(DuPont Co.，Wilmington，Del.)以商品名“KEVLAR”销售的纤维，其浆液以基于制成浆液的纤维长度的多种品级商购获得，所述品级诸如“KEVLAR1F306”和“KEVLAR 1F694”，两者均包含长度至少4mm的聚芳酰胺纤维；等)；聚(碳酸酯)；等等；以及它们的组合。优选的聚合物纤维包括聚酰胺、聚烯烃、聚砜以及它们的组合(更优选地为聚酰胺、聚烯烃以及它们的组合；最优选地为尼龙、聚乙烯以及它们的组合)。
合适的无机纤维包括含有至少一种无机材料的无机纤维，该无机材料选自玻璃、陶瓷以及它们的组合。可用的无机纤维包括玻璃纤维(例如，E-玻璃、S-玻璃等等)、陶瓷纤维(例如，由金属氧化物(诸如氧化铝)、碳化硅、氮化硼、碳化硼等等制成的纤维)等等以及它们的组合。可用的陶瓷纤维可为至少部分结晶的(表现出可识别的X射线粉末衍射图案或同时含有结晶相和无定形(玻璃)相)。优选的无机纤维包括玻璃纤维及其组合。
用于形成多孔纤维非织造基质的纤维可具有这样的长度和直径，该长度和直径可为特定应用提供具有充分结构完整性和充分孔隙率的基质。例如，至少约0.5mm、1mm、2mm、3mm、4mm、6mm、8mm、10mm、15mm或甚至20mm(以及它们的组合)的长度和至少约10微米(测微计)、20微米、或甚至40微米(以及它们的组合)的直径可能是有用的。优选的纤维长度和直径将根据包括纤维性质和应用的类型的因素而变化。例如，长度为约1mm至约3mm的原纤化聚(乙烯)以及长度为约6mm至约12.5mm的非原纤化尼龙可为可用的。
在一些实施方案中，为有利于包埋颗粒和/或确保高表面积基质，用于形成多孔纤维非织造基质的纤维优选地包含至少一种原纤化纤维(例如，以被许多较小的连接原纤所围绕的主纤维的形式)。主纤维一般可以具有约0.5mm至约4mm范围的长度以及约1至约20微米范围内的直径。原纤通常可具有亚微米直径。
多孔纤维非织造基质可包含两种、三种、四种或甚至更多种不同类型的纤维。例如，可为了强度和完整性而添加尼龙纤维，同时可为了包埋颗粒而添加原纤化聚乙烯。如果使用原纤化纤维和非原纤化纤维，则通常，原纤化纤维对非原纤化纤维的重量比可以为至少约1∶2、1∶1、2∶1、3∶1、5∶1或甚至8∶1。无论选择什么类型的纤维，所得吸收和分配层中纤维的量(以干燥形式)都优选地为至少约60重量％至100重量％(基于吸收和分配层的全部组分的总重量)。
优选地，多孔纤维非织造基质还包含至少一种聚合物粘结剂。合适的聚合物粘结剂包括相对惰性(几乎不表现出或不表现出与纤维或颗粒的化学相互作用)的天然和合成聚合物材料。对于一些应用，聚合物树脂、聚合物粘结剂和组合可为有用的。优选的聚合物粘结剂包括纤维聚合物粘结剂。
合适的聚合物树脂包括但不限于天然橡胶、氯丁橡胶、苯乙烯-丁二烯共聚物、丙烯酸酯树脂、聚氯乙烯、聚醋酸乙烯酯等，以及它们的组合。优选的聚合物树脂包括丙烯酸酯树脂以及它们的组合。合适的纤维聚合物粘结剂包括纯粘合剂型纤维(例如，Kodel.TM.43UD纤维，可得自田纳西州金斯波特市的伊士曼化学品公司(Eastman ChemicalProducts，Kingsport，Tenn.))、双组分纤维(例如，并列型形式，诸如Chisso ES聚烯烃热粘结双组分纤维，可得自日本大阪市的智索株式会社(Chisso Corporation，Osaka，Japan)；皮/芯型形式，诸如Melty.TM.纤维4080型双组分纤维，其具有聚酯芯和聚乙烯外皮，可得自日本大阪市的尤尼吉可株式会社(Unitika Ltd.，Osaka，Japan)；等等)等等，以及它们的组合。优选的纤维聚合物粘结剂纤维包括双组分纤维以及它们的组合(更优选地，皮-芯型双组分纤维以及它们的组合)。
无论使用什么类型的聚合物粘结剂，所得吸收和分配层中粘结剂的量(以干燥形式)基于吸收和分配层的全部组分的总重量，一般可为约5重量％至约15重量％(优选地，约9重量％至13重量％)。此类量的聚合物粘结剂一般可为多孔纤维非织造基质提供充分的完整性以用于多种应用，而并不显著地涂覆颗粒。
在一些实施方案中，流体吸收和分配层10可通过包括以下步骤的方法来制备：(a)提供多根上述纤维；(b)提供多个上述颗粒；以及(c)将多根纤维的至少一部分形成使多个颗粒的至少一部分包裹在其中的多孔纤维非织造基质。如上文提及，可基本上通过可提供使颗粒包裹在其中的纤维非织造基质(即，并非织造或针织织物的纤维网或介质，其包含互层的纤维)的任何方法来进行该形成。可用的方法包括熔吹、纺粘法和其它气流成网技术；粗梳法；湿法成网；等等；以及它们的组合(优选地为气流成网、湿法成网以及它们的组合；更优选地，湿法成网)。
优选地，通过使用湿法成网法或“湿法成网”方法来进行该形成，该方法包括：(a)形成分散体，该分散体包含多根纤维、多个颗粒(其可在进行其它加工步骤前与其它组分一起加入并分散，或者如果需要，可在该方法中稍后但通常在除去分散液之前加入并分散)以及处于至少一种分散液(优选地是水)中的至少一种纤维聚合物粘结剂；以及(b)从分散体中除去分散液。在这种方法中，纤维可分散在分散液中以形成浆液。如果需要，纤维可包含添加剂或化学基团或部分以有助于其分散。例如，基于聚烯烃的纤维可包含马来酸酐或琥珀酸酐官能团，或在聚乙烯纤维的熔融加工期间可添加合适的表面活性剂。
当纤维聚合物粘结剂用作聚合物粘结剂时，一般可首先进行脱水，随后加热来完成脱水并且熔融纤维聚合物粘结剂(并且因此将聚合物粘结剂沉积在纤维上)。
以下描述是基于抄片法，但本领域的技术人员可容易地认识到如何调整此类方法以提供连续方法。在一个优选的湿法成网方法中，纤维可在分散液(例如，水、水混溶性有机溶诸如醇或它们的组合)的存在下在容器中共混。未发现用于共混所得混合物的剪切力的量影响所得吸收和分配层的最终性质，但共混期间引入的剪切力的量优选相对高。此后，可将颗粒加入容器中。
可将所得纤维液体浆液倾注到模具中，模具的底部可用筛网覆盖。可允许分散液(优选地，水)通过该筛网从混合物(以湿片材的形式)中排出。纤维沉积到多孔筛网上，同时允许分散液排出(通过重力或通过真空)。在足够的液体从片材排出后，一般可从模具中移出湿片材，并通过压制、加热或两者的组合来使之干燥。可在这些干燥过程中使用约300kPa至约600kPa的压力和约100℃至约200℃的温度(优选地，约100℃至约130℃)。当纤维聚合物粘结剂在优选的湿法成网工艺中用作聚合物粘结剂时，所施加的热可用于熔融纤维聚合物粘结剂。
所得干燥片材可具有至少约1mm、2mm、4mm或甚至5mm的平均厚度。所得干燥片材在面向成形筛网的侧面上具有图案。
如上所提及，颗粒可为微粒。根据所使用的纤维的性质，微粒可通过化学相互作用(例如，化学键合)或物理相互作用(例如，吸附或机械夹带)夹带于多孔纤维非织造基质中。吸收和分配层的优选实施方案包括包含至少一种原纤化纤维的那些，该原纤化纤维可影响颗粒的机械截留。
吸收和分配层中的颗粒量优选地可为至少约20重量％、30重量％或甚至40重量％(基于吸收和分配层的全部组分的总重量)。颗粒夹带于多孔纤维非织造基质中并且优选地分布于其中(更优选地，颗粒基本上均匀地遍及整个基质分布)。
吸收和分配层(以片材材料形式)的基重可在约150g/m2至约500g/m2(优选地约170g/m2至约400g/m2；更优选地，约180g/m2至约380g/m2)的范围内。
一般来讲，片材材料的平均孔隙尺寸一般可在约0.1微米至约10微米的范围内，如通过扫描电子显微镜法(“SEM”)测量。在约20体积％至约80体积％范围内的空隙体积可为可用的(优选地，约40体积％至约60体积％)。可通过在纤维混合物中包括较大直径或刚度的纤维来修改(增加)片材材料的孔隙率。
可将未压延的片材材料切割成期望的尺寸并且用于进行本公开的流体吸收和分配过程。单层片材材料可有效实施本公开的流体吸收和分配过程。
虽然不想受到理论的束缚，但我们认为，使用湿法成网法或湿法成网方法来制备流体吸收和分配材料层的技术优势在于，能够使用具有不同程度的亲水性和疏水性的纤维，该纤维为流体行进穿过层提供曲折路径。发现这种纤维非织造基质可在单个层中有效地分配流体，而无需形成单独的流体吸收和分配层。此外，随机纤维布置允许流体分配，与快速芯吸、开孔材料不同，这进一步允许有效的感测测量。
除非另外指明，否则本说明书和实施方案中所使用的表达量或成分、特性测量等的所有数字在所有情况下均应理解成由术语“约”来修饰。因此，除非有相反的说明，否则在上述说明书和所附实施方案列表中示出的数值参数可根据本领域的技术人员利用本公开的教导内容寻求获得的期望特性而变化。最低程度上说，并且在不试图将等同原则的应用限制到受权利要求书保护的实施方案的范围内的情况下，每个数值参数应至少根据所报告的有效位数并通过应用惯常的四舍五入法来解释。
在不脱离本公开实质和范围的情况下，可对本公开的示例性实施方案进行各种修改和更改。因此，应当理解，本公开的实施方案并不限于以下描述的示例性实施方案，而应受权利要求书及其任何等同物中示出的限制因素控制。
示例性实施方案列表
以下列出示例性实施方案。应当理解，实施方案1至14以及实施方案15至21中的任一项可组合。
实施方案1为一种流体感测设备，该流体感测设备包括：
一个或多个水合传感器；和
流体吸收和分配材料层，
其中一个或多个水合传感器设置在流体吸收和分配材料层上，并且
其中流体吸收和分配材料层包含多孔纤维非织造基质。
实施方案2为根据实施方案1所述的流体感测设备，其中多孔纤维非织造基质包含至少一种原纤化纤维。
实施方案3为根据实施方案1或2所述的流体感测设备，其中所述多孔纤维非织造基质的纤维选自聚合物纤维、无机纤维以及它们的组合。
实施方案4为根据实施方案3所述的流体感测设备，其中聚合物纤维包含选自聚酰胺、聚烯烃以及它们的组合的至少一种聚合物。
实施方案5为根据实施方案3或4所述的流体感测设备，其中无机纤维包含选自玻璃、陶瓷以及它们的组合的至少一种无机材料。
实施方案6为根据实施方案1至5中任一项所述的流体感测设备，其中多孔纤维非织造基质包含至少一种聚合物粘结剂。
实施方案7为根据实施方案6所述的流体感测设备，其中聚合物粘结剂包括一种或多种纤维聚合物粘结剂。
实施方案8为根据实施方案1至7中任一项所述的流体感测设备，其中流体吸收和分配材料层还包含多个无定形球化金属硅酸盐颗粒，其中颗粒被包裹在多孔纤维非织造基质中。
实施方案9为根据实施方案1至8中任一项所述的流体感测设备，其中层的第一主表面具有图案化或纹理化表面。
实施方案10为根据实施方案1至9中任一项所述的流体感测设备，该流体感测设备还包括天线，并且一个或多个水合传感器包括电耦合到天线的RF部件。
实施方案11为根据实施方案10所述的流体感测设备，其中一个或多个水合传感器还包括热源元件，该热源元件电耦合到RF元件以改变目标区域的热条件。
实施方案12为根据实施方案11所述的流体感测设备，其中一个或多个水合传感器还包括温度感测元件，该温度感测元件热耦合到热源元件以感测热源的温度。
实施方案13为根据实施方案1至12中任一项所述的流体感测设备，其中一个或多个水合传感器被配置为当一个或多个水合传感器连同流体吸收和分配材料层一起被设置为靠近对象时测量对象的水合程度。
实施方案14为根据实施方案1至13中任一项所述的流体感测设备，其中一个或多个水合传感器在该层上的有效感测覆盖区小于该层的表面积的10％。
实施方案15为一种用于定量流体感测的方法，该方法包括：
提供流体吸收和分配材料层，该流体吸收和分配材料层具有与对象流体连通的第一主表面；
将流体从对象吸收到层的第一主表面，并且将所吸收的流体横向分配在整个层上并且分配到层的与第一主表面相反的第二主表面；以及
提供一个或多个水合传感器，该一个或多个水合传感器设置在层的第二主表面上以测量其水合程度，
其中流体吸收和分配材料层包含多孔纤维非织造基质。
实施方案16为根据实施方案15所述的方法，其中提供流体吸收和分配材料层包括通过湿法成网工艺形成层。
实施方案17为根据实施方案16所述的方法，其中湿法成网工艺包括形成分散体，该分散体包含分散于分散液中的多根纤维，任选地多个无定形球化金属硅酸盐颗粒。
实施方案18为根据实施方案17所述的方法，其中湿法成网工艺还包括将纤维聚合物粘结剂分散并且沉积到多根纤维上。
实施方案19为根据实施方案17或18所述的方法，该方法还包括从分散体中除去分散液以形成湿片材，其中分散体被设置到筛网上，该筛网使得分散液体能够穿过其排出。
实施方案20为根据实施方案19所述的方法，该方法还包括干燥湿片材以在与筛网接触的侧面上形成图案化表面。
实施方案21为根据实施方案15至20中任一项所述的方法，其中水合传感器在层上的有效感测覆盖区小于层的表面积的10％。
实施例
这些实施例仅用于说明性目的，并非旨在对所附权利要求的范围进行限制。除非另外指明，否则实施例以及说明书的余下部分中的所有份数、百分数、比率等均按重量计。
材料汇总
除非另有说明，否则实施例及本说明书其余部分中的所有份数、百分比、比等均以重量计。表1提供了下面的实施例中使用的所有材料的缩写和来源：
表1
实施例
通过混合如下表2所示的各种量的纤维来制备流体吸收和分配材料的实施例E1至E4。将所有纤维添加至4L共混机(以商品名“37BL84型威力商用重型共混机”购自宾夕法尼亚州拉德诺的威达优尔公司(VWR，Radnor，PA))中的3升冷去离子水中。将实施例E1和E3的混合物以中速共混60秒。检验混合物的纤维是否均匀分散并且无结节或团块。添加四升水并且将混合物另外以中速共混30秒以使团块破碎。将实施例E2的混合物以低速共混30秒。检验混合物的纤维是否均匀分散并且无结节或团块。添加四升水并且将混合物另外以低速共混15秒以使团块破碎。
使用制垫装置(以商品名“TAPPI”得自纽约州沃特敦市的威廉姆斯装置公司(Williams Apparatus，Watertown，NY))来制备毡，该制垫装置具有测量约30厘米(12英寸)见方和30厘米(12英寸)深度的盒，该盒的底部具有细目筛网和排液阀。将盒用自来水填充直至超过筛网约1厘米的高度。在筛网上将一片14英寸×12英寸的聚乙烯纺粘(PETLutradur 7240，得自俄亥俄州辛辛那提的Fiberweb公司(Fiberweb，Cincinnati，Ohio))作为稀松布置于筛网上。将每种纤维混合物倒入盒中并且立即打开阀，这产生将水拉出盒的真空。
将湿法成网毡从装置转移到20平方厘米的吸墨纸(96磅白纸，得自明尼苏达州圣保罗的锚纸公司(Anchor Paper，St.Paul，MN))片材上。将毡夹在2至4层吸墨纸之间，除去过量的水。然后将经压制的毡转移到新鲜的吸墨纸片材上并且置于设定为110℃的烘箱(Thermo Scientific HERATherm OMS100系列，购自VWR国际公司(VWR International))中约3.5小时来除去残余的水以及形成多孔湿法成网基质。将实施例E1和E3的毡在125℃下干燥约4小时。将实施例E2的毡在110℃下干燥约3.5小时。按照上述基本方法，在中试规模湿法成网设备上以大约350加仑的批次制备实施例E4。在110℃下干燥350gsm(克/平方米)。
表2
比较例C1
比较例C1为以商品名MSX-6916B 3M吸收剂聚氨酯泡沫得自3M公司(明尼苏达州圣保罗市(St.Paul，MN))的吸收性开孔聚氨酯泡沫。
光学表面图像
针对实施例E4和E1以及比较例C1的每个主表面获得反射光显微镜图像，如分别在图2A至图2B、图3A至图3B和图4A至图4B中所示。如图2B所示的对于实施例E4可见的纹理是通过在形成期间在湿法成网方法中使用筛网作为纤维网的基板而产生的。如图2A所示，实施例E4的另一个表面具有随机纹理。该材料E4的孔隙率从任一表面均不可见。图3A至图3B中的实施例E1的表面各自具有随机纹理，并且类似于E4，材料孔隙率从任一表面均不可见。图4A至图4B中的比较例C1的表面更平滑，特别是如图4A所示，其中来自显微镜光环的镜面反射是可见的，并且材料C1在具有相对圆形孔形状的材料体积中是可见多孔的。
由于图2A至图4B所示的所有样品均主要为白色，并且存在最小对比度，因此通过将图像水平范围从0-255水平(即，8位灰度)降低到150-255水平来以数字方式增强每个图像的对比度。每个图像右下角的比例尺显示1.00mm长度以供参考。
流体吸收和分配测试
下文所述的一组实验涉及在一个位置处将受控量的流体“点源”输入到流体吸收和分配材料样品中，并且测量存在于流体吸收和分配材料的相反的表面上的两个位置处的流体的量。该设置给出了对通过每种流体吸收和分配材料的体积的局部流体浓度和横向流体扩散的定量量度。通过向材料中引入已知量的热量并且测量所得温度随时间的变化来测量给定传感器位置处的局部流体浓度，其中局部流体浓度与每单位输入功率的诱导温度变化(ΔT)成反比。通过比较两个空间位置之间的所感测的局部流体浓度来计算横向流体扩散。
测试设置
测试组件设置有流体贮存器、用于附接到注射器泵和空气净化器的2个端口、从贮存器的顶表面伸出的用于将流体递送到待测流体吸收和分配材料中的小中心端口。聚碳酸酯膜垫片搁置在贮存器的顶部表面的顶部，以改善流体递送到样品中的准确性，从而减少来自贮存器的附加流体的自芯吸。
在流体吸收和分配材料的1英寸方形样品上提供两个名义上相同的传感器尾端，用于感测局部流体量。传感器尾部被设计成具有彼此紧邻的小型表面贴装薄膜电阻器(1kΩ，0201-尺寸0.6×0.3×0.23mm，Susumu)和小型表面贴装热敏电阻器(100kΩ，在25℃下为0201-尺寸0.6×0.3×0.3mm，Panasonic)，以使得能够通过修改的瞬态平面热源方法来测量热传递。在时间t0时，将恒定量的功率输入到电阻器(通常为1mW或2mW)，并且周期性地对热敏电阻器的电阻进行采样以获得温度对时间的曲线。从t0到测量结束的所得温度变化与周围环境的热导率成比例，在该设置中，周围环境的热导率与流体吸收和分配材料的局部区域中所包含的流体的分数成比例。传感器尾部基板使用DuPont LF8520铜层合的聚酰亚胺(0.0007″铜、0.001″丙烯酸粘合剂和0.002″聚酰亚胺)，其具有DuPont LF0110覆盖层(0.001″聚酰亚胺和0.001″丙烯酸粘合剂)；蚀刻各自具有0.100mm迹线宽度的四条迹线以与部件垫进行电连接，并且通过焊接将部件附接到垫。
添加Parafilm-M层以覆盖感测电路，从而得到防潮层；添加MSX-6916B吸收性聚氨酯泡沫层(明尼苏达州圣保罗的3M公司(3M Company，St.Paul，MN))用于热隔离；以及添加质量块以维持传感器尖端与流体吸收和分配材料之间的热接触。
测试样品
从材料片上切下实施例E1至E4和比较例C1的每种流体吸收和分配材料的一英寸方形样品，并且将两个传感器放置成在中心和“边缘”位置处与顶部表面接触，如图所示。沿着方形样品的对角线，边缘位置距离中心位置大约1至1.5cm。
制备若干样品组，下表中汇总了每种样品的性质。用棘轮测微器(Mitutoyo 293-344型)测量每个厚度，该修改测微器以通过2个附接的具有2.5cm边缘尺寸的方形聚碳酸酯板在样品的每个主表面上提供均匀的压力。
表3
测试结果
对于中心传感器位置处的受控的流体注入，所有6个样品组的中心传感器位置和边缘传感器位置处的求平均后的传感器读数在图5A至图5B和图6中示出，每个图在下文依次描述。
通过在图5A所示的中心传感器位置处所测量的结果，可以看出尽管样品组SC1的厚度相对较大，但该样品组几乎立即饱和，流体输入很少。在样品组S4-2和样品组S3中也可以看到初始20μL中的显著信号下降。样品组S1和S2各自具有在整个流体注入范围内变得更线性的响应，并且在样品组S4-1中可以看到这些组内定量流体感测的最佳性能，该样品组在整个流体输入范围内是相对线性的，对于每个流体增量，具有相对较大且一致的增量信号变化，并且即使在400μL的注射之后也显示出非常小的饱和度。该行为表明，流体一致地横向扩散，而不是积聚在流体注入部位附近的局部区域内。
上文对每种材料的“线性度”、“增量信号变化”和“饱和度”性能的定性描述可通过观察上述诱导的ΔT曲线中的每个ΔT曲线的数值一阶导数来量化。理想的线性材料对所有流体体积都具有恒定的一阶导数，并且当一阶导数变为有效零时发生饱和。图5B中示出这些离散的一阶导数，省略了初始100μL左右，其中所有材料对流体的响应相当强。
在下表4中示出从图5B的一阶导数获得的对应于定性描述的度量。对一致大的“增量信号变化”的期望由导数曲线的中值表示；对高线性度(低非线性度)的期望由导数范围表示，该导数范围被定义为其最大点和最小点之间的差值；避免饱和度的期望由最终流体注入数据点处的导数值表示。样品组S4-1对于所有度量均表现出最佳性能。
表4
比较了来自同一组实验的中心位置和边缘传感器位置的测量数据。再次重申，流体注入发生在中心位置处，因此定性地说，此处看到明显变化的开始出现延迟，然后传感器信号逐渐减小。更进一步，每种材料中的流体分配的不均匀度的一个定量量度为边缘位置处的传感器信号相对于中心位置处的相应信号之间的分数差。在图6中示出每个这样的不均匀度计算的所得曲线。在逐个样品的基础上进行分数变化计算，然后对所得分数变化求平均，从而得到每个样品组的平均分数差。另外，如下对逆ΔT进行分数变化计算：
在这些分数计算中利用逆ΔT来避免潜在的数值问题，因为对于传感器与流体吸收和分配材料之间的大流体量和小热界面电阻，诱导ΔT将接近零。
在上述数据中，在样品组S4-1中存在最小峰值不均匀度。样品组SC1在所有输入流体体积下具有最差的不均匀度。样品组S1在一些输入流体体积下具有最小不均匀度，但均匀度在整个流体体积范围内不太一致，并且流体分配不如样品组S4-1在较小流体体积下均匀。
可通过记录每条曲线的峰值不均匀度以及由每条曲线和零处水平线所包围的面积来将该不均匀度从这些曲线进一步量化为标量，如下表5所报告：
表5
样品组 峰值不均匀度％ 封闭面积(μL)
S1 -30 -51
S2 -37 -88
S3 -38 -75
S4-1 -20 -52
S4-2 -37 -74
SC1 -63 -215
在每个类别中具有最有利的流体分配性能的样品再次将样品组S4-1显示为最佳，并且将样品组S1显示为次佳。通过以上每条“中心至边缘分数差”曲线(未按100缩放至％单位)的数值积分(通过梯形方法)来计算封闭面积，这为每个样品组产生单个数字以定量其总体不均匀度(以流体体积为单位)。作为参考，对于所有流体体积，具有-100％不均匀度(-1.00分数单位)的样品将给出-400μL的封闭面积，而对于所有流体体积，具有-50％不均匀度(-0.50分数单位)的样品将给出-200μL的封闭面积。
整个本说明书中提及的“一个实施方案”、“某些实施方案”、“一个或多个实施方案”或“实施方案”，无论在术语“实施方案”前是否包括术语“示例性的”都意指结合该实施方案描述的特定特征、结构、材料或特性包括在本公开的某些示例性实施方案中的至少一个实施方案中。因此，在整个本说明书的各处出现的表述诸如“在一个或多个实施方案中”、“在某些实施方案中”、“在一个实施方案中”或“在实施方案中”不一定是指本公开的某些示例性实施方案中的同一实施方案。此外，具体特征、结构、材料或特性可在一个或多个实施方案中以任何合适的方式组合。虽然本说明书已经详细地描述了某些示例性实施方案，但是应当理解，本领域的技术人员在理解上述内容后，可很容易地想到这些实施方案的更改、变型和等同物。因此，应当理解，本公开不应不当地受限于以上示出的例示性实施方案。特别地，如本文所用，用端值表述的数值范围旨在包括该范围内所包含的所有数值(例如，1至5包括1、1.5、2、2.75、3、3.80、4和5)。另外，本文所用的所有数字都被认为是被术语“约”修饰。此外，对各种示例性实施方案进行了描述。这些实施方案以及其它实施方案均在以下权利要求书的范围内。

Claims (21)

1.一种流体感测设备，所述流体感测设备包括：
一个或多个水合传感器；和
流体吸收和分配材料层，
其中所述一个或多个水合传感器设置在所述流体吸收和分配材料层上，
其中所述流体吸收和分配材料层包含多孔纤维非织造基质，并且其中所述多孔纤维非织造基质是通过使用具有不同程度的亲水性和疏水性的纤维制备的，并且所述多孔纤维非织造基质具有随机纤维布置。
2.根据权利要求1所述的流体感测设备，其中所述多孔纤维非织造基质包含至少一种原纤化纤维。
3.根据权利要求1所述的流体感测设备，其中所述多孔纤维非织造基质包括选自聚合物纤维、无机纤维以及它们的组合的纤维。
4.根据权利要求3所述的流体感测设备，其中所述聚合物纤维包含选自聚酰胺、聚烯烃以及它们的组合的至少一种聚合物。
5.根据权利要求3所述的流体感测设备，其中所述无机纤维包含选自玻璃、陶瓷以及它们的组合的至少一种无机材料。
6.根据权利要求1所述的流体感测设备，其中所述多孔纤维非织造基质包含至少一种聚合物粘结剂。
7.根据权利要求6所述的流体感测设备，其中所述聚合物粘结剂包括一种或多种纤维聚合物粘结剂。
8.根据权利要求1所述的流体感测设备，其中所述流体吸收和分配材料层还包括多个无定形球化金属硅酸盐颗粒，其中所述颗粒被包裹在所述多孔纤维非织造基质中。
9.根据权利要求1所述的流体感测设备，其中所述层的第一主表面具有图案化或纹理化表面。
10.根据权利要求1所述的流体感测设备，所述流体感测设备还包括天线，并且所述一个或多个水合传感器包括电耦合到所述天线的RF部件。
11.根据权利要求10所述的流体感测设备，其中所述一个或多个水合传感器还包括热源元件，所述热源元件电耦合到所述RF元件以改变目标区域的热条件。
12.根据权利要求11所述的流体感测设备，其中所述一个或多个水合传感器还包括温度感测元件，所述温度感测元件热耦合到所述热源元件以感测所述热源的温度。
13.根据权利要求1所述的流体感测设备，其中所述一个或多个水合传感器被配置为当所述一个或多个水合传感器连同所述流体吸收和分配材料层一起被设置为靠近对象时测量所述对象的水合程度。
14.根据权利要求1所述的流体感测设备，其中所述一个或多个水合传感器在所述层上的有效感测覆盖区小于所述层的表面积的10％。
15.一种用于定量流体感测的方法，所述方法包括：
提供流体吸收和分配材料层，所述流体吸收和分配材料层具有与对象流体连通的第一主表面；
将流体从所述对象吸收到所述层的所述第一主表面，并且将所吸收的流体横向分配在整个所述层上并且分配到所述层的与所述第一主表面相反的第二主表面；以及
提供一个或多个水合传感器，所述一个或多个水合传感器设置在所述层的第二主表面上以测量其水合程度，
其中所述流体吸收和分配材料层包含多孔纤维非织造基质，并且其中所述多孔纤维非织造基质是通过使用具有不同程度的亲水性和疏水性的纤维制备的，并且所述多孔纤维非织造基质具有随机纤维布置。
16.根据权利要求15所述的方法，其中提供所述流体吸收和分配材料层包括通过湿法成网工艺形成所述层。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述湿法成网工艺包括形成分散体，所述分散体包含分散于分散液中的多根纤维，任选地多个无定形球化金属硅酸盐颗粒。
18.根据权利要求17所述的方法，其中所述湿法成网工艺还包括将纤维聚合物粘结剂分散并且沉积到所述多根纤维上。
19.根据权利要求17所述的方法，所述方法还包括从所述分散体中除去所述分散液以形成湿片材，其中所述分散体被设置到筛网上，所述筛网使得所述分散液能够穿过其排出。
20.根据权利要求19所述的方法，所述方法还包括干燥所述湿片材以在与所述筛网接触的侧面上形成图案化表面。
21.根据权利要求15所述的方法，其中所述水合传感器在所述层上的有效感测覆盖区小于所述层的表面积的10％。
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