CN102016940B - 用于生物工艺环境中的小功率传感器的无接触电力方案 - Google Patents

Abstract

本发明公开了对电气复杂的生物工艺环境中的传感器提供更加可靠的无线通讯和供电的方法和设备。不相连的天线位于生物工艺环境中，优选在与主充电天线相同的平面内。该不相连的天线也称作反射天线，加强并限制由充电的天线所产生的电磁场。该反射天线集成于或邻近于包含传感器的设备或通讯设备中。在一个实施例中，反射天线集成在过滤器壳体中。在另一个实施例中，它被集成在过滤元件自身中。在另一个实施例中，它被集成入或固定于一次性生物工艺零件例如袋和管。

Description

用于生物工艺环境中的小功率传感器的无接触电力方案

本申请要求2008年3月26日提交的美国专利申请No.12/079,396的优先权，在此以参见的方式引入其公开内容。

背景技术

RFID标签和其它电子设备例如Bluetooth和Zigbee设备的使用已经变得非常流行，特别是用于管理器材，尤其是用于库存管理。例如，RFID标签的使用允许监测生产线和通过供应链的器材和零件的移动。

为了进一步说明该概念，生产实体可以在零件进入生产设备时将RFID标签粘附于零件。这些零件随后被插入生产流程中，与其它零件一起形成子组件，并最终形成成品。RFID标签的使用允许生产实体内的人员跟踪特定零件在整个生产过程中的移动。它还允许该实体能够识别包括任何具体组件或成品的特定零件。

另外，RFID标签的使用也已在医药行业中被提倡。在2004年2月，美国联邦药物管理局发出了一份报告来提倡使用RFID标签以标识和监测药物。这是一种尝试以提供来源并限制假冒处方药物流入市场并供给消费者。

自其引入到现在，RFID标签已经用于许多应用，例如识别和提供用于过滤器产品中的过程控制的信息。1997年授予Den Dekker的美国专利5,674,381(美国再版专利39,361E)公开了使用“电子标签”来用于过滤设备和可更换的过滤器组件。具体来说，该专利公开了具有电子标签的过滤器，该电子标签具有读/写存储器和相关的过滤设备，该过滤设备具有响应于标签的读出装置。电子标签适于计算和存储可更换过滤器的实际操作时间。过滤设备适于基于该实时数而允许使用或拒绝过滤器。该专利还公开了可以使用电子标签来存储关于可更换过滤器的识别信息。

授予的Baker等的美国专利No.7,259,675公开了过程装备跟踪系统。该系统包括使RFID标签用于过程装备。描述的RFID标签能够存储“至少一个可跟踪事件”。该可跟踪事件被列举为清洁日期和批量处理日期。该公开物还公开了可以连接于PC或互联网的RFID读出器，这里存在过程装备数据库。该数据库包含多个可跟踪事件并能够供给信息以可用来确定“基于累积数据的过程装备的服务寿命”。该申请包括使用这种类型的系统：具有多种过程装备，例如阀、泵、过滤器和紫外线灯。

除了RFID标签，过滤元件中也可以包含其它电子设备。授予Jornitz的美国专利No.7,048,775公开了用于监测过滤装置的完整性的设备和方法。

该专利描述了使用含有在线存储芯片和通讯设备的过滤器，与过滤器的壳体一起使用。过滤器壳体用作监测和完整性测试器。该申请还公开使用一系列步骤来确保用于多圈壳体的过滤元件的完整性。这些步骤包括询问存储元件以验证正在使用的过滤器的类型、其极限数据和其生产发放数据。

越来越多的其它电子设备例如传感器，包括压力传感器、温度传感器和浓度传感器，已经添加到过滤元件中以进一步扩展这些设备的性能。共同待决的美国专利申请公开物No.2007/0240578、2007/0243113和2007/0240492都描述了另外的电子设备，其能够添加到过滤元件中来改善系统性能和实用性。

但是，尽管添加先进的电子设备到过滤元件的能力和愿望在快速增加，仍然存在有显著的缺陷。例如，对不锈钢(或其它金属)壳体内的电子设备发出有效通讯仍然存在问题。

类似地，一次性生物工艺系统也可以具有无线电力和通讯困难。在这种环境中，一次性零件经常与一个或多个无线电子设备例如RFID标签、温度或压力传感器或其它合适的零件相匹配。虽然这些一次性系统没有包含在金属壳体中，但是它们的环境在电气方面仍然是复杂的。例如，典型的生物工艺系统要通过流体。已知流体或其它水性环境扭曲或削弱无线信号，并因此对任何无线电力或通讯有负面影响。另外，这些一次性系统虽然主要由塑料构成，但经常由金属结构或定位器支撑。这些金属结构如同流体那样会降低或扭曲它们附近的无线信号。此外，一次性生物工艺装备的尺寸会足够大以使一次性零件内的从天线到传感器的距离成为问题。因此，一次性系统会遇到与无线通讯和电力相同的问题，其影响包含在传统的壳体环境中的生物工艺系统。

因此，需要一种对电气复杂的生物工艺环境中的设备进行通讯和无线供电的更加可靠的系统和方法。

发明内容

本发明最小化了现有技术的问题，其公开了对电气复杂的生物工艺环境中的传感器提供更加可靠的无线通讯和供电的方法和设备。

不相连的天线位于生物工艺环境中。实际上，该不相连的天线是未充电的电磁谐振电路，设计成与充电的天线谐振，发出特定频率。该不相连的天线也称作反射天线，加强并控制由充电的天线所产生的电磁场。该反射天线集成于或邻近于包含传感器的设备或通讯设备中。由于电磁感应取决于天线的设计或形状，反射天线可以是磁环或电偶极。

在一个实施例中，感应场由环天线产生。该环天线的位置可以由生物工艺环境内的条件所限制。例如，将环过于靠近过滤元件中的通讯设备是不可行的。这有多种原因，包括环可以对温度分布或流体流的影响方面的考虑。因此，感应环的功效被损害。这个事实加上环境中的流体和金属量，会极大地降低感应环的性能。

通过在系统中的电子零件中或附近放置反射天线，电磁场可以得到加强并且受到正确的限制。在一个实施例中，反射天线集成在过滤壳体中。在另一个实施例中，它被集成在过滤器元件自身中。在又一个实施例中，它被集成在一次性生物工艺零件例如生物反应袋和管中。

附图说明

图1示出了本发明的主要零件的简化示意图；

图2示出了可以用于本发明的一个实施例的代表性不锈钢壳体；

图3示出了用于本发明的一个实施例的感应环；

图4示出了本发明的一个实施例；以及

图5示出了本发明的第二实施例。

具体实施方式

众所周知，可以利用感应来给没有物理连接的设备提供电力。通常，线圈被缠绕数次并且其中通过交流。这种交流产生围绕线圈变化的磁场。随后可以使用与第一线圈物理隔开且远离的第二线圈来将该变化的磁场转换回交流。设备随后可使用该交流来为其集成电子部件供电。

图1示出了用于本发明的主要零件的简化示意图。充电回路200连接于优选供应交流的电源210。电流振荡的频率对于本发明并不重要，所有的频率都是可行的。在某些实施例中，由于电磁场与可能存在的任何其它无线活动的相互作用，特定的频率或频率范围会是优选的。例如，在特定的实施例中，无线通讯可以发生在2.4GHz。在这种情况下，充电回路的频率可以优选在兆赫范围，例如13.56MHz或950MHz。电路200之上示出有相关的电子设备220。该设备220可以是传感器、RFID标签或任何其它合适的电子零件或零件组。因为电子部件集成在设备中，它还已知为小型设备。另外，该设备通常还具有通讯零件，例如无线发送器。该设备还可以包括存储元件，例如RAM或ROM。设备220内是小环天线，适于接收电路200产生的电磁场并将其转换成交流。设备220内产生的电能随后用于对该小型设备内的其余电子部件供电。供给设备的能量的数量取决于设备附近的电磁场的强度以及与设备内的线圈尺寸和绕组数量相关的磁通量密度。所示反射天线230在充电回路200和电子设备220之上。如上所述，反射天线是未供电的电磁谐振回路或电路，用于与供电的天线谐振，发出预定频率。在该位置，反射天线230具有以该预定频率加强和限制其与充电回路200之间的电磁场的能力。因此，电子设备220经历了加强的电磁通量，允许在设备220内感应更多的电能。这允许在充电回路200自身不足以供应所需场的环境中操作设备220。

图2示出了用于过滤药品和其它流体的传统的不锈钢壳体组件100。在传统的系统中，壳体组件100被分成两部分：上部壳体110和下部壳体120。下部壳体120通常被固定到位，因为它包含至单元的管路和电连接。未过滤的流体通过入口管道130进入下部壳体120，过滤后的材料通过出口管道140离开下部壳体120。

传统上使用不锈钢制造这些壳体。但是，也可以使用其它金属。在另一个实施例中，也可以模制塑料材料来形成壳体零件。

一个或多个过滤器元件可以安装在下部壳体中。在安装这些元件以后，上部壳体110定位在下部壳体之上并被固定就位。传统上使用紧固件150例如金属夹、Tri夹、Laddish夹或管箍将这两部分保持在一起。

为了确保上下壳体之间的正确密封，通常使用垫圈160例如O形环。在多数情况下，该垫圈160为环形或环状的。该垫圈160由生物兼容材料构成，其能够容忍壳体内达到的温度。另外，该材料也必须有足够的弹性以形成空气和流体密封。在优选实施例中，硅基材料被模制成所需形状。该垫圈160随后被置于上部壳体110和下部壳体120之间，优选在上部和下部壳体之一或二者中形成的槽中以确保在组装过程中的正确对准。

在一个实施例中，一个或多个电缆(未示出)，例如导线，被模制进垫圈160中。垫圈160优选使用双模制工艺制造以确保电缆被完全包封在垫圈材料中。

在一个实施例中，如图3所示，沿环状垫圈的内圆周设有一个大的充电感应环。电路围绕垫圈300多次，更多数量的绕组感应更大的磁场。该实施例对壳体组件内的正常流体流提供最小的妨碍。注意在图3中示出了三个过滤器元件310。本发明不受该实施例限制；可以使用更多或更少的过滤元件。通常，这种系统在壳体中使用1、3、5、10、12、24或30个过滤元件。

为了加强或限制磁场，不相连的或反射天线(未示出)插入该环境。该反射天线的设置对于实现所需效果至为重要。在一个实施例中，反射天线位于过滤元件自身内。

图4示出了传统的过滤元件400。该过滤元件400由第一端帽420和第二端帽415、多孔芯450和膜430形成。如图所示，出口410从第二端帽415延伸。边缘密封件(未示出)粘附于第一和第二端帽以形成膜的边缘和端帽之间的一体的流体密封件，使得筒体外侧上的所有流体必须在到达筒体内部或出口410之前通过膜430。膜的外侧是多孔的外罩440。罩440优选是能够忍受壳体内的高温的塑料。所产生的过滤元件400因此具有一端开放而另一端闭合的中空内筒，并具有外筒。这两个筒之间的区域限定了元件的框架以及膜或过滤材料的位置。未过滤的材料出现在过滤元件的外表面上，通过过滤器材料并通过筒的开放端离开。

过滤器可以由常用于过滤的任何种类的一个或多个膜制成，包括但不限于微孔性膜、超滤膜、纳米过滤膜或反渗透膜。优选使用微孔性膜。代表性的合适的微孔性膜包括硝化纤维、乙酸纤维、聚砜包括聚醚砜和聚芳基砜、聚偏氟乙烯、聚烯烃例如超高分子量聚乙烯、低密度聚乙烯和聚丙烯、尼龙和其它聚酰胺、PTFE、热塑性氟化聚合物例如聚(TFE-co-PFAVE)如PFA、聚碳酸酯或颗粒填充膜例如可自Minneapolis，Minn的3M购得的EMPORE.RTM膜。这些膜是本领域众所周知的，可以是对称的或不对称的或者是二者的组合，并且可从多个渠道商购，包括购自Bedford，Mass的Millipore Corporation的Millipore

膜和

膜。

代表性超滤或纳米过滤膜包括：聚砜，包括聚醚砜和聚芳基砜；聚偏氟乙烯和纤维。这些膜通常包括由高孔结构大致形成的支撑层。用于这些支撑层的典型材料包括各种非纺织材料例如旋转界定的聚乙烯或聚丙烯或由与膜本身相同或不同聚合物形成的微孔性材料。这些膜是本领域众所周知的，并且可从多个渠道商购，例如Bedford，Mass的Millipore Corporation。

许多专利申请包括共同未决的专利申请出版物No.2007/0240578、2007/0243113和2007/0240492都描述了可以添加至过滤元件来改善系统性能和实用性的另外的电子部件。许多这些电子设备470最有利地位于过滤元件的中空内筒内。采用这种方式，可以测量所过滤材料的温度、压力、浓度和其它参数。此外，通常希望将电子设备470放置在过滤元件的闭合端420上或固定于过滤元件的闭合端420。

这些过滤元件的尺寸通常指在过滤元件的基部(即开放端)和通常放置电子设备的相反封闭端之间可以有数英寸，有时为数英尺。当充电感应环300位于开放端附近时，如图2和3所示，该距离就会存在问题了。另外，电子设备通常在流路中，因此还损害了电磁场。此外，围绕过滤元件的不锈钢壳体还降低了无线性能。因为这些因素，就会需要加强或限制电磁场以最大化其在电子设备附近的效果。

在一个实施例中，反射天线480位于过滤元件400的中空内筒中。环480可以位于封闭端420附近以邻近电子设备470。或者，它可以位于任何合适的位置。优选反射天线480沿其内表面455模制入框440中以不暴露于流路。因此，反射天线480必须位于中空内筒和过滤器材料之间。

在另一个实施例中，反射天线480位于过滤元件的封闭端420内。同样，反射天线优选模制在塑料中以不暴露于流体流。

在另一个实施例中，反射天线480位于框440中，沿着过滤设备400的外表面460。同样，环优选模制入塑料中以不暴露于流体流。

由于反射天线480未被连接，就没有必要向环供应任何电缆。因此，通过将环模制入塑料壳体中来实现其在过滤元件400中的集成性。如上所述，环480在过滤元件内的准确位置取决于具体的实施并且不受本发明限制。

以使的说明提到了过滤元件中包含单个反射天线。本发明不受到如此限制。例如，根据需要反射天线可以有多匝。类似地，可以在单个过滤元件中集成入多个反射天线。此外，可以想到，在单个壳体内具有多个过滤元件的环境中，每个过滤元件可以设有与其自身相关的反射天线。或者，并非壳体内的所有过滤元件需要设有反射天线。

以上的说明提到了在壳体组件中的上下壳体之间存在垫圈，但本发明并不受到如此限制。例如，所描述类型的垫圈可以被引入在壳体的任何两个可分离部分之间。例如，在某些实施例中，垫圈在顶部排气口和顶部排气管之间。在该实施例中，可以将本发明的垫圈插在这两个可分离部分之间。壳体的两个可分离部分会合的任何位置可以用于插入该垫圈。

在壳体环境中，反射天线可以被放置在其它位置。例如，对准盘通常放置在过滤元件顶部以将其保持就位。图3示出了使用对准盘330来将多个过滤元件330保持就位。该对准盘通常由不锈钢或耐腐蚀且在过程中保持结构支撑的其它刚性材料构成。由于该对准盘位于过滤元件310的封闭端附近，其可以积极地影响嵌置的电子设备附近的电磁场。反射天线能够以多种方式嵌置在该盘中。在一个实施例中，对准盘构造成其功能是保持过滤器以及控制电磁场。本领域技术人员显然可以选择防止壳体环境退化的材料，其在结构上是完美的并且保持电中性，例如高温热塑性或热固性聚合物。在第一实施例中，单个反射天线嵌置在对准盘内以使其包围所有三个过滤元件。在第二实施例中，嵌置多个反射天线，优选每个相关的过滤元件具有一个。在这种情况下，各反射天线仅包围其相关的过滤元件。通过将对准盘简单地放置在过滤元件顶部，反射天线容易被集成在环境中。但是，反射天线无需嵌置在对准盘330中。在其它实施例中，其通过使用任何合适的方法被模制就位、粘结、热接合以及固定。此外，对准盘可以是不锈钢盘，包含一个或多个反射天线的塑料材料固定于该不锈钢盘。

除了过滤器壳体中使用的小型设备以外，本发明还利用一次性生物工艺方案。一次性生物工艺方案通过将可重复使用的永久性零件替换为一次性零件而复制制造过程的基本单元操作。虽然一次性生物工艺方案有很多好处，其中最重要的还是成本节约，消除了来自清洁和测试的维修。一次性生物工艺方案通常由置入可重复使用的支撑结构中的低成本物理柔性零件制成。可从Millipore Corporation商购的系统例如MobiusTM Disposable Solution包含一次性零件。一次性零件包括管、连接器、袋，例如用于存储、混合、细胞生长(生物反应器)、引导反应等，过滤器和其它类似零件。生物工艺环境可以在平的表面例如桌面上产生，或可以累积在框上。根据具体任务的要求来设置各种零件。通常，电子部件或小型设备设有许多这种零件。这些小型设备可以用于测量温度、压力、PH、浓度或其它信息。

定位器或结构通常由金属制成以加强、支撑该生物工艺装备中的各种零件。为了对这些小型设备供电，可以邻近生物工艺装备来放置充电感应环。在一个实施例中，充电环位于平的表面上，包围生物工艺装备的一个或多个元件。利用上述技术，由该环产生的电磁场于是由小型设备之一或每一个使用。根据需要，另外的充电环也可以用于元件组或用于每个独立的元件。

但是，之前提到的许多难题，例如距离、水性环境和高金属密度也会存在于一次性生物工艺装备中。因此，为了最大化电磁能从充电环到小型设备的传递，可以在一些或所有的一次性医药零件中安装反射天线。

在生物反应袋的情况下，如果需要，反射天线可以嵌置在用于形成袋的至少一部分或整个袋的材料中，或可以固定于袋的外表面的至少一部分。在一个实施例中，电子设备固定于袋的外表面，反射天线也围绕设备固定于袋。

图5示出了用于一次性生物工艺方案的本发明的实施例。生物反应袋500具有入口管道510和出口管道520，任选设置在支撑结构530中。充电感应环540优选位于平的支撑表面上。在图5中，环540直接位于支撑结构530之下，但本发明不限于该实施例。环540可以具有较大的直径并包围多个零件。此外，感应环540可以嵌置在其上放置了一次性零件的垫或其它表面中。在这种情况下，模仿作业流程的布局的一系列环可以嵌置在垫中，以使环位于将要放置设备的位置。

生物反应袋500上设置有电子零件或小型设备550。为了改善该小型设备附近的电磁场，反射天线560围绕生物反应袋500放置。虽然图5中的反射天线560位于充电感应环540和小型设备550之间，但是本发明不受到如此限制。还可以想到，小型设备位于反射天线560和充电感应环500之间。

在一个实施例中，反射天线560例如通过加热固定于生物反应袋500。在另一个实施例中，反射天线560嵌置在生物反应袋500中。在另一个实施例中，反射天线560固定于支撑结构530，支撑结构530又来保持生物反应袋500。在另一个实施例中，反射天线560嵌置在支撑结构530中。本领域技术人员会认识到许多技术可以用于将反射天线560固定于生物反应袋500或支撑结构530。

虽然以上的说明使用了术语“生物反应袋”，但是应当认识到，本发明可以用于任何容器。此外，类似的手段可以用于其它一次性零件例如管。反射天线可以嵌置在塑料管中，或者可以优选固定于管的外表面。

虽然感应天线设计领域的技术人员能够通过优化电源和接收器线圈来最大化感应电流，但仍然会有接收器线圈尺寸或成本方面的限制。通过改善相对于设备的电磁通量，设备中集成反射天线潜在地降低了成本和装备的复杂性。这对于一次性生物工艺方案来说会尤其理想，其中用户而非设备的制造商会确定设备的物理设置。本发明在用户方面改进了物理设置的适应性。

已知使用反射天线来改善电能的感应也能用于改善与终端设备进行无线通讯的能力。充电的天线能够用作收发器天线，具有调制的电信号，其将电能和双向通讯供给终端设备。这是RFID读出器天线的典型功能。类似于图5，生物制药生物反应袋500可以具有电子标签，该电子标签在袋的顶部对于用户来说必须是可见的。增加生物反应袋的高度会损害电气标签与充电的通讯环通讯的能力。合适放置的反射天线560在电侵性环境中将通讯良好。单个反射天线可以用于对读出器供电并使电子标签与读出器通讯。

虽然本申请中的实施例主要描述了磁性感应环，但本发明不受到如此限制。反射天线也可以是不同形状，例如更常用于通讯的偶极形状。

Claims (22)

1.一种过滤元件，包括：

a.筒体，具有内表面和暴露于未过滤材料的外表面；

b.封闭端；

c.开放端，过滤材料通过该开放端；

d.无线电子设备，固定于所述过滤元件，所述电子设备包括小环天线，适于接收充电回路产生的电磁场并将其转换成交流；和

e.未充电的电磁谐振天线，被定位以加强由所述电子设备接收的电磁场。

2.权利要求1的过滤元件，其中所述未充电的天线固定于所述筒体的所述内表面。

3.权利要求1的过滤元件，其中所述未充电的天线固定于所述筒体的所述外表面。

4.权利要求1的过滤元件，其中所述未充电的天线固定于所述封闭端。

5.权利要求1的过滤元件，其中所述电子设备固定于所述封闭端。

6.权利要求1的过滤元件，其中所述未充电的天线是环形。

7.一种过滤系统，包括：

a.壳体；

b.在所述壳体内的充电的感应环；

c.定位在所述壳体内的过滤元件，包括无线电子设备，所述电子设备包括小环天线，适于接收所述充电的感应环产生的电磁场并将其转换成交流；和

d.位于所述壳体内的的未充电的电磁谐振天线，被定位以加强由所述电子设备接收的电磁场。

8.权利要求7的过滤系统，还包括在所述壳体内的对准盘，其中所述未充电的天线固定于所述对准盘。

9.权利要求7的过滤系统，还包括在所述壳体内的对准盘，其中所述未充电的天线嵌置在所述对准盘中。

10.权利要求7的过滤系统，其中所述未充电的天线固定于所述壳体。

11.权利要求7的过滤系统，其中所述未充电的天线固定于所述过滤元件。

12.权利要求7的过滤系统，其中所述未充电的天线是环形。

13.一种用于生产药品的一次性系统，包括：

a.充电的电感应环；

b.用于容纳药品材料的容器，包括电子设备，所述电子设备包括小环天线，适于接收所述充电的电感应环产生的电磁场并将其转换成交流；和

c.未充电的电磁谐振天线，被定位以加强由所述电子设备接收的电磁场。

14.权利要求13的系统，其中所述未充电的天线固定于所述容器。

15.权利要求13的系统，其中所述未充电的天线嵌置在所述容器中。

16.权利要求13的系统，其中所述电子设备包括传感器。

17.权利要求13的系统，其中所述电子设备包括无线通讯设备。

18.权利要求13的系统，其中所述电子设备包括存储元件。

19.权利要求13的系统，其中所述容器包括生物反应袋。

20.权利要求13的系统，其中所述容器包括管。

21.权利要求13的系统，还包括支撑所述容器的支撑结构，其中所述未充电的天线固定于所述支撑结构。

22.权利要求13的系统，还包括支撑所述容器的支撑结构，其中所述未充电的天线嵌置在所述支撑结构中。

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