TW201621308A - 具整合熱通道的手持測試計 - Google Patents

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埃蒙 桂南
強納森 尼爾森
大衛 艾爾德
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來富肯蘇格蘭有限公司
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Abstract

一種手持測試計，其包括一具有一面朝外表面的電氣絕緣且熱絕緣之殼(「electrically and thermally insulating case,ETIC」)、一具有一設置於該電氣絕緣殼中之熱接觸部分的測試計電子組件(「test meter electrical component,TMEC」)、以及至少一熱通道。該熱通道包括一具有一近側接觸表面的近側接觸部分、一具有一遠側表面的遠側接觸部分、以及一連接該近側接觸部分及該遠側接觸部分的通道部分。該熱通道經與該ETIC整合，以使該熱通道從該面朝外表面延伸穿過該ETIC而至該TMEC之該熱接觸部分。該延伸係使該熱通道之該近側接觸表面係在該ETIC的外部，且該熱通道之該遠側表面係與該TMEC之該熱接觸部分接觸。該熱通道係熱傳導且電氣絕緣的。

Description

具整合熱通道的手持測試計
本發明大致上關於電子裝置，且具體是關於手持測試計及相關方法。
流體試樣中之分析物或流體試樣之特性的測定(例如偵測及/或濃度測量)在醫療領域中特別受到關注。舉例而言，可期望測定一體液(如尿、血液、血漿或組織間液)試樣中的葡萄糖、酮體、膽固醇、脂蛋白、三酸甘油酯、乙醯胺苯酚、血容比及/或HbA1c濃度。此類測定可使用採用例如視覺、光測定或電化學測定技術之手持測試計及相關的分析測試條來達成。此類手持測試計包括多種電子組件，諸如溫度感測器及微控制器(micro-controller)。
一種手持測試計，其包括一具有一面朝外表面的電氣絕緣且熱絕緣之殼(「electrically and thermally insulating case,ETIC」)、一具有一設置於該電氣絕緣殼中之熱接觸部分的測試計電子組件(「test meter electrical component,TMEC」)、以及至少一熱通道。該熱通道包括一具有一近側接觸表面的近側接觸部分、一具有一遠側表面的遠側接觸部分、以及一連接該近側接觸部分及該遠側接觸部分的通道部分。該熱通道經與該ETIC整合，以使該熱通道從該面朝外表面延伸穿過該ETIC而至該TMEC之該熱接觸部分。該延伸係使該熱通道之該近側接觸表面係在該ETIC的外部，且該熱通道之該遠側表面係與該TMEC之該熱接觸部分接觸。該熱通道係熱傳導且電氣絕緣的。
100‧‧‧手持測試計
102‧‧‧電氣絕緣且熱絕緣之殼
103‧‧‧顯示器
104‧‧‧面朝外表面
105‧‧‧使用者可操作按鈕
106‧‧‧測試計電子組件；溫度感測器；熱感測器；電氣組件
108‧‧‧熱接觸部分
110‧‧‧熱通道
111‧‧‧印刷電路板；PCB
112‧‧‧近側接觸部分
114‧‧‧近側接觸表面
116‧‧‧遠側接觸部分
118‧‧‧遠側表面
120‧‧‧通道部分
200‧‧‧方法
210‧‧‧步驟
220‧‧‧步驟
A-A‧‧‧線
併入本文且構成此說明書之一部分的附圖繪示本發明之目前較佳的實施例，並連同上文提供的概要說明及下文提供的實施方式共同用於解釋本發明的特徵，其中：圖1為根據本發明之一實施例的一手持測試計的簡化俯視圖；圖2為圖1之手持測試計的簡化側視圖；圖3為沿圖1之線A-A取得之圖1的手持測試計之一部分的簡化剖面圖；圖4為圖1之手持測試計的簡化剖面(亦沿圖1之線A-A)透視圖；圖5A為圖1之手持測試計經拆解的簡化俯視圖，以清楚描繪該手持測試計之一罩殼內的一印刷電路板(printed circuit board,PCB)；圖5B為圖5A之簡化俯視圖的一部分；圖5C為圖1之手持測試計之一部分的簡化透視描繪，該手持測試計經如於圖5A及圖5B中之拆解；圖6A為圖1之手持測試計的簡化俯視圖，該手持測試計不具整合熱通道(integrated thermal channel)；圖6B為圖1之手持測試計之一部分的簡化俯視圖，該手持測試計不具整合熱通道；圖6C為圖1之手持測試計之一部分的簡化透視圖，該手持測試計不具整合熱通道；圖7A為圖1之手持測試計之一部分的簡化俯視圖，該手持測試計包括其之一整合熱通道；圖7B為圖1之手持測試計之一部分的簡化透視圖，該手持測試計包括其之一整合熱通道；圖8為圖1之手持測試計之一部分的簡化剖面描繪以及一說明性熱傳遞電氣示意模型(thermal transfer electrical schematic model)，該手持測試計包括一整合熱通道、一設置於該手持測試計之一印刷電路板(PCB)上之電子組件(即一熱感測器)；圖9為溫度差量(dT)對時間(單位為秒)的圖表，其繪示本發明之實施例使用的熱通道之有利態樣；以及 圖10為一流程圖，描繪根據本發明之一實施例使用手持測試計之一種方法中的多個階段。
必須參考圖式來閱讀以下的實施方式，其中不同圖式中的類似元件以相同標號標示。圖式不一定按比例繪製，其等僅為解釋目的描繪例示性實施例且不旨在限制本發明的範圍。此實施方式是以實例方式而非以限制方式來說明本發明的原理。本說明將明確地使所屬技術領域中具有通常知識者得以製造並使用本發明，且敘述本發明之若干實施例、適應例、變化例、替代例與使用，包括當前咸信為實行本發明之最佳模式者。
如本文所用，針對任何數值或範圍之「約(about)」或「大約(approximately)」用語指示適當的尺寸公差，其允許組件部分或組件集合針對如本文所述之意欲目的而作用。如本文中所使用，用語「殼(case)」及「罩殼(casing)」係指一外部套殼或殼體。
根據本發明之實施例的手持測試計(諸如經組態以用於測定一體液試樣中之一分析物的手持測試計)包括一電氣絕緣且熱絕緣並具有一面朝外表面之殼；一測試計電子組件(例如一溫度感測器或一微控制器)，其具有一設置於該電氣絕緣且熱絕緣之殼中的一熱接觸部分；以及至少一熱通道。
該熱通道包括一具有一近側接觸表面的近側接觸部分、一具有一遠側表面的遠側接觸部分、以及一連接該近側接觸部分及該遠側接觸部分的通道部分。該熱通道經與該電氣絕緣且熱絕緣之殼整合，以使該熱通道從該面朝外表面延伸穿過該電氣絕緣且熱絕緣之殼而至該測試計電子組件之該熱接觸部分。該延伸係使該熱通道之該近側接觸表面係在該電氣絕緣且熱絕緣之塑膠殼的外部，且該熱通道之該遠側表面係與該測試計電子組件之該熱接觸部分接觸。此外，該熱通道係熱傳導及電氣絕緣的。
根據本發明之實施例的測試計係有利的，舉例而言由於該熱通道可經組態以直接將環境熱傳遞到該電氣絕緣且熱絕緣之殼中的一溫度感測器。在此類之一手持測試計中，該熱感測器的準確度及回應時間均有改善。舉例而言，若習知之手持測試計的熱回應時間(即讓該手持測試計中的熱感應器與一給定之經改變環境溫度可操作地平衡的時間)為30 分鐘，則根據本發明之實施例的手持測試計具有顯著減少之回應時間(例如少於15分鐘)。該熱通道亦可經組態以直接將熱從設置於該電氣絕緣且熱絕緣之殼中的相對高功率產熱的(多個)電子組件(例如一微控制器、液晶顯示器(LCD)、以及USB組件)傳遞至環境，從而預防熱在該殼內之有害的積累。
圖1為根據本發明之一實施例的手持測試計100的簡化俯視圖。圖2為手持測試計100的簡化側視圖。圖3為沿圖1之線A-A取得的手持測試計100之一部分的簡化剖面圖。圖4為手持測試計100的一簡化剖面(沿圖1之線A-A)透視圖。
圖5A為手持測試計100在一經拆解狀態(即一些組件未顯示)的簡化俯視圖，以清楚描繪手持測試計100之一罩殼內的一印刷電路板(PCB)。圖5B為圖5A之手持測試計100之簡化俯視圖的一部分。圖5C為手持測試計100之一部分的簡化透視描繪，手持測試計100經如於圖5A及圖5B中之拆解。圖6A為圖1之手持測試計的簡化俯視圖，該手持測試計不具整合熱通道。圖6B為圖1之手持測試計之一部分的簡化俯視圖，該手持測試計不具整合熱通道。圖6C為圖1之手持測試計之一部分的簡化透視圖，該手持測試計不具整合熱通道。
圖7A為圖1之手持測試計之一部分的簡化俯視圖，該手持測試計包括其之一整合熱通道。圖7B為圖1之手持測試計之一部分的簡化透視圖，該手持測試計包括其之一整合熱通道。
圖8為手持測試計100之一部分的簡化剖面描繪以及該剖面描繪之一說明性熱傳遞電氣示意模型，手持測試計100包括一整合熱通道、一設置於該手持測試計之一印刷電路板(PCB)上之電子組件(即一熱感測器)。圖9為溫度差量(dT)對時間(單位為秒)的圖表，其繪示本發明之實施例使用的熱通道之有利態樣。
請參照圖1至圖7B，用於測定一體液試樣(即一全血試樣)之一分析物(即葡萄糖)的手持測試計100包括具有面朝外表面104之電氣絕緣且熱絕緣之殼102、具有設置於電氣絕緣且熱絕緣之殼102中的熱接觸部分108之測試計電子組件106、以及熱通道110。手持測試計100亦包括顯示器103及使用者可操作按鈕105。在多張圖(諸如圖2、圖 6B及圖7C)中，電氣絕緣且熱絕緣之殼102的側面部分經描繪為透明的，以露出圖中原本會被遮隱的特徵與組件。然而，電氣絕緣且熱絕緣之殼102的側面部分一般但不必然為不透明的。
在手持測試計100的實施例中，熱接觸部分108係經組態為印刷電路板111(亦稱為PCB111)之表面上的焊接墊，該等焊接墊之上組裝有多種電子組件，包括溫度感測器106(亦稱為熱感測器)。為清楚描述，唯一派有標籤的電子組件為溫度感測器106。此類焊接墊經組態以作用為一介於熱通道110及電子組件間之熱介面及傳統電氣介面。使用焊接墊作為熱介面為有利的，因為此類焊接墊基本上係至該溫度感測器之內部溫度的直接熱鏈接(thermal link)。此外，使用該等焊接墊可有效率地將一原本就存在的電氣路徑(electrical pathway)用於附加且有利的有效率熱傳遞之用途。一旦獲悉本揭示內容後，所屬技術領域中具有通常知識者將認知到該熱接觸可用除了焊接墊外之其他合適形態，包括但不限於PCB111上之鍍銅(plated copper)接觸或其他銅層。
請特別參照圖3，熱通道110包括具有近側接觸表面114之近側接觸部分112、具有遠側表面118之遠側接觸部分116、及連接近側接觸部分112及遠側接觸部分116之基本上圓柱狀通道部分120。一旦獲悉本揭示內容後，所屬技術領域中具有通常知識者將認知到本發明實施例中所用之熱通道的形狀可為提供合適有效率之熱傳遞的任何合適的形狀。此類形狀包括但不限於合適的規則幾何形狀，例如三角形、正方形、五角形、以及類似者。此外，遠側接觸部分116及/或遠側表面118可相對於熱通道110之其餘部分經放大，舉例而言，具有例如類香菇(即半球狀)形狀。熱通道110(包括該剖面區域)之尺寸可使用任何合適的熱分析方法預定，該等方法係基於(例如)熱通道之材質的導熱率、任何接觸熱阻、待傳遞之熱的量及此熱傳遞之時間。圖8的左手邊描繪一可用於分析熱通道之熱行為的繪示性簡化熱通道電氣示意模型。
熱通道110經與電氣絕緣且熱絕緣之殼102整合，以使熱通道110從面朝外表面104延伸穿過電氣絕緣且熱絕緣之殼102至測試計電子組件106之熱接觸部分108，以使近側接觸表面114係在電氣絕緣且 熱絕緣之殼102的外部，且遠側表面118係與測試計電子組件106之熱接觸部分108可操作的熱接觸。
熱通道110係熱傳導及電氣絕緣的，且因此有利且即時地將熱直接從電氣絕緣且熱絕緣之殼102外部的周圍環境傳遞至測試計電子組件106之熱接觸部分。熱通道110可具有(例如)在1.0Wm/°K至-20Wm/°K之範圍內的導熱率及超過1M歐姆-米(ohm-meter)之電阻率。電氣組件106可係(例如)可從Texas Instruments,Dallas Texas,USA以TMP112及LM61CIM3之料號(part number)商業購得的熱感測器。
電氣絕緣且熱絕緣之殼102可以任何合適之材料形成，包括(例如)塑膠材料。合適之塑膠材料包括(例如)聚丙烯、聚苯乙烯及聚碳酸酯、聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)、聚甲醛(POM)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)、玻璃強化之液晶聚合物(LCP)及其組合。該電氣絕緣罩殼的塑膠材料經選定以使其與熱通道110相容(例如與熱通道110具有可操作的黏著性)。電氣絕緣且熱絕緣之殼102可具有(例如)小於0.1Wm/°K之導熱率。
熱通道110可經製造為經夾扣或按扣就位的分開模造(mold)組件，或藉由共射出成形(co-injection molding)製程之手段併入標準塑膠罩殼。熱通道110亦可藉由旋螺絲或熱熔接(heat staking)機械地固定至PCB。熱通道110係設置於手持測試計100之一上表面上，且與使用者可能抓握手持測試計100的位置間有足夠的間隔，以使可能無意間從該使用者身體傳遞至該熱通道以至於該熱感測器之熱能最小化，從而避免所感測溫度的有害增加。
熱通道110可(例如)為一摻雜有熱傳導(且電氣絕緣)的微粒子及/或奈米粒子之剛性熱塑性塑膠(rigid thermoplastic)。合適之微粒子及奈米粒子的實例為以下列包括之熱傳導材料形成者：氧化鈹、氧化鋁、氧化鋅、氮化鋁、二氧化矽、玻璃、矽石、以及石英。已發展出多種理論以解釋及預測藉由以熱傳導粒子摻雜不導熱材料所得到的熱特性。請見(例如)Zhang,G(2009),「A Percolation Model of Thermal Conductivity for Filled Polymer Composites,」Journal of Composite Materials。
一例示性但非限制性之適用於熱通道的材料係可以Nemcon H之商標名得自Ovation Polymers。此材料據報具有最多達20W/mK的共平面(in-plane)導熱率及高達3.5W/mK的穿平面(through-plane)導熱率。考量到用於手持測試計罩殼之標準熱塑性塑膠(thermo plastic)的導熱率係0.1W/mK之級數，此一材料具有顯著改善之熱傳遞能力。
一旦得知本揭露後，所屬技術領域中具有通常知識者將認知到手持測試計100可輕易地經組態以操作為一用於使用一測試條(例如一基於電化學的分析測試條)測定一體液試樣(例如一全血試樣)之一分析物(諸如葡萄糖)之手持測試計。
本發明之實施例使用的熱通道可使用於(例如)(i)將熱從環境傳遞至手持測試計之一電子組件或(ii)將熱從手持測試計之一電子組件傳遞至環境。後者之一說明性實例係將熱(即熱能)從手持測試計中之PCB的一部分透過一熱通道傳遞至外在環境。此一熱傳遞之效能可以下列之一簡化但說明性的方式模型化。
含有熱能之適用PCB部分經假定具有30mm之直徑及1mm之厚度。此外，該PCB經假定由(具有一可忽略的熱容量及FR4材料的)銅組成。該外在環境經假定為具有一可忽略之熱容量的空氣。亦假定該熱通道之遠側表面係因強制慣例(forced convention)而處於環境溫度(ambient temperature)。
接著將PCB部分之體積計算如下：r=0.015
h=0.001
體積=π.r 2.h=7.06×10-7(m 3)
假定FR4材料之質量為0.001307kg，超過環境的溫度升高20℃以及FR4熱容量(忽略銅之熱容量)600J kg-1K-1。
FR4材料(假定密度為1850kgm-3)之質量=0.001307(kg)為：E=c.m.△T=15.6J
該熱通道之一說明性熱傳導塑膠能量傳遞計算如下。假定該熱通道基本上係一熱傳導塑膠之中空圓柱(外部直徑為6mm，內部直徑為4mm， 且高度為5mm)，其與PCB之接觸面積(假定為完全介面(perfect interface))為：
假定傳導性熱傳遞之傅立葉定律(Fourier’s law)(q)： k=塑膠之導熱率(假定為5W/mK)
s=厚度=0.00
q=k A dT/s5m 且傳遞能量之時間(t)為：
接著用以降低1℃的連續時間(注意導熱率隨著溫差降低而降低可基本上使用逐段積分計算法(piecemeal integration calculation)來計算)。此處之假設為FR4將其熱完全地傳導至熱通道。得出之電子組件(相較於環境處於一升高的溫度)間的溫差如圖9所繪示。
圖10為一流程圖，描繪用於操縱一手持測試計(諸如本文所述之手持測試計100及根據本發明之其他手持測試計)之方法200中的多個階段。
在圖10之步驟210，方法200包括將一手持測試計暴露至一環境，以使該手持測試計之一電氣絕緣且熱傳導的熱通道經暴露至一周圍環境溫度，該熱通道經與該手持測試計之一電氣絕緣且熱絕緣之殼整合，以使該熱通道延伸穿過該電氣絕緣且熱絕緣之殼至一測試計電子組件之一熱接觸部分。
方法200亦包括當該熱通道在該測試計電子組件及該環境間傳遞熱時操縱該手持測試計(請見圖10之步驟220)。
一旦獲悉本揭示內容，所屬技術領域中具有通常知識者將理解到可輕易修改方法200，以併入根據本發明之實施例及本文所述之具有整合熱通道之手持測試計的任何技術、優點、特徵與特性。
雖然已在本文顯示及敘述本發明的較佳實施例，但是所屬技術領域中具有通常知識者當明白這類實施例僅為舉例說明。在不偏離本發明的情況下，所屬技術領域中具有通常知識者現將意識到為數眾多的變異、改變與置換。須瞭解本文所述之本發明的實施例之不同替代例也可用 於實行本發明。吾人意欲以下列的申請專利範圍界定本發明的範疇，並藉此涵蓋屬於這些申請專利範圍內的裝置、方法及其均等物。
100‧‧‧手持測試計
102‧‧‧電氣絕緣且熱絕緣之殼
103‧‧‧顯示器
105‧‧‧使用者可操作按鈕
110‧‧‧熱通道
118‧‧‧遠側表面
A-A‧‧‧線

Claims (30)

  1. 一種手持測試計，其包含：一電氣絕緣且熱絕緣之殼，其具有：一面朝外表面；至少一具有一設置於該電氣絕緣殼中之熱接觸部分的測試計電子組件；以及至少一熱通道，其包括：一具有一近側接觸表面的近側接觸部分；一具有一遠側表面的遠側接觸部分，以及一連接該近側接觸部分及該遠側接觸部分的通道部分；其中該至少一熱通道係經與該電氣絕緣且熱絕緣之殼整合，以使該熱通道從該面朝外表面延伸穿過該電氣絕緣且熱絕緣之殼而至該測試計電子組件之該熱接觸部分，以使該近側接觸表面係在該電氣絕緣且熱絕緣之塑膠殼的外部，且該遠側表面係與該測試計電子組件之該熱接觸部分接觸；且其中該熱通道為熱傳導且電氣絕緣的。
  2. 如申請專利範圍第1項之手持測試計，其中該手持測試計係經組態以用於測定一體液試樣中之一分析物。
  3. 如申請專利範圍第2項之手持測試計，其中該分析物係葡萄糖，且該體液試樣係一全血試樣。
  4. 如申請專利範圍第1項之手持測試計，其中該電氣絕緣且熱絕緣之殼具有一小於大約0.1Wm/°K之導熱率，且該熱通道具有一在大約1.0Wm/°K至20Wm°/K之範圍內的導熱率。
  5. 如申請專利範圍第1項之手持測試計，其中該電氣絕緣且熱絕緣之殼具有一大約0.1W/°mK之導熱率，且該熱通道具有一大於大約3.5W/mK之導熱率。
  6. 如申請專利範圍第1項之手持測試計，其中該電氣絕緣且熱絕緣之殼係以一塑膠材料形成。
  7. 如申請專利範圍第1項之手持測試計，其中該熱通道之該通道部分具有一基本上圓柱狀之組態。
  8. 如申請專利範圍第1項之手持測試計，其中該通道部分具有一經放大近側表面。
  9. 如申請專利範圍第8項之手持測試計，其中該經放大近側表面之形狀基本上為半球狀。
  10. 如申請專利範圍第1項之手持測試計，其中該通道部分具有一稜狀(prismatic)組態。
  11. 如申請專利範圍第1項之手持測試計，其中該熱通道之該遠側接觸部分具有一紋理表面(textured surface)。
  12. 如申請專利範圍第1項之手持測試計，其中該熱通道係以一摻雜有熱傳導且電氣絕緣之粒子的剛性熱塑性塑膠(rigid thermoplastic)材料形成。
  13. 如申請專利範圍第12項之手持測試計，其中該等熱傳導且電氣絕緣之粒子係微粒子及奈米粒子中之至少一者。
  14. 如申請專利範圍第13項之手持測試計，其中該至少一微粒子及奈米粒子係以下列中之至少一者形成：氧化鈹、氧化鋁、氧化鋅、氮化鋁、二氧化矽等。
  15. 如申請專利範圍第1項之手持測試計，其中該電氣絕緣且熱絕緣之殼係以一塑膠材料形成。
  16. 如申請專利範圍第1項之手持測試計，其中該至少一測試計電子組件係一溫度感測器。
  17. 如申請專利範圍第1項之手持測試計，其中該至少一測試計電子組件係一微控制器。
  18. 如申請專利範圍第1項之手持測試計，其進一步包括一設置於該電氣絕緣且熱絕緣之殼中的印刷電路板(PCB)且其中該至少一電子組件係安裝於該PCB上，且其中該熱接觸表面係一焊接墊及一銅層中之至少一者且與該電子組件接觸。
  19. 一種用於操縱一手持測試計的方法，該方法包含：將一手持測試計暴露至一環境，以使該手持測試計之一電氣絕緣且熱傳導的熱通道經暴露至一周圍環境溫度，該熱通道經與該手持測試計 之一電氣絕緣且熱絕緣之殼整合，以使該熱通道延伸穿過該電氣絕緣且熱絕緣之殼至一測試計電子組件之一熱接觸部分；以及當該熱通道在該測試計電子組件及該環境間傳遞熱時操縱該手持測試計。
  20. 如申請專利範圍第19項之方法，其中該電氣絕緣塑膠殼經組態成一手持測試計之至少一部分，該手持測試計係用於測定一體液試樣中之一分析物。
  21. 如申請專利範圍第20項之方法，其中該分析物係葡萄糖，且該體液試樣係一全血試樣。
  22. 如申請專利範圍第22項之方法，其中該電氣絕緣且熱絕緣之殼具有一小於大約0.1Wm/°K之導熱率，且該熱通道具有一在大約1.0Wm/°K至20Wm°/K之範圍內的導熱率。
  23. 如申請專利範圍第22項之方法，其中該電氣絕緣且熱絕緣之殼具有一大約0.1W/mK之導熱率，且該熱通道具有一大於大約3.5W/mK之導熱率。
  24. 如申請專利範圍第19項之方法，其中該電氣絕緣且熱絕緣之殼係以一塑膠材料形成。
  25. 如申請專利範圍第19項之手持測試計，其中該熱通道具有一通道部分，該通道部分具有一基本上圓柱狀之組態。
  26. 如申請專利範圍第19項之方法，其中該熱通道具有一遠側接觸部分，該遠側接觸部分具有紋理表面。
  27. 如申請專利範圍第19項之方法，其中該熱通道係以一摻雜有熱傳導且電氣絕緣之粒子的剛性熱塑性塑膠材料形成。
  28. 如申請專利範圍第27項之方法，其中該等熱傳導且電氣絕緣之粒子係微粒子及奈米粒子中之至少一者。
  29. 如申請專利範圍第19項之方法，其中該電氣絕緣且熱絕緣之殼係以一塑膠材料形成。
  30. 如申請專利範圍第19項之方法，其中該至少一測試計電子組件係一溫度感測器。
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