CN102037480B - 具有基于射频的传感器的一次性传感装置 - Google Patents

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Abstract

提供一种用于感测容器内部的一种或多种状况的传感装置(34。传感装置(34)包括：基于射频的传感器(26)；用于将传感器(26)定位成操作上靠近容器内部的支承(20)；以及操作上与传感器关联的拾波线圈(12)。

Description

具有基于射频的传感器的一次性传感装置
技术领域
本发明涉及传感装置，更具体来说，涉及供生物过程元件中使用的一次性传感装置。
背景技术
射频标识(RFID)标签广泛用于对象(例如动物、衣服等)的自动识别以及容器的未经授权开启的检测。常规无源RFID标签的吸引力来自其低成本。对于传感应用，RFID传感器常常需要电池。RFID传感器中的电池的使用引起传感器大小的增加，并且要求更大功率用于传感器的操作。因此，RFID传感器丧失其作为无源传感器的吸引力。
制药厂通常需要在制造每批药物之后清洁整个设备。由于这类设备的巨大尺寸，这些设备需要大量的水用于清洁。另外，由于所涉及的污染的高风险，使用蒸汽对这些设备灭菌。这要求另一个设备产生蒸汽供蒸汽灭菌。因此，对于小批量规模，使用要求大范围清洁的大尺寸工厂是很不经济的。相应地，小生物过程设备是合乎需要的。此外，为了避免清洁这些设备，希望具有小规模一次性设备。一次性传感器是操作和控制这类一次性设备所需的。
因此，希望提供伴随这类一次性系统的传感器组件。
发明内容
在一个实施例中，提供一种用于感测容器内部的一种或多种状况的传感装置。传感装置包括：基于射频的传感器；用于将传感器定位成操作上靠近容器内部的支承；以及操作上与传感器关联的拾波线圈(pick-up coil)。
在另一个实施例中，提供一种用于感测一次性容器内部的一种或多种状况的传感装置。传感装置包括：基于射频的传感器，其中传感器经过预先校准；操作上与传感器关联的拾波线圈；以及用于将传感器和拾波线圈定位成操作上相互靠近的支承。
在又一个实施例中，提供一种用于感测容器内部的一种或多种状况的传感装置。传感装置包括：基于射频的传感器；用于将传感器定位成操作上靠近容器内部的支承；操作上与传感器关联的拾波线圈；以及固定到容器的固定元件，拾波线圈直接或间接地固定到其上。
在又一个实施例中，提供一种具有用于感测容器内部的一种或多种状况的传感装置的系统。传感装置包括：基于射频的传感器；用于将传感器定位成操作上靠近容器内部的支承；以及操作上与传感器关联的拾波线圈。
附图说明
通过参照附图阅读以下具体实施方式，会更好地理解本发明的这些及其它特征、方面和优点，附图中，相似符号在整个附图中表示相似部件，附图包括：
图1是具有存储器芯片和天线的传感器的示意表示；
图2是用于固定拾波线圈的固定元件的一个示例的透视图；
图3是具有基于射频的传感器的支承的一个示例的透视图；
图4是分别采用图2和图3的固定元件和支承的传感装置的组件的透视图；
图5是采用图4的传感装置的容器的透视图；
图6是适合设置在支承中的拾波线圈的一个示例的侧视图；
图7是具有基于射频的传感器的支承的一个示例的侧视图；
图8是分别采用图6和图7的拾波线圈和支承的传感装置的组件的侧视图；
图9和图10是示出使用容器中的传感装置所涉及的步骤的流程图；
图11是传感装置的组件的截面图；
图12是示出相对于传感器与拾波线圈之间的分隔的变化的传感器参数的变化的图形表示；
图13是示出当使用柔性膜和非柔性膜时传感器的Zp参数的变化的图形表示；以及
图14是RFID压力传感器对于从0至20psi的压力变化的响应的图形表示。
具体实施方式
本文所述的是一种用于感测容器内部的一种或多种状况的传感装置。在某些实施例中，传感装置的至少一部分实际上可以是一次性的。在某些实施例中，传感装置包括：基于射频的传感器；用于将传感器定位成操作上靠近容器内部的支承；以及操作上与传感器关联以便拾取来自传感器的信号的拾波线圈。在一些实施例中，拾波线圈可设置在支承中。在其它实施例中，固定元件可用于将拾波线圈固定成操作上靠近传感器。拾波线圈用于传送和接收射频信号。
在某些实施例中，传感器配置成感测包括物理状况、生物状况或化学状况的一种或多种状况。传感装置可提供容器内部的期望参数的定量响应。例如，传感装置可用于监测感兴趣环境参数的幅值，例如但不限于传导率测量、pH级、温度、血液相干测量、离子测量、非离子测量、非传导率测量、电磁辐射等级测量、压力、蒸汽浓度、生物材料浓度以及可从典型流体(溶液或气体)采集的其它类型的测量。例如，传感装置可与一次性生物过程元件结合用于在操作期间或之后监测元件内部的参数。
在一个或多个非限制性示例中，容器可以是一次性容器、生物反应器、不锈钢容器、塑料容器、聚合材料容器或者预灭菌聚合材料容器。此外，容器可具有不同尺寸和形状，例如微流道、皮氏培养皿、手套箱、护罩(hood)或塑料袋。容器可以有或者可以没有预定形状。在某些实施例中，容器是一次性生物过程元件。生物过程元件的非限制性示例包括一次性存储袋、一次性容器、产品传输线、过滤器、连接器、阀、泵、生物反应器、分离柱、混合器或者离心系统。在一个示例中，一次性容器或袋可由塑料制成。一次性容器可包括用于插入基于射频的传感器和拾波线圈的端口。在一个实施例中，传感器和拾波线圈可使用同一个端口插入容器。在另一个实施例中，传感器和拾波线圈可使用单独的端口插入容器。在一个实施例中，支承可以是一次性的。
在一个实施例中，基于射频的传感器是射频标识(RFID)标签。大量市场销售标签可应用于基于射频的传感器。这些标签工作在范围从大约125kHz至大约2.4GHz的不同频率。适当的标签可从不同供应商和分销商得到，例如Texas Instruments、TagSys、Digi Key、Fujitsu、Amtel、Hitachi等等。适当的标签可工作在无源、半无源和有源模式。无源RFID标签不需要电源(例如电池)进行操作，而半无源和有源RFID标签依靠使用板载电力以供其操作。RFID标签具有数字ID，并且可将RFID标签的天线电路的频率响应作为具有复数阻抗的实部和虚部的复数阻抗来测量。将传感或保护膜施加到标签上，并且可将复数阻抗作为所得传感器附近的环境的函数来测量。按照标题为“Chemical and biological sensors，systems and methods based on radiofrequency identification(基于射频标识的化学和生物传感器、系统及方法)”的美国专利申请序号11/259710和美国专利申请序号11/259711中所述来制造这种传感器。另外，RFID标签可以是应答器，它是接收、放大和重传不同频率上的信号的自动装置。此外，RFID标签可以是另一种类型的应答器，它响应于预定义的接收信号而传送预定消息。这个RFID标签可包括但不限于2005年10月26日提交的标题为“Modified RF Tags and their Applications for MultiplexedDetection(改型RF标签及其对复用检测的应用)”的美国专利申请序号11/259710以及2005年10月26日提交的标题为“MultivariateMethod of Chemical and Biological Detection Using Radio-FrequencyIdentification Tags(使用射频标识标签的化学和生物检测的多变量方法)”的美国专利申请序号11/259711中公开的标签的一种或多种，通过引用将这些专利文件结合于此。在一个实施例中，标签具有对关联该标签的存储器芯片的模拟输入。在一个实施例中，单独的化学、生物或物理传感器连接到RFID标签的存储器芯片的模拟输入端。在另一个实施例中，至少一个化学、生物或物理传感器是RFID标签的存储器芯片的组成部分，其中标签的传感器部分在存储器芯片本身的制造过程期间制造。RFID标签的存储器芯片使用已知集成电路制造过程和有机电子制造过程来制造。
在一个实施例中，传感器可以是一次性的。在这个实施例中，传感器和/或支承可以是给定处理容器(processing container)的可分离元件。传感器和/或支承可被丢弃或者再使用，这取决于使用它们的应用和环境。支承可以非限制性地由塑料、聚合物、金属、金属复合材料(metal composite)或陶瓷来制成。
常规RFID标签不是抗伽马辐射的，即，在暴露于伽马辐射时，这些标签中的存储信息完全或部分丢失，或者不合需要地修改到信息不再是被监测参数的真实表示的程度。因此，这类标签很难在要求伽马灭菌的装置(setting)中使用。在一个实施例中，基于射频的传感器对于药物处理所需的伽马辐射程度(25-50kGy)是能够进行伽马辐射灭菌的。也就是说，传感器甚至在暴露于伽马辐射之后也能够感测参数。在一个示例实施例中，RFID标签本身能够耐受伽马辐射，而没有对其作为传感器的功能的灾难性损坏。
在某些实施例中，基于射频的传感器在将传感器定位到支承中之前经过预先校准。在某些实施例中，传感器适合从支承上移开，供附加的重新校准或验证。传感器可在容器中操作期间或之后经过重新校准。在一个实施例中，重新校准之后，传感器可重新安装在支承中供监测过程。但是，在传感装置用于一次性元件的另一个实施例中，可能不希望一旦移开传感器后将该传感器重新安装到元件中。术语“一次性元件”指的是可在使用之后被丢弃或者可经过重新整修供再使用的制造或监测设备。在一个实施例中，传感器可用于便于在线制造的监测和控制。
在某些实施例中，薄铁氧体(ferrite)材料层设置在传感器和/或传感装置与周围的任何金属之间。因此，用于询问传感器的电磁通量没有被周围金属衰减，从而能够使这些传感装置在金属表面进行工作。此外，传感装置可包括金属层。金属层可设置在铁氧体材料上。金属层可衰减或者至少部分终止传感装置周围存在的电磁场，如2007年12月7日提交的标题为“Radio Frequency Sensor Circuitry BasedSensing Device(基于射频传感器电路的传感装置)”的美国专利申请序号11/952671中所公开，其通过引用结合于此。另外，在一些实施例中，金属层配置成充当传感膜。例如，金属层可以是使得在与分析物交互时，金属层改变一种或两种可检测性质。传感装置还可包括设置在基于射频的传感器上的传感材料或传感膜。本文所使用的术语“传感材料和传感膜”指的是设置到传感器上的材料，并且执行在与环境交互时预测性地和再现地影响传感器响应的功能。典型传感器膜可包括根据它所在的溶液101a来改变其电气性质的聚合物、有机、无机、生物、复合或纳米复合膜。传感器膜非限制性地可以是例如聚甲基丙烯酸-2-羟乙酯等水凝胶、例如Nation等磺化聚合物、例如硅酮胶(silicone adhesive)等粘合聚合物、例如溶胶凝胶膜等无机膜、例如碳黑-聚异丁烯膜等复合膜、例如碳纳米管-Nation膜、金纳米粒子水凝胶膜、静电纺聚合物(electrospun polymer)纳米纤维、金属纳米粒子氢膜、静电纺无机纳米纤维、静电纺复合纳米纤维等纳米复合膜以及任何其它传感器材料。
在拾波线圈固定到固定元件的实施例中，拾波线圈可直接设置在固定元件的表面。备选地，拾波线圈可间接耦合到固定元件。例如，拾波线圈可耦合到与固定元件附连的支座，其中支座能够在需要时释放拾波线圈。在一个实施例中，固定元件可采取插入件的形式，其中插入件适合进入和离开支承。在另一个实施例中，固定元件可采取拧到支承上的螺帽的形式。例如，螺帽和支承可具有匹配的啮合螺纹，它们允许螺帽被拧到支承上。在另一个实施例中，固定元件可采取具有与支承相组配的卡口的盖帽的形式。在一个实施例中，固定元件可由塑料材料制成，并且实际上可以是一次性的。在另一个实施例中，拾波线圈实际上可以是非一次性的。例如，拾波线圈可由优选地为了效率和/或经济目的可再使用的金属或者金属材料制成。
取决于应用，传感器和/或拾波线圈可永久附连或者可移除地附连到容器。例如，在要求操作之后重新校准传感器和/或拾波线圈的应用中，传感器和/或拾波线圈可以可移除地附连到容器。而在一次性使用的应用中，传感器和/或拾波线圈可永久地固定到容器。在传感器可移除地附连到容器的实施例中，能够将传感器从支承移开，或者移开传感器并且随后在使用、校准和/或验证之后将传感器重新固定到支承中。例如，在操作之后，可将传感器从支承上移开以便进行校准，然后放回支承中供在容器中的进一步操作。在一个实施例中，传感器可在设置于支承中之前经过校准。另外，传感器可在操作之后从支承移开，经过重新校准，然后重新安装到支承中。类似地，在一些实施例中，拾波线圈可从固定元件上移开，并且随后在使用、校准和/或验证之后重新固定到固定元件。相应地，支承和/或固定元件可以可移除地附连到容器。
拾波线圈可被制造或者现货购买。在制造拾波线圈的实施例中，拾波线圈可采用例如光刻、掩蔽、以环路形式形成金属线或者集成电路制造加工等标准制造技术来制造。例如，拾波线圈可使用对敷铜的叠层板的光学光刻蚀刻或者在成型件上盘绕铜线来制造。
在某些实施例中，传感器和拾波线圈采用优选几何布置共存于支承中。在一个实施例中，传感器和拾波线圈在单个塑料衬底上制造。在这个实施例中，传感器与拾波线圈之间的互感实质上保持相同，并且在物理上难以改变，由此便于在将这个所支承的几何布置设置到一次性元件中之前预先校准传感器。在另一个实施例中，传感器和拾波线圈由单件材料来制造，使得传感器与拾波线圈之间的互感是恒定的，并且互感在所确定的操作条件下不改变，由此便于传感器预先校准和操作。
在传感器和拾波线圈共存的这些实施例中，拾波线圈采用连接器来提供到拾波线圈的周期电连接。例如，连接器可标准电子连接器、如镀金插脚(gold-plated pin)。拾波线圈可按照不同方式附连到支承。例如，可使用粘合剂或者通过随支承一起成型拾波线圈或者通过使用螺丝将拾波线圈固定到支承，将拾波线圈附连到支承。备选地，支座可设置在支承中，使得拾波线圈可搁置在支承的支座上。
在一个实施例中，共存的传感器和拾波线圈可具有设置到与拾波器线圈相对或者面向拾波线圈的传感器侧上的传感膜。例如，传感膜可在非限制性地例如pH感测、葡萄糖感测、二氧化碳感测、氧感测、压力感测、温度感测和伽马辐射感测等应用中使用。
如图1所示，传感器1包括天线2和存储器芯片5。天线上的端部3和4使用导体介质(例如导线、导带或导体电缆)电连接，其方式是使得导体介质没有使这个导体介质穿过的天线的其它区域电气短路。芯片5用于存储信息。芯片5通过从读/写单元所传送的射频信号来激活。传感器1的天线2接收和传送信号。由天线2所传送的信号由拾波线圈或读取器6来拾取，拾波线圈或读取器6然后将信号从传感装置发出。传感器1和拾波线圈6放置成在操作上是靠近的。在一个示例中，传感器1和拾波线圈6可经由电感耦合或物理电连接来耦合。在拾波线圈设置到固定元件中的实施例中，在支承和固定元件的一个或二者中可存在电连接。备选地，在另一个实施例中，传感器1和拾波线圈6可能没有经由电触点来耦合。在这个实施例中，传感器1和拾波线圈6可适合进行无线通信。
如图2所示，插入件10可包括设置在插入件10的第一端14的拾波线圈12。在一个实施例中，拾波线圈12可直接或间接设置在插入件第一端14的表面。在一个实施例中，拾波线圈12可以是非一次性的。插入件10的第二端16可比第一端14相对要宽。第二端16增加的尺寸还可充当机械止动器，以便限制插入件10进入支承20中。例如，如图3和图4的实施例所示，示出具有接纳插入件10的空腔22的支承20。虽然所示实施例仅表示插入件10和支承20的圆形截面，但也可使用插入件10和支承20的截面的其他几何形状。支承20还包括凸缘24，它用作机械止动器，以便限制支承进入到容器中的所确定长度。基于射频的传感器26耦合到支承20的第一端28。凸缘24与支承20的第一端28之间的距离32可根据其中采用传感装置34的容器的大小和类型而改变。例如，对于更小的容器，传感器26可以更接近凸缘24，反之亦然。如图所示，支承20的第二端30配置成接纳固定元件、如插入件10。双向箭头32指示插入件10可当监测容器(未示出)中的参数时设置在支承20中，并且此后，一旦测量结束，则插入件10可从支承20移开。换言之，插入件10可以可移除地设置在支承20中。
如图5所示，容器40具有固定形状，但是，容器也可具有灵活易变的形状。容器40可由塑料材料制成，并且实际上可以是一次性的。容器40部分填充有溶液42，溶液42可以是液体、流体或气体、固体、膏体或者液体和固体的组合。例如，溶液42可以是水、生物缓冲液、血液或气体。在所示实施例中，容器40具有单端口44，用于分别插入容置传感器47和拾波线圈49的插入件48和支承46。
图6示出具有电连接器52的拾波线圈50的侧视图。连接器52用于将拾波线圈连接到网络分析器和读取器/写入器。图7示出具有第一端55和第二端56的支承54的侧视图。第二端56适合接纳基于射频的传感器58，而第一端55配置成接纳具有连接器52的拾波线圈50。如图8所示，拾波线圈50设置在支承54中，以便形成传感装置60。
图9示出具有传感装置、如传感装置34(参见图4)的容器的操作的流程图60，其中基于射频的传感器设置在支承中，并且拾波线圈设置在固定元件中，以便形成传感装置。在框62，传感器设置在支承中。在框64，校准设置在支承中的传感器。随后，具有预先校准传感器的支承耦合到容器(框66)。例如，支承可固定到容器中设计成接纳支承的开口。支承可移除地固定到容器。在框68，具有传感器的容器可经过灭菌。例如，容器连同传感器一起暴露于伽马辐射以便灭菌。随后，具有拾波线圈的固定元件设置在支承中，使得传感器和拾波线圈操作上相互靠近(框70)。在框72，在容器中执行操作。例如，在生物过程元件的情况下，执行处理。框74-78示出在容器中执行操作之后如果要求重新校准或验证传感装置时可执行的可选步骤。在步骤74，具有传感器的支承从容器移开。随后，在框76，重新校准传感器，并且随后支承重新装配在容器中(框78)供进一步使用。
图10示出具有传感装置、如传感装置60(参见图8)的容器的操作的流程图79，其中基于射频的传感器和拾波线圈二者设置在支承中，以便形成传感装置。在框80，传感器设置在支承中。在框81，拾波线圈设置在具有传感器的支承中，以便形成传感装置。在框82，校准包括传感器和拾波线圈的传感装置。随后，传感装置耦合到容器(框83)。在一个实施例中，传感装置可移除地固定到容器。在框85，具有传感装置的容器例如通过采用伽马辐射来灭菌。在框87，在容器中执行操作。在框89，作为具有传感器和拾波线圈的支承的传感装置从容器移开。随后，在框91，重新校准传感器和拾波线圈，并且随后将支承重新装配在容器中(框93)供进一步使用。
示例
RFID传感器的复数阻抗的测量使用网络分析器(AgilentTechnologies，Inc.，Santa Clara，CA)、在计算机控制下使用Lab VIEW来执行。分析器用于扫描感兴趣范围内的频率(通常以13MHz为中心，其中扫描范围为～10MHz)，以及收集来自RFID传感器的复数阻抗响应。所收集的复数阻抗数据使用与Matlab(The Mathworks Inc.，Natick，MA)配合操作的PLS Toolbox(Eigenvector Research，Inc.，Manson，WA)和Excel(MicroSoft Inc.，Seattle，WA)或者KaleidaGraph(Synergy Software，Reading，PA)。以下示例中提供的数据示出所收集的传感器响应Zp，它是复数阻抗的实部的幅值。
来自RFID传感器的存储器微芯片的数字ID读数采用若干RFID读取器来执行，分别包括手持SkyeTek读取器和SkyeTek计算机控制(使用Lab VIEW)读取器(型号M-1，SkyeTek，Westminster，CO)，以及计算机控制多标准RFID读取器/写入器评估模块(型号TRF7960Evaluation Module，Texas Instruments)。
示例1：传感器与拾波线圈之间的分隔变化的影响
用于评估设置在可再使用固定元件中的拾波线圈的概念的示例设备如图11所示。支承84包括设置在一端的基于射频的传感器86。容置或者以其它方式支承拾波线圈90的固定元件88适合滑进和滑出支承86。备选地，拾波线圈配置成夹持到支承，拧到支承中，具有与支承相组配的卡口。箭头92表示可由固定元件88在支承84内部行进的距离。在这个示例中，传感器86与拾波线圈90之间的分隔可定期改变。图12中的图表表示横坐标94上的时间线和纵坐标96上的传感器响应的Zp参数。其中改变传感器86和拾波线圈90的分隔的时间周期由虚线98表示。点100表示传感器对传感器86和拾波线圈90的分隔随时间的变化的响应。拾波线圈90的可控重新定位引起传感器86的可忽略0.1％相对信号变化。
示例2：压力传感器的操作
用于测量液体压力和流量的传感器结合到嵌入传输线的元件的插入件中。如图13所示，对于采用RFID传感器的压力测量，采用传感器、拾波线圈和辅助膜之间的耦合的可控变化。
压力测量通过监测在传感器定位于柔性腈膜(nitrile membrane)时的RFID传感器和拾波线圈的耦合的变化来进行。RFID传感器定位到非柔性片上引起不可检测的信号变化，同时腈衬底上的传感器的响应为40ohm/psi。对于这种短期实验，仅考虑传感器响应中的噪声，所计算的检测极限为0.12psi。这些实验的结果在图13和图14中提供。
图13是相对于时间(纵坐标104)的压力响应(横坐标102)的图形表示。在所示实施例中，示出具有固定拾波线圈的腈衬底(虚线106)和聚碳酸酯衬底(实线108)上的RFID传感器的压力响应。衬底可挠性产生高度可再现的传感器/拾波线圈距离变化，它改变传感器响应。更刚硬的衬底(例如聚碳酸酯)对于给定压力产生较小变化。图14是由图表114所示的传感器的参数Zp(纵坐标112)对于从0至20psi的压力变化(横坐标110)的响应的图形表示。
虽然本文仅说明和描述了本发明的某些特征，但本领域的技术人员会想到多种修改和变更。因此要理解，所附权利要求书意在涵盖落入本发明的范围之内的所有这类修改和变更。

Claims (8)

1.一种用于感测容器内部的一种或多种状况的传感装置(34)，包括：
基于射频的传感器(26)；
用于将所述传感器(26)定位成操作上靠近所述容器内部的支承(20)；以及
操作上与所述传感器(26)关联的拾波线圈(12)，其中所述装置(34)还包括用于将所述拾波线圈固定成操作上靠近所述传感器的固定元件，其中
所述支承(20)配置成接纳所述固定元件(10；48；88)。
2.如权利要求1所述的传感装置(34)，其中，所述拾波线圈可移除地附连到所述容器。
3.如权利要求1所述的传感装置(34)，其中，所述传感器可移除地附连到所述容器。
4.如权利要求1所述的传感装置(34)，其中，所述基于射频的传感器经过预先校准。
5.如权利要求1所述的传感装置(34)，其中，所述容器是一次性生物过程元件。
6.如权利要求1所述的传感装置(34)，其中，所述基于射频的传感器是能够经伽马辐射灭菌的。
7.如权利要求1所述的传感装置(34)，其中，所述传感器和所述拾波线圈均设置在所述支承中。
8.如权利要求1所述的传感装置(34)，其中所述固定元件(10)被固定到所述容器，所述拾波线圈(12)直接或间接地固定到所述固定元件(10)上。
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