專利名稱：整體塑料電導率傳感器的制作方法
技術領域：
液體電導率測量系統用于測量其中需要液體的離子含量的指示的環境、醫療、工業和其他應用中的水以及水溶液或非水溶液的電導率。
背景技術：
在各種情況下測量液體電導率以提供可能與體積離子濃度(bulk ionicconcentration)相關的參數。在存在單個類型的離子的情況下，電導率實際上可能與具體離子濃度相關。即使在存在多個不同離子化合物的情況下，液體體積電導率的測量仍然可以提供非常有用的信息。因此，已經通過工業廣泛采用和利用電導率測量，用于各種不同目的。通常情況下,接觸式電導率測量系統包括傳導單元(conductivity cell)和相關的電導率計(conductivity meter)。圖1圖示了這種系統。電導率計產生施加到傳導單元的電極的交流電壓。電導率計然后檢測傳導單元的電極之間的總電流。這個電流通常是傳導單元所暴露到的液體的電導率的函數。在電極之間的流動的電流的量不僅取決于溶液的電導率，而且取決于傳感器電極的長度、表面積和幾何形狀。由于傳感器的尺寸和幾何形狀，探頭常數(probe constant)(也叫傳感器常數或電極常數)是傳感器對導電溶液的電流響應的測量值。接觸式電導率傳感器一般由在絕緣傳感器本體中間隔分開的至少兩對金屬電極制成。電極之間的距離和電極的表面區域被限定。在操作過程中，電極直接接觸標本溶液。標本溶液的電導率可以通過使用雙電極或四電極方法測量。傳統制造方法依靠薄膜/厚膜形式的金屬，或作為電極的桿，和作為傳感器本體材料的塑料或陶瓷/玻璃。傳統的制造方法已經產生問題，包括成本以及密封件和傳感器本體材料之間的泄漏。 提供一種接觸式電導率傳感器，其不僅成本比以前接觸式電導率傳感器低，而且更耐泄漏，這代表接觸式電導率傳感器的重大進步。
發明內容
一種接觸式電導率傳感器，包括電絕緣塑料本體和多個電極。所述多個電導率電極設置在塑料本體中。每個電極由塑料構成并且與電絕緣塑料本體熔接。提供制造電導率傳感器的方法，以及采用該傳感器的一次性生物反應器。
圖1是本發明的實施例特別用于的接觸式電導率測量系統的示意視圖。圖2和3是根據本發明實施例的單片式塑料電導率傳感器的透視圖和頂視圖。圖4是用于在圖2和3中顯示的電導率傳感器的制造過程的示意圖。圖5是根據本發明的實施例的固體塑料電導率傳感器的示意圖，固體塑料電導率傳感器用于測量一次性生物反應器內的溶液的電導率。圖6是根據本發明的實施例的塑料電導率傳感器的橫截面示意圖，該塑料電導率傳感器安裝到一次性生物反應器的塑料壁的一部分。
具體實施例方式圖2和3是根據本發明的實施例的整體式塑料電導率傳感器10的透視圖和頂視圖。如在此處使用的，“塑料”意圖表示人工合成的有機聚合物，其在軟的時候可以被模制成形，并且然后固著成剛性或略有彈性的形式。傳感器10包括設置在絕緣傳感器本體20內的至少兩個并且優選地四個導電電極12、14、16、18。圖示傳感器本體具有一對相對面21、23和在其間延伸的側壁25。導電電極12、14、16、18中的每一個從第一面21延伸通過傳感器本體20到達第二面23。在使用中，面21、23將與標本溶液直接接觸以確定標本溶液的電導率。如圖3所示，當使用四個電極時，它們優選是彼此共線的。整個電導率傳感器10被認為是整體的，在于整個傳感器由塑料構成，其中沒有密封件或材料界面。相反，整個傳感器10是單個塑料件，它的一部分(電極12、14、16、18)是導電的。每個電極12、14、16、18和傳感器本體20優選由熱塑性復合物形成，其中添加劑或其他合適的材料設置在電極12、14、16、18的區域中以提供電導率。諸如用于電極12、14、16、18的導電塑料混合料(thermoplastic compounds)是已知的并且容易得到。一些示例性的混合料由明尼蘇達州的Winona(威諾納)的RTP公司出售。從RTP公司獲得的導電熱塑性塑料混合料一般包括已經用導電添加劑改性的樹脂，導電添加劑包括碳基(粉末和纖維)、金屬基(固體和涂料)和全部聚合物。已經基于聚乙烯、丙烯和聚苯乙烯開發了混合料。一般來說，這種材料用于具有調節能力的靜電放電(ESD)控制，并且力學性能類似于基質樹脂，并且易于加工。從RTP可獲得的其全部聚合物是以商標名稱Permastat PS 銷售的。Permastat產品不會脫蝕(non-sloughing)、是可著色的并且可以用于寬范圍的聚合物陣列。許多不同的塑料有機聚合物可以與導電填料復合以使它們導電。這種聚合物包括縮醛(POM)、丙烯酸樹脂(PMMA)、氟塑料(PTFE、PVDF、PFA)、聚碳酸酯(PC)、聚醚醚酮(PEEK)、聚烯烴(聚丙烯、聚乙烯、聚甲基戊烯)、聚砜(PSU)、聚醚砜(PEC)、聚氨酯彈性體(TPU)和苯乙烯(聚苯乙烯、ABS)。優選地，用于傳感器本體20和電極區域兩者的聚合體復合物是熱塑性塑料。然而，可以使用任何合適的聚合物。然而，熱塑性塑料提供重要的優勢在于，傳感器本體和電極可以單獨被提供、組裝在一起，并且被加熱到熱塑性塑料的熔點，所有材料界面在熔點處熔接在一起，以形成單一整體。因此，傳感器本體20優選地是盤或桿，所述盤或桿被鉆孔或開孔以產生可以接收將形成電極12、14、16、18的桿的孔。在桿放置在合適的孔內的情況下，整個組件被簡單地加熱到傳感器本體和電極的熱塑性塑料熔點，以形成單個塑料整體。整個組件然后可以被切割，以提供單獨的整體式塑料電導率傳感器10。圖4是用于電導率傳感器10 (顯示在圖2和3中)的制造過程的示意視圖。設置電絕緣塑料制成的桿22，其具有多個孔24、26、28和30。能夠以任何合適的方式產生桿22中的孔24、26、28和30，包括鉆孔。然而，孔24、26、28和30也可以在鑄造或擠壓成形類工藝中預成型在本體22中。
導電塑料32、34、36、38被注射或以其他方式傳送到各個孔24、26、28、30中。通過在塑料處于其玻璃化轉變溫度以上的溫度處的同時將塑料32、34、36和38注射到各個孔中，塑料將流過通過每個孔以填充其中的輪廓。一旦冷卻，形成單個塑料整體。在一個實施例中，本體22和塑料部分32、34、36、38由相同的塑料復合物形成，諸如丙烯酸、ABS、碳酸鹽或其它類似物。本體22和桿32、34、36、38的材料之間的唯一區別在于在桿32、34、36、38的形成過程中提供的導電添加劑使這種桿是導電的。在任何情況下，在塑料32、34、36、38已經被注入各個孔并且冷卻以后，制造整體是塑料的整體物體。單獨的電導率傳感器可以通過例如沿著切割線40、42、44等等切割該物件而形成。雖然以上參照圖4提出的制造過程圖示為關于將多個導電桿插入絕緣塑料本體，并且加熱本體到至少桿或塑料本體的玻璃化轉變溫度，但本發明的實施例也可以使用其他制造方法實現。例如，可以實現其中整個組件被簡單地設置為單個合成擠壓件。在這樣的擠壓件中，導電塑料被送入此后將成為電極的區域，以產生作為擠壓成形工藝的結果的熔接組件。然后，單獨的塑料電導率傳感器可以從被擠壓的整體中單獨地切割而成。雖然參照圖4描述的實施例將塑料注射到絕緣本體22的孔中，但本發明的實施例也可以實現為其中絕緣本體22圍繞多個導電塑料桿注射，同時這種桿保持或維持在模具或其他合適結構中。圖5是根據本發明實施例的固體塑料電導率傳感器的示意視圖，該固體塑料電導率傳感器被用于測量在一次性生物反應器或容器內的溶液的電導率。如在此所使用的那樣，一次性生物反應器或容器50意圖是任何塑料容器，其具有如此低的成本，從而基本上是一次性的，用于諸如生物反應之類的工藝。電導率傳感器10安裝在一次性生物反應器50內，并且傳感器的電極10接觸放置在一次性生物反應器50內的標本52。傳感器10通過兩線式或四線式連接連接到電導率分析儀54，電導率分析儀54提供適合的激勵信號到傳感器10。分析儀54使用傳感器10測量標本52的電導率，并且提供標本52的電導率的讀出或其他合適的指示。由本發明實施例提供的一個特別優勢是由于制造傳感器10所需要的極低成本。成本可以下降到如此程度，即傳感器10可以被認為是一次性的。因此，整個一次性生物反應器和傳感器10可以在生物反應完成后丟棄。在這個意義上說，傳感器10可以被認為是一次性塑料電導率傳感器。圖6是根據本發明的實施例的安裝到一次性生物反應器的塑料壁的一部分的塑料電導率傳感器的橫截面示意視圖。壁58由塑料構成，可以使用熱粘合或基于粘合劑的粘合在參考數字56處將該塑料粘合到一次性塑料電導率傳感器10。壁58在其中限定了可密封生物反應室。孔59形成在壁58中，以允許導體60、62、64和66從中穿過。然而，粘合劑或焊縫56在傳感器10和壁58之間形成液體緊密密封。雖然圖6顯示粘合到一次性生物反應器的壁的一次性電導率傳感器10，但根據本發明的實施例，可以采用需要電導率測量的任何其他塑料容器。在圖6的實施例中，電導率分析儀54通過對應的電線或導體60、62、64、66連接到電極12、14、16、18。每個導體60、62、64、66通過連接器61與對應的電極12、14、16、18電接觸。參照圖6圖示的實施例是四線式實施例，其中電導率分析儀54在電極12和18之間產生電流或電壓，并且然后使用電極14和16以測量標本或其中溶液的電響應(electricalresponse)。這也已知為使用單對電極用于電導率測量。雖然已經參照優選實施例描述本發明，本領域技術人員將認識到，在沒有背離本發明的精神和范圍的情況下，在形式和細節上可以變化。
權利要求
1.一種接觸式電導率傳感器，包括: 電絕緣塑料本體； 設置在塑料本體中的多個導電電極，其中每個電極由塑料構造并且與電絕緣塑料本體熔接。
2.根據權利要求1所述的接觸式電導率傳感器，其中電絕緣塑料本體和所述多個導電電極由相同類型塑料形成。
3.根據權利要求2所述的接觸式電導率傳感器，其中塑料從如下材料構成的組中選擇: 縮醛、丙烯酸樹脂、氟塑料、聚碳酸酯、聚醚醚酮、聚烯烴、聚砜、聚醚砜、聚氨酯彈性體和苯乙烯。
4.根據權利要求1所述的接觸式電導率傳感器，其中電絕緣塑料本體和所述多個導電電極由熱固性塑料形成。
5.根據權利要求1所述的接觸式電導率傳感器，其中所述多個電極包括四個電極。
6.根據權利要求5所述的接觸式電導率傳感器，其中所述電極共線。
7.根據權利要求1所述的接觸式電導率傳感器，其中電絕緣塑料本體形成為具有一對相對面的盤形形狀，并且其中每個電極從第一面延伸通過塑料本體到另一面。
8.根據權利要求7所述的接觸式電導率傳感器，其中所述相對面中的一面被配置為被暴露到標本溶液，以測量標本溶液的電導率。
9.一種形成整體式塑料電導率傳感器的方法，該方法包括下述步驟: 提供絕緣塑料本體； 在塑料本體中產生多個孔； 注射導電塑料進入所述多個孔中的每一個以形成電極。
10.根據權利要求9所述的方法，還包括將組件切割成多個分立的塑料電導率傳感器的步驟。
11.一種由權利要求9的方法產生的塑料電導率傳感器。
12.—種一次性生物反應器，具有整體塑料接觸式電導率傳感器,該一次性生物反應器包括: 塑料側壁，在塑料側壁中限定有生物反應室； 粘合到塑料側壁的塑料接觸式電導率傳感器，所述傳感器包括: 電絕緣塑料本體；和 設置在塑料本體中的多個導電電極，其中每個電極由塑料構造并且與電絕緣塑料本體熔接。
13.根據權利要求12所述的一次性生物反應器，還包括分析儀，分析儀通過塑料側壁電連接到所述多個導電電極中的每一個。
14.一種形成整體式塑料電導率傳感器的方法，該方法包括下述步驟: 在模具中提供多個導電塑料桿；和 將絕緣塑料本體以圍繞所述多個導電塑料桿的方式注入模具中。
全文摘要
本發明公開了一種接觸式電導率傳感器，包括電絕緣塑料本體和多個電極。所述多個導電電極本體設置在塑料本體中。每個電極由塑料構造并且與電絕緣塑料本體熔接。提供制造電導率傳感器的方法，以及采用該傳感器的一次性生物反應器。
文檔編號G01R27/22GK103163384SQ201210122268
公開日2013年6月19日 申請日期2012年4月24日 優先權日2010年12月15日
發明者馮昌東, 巴里·W·本頓 申請人:羅斯蒙德分析公司