ПОРТАТИВНОЕ КОНТРОЛЬНО-ИЗМЕРИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО С ИНТЕГРИРОВАННЫМ ТЕПЛОВЫМ КАНАЛОМ
PORTABLE TEST AND MEASUREMENT DEVICE WITH INTEGRATED THERMAL CHANNEL

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Область применения изобретения
Настоящее изобретение в целом относится к электронным устройствам и в частности к портативным контрольно-измерительным устройствам и соответствующим способам.
Описание предшествующего уровня техники
Определение (например, обнаружение и/или измерение концентрации) аналита в пробе текучей среды или определение его параметра представляет особый интерес в области медицины. Например, может быть необходимо определить концентрацию глюкозы, кетоновых тел, холестерина, липопротеинов, триглицеридов, ацетаминофена, гематокрита и/или гликированного гемоглобина (HbA1c) в пробе биологической жидкости, такой как моча, кровь, плазма крови или межклеточная текучая среда. Такие определения можно провести, используя портативные контрольно-измерительные устройства и соответствующие аналитические тест-полоски, в которых используются, например, визуальные, фотометрические и электрохимические методики определения. Такие портативные контрольно-измерительные устройства включают в себя различные электрические компоненты, такие как датчики температуры и микроконтроллеры.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ РИСУНКОВ
На прилагаемых рисунках, которые включены в настоящий документ и являются составной частью данного описания, показаны предпочтительные в настоящее время варианты осуществления изобретения; вместе с приведенным выше общим описанием и приведенным ниже подробным описанием они служат для объяснения элементов изобретения, где:
на ФИГ. 1 представлен упрощенный вид сверху портативного контрольно-измерительного устройства в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения;
на ФИГ. 2 представлен упрощенный вид сбоку портативного контрольно-измерительного устройства, показанного на ФИГ. 1;
на ФИГ. 3 представлен упрощенный вид в поперечном сечении части портативного контрольно-измерительного устройства, показанного на ФИГ. 1, вдоль линии A-A, показанной на ФИГ. 1;
на ФИГ. 4 представлен упрощенный вид в перспективе в поперечном сечении (также вдоль линии А-А, показанной на ФИГ. 1) портативного контрольно-измерительного устройства, показанного на ФИГ. 1;
на ФИГ. 5A представлен упрощенный вид сверху портативного контрольно-измерительного устройства, показанного на ФИГ. 1, в разобранном состоянии для ясной иллюстрации печатной платы (PCB) внутри кожуха портативного контрольно-измерительного устройства;
на ФИГ. 5B представлена часть упрощенного вида сверху, показанного на ФИГ. 5A;
на ФИГ. 5С представлен упрощенный вид в перспективе части портативного контрольно-измерительного устройства, показанного на ФИГ. 1 и изображенного в разобранном состоянии на ФИГ. 5А и 5В;
на ФИГ. 6A представлен упрощенный вид сверху портативного контрольно-измерительного устройства, показанного на ФИГ. 1, при отсутствии интегрированного теплового канала;
на ФИГ. 6В представлен упрощенный вид сверху части портативного контрольно-измерительного устройства, показанного на ФИГ. 1, при отсутствии интегрированного теплового канала;
на ФИГ. 6С представлен упрощенный вид в перспективе части портативного контрольно-измерительного устройства, показанного на ФИГ. 1, при отсутствии интегрированного теплового канала;
на ФИГ. 7А представлен упрощенный вид сверху части портативного контрольно-измерительного устройства, показанного на ФИГ. 1, с интегрированным тепловым каналом;
на ФИГ. 7В представлен упрощенный вид в перспективе части портативного контрольно-измерительного устройства, показанного на ФИГ. 1, с интегрированным тепловым каналом;
на ФИГ. 8 представлен упрощенный вид в поперечном сечении части портативного контрольно-измерительного устройства, показанного на ФИГ. 1, включающего в себя интегрированный тепловой канал, электронный компонент (т. е. тепловой датчик), расположенный на печатной плате (PCB), вместе с электрической схематической моделью, иллюстрирующей теплопередачу;
на ФИГ. 9 представлен график зависимости изменения температуры (dT) от времени (в секундах), изображающий выгодный аспект применения тепловых каналов, используемых в вариантах осуществления настоящего изобретения; и
на ФИГ. 10 представлена структурная схема, на которой показаны этапы способа применения портативного контрольно-измерительного устройства в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЛЛЮСТРАТИВНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
Приведенное ниже подробное описание следует толковать с учетом рисунков, причем одинаковые элементы на разных рисунках представлены под одинаковыми номерами. Рисунки, необязательно выполненные в масштабе, показывают примеры вариантов осуществления исключительно для целей пояснения и не предназначены для ограничения объема данного изобретения. В подробном описании принципы изобретения показаны с помощью не имеющих ограничительного характера примеров. Это описание явно позволит специалисту в данной области реализовать и применять данное изобретение, и в нем описано несколько вариантов осуществления, адаптаций, вариаций, альтернативных версий и вариантов применения изобретения, включая те, которые в настоящее время считаются наилучшими вариантами осуществления изобретения.
В настоящем документе термин «около» или «приблизительно» в отношении любых числовых значений или диапазонов указывает на приемлемый допуск на размер, который позволяет компоненту или совокупности компонентов выполнять функцию, предусмотренную для них в настоящем документе. В данном описании термины «оболочка» и «кожух» относятся к наружному чехлу или корпусу.
Портативные контрольно-измерительные устройства в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения (такие как портативные контрольно-измерительные устройства, выполненные с возможностью определения аналита в пробе биологической жидкости) включают в себя электро- и теплоизолирующую оболочку с обращенной наружу поверхностью, электрический компонент контрольно-измерительного устройства (например, датчик температуры или микроконтроллер) с тепловой контактной частью, расположенной внутри электро- и теплоизолирующей оболочки, и, по меньшей мере, один тепловой канал.
Тепловой канал включает в себя проксимальную контактную часть с проксимальной контактной поверхностью, дистальную контактную часть с дистальной поверхностью и канальную часть, соединяющую проксимальную контактную часть и дистальную контактную часть. Тепловой канал интегрирован в электро- и теплоизолирующую оболочку таким образом, что тепловой канал проходит через электро- и теплоизолирующую оболочку от обращенной наружу поверхности до тепловой контактной части электрического компонента контрольно-измерительного устройства. Он проходит таким образом, что проксимальная контактная поверхность теплового канала находится снаружи электро- и теплоизолирующей пластмассовой оболочки, а дистальная поверхность теплового канала находится в контакте с тепловой контактной частью электрического компонента контрольно-измерительного устройства. Кроме того, тепловой канал является теплопроводным и электроизолирующим.
Контрольно-измерительные устройства в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения являются полезными в том, что, например, тепловой канал может быть выполнен с возможностью непосредственной передачи тепла окружающей среды датчику температуры внутри электро- и теплоизолирующей оболочки. В таком портативном контрольно-измерительном устройстве повышается точность и улучшается время отклика теплового датчика. Например, если обычное время теплового отклика (т. е. время, необходимое для приведения теплового датчика внутри портативного контрольно-измерительного устройства в рабочее состояние равновесия с изменившейся температурой окружающей среды) для портативного контрольно-измерительного устройства составляет 30 минут, то портативное контрольно-измерительное устройство в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения обладает значительно уменьшенным временем отклика, например менее 15 минут. Тепловой канал также может быть выполнен с возможностью прямой теплопередачи от обладающего (-их) относительно высокой мощностью теплогенерирующего (-их) электрического (-их) компонента (-ов) (например, микроконтроллера, жидкокристаллического дисплея (ЖКД) и USB-компонента), расположенного (-ых) внутри электро- и теплоизолирующей оболочки к окружающей среде, тем самым предотвращая нежелательное накопление тепла внутри оболочки.
На ФИГ. 1 представлен упрощенный вид сверху портативного контрольно-измерительного устройства 100 в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения. На ФИГ. 2 представлен упрощенный вид сбоку портативного контрольно-измерительного устройства 100. На ФИГ. 3 представлен упрощенный вид в поперечном сечении части портативного контрольно-измерительного устройства 100 вдоль линии A-A, показанной на ФИГ. 1. На ФИГ. 4 представлен упрощенный вид в перспективе в поперечном сечении (вдоль линии А-А, показанной на ФИГ. 1) портативного контрольно-измерительного устройства 100.
На ФИГ. 5A представлен упрощенный вид сверху портативного контрольно-измерительного устройства 100 в разобранном состоянии (т. е. не изображены некоторые компоненты) для ясной иллюстрации печатной платы (PCB) внутри кожуха портативного контрольно-измерительного устройства 100. На ФИГ. 5B представлена часть упрощенного вида сверху портативного контрольно-измерительного устройства 100, показанного на ФИГ. 5A. На ФИГ. 5С представлен упрощенный вид в перспективе части портативного контрольно-измерительного устройства 100, изображенного в разобранном состоянии на ФИГ. 5А и 5В. На ФИГ. 6А представлен упрощенный вид сверху портативного контрольно-измерительного устройства, показанного на ФИГ. 1, при отсутствии интегрированного теплового канала. На ФИГ. 6В представлен упрощенный вид сверху части портативного контрольно-измерительного устройства, показанного на ФИГ. 1, при отсутствии интегрированного теплового канала. На ФИГ. 6С представлен упрощенный вид в перспективе части портативного контрольно-измерительного устройства, показанного на ФИГ. 1, при отсутствии интегрированного теплового канала.
На ФИГ. 7А представлен упрощенный вид сверху части портативного контрольно-измерительного устройства, показанного на ФИГ. 1, с интегрированным тепловым каналом. На ФИГ. 7В представлен упрощенный вид в перспективе части портативного контрольно-измерительного устройства, показанного на ФИГ. 1, с интегрированным тепловым каналом.
На ФИГ. 8 представлен упрощенный вид в поперечном сечении части портативного контрольно-измерительного устройства 100, включающего в себя интегрированный тепловой канал, электронный компонент (т. е. тепловой датчик), расположенный на печатной плате (PCB), вместе с электрической схематической моделью, иллюстрирующей теплопередачу, на изображении поперечного сечения. На ФИГ. 9 представлен график зависимости изменения температуры (dT) от времени (t, в секундах), изображающий выгодный аспект тепловых каналов, используемых в вариантах осуществления настоящего изобретения.
Касательно ФИГ. 1-7В, контрольно-измерительное устройство 100 для определения содержания аналита (т. е. глюкозы) в пробе биологической жидкости (а именно, в пробе цельной крови) включает в себя электро- и теплоизолирующую оболочку 102 с обращенной наружу поверхностью 104, электрический компонент 106 контрольно-измерительного устройства (а именно, датчик температуры) с тепловой контактной частью 108, расположенной внутри электро- и теплоизолирующей оболочки 102, а также тепловой канал 110. Портативное контрольно-измерительное устройство 100 также включает в себя дисплей 103 и кнопки 105, которые могут использоваться пользователем. На различных фигурах (например, ФИГ. 2, 6В и 7С) боковые участки электро- и теплоизолирующей оболочки 102 изображены прозрачными, чтобы проиллюстрировать элементы и компоненты, которые иначе были бы скрыты на рисунках. Тем не менее боковые участки электро- и теплоизолирующей оболочки 102, как правило, но не обязательно, непрозрачные.
В варианте осуществления портативного контрольно-измерительного устройства 100 тепловая контактная часть 108 выполнена в виде контактных площадок на поверхности печатной платы 111 (также упоминаемой как PCB 111) с размещенными на ней различными электрическими компонентами, включающими в себя датчик 106 температуры (также называемый тепловым датчиком). Для ясности описания следует указать, что единственным электрическим компонентом, которому присвоен номер позиции, является датчик 106 температуры. Указанные контактные площадки выполнены с возможностью выполнения функции теплового интерфейса между тепловым каналом 110 и электрическим компонентом, а также функции традиционного электрического интерфейса. Использование контактных площадок в качестве теплового интерфейса является выгодным в том смысле, что указанные контактные площадки имеют по существу прямую тепловую связь с внутренней температурой датчика температуры. Кроме того, использование контактных площадок означает эффективное использование так или иначе существующего электрического пути для дополнительной и полезной цели эффективной теплопередачи. После ознакомления с настоящим описанием специалисту в данной области будет понятно, что тепловой контакт может иметь другие приемлемые формы в дополнение к контактным площадкам, включая без ограничений гальванизированные медные контакты или другие медные слои на PCB 111.
Касательно, в частности, ФИГ. 3, тепловой канал 110 включает в себя проксимальную контактную часть 112 с проксимальной поверхностью 114, дистальную контактную часть 116 с дистальной поверхностью 118 и по существу цилиндрическую канальную часть 120, соединяющую проксимальную контактную часть 112 и дистальную контактную часть 116. После ознакомления с настоящим описанием специалисту в данной области будет понятно, что форма тепловых каналов, используемая в вариантах осуществления настоящего изобретения, может быть любой формой, обеспечивающей приемлемую и эффективную теплопередачу. Такие формы включают без ограничений: приемлемые правильные геометрические формы, такие как треугольники, квадраты, пятиугольники и т. п. Кроме того, дистальная контактная часть 116 и/или дистальная поверхность 118 может быть увеличена по сравнению с остальной частью теплового канала 110, имеющей, например, грибовидную (т. е. полусферическую) форму. Размеры теплового канала 110 (включая площадь поперечного сечения) могут быть заранее заданы с использованием любых приемлемых способов термического анализа на основе, например, теплопроводности материала теплового канала, тепловых сопротивлений контактов, количества передаваемой теплоты и времени указанной теплопередачи. С левой стороны ФИГ. 8 изображена упрощенная электрическая схематическая модель теплового канала, которая может быть использована для анализа теплового режима теплового канала.
Тепловой канал 110 интегрирован в электро- и теплоизолирующую оболочку 102 таким образом, что тепловой канал 110 проходит через электро- и теплоизолирующую оболочку 102 от обращенной наружу поверхности 104 до тепловой контактной части 108 электрического компонента 106 контрольно-измерительного устройства таким образом, что проксимальная контактная поверхность 114 находится снаружи электро- и теплоизолирующей оболочки 102, а дистальная поверхность 118 находится в рабочем тепловом контакте с тепловой контактной частью 108 электрического компонента 106 контрольно-измерительного устройства.
Тепловой канал 110 является теплопроводным и электроизолирующим, следовательно, непосредственно передает тепло от окружающей среды снаружи электро- и теплоизолирующей оболочки 102 до тепловой контактной части электрического компонента 106 контрольно-измерительного устройства выгодным с точки зрения времени образом. Тепловой канал 110 может иметь, например, теплопроводность в диапазоне от 1,0 Вт/м·К до 20 Вт/м·К, а электрическое сопротивление - выше 1 МОм·м. Электрический компонент 106 может быть, например, коммерчески доступным термодатчиком, таким как устройства с номерами деталей TMP112 и LM61CIM3 компании Texas Instruments, г. Даллас, штат Техас, США.
Электро- и теплоизолирующая оболочка 102 может быть выполнена из любого приемлемого материала, включая, например, пластмассу. Приемлемые пластмассы включают, например, полипропилен, полистирол и поликарбонат, поли(метилметакрилат) (ПММА), полиоксиметилен (ПОМ), акрилонитрилбутадиенстирол (АБС), армированный стекловолокном жидкокристаллический полимер (ЖКП) и их комбинации. Пластмассу для электроизолирующего кожуха выбирают так, чтобы она была совместима с тепловым каналом 110, например, находилась в функциональном сцеплении с ним. Электро- и теплоизолирующая оболочка 102 может иметь, например, теплопроводность менее 0,1 Вт/м·К.
Тепловой канал 110 может быть изготовлен либо как отдельно отлитый под давлением компонент, который зажимают или фиксируют на месте, либо он может быть соединен со стандартным пластмассовым кожухом посредством процесса двухкомпонентного литья под давлением. Он также может быть механически прикреплен к PCB с помощью винтов или теплового оплавления. Тепловой канал 110 расположен на верхней поверхности портативного контрольно-измерительного устройства 100 на достаточном удалении от мест, в которых пользователь может захватывать портативное контрольно-измерительное устройство 100, так что возможность непреднамеренной передачи тепловой энергии от организма пользователя тепловому каналу и далее тепловому датчику сведена к минимуму, что, таким образом, позволяет избежать нежелательного увеличения измеренной температуры.
Тепловой канал 110 может представлять собой, например, жесткий термопластик с добавками теплопроводных (и электроизолирующих) микрочастиц и/или наночастиц. Примерами приемлемых микро- и наночастиц являются частицы, образованные теплопроводными материалами, включающими оксид бериллия, оксид алюминия, оксид цинка, нитрид алюминия, диоксид кремния, стекло, кремнезем и кварц. Для объяснения и прогнозирования тепловых характеристик, получаемых при добавлении к нетеплопроводным материалам теплопроводных частиц, предложены различные теории. См., например, Zhang, G (2009), «A Percolation Model of Thermal Conductivity for Filled Polymer Composites», Journal of Composite Materials.
Одним, не имеющим ограничительного характера, примером материала, приемлемого для теплового канала, является материал с фирменным наименованием Nemcon H, который можно приобрести у компании Ovation Polymers. Этот материал, как сообщается, обладает проводимостью в плоскости до 20 Вт/м·К и проводимостью через плоскость до 3,5 Вт/м·К. Учитывая, что теплопроводность стандартного термопластика, используемого в кожухах портативных контрольно-измерительных устройств, составляет порядка 0,1 Вт/м·К, указанный материал обладает значительно лучшими свойствами теплопередачи.
После ознакомления с настоящим описанием специалисту в данной области будет понятно, что портативное контрольно-измерительное устройство 100 может быть легко выполнено с возможностью функционирования в качестве портативного контрольно-измерительного устройства для определения аналита (такого как глюкоза) в пробе биологической жидкости (например, пробе цельной крови) с помощью тест-полоски (например, электрохимической аналитической тест-полоски).
Тепловой канал, используемый в вариантах осуществления настоящего изобретения, может применяться, например, для (i) передачи тепла от окружающей среды электрическому компоненту портативного контрольно-измерительного устройства или (ii) передачи тепла от электрического компонента портативного контрольно-измерительного устройства окружающей среде. Иллюстративным примером последней является передача тепла (т. е. тепловой энергии) от части PCB внутри портативного контрольно-измерительного устройства внешней среде посредством теплового канала. Характеристики такой теплопередачи можно смоделировать в упрощенной, но иллюстративной форме следующим образом.
Предположим, что соответствующая часть PCB, содержащая тепловую энергию, имеет диаметр 30 мм и толщину 1 мм. Кроме того, предполагается, что PCB состоит из меди (с незначительной теплоемкостью и материала FR4). Предположим, что внешняя среда является воздухом с незначительной теплоемкостью. Кроме того, предполагается, что дистальная поверхность теплового канала имеет температуру окружающей среды вследствие принудительной конвекции.
Объем данной части PCB вычисляем следующим образом:
r=0,015
h=0,001
-1
-1
Если предположить, что масса материала FR4 составляет 0,001307 кг, температура превышает температуру окружающей среды на 20 °С, а теплоемкость FR4 (не учитывая теплоемкость меди) 600 Дж кг К.
-3
Для массы материала FR4 (предполагая его плотность - 1850 кгм)=0,001307 (кг), получаем значение:
Иллюстративный расчет передачи энергии в теплопроводной пластмассе для теплового канала выглядит следующим образом. Если предположить, что тепловой канал по существу полый цилиндр из теплопроводного пластика с наружным диаметром 6 мм, внутренним диаметром 4 мм и высотой 5 мм, то площадь контакта с PCB (предполагая идеальный интерфейс) составляет:
Применяя закон Фурье для кондуктивной теплопередачи (q):
k=теплопроводность пластмассы (предполагается равной 5 Вт/м·К)
s=толщина=0,00
q=(k A dT)/s5m
t
и время () передачи энергии: t=E/P.
Тогда последующее время для снижения на 1°C (следует отметить, что теплопроводность снижается при уменьшении разницы температур) можно рассчитать по существу с использованием частичного интегрирования. В данном случае предполагается, что FR4 идеально передает свое тепло тепловому каналу. Полученная разность температур между электрическим компонентом (при повышенной температуре по сравнению с окружающей средой) показана на ФИГ. 9.
На ФИГ. 10 представлена структурная схема, на которой показаны этапы в способе 200 применения портативного контрольно-измерительного устройства (такого как описанное в настоящем документе портативное контрольно-измерительное устройство 100 и других портативных контрольно-измерительных устройств в соответствии с настоящим изобретением).
Способ 200 включает в себя этап 210, показанный на ФИГ. 10, на котором подвергают портативное контрольно-измерительное устройство воздействию окружающей среды таким образом, что электроизолирующий и теплопроводный тепловой канал портативного контрольно-измерительного устройства подвергается воздействию температуры окружающей среды, причем указанный тепловой канал интегрирован в электро- и теплоизолирующую оболочку портативного контрольно-измерительного устройства таким образом, что тепловой канал проходит через электро- и теплоизолирующую оболочку до тепловой контактной части электрического компонента контрольно-измерительного устройства.
Способ 200 также включает в себя этап, на котором применяют портативное контрольно-измерительное устройство в то время, пока тепловой канал передает тепло между электрическим компонентом контрольно-измерительного устройства и окружающей средой (см. этап 220 на ФИГ. 10).
После ознакомления с настоящим описанием специалисту в данной области будет понятно, что способ 200 можно легко модифицировать с целью включения любых из методик, преимуществ, элементов и характеристик портативных контрольно-измерительных устройств с интегрированными тепловыми каналами в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения, как описано в настоящем документе.
Хотя в настоящем документе показаны и описаны предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения, для специалистов в данной области будет очевидно, что такие варианты осуществления представлены только в качестве примера. Специалистам в данной области будут понятны многочисленные вариации, изменения и замены без выхода за рамки настоящего изобретения. Следует понимать, что при реализации изобретения можно использовать различные альтернативные версии вариантов осуществления изобретения, описанных в настоящем документе. Предполагается, что следующая формула изобретения определяет объем изобретения, а устройства и способы, а также их эквиваленты охвачены данной формулой изобретения.