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专利名称：温度无关压力传感器及其相关方法
技术领域：
本发明涉及用于检测压力的传感器和方法，以及更具体来说，涉及用于与温度无关地检测压力的传感器和方法。
背景技术：
射频识别(RFID)标签可适用于跟踪各种资产。RFID标签的应用示例包括产品认证、售票、接入控制、各种商品的使用期限识别、标本识别、行李跟踪等等。RFID标签因其小尺寸和低成本而是合乎需要的。基于谐振的组件、例如RFID标签可结合到传感器中，以便检测化学、生物或物理物种，并且确定诸如温度、压力、湿度或者其它条件之类的环境条件。基于谐振的感测系统也用于诸如温度传感器之类的无线感测应用中。基于谐振的传感器还可适合于多个分析物的化学鉴别和传感器响应的定量。通过将感测材料应用到RFID传感器的谐振天线上并且测量谐振天线的复阻抗，有可能将阻抗响应与感兴趣分析物的化学性质相互关联。基于谐振的传感器可用于例如制药过程中或者用于研究目的。传感器可用于监测反应的进度，或者指示环境条件的任何变化。这类基于谐振的传感器可嵌入诸如生物反应器、混合器、产品传输线、连接器、过滤器、分离柱、离心系统、储存容器等的各种过程组件中，以便监测过程或反应的进度或者变化。这些小的、廉价的可处理掉的基于RFID的传感器系统理想地适合于在线(in-1 ine )制造监测和控制。虽然基于谐振的压力传感器可用于将响应信号与压力的变化相互关联，但是这类响应信号可有害地受到其它干扰信号影响，由此生成信号伪影。信号伪影还可包括不希望的信号响应，例如在测量压力的变化时从温度的变化所生成的响应。因此，期望具有一种能够与温度无关地检测压力的基于谐振的温度无关压力传感器。

发明内容
本发明涉及能够与温度无关地感测压力的基于谐振的传感器和关联传感器系统，以及用于制作和使用传感器的方法。这些传感器或传感器系统的使用解决与可变温度环境中的压力测量关联的问题。在一个实施例中，基于谐振电路的温度无关压力传感器包括谐振传感器电路、设置在谐振传感器电路上的压敏组件以及电磁场(EMF)调制器。EMF调制器在操作上耦合到压敏组件，以便至少部分调制由传感器电路所生成的电磁场。在另一个实施例中，基于谐振电路的温度无关压力传感器系统包括谐振传感器电路、设置在谐振传感器电路上的压敏组件、EMF调制器和处理器。EMF调制器在操作上耦合到压敏组件，以便至少部分调制由传感器电路所生成的EMF，从而产生传感器响应模式。处理器生成至少部分基于传感器响应模式的传感器响应模式的多变量分析。在本发明的方法的一个示例中，测量样本的温度无关压力变化的方法包括使用包括谐振传感器电路、压敏组件和EMF调制器的传感器来收集阻抗数据；将多变量分析应用于多个谐振參数，谐振參数的至少两个基于所收集的阻抗数据；以及至少部分基于多变量分析与温度变化无关地量化压カ的任何变化。


通过參照附图阅读以下详细描述，将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，相似标号在附图中通篇表示相似部件，附图包括
图1A和图1B是本发明的基于谐振的传感器的两个非限制性实施例的截面 图2是包括本发明的基于谐振的传感器的系统的ー个示例的示意 图3是用于制作本发明的基于谐振的传感器的方法的一个示例的流程 图4是用于使用本发明的基于谐振的传感器与温度无关地测量压力的方法的ー个示例的流程 图5A是示出由经受两个不同压カ范围和三个不同温度范围的本发明的传感器的ー个实施例所生成的压カ的变化的传感器响应模式的图表；
图5B是示出使用经受两个不同压カ范围和三个不同温度范围的本发明的传感器所生成的误差分布的图表；
图6A是使用主成分分析(PCA)的经受四个不同压カ范围和三个不同温度范围的本发明的基于谐振的传感器的多变量响应的ー个示例的图表；
图6B是由经受四个不同压カ范围和三个不同温度范围的本发明的基于谐振的传感器所生成的传感器响应模式的图表；
图6C是示出使用经受四个不同压カ范围和三个不同温度范围的本发明的基于谐振的传感器所生成的误差分布的图表；
通过參照附图阅读以下详细描述，将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，相似标号在附图中通篇表示相似部件。
具体实施例方式本发明的基于谐振电路的温度无关压力传感器的实施例的ー个或多个适合于与压カ测量期间在系统中发生的温度变化无关地测量可变温度环境中的压力。在ー个或多个实施例中，传感器包括谐振传感器电路、设置在谐振传感器电路上的压敏组件以及EMF调制器。在一些实施例中，基于谐振电路的温度无关压力传感器可用于传感器系统中。为了更清楚准确地描述和指出要求保护的发明主题，提供在以下描述和所附权利要求书中使用的具体术语的如下定义。在整个说明书中，具体术语的使用应当被认为是非限制性示例。本文所使用的‘多变量分析’表示其中单个传感器产生多个响应信号的信号的分祈。来自多变量传感器的多个响应信号可使用多变量分析工具来分析，以便构建对诸如压力或温度之类的不同环境条件的暴露的响应模式。本文所使用的‘设置在…上’表示这样的布置，其中第一表面与第二表面直接物理接触，或者ー个或多个中介层可存在于第一与第二表面之间并且表面通过间接接触相互关联。例如，第一表面可以是RFID标签上的表面，以及第二表面可以是压敏组件的表面。
本文所使用的‘检测介质’表示将对其测量压力的介质。例如，在生物过程组件中，检测介质可以是液体或气体。本文所使用的‘一次性组件’表示可在使用之后可处理掉的或者可修复供再使用的制造设备或监测设备。在一个实施例中，谐振传感器电路是电感器-电容器-电阻器(LCR)电路。传感器包括LCR电路，其中谐振频率响应由该电路的阻抗(Z)来提供。诸如电阻(R)、电容(C)、电感(L)和频率(f)之类的参数可用于确定电路或电路部分的阻抗(Z)。在一些实施例中，谐振传感器电路包括R FID电路。在一个实施例中，RFID电路包括RFID标签。RFID标签具有关联的数字ID。RFID标签可包括天线、电容器和集成电路(IC)存储器芯片。RFID标签可以是转发器。RFID标签还能够没有关联数字ID。在一个实施例中，一对电极可设置在RFID标签上，并且可耦合到天线但是没有耦合到IC存储器芯片。在一个实施例中，一对电极可设置在RFID标签上，并且可耦合到IC存储器芯片。在另一个实施例中，天线的一部分可配置成充当一对电极。电极的非限制性示例可包括相互交叉电极或电极线圈。RFID标签可以是市场销售的RFID标签。市场销售的RFID标签可工作在从大约100 kHz至大约2. 4 GHz或者高达大约20 GHz的范围之内的频率。RFID标签可以是无源RFID标签、半无源RFID标签或有源RFID标签。无源RFID标签不要求电源(例如电池)以进行操作，而半无源或有源RFID标签需要电源。在一个实施例中，RFID标签可包括关联存储器芯片。在另一个实施例中，标签可以没有包括关联存储器芯片。RFID标签的存储器芯片可使用诸如热扩散或者高能离子注入之类的集成电路制作过程以及有机电子制作过程来制作。RFID标签可产生可检测电信号。RFID标签所产生的可检测电信号的非限制性示例可包括电阻的变化、电容的变化、阻抗的变化、反射信号的变化、散射信号的变化、吸收信号的变化或者它们的组合。RFID标签的天线电路的频率响应可作为具有实部和虚部的阻抗来测量。在某些实施例中，感测膜或保护膜可设置在RFID标签上，并且阻抗可作为传感器附近的环境的函数来测量。可因正在影响传感器的环境压力的变化而在谐振传感器电路中生成阻抗响应。谐振传感器电路可影响阻抗响应，阻抗响应对于因环境压力的变化而引起的压敏组件的一个或多个性质的变化而可测量地改变。在一个实施例中，可测量电信号表示环境压力的变化。在一些实施例中，当压敏组件与电极的EMF进行交互时，压敏组件的尺寸的变化产生可检测传感器响应。压敏组件可选择成使得压敏组件的电容率或介电常数与检测介质(例如流体介质)基本上不同。压敏组件的介电常数可小于或大于检测介质的介电常数。压敏组件和检测介质的介电常数的差异增强由传感器所产生的电信号。在一个示例中，压敏组件的介电常数可比检测介质的介电常数要小大约10倍。在另一示例中，压敏组件的介电常数可比检测介质的介电常数要大大约10倍。压敏组件可包括一个或多个柔性膜、隔膜、机械弹簧、薄片、薄膜、纤维、微粒、网格或网状物。压敏薄膜可包括但不限于溶胶-凝胶膜、合成膜、纳米合成膜、金属纳米微粒氢膜、硅膜或者其它聚合膜或泡沫。合成膜的一个示例是碳黑-聚异丁烯膜，纳米合成膜的一个示例是碳纳米管-Nafion 膜,金属纳米微粒水凝胶膜的一个示例是金纳米微粒-水凝胶膜，硅膜的ー个示例是多晶硅膜，或者聚合泡沫的ー个示例是聚こ烯泡沫。压敏纤维可包括但不限于电纺聚合物納米纤维、电纺无机纳米纤维或者电纺合成纳米纤維。压敏组件的结构的非限制性示例可从球形形状、圆顶形状、立方形状、平板或者它们的组合中选取。压敏组件可以是多孔或无孔单元。压敏组件可选择性地是流体可滲透的。在一个实施例中，压敏组件是闭孔泡沫，例如交联闭孔聚烯烃泡沫。用于压敏组件的理想材料可通过建立对EMF调制材料(例如金属)接近性的传感器响应的动态范围来确定，其中动态范围是传感器的操作范围。对于从大约10至40 psi的范围中的传感器的所选操作范围来确定动态范围，并且可对于被位移或压缩的压敏材料量来计算压敏组件的预期模量。例如，基于取得1 mm的预期位移所需的机械负荷(0 - 15psi外加力)来计算12000 Pa的模量。·在一些实施例中，压敏组件可包括基于环境压カ的变化来改变压敏组件的介电性质的有机、无机、生物、合成或纳米合成材料的ー个或多个。压敏组件的材料可从金属、金属合成物、聚合物、塑料、陶瓷、泡沫、介电材料或者它们的组合中选取。更具体来说，材料可从诸如聚ニ甲基硅氧烷(PDMS)或硅酮凝胶之类的硅酮基有机聚合物中选取。压敏组件可包括但不限于诸如聚(甲基丙烯酸2-羟こ酷)之类的水凝胶、诸如Nafion 之类的磺化聚合物或者诸如硅酮粘合剂之类的粘合剂聚合物。压敏组件的灵敏度可随压敏组件的厚度、柔性、电容率或弹性而改变。压敏组件的厚度范围可取决于线圈间距和EMF的穿透深度。压敏组件的厚度范围能够在从大约10_5 mm至102 mm的范围。例如，灵敏度可随压敏聚合组件的厚度而变化。压敏组件的灵敏度还可随组件的材料性质而改变。材料的杨氏模量(Young’s modulus)的变化反映引起灵敏度变化的材料的弹性的变化。例如，具有较高杨氏模量的材料的实现可产生具有较小弹性的不太灵敏的压カ传感器。相比之下，具有较低杨氏模量的材料的实现可产生具有较高弹性的更灵敏的压カ传感器。表1中示出可用于压カ传感器的不同材料的杨氏模量的非限制性示例。表1.可用于压カ传感器的不同材料的杨氏模量的示例
杨氏模量(MPa) _
7 ニ烯弾性体 1. 6
聚氨酯弾性体25
聚酰胺(尼龙)Gooo_ 压敏组件设置在谐振传感器电路上。在一个实施例中，压敏组件可直接设置在传
感器电路上。在一个备选实施例中，压敏组件可设置在独立衬底上，并且衬底可进ー步设置
在传感器电路上。在一些实施例中，ー个或多个中介层可存在于压敏组件与传感器电路之
间。多个压敏组件可用于传感器中。在一个实施例中，多个压敏组件可具有相似类型。在
另一个实施例中，多个压敏组件可具有不同类型，它们可组合在一起。在一个实施例中，传感器的EMF可受到压敏组件的介电性质影响。EMF可在传感
器天线中生成，并且可从传感器的平面伸出。在一个示例中，天线的辐射效率可使用EMF调
制器来修改。在一些实施例中，压敏组件可注入有用作EMF调制器的导电材料。导电材料
可从碳黑微粒、碳纳米管、石墨烯片、金属纳米微粒、金属微粒子或者它们的组合中选取。导
电材料可扩散于压敏组件中(例如具有较低杨氏模量的介电聚合膜)。扩散的导电材料的
浓度可在从压敏组件的最终体积的大约0. 01%至20%体积的范围中。与将压カ施加到压敏组件之后的压敏组件的电导率相比，压敏组件的电导率在将压力施加到压敏组件之前比较低。传感器的EMF可由EMF调制器来调制。在一个实施例中，EMF调制器配置成吸收EMF。在另一个实施例中，EMF调制器配置成反射EMF。EMF调制器可包括一层或多层。层可以是连续的、离散的或者形成图案的。在一个实施例中，EMF调制器可包括堆叠在一起的包含相同材料的两层或更多层。在一个备选实施例中，两层或更多层可包括不同材料。在压敏组件上存在EMF调制器的情况下，压敏组件的压力诱发的尺寸变化可影响天线电路的阻抗。EMF调制器可包括以预定距离设置的多个单位单元(unit cell)。可通过在介电衬底上形成导电图案来生成单位单元。在一个实施例中，当EMF调制器配置成吸收EMF(图1A)时，EMF调制器在操作上耦合到压敏组件，以便至少部分吸收由传感器电路所生成的EMF。EMF的吸收可根据施加到压敏组件的压力而有所不同。差异源自扩散于压敏组件中的传导微粒之间的多个间隙(或一个间隙)的变化。扩散于压敏组件中的传导微粒之间的间隙在没有所施加压力的情况下比较大。扩散于压敏组件中的传导微粒之间的大间隙的存在一般地将产生较小传导性的压·敏组件。扩散于压敏组件中的传导微粒之间的间隙在所施加压力存在的情况下比较小。扩散于压敏组件中的传导微粒之间的小间隙的存在一般地将产生更大传导性的压敏组件。更大传导性的压敏组件将吸收EMF，并且将改变传感器电路的谐振性质。传感器电路的谐振性质的变化可至少影响传感器电路的质量因数以及传感器电路的谐振幅度。在另一个实施例中，当EMF调制器配置成反射EMF(图1B)时，EMF调制器在操作上耦合到压敏组件，以便至少部分反射由传感器电路所生成的EMF。这种反射根据施加到压敏组件的压力而改变。这种差异源自压敏组件(隔膜)与传感器电路(传感器标签)之间的间隙的变化。隔膜与传感器电路之间的间隙在没有所施加压力的情况下比较大。隔膜与传感器电路之间的间隙在所施加压力存在的情况下比较小。间隙的变化改变传感器电路的谐振性质。间隙(或多个间隙)越�。�则传感器电路的谐振性质的变化将会越大。谐振性质的变化可至少影响传感器电路的质量因数以及传感器电路的谐振幅度。在一个实施例中，EMF吸收器降低传感器的EMF。EMF吸收器可以是导电膜。导电膜可包括介电材料。天线的辐射效率可使用EMF吸收器来降低。在一些实施例中，压敏组件可耦合到RFID标签的一部分，使得压敏组件设置成极接近EMF吸收器或者设置在电极的区域中。传感器包括设置在EMF吸收器上的保护层。保护层可以是溶剂保护层，可选地用于保护具有EMF吸收器的部件的传感器在测量条件下免受外部溶剂/流体影响。保护层还可通过形成对流体介质的物理势垒来保护传感器免受外部流体的任何不利影响，例如高离子强度溶液中的传感器电极的短接或者金属传感器电极线圈的腐蚀。保护层的材料可包括但不限于柔性介电材料，例如聚合物或硅酮。保护层是不准许流体与传感器直接接触的重置层。基于谐振电路的温度无关压力传感器系统包括谐振传感器电路、设置在谐振传感器电路上的压敏组件、操作上耦合到压敏组件的EMF调制器以及处理器。传感器系统还可包括设置在EMF调制器上的附加保护层。在一个或多个实施例中，基于谐振的传感器系统包括RFID标签。术语‘操作上耦合’表示可以是有线连接或者可以是无线连接的连接。例如，处理器可通过有线连接或无线连接耦合到传感器。处理器耦合到传感器，其中处理器利用传感器系统的环境压力的变化生成传感器响应模式的多变量分析。在一个实施例中，使用多变量分析工具对多个响应信号执行多变元或多变量信号换能，以便构建多变量传感器响应模式。在一些实施例中，温度无关压力传感器可用于检测系统中。检测系统还可包括用于显示表示压カ变化的电信号的关联显示装置，例如监视器。温度无关压力传感器可用于生物过程组件中。生物过程组件可包括流体介质。在操作中，传感器可提供生物过程组件中存在的流体的压カ的预期定量响应。生物过程组件可包括储存包、传输线、过滤器、连接器、阀、泵、离心机、分离柱、生物柜(hood)、化学柜或生物反应器中的ー个或多个。传感器可以是经由UV辐射或者本领域的任何已知方法可消毒的，或者在ー个具体实施例中，传感器可以是可伽马辐射消毒的。可伽马辐射消毒的传感器可具有作为采用铁电随机存取存储器芯片所制成的读写芯片的存储器芯片。可伽马辐射消毒的传感器可具有作为采用表面声波芯片所制成的只读芯片的存储器芯片。 在一个实施例中，传感器系统包括拾波线圈(pick-up coil),拾波线圈与传感器是操作关联的，以便接收来自传感器的信号。在一些实施例中，拾波线圈可设置在传感器上。在一些实施例中，传感器和拾波线圈按照适当几何布置并存于支承上。诸如粘合剂之类的固定元件可用于将拾波线圈固定成操作上接近传感器。拾波线圈可采用连接器来提供到拾波线圈的电连接。例如，连接器可包括标准电子连接器，例如镀金管脚。拾波线圈可通过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浇铸拾波线圈或者通过使用螺钉将拾波线圈固定到支承，来将拾波线圈附连到支承。备选地，支座可设置在支承中，使得拾波线圈可搁在支承的支座上。拾波线圈可以是可处理掉的或者可再使用的，并且可用于传送和接收射频信号。拾波线圈还可预先校准，并且可与传感器物理接触。在一个示例中，拾波线圈可放置在支承上，支承直接或间接地耦合到传感器。拾波线圈可以是制作的或者是市场销售的。在拾波线圈是制作的实施例中，拾波线圈可采用诸如光刻、掩蔽、以环形式形成金属线或者集成电路制造加工之类的标准制作技术来制作。例如，可使用铜箔层压板的光刻蚀刻或者在模(form)上盘绕铜线来制作拾波线圈。在一个实施例中，传感器和拾波线圈可在单个介电衬底上制作。在这个实施例中，传感器与拾波线圈之间的互感基本上保持相同，由此便于在将这个被支承的几何布置设置到一次性组件中之前预先校准传感器。在一些实施例中，传感器可在将传感器定位在生物过程组件之前预先校准。在某些实施例中，传感器适合从生物过程组件移开，供附加的重新校准或验证。传感器可在生物组件中的操作期间或之后经过重新校准。在一个实施例中，在后期重新校准中，传感器可以又安装回装置中用以监测过程。但是，在感测装置用于一次性组件的另ー个实施例中，一旦移开传感器，可能不期望将该传感器重新安装到组件中。因此，传感器可以是可处理掉的或者可再使用的。传感器可用于便于在线制造的监测和控制。传感器响应模式的多变量分析可识别地分离与温度的变化和压カ的变化关联的模式。环境温度的波动还可影响谐振传感器电路的阻杭。但是，温度和压カ的影响可在传感器响应的多变量分析之后定量地分离。可通过在可变温度存在的情况下的压カ的选择性定量，使用传感器来測量谐振传感器电路的复阻抗谱。
制作温度无关压力传感器的方法包括提供谐振传感器电路、将压敏组件设置在谐振传感器电路上以及将EMF调制器设置在压敏组件上。谐振传感器电路、压敏组件和EMF调制器可使用层压过程稱合在一起，以便形成传感器。在标题为“System for assemblingand utilizing sensors in containers (用于在容器中组装和利用传感器的系统)”的美国专利申请序号12/447031中描述了这类层压过程的示例，通过引用将其结合到本文中。用于制作温度无关压力传感器系统的方法的实施例包括提供谐振传感器电路，将压敏组件设置在谐振传感器电路上，以及设置以压敏组件设置EMF调制器，并且在操作上耦合生成传感器响应模式的多变量分析的处理器。
在某些实施例中，与温度无关地测量环境中压力变化的方法包括从传感器收集复阻抗数据，将多变量分析应用于多个谐振参数，以及至少部分基于多变量分析量化与温度的任何变化无关的压力的任何变化。在标题为“Methods and systems for calibration ofRFID sensors (用于RFID传感器的校准的方法和系统)”的美国专利申请序号12/118950中描述了这类多变量分析的示例，通过引用将其结合到本文中。为了选择性地测量压力变化，传感器系统可设置成与流体介质相接触。流体介质可包括液体介质或气体介质。在将传感器与流体介质相接触之后，传感器可用于通过测量谐振传感器电路的若干谐振参数来定量化可变压力的影响。传感器可在多变量分析之前经过校准。对于多变量分析，值可相对可变的温度和压力存储在谐振传感器电路的存储器芯片中。与温度无关地确定反映可变温度存在的情况下的压力的变化的多变量传感器响应模式。多变量分析包括识别一个或多个传感器响应模式。在将多变量分析应用于多个谐振参数的同时，测量和计算谐振参数的至少两个，以便生成最终响应模式。现在参照图IA和图1B，示出基于射频的压力传感器10的两个不同实施例。压力传感器10采用RFID标签12、压敏组件14和EMF调制器16。在图IA的实施例中，压敏组件是膜14。在图IB的实施例中，压敏组件是隔膜18。此外，RFID标签12包括关联EMF。诸如膜14或隔膜18之类的压敏组件设置在RFID标签12上。在一个实施例中，压敏组件可直接设置在RFID标签上。在一个备选实施例中，压敏组件可设置在衬底上，并且衬底可直接设置在RFID标签上。一个或多个中介层可存在于RFID标签与压敏组件之间。EMF调制器16在操作上耦合到压敏组件。图2示出传感器系统20。生物过程组件22采用基于射频的压力传感器10和拾波线圈24。拾波线圈24直接或间接地耦合到传感器10。拾波线圈还耦合到网络分析器或RFID读取器或写入器26。在所示实施例中，传感器10的RFID标签包括集成电路和天线。此外，传感器10的RFID标签的天线可生成EMF。在传感器与拾波线圈耦合时，EMF在传感器天线中生成，并且受到压敏组件的介电性质影响。压敏组件的压力诱发的尺寸变化影响阻抗，这可由网络分析器26来分析。传感器的总复阻抗使用网络分析器26来测量，同时采用数字写入器/读取器26来读取来自存储器芯片的数字信息。阻抗测量例如使用复用器来执行。在一些实施例中，处理器30存在于系统中，以便生成多变量传感器响应模式。在一些实施例中，数据获取和控制单元32可与处理器结合地存在。例如，处理器30可从数据获取和控制单元32来获取传感器数据及校准数据，以便生成多变量传感器响应模式。备选地，处理器可存在于用户端，并且配置成通过因特网来接收原始或半处理数据，例如以便生成多变量传感器响应模式。
在一个实施例中，在图3中一般地示出用于通过组装各组件来制作传感器系统的过程。制作传感器系统的方法包括下列步骤提供RFID标签，使用硅酮粘合剂将压敏组件设置在RFID标签上，之后接着使用硅酮粘合剂将EMF调制器耦合到压敏组件。硅酮的保护层可进一步设置在EMF调制器上，以便完成传感器的制作。在图4中一般地示出測量材料的温度无关的压カ变化的方法。该测量包括采用传感器来量化可变温度存在的情况下的可变压カ的步骤，其中传感器包括至少ー个RFID传感器电路。传感器还测量谐振传感器电路的若干谐振參数的阻抗响应，并且通过执行阻抗响应的主成分分析(PCA)来确定传感器的多变量响应模式。对于多变量响应模式来校准传感器，并且多变量校准值形成存储在RFID传感器的存储器芯片中的模型。将多变量实际值和多变量校准值进行比较，并且最终确定可变温度存在的情况下的压力。因此，多变量传感器响应模式可识别地分离压カ的变化与温度的变化。至少部分因为环境条件(例如温度和压カ)对传感器电路的不同组件产生明显无
关的影响，所以使用单个传感器对压カ和温度的同时定量化或者使用单个传感器对温度可变性的压カ测量的校正是可能的。传感器的多变元响应、之后跟随的响应的多变量分析部分用于分离这些影响。传感器的多变元响应可包括传感器的完全复阻抗谱和/或若干単独测量的性质Fp、Zp、Fz、Fl和F2。这些性质包括复阻抗的实部的最大值的频率(Fp，谐振峰值位置)、复阻抗的实部的幅值(Zp，峰值高度)、零电抗频率(Fz，阻抗的虚部为零的频率)、复阻抗的虚部的谐振频率(F1)以及复阻抗的虚部的反谐振频率(F2)、在复阻抗的虚部的谐振频率(F1)的信号幅值(Z1)和在复阻抗的虚部的反谐振频率(F2)的信号幅值(Z2)。其它參数可使用整个复阻抗谱、例如谐振的质量因数、相位角和阻抗的幅值来测量。在标题为 “Methods and systems for calibration of RFID sensors (用于 RFID 传感器的校准的方法和系统)”的美国专利申请序号12/118950中描述了这类多变元响应參数的示例，通过引用将其结合到本文中。示例 1
米用网络分析器(型号为 E5062A, Agilent Technologies, Inc.，Santa Clara, CA)在计算机控制下使用Lab VIEW来执行RFID压カ传感器的复阻抗的測量。网络分析器用于扫描感兴趣范围的频率(通常集中在 13 MHz，其中扫描范围为 10 MHz)，以及收集来自RFID压カ传感器的复阻抗响应。使用Excel (Microsoft Inc. , Seattle, WA)或者KaleidaGraph (Synergy Software, Reading, PA)以及与 Mat lab (The Mathworks Inc.,Natick, MA)配合操作的 PLS_Toolbox (Eigenvector Research, Inc. , Manson, WA)来分析所收集的复阻抗数据。对于采用单个传感器在可变温度范围对压カ的定量，选择10°C -60°C的温度范围。使用从基于RFID的传感器所获取的数据的多变量分析来定量化压力。9 mm Tag SysRFID标签适合于通过采用粘合剂将RFID标签附连到塑料盖壁上，来感测压力。由闭孔泡沫所组成的柔性膜设置在标签上，并且采用粘合剂附连到标签。然后，将金属箔作为EMF调制器粘附到闭孔泡沫。整个传感器夹层采用塑料盖、RFID标签、闭孔泡沫和金属箔来形成。然后，采用硅酮作为保护层来涂敷传感器夹层。施加空气压力，空气压カ通过系统转移到传感器的塑料盖中存在的去离子水。压カ换能器与传感器一致地存在，供连续压力监测。LabVIEW程序控制系统的空气压カ并且收集来自主參考(商业压カ换能器)和基于RFID的传感器的数据。加压盖驻留在生物过程室中，其中将温度控制在从大约10°C至60°C的范围中。传感器系统在从大约0 psi至10 psi的范围的变化压カ下以10°C、35°C和60°C的温度经受初始运转500小吋。图5A示出通过测量实际压カ对(vs.)预测压力的压カ变化的传感器响应模式，以及图5B示出通过使用传感器按照具有±0.25 psi的范围之内的误差预测的温度无关模型来測量实际压力对剩余压カ而生成的误差分布。因此，压カ传感器能够在可接受误差容限之内量化压力。示例2
执行相似实验，其中传感器以大约10°C、33°C和 57°C的温度经受四个不同压カ(0psi,7 psi、16 psi和24 psi)。图6A示出使用主成分分析(PCA)的传感器的多变量响应，其中传感器经受诸如0 psi、7 psi、16 psi和24 psi之类的四个不同压カ和10°C、33°C和57°C的三个温度。前两个主成分的PCA曲线图与流体的压カ和温度的同步变化相关。使用这两个主成分作为输入，图6B示出通过测量实际压力对预测压カ而生成的传感器响应模式的曲线图，以及图6C示出使用传感器通过测量温度无关模型的实际压力对剩余压カ而生成的误差分布。因此，压カ传感器能够量化传感器的不同温度下的压力。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将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。
权利要求
1.一种基于谐振电路的温度无关压力传感器，包括 谐振传感器电路； 压敏组件，设置在所述谐振传感器电路上；以及 电磁场调制器，操作上耦合到所述压敏组件，以便至少部分调制由所述传感器电路所生成的电磁场。
2.如权利要求I所述的传感器，其中，所述谐振传感器电路是电感器-电容器-电阻器电路。
3.如权利要求I所述的传感器，其中，所述谐振传感器电路包括射频识别电路。
4.如权利要求3所述的传感器，其中，所述射频识别电路包括射频识别标签。
5.如权利要求I所述的传感器，其中，所述电磁场调制器配置成吸收电磁场。
6.如权利要求I所述的传感器，其中，所述电磁场调制器配置成反射电磁场。
7.如权利要求I所述的传感器，还包括设置在所述电磁场调制器上的保护层。
8.如权利要求7所述的传感器，其中，所述保护层包括其中包含聚合物和硅酮的柔性介电材料。
9.如权利要求I所述的传感器，其中，所述压敏组件包括柔性膜、隔膜、机械弹簧或者它们的组合。
10.如权利要求I所述的传感器，其中，所述压敏组件的结构从球形形状、圆顶形状、立方形状、平板或者它们的组合中选取。
11.如权利要求I所述的传感器，其中，所述压敏组件的材料从金属、聚合物、泡沫、介电材料或者它们的组合中选取。
12.如权利要求I所述的传感器，其中，所述压敏组件注入有导电材料。
13.如权利要求12所述的传感器，其中，所述导电材料包括碳黑微粒、金属纳米微粒、金属微粒子、碳纳米管、石墨烯片或者它们的组合。
14.如权利要求I所述的传感器，其中，所述电磁场调制器包括导电膜。
15.如权利要求I所述的传感器，其中，所述电磁场调制器包括一层或多层。
16.如权利要求15所述的传感器，其中，所述电磁场调制器包括层的叠层，其中所述层的两个或更多包括不同材料。
17.如权利要求I所述的传感器，其中，所述传感器能够工作在具有从大约100kHz至20 GHz的范围中的频率的电磁谱中。
18.如权利要求I所述的传感器，其中，所述传感器结合到生物过程组件中。
19.一种基于谐振电路的温度无关压力传感器系统，包括 谐振传感器电路； 压敏组件，设置在所述谐振传感器电路上；以及 电磁场调制器，操作上耦合到所述压敏组件，以便至少部分调制由所述传感器电路所生成的电磁场，从而产生传感器响应模式；以及 处理器，生成至少部分基于所述传感器响应模式的所述传感器响应模式的多变量分析。
20.如权利要求19所述的系统，其中，所述谐振传感器电路包括射频识别电路。
21.如权利要求19所述的传感器系统，其中，所述处理器无线地接收所述传感器响应模式。
22.一种测量样本的温度无关压力变化的方法，包括 使用包括谐振传感器电路、压敏组件和电磁场调制器的传感器来收集阻抗数据；将多变量分析应用于多个谐振参数，所述谐振参数的至少两个基于所述所收集的阻抗数据；以及 至少部分基于所述多变量分析来量化与温度的任何变化无关的压力的任何变化。
23.如权利要求22所述的方法，其中，所述多变量分析包括识别一个或多个传感器响应模式。
24.如权利要求22所述的方法，其中，测量所述谐振参数的至少一个，并且计算所述谐振参数的至少一个。
全文摘要
提供一种用于选择性地确定压力的温度无关压力传感器。该传感器包括谐振传感器电路、设置在传感器电路上的压敏组件以及电磁场调制器。温度无关压力传感器系统包括谐振传感器电路、设置在传感器电路上的压敏组件、电磁场调制器以及基于传感器系统的环境压力的变化来生成传感器响应模式的多变量分析的处理器。还提供一种以温度无关方式来检测压力响应模式的方法。
文档编号G01L9/00GK102959378SQ201180031959
公开日2013年3月6日 申请日期2011年6月16日 优先权日2010年6月28日
发明者C.M.瑟曼, R.波蒂拉洛, W.G.莫里斯 申请人:通用电气公司