背景技術：

1、本發明涉及壓力傳感器、樣品分離設備和壓力確定方法。

2、用于測量液體壓力的已知壓力傳感器包括通過具有相當大的固有剛度的分離膜來引入力。一方面，膜必須是彈性的，用于無衰減地傳遞壓力，并且另一方面，力轉換器必須具有機械穩定性，其是固態行為的特征。為了滿足這些相互矛盾的要求，通常在分離膜的下游引入油。力轉換器在油中位于壁側。這種已知的壓力傳感器在尺寸和構造方面龐大，并且在生產方面成本相當高。

技術實現思路

1、本發明的目的是提供一種緊湊且廉價的壓力傳感器，其特別有利地用在樣品分離設備中。該目的通過獨立權利要求來實現。從屬權利要求中示出了進一步的示例性實施例。

2、根據本發明的示例性實施例，提供了一種壓力傳感器，其包括：(i)機電元件，其被配置為根據施加到壓力傳感器的壓力來改變機電元件的形狀，并輸出基于形狀變化的電磁特性；和(ii)框架元件，其具有表面，機電元件通過施加的壓力壓靠該表面，以引起形狀變化。

3、根據本發明的另一示例性實施例，提供了一種用于將位于流動相中的流體樣品分離成組分的樣品分離設備，其中，樣品分離設備包括具有上述特征的壓力傳感器，用于確定流動相和/或流體樣品的壓力。壓力傳感器可以布置在樣品分離設備的泵送系統的前方、特別是泵送系統的上游。

4、根據另一示例性實施例，提供了一種壓力確定方法，其中，該方法包括：(i)提供具有機電元件和框架元件的壓力傳感器；(ii)測量機電元件的電磁特性，其中，電磁特性取決于機電元件的形狀變化，其中，形狀變化是由施加到壓力傳感器的壓力使機電元件壓靠框架元件的表面而引起的；和(iii)根據測量的電磁特性檢測施加的壓力。

5、在本技術的上下文中，術語“壓力傳感器”可以特別理解為用于確定液體壓力和/或氣體壓力和/或者用于確定與這些壓力相關的特性的裝置。例如，可以通過測量電容、電感或電荷等電特性來間接確定壓力。壓力傳感器也適用于確定固體施加的壓力。

6、壓力傳感器可以具有“靈敏度”或“響應性”，特別是分辨小壓差的能力。靈敏度可以定義為測量裝置的輸出變量值相對于引起它的變化的輸入變量值的變化。靈敏度可以通過壓力傳感器的特性曲線或傳感器特性來確定，例如至少部分呈線性的特性曲線或指數特性曲線。壓力傳感器還可以具有“測量范圍”，其由通過壓力傳感器能夠確定的最大壓力和/或最小壓力來表征。

7、在本技術的上下文中，術語“機電元件”可以特別表示壓力傳感器的部件，該部件響應于作用于機電元件上的機械變量、特別是壓力而輸出電磁變量，例如電容。電磁變量可以取決于作用的機械變量。施加到機電元件的壓力可以導致機電元件的形狀變化，這種形狀變化至少部分地導致電磁變量的相應變化。機電元件可以被配置為例如塊體、特別是圓柱形塊體，或被配置為膜、特別是圓形膜。

8、機電元件可以包含包括電活性聚合物的材料。在本技術的上下文中，“電活性聚合物”(eap)可以特別表示通過施加電壓而改變形狀的聚合物和/或以與聚合物的形狀變化相關的電磁變量為特征的聚合物。有利地，這種電活性聚合物可以是彈性的，特別是能夠實現具有自由成形性的較大的延展，從而可以分辨小的壓力變化。優選地，這種電活性聚合物可以形成為介電彈性體、特別是硅酮彈性體或丙烯酸彈性體。描述性地說，兩個或更多個電極之間的電活性聚合物可以形成電容器，其電容可以取決于兩個或更多個電極之間的電活性聚合物的形狀變化。例如，由于電活性聚合物的高延展性，因此這種電容器對壓力變化具有特別高的響應性。

9、機電元件可以包括介電彈性體傳感器元件(des)。介電彈性體傳感器元件可以被配置為將機械功轉換為電磁特性，例如電能，和/或反之亦然。介電彈性體傳感器元件可以包括彈性體層，其布置在兩個電極之間、特別是彈性電極之間。彈性體層的材料可以是不可壓縮的，或者至少近似不可壓縮。該材料可以具有較低的介電常數。該材料可以是特別可延展的，例如具有大于10％、特別是大于30％、尤其是大于100％的單向延展率。單向延展率可以小于300％。其可以在300％的范圍內，特別是偏差小于10％。延展率可以定義為材料在不斷裂或撕裂的情況下的最大長度變化。該材料可以包括或由硅酮彈性體和丙烯酸彈性體中的至少一種組成。描述性地說，介電彈性體傳感器元件可以是柔性電容器。

10、在本技術的上下文中，術語“形狀變化”可以特別表示本體的外部形狀的變化，例如本體的延展和/或壓縮。形狀變化可以是不可壓縮或幾乎不可壓縮的，即體積維持不變。例如，形狀變化中的體積變化可以小于初始體積的10％、特別是小于初始體積的1％。形狀變化還可以包括大于10％的體積變化。

11、在本技術的上下文中，術語“電磁特性”可以特別表示機電元件的任何電性質或磁性質。電磁特性可以是或包括電容、電感和電荷中的至少一種。電磁特性基于形狀變化的事實特別意味著該特性取決于形狀變化和/或與形狀變化相關。例如，當機電元件形成電容器時，形狀變化可以導致電容變化。

12、在本技術的上下文中，術語“框架元件”可以特別表示壓力傳感器的至少部分地包圍和/或至少部分地覆蓋機電元件的部件。框架元件可以是至少部分覆蓋機電元件的罩或蓋。框架元件可以包括凹槽、特別是盲孔或通孔。例如，凹槽可以是具有底面或基面的盲孔。底面可以是通過施加的待測壓力被機電元件壓靠的表面。凹槽可以是圓柱形的和/或底面可以是圓形的。凹槽可以具有與機電元件互補的形狀，使得機電元件可以至少部分地、特別是完全地被引入到凹槽中。當機電元件被引入到凹槽中時，只有機電元件的由液體或氣體施加壓力的表面可以完全暴露。可以通過覆蓋該表面的分離元件、特別是膜來傳遞壓力。

13、“框架元件的被機電元件壓靠的表面”可以相對于機電元件與機電元件的由液體或氣體施加壓力的表面相對。它可以是凹槽的表面、可以特別是或包括凹槽的底面。機電元件可以通過機電元件的相應表面來壓靠框架元件的表面。該相應表面可以與機電元件的由液體或氣體施加壓力的表面相對，和/或與機電元件的完全暴露的表面相對。

14、在本技術的上下文中，術語“測量”可以表示對變量的直接測量和/或從與待測變量相關的一個或多個測量值間接確定。在本技術的上下文中，術語“確定”可以包括變量的計算。

15、在本技術的上下文中，術語“樣品分離設備”可以特別表示能夠并且被配置為分離流體樣品(例如將其分離成不同的組分)的裝置。例如，樣品分離可以通過色譜法或電泳法進行。例如，樣品分離設備可以是液相色譜樣品分離設備。

16、在本技術的上下文中，術語“流體樣品”特別表示含有實際待分析的物質的介質(例如生物樣品，如蛋白質溶液、藥物樣品等)。

17、在本技術的上下文中，術語“流動相”特別表示用作載體介質的流體(進一步特別是液體)，其用于將流體樣品從流體驅動器(例如活塞泵)輸送到樣品分離裝置。例如，流動相可以是(例如有機和/或無機)溶劑或溶劑組合物(例如水和乙醇)。

18、根據本發明的示例性實施例，可以創建一種壓力傳感器，該壓力傳感器可以在小直徑的機電元件的暴露表面下分辨出小的壓力變化，其中，暴露表面可以通過分離元件(例如膜)與樣品分離。壓力傳感器可以具有更高的靈敏度和/或更大的測量范圍用于壓力測量。由于構造簡單，其可以以特別緊湊的方式實施。此外，尤其是因為通過使用機電元件可以避免復雜的油引入，因此其可以廉價地制造。

19、下面，描述壓力傳感器、樣品分離設備和方法的其他實施例。

20、根據示例性實施例，機電元件的材料包括電活性聚合物、特別是介電彈性體。該材料可以是構成機電元件的多種材料中的一種，或者可以是構成機電元件的唯一材料。該材料可以僅由電活性聚合物組成，可能添加填料，或者包含其他組成部分。由于這種材料的有助于提高壓力傳感器的靈敏度的高延展性和/或自由成形性(例如與壓電陶瓷相比)，因此這種實施例可能是有利的。這種材料還可以具有有利的熱行為，從而可以避免由此產生的溫差和測量偏差。

21、根據示例性實施例，機電元件包括電絕緣層和兩個導電層，電絕緣層布置在導電層之間。電絕緣層和/或導電層可以以箔狀方式形成。導電層可以通過將導電材料施加到電絕緣層來提供。導電炭黑石墨粉、硅酮油-石墨混合物、金層和離子凝膠中的至少一種可用于導電層。

22、根據所述示例性實施例的構造可以對應于電容器。導電層可以通過相應的電接觸元件接觸，例如以便測量電容。接觸可以通過壓入機電元件的引腳和/或通過施加到導電層上的薄導電片、特別是聚合物片來實現。兩個導電層的接觸可以從不同側進行，特別是以便減少或避免相互影響。接觸元件可以連接到從機電元件引出的導體跡線。例如，導體跡線可以通過導電炭黑來實現。

23、可以在兩個導電層之間布置多個電絕緣層，例如兩個、三個、四個或至少五個，每個電絕緣層由相應的另外的導電層彼此分離。另外的導電層同樣可以通過電接觸元件接觸，以測量相應的電容。這種堆疊式構造有助于提高壓力傳感器的靈敏度和/或擴大其測量范圍。堆疊式構造可以對應于電容器的級聯。

24、根據示例性實施例，導電層的材料包括作為基質材料的電絕緣層的材料和基質材料中的導電填料。這樣，導電層可以被配置為具有足夠的柔性或彈性，同時具有導電性，以便在壓力測量期間不阻礙電絕緣層的形狀變化行為。特別地，在所描述的實施例的范圍內，導電層的形狀變化行為可以對應于電絕緣層的形狀變化行為，例如在彈性方面。如果框架元件的表面包括提高靈敏度和/或擴展測量范圍的空間結構，則導電層必須另外具有足夠的彈性，以便被壓入這些空間結構中。

25、根據示例性實施例，基質材料是硅酮和丙烯酸樹脂中的至少一種，和/或導電填料是導電炭黑(carbon?black)、石墨、氧化鐵顆粒、鋁顆粒、銀粉、不銹鋼纖維和碳纖維中的至少一種。這些材料在機電元件的形狀變化行為方面可能特別有利。

26、根據示例性實施例，電磁特性是電容。如果機電元件按如上所述構造，則機電元件對應于電容器，其電容取決于施加到機電元件的壓力和相應的形狀變化。電容變化可以至少部分地由導電層之間的距離變化引起。

27、根據示例性實施例，框架元件的被機電元件壓靠的表面和/或機電元件的相應表面包括提高靈敏度和/或擴展測量范圍的空間結構。相應表面可以是機電元件的壓靠框架元件的所述表面的表面。

28、根據示例性實施例，提高靈敏度和/或擴展測量范圍的空間結構包括機電元件與框架元件之間的至少一個腔體，其中，隨著施加壓力的增加，機電元件被壓入腔體中。由施加到壓力傳感器的壓力引起的形狀變化可以包括壓入腔體中。如果沒有對機電元件施加壓力，則腔體可以具有最大體積。空間結構可以包括空間上分離的多個腔體，特別是兩個、三個、四個、至少五個或至少十個。壓力傳感器的特性曲線可以通過一個或多個腔體的形狀和尺寸來調節。沿著框架元件的被機電元件壓靠的表面，至少兩個、特別是至少三個、尤其是至少五個腔體可以具有不同的幾何尺寸，例如不同的表面、不同的深度或不同的直徑。

29、根據示例性實施例，至少一個腔體、特別是所有腔體例如通過布置在框架元件中的通道連接到壓力傳感器的環境。因此，描述性地說，至少一個腔體是通風的。所述環境可以具有與待確定的施加壓力不對應的環境壓力。環境壓力可以是例如大氣壓力。這種示例性實施例可能是有利的，以便確定相對于環境壓力的相對壓力。相比之下，如果缺少與所述環境的連接，則可以確定絕對壓力。

30、根據示例性實施例，空間結構包括多個凹陷和/或多個凸部，它們布置在框架元件的被機電元件壓靠的表面和/或機電元件的相應表面中。這種凹陷和/或凸部可以提供一個或多個腔體，機電元件隨著施加壓力的增加而移入到該一個或多個腔體中。壓力傳感器的特性曲線可以通過凹陷和/或凸部的形狀和尺寸進行調節。

31、根據示例性實施例，凹陷和/或凸部同心地布置。它們可以圍繞框架元件的表面和/或機電元件的相應表面的中心或重心同心地布置，其中，這些表面可以是圓形的。凹陷和/或凸部可以形成為環形。相鄰的凹陷和/或凸部可以彼此相距相等的距離。凹陷和/或凸部可以布置在中心或重心處。在所述凹陷和/或凸部的同心布置中，在低壓下，機電元件可以被更強烈地壓入中心腔體中，在接下來更高的壓力下，則分別被壓入最近的較外層環形腔體中，并且最后在高壓下被壓入最外層的環形腔體中。這樣，可以實現傳感器的至少近似線性的特性曲線或線性傳感器特性。

32、根據示例性實施例，凹陷中的兩者和/或凸部中的兩者包括不同幾何尺寸和到框架元件的被機電元件壓靠的表面和/或機電元件的相應表面的邊緣的不同距離中的至少一者。例如，它們可以具有不同的深度或高度。它們可以具有不同的外形，例如圓形、橢圓形或不規則形狀。外形可以在相應的表面中延展，或者至少與其平行。外形可以具有不同的表面，例如不同的直徑，其中，直徑可以在相應的表面中定義。凹陷中的三個、特別是至少五個和/或凸部中的三個、特別是至少五個可以各自具有不同的幾何尺寸。傳感器特性或傳感器的特性曲線可以通過這種不相等的結構進行調節。特別地，線性傳感器特性可以近似地并且針對限定的區域實現。

33、根據示例性實施例，凹陷和/或凸部形成凸起結構。凸起結構可以包括駝峰狀凸部和/或駝峰狀凹陷。線性傳感器特性也可以通過這種凸起結構近似地實現。

34、根據示例性實施例，機電元件的厚度是由凹陷和/或凸部限定的輪廓深度的一到十倍、特別是一點五倍到三倍。例如，輪廓深度可以對應于凹陷的最大深度和凸部的最大高度之和。替代地，輪廓深度可以對應于凹陷的平均深度和凸部的平均高度之和。例如，輪廓深度可以是0.3mm，并且機電元件的厚度可以是0.45mm至0.9mm。厚度可以定義為當機電元件抵靠框架元件的表面時垂直于框架元件的該表面。為了提高輪廓對傳感器特性的影響，機電元件的厚度和輪廓深度之間的這種比率可能是有利的。

35、根據示例性實施例，機電元件的暴露表面的直徑小于20mm。機電元件的厚度可為0.45mm至0.9mm。可選存在的分離元件的厚度可以小于1mm、特別是在0.2mm至0.3mm之間。輪廓深度可以在0.2mm至0.5mm之間。相應地，可以提供特別緊湊的壓力傳感器。

36、根據示例性實施例，機電元件偏置地壓靠框架元件，特別是以便使得能夠測量施加到壓力傳感器的負壓。偏置可以在垂直于框架元件的表面的方向上起作用，其中施加的待測壓力使機電元件壓靠該表面。即使沒有待測壓力施加到壓力傳感器，也可以存在偏置。傳感器特性的工作點可以通過這種偏置而偏移，以使得能夠測量負壓。工作點的偏移可以對應于偏置。最大可測負壓可以通過偏置來確定。

37、根據示例性實施例，偏置至少部分地由膜產生，該膜附接到框架元件并至少部分地覆蓋機電元件。為此，機電元件可以從框架元件的凹槽中伸出。換句話說，與引入的機電元件相比，凹槽的側壁可以縮短。膜可以至少部分地覆蓋機電元件的用于壓力測量的暴露的或露出的表面。其可以被配置為保持和/或定位機電元件。此外，膜可以是將機電元件與待測壓力的液體或氣體分離的分離元件。膜可以通過附接元件附接到框架元件，附接元件特別地也用作調節元件。其可以通過夾持在框架元件與供框架元件插入到其中的基座元件之間來附接。

38、根據示例性實施例，偏置至少部分地由被夾持到框架元件中的機電元件產生。機電元件可以被橫向夾持，特別是通過框架元件的凹槽的側壁與機電元件的相應表面之間的形狀配合。例如，對于這種形狀配合，可以將保持元件(如齒等)附接到凹槽的側壁。

39、根據示例性實施例，偏置至少部分地由框架元件的被機電元件壓靠的表面上的凸部產生。這種凸部會導致機電元件的抵接表面變形，從而確定偏置。偏置可以通過凸部與保持或定位機電元件的膜相結合來產生。

40、根據示例性實施例，偏置可以至少部分地通過電磁方式產生，例如通過向由機電元件形成的電容器施加電壓。

41、根據示例性實施例，壓力傳感器還包括分離元件、特別是膜，其以液密和/或氣密的方式覆蓋機電元件。壓力傳感器包括分離元件。機電元件可以至少部分地、特別是完全地引入框架元件的凹槽中，其中，分離元件覆蓋凹槽。膜的材料可以包括彈性體，特別是全氟橡膠(ffkm)和/或用特氟綸、硅酮和氟硅酮中的至少一種包裹的橡膠。替代地或另外地，膜的材料可以包括非彈性體，特別是鋼、金屬、聚醚醚酮(peek)、氟乙烯丙烯(fep)、聚丙烯(pp)和聚乙烯(pe)中的至少一種。分離元件可以是或包括金屬箔、特別是具有合適涂層的金屬箔。分離元件可以保護機電元件和/或框架元件的凹槽免受液體和/或氣體的影響，該液體和/或氣體的壓力將由壓力傳感器確定。為此，分離元件可以由堅固和/或耐腐蝕的材料制成。

42、根據示例性實施例，膜包括微結構、特別是至少一個珠狀部(sicke)。如果膜的材料不包括彈性體以確保膜的低剛度，則這種示例性實施例可能是有利的。因此，微結構，例如珠狀部，同樣可以降低剛度，特別是以便使傳感器的形變更簡單并且靈敏度更高。然而，即使膜包括彈性體，這種微結構也可以提高傳感器的靈敏度。微結構可以被配置為至少部分地將拉伸應力轉換為彎曲應力。

43、根據示例性實施例，機電元件模制(angeformt)在分離元件的抵接表面輪廓上，特別是分離元件的表面輪廓的微結構上。機電元件可以模制在分離元件的表面輪廓中的一個或多個珠狀部上。為此，機電元件的抵接分離元件的表面輪廓的表面可以與分離元件的表面輪廓形狀互補。模制可以通過分離元件和機電元件的常見生產工藝來實現。模制可以提高傳感器質量。

44、根據示例性實施例，機電元件通過粘附方式粘附到分離元件。

45、根據示例性實施例，壓力傳感器還包括基座元件，框架元件插入其中。

46、根據示例性實施例，機電元件至少部分地引入到框架元件的凹槽中，其中，在凹槽的側邊緣與機電元件之間布置間隙。間隙可以通過定心元件調節，特別是框架元件和分離元件中的相應的定心元件。另一個相應的定心元件可以布置在供框架元件插入的基座元件中。如果沒有待測壓力施加到機電元件，則間隙可以具有最大延伸。例如，如果機電元件由不可壓縮或至少輕微可壓縮的材料組成，則這種間隙可能是有利的，因為由此創建了腔體，當機電元件被壓縮時，材料可以屈服進入該腔體中。

47、根據示例性實施例，框架元件的由分離元件抵靠的另一表面包括多個調節元件。基座元件的由分離元件抵靠的表面同樣可以包括多個調節元件。例如，這種調節元件可以是齒。調節元件可以以曲折的方式布置。調節元件可被配置為以無應力和自調節的方式固定分離元件、特別是膜。

48、根據示例性實施例，分離元件被劃分為測量部分。

49、根據示例性實施例，壓力傳感器布置在樣品分離設備的泵送系統之前、特別是在泵送系統的上游。泵送系統可被配置為將高壓的，特別是高于100巴的壓力、特別是高于1000巴的壓力的流動相輸送通過樣品分離設備的液體路徑、特別是泵送系統與樣品分離裝置之間的液體路徑。因此，壓力傳感器可以布置在泵送系統之前的低壓液體路徑中，特別是低于1000巴、低于100巴、低于10巴的壓力的液體路徑中。因為壓力傳感器特別適用于低壓區域，尤其是由于所使用的材料和/或提高靈敏度和/或擴展測量區域的表面結構，因此這種布置可能是有利的。

50、根據示例性實施例，樣品分離設備可以包括用于分離位于流動相中的樣品的樣品分離裝置。樣品分離裝置可以形成為色譜分離裝置、特別是色譜分離柱。在色譜分離中，色譜分離柱可以配備吸附介質。此時，流體樣品可以被截留，并且只有在隨后其才會更慢地或在特定溶劑組合的存在下再次分部分地分開，從而實現將樣品分離成其組分。

51、樣品分離設備可以是微流體測量設備、生命科學設備、液相色譜設備、hplc(高效液相色譜)、uhplc設備、sfc(超臨界液相色譜)設備、氣相色譜設備、電泳設備和/或凝膠電泳設備。然而，許多其他應用也是可能的。

52、例如，泵送系統可以配置為通過系統輸送從例如幾百巴到1000巴以上的流動相。

53、樣品分離設備可以包括樣品注入器或進樣單元，用于將樣品引入到流體分離路徑中。這種樣品注入器可以包括注入針，該注入針可以耦接到相應液體路徑中的底座，其中，針可以移出該底座以接收樣品。在針被重新引入到底座后，樣品可以位于流體路徑中，該流體路徑可以例如通過切換閥門切換到系統的分離路徑中，從而導致樣品被引入到流體分離路徑中。

54、樣品分離設備可以包括用于收集流體樣品的分離成分的組分收集器。例如，這種組分收集器可以將不同的成分引導到不同的液體容器中。然而，分析后的樣品也可以被供應到廢液容器。

55、樣品分離設備優選地可以包括用于檢測分離成分的檢測器。這種檢測器可以產生信號，信號可以被觀察和/或記錄并且指示流過系統的流體中的樣品成分的存在和數量。