ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКАЯ ЯЧЕЙКА, ПРИСПОСОБЛЕННАЯ ДЛЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СОЕДИНЕНИЯ С ИЗМЕРИТЕЛЬНЫМ ПРИБОРОМ, И СПОСОБ СОЗДАНИЯ ТАКОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СОЕДИНЕНИЯ Российский патент 2007 года по МПК H01M6/46 H01M2/00 

Область изобретения

Настоящее изобретение относится к электрохимическим ячейкам, содержащим соединитель, который стыкуется с соединительным устройством измерительного прибора для обеспечения электрического соединения со схемой измерительного прибора.

Предпосылки создания изобретения

Миниатюрные электрохимические ячейки можно с пользой применять в таких областях, как определение содержания химических веществ, причем электроды полосковой электрохимической ячейки подключают к электронному устройству. Электронное устройство, часто называемое измерительным прибором, измеряет электрический отклик полосковой электрохимической ячейки на образец (пробу), а также снабжает полосковую электрохимическую ячейку энергией для выполнения теста. Чтобы осуществлять эти функции, электроды полосковой электрохимической ячейки должны быть приспособлены для создания электрического соединения со схемой измерительного прибора. Такое электрическое соединение может осуществляться посредством имеющегося на измерительном приборе соединительного устройства, которое входит в сопряжение с областями на полосковой электрохимической ячейке, электрически связанными с электродами электрохимической ячейки.

В конструкциях электрохимических ячеек, описанных в документах WO 98/43073, US 5437999, ЕР 0964059 А2, WO 00/20626, верхний и нижний электроды обращены друг к другу, и между ними расположен электроизолирующий слой. Электроды в такой конструкции в типичном случае формируют на отдельных подложках, которые при изготовлении электрохимической ячейки собирают в единый узел. Изготовление такой конструкции сопряжено с трудностями, возникающими при создании участка, при помощи которого электроды полосковой ячейки соединяют со схемой измерительного прибора, так как форма соединения отличается от обычной, где все контактные области лежат в одной плоскости.

Проблема контактных областей, находящихся в разных плоскостях, решается различными путями. В документе WO 98/43073 описаны способ и устройство, где в одном из электродных слоев и в изолирующем слое образованы вырезы, чтобы открыть область нижележащего электродного слоя, которую можно использовать в качестве контактной области. В документах US 5437999 и WO 00/20626 описаны способ и устройство, где на одном электродном слое образован язычок, а соответствующий вырез - в другом электродном слое, чтобы открыть подходящую контактную область. В такой конструкции изолирующий слой вырезается коротким, чтобы не перекрывать контактную область.

В документе ЕР 0964059 А2 изолирующий слой вырезается коротким, и в верхней подложке создается отверстие, чтобы открыть контактную область в основании образованного кармана. Карман может заполняться проводящим материалом, и контакт создается с проводящим материалом, расположенным в верхней части заполненного кармана, в результате чего контактные области переводятся в одну плоскость.

Недостатком этих конструкций является то, что они требуют совмещения расположенных в более чем одном слое электрохимической ячейки конструктивных элементов друг с другом при сборке упомянутых слоев в рабочее устройство. Это создает трудности при изготовлении данных устройств и ограничивает диапазон возможных технологий изготовления. В частности, по соображениям затрат и производительности зачастую желательно изготавливать полосковые электрохимические ячейки в форме непрерывного листа. При использовании непрерывных листов часто трудно перед этапом ламинирования достичь надежного совмещения расположенных с внутренней стороны листа повторяющихся конструктивных элементов, образованных на различных слоях. Зачастую это требует использования дорогостоящих систем контроля и процесса производства, обладающего сравнительно высокой вероятностью возникновения сбоев, если этот процесс вообще возможен.

Сущность изобретения

Необходимы соединители электрохимических ячеек, пригодные для использования совместно с электрохимическими ячейками с расположенными друг против друга электродами, а также способы их изготовления, которые не требуют этапов совмещения внутренних сторон листов перед ламинированием слоев. Предпочтительные варианты реализации настоящего изобретения предлагают такие соединители электрохимических ячеек и способы их изготовления.

В первом варианте реализации настоящего изобретения предлагается электрохимическая ячейка, приспособленная для электрического соединения с измерительным прибором, причем эта ячейка содержит первую изолирующую подложку, несущую первое электропроводящее покрытие, вторую изолирующую подложку, несущую второе электропроводящее покрытие, и расположенный между ними изолирующий промежуточный слой, при этом электропроводящие покрытия обращены друг к другу и размещены на расстоянии друг от друга, а край первой изолирующей подложки, несущей первое электропроводящее покрытие, выступает за край второй изолирующей подложки, несущей второе электропроводящее покрытие, а также за край изолирующего промежуточного слоя, и при этом край второй изолирующей подложки, несущей второе электропроводящее покрытие, выступает за край изолирующего промежуточного слоя.

По одному из аспектов первого варианта реализации настоящего изобретения первая изолирующая подложка, несущая первое электропроводящее покрытие, имеет отверстие в той части первой изолирующей подложки, несущей первое электропроводящее покрытие, которая выступает за край изолирующего промежуточного слоя, в результате чего открывается область второго электродного слоя с тем, чтобы предоставить поверхность для создания электрического соединения с измерительным прибором через отверстие.

По одному из аспектов первого варианта реализации настоящего изобретения предложенная ячейка также содержит дополнительный изолирующий промежуточный слой, который расположен между первым электропроводящим покрытием и вторым электропроводящим покрытием, при этом изолирующий промежуточный слой и дополнительный изолирующий промежуточный слой расположены с противоположных сторон отверстия.

Во втором варианте реализации настоящего изобретения предлагается электрохимическая ячейка, приспособленная для электрического соединения с измерительным прибором, причем эта ячейка содержит первую изолирующую подложку, несущую первое электропроводящее покрытие, вторую изолирующую подложку, несущую второе электропроводящее покрытие, и расположенный между ними изолирующий промежуточный слой, при этом электропроводящие покрытия обращены друг к другу и размещены на расстоянии друг от друга, а край первой изолирующей подложки, несущей первое электропроводящее покрытие, выступает за край второй изолирующей подложки, несущей второе электропроводящее покрытие, а также за край изолирующего промежуточного слоя, и при этом первая изолирующая подложка, несущая первое электропроводящее покрытие, и изолирующий промежуточный слой включают в себя отверстие, в результате чего открывается область второго электродного слоя с тем, чтобы предоставить поверхность для создания электрического соединения с измерительным прибором через отверстие.

В третьем варианте реализации настоящего изобретения предлагается электрохимическая ячейка, приспособленная для электрического соединения с измерительным прибором, причем эта ячейка содержит первую изолирующую подложку, несущую первое электропроводящее покрытие, вторую изолирующую подложку, несущую второе электропроводящее покрытие, и расположенный между ними изолирующий промежуточный слой, при этом электропроводящие покрытия обращены друг к другу и размещены на расстоянии друг от друга, а часть первой изолирующей подложки, несущей первое электропроводящее покрытие, выступает за край второй изолирующей подложки, несущей второе электропроводящее покрытие, а также за край изолирующего промежуточного слоя, и при этом часть первой изолирующей подложки, несущей первое электропроводящее покрытие, и часть изолирующего промежуточного слоя удалены для того, чтобы создать выемку, причем выемка расположена в непосредственной близости к краю второй изолирующей подложки, несущей второе электропроводящее покрытие, и к краю изолирующего промежуточного слоя, в результате чего открывается область второго электродного слоя с тем, чтобы предоставить поверхность для создания электрического соединения с измерительным прибором.

В четвертом варианте реализации настоящего изобретения предлагается способ создания электрического соединения между электрохимической ячейкой и измерительным прибором, содержащий этапы: обеспечения электрохимической ячейки, приспособленной для электрического соединения с упомянутым измерительным прибором, причем эта электрохимическая ячейка содержит первую изолирующую подложку, несущую первое электропроводящее покрытие, вторую изолирующую подложку, несущую второе электропроводящее покрытие, и расположенный между ними изолирующий промежуточный слой, при этом электропроводящие покрытия обращены друг к другу и размещены на расстоянии друг от друга, а край первой изолирующей подложки, несущей первое электропроводящее покрытие, выступает за край второй изолирующей подложки, несущей второе электропроводящее покрытие, а также за край изолирующего промежуточного слоя, и при этом край второй изолирующей подложки, несущей второе электропроводящее покрытие, выступает за край изолирующего промежуточного слоя; обеспечения измерительного прибора, содержащего клин, причем клин включает в себя верхнюю проводящую поверхность клина и нижнюю проводящую поверхность клина, и эти проводящие поверхности электрически связаны с измерительным прибором; и вставки части электрохимической ячейки в измерительный прибор, при этом клин вставляют между частью первой изолирующей подложки, несущей первое электропроводящее покрытие, и частью второй изолирующей подложки, несущей второе электропроводящее покрытие и выступающей за край изолирующего промежуточного слоя, в результате чего создают электрическое соединение между первым электропроводящим покрытием и нижней проводящей поверхностью клина, а также создают электрическое соединение между вторым электропроводящим покрытием и верхней проводящей поверхностью клина.

По одному из аспектов четвертого варианта реализации настоящего изобретения измерительный прибор также имеет точку или ось поворота, при этом клин способен поворачиваться вокруг точки или оси поворота.

Краткое описание чертежей

Фиг.1а и 1b являются схематичными изображениями электрохимической ячейки, в которой деталь 2 смещена относительно соответствующего края детали 1, чтобы открыть проводящее покрытие на детали 1. На Фиг.1а изображен вид сверху, а на Фиг.1b - поперечное сечение.

Фиг.2а и 2b являются схематичными изображениями электрохимической ячейки, в которой в детали 1 вырезано сквозное отверстие, чтобы открыть проводящее покрытие на детали 2 для электрического соединения. На Фиг.2а изображен вид сверху, а на Фиг.2b - поперечное сечение.

Фиг.3а и 3b являются схематичными изображениями электрохимической ячейки, аналогичной ячейке, показанной на Фиг.2, за исключением того, что между деталями 1 и 2 вставлена дополнительная часть детали 3. На Фиг.3а изображен вид сверху, а на Фиг.3b - поперечное сечение.

Фиг.4а и 4b являются схематичными изображениями электрохимической ячейки, в котором в детали 1 выполнена прорезь, которая обеспечивает доступ к некоторой области проводящего покрытия на детали 2. На Фиг.4а изображен вид сверху, а на Фиг.4b - поперечное сечение.

Фиг.5а и 5b являются схематичными изображениями электрохимической ячейки, аналогичной ячейке, показанной на Фиг.2, за исключением того, что край детали 3 расположен над деталью 4 в детали 1. На Фиг.5а изображен вид сверху, а на Фиг.5b - поперечное сечение.

Фиг.6а и 6b являются схематичными изображениями электрохимической ячейки, аналогичной ячейке, показанной на Фиг.4, за исключением того, что край детали 3 по меньшей мере близок к краю детали 1. На Фиг.6а изображен вид сверху, а на Фиг.6b - поперечное сечение.

Фиг.7 является видом сбоку, иллюстрирующим принудительное перемещение (расщепление) детали 1 в направлении от детали 2 в контактной области для обеспечения доступа язычкового соединительного устройства.

Фиг.8 является видом с торца, иллюстрирующим принудительное перемещение (расщепление) детали 1 в направлении от детали 2 в контактной области для обеспечения доступа язычкового соединительного устройства.

На Фиг.9 изображена полоска, частично вставленная в соединитель с внешней схемой.

На Фиг.10 изображена полоска, полностью вставленная в соединитель с внешней схемой.

Фиг.11 является видом сбоку соединителя 100 с внешней схемой.

На Фиг.12 изображена полоска, частично вставленная в соединитель 100 с внешней схемой, показанный на Фиг.11.

На Фиг.13 изображена полоска, полностью вставленная в соединитель 100 с внешней схемой, показанный на Фиг.11.

Подробное описание предпочтительного варианта реализации изобретения

Приведенное ниже описание и примеры подробно иллюстрируют предпочтительный вариант реализации настоящего изобретения. Специалистам в данной области техники будет очевидно, что существуют многочисленные изменения и модификации данного изобретения, которые не выходят за пределы его объема. Соответственно, описание некоторого предпочтительного варианта реализации не должно считаться ограничивающим объем настоящего изобретения.

Предпочтительные варианты реализации относятся к устройствам и способам, предназначенным для создания областей подсоединения электродов в электрохимических ячейках с расположенными друг против друга электродами. Данные устройства и способы не требуют совмещения конструктивных элементов, образованных на различных слоях, перед ламинированием слоев. В частности, предлагаются устройства и способы, не требующие совмещения с внутренней стороны листов повторяющихся конструктивных элементов, расположенных на различных слоях, во время ламинирования непрерывных листов устройств при изготовлении. Предпочтительные варианты реализации настоящего изобретения могут быть использованы совместно с любым подходящим процессом производства, например процессом, в котором отдельные секции слоев ламинируются, т.е. скрепляются вместе во время ламинирования, и в котором выгодно снизить требования к совмещению и, следовательно, сложность изготовления.

В другом варианте реализации предлагаются предпочтительные элементы порта в измерительном приборе, подходящем для использования с описанными полосковыми соединителями.

Основной отличительной особенностью электрохимических ячеек, изображенных на Фиг.1-6, является то, что край по меньшей мере одного электродного слоя (называемого здесь второй изолирующей подложкой, несущей второе электропроводящее покрытие) смещен относительно, по меньшей мере, другого расположенного напротив электродного слоя (называемого здесь первой изолирующей подложкой, несущей первое электропроводящее покрытие), в результате чего некоторая область первой изолирующей подложки, несущей первое электропроводящее покрытие, выступает за край второй изолирующей подложки, несущей второе электропроводящее покрытие, таким образом открывая область первой изолирующей подложки, несущей первое электропроводящее покрытие, подходящую для соединения со схемой измерительного прибора.

На Фиг.1-6 изображены виды различных предпочтительных вариантов соединителей электрохимических ячеек. На Фиг.1а, 2а, 3а, 4а, 5а и 6а приведены виды сверху для секций листа или карточки из собранных слоев для различных вариантов реализации, на которых показаны повторяющиеся конструктивные элементы. На Фиг.1b, 2b, 3b, 4b, 5b и 6b приведены соответствующие поперечные сечения.

На Фиг.1-6 деталь 1 представляет собой первую изолирующую подложку, несущую первое электропроводящее покрытие. Эта деталь состоит из электроизолирующей подложки с электропроводящим покрытием, нанесенным на ее верхнюю поверхность, причем электропроводящее покрытие находится в электрическом контакте с по меньшей мере первым электродом электрохимической ячейки.

Деталь 2 представляет собой вторую изолирующую подложку, несущую второе электропроводящее покрытие. Эта деталь состоит из электроизолирующей подложки с электропроводящим покрытием, нанесенным на ее нижнюю поверхность, причем электропроводящее покрытие находится в электрическом контакте с по меньшей мере вторым электродом электрохимической ячейки.

Деталь 3 представляет собой электроизолирующий слой, служащий для разделения деталей 1 и 2. В предпочтительных вариантах реализации настоящего изобретения верхняя и нижняя поверхности детали 3 являются клеящими и также служат для склеивания слоев данного устройства вместе. В данном предпочтительном варианте реализации настоящего изобретения деталь 3 может состоять из подложки, покрытой клеем. В другом случае она может состоять только из клеящего слоя.

Деталь 4 представляет собой вырез в детали 1, который, как изображено на Фиг.2-6, служит для обеспечения доступа к открытой области электропроводящего покрытия, расположенного на нижней поверхности детали 2.

На Фиг.1 один край детали 2 смещен относительно соответствующего края детали 1, в результате чего открывается выступающая область проводящего покрытия на детали 1. В предпочтительном варианте реализации настоящего изобретения для создания электрического соединения со схемой измерительного прибора между деталями 1 и 2 вставляется язычок из материала электроизолирующей подложки, имеющий на верхней и нижней поверхности электропроводящие покрытия или слои.

На Фиг.2 в детали 1 вырезано сквозное отверстие, чтобы открыть некоторую область проводящего покрытия на детали 2 для электрического соединения. Это устраняет необходимость введения соединительного устройства между слоями.

Устройство, изображенное на Фиг.3, аналогично устройству, изображенному на Фиг.2, за исключением того, что между деталями 1 и 2 вставлена дополнительная часть детали 3. Такая конструкция желательна, если имеется вероятность того, что детали 1 и 2 будут сдавливаться вместе при использовании и, таким образом, создавать цепь короткого замыкания между проводящими покрытиями, расположенными на деталях 1 и 2.

На Фиг.4 изображен вариант, где в детали 1 образована прорезь, обеспечивающая доступ к некоторой области проводящего покрытия на детали 2.

На Фиг.5 изображен вариант, аналогичный приведенному на Фиг.2. Однако в этом варианте край детали 3 находится над деталью 4 в детали 1. Чтобы этот вариант был работоспособным, в предпочтительном варианте реализации настоящего изобретения детали 1 и 2 должны быть скреплены посредством ламинирования или иным образом собраны вместе перед созданием детали 4.

На Фиг.6 изображен вариант, аналогичный приведенному на Фиг.4. Однако в этом варианте край детали 3 по меньшей мере близок к краю детали 1. В этом варианте предпочтительно, чтобы детали 1 и 2 скреплялись посредством ламинирования или иным образом собирались вместе перед созданием детали 4.

В другом варианте реализации настоящего изобретения описаны способы создания электрических соединений для некоторых из соединительных устройств, рассмотренных выше.

Для электрохимических ячеек, соответствующих предпочтительным вариантам реализации настоящего изобретения, изображенным на Фиг.2-6, можно использовать компоненты, предназначенные для соединения проводящих покрытий на деталях 1 и 2 с внешней схемой и описанные в одновременно поданной заявке на патент США 09/399512, поданной 20 сентября 1999.

Для варианта, изображенного на Фиг.1, для внешнего соединения желательно использовать другую конструкцию. Для этого варианта желательно принудительно переместить деталь 1 в направлении от детали 2 в контактной области, чтобы обеспечить более легкий доступ для язычкового соединительного устройства. Согласно этой особенности данного варианта деталь 1 отодвигают от детали 2 во время введения полоскового соединителя в соединитель с внешней схемой, например, при помощи выступа в форме лезвия или клина или другого подходящего раздвигающего устройства.

На Фиг.7 и 8 приведены соответственно вид сбоку и вид с торца, иллюстрирующие принудительное перемещение детали 1 в направлении от детали 2 в контактной области с целью обеспечения доступа язычкового соединительного устройства. На Фиг.9 и 10 этот вариант показан для случаев, когда полоска соответственно частично и полностью вставлена в соединитель с внешней схемой.

Соединитель 10 с внешней схемой, изображенный на Фиг.7-10, содержит камеру 18, имеющую полости 11 и 12, в которые могут быть вставлены соответственно деталь 1 и деталь 2 полоски. Один или более клиновидных выступов 17 на боковых стенках камеры 18 служат для разделения деталей 1 и 2 по мере введения полоски в камеру 18. По мере введения полоски в камеру 18 деталь 1 сначала упирается в нижнюю поверхность выступа 17 и отводится вниз. Это действие совместно с процессом введения служит для дальнейшего принудительного перемещения детали 1 в направлении от детали 2 с целью обеспечения надежного введения детали 2 в полость 12.

Дополнительный клиновидный выступ выдается от задней стенки камеры 18. На поверхностях 13 и 14 этого выступа размещены проводящие слои, при этом данные два проводящих слоя электрически изолированы друг от друга. Эти слои создают электрический контакт с проводящими покрытиями на деталях 1 и 2 полоски. К проводящим слоям на поверхностях 13 и 14 подключены электрические провода или другие электрические линии 15 и 16, которые служат для создания соединения с внешней схемой. Как очевидно специалисту в данной области техники, устройство, содержащее поверхности с проводящими слоями 13 и 14, может быть выполнено как единое целое с выступами 17.

На Фиг.11-13 изображен второй вариант. На Фиг.11 приведен вид сбоку этого варианта. На Фиг.12 и 13 приведены виды сбоку для этого варианта соответственно с частично или полностью вставленной полоской.

Соединитель 100 с внешней схемой, изображенный на Фиг.11-13, содержит камеру 105, имеющую клин 101, способный поворачиваться в камере 105 вокруг точки или оси 102 поворота. Данный клин имеет электропроводящие поверхности 106 и 107, соединенные с контактами 103 и 104 для внешнего соединения. В своем исходном положении клин 101 удерживается либо за счет силы тяжести, либо при помощи пружинного устройства (не показано), в результате чего он занимает позицию, показанную на Фиг.11. Когда в камеру 105 вводится полоска, нижняя электродная деталь упирается в нижнюю поверхность клина 101 в месте позади точки или оси 102 поворота. Это действие приводит к повороту клина 101, в результате чего острый конец клина 101 устанавливается между верхним и нижним электродными слоями полоски. Затем, по мере дальнейшего введения полоски в камеру 105, верхняя поверхность 106 клина приводится в контакт с проводящим покрытием, расположенным на верхней детали полоски. В результате чего создается электрическое соединение проводящего покрытия, расположенного на верхней детали полоски, с контактом 103 через проводящую поверхность 106, а также электрическое соединение проводящего покрытия, расположенного на нижней детали полоски, с контактом 104 через проводящую поверхность 107.

Преимущество варианта, показанного на Фиг.11-13, заключается в том, что острый конец клина 101 автоматически устанавливается между верхней и нижней электродными деталями полоски, чтобы гарантировать надежное соединение.

Электрохимические ячейки

Соединители электрохимических ячеек, соответствующие предпочтительным вариантам реализации настоящего изобретения, подходят для использования в различных электрохимических ячейках. Например, данные соединители могут применяться вместе с электрохимическими ячейками, используемыми как амперометрические датчики для обнаружения и количественного измерения анализируемых веществ.

В таких вариантах применения электроды могут быть расположены таким образом, что рабочий электрод изолирован от реакций, происходящих на противоэлектроде, и продуктов этих реакций, либо может быть расположен таким образом, что продукты реакции, происходящей на противоэлектроде, диффундируют к рабочему электроду, где они вступают в соответствующую реакцию. Первый тип электрохимической ячейки хорошо известен в данной области техники. Второй тип электрохимической ячейки описан в документах US 6179979 и US 5942102.

Эти две конфигурации электродов отличаются тем, что в случае изолированного расположения противоэлектрод расположен на достаточном удалении от рабочего электрода, в результате чего в процессе использования электрохимической ячейки продукты электрохимических реакций, происходящих на противоэлектроде, не попадают на рабочий электрод. На практике в типичном случае это достигается путем установки рабочего электрода на расстоянии по меньшей мере в один миллиметр от противоэлектрода.

В случае конфигурации с неизолированным расположением рабочий электрод и противоэлектрод размещают достаточно близко друг к другу, в результате чего продукты электрохимических реакций, происходящих на противоэлектроде, могут диффундировать к рабочему электроду во время использования электрохимической ячейки. Эти продукты реакций могут впоследствии участвовать в реакциях на рабочем электроде, что приводит к возникновению более высокого тока, чем в случае изолированных электродов. В случае конфигурации с неизолированным расположением реакции на рабочем электроде могут рассматриваться как связанные с реакциями на противоэлектроде.

Изготовление электрохимической ячейки

В определенных случаях электрохимические ячейки, соответствующие предпочтительным вариантам реализации настоящего изобретения, могут изготавливаться с использованием способов, аналогичных описанным в документе US 5942102.

Как будет очевидно специалисту в данной области техники, электродные слои и электроизолирующие подложки могут выбираться независимым образом в зависимости от того, что требуется, например, по соображениям легкости изготовления, снижения стоимости материалов либо достижения других требуемых характеристик ячейки или процесса производства. Подобным же образом электродные слои могут наноситься на слои электроизолирующих подложек по любому подходящему шаблону, например по шаблону лишь с частичным покрытием подложки.

В предпочтительных вариантах различные слои электрохимической ячейки могут склеиваться с использованием подходящего клея. Подходящие клеи включают в себя, например, активируемые при нагревании клеи, активируемые при надавливании клеи, термоотверждаемые клеи, химически отверждаемые клеи, термоплавкие клеи, термотекучие клеи и т.п. Активируемые при надавливании клеи, предпочтительны для использования в тех случаях, когда требуется упрощение производства. Однако в других случаях клейкость данных клеев может привести к приклеиванию производственного инструмента или клейкости продукта. В таких случаях в основном предпочтительны термо- или химически отверждаемые клеи. Особенно предпочтительными являются активируемые при нагревании или термоотверждаемые клеи, которые могут быть удобным образом активированы в соответствующий момент времени.

В определенных вариантах может оказаться предпочтительным использование термоплавкого клея. Термоплавкий клей представляет собой не содержащий растворителя термопластичный материал, который при комнатной температуре находится в твердом состоянии и который в расплавленной форме наносится на поверхность, к которой он приклеивается при охлаждении до температуры ниже его температуры плавления. Имеется множество составов термоплавких клеев с широким диапазоном температур плавления. Термоплавкий клей может быть в форме листа, нетканого материала, тканого материала, порошка, раствора или в любой другой подходящей форме. В определенных случаях могут оказаться предпочтительными термоплавкие клеи на основе сложных полиэфиров. Такие клеи (выпускаемые, например, компанией Bostik Corp., Мидлтон, штат Миннесота, США) представляют собой термоплавкие составы на основе линейных насыщенных сложных полиэфиров, имеющие температуру плавления от 65°С до 220°С и изменяющиеся по своей природе от полностью аморфных до сильно кристаллических (с высокой степенью упорядоченности). Кроме того, могут оказаться предпочтительными термоплавкие клеи на основе полиамида (нейлона), также выпускаемые упомянутой кампанией Bostik, включая клеи на основе полиамида, по типу относящегося как к димерам кислот, так и к нейлону. Подходящие составы термоплавких клеев включают в себя сополимер этилена и винилацетата (EVA, ethylene-vinyl acetate), полиэтилен и полипропилен.

Или же в определенных других случаях может оказаться предпочтительным использование технологий ламинирования для скрепления вместе определенных слоев. Подходящие технологии ламинирования описаны в заявке №09/694106, поданной 20 октября 2000, и заявке №09/694120, поданной 20 октября 2000, каждая из которых озаглавлена "Ламинаты асимметричных мембран". Слои, которые должны ламинироваться, размещаются в непосредственной близости друг от друга и подвергаются нагреву, в результате чего между слоями возникает связь (скрепление). Чтобы помочь в создании данной связи, может также прикладываться давление. Способы ламинирования могут оказаться предпочтительными для связывания любых двух материалов, способных создавать связь под воздействием тепла и/или давления. Ламинирование предпочтительно для создания связи между двумя подходящими полимерными материалами.

Подходящие электрорезистивные материалы, т.е. изоляционные с высоким электросопротивлением, которые могут быть предпочтительны в качестве промежуточных слоев, в качестве основ для электродных слоев либо при использовании в других слоях электрохимической ячейки, включают в себя, например, такие материалы, как сложные полиэфиры, полистиролы, поликарбонаты, полиолефины, полиэтилентерефталат, стекло, керамику, их смеси и/или комбинации и т.п. Примеры электрорезистивных клеев, пригодных для использования в качестве промежуточных слоев или слоев основы, включают в себя, не ограничиваясь нижеперечисленным: полиакрилаты, полиметакрилаты, полиуретаны и сульфонатные сложные полиэфиры. Химические вещества, используемые в электрохимической ячейке, например, окислительно-восстановительные реагенты, агенты лизиса, буферы, инертные соли и другие вещества могут использовать в качестве опоры электроды или стенки электрохимической ячейки, одну или более независимых опор, имеющихся в электрохимической ячейке, или могут быть самоподдерживаемыми. Если данные химические вещества должны использовать как опору электроды или стенки электрохимической ячейки, они могут наноситься с использованием хорошо известных в данной области техники технологий нанесения, таких как струйная печать, трафаретная печать, литография, ультразвуковое напыление, нанесение покрытий через щелевую головку, глубокая печать (гравирование) и т.п. Подходящие независимые опоры могут включать в себя, не ограничиваясь нижеперечисленным: сетки, нетканые листы, волокнистые наполнители, макропористые мембраны и спеченные порошки. Химические вещества, используемые в электрохимической ячейке, могут поддерживаться на опоре или содержаться внутри опоры.

В предпочтительном варианте предпочтительные материалы, находящиеся внутри электрохимической ячейки, а также материалы, из которых эта ячейка изготовлена, имеют форму, пригодную для массового производства, а сами электрохимические ячейки разработаны для проведения одного эксперимента с последующей их утилизацией. Одноразовая электрохимическая ячейка является такой ячейкой, которая настолько дешева в изготовлении, что экономически приемлемо проведение только одного теста. Одноразовая электрохимическая ячейка является такой ячейкой, которая может удобным образом использоваться только для одного теста, то есть, чтобы сделать ее пригодной для последующего использования, после единичного использования необходимо выполнить такие этапы обработки ячейки, как промывка и/или повторная загрузка реагентов.

"Экономически приемлемо" в данном контексте означает, что предполагаемая стоимость результата теста для пользователя равна или превышает стоимость покупки и использования электрохимической ячейки, причем покупная цена складывается из стоимости доставки ячейки пользователю и соответствующей наценки. Для многих вариантов применения предпочтительными являются электрохимические ячейки, характеризующиеся относительно низкой стоимостью материалов и простыми процессами производства. Например, материалы электродов в электрохимических ячейках могут быть дешевыми (например, углерод) или могут присутствовать в достаточно небольших количествах, в результате чего могут оказаться предпочтительными дорогостоящие материалы. Трафаретная печать с использованием углеродной или серебряной краски представляет собой процесс, подходящий для создания электродов из относительно дешевых материалов. Однако, если требуется использовать такие электродные материалы, как платина, палладий, золото или иридий, предпочтительными являются способы с более рациональным использованием материалов, например напыление или нанесение из паровой (газовой) фазы, так как они дают возможность получить чрезвычайно тонкие пленки. Материалы подложек для одноразовых электрохимических ячеек также предпочтительно являются дешевыми. Примерами подобных дешевых материалов являются такие полимеры, как поливинилхлорид, полиимид, сложный полиэфир, а также бумага с покрытием и тонкий картон.

Способы сборки электрохимических ячеек предпочтительно являются применимыми для массового производства. Эти способы включают в себя изготовление множества ячеек на пластинках и разделение пластинки на индивидуальные полоски после основных этапов сборки, а также изготовление листов, где электрохимические ячейки создаются на непрерывном листе, который затем разделяется на индивидуальные полоски. Процессы изготовления пластинок являются наиболее приемлемыми, когда при производстве требуется точное пространственное совмещение многочисленных конструктивных элементов и/или когда предпочтительны жесткие материалы для подложек электрохимических ячеек. Процессы изготовления листов являются наиболее приемлемыми, когда совмещение с внутренней стороны листов конструктивных элементов является не столь необходимым и могут оказаться предпочтительными гибкие листы.

В определенных случаях может быть желательным обычное единичное использование электрохимической ячейки, чтобы у пользователя не появилось соблазна попытаться повторно использовать эту ячейку и получить, возможно, неточный результат теста. Единичное использование электрохимической ячейки может быть указано в инструкции пользователя, прилагаемой к электрохимической ячейке. В определенных случаях, когда желательно единичное использование, более предпочтительно, чтобы ячейка изготавливалась таким образом, что ее использование более одного раза было бы затруднено или невозможно. Это может быть осуществлено, например, путем включения в состав таких реагентов, которые вымываются или расходуются во время первого теста и поэтому неработоспособны во втором тесте. В ином случае сигнал, возникающий во время теста, может проверяться для указания того, что реагенты в электрохимической ячейке уже прореагировали (например, аномально высокий первоначальный сигнал), и в этом случае тест будет прекращен. Другой способ включает в себя обеспечение средств для размыкания электрических соединений в электрохимической ячейке после завершения в ней первого теста.

Электроды

В предпочтительном варианте реализации настоящего изобретения, когда электрохимическая ячейка определяет наличие и/или количество анализируемого вещества в образце или вещества, указывающего на наличие и/или количество анализируемого вещества в образце, по меньшей мере один из электродов электрохимической ячейки является рабочим электродом. Если потенциал рабочего электрода характеризует уровень содержания анализируемого вещества (например, в потенциометрическом датчике), имеется второй электрод, работающий как электрод сравнения, чтобы обеспечить потенциал для сравнения.

В случае амперометрического датчика, где уровень содержания анализируемого вещества (например, глюкозы) характеризуется током на рабочем электроде, предпочтительно имеется по меньшей мере один-другой электрод, который работает как противоэлектрод для завершения электрической цепи. Этот второй электрод может также работать в качестве электрода сравнения. В ином случае функцию электрода сравнения может выполнять отдельный электрод.

Материалы, подходящие для рабочего электрода, электрода сравнения противоэлектрода, совместимы с любыми реагентами или веществами, имеющимися в устройстве. Совместимые материалы по существу химически не реагируют с другими веществами, имеющимися в электрохимической ячейке. Примерами таких подходящих материалов могут являться, не ограничиваясь нижеперечисленным: углерод, углерод и органическая связка, платина, палладий, оксид индия, оксид олова, смесь оксидов или смешанные оксиды индия/олова, золото, серебро, иридий и их смеси. Электродные структуры из этих материалов могут быть изготовлены с использованием любого подходящего способа, например напыления, нанесения из паровой (газовой) фазы, трафаретной печати, термического (вакуумного) испарения, глубокой печати (гравирования), нанесения при помощи щелевой головки или литографии. В предпочтительных вариантах для создания электродных структур материал наносится при помощи напыления или трафаретной печати.

Неограничивающие примеры материалов, предпочтительных для использования в электродах сравнения, включают в себя системы металл/соль металла, например серебро в контакте с хлоридом серебра, бромидом серебра или йодидом серебра, а также ртуть в контакте с хлоридом или сульфатом одновалентной ртути. Металл может наноситься любым подходящим способом, а затем приводиться в контакт с соответствующей солью. Подходящие способы включают в себя, например, электролиз в подходящем растворе соли или химическое окисление. Такие системы металл/соль металла обеспечивают лучший контроль потенциалов в потенциометрических способах измерений по сравнению с системами, содержащими один металлический компонент. В предпочтительном варианте электродные системы металл/соль металла используются в качестве электрода сравнения в амперометрическом датчике.

Может использоваться любое подходящее расстояние между электродами. В определенных случаях может оказаться предпочтительным, чтобы расстояние между электродами составляло приблизительно 500 мкм, 400 мкм, 300 мкм, 200 мкм, 100 мкм, 50 мкм, 20 мкм, 10 мкм или менее. В других случаях может оказаться предпочтительным, чтобы расстояние между электродами составляло приблизительно 500 мкм, 600 мкм, 700 мкм, 800 мкм, 900 мкм, 1 мм или более.

Агенты лизиса

В определенных случаях может потребоваться включение в состав электрохимической ячейки одного или более агентов лизиса. Подходящие агенты лизиса включают в себя детергенты, как ионные, так и неионные, протеолитические ферменты и липазы. Подходящие ионные детергенты включают в себя, например, додецилсульфат натрия и цетил триметиламмоний бромид. Неограничивающие примеры протеолитических ферментов включают в себя трипсин, химотрипсин, пепсин, папаин и проназу Е, очень активный фермент, обладающий широкой специфичностью. Неионные поверхностно-активные вещества, подходящие для использования, включают в себя, например, этоксилированные октилфенолы, включая серию TRITON X™, выпускаемые компанией Rohm & Haas, Филадельфия, штат Пенсильвания, США. В предпочтительном варианте в качестве агента лизиса могут использоваться сапонины, а именно: растительные гликозиды, пенящиеся в воде. В особенно предпочтительном варианте в качестве агентов лизиса могут использоваться соли, образованные щелочными металлами и дезоксихолевой кислотой, выпускаемые кампанией Sigma Aldrich Pty. Ltd., Кестл Хилл, штат Новый Южный Уэльс, Австралия.

Окислительно-восстановительные реагенты

В предпочтительных случаях в электрохимическую ячейку могут также вводиться окислительно-восстановительные реагенты. Предпочтительные окислительно-восстановительные реагенты, используемые в электрохимических ячейках для измерения содержания глюкозы в крови, включают в себя реагенты, способные окислять восстановленную форму ферментов, способных избирательно окислять глюкозу. Примеры подходящих ферментов включают в себя, не ограничиваясь нижеперечисленным: глюкозооксидазу дегидрогеназу, пирролохинолин хинон-зависимую глюкозодегидрогеназу (PQQ, pyrroloquinoline quinone), никотинамид-аденин-динуклеотид-зависимую глюкозодегидрогеназу (NAD, nicotinamide-adenine-dinucleotide). Примеры окислительно-восстановительных реагентов, пригодных для использования при анализе на глюкозу, включают в себя, не ограничиваясь нижеперечисленным: соли феррицианида, дихроматы, перманганаты, соли оксидов ванадия и электроактивные металлоорганические комплексы. Также подходят такие органические окислительно-восстановительные реагенты, как дихлорфенолиндофенол и хиноны. В предпочтительном варианте окислительно-восстановительном реагентом для анализа на глюкозу является феррицианид.

Буферы

В качестве возможного варианта в электрохимической ячейке в сухой форме вместе с окислительно-восстановительным реагентом может присутствовать буфер. Если имеется буфер, он присутствует в таком количестве, чтобы результирующий уровень рН подходил для регулирования окислительного потенциала окислительно-восстановительного реагента до уровня, подходящего для окисления, например, глюкозы, но не других соединений, обнаруживать которые не требуется. Буфер присутствует в количестве, достаточном для поддержания рН образца фактически на требуемом уровне во время проведения теста. Примеры подходящих буферов включают фосфаты, карбонаты, соли щелочных металлов и меллитовой кислоты, соли щелочных металлов и лимонной кислоты, а также соли щелочных металлов и цитраконовой кислоты. Выбор буфера может зависеть, среди прочих факторов, от требуемого уровня рН. Буфер выбирается таким образом, чтобы он не реагировал с окислительно-восстановительным реагентом.

Инертные соли

Инертные соли, являющиеся предпочтительными для использования в различных случаях, включают в себя соли, которые в анализируемом образце диссоциируют с образованием ионов, но не реагируют с любым из окислительно-восстановительных реагентов или других веществ, имеющихся в образце или в электрохимической ячейке, в том числе в/на ее электродах. Примеры подходящих инертных солей включают в себя, не ограничиваясь нижеперечисленным: хлориды, нитраты, сульфаты и фосфаты щелочных металлов.

Другие вещества, присутствующие в электрохимической ячейке

В электрохимической ячейке, кроме окислительно-восстановительных реагентов и буферов, могут также присутствовать и другие вещества. Такие вещества включают в себя, например, вещества, повышающие вязкость, и полимеры с низким молекулярным весом. В электрохимической ячейке могут также содержаться гидрофильные вещества, например полиэтиленгликоль, полиакриловая кислота, декстран, и поверхностно-активные вещества, например, предлагаемые на рынке компанией Rohm & Haas, Филадельфия, штат Пенсильвания, США под торговой маркой TRITON™ или компанией ICI Americas Inc., Вилмингтон, штат Делавер, США под торговой маркой TWEEN™. В предпочтительном варианте в электрохимической ячейке присутствуют поверхностно-активные вещества плюроники (Pluronic) и противовспенивающие агенты, выпускаемые компанией BASF. Такие вещества могут повышать скорость заполнения электрохимической ячейки, обеспечивать более стабильное проведение измерений и замедлять испарение в образцах небольшого объема.

Электрическая схема

Электропроводящие слои предпочтительно соединяются через описанные здесь соединители с электрическими схемами, способными создавать разность потенциалов между электродами и измерять возникающие в результате токи, например с измерительными приборами. Подходящие измерительные приборы могут включать в себя один или более из следующих блоков: источник питания, схему для подачи контролируемых потенциалов или токов, микропроцессорное управляющее устройство, компьютер, устройство хранения данных, монитор, устройство подачи звукового сигнала либо другие устройства или компоненты, известные в данной области техники. Измерительный прибор может также быть приспособлен для подключения к компьютеру или устройству хранения данных. Например, типичный измерительный прибор может представлять собой портативное устройство, которое питается от (аккумуляторной) батареи, управляется встроенным микропроцессором и содержит схему для подачи заранее определенных разностей потенциалов или токов между, например, штыревыми контактами электродов полоски и такой схемой, как аналого-цифровой преобразователь. В этом варианте аналоговой сигнал от полоски может преобразовываться в цифровой сигнал, который может анализироваться и/или сохраняться микропроцессором. Измерительный прибор может также содержать монитор, например жидкокристаллический дисплей, и подходящую связанную с ним схему для отображения результата теста пользователю. В другом случае измерительный прибор может включать в себя специализированную схему, например схему приложения разности потенциалов и обнаружения сигнала. Такая специализированная схема может быть включена в состав отдельного модуля, который может подключаться к стандартному вычислительному устройству, например карманному компьютеру или компьютеру другого типа. В таком случае стандартное устройство может выполнять функции управления, анализа, хранения данных и/или отображения. Данный вариант позволяет изготовить менее дорогой измерительный прибор, так как стандартное вычислительное устройство может оказаться предпочтительным для выполнения множества функций и как таковое не рассматривается как составная часть стоимости системы проведения электрохимических измерений. В любом из этих вариантов измерительного прибора измерительный прибор или стандартное вычислительное устройство могут быть приспособлены для связи с внешними устройствами, например локальными вычислительными сетями или Интернетом, чтобы облегчить пересылку результатов тестов и предоставление обновлений системы пользователю.

В приведенном выше описании предлагаются различные способы и материалы, соответствующие настоящему изобретению. Данное изобретение допускает модификации способов и материалов, а также изменения способов и оборудования для изготовления. Такие модификации станут очевидны специалистам в данной области техники в результате рассмотрения данного описания или реализации на практике предлагаемого здесь изобретения. Следовательно, подразумевается, что данное изобретение не ограничивается предлагаемыми здесь конкретными вариантами его реализации, но охватывает все модификации и альтернативные варианты, не выходящие за реальные пределы его объема и сущности, указанные в приложенной формуле изобретения. Все указанные здесь ссылки их упоминанием включены в текст этого описания во всей своей полноте.

Изобретение относится к электрохимическим элементам, в которых электрохимическая ячейка приспособлена для электрического соединения с измерительным прибором и имеет соединитель, который стыкуется с соединительным устройством для обеспечения электрического соединения со схемой измерительного прибора. Техническим результатом изобретения является возможность изготовления конструктивных полосковых электрохимических элементов в виде ячеек в форме непрерывного листа при надежном совмещении расположенных с внутренней стороны листа повторяющихся конструктивных элементов, образованных на различных слоях. 4 н. и 3 з.п. ф-лы, 19 ил.

1. Электрохимическая ячейка, приспособленная для электрического соединения с измерительным прибором, причем эта ячейка содержит первую изолирующую подложку, несущую первое электропроводящее покрытие, вторую изолирующую подложку, несущую второе электропроводящее покрытие, и расположенный между ними изолирующий промежуточный слой, при этом электропроводящие покрытия обращены друг к другу и размещены на расстоянии друг от друга, а край первой изолирующей подложки, несущей первое электропроводящее покрытие, выступает за край второй изолирующей подложки, несущей второе электропроводящее покрытие, а также за край изолирующего промежуточного слоя, и при этом край второй изолирующей подложки, несущей второе электропроводящее покрытие, выступает за край изолирующего промежуточного слоя.2. Электрохимическая ячейка по п.1, в которой первая изолирующая подложка, несущая первое электропроводящее покрытие, содержит отверстие в той части первой изолирующей подложки, несущей первое электропроводящее покрытие, которая выступает за край изолирующего промежуточного слоя, в результате чего открывается область второго электродного слоя с тем, чтобы предоставить поверхность для создания электрического соединения с измерительным прибором через отверстие.3. Электрохимическая ячейка по п.2, также содержащая дополнительный изолирующий промежуточный слой, который расположен между первым электропроводящим покрытием и вторым электропроводящим покрытием, при этом изолирующий промежуточный слой и дополнительный изолирующий промежуточный слой расположены с противоположных сторон отверстия.4. Электрохимическая ячейка, приспособленная для электрического соединения с измерительным прибором, причем эта ячейка содержит первую изолирующую подложку, несущую первое электропроводящее покрытие, вторую изолирующую подложку, несущую второе электропроводящее покрытие, и расположенный между ними изолирующий промежуточный слой, при этом электропроводящие покрытия обращены друг к другу и размещены на расстоянии друг от друга, а край первой изолирующей подложки, несущей первое электропроводящее покрытие, выступает за край второй изолирующей подложки, несущей второе электропроводящее покрытие, а также за край изолирующего промежуточного слоя, и при этом первая изолирующая подложка, несущая первое электропроводящее покрытие, и изолирующий промежуточный слой содержат отверстие, в результате чего открывается область второго электродного слоя с тем, чтобы предоставить поверхность для создания электрического соединения с измерительным прибором через отверстие.5. Электрохимическая ячейка, приспособленная для электрического соединения с измерительным прибором, причем эта ячейка содержит первую изолирующую подложку, несущую первое электропроводящее покрытие, вторую изолирующую подложку, несущую второе электропроводящее покрытие, и, расположенный между ними изолирующий промежуточный слой, при этом электропроводящие покрытия обращены друг к другу и размещены на расстоянии друг от друга, а часть первой изолирующей подложки, несущей первое электропроводящее покрытие, выступает за край второй изолирующей подложки, несущей второе электропроводящее покрытие, а также за край изолирующего промежуточного слоя, и при этом часть первой изолирующей подложки, несущей первое электропроводящее покрытие, и часть изолирующего промежуточного слоя удалены для того, чтобы создать выемку, причем выемка расположена в непосредственной близости к краю второй изолирующей подложки, несущей второе электропроводящее покрытие, и к краю изолирующего промежуточного слоя, в результате чего открывается область второго электродного слоя с тем, чтобы предоставить поверхность для создания электрического соединения с измерительным прибором.6. Способ создания электрического соединения между электрохимической ячейкой и измерительным прибором, содержащий этапы, на которых:

a) обеспечивают электрохимическую ячейку, приспособленную для электрического соединения с упомянутым измерительным прибором, причем эта ячейка содержит первую изолирующую подложку, несущую первое электропроводящее покрытие, вторую изолирующую подложку, несущую второе электропроводящее покрытие, и расположенный между ними изолирующий промежуточный слой, при этом электропроводящие покрытия обращены друг к другу и размещены на расстоянии друг от друга, а край первой изолирующей подложки, несущей первое электропроводящее покрытие, выступает за край второй изолирующей подложки, несущей второе электропроводящее покрытие, а также за край изолирующего промежуточного слоя, и при этом край второй изолирующей подложки, несущей второе электропроводящее покрытие, выступает за край изолирующего промежуточного слоя;

b) обеспечивают измерительный прибор, содержащий клин, причем клин содержит верхнюю проводящую поверхность клина и нижнюю проводящую поверхность клина и эти проводящие поверхности электрически связаны с измерительным прибором; и

c) вставляют часть электрохимической ячейки в измерительный прибор, при этом клин вставляют между частью первой изолирующей подложки, несущей первое электропроводящее покрытие, и той частью второй изолирующей подложки, несущей второе электропроводящее покрытие, которая выступает за край изолирующего промежуточного слоя, в результате чего создают электрическое соединение между первым электропроводящим покрытием и нижней проводящей поверхностью клина, а также создают электрическое соединение между вторым электропроводящим покрытием и верхней проводящей поверхностью клина.