用于分析分析物的电子设备和消耗性且可更换的传感器、及其制造方法与流程

本发明的领域是用于测量和物理分析的技术，尤其是电子技术。本发明更具体地涉及一种用于分析流体中存在的分析物的电子设备以及制造该设备的方法。本发明还涉及该设备的子组件，即消耗性且可更换的传感器，以及其制造方法。

背景技术：

1、众所周知，电子分析设备能够检测流体(如气体或液体)中分析物的存在，识别它，并可能测量其在流体中的浓度。分析物可能是目标化合物的组合，例如可能引起气味的voc(挥发性有机化合物)的混合物。为此，这些设备有时被归类为电子鼻子或电子舌头，具体取决于它们是用于气体还是液体。这些设备中的检测原理可能基于分析物与集成到传感器中的受体之间的相互作用。相互作用基于受体与分析物之间，特别是受体与分析物的目标化合物之间的物理化学亲和力特性。这些相互作用导致指示分析物的存在的一个或更多个局部特性发生变化，甚至是存在的分析物的量。

2、能够从适于形成目标化合物的临时配体的各种化合物或材料中选择受体。非详尽的清单包括：一些特定的分子；一些肽；一些聚合物；一些生物标志物；一些纳米颗粒；一些碳纳米管。所涉及的结合力通常是弱力(范德华(van der waals)型)。

3、换能器通常用于将局部特性的这种变化转换为表示所述局部特性的变化的多维电子信号。针对每个受体产生一个电子信号。电子信号的集合构成了多维电子信号。通过处理和分析该多维电子信号，可以对分析流体中存在的分析物进行定性甚至定量测定。

4、通常，用于与分析物相互作用的受体是临时受体，这意味着它们的寿命比设备的其他部件短。事实上，受体和分析物之间的相互作用会导致受体饱和。一旦受体饱和，它们就不能再与流体中的分析物正常相互作用。然后必须更换包含受体的传感器。

5、受体也可能对希望检测的分析物类型具有特异性。实际上，受体可能对给定类型的分析物具有特定的亲和力。如果希望改变要检测的分析物的类型，则可能需要用另外的传感器来替换传感器，其中该另外的传感器具有适合检测希望检测的新型分析物的受体。

6、因此，可以理解，为了限制成本，当临时受体不再工作或希望检测另一种分析物时，最好能够更换设备中的传感器，而不是必须更换整个设备。

7、专利wo2006/113177已经提出了一种将传感器可拆卸地放置在基本单元中的设备。必要时，可以在保留设备的其他部件的同时更换传感器。

8、不过，根据wo2006/113177的设备并不适用于在将传感器集成到设备的传感器之前包括对大气污染敏感的受体的传感器。这种污染能够降解这些受体。特别是，例如，空气中含有的分子能够与受体相互作用。然后，受体甚至能够在它们被放置在设备中之前就已经饱和，因此甚至在它们与待分析流体中存在的分析物相互作用之前就已经饱和。

9、因此，需要一种电子分析设备，其中传感器能够被新的传感器取代，并保证插入设备中的新传感器中的受体的质量。

10、在此背景下，本发明旨在满足以下目标中的至少一个：

11、-本发明的一个目的是提供一种电子分析设备，其具有易于更换的传感器，

12、-本发明的另一个目的是提供一种电子分析设备，其保证安装在该设备中的传感器的受体的质量，

13、-本发明的另一个目的是提供一种电子分析设备，其能够降低生产成本，

14、-本发明的另一个目的是提供一种电子分析设备，其适用于不同使用领域，

15、-本发明的另一个目的是提供一种易于处理的传感器，这意味着它能够在不损坏集成到传感器中的受体的情况下进行处理，

16、-本发明的另一个目的是提供一种传感器，该传感器的受体在放置到设备中之前被保护免受外部污染。

技术实现思路

1、除其他事项外，上述目标通过本发明实现，根据第一方面，本发明涉及一种用于分析流体中存在的分析物的电子设备，其包括：

2、a.一种消耗性且可更换的传感器，其包括电子芯片和整体固定到所述电子芯片的盖，该电子芯片包括测量室，该测量室包括能够与流体中存在的分析物相互作用的临时受体，这种相互作用引起局部特性的变化，并且盖包括开口，该开口适于将流体引入测量室并用于从测量室排出流体；

3、b.传感器支架，其包括用于可逆地放置传感器的壳体；

4、c.用于局部特性的变化的换能器，所述局部特性的变化由临时受体和分析物之间的相互作用引起；所述换能器：

5、-能够将局部特性的变化转换为表示该局部特性的变化的电子信号；和

6、-位于传感器上和/或位于传感器支架上，

7、该传感器包括用于临时受体的保护件，所述用于临时受体的保护件被配置为在将传感器放置在传感器支架的壳体中之前是有效的，并且被配置为与传感器支架配合以便通过将传感器放置在传感器支架的壳体中而无效。

8、本发明的核心由形成为设备敏感部分的用于临时受体所开发的初步保护件构成。用于临时受体的保护件使得通过将临时受体与外部大气隔离来保护临时受体成为可能。因此，在将传感器放入传感器支架之前，临时受体不会改变。换句话说，设备中的临时受体在被使用之前不会发生变化。这种保护件在制造后立即到位，因此其在传感器的存储期间一直存在，直到传感器被集成到电子分析设备中，在电子分析设备中临时受体不再存在暴露于外源性污染的风险。在不干扰传感器在设备中的放置和从设备中移除传感器的便利性或者分析质量的情况下，得到临时受体的保护件。

9、此外，当传感器位于传感器支架的壳体中时，用于临时受体的保护件和传感器支架之间的配合使得可以无效用于临时受体的保护件。然后，流体能够在传感器的测量室中循环，并到达临时受体。因此，保护件的无效保证了传感器和临时受体的最佳使用。

10、此外，由于包括临时受体的传感器可逆地插入传感器支架中，当临时受体不再起作用或当希望分析另一种分析物时，可以在保留设备的其他部件的同时更换传感器，特别是传感器支架以及换能器的全部或部分。

11、根据本发明的变体，测量室中的临时受体选自分子、肽、聚合物、生物标志物、碳纳米管或纳米颗粒。

12、根据本发明的变体，分析物是包含在流体中的目标化合物(例如挥发性有机化合物)的组合。根据一个示例，分析物是voc(挥发性有机化合物)的混合物，其表征流体中所含气味。

13、根据本发明的变体，用于临时受体的保护件包括保护性包装，所述保护性包装被配置用于：

14、-在将传感器放置在传感器支架的壳体中之前关闭盖的开口，以及

15、-与所述传感器支架配合，以便当传感器放置在传感器支架的壳体中时面向盖的开口的保护性包装被穿孔。

16、在适当的情况下，该保护性包装可以是

17、-聚合物薄膜，例如聚烯烃，可选地替代为，诸如聚四氟乙烯(ptfe)或诸如聚二甲基硅氧烷(pdms)之类的聚硅氧烷；和/或

18、-厚度为50μm至150μm的薄膜。

19、在一个示例中，盖的开口具有被配置为准许流体进入测量室的入口开口，和被配置为将流体从测量室排出的出口开口。优选地，保护性包装包括被配置为在将传感器放置在传感器支架的壳体中之前关闭入口开口的第一盖，和被配置为在将传感器放置在传感器支架的壳体中之前关闭出口开口的第二盖。

20、根据本发明的变体，局部特性的变化是传感器中光学指数的变化或传感器中膜的质量的变化。

21、根据本发明的第一变体，电子芯片是包括至少一个光导的光子芯片，在该至少一个光导中设置有临时受体，该光导包括光输入和光输出，并且换能器包括：

22、-相干光源，其与所述光导的光输入对齐，并且能够将相干光束发射到所述电子芯片的光导中；

23、-光学检测器，其与所述光导的光输出对齐，并且能够测量离开所述光导的相干光束的光学参数。

24、当存在这样的情况时，该相干光源和该光学检测器可以位于传感器支架上。可选地，相干光源和光学检测器可以位于光子芯片上。

25、根据本发明的第二变体，电子芯片是包括膜的机电芯片，在膜上设置有临时受体，并且换能器包括能够引起膜振动的致动器和用于检测膜的振动频率的振动频率检测器。

26、当存在这种情况时，该致动器和该振动频率检测器可以位于传感器支架上。替代地，致动器和振动频率检测器可以位于机电芯片上。

27、根据本发明的变体，该设备具有以下特征：

28、-传感器支撑件的壳体由底部和侧壁界定；

29、-盖在其最大的外表面上包括至少一个入口开口和至少一个出口开口，这些开口中的至少一个优选地由相对于该外表面突出的管道构成；

30、-传感器能够通过互锁和滑动(即通过滑动效应)与支撑件的壳体配合以安装在支架中并从支架移除，以及

31、-这种互锁/滑动是根据盖的开口与壳体底部相对的设置进行的。

32、根据本发明的变体，传感器支架包括：

33、-用于传感器的定位引导件，所述定位引导件被配置为在所述传感器被放置在传感器支架的壳体中时引导所述传感器；

34、-用于将传感器固定在壳体中的固定构件，所述固定构件被配置为在将传感器放置在传感器支架的壳体中时将传感器固定在壳体中；

35、-连接插座，其被配置为在将传感器放置在壳体中时与盖的开口配合。

36、根据本发明的变体，固定构件包括双金属弹簧或由附接到传感器支架并被配置为封装传感器的盖形成。

37、根据本发明的变体，盖的开口和连接插座被配置为允许面向盖的开口的保护性包装被穿孔。

38、根据本发明的变体，盖的开口具有被配置为准许流体进入测量室的入口开口和被配置为将流体从测量室排出的出口开口，

39、传感器支架的连接插座包括被配置为与盖的入口开口配合的入口连接插座和被配置为在将传感器放置在传感器支架的壳体中后与盖的出口开口配合的出口连接插座，

40、传感器支架包括用于流体的入口管道和用于流体的出口管道，

41、传感器支架的入口连接插座与传感器支架的入口管道连通，传感器支架的出口连接插座与传感器支架的出口管道连通。

42、根据本发明的变体，盖的入口开口和出口开口各自是从盖突出的管道；传感器支架的入口连接插座和出口连接插座各自是具有底部的空腔，入口管道和出口管道分别从一端的底部延伸，优选地轴向延伸；并且每个突出的管道具有与入口管道或出口管道端部的形状和尺寸互补的形状和尺寸，以便允许将每个管道适配安装到对应的入口管道或出口管道的末端。

43、根据本发明的变体，传感器支架包括上表面，该上表面包括形成为壳体的凹部。

44、根据本发明的变体，传感器支架的上表面是平坦的，凹部由倾斜侧壁限定，侧壁与传感器支架的平坦上表面形成严格大于85°与且严格小于90°的角度。

45、根据本发明的变体，当传感器放置在壳体中时，传感器相对于传感器支架突出。

46、根据本发明的第二方面，提供了一种消耗性且可更换的传感器，其包括电子芯片和整体固定到所述电子芯片的盖，所述电子芯片包括测量室，所述测量室包括能够与待分析流体中存在的分析物相互作用的临时受体，该相互作用引起局部特性的变化，并且盖包括开口，该开口适于准许流体进入测量室并且适于将流体从测量室排出，传感器旨在可逆地放置在传感器支架的壳体中，并且可选地包括用于局部特性的变化的换能器的全部或部分，所述局部特性的变化由临时受体和分析物之间的相互作用引起，换能器能够将局部特性的变化转换为表示所述局部特性的变化的电子信号，和该传感器包括用于临时受体的保护件，所述用于临时受体的保护件被配置为在将传感器放置在传感器支架的壳体中之前是有效的，并被配置为与传感器支架配合以便通过将传感器放置在传感器支架的壳体中而无效；所述保护件包括保护性包装，所述保护性包装被配置为：

47、-在将传感器放置在传感器支架的壳体中之前关闭盖的开口，以及

48、-与传感器支架配合，以便当传感器放置在传感器支架的壳体中时，所述保护性包装面向盖的开口被穿孔。

49、根据本发明的变体，传感器包括保护性包装，所述保护性包装被配置用于：

50、-在将传感器放置在传感器支架的壳体中之前关闭盖的开口，以及

51、-与传感器支架配合，以便当传感器放置在传感器支架的壳体中时，所述保护性包装面向盖的开口被穿孔。

52、根据本发明的变体，保护性包装是：

53、-聚合物薄膜，例如聚烯烃，可选地替代为，诸如聚四氟乙烯(ptfe)或诸如聚二甲基硅氧烷(pdms)之类的聚硅氧烷；和/或

54、-厚度为50μm至150μm的薄膜。

55、根据本发明的变体，盖的开口具有被配置为准许流体进入测量室的入口开口和被配置为将流体从测量室排出的出口开口。优选地，保护性包装包括被配置为在将传感器放置在传感器支架的壳体中之前关闭入口开口的第一盖和被配置为在将传感器放置在传感器支架的壳体中之前关闭出口开口的第二盖。

56、根据本发明的变体，局部特性的变化是传感器中光学指数的变化或传感器中膜的质量的变化。

57、根据本发明的变体，电子芯片是包括至少一个光导的光子芯片，在该至少一个光导中设置有临时受体，该光导包括光输入和光输出，并且换能器包括：

58、相干光源，其与光导的光输入对齐，并且能够将相干光束发射到该电子芯片的光导中；

59、光学检测器，其与光导的光输出对齐，并且能够测量在光导出口处的相干光束的光学参数。

60、根据本发明的变体，所述相干光源和光学检测器位于传感器支架上。替代地，相干光源和光学检测器可以位于光子芯片上。

61、根据本发明的变体，电子芯片是包括膜的机电芯片，在所述膜上设置有临时受体，并且换能器包括能够引起膜振动的致动器。

62、根据本发明的第三方面，提供了一种用于制造根据本发明的消耗性且可更换的传感器的方法，其基本上包括：

63、i)准备硅晶圆；

64、ii)将所述硅晶圆功能化以形成多个电子芯片；

65、iii)在每个电子芯片上在硅晶圆的表面上引入临时受体，以形成测量室；

66、iv)用保护层覆盖其上已引入临时受体的硅晶圆的表面，该保护层为每个测量室形成盖；

67、v)在每个盖上设置开口，以准许流体进入与盖相关联的测量室，以及将流体从与盖相关联的测量室排出；

68、vi)切割所述硅晶圆，以分离由测量室和盖形成的每个组件；

69、vii)在每个盖的开口上设置保护件，以形成传感器；

70、viii)收集传感器。

71、根据本发明的第四方面，提供了一种用于制造根据本发明的电子分析设备的方法，其基本上包括：

72、i)大量生产消耗性传感器；

73、ii)优选地，存储大量生产的消耗性传感器；

74、iii)单独地生产传感器支架；

75、iv)将消耗性传感器与传感器支架组装在一起，优选地按订单进行。

76、根据本发明的变体，组装步骤(iv)基本上包括：

77、iv.1)使用消耗性传感器；

78、iv.2)准备传感器支架；

79、iv.3)将消耗性传感器相对于传感器支架定位，使得盖的开口与传感器支架的连接插座对齐；

80、iv.4)将传感器可逆地放置在传感器支架的壳体中；

81、iv.5)以及，与步骤(iv.4)同时地或者不同时地将面向盖的开口的保护性包装穿孔。

82、在本公开中，任何对单数的使用都会不加区分地指向单数或复数。