專利名稱：在容器中組裝和利用rfid傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及 一 種用于在容器中組裝和利用傳感器的系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
為了保證人身安全遠離可能有毒或?qū)λ麄冇泻Φ娜芤?例如液體、 氣體和固體)，使用不同的裝置來測試溶液以確定它們是否有害。這些
裝置包括將識別標記物附于抗體的化學或生物傳感器。例如， 一些化學 /生物傳感器包括附著到抗體的芯片，其中所述芯片包括識別特定抗體的 熒光標記物。
已知的化學或生物傳感器包括結(jié)構(gòu)元件，所述結(jié)構(gòu)元件由選擇性地 對特定分析物起反應的材料形成，如美國專利No. 6,359,444中所示。其 他已知的化學或生物傳感器包括位于傳感器上的特定位置的電磁活性 材料，所述電磁活性材料可以由外部條件改變，如美國專利No. 6,025,725 中所示。 一些已知的化學或生物傳感器系統(tǒng)包括用于測量多于一個的電 參數(shù)的部件，如美國專利No. 6,586,946中所示。
盡管前述傳感器可以被用來測量電參數(shù)，但是利用這些傳感器的一 次性使用生物處理系統(tǒng)還未被開發(fā)。盡管一次性生物處理系統(tǒng)和技術(shù)可 以被容易地使用，但是它們的接受度由于缺乏有效的一次性使用、無創(chuàng) 監(jiān)視技術(shù)而受到阻礙。關(guān)鍵過程參數(shù)的監(jiān)視對于可靠安全性、過程文件 編制和產(chǎn)出化合物的效率以及對于保持過程在控制之下來說是至關(guān)重 要的。用于多參數(shù)在線讀取的在線無創(chuàng)一次性傳感器技術(shù)在一次性生物 處理組件中的利用將允許安全和快速的生產(chǎn)調(diào)度，因為它允許一次性凈 化策略的完美吸取并且將消除昂貴和耗時的離線分析。所以，需要一種 使用戶能夠簡單地和無創(chuàng)地在 一 次性生物處理系統(tǒng)中測試溶液中的化學和/或生物材料的系統(tǒng)，其中用戶可以安全地獲得材料的測量值，然后 處置該生物處理系統(tǒng)。
發(fā)明的簡短概要
本發(fā)明是鑒于上述技術(shù)背景而實現(xiàn)的，并且本發(fā)明的目的是提供一 種用于在容器中組裝和利用傳感器的系統(tǒng)和方法。
在本發(fā)明的 一個優(yōu)選實施例中，提供一種用于測量多個參數(shù)的系 統(tǒng)。容器具有溶液。保護層被沉積在至少一個傳感器和所述容器的至少 一個壁上，其中所述保護層被附著到所述容器的所述壁以在所述容器與 所述至少一個傳感器之間形成密封。所述至少一個傳感器被配置成具有 基于所述容器和所述保護層的厚度的能操作的電磁場。與數(shù)字識別標簽 結(jié)合的所述至少一個傳感器接近于構(gòu)成測量裝置的阻抗分析器和讀取 器。所述至少一個傳感器被配置成確定所述溶液的至少一個參數(shù)。所述
標簽被配置成提供與所述至少一個傳感器相關(guān)聯(lián)的數(shù)字ID,其中所述容
器接近于所述讀取器和阻抗分析器。所述阻抗分析器被配置成基于所述
的頻率范圍上測量的復阻抗計算參數(shù)變化。
在本發(fā)明的另 一優(yōu)選實施例中，公開一種用于組裝測量參數(shù)的系統(tǒng) 的方法。提供至少一個傳感器，其中所述至少一個傳感器被放置在第一 層膜與第二層膜之間。第一層膜和笫二層膜具有一定的厚度，其中所述 至少一個傳感器被配置成具有能操作的電磁場。第二層在所述至少一個 傳感器之上形成于笫一層中，其中笫二層在所述至少一個傳感器之上形 成于第一層中以將所述至少一個傳感器嵌入第一層中。提供第三層膜， 其中第三層膜形成于第 一層膜中，第 一層膜4皮配置成與第三層膜形成容 器。溶液被提供到所述容器中，其中第一層膜和所述至少一個傳感器被 配置成測量所迷溶液的至少一個參數(shù)。
附圖簡述
當結(jié)合附圖閱讀以下描述時，本發(fā)明的這些和其他優(yōu)點將變得更加
顯而易見，其中


圖1示出根據(jù)本發(fā)明一個實施例的用于在容器中組裝和利用傳感器 的系統(tǒng)的框圖；圖2A和2B示出根據(jù)本發(fā)明 一個實施例的嵌入容器中的傳感器； 圖3示出根據(jù)本發(fā)明的圖1的射頻識別(RFID)標簽的分解圖； 圖4A、 4B、 4C和4D是根據(jù)本發(fā)明構(gòu)造的RFID系統(tǒng)的電路的示 意圖5描繪了根據(jù)本發(fā)明如何通過利用超聲焊接將傳感器結(jié)合到容器 中的流程圖6描繪了根據(jù)本發(fā)明如何通過利用射頻焊接將傳感器結(jié)合到容器 中的流程圖7描繪了根據(jù)本發(fā)明如何通過利用熱層合將傳感器結(jié)合到容器中 的流程圖8描繪了根據(jù)本發(fā)明如何通過利用熱板焊接將傳感器結(jié)合到容器 中的流程圖9描繪了根據(jù)本發(fā)明如何通過利用注模熱塑性塑料將傳感器結(jié)合 到容器中的流程圖IOA和10B示出根據(jù)本發(fā)明的硅管中的傳感器；
圖11示出根據(jù)本發(fā)明的傳感器的例子；
圖12示出根據(jù)本發(fā)明的測量傳感器的例子；
圖13是根據(jù)本發(fā)明的圖12的動態(tài)響應和響應幅度的圖示；以及
圖14是根據(jù)本發(fā)明的圖12的校準曲線的圖示。
發(fā)明詳述
本發(fā)明的當前優(yōu)選實施例是參考附圖描迷的，其中相同的部件用相 同的數(shù)字來標識。對優(yōu)選實施例的描述是示例性的，并且不打算限制本 發(fā)明的范圍。
圖1示出用于在容器中測量參數(shù)的系統(tǒng)的框圖。系統(tǒng)100包括容器 101、標簽102和在標簽102上的傳感器103、讀取器106、阻抗分析器 108、標準計算枳i 109和測量裝置111。測量裝置111包4舌讀取器106和 阻抗分析器108。阻抗分析器108包括接收天線108a，所述接收天線108a 激勵陣列103中的多個RFID傳感器并且所述接收天線108a收集來自陣 列103中的多個RFID傳感器的反射的射頻信號。標簽102和傳感器103 被結(jié)合或集成到容器101中。幾個傳感器103或多個傳感器103可以以 陣列形式形成于標簽102上。傳感器103或傳感器陣列103被結(jié)合到容器101中，所述容器通過無線連接或電線連接被連接到阻抗分析器108 和計算機109。傳感器103或傳感器陣列103、標簽102通過無線連接 或電線被連接到測量裝置111和計算機109。阻抗分析器108通過無線 連接或電線連接被連接到計算機109。
參考圖2A和2B,容器101可以是一次性生物處理容器、不銹鋼容 器、塑料容器、聚合材料容器、色譜裝置、過濾裝置、具有任何關(guān)聯(lián)傳 輸管道的色譜裝置、具有任何關(guān)聯(lián)傳輸管道的過濾裝置、離心裝置、具 有任何關(guān)聯(lián)傳輸管道的離心裝置、預消毒的聚合材料容器或者本領(lǐng)域普 通技術(shù)人員已知的任何類型的容器。在一個實施例中，生物容器101優(yōu) 選地由下列材料(但不限于下列材料)單獨地或以任何組合制造為多層 膜乙烯醋酸乙烯酯(EVA)、低或甚低密度聚乙烯(LDPE或VLDPE) 乙烯-乙烯醇(EVOH)、聚丙烯(PP)、聚乙烯、低密度聚乙烯、超低 密度聚乙烯、聚酯、聚酰胺、聚碳酸酯、彈性體材料，它們都是本領(lǐng)域 公知的。RFID標簽典型地包括前天線和具有塑料背襯(例如聚酯、聚 酰胺等)的微芯片。
而且，容器101可以由一個制造商生產(chǎn)的多層生物處理膜制造。例 如，制造商可以是位于猶他州Logan的Hyclone公司，例如HyQ CX5-14 膜和HYQ⑧CX3-9膜。CX5-14膜是5層、14密耳流延膜。該膜的外層 由與EVOH阻擋層和超低密度聚乙烯產(chǎn)品接觸層共擠的聚酯彈性體制 造。CX3-9膜是3層、9密耳流延膜。該膜的外層是與超低密度聚乙烯 產(chǎn)品接觸層共擠的聚酯彈性體。前述膜可以進一 步被轉(zhuǎn)換成多種幾何形 狀和配置的一次性生物處理部件，它們都可以容納溶液101a。在本發(fā)明 的又一實施例中，容器101可以是被結(jié)合到過濾裝置中的聚合材料。此 外，容器101可以包括或包含色譜基質(zhì)。
取決于容器的材料，傳感器103或傳感器陣列103、標簽102通過 無線連接或電線凈皮連接到測量裝置111和計算機109。容器101也可以 是容納流體(例如液體或氣體)的器皿，其中該器皿可以具有輸入和輸 出。此外，容器101可以具有液體流或不具有液體流。此外，容器101 可以是袋或管、或管道、或軟管。
溶液101a也可以;故稱為生物處理流體。溶液101a在容器101內(nèi)部。 容器101中的溶液101a可以凈皮儲存或用于轉(zhuǎn)移。溶液101a可以是液體、 流體或氣體、固體、漿糊、或液體和固體的組合物。例如，溶液101a可以是血液、水、生物緩沖劑或氣體。溶液101a可以包含有毒工業(yè)材 料、化學戰(zhàn)劑、氣體、蒸氣或致病物(explosive)、呼氣中的疾病標志 物、水中的生物病原、病毒、細菌和其他病原。如果溶液101a是血液， 那么它可以包含各種物質(zhì)，例如肌酸酐、脲、乳酸脫氬酶、石咸性z瞵酸鹽、 鉀、總蛋白、鈉、尿酸、溶解氣體和蒸氣例如C02、 02、 NOx、乙醇、 曱醇、氟烷、苯、氯仿、曱苯、化學戰(zhàn)劑、蒸氣、活組織、來自生物流 體的分餾物、疫苗或致病物等。另一方面，如果溶液101a是氣體或蒸 氣，那么它可以是C02、 02、 NOx、乙醇、曱醇、氟烷、苯、氯仿、甲 苯或化學戰(zhàn)劑。如果溶液101a是可以被吸入并且溶解在血液中的有毒 工業(yè)試劑，則它可以是氨、丙酮合氰化氬、三氯化砷、氯、^L化羰等。 在溶液101a是化學戰(zhàn)劑的情況下，它可以是塔崩(Tabun )、沙林(Sarin )、 索曼(Soman) 、 Vx、糜爛性毒劑、芥子氣、窒息劑或血液毒劑。如果 溶液101a是呼氣中的疾病標志物，它可以是乙醛、丙酮、 一氧化"碳等。 如果溶液101a包括生物病原，則它可以是炭疽、布魯氏菌、志賀氏菌、 土拉菌等。此外，容器中的溶液101a可以包括表示蛋白的原核細胞和 真核細胞、重組蛋白、病毒、質(zhì)粒、疫苗、細菌、病毒、活組織等。容 器101可以具有許多結(jié)構(gòu)，例如單生物細胞、微流體通道、樣i滴定板、 陪替氏培養(yǎng)皿、手套箱、通風櫥(hood)、步入式通風櫥、建筑物中的 房間或建筑物。因此，容器101可以具有任何大小，其中傳感器103和 標簽102被結(jié)合到容器101中，其中它們被定位成測量容器101中的環(huán) 境或容器101中的溶液101a。
陣列103中的多個傳感器緊靠溶液101a或在溶液101a中。傳感器 陣列103通過圖5 -圖9中所述的各種工藝中的任何一種被嵌入、集成 或結(jié)合到容器101的壁101b，例如超聲焊接、介電焊接(也稱為高頻(HF) 焊接或射頻(RF)焊接)、激光焊接、熱板焊接、熱封刀焊接、感應/ 脈沖、夾物模壓、模內(nèi)裝飾、以及本領(lǐng)域普通技術(shù)人員已知的其他標準 類型的材料焊接和接合方法。
前述工藝也被用來將保護層105沉積到傳感器103上，如圖2A和 2B中所示。保護層105可以是阻擋層、半滲透層或選擇滲透層。該保護 層105被用來防止傳感器103的各部件和位于保護層105與傳感器103 之間的可選傳感器涂層107 (圖2B)釋放到容器101的環(huán)境中，并且阻 止溶液101a腐蝕傳感器103,這允許嵌入式傳感器103的正確化學或生物識別。而且，保護層105防止生物處理流體(溶液101a)受到存在于 RFID傳感器103中的任何可浸出或可提取物質(zhì)導致的污染。傳感器涂 層107被選擇用于正確的化學或生物識別。典型的傳感器涂層或膜107 是聚合物、有機、無機、生物復合或納米復合膜，其基于放置在其中的 溶液101a而改變它的電特性。傳感器膜(或傳感器涂層)107可以是水 凝膠(例如聚(2-羥乙基)異丁烯酸)、磺化聚合物(例如Nafion ,其 是位于特拉華州Wilmington的DuPont公司的注冊商標)、粘性聚合物 (例如硅粘合劑)、無機膜(例如溶膠-凝膠膜)、復合膜(例如炭黑-聚異丁烯膜)、納米復合膜(例如碳納米管-Nafior^膜)、金納米顆粒-水凝膠膜、電紡聚合物納米纖維、金屬納米顆粒氫膜電紡無機納米纖維、 電紡復合納米纖維、以及任何其他傳感器材料。用于傳感器膜107的這 些前述材料可以通過噴墨印刷、絲網(wǎng)印刷、化學淀積、蒸氣淀積、噴涂、 抽吸涂敷、濕溶劑涂敷、巻對巻涂敷、切槽^t、凹版涂敷、滾涂、浸漬 涂敷等被沉積到傳感器103上。為了防止傳感器膜107中的材料釋放到 容器101中，傳感器材料使用標準技術(shù)被附著到多個傳感器陣列103的 表面，例如離子配對、共價鍵合、靜電鍵合以及本領(lǐng)域普通技術(shù)人員已 知的其他標準技術(shù)。保護層105的厚度在1納米到300mm的范圍內(nèi)。 壁101b的厚度在5納米到50cm的范圍內(nèi)。優(yōu)選地，壁101b具有10cm 的厚度。更優(yōu)選地，壁101b具有5cm的厚度，或者更優(yōu)選地，壁101b 具有l(wèi)cm的厚度。然而，如果模內(nèi)裝飾/注射模制被用來制造具有嵌入 式傳感器的3-D容器，則壁厚可以顯著更高，例如高達10cm。
當傳感器103在容器101內(nèi)時，為了使圍繞傳感器103的電磁場能 夠操作并被保持，保護層105和壁101b的厚度是必需的。當阻抗分析 器108接近于傳感器103時圍繞傳感器103生成電^f茲場時，發(fā)生傳感器 103與阻抗分析器108的無線集成。具體而言，電磁場延伸到傳感器103 的平面之外進入壁101b和保護層105的方向。接收天線108a激勵RFID 傳感器103。在一個實施例中，接收天線108a被布置在壁101b的與傳 感器103相對的側(cè)上。在另一實施例中，接近于傳感器103的接收天線 108a被布置在保護層105的與傳感器103相對的側(cè)上。
為了使接收天線108a接收來自傳感器103的信號，保護層105、壁 101b以及接收天線108a與傳感器103之間的可選傳感器涂層107的材 料的厚度和介電特性必須足夠。在本發(fā)明的其他實施例中，接收天線108a可以以幾種方式被附著或連接到容器101: 1.接收天線被機械地附 著到容器101, 2.接收天線通過任何典型的化學手段(例如粘合劑)被 化學地附著到容器，以及3.接收天線108a通過重力^皮附著到容器101。 在本發(fā)明的另一實施例中，接收天線108a在不與傳感器103電接觸的 情況下被附著到容器101。當傳感器103與接收天線108a之間的距離增 大時，來自傳感器103的信號將被衰減。
當位于傳感器103與接收天線108a之間的材料的傳導率增大時， 來自傳感器103的信號將被改變，通常被衰減。因此，通常，在壁101b 或保護層105的恒定實際介電特性下，壁101b或保護層105的厚度越 小，來自傳感器103的信號將越大。
為了提供接近于傳感器103定位接收天線108a的便利方式，接收 天線108a被附著到容器101。在一個實施例中，容器101的外表面的部 分在嵌入RFID傳感器103的區(qū)域被修改，因此用于傳感器103的接收 天線108a具有更好的穩(wěn)定性控制(位置、傾斜等)。在另一實施例中， 容器101的外表面的部分在嵌入RFID傳感器103的區(qū)域:故修改，因此 通過在接收天線108a卡扣或以其他方式連接到它的適當位置的角、邊 等使用機械連接(塑料接頭、夾子等)，用于傳感器103的接收天線108a 具有更好的穩(wěn)定性控制。
在又一實施例中，容器101的外表面的部分在嵌入RFID傳感器103 的區(qū)域被修改，因此通過使用粘合材料使接收天線108a連接到它在容 器101上的適當位置，用于傳感器103的接收天線108a具有更好的穩(wěn) 定性控制。在另一實施例中，容器101的外表面的部分在嵌入RFID傳 感器103的區(qū)域被修改，因此通過使用接收天線108a的重力以更好地 將它連接到它在容器101上的適當位置，用于傳感器103的接收天線 108a具有更好的穩(wěn)定性控制。不使用接收天線108a與傳感器103之間
使用、。、 s、 '、'、、、、、、 P 、', 、
傳感器103由保護層105和傳感器涂層107覆蓋。如果保護層105 和壁101b的前述厚度未浮皮遵守，則圍繞傳感器103的電磁場將衰減， 并且傳感器103將不能夠測量溶液101的參數(shù)。
保護層105的邊緣例如通過焊接或?qū)雍蟐C永久地附著到容器101的 壁101b以形成緊密封。也被稱為具有嵌入式傳感器或傳感器陣列103的一次性生物處理系統(tǒng)的容器101滿足生物相容性、可消毒性、機械韌 性、彈性和低可浸出性的要求。該保護層也可以包括致密塑料膜、膜、
多微孔層、多中孔層(例如膨脹聚四氟乙烯PTFE(e-PTFE)),納米 過濾和超濾膜也可以被用作保護層或選擇滲透層以減小生物污垢，集中 待檢測種屬以及為傳感器103部件提供耐腐蝕性。在本發(fā)明的另一實施 例中，保護層105是傳導聚合物膜。在本發(fā)明的又一實施例中，保護層 105可以是復合膜，其可以包括填充聚合物、聚合物混合物與合金。該 復合膜具有期望的電常數(shù)、電導率、熱導率、溶解氣體(例如氧氣和 C02)的滲透性。
讀取器106位于容器101外部的測量裝置111中。標簽102的天線 301 (圖3)在由聚合物無機、復合或其他類型的膜納米纖維網(wǎng)或納米結(jié) 構(gòu)涂層覆蓋時是傳感器103或傳感器陣列103。陣列103中的多個傳感
ip^歹';中的多(傳感器可以是射頻識另;:RF^)《:i器陣^;o3。陣;寸
103中的RFID傳感器是負責基于來自溶液101a的參數(shù)產(chǎn)生有用信號的 裝置。所述參數(shù)包括傳導率測量值、pH水平、溫度、血液相關(guān)測量值、 壓力測量值、離子測量值、非離子測量值、非傳導率、物質(zhì)沉積例如生 物沉積、蛋白沉積、細菌沉積、細胞沉積、病毒沉積、無才幾沉積(例如 鈣沉積)、電磁輻射水平測量值、壓力和可以從典型溶液取得的其他類 型的測量值。而且，所述參數(shù)包括作為時間的函數(shù)的溶液的物理、化學 或生物性質(zhì)的測量值，其對于多種應用來說是重要的。這些測量值提供 關(guān)于反應動力學、結(jié)合動力學、浸出效應、老化效應、可提取效應、擴 散效應、恢復效應和其他動力學效應的有用信息。陣列103中的多個傳 感器被覆蓋或包裹在上述的典型傳感器膜107中，所述傳感器膜允許它 獲得溶液101a的參數(shù)。陣列103中的多個RFID傳感器的每一個可以測 量單個參數(shù)，或者每個傳感器103可以測量溶液101a中的所有參數(shù)。 例如，RFID傳感器陣列103的傳感器陣列可以僅僅測量溶液101a的溫 度，或者多個RFID傳感器陣列103的傳感器陣列可以測量溶液101a的 傳導率、pH和溫度。另外，陣列103中的多個RFID傳感器是收發(fā)器， 其包括接收信號的接收器和發(fā)射信號的發(fā)射器。傳感器103可以充當無 源、半有源或有源的典型RFID傳感器。在本發(fā)明的另一實施例中，傳 感器103可以是由標準伽馬輻射過程輻射的伽馬射線。圖3示出射頻識別(RFID)標簽。RFID標簽102也可以凈皮稱為無 線傳感器。RFID標簽102包括襯底303,天線301和識別芯片305被布 置在所述襯底上。各種各樣商業(yè)上可用的標簽可以應用于傳感器結(jié)構(gòu)的 沉積。這些標簽在范圍從大約125kHz到大約2.4GHz的不同頻率下操作。 合適的標簽可從不同的供應商和銷售商獲得，例如Texas Instruments、 TagSys、 Digi Key、 Amtel、 Hitachi和其他^i^司。而且，標簽可以是以下 類型的傳感器技術(shù)之一傳感器單參數(shù)射頻(SSPRF)和傳感器多參數(shù) 射頻(SMPRF)。合適的標簽可以在無源、半無源和有源模式中操作。 無源RFID標簽不需要電源進行操作，而半無源和有源RFID標簽依賴 于板上電源的使用來進行它們的操作。RFID標簽102具有存儲在芯片 305中的數(shù)字ID,并且RFID標簽102的天線電路的頻率響應可以作為 具有復阻抗的實部和虛部的復阻抗纟皮測量。而且，RFID標簽102可以 是收發(fā)器，其是接收、放大和轉(zhuǎn)發(fā)不同頻率的信號的自動裝置。此外， RFID標簽102可以是另一種類型的收發(fā)器，其響應于預定義的接收信 號而發(fā)射預定的消息。該RFID標簽102等同于在以下美國專利中公開 的各種RFID標簽2005年10月26日提交的、順序號為US 11/259,710 的"Chemical and Biological Sensors, Systems and Methods Based on Radio Frequency Identification"以及2006年9月28日提交的、順序號為 PCT/US2006/038198和US 11/536,030的"Systems and Method for Monitoring Parameters in Containers" ， 二者要求2006年5月26日提交 的US 60/803,265的權(quán)益，上述專利的公開內(nèi)容被結(jié)合于此以作參考。
天線301是傳感器103的集成部分。多個RFID傳感器103位于離 讀取器105和阻抗分析器107大約0.1 - 100cm的距離處。在本發(fā)明的 另一實施例中，RFID天線301包括用作天線材料的一部分以調(diào)制天線 特性的化學或生物敏感材料307。這些化學和生物材料是傳導性敏感材 料，例如無機、聚合、復合傳感器材料等。復合傳感器材料包括與有傳 導性的可溶或不溶添加劑相混合的基本材料。該添加劑采用顆粒、纖維、 薄片的形式或者提供電導的其他形式。在本發(fā)明的又一實施例中，RFID 天線301包括用作天線材料的一部分以調(diào)制天線電特性的化學或生物敏 感材料?；瘜W或生物敏感材料通過排列、噴墨印刷、絲網(wǎng)印刷、蒸氣淀 積、噴涂、抽吸涂敷以及本領(lǐng)域普通技術(shù)人員已知的其他典型淀積被沉 積在RFID天線301上。在本發(fā)明的又一實施例中，在溶液101a的溫度(圖1 )正被測量的情況下，覆蓋天線301的化學或生物材料可以是被選
擇成當溫度變化時收縮或膨脹的材料。該類型的傳感器材料可以包含導 電的添加劑。添加劑可以采用微顆?；蚣{米顆粒的形式，例如炭黑粉末，
或碳納米管或金屬納米顆粒。當傳感器膜307的溫度變化時，添加劑的 這些單個顆粒變化，這影響傳感器膜307的總電導率。
除了用傳感器膜307或傳感器膜107涂敷傳感器103之外，在不用 傳感器膜307涂敷傳感器103的情況下測量一些物理參數(shù)，例如溶液的 溫度、壓力、傳導率以及其他參數(shù)。在不將傳感器膜307施加到傳感器 103上的情況下，這些測量值依賴于作為物理參數(shù)的函數(shù)的天線特性的 變化。盡管示出了無線傳感器103的幾個實施例，但是應當認識到，傳 感器103的其他實施例在本發(fā)明的范圍內(nèi)。例如，在無線傳感器上包含 的電路可以利用來自照射RF能量的功率以驅(qū)動高Q諧振電路，例如圖 4A中所示的基于電容的傳感器401內(nèi)的電路403。高Q諧振電路403 具有由傳感器401確定的振蕩頻率，或者傳感器103結(jié)合了其電容隨著 感測量而變化的電容器。照射RF能量可以在頻率上變化，并且傳感器 的反射能量被觀察。當最大化反射能量時，電路403的諧振頻率被確定。 諧振頻率然后可以;故轉(zhuǎn)換成傳感器401或103的上述參數(shù)。
在其他實施例中，照射RF能量以接近高Q振蕩器的諧振頻率的某 個重復頻率脈動。例如，如圖4B中所示，脈動能量在無線傳感器401 或103 (圖1 )中被整流并且被用來驅(qū)動高Q諧振電路407,所述高Q 諧振電路407具有由它所連接的傳感器405確定的振蕩諧振頻率。在一 段時間之后，脈動RF能量被停止，并且穩(wěn)定水平的照射RF能量被發(fā)射。 高Q諧振電路407被用來使用存儲在高Q諧振電路407中的能量來調(diào)制 天線409的阻抗。反射RF信號被接收并且檢查邊帶。邊帶與照射能量 之間的頻率差是電路401的諧振頻率。圖4C示出用于驅(qū)動高Q諧振電 路的無線傳感器的另一實施例。圖4D示出可以包括諧振天線電路和傳 感器諧振電路二者的無線傳感器，所述傳感器諧振電路可以包括LC儲 能電路。天線電路的諧振頻率是比傳感器電路的諧振頻率更高的頻率， 例如高達四到1000倍。傳感器電路具有的諧振頻率可以隨著某個感測 的環(huán)境條件而變化。這兩個諧振電路可以以這樣的方式連接，即使得當 交流(AC)能量由天線諧振電路接收時，它將直流能量施加于傳感器諧 振電路。AC能量可以通過使用二極管和電容器而被供應，并且AC能量可以通過LC儲能電路通過LC儲能電路的L內(nèi)的抽頭或LC儲能電路 的C內(nèi)的抽頭被傳輸?shù)絺鞲衅髦C振電路。此外，這兩個諧振電路可以被 連接，以使得來自傳感器諧振電路的電壓可以改變天線諧振電路的阻 抗。天線電路的阻抗的調(diào)制可以通過使用晶體管例如FET (場效應晶體 管)來實現(xiàn)。
可選地，照射射頻(RF)能量以某個重復頻率脈動。脈動能量在無 線傳感器(圖4A -圖4D)中被整流并且被用來驅(qū)動高Q諧振電路，所 述高Q諧振電路具有由它所連接的傳感器確定的振蕩諧振頻率。在一段 時間之后，脈動RF能量被停止，并且穩(wěn)定水平的照射RF能量被發(fā)射。
諧振電路被用來使用存儲在高Q諧振電路中的能量來調(diào)制天線的 阻抗。反射RF信號被接收并且檢查邊帶。為多個不同的脈沖重復頻率 重復該過程。最大化返回信號的邊帶的幅度的脈沖重復頻率被確定為諧 振電路的諧振頻率。諧振頻率然后被轉(zhuǎn)換成諧振電路上的參數(shù)或測量 值。
參考圖1, RFID讀取器106和阻抗分析器108 (測量裝置111)在 RFID標簽102之下，其基于讀取來自RFID天線301的信息而提供關(guān)于 RFID標簽102的實和復阻抗的信息。RFID讀取器106可以是Model M-1, Skyetek, CO,其使用軟件Lab VIEW在計算機控制下進行操作。而且， 讀取器106讀取來自RFID標簽102的數(shù)字ID。讀取器106也可以被稱 為射頻識別(RFID)讀取器。RFID標簽102通過無線連接或電線纟皮連 接到RFID讀取器106和阻抗分析器108。 RFID讀取器106和阻抗分析 器108 (測量裝置111 )通過無線或電線連接被連接到標準計算機109。 該系統(tǒng)可以以3種方式操作，所述方式包括1. RFID讀取器106的讀 取系統(tǒng)，其中RFID讀取器106將讀取來自多個RFID傳感器陣列103 的信息以獲得化學或生物信息，并且RFID讀取器106讀取RFID標簽 102的數(shù)字ID; 2. RFID讀取器106讀取RFID標簽102的數(shù)字ID，并 且阻抗分析器108讀取天線301以獲得復阻抗；以及3.如果存在具有 或不具有傳感器膜的多個RFID傳感器103，其中RFID讀取器106將讀 取來自多個RFID傳感器陣列103的信息以獲得化學或生物信息，以及 RFID讀取器106讀取RFID標簽102的數(shù)字ID，并且阻抗分析器108 讀取天線301以獲得復阻抗。
測量裝置111或計算機109包括模式識別子部件(未示出)。模式識別技術(shù)被包括在模式識別子部件中。這些對從傳感器103或陣列103 中的多個RFID傳感器中的每一個收集的信號的模式識別技術(shù)可以被用 來找出測量數(shù)據(jù)點之間的相似性和差異。該方法提供用于警告測量數(shù)據(jù) 中的異常的出現(xiàn)的技術(shù)。這些技術(shù)可以揭示大數(shù)據(jù)集中的相關(guān)模式，可 以確定篩選命中之間的結(jié)構(gòu)關(guān)系，并且可以顯著減小數(shù)據(jù)維度以使它在 數(shù)據(jù)庫中更易管理。模式識別的方法包括主成分分析(PCA)、層次聚 類分析(HCA)、軟獨立建才莫分類(SIMCA)、神經(jīng)網(wǎng)絡以及本領(lǐng)域普 通技術(shù)人員已知的^t式識別的其他方法。讀取器106與陣列103中的多 個RFID傳感器或傳感器103之間的距離被保持恒定或者可以是可變的。 阻抗分析器108或測量裝置111周期性地測量來自陣列103中的多個 RFID傳感器的反射的射頻(RF)信號。來自相同傳感器103或陣列103 中的多個RFID傳感器的周期性測量值提供關(guān)于傳感器信號的變化速度 的信息，所述變化速度與圍繞陣列103中的多個RFID傳感器的化學/生 物/物理環(huán)境的狀態(tài)相關(guān)。在該實施例中，測量裝置111能夠讀取和量化 來自陣列103中的多個RFID傳感器的信號的強度。
阻抗分析器108接近RFID讀取器106,所述阻抗分析器是用來分 析電網(wǎng)絡的頻率相關(guān)特性，尤其是與電信號的反射和傳輸相關(guān)聯(lián)的那些 特性。而且，阻抗分析器108可以是實驗室設備或者便攜式專門制造的 裝置，其在給定的頻率范圍上掃描以測量RFID標簽102的諧振天線301 電路的復阻抗的實部和虛部。另外，該阻抗分析器108包括與上述溶液 101a相關(guān)聯(lián)的各種材料的頻率的數(shù)據(jù)庫。此外，該阻抗分析器108可以 是網(wǎng)絡分析器(例如Hewlett Packward 8751A或Agilent E5062A)或精 確阻抗分析器(Agilent 4249A )。
計算機109是典型計算機，其包括處理器，輸入/輸出(1/0)控 制器，大容量存儲器，存儲器，視頻適配器，連接接口，以及將前述系 統(tǒng)部件可操作地、電力地或無線地耦合到處理器的系統(tǒng)總線。而且，系 統(tǒng)總線將典型的計算機系統(tǒng)部件電力地或無線地、可操作地耦合到處理 器。處理器可以被稱為處理單元、中央處理單元(CPU)、多個處理單 元或并行處理單元。系統(tǒng)總線可以是與常規(guī)計算機相關(guān)聯(lián)的典型總線。 存儲器包括只讀存儲器(ROM)和隨機存取存儲器(RAM) 。 ROM包 括具有基本例程的典型輸入/輸出系統(tǒng)，所述基本例程幫助在啟動期間在 計算機的各部件之間傳送信息。大容量存儲器在存儲器之上，其包括1.用于從硬盤和硬盤驅(qū)動器 接口讀取和寫入的硬盤驅(qū)動器部件，2.磁盤驅(qū)動器和硬盤驅(qū)動器接口， 以及3.用于從可移動光盤(例如CD-ROM)或其他光學介質(zhì)和光盤驅(qū) 動器接口讀取或?qū)懭氲墓獗P驅(qū)動器(未示出)。前述驅(qū)動器和它們的關(guān) 聯(lián)計算機可讀介質(zhì)提供計算機可讀指令、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、程序模塊和用于計 算機109的其他數(shù)據(jù)的非易失性存儲。而且，前述驅(qū)動器可以包括具有 獲得溶液101a的參數(shù)的技術(shù)創(chuàng)新的算法、軟件或方程，這將在用計算 機109的處理器進行工作的圖5 -圖9的流程圖中進行描述。計算機109 也包括Lab VIEW軟件，其從標簽102收集來自復阻抗響應的數(shù)據(jù)。而 且，計算機109包括賓夕法尼亞州Reading的Synergy Software公司的 KaliedaGraph壽欠4牛和來自華盛頓州Manson的Eigenvector研究乂>司的 PLS—Toolbox軟件，上述軟件用來自馬薩諸塞州Natick的Mathworks公 司的Matlab軟件操作以分析接收的數(shù)據(jù)。在另一實施例中，溶液101a 的算法、軟件或方程所獲得的參數(shù)可以被存儲在處理器、存儲器或本領(lǐng) 域普通技術(shù)人員已知的計算機109的任何其他部分中。
圖5是描繪了如何通過利用超聲焊接方法將傳感器結(jié)合到容器中的 流程圖。在塊501,容器101 (圖1)的層或膜被切割成期望的尺寸。如 上所述的容器101的層、膜或壁101b (圖2)可以具有多層，并且由各 種類型的材料制造。壁101b也可以被稱為第一層膜101b。容器101的 膜101b可以通過任何類型的切割裝置來切割，例如刀、剪刀或本領(lǐng)域 普通技術(shù)人員已知的任何標準切割裝置或自動切割裝置。容器101可以 具有如上所述的許多不同結(jié)構(gòu)，例如陪替氏培養(yǎng)皿或微滴定板或任何其 他類型的結(jié)構(gòu)。對于該例子，容器的該切割膜101b的尺寸可以具有范 圍在lxlmm到6x6英寸或以上的長度和寬度，這取決于傳感器103 (圖 1)的最終應用和大小。該切割膜101b的尺寸的大小大約是容器101的 一個壁大小。接著，在塊503，保護層膜105(圖2)由前述典型切割裝 置切割。保護層膜105如上所述可以由不同類型的材料制造，例如PTFE。 保護層膜105被切割成小于容器101的切割膜并且優(yōu)選大于傳感器103 的尺寸。例如，保護層膜105的尺寸可以具有.08x.08mm到3x3英寸或 以上的范圍，這取決于傳感器103或壁101b的大小。保護層膜105可 以被稱為第二層膜105。
在塊505,傳感器103被放置或堆疊在壁101b與保護層膜105之間。優(yōu)選地，傳感器103#1放置在壁101b的中間部分與保護層膜105之間。 在本發(fā)明的另一實施例中，可選傳感器涂層107被預沉積在傳感器上或 者通過前述切割方法被切割，其中尺寸小于保護層膜105。然后可選傳 感器涂層107被放置在傳感器103與保護層膜105之間?？蛇x傳感器涂 層107可以被看作第四層膜。在本發(fā)明的另一實施例中，保護層膜105 或傳感器涂層107可以是沉積在傳感器103上的唯一層膜。
接著，在塊507,利用超聲焊接工藝將保護層105、傳感器103上 的可選傳感器涂層107壓入壁101b中。典型的超聲焊接工藝利用被稱 為焊頭(horn)或超聲焊極的典型的鈦或鋁部件，所述鈦或鋁部件被帶 到與保護層105接觸。來自典型焊頭的受控壓力被施加到保護層105、 可選傳感器涂層107、傳感器103以及壁101b,從而將這些部件夾在一 起。焊頭在以數(shù)千英寸(微米)計的距離處以每秒20,000Hz (20kHz) 或40,000Hz (40kHz)次的速度垂直振動一個典型地;故稱為焊接時間的 預定量的時間。機械振動通過保護層105被傳遞到保護層105、可選傳 感器涂層107、傳感器103和壁101b之間的接合表面以產(chǎn)生摩擦熱。當 在接合界面處的溫度達到保護層105和壁101b的塑料的熔點時，然后 停止振動，這允許這些部件的熔化塑料開始冷卻。典型焊頭的夾緊力被 保持預定量的時間，例如30秒到3小時，從而當保護層105和壁101b 的熔化塑料冷卻和凝固時允許各部分熔合，這被稱為保持時間。在本發(fā) 明的另 一 實施例中，在該保持時間期間可以施加更高的壓力以將部件進 一步保持在一起。在保持時間之后，然后從組合的保護層105、傳感器 涂層107,傳感器103和壁101b中收回典型焊頭。
接著，在塊509，另一壁101c或多層膜或第三層膜通過如上所述的 形成容器101的焊頭工藝被超聲焊接到組合保護層105、可選傳感器涂 層107、傳感器103和壁101b上。優(yōu)選地，該壁101c具有與壁101b相 同的尺寸，因此壁101c的周緣被密封到壁101b的周緣上。 一個管或多 個管被插入在壁101b與101c之間，并且通過使用上述典型的焊頭工藝 被超聲焊接以將多個管接合到壁101b和101c中，然后該過程結(jié)束。這 些管表示用于將被插入和從容器101去除的溶液101a的裝置。周緣和 多個管的焊接可以在獨立步驟中或在相同工序中發(fā)生。
圖6是描繪了如何通過利用射頻(RF)焊接方法將傳感器結(jié)合到容 器中的流程圖。塊601、 603和605中的過程分別與塊501、 503和505中的相同，因此在這里將不公開對這些過程的描述。在塊607,利用典 型塑料焊接機在壁101b(圖2)上熔化保護層105、可選傳感器涂層107 和傳感器103。典型塑料焊接機包括射頻發(fā)生器(其產(chǎn)生射頻電流)， 氣動壓力機，將射頻電流傳遞到正被焊接的保護層105、可選傳感器涂 層107、傳感器103和壁101b的電極，以及將前述部件固定就位的焊接 工作臺。也有不同類型的塑料焊接機可以用于射頻焊接，例如帆布機、 服裝才幾和自動機。前述機器的調(diào)諧可以:故調(diào)節(jié)以使它的場強適應于正祐_ 焊接的材料。
在塊609，另一壁101c或多層膜與塊607中一樣被射頻焊接到組合 保護層105、可選傳感器涂層107、傳感器103和壁101b上從而形成容 器IOI。優(yōu)選地，該壁101c具有與壁101b相同的尺寸，因此壁101c的 周緣被密封到壁101b的周緣上。 一個管或多個管被插入在壁101b與 101c之間，并且被RF焊接以將多個管接合到壁101b和101c中，然后 該過程結(jié)束。這些管表示用于將被插入和從容器101去除的溶液101a 的裝置。周緣和多個管的焊接可以在獨立步驟中或在相同工序中發(fā)生。
圖7是描繪了如何通過利用熱層合方法將傳感器結(jié)合到容器中的流 程圖。塊701、 703和705中的過程分別與塊501、 503和505中的相同， 因此在這里將不公開對這些過程的描述。在塊707,用戶利用典型層合 裝置，例如由印第安納州Wabash的Carver公司制造的Carver層合壓力 機、由亞利桑那州Scottsdale的K-Sun公司制造的MaxiLam熱層合機、 或由康涅狄格州Benthany的PSA公司提供的熱熔機，以在壁101b (圖 2)上熔化保護層105、可選傳感器涂層107和傳感器103。例如，具有 標稱頻率為13.5MHz的傳感器103的RFID標簽102被層合到容器101 的多層壁101b的內(nèi)部，例如5-L Labtainer 生物處理容器的ULDPE層， 一種由HyClone制造的、從Aldrich購買的HyQ CX5-14膜。該CX5-14 膜是5層、14密耳流延膜。壁101b的外層包括與EVOH阻擋層和超低 密度聚乙烯層共擠的聚酯彈性體。保護層105是褐色的4密耳厚的超低 密度聚乙烯單層膜(由HyClone制造、從Aldrich購買的HyQ BM1膜)。
實際的層合或嵌入過程通過在典型Carver層合壓力機中層合保護 層105、可選傳感器涂層107和壁101b與夾在容器壁膜101b與保護膜 105之間的RFID傳感器103進行。Carver壓力機利用稍大于RFID傳感 器103的框架以防止Carver壓力機提供作用在傳感器103上的直接壓力?？蚣苡射X制造并且為了容易釋放而涂敷有特氟隆(Teflon)?？蚣?可以具有任何形狀，但是對于該例子而言，它具有帶有任何類型的尺寸 的矩形框架，例如具有尺寸為40x50mm并且厚度為.7mm的中空內(nèi)部的 50x70mm的尺寸。在該層合過程期間，Carver壓力機保持140攝氏度的 穩(wěn)定溫度。具有框架的夾層結(jié)構(gòu)然后以最小壓力被移動到Carver壓力機 內(nèi)部并且保持l分鐘，并且然后在2000 lbs的力下保持30秒。保護層 105、可選傳感器涂層107和壁101b的層合結(jié)構(gòu)被轉(zhuǎn)移到冷壓機。
在塊709,另一壁101c或多層膜與塊707中一樣被層合和冷壓到組 合保護層105、傳感器涂層107、傳感器103和壁101b上從而形成容器 101。優(yōu)選地，該壁101c具有與壁101b相同的尺寸，因此壁101c的周 緣被密封到壁101b的周緣上。至少一個塑料管或多個塑料管通過利用 如塊707中的前述層合裝置被層合到壁101b和101c。這些塑料管充當 將溶液101a插入容器101中的插入件和用于從容器101釋放溶液101a 的出口。圖11描繪了三個層合的RFID傳感器和一個無層合的RFID傳 感器的例子。三個RFID傳感器1111、 1113和1115等同于傳感器103， 因此在這里將不7>開對傳感器1111、 1113和1115的描述。RFID傳感 器1111、 1113和1115被層合到容器101的由聚丙烯制造的壁101b中。 RFID傳感器1117未被層合到容器101中。
圖8是描繪了如何通過利用熱板焊接方法將傳感器結(jié)合到容器中的 流程圖。塊801、 803和805中的過程分別與塊501、 503和505中的相 同，因此在這里將不公開對這些過程的描述。在塊807,用戶利用具有 加熱壓板的典型熱板焊接裝置以在壁101b (圖2)上熔化保護層105、 可選傳感器涂層107、傳感器103的接合表面。保護層105、可選傳感 器涂層107、傳感器103和壁101b的一部分被帶到與精確加熱壓板接觸 預定的時間段，例如5秒到1小時，這取決于保護層105、可選傳感器 涂層107、傳感器103和壁101b的材料的厚度。在保護層105、傳感器 涂層107、傳感器103和壁101b的塑料界面熔化之后，這些部分被聚靠 在一起以形成分子的、永久的和常常密封的鍵合。在精確過程控制下焊 接的適當設計接頭常常等于或超過任何其他部分區(qū)域的強度。
在塊809,另一壁101c或多層膜與塊807中一樣被熱板焊接到組合 保護層105、可選傳感器涂層107、傳感器103和壁101b上從而形成容 器IOI。優(yōu)選地，該壁101c具有與壁101b相同的尺寸，因此壁101c的周緣被密封到壁101b的周緣上。至少一個塑料管或多個塑料管被插入
在壁101b與101c之間，并且通過利用如塊807中的前述加熱壓澤反;故熱 板焊接到壁101b和101c,然后該過程結(jié)束。這些塑料管充當將溶液101a 插入容器101中的插入件和用于從容器101釋放溶液101a的出口 。
圖9是描繪了如何通過利用注射模制/模內(nèi)裝飾方法將傳感器結(jié)合 到容器中的流程圖。塊901和903中的過程分別與塊503和505中的相 同，因此在這里將不公開對這些過程的描述。然而，在塊903,保護層 105、可選傳感器涂層107、傳感器103被堆疊在典型模具內(nèi)部而不是僅 僅被堆疊。在塊905,用戶利用典型注射模制制造技術(shù)來組合保護層105 與可選傳感器涂層107和壁101b。典型地，注射^t制是用于由熱塑性材 料制造部件的制造技術(shù)。壁101b的材料以高壓被注射到模具中，所述 模具是期望形狀的顛倒形狀。模具典型地通過模具制造機或工具制造機 由金屬(通常是鋼或鋁)制造，并且被精加工以形成期望部件的特征。 在凝固之后，進行保護層105、可選傳感器涂層107、傳感器103和相 對較厚的注射模制壁101b的組裝。
在塊907，另一壁101c和如上所述充當溶液101a的入口和出口的 多個管被放置在保護層105、可選傳感器涂層107、傳感器103和壁101b 之上，其中熱:故施加以在壁101b上熔化多個管和壁101c從而形成容器 101。優(yōu)選地，壁101c在壁101b的周緣上熔化以提供密封從而形成容 器101或生物容器101，然后該過程結(jié)束。在本發(fā)明的另一實施例中， 本領(lǐng)域普通4支術(shù)人員已知的標準感應加熱方法可以用于4戈替?zhèn)鲗Ъ訜?以在保護層105、可選傳感器涂層107、傳感器103和壁101b上熔化多 個管。圖9中所示的過程可用于制造具有相對較厚的壁的3維生物處理
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在其他實施例中，圖5 -圖9中所示的工藝的各種排列被用于制造
具有嵌入式傳感器的容器。多于一種的材料焊接和接合方法可以在容器 制造工藝的各種階段被使用。例如，在制造具有嵌入式傳感器的容器的 工藝的另 一實施例中，傳感器到容器的附著通過傳感器的熱封來實現(xiàn)，
而容器材料和管的密封通過RF焊接來實現(xiàn)，另外，可以使用圖5-圖9 中所示的容器制造工序的各種排列。例如，在制造具有嵌入式傳感器的 容器的工藝的又一 實施例中，基本上連續(xù)的腹板可以首先用于制造具有 嵌入式傳感器的容器，并且在工序結(jié)束時執(zhí)行切割以分離這樣制造的容器。
圖10a描繪了具有不同直徑的硅管1000,當流體流過其中時，所述 不同直徑產(chǎn)生差壓。圖10b示出嵌有RFID壓力傳感器1001和1003的 圖10a的硅管的分解圖。RFID壓力傳感器1001和1003以與上述RFID 傳感器103相同的能力操作，因此在這里將不公開對傳感器1001和1003 的描述。然而，壓力RFID壓力傳感器1001和1003為靠近RFID壓力傳 感器1001和1003定位的網(wǎng)絡阻抗分析器108 (圖1)提供壓力相關(guān)信 息，例如，Pa表示10psi的壓力水平，并且Pb表示8psi的壓力水平。 因此，Pa-Pb=10psi-8psi=2psi或壓力變化?；跇藴实牟砗屠?用RFID壓力傳感器1001和1003,可以計算流過石圭管1000的液體的質(zhì)
量流速。
平滑通過硅管1000的變化縮窄部的流體經(jīng)歷速度和壓力的變化。
這些變化可以;故用來測量流體的流速。只要流體速度足夠亞聲速
(V<Mach 0.3),則不可壓縮伯努利方程通過將該方程應用于沿著水平 管的軸向下移動的流體的流線來描述流動，提供以下方程
a是沿著管道的第一點
b是沿著管道的第二點
P是以牛頓/平方米計的靜態(tài)壓力
p是以千克/立方米計的密度
v是以米/秒計的速度
g是以米/平方秒計的重力加速度
h是以米計的高度
尸"-尸6-AP^/2pVb2-1/2 pVa2 (方程1 )
根據(jù)連續(xù)性，喉部速度Vb可以代出以上方程以得到 AP=7/2pVa2[(Aa/Ab)2-l]
(方程2 )
解出上游速度Va并且乘以橫截面積Aa得到體積流速Q(mào):<formula>formula see original document page 27</formula>
理想地，在粘性流體中將遵守以上方程。在粘性邊界層內(nèi)被轉(zhuǎn)換成熱的 少量能量往往會稍稍降低真實流體的實際速度。流量系數(shù)C典型地被弓I 入以解釋流體的粘度。<formula>formula see original document page 27</formula>
發(fā)現(xiàn)C取決于流動的雷諾數(shù)，并且對于平滑漸縮文氏管通常處于0.90 與0.98之間。
質(zhì)量流速可以通過Q乘以流體密度獲得 <formula>formula see original document page 27</formula>例如，在上游管Da和下游部分Db的硅管1001的直徑分別為20cm 和4cm。管內(nèi)部的液流的流體密度為lkg/m3。而且，硅管1000的上游 部分的直徑或D^20cm,硅管1000頸部的直徑或D^4cm,流體密度或 p=lkg/m3，流量系數(shù)0=0.98，并且速度A或V為2.35m/s。 Pa表示10psi 的壓力水平，并且Pb表示8psi的壓力水平。因此，D/ Pa-Pb^0psi-8psi-2psi或壓力變化?；跇藴实牟砗屠肦FID 壓力傳感器1001和1003,流過石圭管1000的液體的體積流速和質(zhì)量流速 從方程4和5被算出，分別為.07m3/s和.07kg/s。
圖12示出正從傳感器取得的傳導率測量的例子。RFID傳感器103 -故顯示為附著到包含流體測試室的表面1201,同時該表面正由右支架 1205保持。左支架1203保持接收天線以接收來自RFID傳感器的信號。 兩個管1207和1209被用來將水或溶液帶入和帶出測試室。接收天線被 連接到阻抗分析器107a或測量裝置111 (圖1 )。
圖13是圖12中所示的RFID傳感器103的圖示，其中復阻抗關(guān)于 時間被測量。該圖形示出當重復暴露于不同傳導率的水樣時在流動池中的層合RFID傳感器103的動態(tài)響應的再現(xiàn)性和響應幅度的圖形。五個 不同水樣具有0.49、 7.78、 14.34、 20.28、 44.06mS/cm的傳導率水平。 其中這些水樣分別被標記為1-5。傳感器響應(例子是在圖12中的響應 Zp)在重復暴露之間再現(xiàn)性很高。圖14是圖12中所示的RFID傳感器 響應的圖示，其中復阻抗關(guān)于時間被測量(圖13)。而且，該圖描繪了 作為傳導率響應的校準曲線，其由RFID傳感器103對具有0.49、 7.78、 14.34、 20.28、 44.06mS/cm的傳導率的不同水樣的響應構(gòu)成。圖14示出 作為水傳導率的函數(shù)的傳感器響應。結(jié)合了 RFID傳感器的另一實施例 利用粘合層將傳感器附著到表面，物理、化學或生物測量應當在所述表 面進行。
在另一實施例中，容器(一次性的或可再用的)101可以是微滴定 板。微滴定板或微滴定孔板的各個孔具有RFID傳感器。這些傳感器通 過上述方法中的任何一種被結(jié)合到微滴定板中。RFID傳感器也可以通 過分配被布置在各個孔中。通常，關(guān)鍵的是觀察、檢測和感測用化學、 物理或生物擾動來擾動樣本的影響。非限制性例子包括試劑添加、溶劑 添加、成分添加、加熱、攪拌、冷卻、暴露于電磁輻射和許多其他手段。 這些觀察用布置在微滴定板中的RFID傳感器103的陣列實時地進行監(jiān) 視。
本發(fā)明提供一種用于組裝一次性生物處理系統(tǒng)的系統(tǒng)，其中用戶可 以利用該生物處理系統(tǒng)來單獨測量溶液中的參數(shù)，然后用戶可以丟棄該 一次性生物處理系統(tǒng)。
本發(fā)明的前述詳細描述打算被看作是示例性的而非限制性的，并且
圍。？ 口 、 、 ，…' 、權(quán)利要求
1.一種用于測量多個參數(shù)的系統(tǒng)，包括具有溶液的容器；保護層，其被沉積在至少一個傳感器和所述容器的至少一個壁上，其中所述保護層被附著到所述容器的所述壁以在所述容器與所述至少一個傳感器之間形成密封，其中所述至少一個傳感器被配置成具有基于所述容器和所述保護層的厚度的能操作的電磁場；與標簽相結(jié)合的所述至少一個傳感器接近于構(gòu)成測量裝置的阻抗分析器和讀取器；其中所述至少一個傳感器被配置成確定所述溶液的至少一個參數(shù)；所述標簽被配置成提供與所述至少一個傳感器相關(guān)聯(lián)的數(shù)字ID，其中所述容器接近于所述讀取器和阻抗分析器；以及其中所述阻抗分析器被配置成基于所述參數(shù)從所述至少一個傳感器接收給定的頻率范圍，并且基于在所述給定頻率范圍上測量的復阻抗計算參數(shù)變化。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的系統(tǒng)，其中所述阻抗分析器被連接到計算機。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中所述測量裝置被配置成讀取來 自所述至少一個傳感器的所述至少一個參數(shù)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所迷的系統(tǒng)，其中所述計算機被配置成顯示來自 所述至少一個傳感器的所述參數(shù)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的系統(tǒng)，其中所述容器是一次性容器。
6. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的系統(tǒng)，其中所述容器是塑料容器。
7. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的系統(tǒng)，其中所述容器是塑料微滴定板容器。
8. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的系統(tǒng)，其中所述溶液選自由流體、血液和 氣體組成的組。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其中所述溶液是包括以下物質(zhì)的血 液月幾酸酐、脲、乳酸脫氬酶、以及石咸性鉀。
10. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其中所述溶液是氣體或溶解氣體， 所述氣體或溶解氣體包括C02、 02、 NOx。
11. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其中所述溶液包括有毒工業(yè)試劑， 所述有毒工業(yè)試劑包括氨、丙酮合氰化氫。
12. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述讀取器是射頻識別 (RFID)讀取器。
13. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的系統(tǒng)，其中所述至少一個傳感器是陣列中 的多個傳感器。
14. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其中陣列中的所述多個傳感器是 陣列中的多個RFID傳感器。
15. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的系統(tǒng)，其中所述至少一個參數(shù)由下列組 成傳導率測量值、pH水平、溫度、血液相關(guān)測量值、生物測量值、離 子測量值、壓力測量值、非離子測量值和非傳導率測量值。
16. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的系統(tǒng)，其中傳感器涂層被布置在所述至少 一個傳感器之上并位于所述至少一個傳感器與所述保護層之間，其中所 述傳感器涂層確定所述溶液的所述至少一個參數(shù)。
17. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的系統(tǒng)，其中所述傳感器涂層來自包括下 列的組聚合物膜、有機膜、無機膜、生物復合膜或納米復合膜。
18. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的系統(tǒng)，其中所述傳感器涂層選自下列組 成的組水凝膠膜、溶膠-凝膠膜、炭黑-聚合物膜、碳納米管-聚合物膜、 金屬納米顆粒-聚合物膜和電紡納米纖維膜。
19. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其中所述溶液包含原核細胞。
20. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其中所述溶液包含真核細胞。
21. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其中所述溶液是氣體，所述氣體包括032和02。
22. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其中所述溶液是溶解氣體，所述溶解氣體包括C02和02。
23. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的系統(tǒng)，其中所述容器由聚合材料制造。
24. 根據(jù)權(quán)利要求23所述的系統(tǒng)，其中所述容器是過濾裝置和與所 述過濾裝置相關(guān)聯(lián)的任何關(guān)聯(lián)傳輸管道。
25. 根據(jù)權(quán)利要求23所述的系統(tǒng)，其中所述容器是色譜裝置和與所 述色譜裝置相關(guān)聯(lián)的任何關(guān)聯(lián)傳輸管道。
26. 根據(jù)權(quán)利要求23所述的系統(tǒng)，其中所述容器是離心裝置和與所 述離心裝置相關(guān)聯(lián)的任何關(guān)聯(lián)傳輸管道。
27. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的系統(tǒng)，其中所述容器由預消毒的聚合材料 制造。
28. 根據(jù)權(quán)利要求27所述的系統(tǒng)，其中所述容器是過濾裝置和與所 述過濾裝置相關(guān)聯(lián)的任何關(guān)聯(lián)傳輸管道。
29. 根據(jù)權(quán)利要求27所述的系統(tǒng)，其中所述容器是色譜裝置和與所 述色鐠裝置相關(guān)聯(lián)的任何關(guān)聯(lián)傳輸管道。
30. 根據(jù)權(quán)利要求27所述的系統(tǒng)，其中所述容器是離心裝置和與所 述離心裝置相關(guān)聯(lián)的任何關(guān)聯(lián)傳輸管道。
31. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的系統(tǒng)，其中所述溶液包括來自包含下列的 組的生物材料細菌、重組蛋白、病毒、疫苗、活組織或來自生物流體 的分餾物。
32. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的系統(tǒng)，其中所述保護層來自包含下列的 組聚四氟乙烯(PTFE)和復合膜。
33. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的系統(tǒng)，其中所述容器由包括下列的組制 造聚乙烯、低密度聚乙烯、超低密度聚乙烯、聚丙烯、聚酯、聚酰胺、 聚碳酸酯和彈性體材料。
34. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的系統(tǒng)，其中所述容器是微滴定板，其中所 述微滴定板的各個孔包含陣列中的多個RFID傳感器。
35. 根據(jù)權(quán)利要求28所述的系統(tǒng)，其中在所述微滴定板的各個孔中 的陣列中的多個RFID傳感器測量所述溶液的物理性質(zhì)、所述溶液的化學 性質(zhì)和所述溶液的生物性質(zhì)。
36. 根據(jù)權(quán)利要求28所述的系統(tǒng)，其中在所述微滴定板的各個孔中 的陣列中的多個RFID傳感器測量作為時間的函數(shù)的溶液的物理、化學或 生物性質(zhì)。
37. 根據(jù)權(quán)利要求28所述的系統(tǒng)，其中在所述微滴定板的各個孔中 的陣列中的多個RFID傳感器測量作為用各個溶液執(zhí)行的實-瞼步驟例如 試劑添加、溶劑添加、成分添加、加熱、攪拌、冷卻、暴露于電磁輻射 的函數(shù)的溶液的物理、化學或生物性質(zhì)。
38. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的系統(tǒng)，其中所述容器是被結(jié)合到過濾裝置 中的聚合材料。
39. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的系統(tǒng)，其中所述容器包含色譜基質(zhì)。
40. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的系統(tǒng)，其中所述容器用于儲存。
41. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的系統(tǒng)，其中所述容器用于轉(zhuǎn)移。
42. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的系統(tǒng)，其中所述容器用于混合。
43. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的系統(tǒng)，其中所述容器用于分離。
44. 一種用于測量多個參數(shù)的系統(tǒng)，包括 具有至少一個溶液的微滴定孔板容器；保護層，其被沉積在所述微滴定孔板容器的各個孔中的至少 一個 RFID傳感器上，其中所述至少一個RFID傳感器被配置成具有基于所述 容器和所述保護層的厚度的能操作的電磁場；與標簽相結(jié)合的所述至少一個傳感器接近于構(gòu)成測量裝置的阻抗 分析器和讀取器；其中所述至少一個傳感器被配置成確定所述溶液的至少一個參數(shù)； 所述標簽被配置成提供與所述至少一個傳感器相關(guān)聯(lián)的數(shù)字ID,其中所述容器接近于所述讀取器和阻抗分析器；以及其中所述阻抗分析器被配置成基于參數(shù)從所述至少一個傳感器接收給定的頻率范圍，并且基于所述給定的頻率范圍計算參數(shù)變化。
45. —種用于測量多個參數(shù)的系統(tǒng)，包括 具有至少一個溶液的^t滴定孔板容器；傳感器涂層，其被沉積在所述微滴定孔板容器的各個孔中的至少一 個RFID傳感器上，其中所述至少一個RFID傳感器被配置成具有基于所 述容器和所述傳感器涂層的厚度的能操作的電磁場；與標簽相結(jié)合的所述至少一個傳感器接近于構(gòu)成測量裝置的阻抗 分析器和讀取器；其中所述至少一個傳感器被配置成確定所述溶液的至少一個參數(shù)； 所述標簽被配置成提供與所述至少一個傳感器相關(guān)聯(lián)的數(shù)字ID,其中所述容器接近于所述讀取器和阻抗分析器；以及其中所述阻抗分析器被配置成基于參數(shù)從所述至少一個傳感器接 收給定的頻率范圍，并且基于所述給定的頻率范圍計算參數(shù)變化。
46. 根據(jù)權(quán)利要求45所述的系統(tǒng)，其中所述RFID傳感器測量生物參數(shù)。
47. 根據(jù)權(quán)利要求45所述的系統(tǒng)，其中所述RFID傳感器測量化學參數(shù)。
48. 根據(jù)權(quán)利要求45所述的系統(tǒng)，其中所述RFID傳感器測量物理參數(shù)。
49. 一種用于測量參數(shù)的系統(tǒng)，包括至少一個傳感器，其被放置在第一層膜與第二層膜之間；所述笫一層膜和所述笫二層膜具有一定的厚度，其中所述至少一個 傳感器被配置成具有能操作的電磁場；所述第一層在所述至少一個傳感器之上形成于所述第二層中，其中 所述第一層在所述至少一個傳感器之上形成于所述第二層中以將所述 第一層和所述至少一個傳感器嵌入所述第二層中；第三層膜，其中所述第三層膜形成于所述第一層膜中，其被配置成 與所述第一層膜形成容器；以及溶液被插入所述容器中，其中所述第 一層膜和所述至少一個傳感器 被配置成測量所述溶液的至少一個參數(shù)。
50. —種用于組裝測量參數(shù)的系統(tǒng)的方法，包括提供至少一個傳感器，其中所述至少一個傳感器被放置在第一層膜 與第二層膜之間；為所述第一層膜和所述笫二層膜提供一定的厚度，其中所述至少一 個傳感器被配置成具有能操作的電磁場；使所述第 一層在所述至少一個傳感器之上形成于所述第二層中，其 中所述第一層在所述至少一個傳感器之上形成于所述第二層中以將所 述第 一層和所述至少 一個傳感器嵌入所述第二層中；提供第三層膜，其中所述第三層膜形成于所述第一層膜中，所述第 一層膜被配置成與所述第三層膜形成容器；以及在所述容器中提供溶液，其中所述第一層膜和所述至少一個傳感器 被配置成測量所述溶液的至少一個參數(shù)。
51. 根據(jù)權(quán)利要求50所述的方法，進一步包括 提供多個管，其中所述多個管形成于所述第一層膜中。
52. 根據(jù)權(quán)利要求50所述的方法，其中所述至少一個傳感器是無線 傳感器。
53. 根據(jù)權(quán)利要求52所述的方法，其中所述無線傳感器是RFID (射 頻識別)傳感器。
54. 根據(jù)權(quán)利要求50所述的方法，其中所述第一層膜具有范圍在2 納米到100mm的厚度。
55. 根據(jù)權(quán)利要求50所述的方法，其中所述第二層膜具有范圍在IO 納米到50mm的厚度。
56. 根據(jù)權(quán)利要求50所述的方法，其中所述第二層膜具有范圍在IO 納米到20mm的厚度。
57. 根據(jù)權(quán)利要求50所述的方法，進一步包括在所述第一層膜與所 述至少一個傳感器之間提供第四層膜。
58. 根據(jù)權(quán)利要求57所述的方法，其中所述第四層膜是傳感器涂層。
59. 根據(jù)權(quán)利要求50所述的方法，進一步包括提供超聲焊接工藝以 在所述至少一個傳感器之上將所述第一層形成于所述笫二層中。
60. 根據(jù)權(quán)利要求59所述的方法，進一步包括提供來自焊頭的受控 壓力以在所述至少 一個傳感器之上將所述第 一層壓入所述笫二層中。
61. 根據(jù)權(quán)利要求50所述的方法，進一步包括提供射頻焊接工藝以 在所述至少一個傳感器之上將所述第一層形成于所述第二層中。
62. 根據(jù)權(quán)利要求50所述的方法，進一步包括提供熱層合焊接工藝 以在所述至少一個傳感器之上將所述笫一層形成于所述第二層中。
63. 根據(jù)權(quán)利要求50所述的方法，進一步包括提供熱板焊接工藝以 在所述至少一個傳感器之上將所述第一層形成于所述第二層中。
64. 根據(jù)權(quán)利要求50所述的方法，進一步包括提供注射模制工藝以 在所述至少一個傳感器之上將所述笫 一層形成于所述第二層中。
65. 根據(jù)權(quán)利要求50所述的方法，進一步包括鄰近所述至少一個傳 感器提供接收天線以測量所述溶液的參數(shù)。
66. 根據(jù)權(quán)利要求65所述的方法，其中所述接收天線被附著到所述 至少一個傳感器。
67. 根據(jù)權(quán)利要求65所述的方法，其中所述接收天線被機械地附著 到所述容器。
68. 根據(jù)權(quán)利要求65所述的方法，其中所述接收天線被化學地附著 到所述容器。
69. 根據(jù)權(quán)利要求65所述的方法，其中所述接收天線被化學地附著 到所述容器。
70. —種用于組裝測量參數(shù)的系統(tǒng)的方法，包括提供至少 一個RFID傳感器，其中所述至少 一個RFID傳感器被放置 在容器內(nèi)；在所述至少一個RFID傳感器上沉積一層膜，其中所述層膜與所述容 器中的溶液接觸，其中所述至少一個傳感器被配置成具有能操作的電磁場；將所述至少一個RFID傳感器配置成基于在給定的頻率范圍上測量 的復阻抗測量所述溶液的至少一個參數(shù)；以及接近所述至少一個RFID傳感器提供接收天線以測量所述溶液的至 少一個參數(shù)和所述至少一個RFID傳感器的數(shù)字ID。
71. 根據(jù)權(quán)利要求70所述的方法，其中所述層膜是保護層。
72. 根據(jù)權(quán)利要求70所述的方法，其中所述層膜是傳感器層。
73. 根據(jù)權(quán)利要求70所述的方法，其中所述接收天線在不與所述傳 感器電接觸的情況下被附著到所述容器。
74. 根據(jù)權(quán)利要求70所述的方法，其中所述接收天線被機械地附著 到所述容器。
75. 根據(jù)權(quán)利要求70所述的方法，其中所述接收天線被化學地附著 到所述容器。
76. 根據(jù)權(quán)利要求70所述的方法，其中所述接收天線被物理地附著 到所述容器。
全文摘要
公開了一種用于在容器(101)中測量參數(shù)的系統(tǒng)(100)。容器(101)具有溶液(101a)。保護層(105)被沉積在至少一個傳感器(103)和所述容器的至少一個壁(101b)上，其中所述保護層(105)被附著到所述容器的所述壁(101b)以在所述容器與所述至少一個傳感器(103)之間形成密封。所述至少一個傳感器被配置成具有基于所述容器和所述保護層的厚度的能操作的電磁場。與標簽(102)相結(jié)合的所述至少一個傳感器接近于構(gòu)成測量裝置(111)的阻抗分析器(108)和讀取器(106)。所述至少一個傳感器(103)被配置成確定所述溶液的至少一個參數(shù)。所述標簽(102)被配置成提供與所述至少一個傳感器相關(guān)聯(lián)的數(shù)字ID，其中所述容器(101)接近于所述讀取器(106)和阻抗分析器(108)。所述阻抗分析器被配置成基于在給定的頻率范圍上測量的復阻抗從所述至少一個傳感器(103)接收所述給定的頻率范圍。
文檔編號G01N27/02GK101583866SQ200780043014
公開日2009年11月18日 申請日期2007年11月20日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月21日
發(fā)明者R·A·波蒂賴洛, S·T·賴斯, V·F·皮茲, 華 王 申請人:通用電氣醫(yī)療集團生物科學公司