Чувствительный элемент
Изобретение относится к чувствительному элементу для определения влажности в окружающей среде. Чувствительный элемент включает в себя магнитоупругую пленку и полимерную подложку для указанной магнитоупругой пленки, причем указанная магнитоупругая пленка крепится на указанной подложке. Полимерная подложка включает в себя смесь полимерного материала и магнитно восприимчивого материала, причем указанный магнитно восприимчивый материал находится в форме частиц. Изобретение также относится к способу получения указанного чувствительного элемента, применению указанного чувствительного элемента в абсорбирующем изделии и абсорбирующему изделию, включающему в себя указанный чувствительный элемент. Чувствительный элемент включает в себя смещающий магнит, имеющий воспроизводимое более гомогенное магнитное поле, при этом магнит удовлетворяет строгим требованиям безопасности продукта для применения в гигиенических продуктах. 4 н. и 11 з.п. ф-лы, 5 ил.
Область техники
Настоящее изобретение относится к чувствительному элементу (датчику), который, в основном, применяется для определения влажности в данной окружающей среде. Изобретение также относится к способу изготовления указанного чувствительного элемента, применению указанного чувствительного элемента в абсорбирующем изделии и абсорбирующему изделию, включающему в себя указанный чувствительный элемент.
Предшествующий уровень техники
Известно обеспечение одноразовых абсорбирующих изделий, таких как подгузники и изделия при недержании, датчиками некоторого рода, которые позволяют пользователю или лицу, осуществляющему уход, легко определить состояние изделия, в частности мокрое оно или сухое. Таким образом, лицо, осуществляющее уход, или пользователь предупреждаются о случае загрязнения, и можно избежать смены изделия без необходимости.
Известно об использовании элементов, включающих в себя магнитоупругий материал, для различных типов выявлений или измерений в различных технических областях. Например, элементы магнитоупругого материала применяются в позиционных датчиках, идентификационных маркерах и в бирках для противоугонных устройств или бирках для изделий электронного наблюдения (EAS). Кроме того, известно о применении элементов магнитоупругого материала в датчиках для выявления или измерения параметров окружающей среды. Grimes et al. (Biomedical Microdevices, 2:51-60, 1999) описал датчики, включающие в себя элемент магнитоупругого материала, т.е. магнитоупругие датчики, и их применение при измерении, например, температуры, давления или вязкости.
Кроме того, известно о включении магнитоупругих датчиков в абсорбирующие изделия, такие как подгузники, подгузники в виде трусов, предметы одежды при недержании, гигиенические прокладки, устройства защиты для кроватей, приспособления для чистки, полотенца, бумажные салфетки, продукты типа тампонов и перевязочный материал для ран и язв, причем абсорбирующие изделия предназначены для использования для абсорбции, удержание и изолирование отходов жизнедеятельности, таких как моча, фекалии и кровь. Магнитоупругий датчик, содержащийся в подобном абсорбирующем изделии, можно выполнить так, чтобы он реагировал на событие, такое как мочеиспускание или дефекация, после абсорбции в абсорбирующее изделие или на него. Реакция может представлять собой, например, сигнал после того, как событие произошло, и может быть основана на измерении, например, влажности, биологического анализируемого материала и/или химического анализируемого материала. Сигнал о событии дает возможность пользователю, родителю, лицу, осуществляющему уход, сестринскому персоналу и т.д. с легкостью определить, что событие произошло.
WO 2004/021944 описывает одноразовую чувствительную абсорбирующую структуру, включающую в себя по меньшей мере один абсорбирующий слой и по меньшей мере один чувствительный элемент, включающий в себя магнитоупругую пленку. Чувствительная абсорбирующая структура может содержаться в абсорбирующем изделии, таком как, например, подгузник, подгузник в виде трусов, защитное средство при недержании, гигиеническая прокладка или устройство защиты для кроватей. В одном варианте осуществления чувствительный элемент предназначен для использования для определения влажности. Затем магнитоупругую пленку чувствительного элемента покрывают чувствительным к влажности полимером, который взаимодействует с влажностью, например, жидкостью или сыростью. Чувствительный к влажности полимер взаимодействует с влажностью, такой как моча, благодаря абсорбции или адсорбции, посредством чего изменяется масса чувствительного элемента. Это изменение массы будет или увеличивать или уменьшать резонансную частоту магнитоупругой пленки. Изменение массы измеримо и находится в связи с количеством влажности, взаимодействующей с чувствительным к влажности полимером. В другом варианте осуществления магнитоупругая пленка чувствительного элемента покрывается непосредственно или косвенно по меньшей мере одной детекторной молекулой, применяемой для обнаружения по меньшей мере одного целевого биологического и/или химического анализируемого материала в отходах жизнедеятельности, физиологических экссудатах или коже пользователя. WO 2004/021944 включен в данный документ в виде ссылки во всей своей полноте.
Возможно облучить магнитоупругий материал постоянным магнитным полем, показывающим частоту, соответствующую магнитоакустической резонансной частоте, и измерить реакцию материала. На этой резонансной частоте реакция материала является максимальной. Следовательно, постоянный смещающий магнит устанавливается в подобных чувствительных элементах и располагается так, чтобы магнитное поле лежало параллельно плоскости магнитоупругой пленки.
Для получения относительно небольших размеров, которые требуются для этих чувствительных элементов (шириной приблизительно 3-20 мм, длиной приблизительно 10-40 мм и толщиной приблизительно 1-5 мм) эти смещающие магниты традиционно изготавливают из ленты или тесьмы магнитного материала, из которого вырезают или иным образом формируют магниты необходимых размеров.
Однако этот подход имеет ряд недостатков. Магнитное поле в магнитах, полученных этим способом, является достаточно неоднородным из-за различий в процессе вырезания и небольших дефектов на краях каждого магнита. Также возникают трудности в расположении магнитоупругого материала по отношению к смещающему магниту, так как магнитное поле смещающего магнита не является однородным, небольшое смещение магнитоупругого материала по отношению к магниту может вызвать значительные эффекты на поле, испытываемое магнитоупругим материалом. Эта проблема обсуждается в WO 00/02172.
Кроме того, вырезание магнита, его расположение и установка его в чувствительном элементе включает три рабочие стадии, которые дополнительно усложняются относительно небольшим размером включенных компонентов.
Кроме того, абсорбирующие изделия, применяемые в области гигиены, должны удовлетворять строгим требованиям относительно безопасности продукта, так как они часто находятся в контакте с телом пользователя или в непосредственной близости к нему в условиях, которые обычно являются теплыми и могут также быть влажными. Следовательно, важно, чтобы компоненты любого чувствительного элемента были способны выдержать подобные окружающие среды, например, без активации у пользователя аллергических реакций. Ленты или тесьма магнитного материала, которые подходят для применений, таких как магниты на холодильник, не всегда подходят для гигиенических применений, так как их состав часто является неопределенным, они могут содержать аллергенные или токсичные компоненты, и они могут выщелачивать химические продукты в окружающее абсорбирующее изделие.
Следовательно, существует необходимость в улучшенном чувствительном элементе, который избежит проблем, связанных с описанными выше чувствительными элементами. В частности, требуется чувствительный элемент, который включает в себя смещающий магнит, имеющий воспроизводимое более гомогенное магнитное поле, и который можно легко изготовить. Кроме того, желательно получить чувствительный элемент, в котором магнит удовлетворяет строгим требованиям безопасности продукта для применения в гигиенических продуктах.
Сущность изобретения
Следовательно, в первом варианте осуществления настоящее изобретение предоставляет чувствительный элемент, включающий в себя магнитоупругую пленку и полимерную подложку для указанной магнитоупругой пленки, причем указанная магнитоупругая пленка устанавливается на указанной подложке. Полимерная подложка включает в себя смесь полимерного материала и магнитно восприимчивого материала. Магнитно восприимчивый материал находится в форме частиц.
Настоящее изобретение также предоставляет способ изготовления чувствительного элемента, как описано в настоящем документе, причем указанный способ включает в себя стадии:
а.) смешение полимерного материала с магнитно восприимчивым материалом в форме частиц;
b.) заливку полимерной подложки из смеси полимерного материала и магнитно восприимчивого материала;
с.) намагничивание полимерной подложки так, чтобы обеспечить ее наибольшим магнитным полем В;
d.) крепление магнитоупругой пленки на полимерной подложке так, чтобы плоскость магнитоупругой пленки ориентировалась в направлении, которое параллельно магнитному полю В.
Настоящее изобретение также описывает применение одного или более чувствительных элементов, как описывается в данном документе, для определения влажности в абсорбирующем изделии, таком как подгузник, защитное средство при недержании, гигиеническая прокладка. Настоящее изобретение также предоставляет абсорбирующее изделие, такое как подгузник, защитное средство при недержании, гигиеническая прокладка, включающее в себя один или более чувствительных элементов, как описывается в данном документе.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 показывает вид чувствительного элемента в разобранном виде в соответствии с предшествующим уровнем техники.
Фиг.2 показывает вид чувствительного элемента в разобранном виде в соответствии с настоящим изобретением. Как показано, вкладыш на Фиг.2 представляет собой намагниченное поперечное сечение чувствительного элемента Фиг.2.
Фиг.3 показывает абсорбирующее изделие, включающее в себя чувствительный элемент в соответствии с изобретением.
Фиг.4 показывает зависимость резонансной частоты и амплитуды от магнитного смещающего поля.
Фиг.5 показывает зависимость магнитного поля от смещающего магнита в местоположении MER пленки.
Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления
Фиг.1 показывает чувствительный элемент 10 в соответствии с предшествующим уровнем техники. Он включает в себя магнитоупругую пленку 12 в форме полосы, закрепленную на полимерной подложке 14. Полимерная подложка 14 находится в форме капсулы 14', которая имеет полую внутреннюю часть и которая полностью окружает магнитоупругую пленку 12. Капсула 14' имеет крышку 18 и основание 12. Центр магнитоупругой пленки 12 крепится в середину основания 20 в продольном направлении (х) и фиксируется на месте адгезивом, давая возможность концам магнитоупругой пленки 12 свободно двигаться. Постоянный смещающий магнит 32 крепится на обратной стороне основы 20 чувствительного элемента 10 и располагается так, чтобы магнитное поле В лежало параллельно плоскости магнитоупругой пленки.
Настоящее изобретение предоставляет чувствительный элемент 10, иллюстрированный, в общем, на Фиг.2. Он включает в себя магнитоупругую пленку 12 в форме полосы, закрепленную на полимерной подложке 14. Как описано выше, чувствительный элемент 10 можно поместить в абсорбирующее изделие и применять для определения присутствия влаги.
Магнитоупругие материалы
Магнитоупругая пленка 12 чувствительного элемента 10 обычно выполнена в форме полосы с продольной осью (х) и поперечной осью (у) и с большей протяженностью в продольном направлении, чем в поперечном направлении. Также возможны другие формы магнитоупругой пленки, такие как, например, квадратная форма.
Материалы, которые являются подходящими для применения в качестве магнитоупругой пленки 12 в магнитоупругом датчике, представляют собой материалы с безнулевой магнитострикцией и высокой магнитоупругой связью, такие как, например, сплавы на основе железа и никеля, редкоземельные металлы, ферриты, например, ферриты типа шпинели (Fе3O4, MnFe2O4), сплавы на основе железа и кремния, многие другие различные сплавы и их смеси. Можно применять мягкие магнитоупругие материалы, сплавы и их смеси, а также аморфные магнитоупругие материалы, сплавы и их смеси. Примерами аморфных магнитоупругих сплавов являются Metglas, такие как Fe40Ni38Mo4B18, например, Metglas 2826MB3 (Honeywell Amorphous Metals, Pittsburg, PA, USA), Metglas 2826MB2 (FeCo)80B20, (CoNi)80B20 и (FeNi)80B20. Толщина пленки магнитоупругого материала типично составляет приблизительно 0,01-1000 мкм, такая как 0,01-200 мкм, 5-100 мкм или 0,01-100 мкм.
Термин "магнитострикция" относится к явлению, посредством которого материал изменяет свои размеры в присутствии внешнего магнитного поля. Протяженность размерного изменения зависит от намагничиваемости материала и, конечно, от свойств материала. Явление магнитострикции происходит благодаря взаимодействию между атомными магнитными моментами в материале.
Материал, имеющий "высокую магнитнитоупругую связь", эффективно превращает магнитную энергию в энергию механической упругой деформации и наоборот. Когда материал, который может превратить магнитную энергию в энергию механической упругой деформации, облучается переменным магнитным полем, упругие волны механически деформируют материал, который имеет механическую резонансную частоту, обратно пропорциональную его длине. Если материал также является магнитострикционным, он генерирует магнитный поток при механической деформации материала. Этот магнитный поток проходит удаленно, и его можно определить измерительной катушкой.
Кроме того, магнитоупругий материал аккумулирует магнитную энергию в магнитоупругой волне при облучении внешним магнитным полем. При отключении магнитного поля магнитоупругий материал показывает затухающие колебания с конкретной резонансной частотой, обозначенной как магнитоакустическая резонансная частота. Эти колебания дают начало магнитному потоку, который варьируется во времени, который можно удаленно определить измерительной катушкой. Если к магнитоупругому материалу прикладывается импульсное магнитное поле, такое как, например, импульсное синусоидальное магнитное поле, будет возможно определить эту характеристическую резонансную частоту между магнитными импульсами. Резонансная частота обратно пропорциональна длине куска магнитоупругого материала.
Применяемые импульсные частоты могут составлять, например, приблизительно 10-1000 Гц, такие как приблизительно 50-700 Гц. Рабочие циклы импульсов могут составлять, например, приблизительно 1-90%, такие как приблизительно 10-50%. Если магнитное поле является импульсным синусоидальным полем, синусоиды могут составлять, например, приблизительно 50-80 кГц. Если в качестве магнитоупругого материала применяется материал Metglas® от Honeywell, амплитуда магнитного поля импульсного поля может составлять приблизительно 0,05-0,1 мТл.
Для приложения магнитного поля к магнитоупругой пленке можно применять, например, катушку возбуждения. Для улавливания полученного сигнала, т.е. для определения резонансной частоты, можно применять измерительную катушку. Катушка возбуждения и измерительная катушка могут располагаться в одном и том же ручном элементе, предпочтительно в одном и том же ручном элементе. В дополнительной альтернативе одну и ту же катушку можно использовать в качестве как катушки возбуждения, так и измерительной катушки, т.е. ее можно использовать как для возбуждения, так и для определения. WO 2004/021944 вводится в данное описание в виде ссылки во всей своей полноте для дополнительных деталей относительно возбуждения магнитоупругого материала, определения резонансной частоты и приспособлений для возбуждения и определения.
Магнитоупругую пленку 12 покрывают слоем, включающим в себя чувствительный элемент 32, расположенный для взаимодействия с анализируемым материалом. Например, магнитоупругую пленку 12 можно покрыть чувствительным полимером, таким как, например, чувствительным к влажности полимером. В одном варианте осуществления чувствительный материал 32 представляет собой чувствительный к влажности полимер, выбираемый из группы, состоящей из линейных и гидрофильных полимеров или химически/физически сшитых набухаемых полимерных гелей на основе поливинилового спирта, поливинилпирролидона, полиэтиленоксида и их сополимеров, полиуретана, полиамидов, крахмала и его производных, целлюлозы и ее производных, полисахаридов, белков, полиакрилонитрила, полиэтиленимина, полимеров на основе акрилатов и их смесей. Полимерные гели на основе полиспиртов, такие как полимерные гели на основе поливинилового спирта, являются предпочтительными чувствительными материалами 32 для обнаружения влажности. Толщина слоя чувствительного материала 32 может составлять, например, приблизительно 0,005-500 мкм, такая как 0,005-100 мкм, 2,5-50 мкм, 5-50 мкм или 34 мкм. Пример магнитоупругого датчика, в котором магнитоупругий материал покрывается чувствительным материалом, раскрывается в WO 2004/021944.
Альтернативно, магнитоупругую пленку 12 можно покрыть детекторными молекулами или можно покрыть не чувствительным к влажности полимером, который, в свою очередь, покрывают детекторными молекулами. Детекторные молекулы применяются для обнаружения по меньшей мере одного целевого биологического и/или химического анализируемого материала.
В одном варианте детекторные молекулы можно применять для обнаружения биологического или химического анализируемого материала, выбираемого из группы, состоящей из ферментов или последовательности ферментов; антител; нуклеиновых кислот, таких как ДНК или РНК; белка, такого как растворимый белок или мембранный белок; пептида, такого как олигопептид или полипептид; органеллы; частей природной или синтетической клеточной мембраны или капсида, такого как клеточная или животная клеточная мембрана бактерии или вирусный капсид; непораженная или частично жизнеспособная или не жизнеспособная бактериальная, растительная или животная клетка; кусок растительных или животных тканей или любой другой биологически производной молекулы; липид; углевод; лектин и их смеси.
В другом варианте детекторную молекулу можно применять для обнаружения биологического или химического анализируемого материала, выбираемого из группы, состоящей из патогенных бактерий; непатогенных бактерий, например, ободочных бактерий; вирусов; паразитов; бактериальных токсинов; грибков; ферментов; белков; пептидов; животных кровяных клеток, таких как человеческие белые или красные кровяные клетки; гормоны; животные компоненты крови, включая человеческие, такие как глюкоза крови; моча и ее компоненты, такие как глюкоза, кетоны, уробилиноген и билирубин, и их смеси.
Бактерии, для обнаружения которых можно применять детекторную молекулу, патогенные или нет, выбирают из группы, состоящей из Escherichia coli, Salmonella typhi, Salmonella paratyphi, Salmonella enteriditid, Salmonella thyphimurium, Salmonella heidelberg, Staphylococcus aureus, Shigella sonnei, Shigella flexneri, Shigella boydii, Shigella dysenteriae. Vibrio cholerae, Mycobacterium tuberculosis, Yersina enterocolitica, Aeromonas hydrophila, Plesmonas shigelloides, Campylobacter jejuni, Campylobacter coli, Bacteroides fragilis, Clostridia septicum, Clostridia perfringens, Clostridia botulinum, Clostridia difficile и их смеси.
В еще одном варианте детекторную молекулу применяют для обнаружения химического соединения или химического анализируемого материала, такого как здоровые маркеры или питательные маркеры. Питательные маркеры включают маркеры, например, для эффективности метаболизма, недостаточности питательных веществ, абсорбции или мальабсорбции питательных веществ, поглощения пищи и напитков, пищевых аллергий (например, на арахис), пищевой непереносимости (например, непереносимости лактозы или глютена), экологию ободочных бактерий (например, полезных бактерий, таких как бифидобактерии и лактобациллы) и общего энергетического баланса. Здоровые маркеры могут включать химические анализируемые материалы, такие как тяжелые металлы (например, свинец, ртуть и т.д.), радиоактивные вещества (например, цезий, стронций, уран и т.д.), жиры, ферменты, эндогенные секреции, белковое вещество (например, кровяные сгустки), слизистые и микроорганизмы, как описано выше, которые могут быть связаны с различными здоровыми тканями, такие как инфекция, диарея, гастроинтестинальное недомогание при заболевании или отравление. Тяжелые металлы, особенно в определенных развивающихся странах и в более старых и/или менее изобильных районах развитых стран, представляют собой серьезный риск для здоровья. Например, отравление свинцом и ртутью может происходить при всасывании этих тяжелых металлов из окружающих источников (например, из свинцовой краски, неурегулированных тяжелых производств и т.д.) и может быть смертельным. Более обычно легкое отравление этими и другими тяжелыми металлами приводит к замедленному умственному и/или физическому развитию, особенно у детей, что может происходить в течение длительного промежутка времени и иметь длительное влияние на индивидуума. Другие примеры питательных маркеров включают кальций, витамины (например, тиамин, рибофлавин, ниацин, биотин, фолиевая кислота, пантотеновая кислота, аскорбиновая кислота, витамин Е и т.д.), электролиты (например, натрий, калий, хлор, бикарбонат и т.д.), жиры, жирные кислоты (с длинной и короткой цепью), мыла (например, пальмитат кальция), аминокислоты, ферменты (например, лактоза, амилаза, липаза, трипсин и т.д.), желчные кислоты и их соли, стероиды и углеводы. Например, является важной мальабсорбция кальция тем, что она может привести к долговременному дефициту костной массы.
Подходящие детекторные молекулы могут включать любой биологически распознаваемый элемент и дополнительно характеризуются углеводами, антителами или их частями, синтетическими антителами или их частями, ферментами, пектинами, ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислотой), РНК (рибонуклеиновой кислотой), клетками и/или клеточными мембранами или любой другой молекулой с вяжущей способностью для определенного биологического анализируемого материала или химического анализируемого материала.
Можно использовать любые подходящие способы для нанесения детекторных молекул на магнитоупругий слой. Например, может быть желательным химически связать детекторную молекулу непосредственно или косвенно с магнитоупругим слоем, применяя любую одну из множества традиционно применяемых сшивающих молекул, включая, но не ограничиваясь ими, глутаровый альдегид, N-гидроксисукцинимид, карбодидимиды.
Магитоупругие пленки 12, которые можно применять в магнитоупругих чувствительных элементах, типично получают как непрерывную ленту. При получении магнитоупругих пленок 12, в которых магнитоупругий материал покрывается слоем, включающим в себя чувствительный элемент 32, ленту магнитоупругой пленки 12 типично покрывают чувствительным материалом 32 и после этого покрытую ленту разделяют на полосы, образующие различные детекторы. Однако ленту можно также сначала разделить на полосы и после этого нанести чувствительный материал 32 на разделенные полосы.
Как описано выше, магнитоупругая пленка 12 вибрирует при конкретной резонансной частоте на первоначальной стадии, т.е. до воздействия водяного пара или химического анализируемого материала. Когда магнитоупругую пленку 12 и покрытие чувствительного материала 32 подвергают воздействию водяного пара или химического анализируемого материала, они связываются с поверхностью магнитоупругой пленки 12 через чувствительный материал 32. В результате масса магнитоупругой пленки 12 увеличивается, что приводит к измеряемому изменению резонансной частоты, что, в свою очередь, можно обнаружить измерительной катушкой.
Полимерная подложка
Чувствительный элемент 10 изобретения включает в себя полимерную подложку 14 для магнитоупругой пленки 12. Магнитоупругая пленка 12 фиксировано прикрепляется по меньшей мере на одном местоположении на указанной подложке 14 так, чтобы магнитоупругая пленка 12 могла вибрировать. Как любая вибрирующая структура, магнитоупругая пленка 12 имеет узлы колебаний, в которых смещение равно нулю. В наиболее общем виде в центре магнитоупругой пленки 12 существует узел колебаний, поэтому наиболее подходящее местоположение для нанесения магнитоупругой пленки 12 находится только в центре магнитоупругой пленки 12 при измерении в продольном направлении (х).
Полимерная подложка 14 включает в себя смесь полимерного материала 22 и магнитно восприимчивого материала 16 (см. Фиг.2). Полимерный материал 22 может быть любым известным полимерным материалом 22, который удовлетворяет требованиям прочности, упругости, долговечности, стабильности и формуемости, которые необходимы в чувствительном элементе 10. Полимерный материал 22 обычно находится в форме частиц или гранул до смешения с магнитно восприимчивым материалом 16 и переработки. Полимерный материал 22 может представлять собой сополимер или блок-сополимер и может быть синтетическим или натуральным. Полиамины, полиамиды, простые полиэфиры, полиалкены (например, полиэтилен), полиакрилаты, полиакриламиды, полистиролы, поливинилгалогениды и сложные полиэфиры и их смеси представляют собой все подходящие полимерные материалы для применения в настоящем изобретении. Полиамиды и сополимер акрилонитрила, бутадиена и стирола (ABS) функционируют благоприятным образом с точки зрения изготовления и одобрены для применения в гигиенических изделиях.
Типично полимерная подложка 14 образуется благодаря технологии формования, такой как литье под давлением, прямое прессование, литьевое прессование, шприцевание, формование раздувом, центробежное формование, формование листовых термопластов, вакуумное формование (упрощенная версия формования листовых термопластов), реакционное литье под давлением, ламинирование, формование вспениваемых гранулированных полимеров или формование пенопластов. Полимерную подложку 14 можно также образовать благодаря процессам экструзии.
Полимерная подложка 14, иллюстрированная на Фиг.2, находится в форме капсулы 14', которая имеет полую внутреннюю часть и которая полностью окружает магнитоупругую пленку 12. Капсула 14' имеет крышку 18 и основание 12. Магнитоупругая пленка 12 крепится в центре основания 20 и фиксируется на месте (например, с помощью адгезива), давая возможность каждому концу пленки 12 свободно двигаться.
Капсула 14' Фиг.2 имеет овальное поперечное сечение с границей между крышкой 18 и основанием 20, пролегающим вдоль периметра капсулы 14'. Однако капсула 14' может принимать другие геометрические формы, такие как цилиндрическая, с границей между крышкой 18 и основанием 20 на одном конце или выравниваться с большей или меньшей осью симметрии. Также возможны капсулы 14' с поперечным сечением, которое является прямоугольным, квадратным или любой другой геометрии. Все эти формы можно легко предоставить посредством технологий формования, обсужденных выше. При условии, что капсула 14' предлагает соответствующую защиту магнитоупругой пленке 12 и дает возможность ей свободно вибрировать и в то же время позволяет генерирование гомогенного магнитного поля В, точная геометрия капсулы не имеет особого значения.
Капсула 14' включает в себя по меньшей мере одно отверстие 24, которое позволяет прохождение газов в капсулу 14'. На Фиг.2 эти отверстия 24 иллюстрированы как множество небольших сквозных отверстий на крышке 18, хотя возможны альтернативные расположения отверстий 24, например щели или открытые области в крышке 18 или основании 20, или нарушения непрерывности в границе между крышкой 18 и основанием 20. Капсула 14' может также иметь относительно "открытую" структуру, в которой отверстия 24 являются сравнительно большими.
В предпочтительном варианте осуществления по меньшей мере одно отверстие в капсуле 14' покрывается непроницаемым для жидкости проницаемым для газа слоем 26. Это ограничивает доступ жидкости во внутреннюю часть капсулы 14', которая может иначе разрушить или понизить эффект магнитоупругой пленки 12, но позволяет пару проходить в капсулу и из нее. При желании можно покрыть всю капсулу 14' непроницаемым для жидкости и проницаемым для газа слоем 26. Подходящими непроницаемыми для жидкости и проницаемыми для газа слоями 26 являются нетканые материалы, перфорированные пластичные пленки и их ламинаты.
Магнитно восприимчивый материал
Полимерная подложка 14 изобретения включает в себя смесь полимерного материала 22 и магнитно восприимчивого материала 16. Это схематично иллюстрируется на увеличенной вкладке на Фиг.2. Термин "магнитно восприимчивый материал" относится к материалу, который становится намагниченным при воздействии магнитного поля. Магнитная восприимчивость материала представляет собой степень намагничиваемости указанного материала в ответ на приложенное магнитное поле.
Магнитно восприимчивый материал 16 находится в форме частиц. В настоящем контексте выражение "в форме частиц" включает формы, такие как гранулы и порошки, и описывает материал, в котором средний диаметр частиц лежит между 1 и 4 мкм. Магнитно восприимчивый материал 16 смешивают с полимерным материалом 22 с образованием, по существу, гомогенной смеси.
Формованные литьем магниты включают в себя магнитный порошок, который диспергирован в полимере, и дают возможность изготавливать сложные форму посредством литьевого формования. Для активизации связывания и смешения между магнитным порошком и полимером магнитный порошок часто изменяют химически некоторым образом, и он может включать в себя полимеризуемые группы, которые вводятся в полимер при полимеризации. Физические и магнитные свойства формованных литьем магнитов зависят от исходных материалов, но они, как правило, имеют более низкую силу магнитного поля и по физическим свойствам напоминают пластики. Патент США №4358388 описывает латекс магнитного полимера и способ его получения.
Магнитно восприимчивый материал 16 является предпочтительно ферромагнитным с остаточной намагниченностью (remanence). Приложение внешнего магнитного поля вызывает намагничивание магнитно восприимчивого материала, создавая общее магнитное поле В. При отключении внешнего магнитного поля магнитно восприимчивый материал должен обладать остаточной намагничиваемостью, которая создает магнитное поле В внутри капсулы. Подходящие магнитно восприимчивые материалы выбирают из группы, включающей металл, металлический сплав, оксид железа, диоксид хрома и смеси оксида железа и оксидов других металлов. Подходящие металлы могут представлять собой железо, железо с добавлением кремния, никель или кобальт. Подходящие металлические сплавы могут представлять собой сплав железа, железа с добавлением кремния, никеля или кобальта по меньшей мере с одним из молибдена, хрома, меди, ванадия, марганца, стронция, алюминия и титана. Оксиды железа включают Fе3O4 и γ-Fе2O3 или их смеси. Оксиды железа, такие как Fе3O4 и γ-Fе2O3, можно смешать с комбинированными или смешанными с другими оксидами металлов, такими как оксид кобальта, оксид марганца, оксид цинка, оксид бария и оксиды редкоземельных металлов. Магнитно восприимчивыми материалами, которые можно применять, являются феррит стронция и оксид хрома.
Коммерчески доступны готовые смеси магнитно восприимчивого материала 16 в форме частиц и полимерного материала 22. Например, COMPODIC FPA-132 является смесью феррита стронция и полиамида 12 и поставляется фирмой DIC Europe GmbH. YUXIANG Magnetic Materials Ind. Co., Ltd и Xiangying Magnetic Materials Co., Ltd также являются поставщиками подобных готовых смешанных продуктов.
Подходящим образом полимерная подложка 14 включает в себя от 50 до 95 мас.%, предпочтительно от 75 до 90 мас.% магнитно восприимчивого материала 16. Введение магнитно восприимчивого материала 16 на полимерную подложку 14 может ослабить подложку 14 и сделать ее хрупкой, так как оптимально для прочности и упругости полимерной подложки 14, чтобы только крышка 18 или основание 20 капсулы 14' включали в себя магнитно восприимчивый материал 16. Это также предоставляет снижение себестоимости.
Магнитно восприимчивый материал 16 обычно находится в форме частиц, которые диспергированы среди частиц полимерного материала 22 (см. Фиг.2). Предпочтительно частицы имеют средний диаметр от 0,5 до 3 мм, более предпочтительно от 1 до 2,5 мм.
Магнитное поле В индуцируется в полимерной подложке 14 так, чтобы поле В ориентировалось в направлении, которое является параллельным плоскости магнитоупругой пленки 12. Для получения самой высокой магнитной остаточной намагничиваемости (remanence), которая создает самое высокое магнитное поле внутри капсулы, в продольном направлении капсулы прикладывают внешнее магнитное поле предварительно определенного уровня. Минимальная сила этого внешнего магнитного поля варьируется с размером, геометрией и магнитным материалом в капсуле и определяется, где две линии намагничиваемости в магнитном гистерезисе образуют замкнутый контур.
Если магнитоупругая пленка 12 находится в форме полосы, магнитное поле В полимерной подложки 14 ориентируется в направлении, которое является параллельным продольной оси (х) магнитоупругой пленки 12. Это максимизирует вибрацию в магнитоупругой пленке 12 и, таким образом, максимизирует силу сигнала, излучаемого чувствительным элементом 10.
Сила магнитного поля В в полимерной подложке 14 находится между 0,1 и 2 мТл, предпочтительно между 0,1 и 0,5 мТл.
Посредством введения магнитно восприимчивого материала 16 в полимерную подложку 14 таким способом, исключается необходимость в отдельном смещающем магните 32 и проблемы, связанные с подобными магнитами. Следовательно, чувствительный элемент 10 в соответствии с изобретением не содержит отдельного смещающего магнита 32; вместо этого полимерная подложка 14 чувствительного элемента 10 сама действует как смещающий магнит.
Настоящее изобретение также относится к способу получения чувствительного элемента 10, как описано в данном документе, причем указанный способ включает в себя стадии:
а.) смешение полимерного материала 22 с магнитно восприимчивым материалом 16;
b.) отливку полимерной подложки 14 из смеси полимерного материала 22 и магнитно восприимчивого материала 16;
с.) намагничивание полимерной подложки 14 так, чтобы обеспечить ее наибольшим магнитным полем В;
d.) крепление магнитоупругой пленки 12 на полимерной подложке 14 так, чтобы плоскость магнитоупругой пленки 12 ориентировалась в направлении, которое является параллельным магнитному полю В.
Для исключения вариаций в резонансной частоте чувствительного элемента 10, которые могут происходить в ходе изготовления, способ может дополнительно включать стадию калибровки чувствительного элемента 10 после того, как магнитоупругая пленка 12 закреплена на полимерной подложке 14.
Как описано выше, полимерная подложка 14 может включать в себя капсулу 14', имеющую крышку 18 и основание 20 и по меньшей мере одно отверстие 20, которое дает возможность пропускания газов. В этом случае стадия d. (приведенная выше) включает в себя отдельные стадии крепления магнитоупругой пленки 12 на основание 20 капсулы 14' так, чтобы плоскость магнитоупругой пленки 12 ориентировалась в направлении, которое является параллельным магнитному полю В капсулы 14', и закрытия крышки 18 так, чтобы магнитоупругая пленка 12 была полностью заключена внутри капсулы 14'.
Абсорбирующее изделие
Чувствительный элемент 10 в соответствии с изобретением можно расположить в контакте с абсорбирующим материалом абсорбирующей структуры 34 абсорбирующего изделия 30 или на расстоянии от него. Например, чувствительный элемент 10 в соответствии с изобретением может содержаться в абсорбирующей структуре в абсорбирующем изделии 30, таком как подгузник, подгузник в виде трусов, предмет одежды при недержании, гигиеническая прокладка, приспособление для чистки, полотенце, бумажные салфетки, устройство защиты для кроватей, перевязочный материал для ран и язв, продукт типа тампонов или подобный продукт. При нормальном применении абсорбирующая структура в подобном абсорбирующем изделии служит для абсорбции, удержания и изолирования отходов жизнедеятельности или физиологических экссудатов, например, мочи, фекалий, крови, менструальной крови, текучего вещества из ран и язв, промывочной текучей среды и слюны. Когда в подобной абсорбирующей структуре содержится чувствительный элемент 10 в соответствии с изобретением, в котором магнитоупругая пленка 12 по меньшей мере частично покрывается слоем, включающим в себя чувствительный к влажности полимер или детекторные молекулы, будет возможно легкое обнаружение влажности или биологического, и/или химического анализируемого материала, т.е. будет возможно легкое обнаружение события, такого как мочеиспускание или дефекация. Обнаружение производится посредством обнаружения изменения резонансной частоты чувствительного элемента 10, как описано выше. В связи с этим состояние абсорбирующей структуры и, таким образом, абсорбирующего изделия 30 можно легко контролировать пользователем, родителем, лицом, осуществляющим уход, и т.д.
Например, чувствительный элемент 10 в соответствии с изобретением может заменить чувствительный элемент, раскрытый в WO 2004/021944, и, таким образом, содержаться в абсорбирующих структурах и абсорбирующих изделиях, раскрытых в WO 2004/021944. Таким образом, чувствительный элемент 10 в соответствии с изобретением можно расположить в различных местоположениях в абсорбирующей структуре в соответствии с местоположениями чувствительного элемента в WO 2004/021944, и абсорбирующее изделие может также включать в себя более чем один чувствительный элемент 10. Например, абсорбирующее изделие может включать в себя 1-10 чувствительных элементов 10 в соответствии с изобретением.
На Фиг.3 схематично показан один не ограниченный пример абсорбирующего изделия 30, включающего в себя чувствительный элемент 10 в соответствии с изобретением.
ПРИМЕРЫ
Смещающий магнит
В датчик на основе магнитоупругого резонанса крепится магнитоупругая пленка (MER пленка) вместе со смещающим магнитом. Амплитуда магнитного сигнала, генерированная MER пленкой и резонансной частотой MER пленки, зависит от силы смещающего поля (см. Фиг.1). Как можно видеть, существует оптимальное смещение, где амплитуда пленки максимальна. Резонансная частота достигает минимального значения ближе к оптимальному смещающему полю. Для некоторых магнитоупругих сплавов максимум амплитуды и минимум частоты совпадают, но для измеряемого материала 2826МВ3 они отличаются. Желательно оперировать ближе к минимуму частоты, так как резонансная частота становится менее чувствительной к небольшим вариациям в смещающем поле. Вариации могут происходить, например, из-за расширения в свойствах смещающего магнита, вариации в местоположении MER пленки, внесенной при креплении, или различной ориентации датчика в магнитном поле земли.
Фиг.4 показывает зависимость резонансной частоты и амплитуды от магнитного смещающего поля. Измеренная MER пленка изготовлена из Metglas 2826МВ3 с размерами 30 мм × 10 мм × 25 мкм.
Измерение, представленное на Фиг.4, сделано в постоянном магнитном поле, генерированном катушкой Гельмгольца. Постоянное смещающее поле трудно для реализации в капсуле реального датчика. Обычно магнитоупругую пленку располагают близко к тонкому смещающему магниту с формой и размерами, похожими на пленку, или параллельно с ним. Поле от подобного смещающего магнита показано на Фиг.5. Фигура показывает магнитное поле (только компонент, параллельный длине пленки) от смещающего магнита в местоположении MER пленки. Магнит имеет размеры 35 мм × 8 мм с длинными осевыми краями, вырезанными под углом в 45 градусов. Для сравнения с типичной MER пленкой помещена длинная 30 мм линия. Края смещающего магнита вырезаны под углом для снижения неоднородности поля на краях, но поле все еще остается далеким от однородности. Можно видеть, что поле является достаточно однородным в центре пленки, но оно быстро уменьшается до нуля на краях. Это является типичным для смещающего магнита, который имеет длину, похожую на MER пленку. Неоднородное поле приводит к тому, что пленка не оптимально смещается на краях, и эффективное смещение будет становиться более чувствительным к точному местоположению MER пленки в капсуле.
Фиг.5 показывает магнитное поле (только компонент, параллельный длине пленки) от смещающего магнита на местоположении MER пленки. Магнит имеет размеры 35 мм × 8 мм с длинными осевыми краями, вырезанными под углом в 45 градусов. Для сравнения с типичной MER пленкой помещена длинная 30 мм линия.
Если MER пленка крепится на подложку 14 изобретения, на MER пленке получается более однородное смещающее поле. Это делает более легким регулирование смещения MER пленки и снижает расширение в смещении благодаря отклонению от оси при креплении MER пленки на капсуле. Другое преимущество более длинного смещающего магнита заключается в том, что более длинный смещающий магнит, и следовательно, более однородное поле приводят к меньшему притяжению между MER пленкой и смещающим магнитом.
MER пленка намагничивается магнитным полем от смещающего магнита. Из-за неоднородности смещающего поля намагниченная MER пленка будет испытывать магнитную силу притяжения на областях, близких к полюсам магнита. MER пленка изгибается или прижимается под пленкой перед материалом. Это может сдержать вибрацию пленки и/или вызвать дополнительное трение по отношению к материалу под пленкой. Это может понизить амплитуду сигнала, генерированного MER пленкой. Длинный смещающий магнит (по сравнению с пленкой) перемещает магнитные полюса от пленки, и пленка будет испытывать меньшее притяжение по направлению к смещающему магниту.
Настоящее изобретение не следует ограничивать вариантами осуществления и фигурами, описанными в данном документе, а скорее содержание и пределы изобретения определяются прилагаемой формулой изобретения.
1. Чувствительный элемент (10) для определения влажности в окружающей среде, включающий в себя магнитоупругую пленку (12) и полимерную подложку (14) для магнитоупругой пленки (12), причем магнитоупругая пленка (12) прикреплена на указанной подложке (14), отличающийся тем, что полимерная подложка (14) включает в себя смесь полимерного материала (22) и магнитно-восприимчивого материала (16), причем указанный магнитно-восприимчивый материал (16) находится в форме частиц.
2. Чувствительный элемент (10) по п.1, в котором полимерная подложка (14) имеет магнитное поле (В), причем указанное магнитное поле (В) ориентировано в направлении, которое является параллельным плоскости магнитоупругой пленки (12).
3. Чувствительный элемент (10) по п.1 или 2, в котором магнитоупругая пленка (12) выполнена в форме полосы с продольной осью (х) и поперечной осью (у) и имеет большую протяженность в продольном направлении, чем в поперечном направлении, и магнитное поле (В) полимерной подложки (14) ориентировано в направлении, которое является параллельным продольной оси (х) магнитоупругой пленки (12).
4. Чувствительный элемент (10) по п.1, в котором магнитоупругая пленка (12) фиксировано прикреплена на полимерной подложке (14) только в центре магнитоупругой пленки (12) при измерении в продольном направлении (х).
5. Чувствительный элемент (10) по п.1, в котором полимерная подложка (14) включает в себя от 50 до 95 мас.%, предпочтительно от 75 до 90 мас.% магнитно-восприимчивого материала (16).
6. Чувствительный элемент (10) по п.1, в котором полимерный материал выбран из группы, включающей в себя полиамины, полиамиды, простые полиэфиры, полиалкены, полиакрилаты, полиакриламиды, полистиролы, поливинилгалогениды, сложные полиэфиры и их смеси.
7. Чувствительный элемент (10) по п.1, в котором полимерная подложка (14) выполнена в форме капсулы (14'), которая полностью окружает магнитоупругую пленку (12), причем указанная капсула (14') имеет крышку (18) и основание (20) и по меньшей мере одно отверстие (24), которое дает возможность газам проходить в капсулу (14').
8. Чувствительный элемент (10) по п.7, в котором только крышка (18) или основание (20) капсулы (14') включает в себя магнитно-восприимчивый материал (16).
9. Чувствительный элемент (10) по любому из пп.7-8, в котором указанное по меньшей мере одно отверстие (24) в капсуле (14') покрыто непроницаемым для жидкости и проницаемым для газа слоем (26).
10. Чувствительный элемент (10) по п.2, в котором сила магнитного поля (В) в полимерной подложке (14) находится между 0,1 и 2 мТл, предпочтительно между 0,1 и 0,5 мТл.
11. Способ получения чувствительного элемента (10) по любому из пп.1-10, причем указанный способ включает в себя стадии:
а. смешения полимерного материала (22) с магнитно-восприимчивым материалом (16) в форме частиц;
b. заливку полимерной подложки (14) из смеси полимерного материала (22) и магнитно-восприимчивого материала (16);
с. намагничивание полимерной подложки (14) так, чтобы обеспечить ее наибольшим магнитным полем (В);
d. крепление магнитоупругой пленки (12) на полимерной подложке (14) так, чтобы плоскость магнитоупругой пленки (12) была ориентирована в направлении, которое параллельно магнитному полю (В).
12. Способ по п.11, дополнительно включающий стадию
е. калибровки чувствительного элемента (10) после того, как магнитоупругая пленка (12) прикреплена на полимерной подложке (14).
13. Способ по п.11 или 12, в котором полимерная подложка (14) включает в себя капсулу (14'), имеющую крышку (18) и основание (20) и по меньшей мере одно отверстие (24), которое дает возможность проходить газам, где стадия d включает в себя отдельные стадии крепления магнитоупругой пленки (12) на основание (20) капсулы (14') таким образом, чтобы плоскость магнитоупругой пленки (12) была ориентирована в направлении, которое является параллельным магнитному полю (В) капсулы (14'), и закрытия крышки (18) так, чтобы магнитоупругая пленка (12) была полностью заключена внутри капсулы (14').
14. Применение одного или более чувствительных элементов (10) по любому из пп.1-10 для обнаружения влажности в абсорбирующем изделии, таком как подгузник, защитное средство при недержании, гигиеническая прокладка или ежедневная прокладка.
15. Абсорбирующее изделие, такое как подгузник, защитное средство при недержании, гигиеническая прокладка или ежедневная прокладка, включающее в себя один или более чувствительных элементов по любому из пп.1-10.
