CN102589582A - 温度无关的化学和生物传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明名称为“温度无关的化学和生物传感器”。提供用于选择性流体感测的方法和传感器。一种传感器，包括：谐振电感器-电容器-电阻器(LCR)电路以及设置在感测区之上的感测材料。感测区包括LCR电路的至少一部分。LCR电路和感测材料的电感L、电容C和电阻R的性质的温度相关响应系数彼此相差至少大约5％。LCR电路和感测材料的性质的温度相关响应系数的差使传感器能够与温度基本无关地从被分析流体混合物中有选择地检测分析物流体。

Description

温度无关的化学和生物传感器
关于联邦资助研发的声明
本发明以政府支持进行，并且部分由美国国家环境卫生科学研究所资助，许可号为1R01ES016569-01A1。政府在本发明中具有某些权利。
技术领域
本文所公开的主题涉及化学和生物传感器，并且更具体来说，涉及高选择性温度无关的化学和生物传感器。
背景技术
化学和生物传感器往往用于其中多种蒸汽的检测可用于鉴别有用信息的许多应用。例如，在监测生物制药产品、食品或饮料的变化中、监测工业区的化学或物理危害方面、以及在安全应用(例如，住宅区监测、机场的国家安全)中、不同环境和临床背景中、以及其中某些有害和/或有毒蒸汽的检测会特别有用的其它公共场所中，通过鉴别传感器之中或周围的某些环境变量的变化来测量蒸汽的存在会是特别有用的。
一种用于感测这类环境变化的技术是通过采用涂敷有特定感测材料的传感器、如RFID传感器。另外，传感器可通过涂敷有一种或多种感测材料的单独换能器的阵列来设置。许多传感器阵列包括多个相同传感器。但是，虽然使用相同传感器简化了传感器阵列的制造，但是这种阵列可具有用于仅感测单个响应(例如，电阻、电流、电容、功函数、质量、光学厚度、光强度等等)的有限能力。在某些应用中，多个性质的多个响应或变化可发生。在这类应用中，包括这样的传感器的阵列会是有利的：其中阵列中的不同换能器采用相同或不同响应(例如，电阻、电流、电容、功函数、质量、光学厚度、光强度等等)并且涂敷有不同感测材料，以使得能够测量一个以上的性质。不利的是，制造具有独特制作以感测特定响应的单独传感器的传感器阵列使该阵列的制造复杂化。
此外，在许多实际应用中，有利的是使用高选择性化学和生物传感器。也就是说，往往希望提供能够在其它蒸汽和混合物存在的情况下感测多个蒸汽和蒸汽混合物的传感器阵列。可能存在的蒸汽和蒸汽混合物的数量越大，则准确感测和鉴别特定类型的、要被感测的蒸汽或蒸汽混合物可能越困难。当一个或多个蒸汽以高于要检测的其它感兴趣蒸汽的幅值水平存在时，情况可能尤其是这样。例如，高湿度环境往往干扰传统传感器检测选择的蒸汽的能力。此外，当传感器用作单独传感器或者按照阵列来设置时，温度变化降低了化学和生物感测的精度。
本文公开的多种实施例可解决上述难题的一个或多个。
发明内容
按照一个实施例，提供一种传感器，其中包括谐振电感器-电容器-电阻器(LCR)电路以及设置在感测区之上的感测材料。感测区包括LCR电路的至少一部分。LCR电路和感测材料的电感L、电容C和电阻R的性质的温度相关响应系数彼此相差至少大约5％。LCR电路和感测材料的性质的温度相关响应系数的差使传感器能够与温度基本无关地从被分析流体混合物中有选择地检测分析物流体。
按照另一个实施例，提供一种检测流体中的化学或生物种类的方法。该方法包括测量涂敷有感测材料的谐振传感器天线的阻抗谱的实部和虚部。谐振传感器天线和感测材料的性质的温度相关响应系数彼此不同。该方法还包括在多个温度下计算涂敷有感测材料的谐振传感器天线的至少6个谱参数。该方法还包括使用多变量分析将阻抗谱减小到单个数据点，以有选择地识别分析物。该方法还包括使用所存储校准参数从阻抗谱来确定一个或多个环境参数。一个或多个环境参数的确定与温度基本无关。
按照另一个实施例，提供一种制造传感器的方法。该方法包括组装包括谐振电感器-电容器-电阻器(LCR)电路的换能器。换能器包括LCR电路的电感L、电容C和电阻R的性质的至少三个温度相关响应系数。LCR电路的性质的至少三个温度相关响应系数彼此相差至少大约5％。该方法还包括选择包括感测材料的介电常数和电阻性质的至少两个温度相关响应系数的感测材料。感测材料的性质的至少两个温度相关响应系数与LCR电路的性质的至少三个温度相关响应系数相差至少大约5％。该方法还包括将感测材料设置在感测区之上。感测区包括LCR电路的至少一部分。
附图说明
通过参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，相似符号在附图中通篇表示相似部件，附图包括：
图1示出按照本发明的实施例的感测系统；
图2示出按照本发明的实施例的RFID传感器；
图3示出按照本发明的备选实施例的RFID传感器；
图4示出按照本发明的实施例的RFID传感器的测量的响应；
图5是示出按照本发明的实施例、用于在可变温度存在的情况下分析蒸汽的过程的流程图；以及
图6-11示出试验说明按照本发明的实施例、能够与温度无关地区别湿度水平的单个传感器的测试数据。
具体实施方式
本文所公开的实施例提供用于选择性蒸汽感测的温度无关方法和系统，其中单个传感器被提供并且能够检测单独的或者彼此存在的情况下的多个蒸汽和/或蒸汽的混合物。在标题为“Highly SelectiveChemical and Biological Sensors”的美国专利申请序号12/942,732中描述了用于使用单个传感器进行蒸汽感测的一般方法的示例，通过引用将其结合到本文中。所公开的传感器甚至在高湿度环境下或者在其中一个或多个蒸汽与混合物中的其它成分相比具有高得多浓度(例如，10倍)的环境下也能够检测在可变温度存在的情况下的不同蒸汽和混合物。各传感器包括涂敷有感测材料的谐振电感器-电容器-电阻器(LCR)传感器。LCR电路和感测材料的性质的温度相关响应系数彼此不同。性质的温度相关响应系数的差影响所公开传感器的测量。但是，关于性质的温度相关响应系数的知识和/或关于传感器如何受到性质的温度相关响应系数的差影响的知识连同传感器的测量饿阻抗的多变量分析一起使用，以便提供温度无关选择性蒸汽感测和改进的响应稳定性。例如，可形成包括基于传感器的实验测试的系数的查找表。在传感器的使用期间，实验确定的系数可在多变量分析中用于考虑感测期间的温度的变化。本文所公开的其它实施例提供用于选择性化学和生物感测的温度无关方法和系统，其中单个传感器被提供并且能够检测单独的或者彼此存在(presense of one another)的情况下的化学或生物种类的液体和/或混合物中的多个化学或生物种类。
LCR传感器的非限制性示例包括具有集成电路(IC)存储器芯片的RFID传感器、具有IC芯片的RFID传感器以及没有IC存储器芯片的RFID传感器(无芯片RFID传感器)。LCR传感器能够是无线或有线的。为了收集数据，对较窄频率范围、例如LCR电路的谐振频率范围来获取阻抗谱。该技术还包括从所获取谱来计算多变量签名，并且操纵该数据以鉴别某些蒸汽和/或蒸汽混合物的存在。蒸汽的存在通过下列步骤来检测：通过观测电路的谐振电子性质的变化，来测量介电、维、电荷转移中的变化以及采用材料的性质的其它变化。通过使用数学过程、如主成分分析(PCA)等，多个蒸汽和混合物能够在彼此存在的情况下以及在干扰物存在的情况下被检测，如下面进一步描述的。本文所公开的实施例提供用于选择性流体感测的温度无关方法和系统，其中单个传感器被提供并且能够检测单独的或者彼此存在的情况下的多个流体和/或流体的混合物。进一步实施例公开用于通过下列步骤来制造这类传感器的方法：组装包括LCR电路的换能器，并且将感测材料设置在换能器的至少一部分之上，其中换能器和感测材料的性质的温度相关响应系数彼此不同。在其它实施例中，除了用于蒸汽和流体的化学传感器之外，生物传感器还可具有温度无关检测能力。
为了更清楚准确地描述要求保护的发明的主题，提供在以下描述和所附权利要求中使用的具体术语的如下定义。
术语“流体”包括气体、蒸汽、液体、粒子、生物粒子、生物分子和固体。
术语“数字ID”包括RFID传感器的存储器芯片中存储的所有数据。这个数据的非限制性示例是用于传感器的制造商标识、电子谱系(pedigree)数据、用户数据和校准数据。
术语“监测过程”包括但不限于测量传感器周围发生的物理变化。例如，监测过程包括监测与传感器周围的环境的物理、化学和/或生物性质的变化相关的生物制药、食品或饮料制造过程的变化。监测过程还可包括监测物理变化以及成分的组成或位置的变化的那些工业过程。非限制性示例包括国家安全监测、住宅区保护监测、环境监测、临床或床边患者监测、机场安全监测、入场验票和其它公共事件。能够在传感器信号已经达到略微稳态响应时和/或传感器具有动态响应时执行监测。稳态传感器响应是在所确定的时间周期来自传感器的响应，其中响应在测量时间没有略微的变化。因此，稳态传感器响应随时间的测量产生相似值。动态传感器响应是在所测量环境参数(温度、压力、化学浓度、生物浓度等等)的变化时来自传感器的响应。因此，动态传感器响应在测量时间明显变化，以便产生对所测量的一个或多个环境参数的响应的动态签名。响应的动态签名的非限制性示例包括平均响应斜率、平均响应幅值、信号响应的最大正斜率、信号响应的最大负斜率、信号响应的平均变化、信号响应的最大正变化以及信号响应的最大负变化。响应的产生的动态签名能够用于进一步增强在单独蒸汽及其混合物的动态测量中的传感器的选择性。响应的所产生动态签名还能够用于进一步优化感测材料和换能器几何形状的组合，以便增强在单独蒸汽及其混合物的动态和稳态测量中的传感器的选择性。
术语“环境参数”用于表示制造或监测系统之中或周围的可测量环境变量。可测量环境变量包括物理、化学和生物性质中的至少一个，并且包括但不限于温度、压力、材料浓度、导电率、介电性质、传感器附近或者与传感器接触的电介质、金属、化学或生物粒子的数量、离子化辐射的剂量和光强度的测量。
术语“分析物”包括任何预期测量环境参数。
术语“干扰”包括不合需要地影响传感器的测量的精度和准确性的任何不希望的环境参数。术语“干扰物”表示潜在地可由传感器产生干扰响应的流体或环境参数(包括但不限于温度、压力、光等)。
术语“多变量分析”表示用于从传感器响应来分析一个以上变量并且提供与来自所测量传感器谱参数的至少一个环境参数的类型有关的信息和/或与来自测量的传感器谱参数的至少一个环境参数的水平有关的定量信息的数学过程。术语“主成分分析(PCA)”表示用于将多维数据集减小到更低维供分析的数学过程。主成分分析是多变量数据的统计分析的本征分析方法的一部分，并且可使用协方差矩阵或相关矩阵来执行。多变量分析工具的非限制性示例包括正则相关分析、回归分析、非线性回归分析、主成分分析、区别函数分析、多维定标、线性区别分析、对数回归或神经网络分析。
术语“谱参数”用于表示传感器响应的可测量变量。传感器响应是LCR或RFID传感器的谐振传感器电路的阻抗谱。除了测量采取Z参数、S参数和其它参数形式的阻抗谱之外，阻抗谱(其实部和虚部两者)可使用供分析的多种参数来同时分析，例如阻抗的实部的最大数的频率(FP)、阻抗的实部的幅值(ZP)、阻抗的虚部的谐振频率(F1)和阻抗的虚部的反谐振频率(F2)、在阻抗的虚部的谐振频率(F1)的信号幅值(Z1)、在阻抗的虚部的反谐振频率(F2)的信号幅值(Z2)以及零电抗频率(Fz，阻抗的虚部为零的频率)。其它谱参数可使用整个阻抗谱、例如谐振的质量因数、相位角和阻抗的幅值来同时测量。从阻抗谱所计算的“谱参数”在这里统称作“特征”或“描述符”。从能够由谱所计算的所有潜在特征来执行特征的适当选择。在标题为“Methods andsystems for calibration of RFID sensors”的美国专利申请序号12/118,950中描述了多变量谱参数，通过引用将其结合到本文中。
术语“谐振阻抗”或“阻抗”表示从其中提取传感器“谱参数”的传感器的谐振周围的测量的传感器频率响应。
术语“保护材料”包括但不限于LCR或RFID传感器上保护传感器免受非预计机械、物理或化学效应、同时仍然准许执行预计测量的材料。例如，预计测量可包括溶液导电率测量，其中保护膜将传感器与液体溶液分隔，但仍允许电磁场透入溶液中。保护材料的一个示例是施加在传感器上面以保护传感器免受机械损坏和磨损的纸膜。保护材料的另一个非限制性示例是施加在传感器上面以保护传感器在放入液体中进行测量时免受腐蚀的聚合物膜。保护材料也可以是施加在传感器上面以防止传感器的天线电路在放入导电液体中进行测量时短路的聚合物膜。保护膜的非限制性示例是纸、聚合和无机膜，例如聚酯、聚丙烯、聚乙烯、聚醚、聚碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、沸石、金属有机骨架和穴状配体(cavitand)。保护材料能够设置在换能器与感测膜之间，以便保护换能器。保护材料能够设置在本身处于换能器上面的感测膜上面，以便保护感测膜和换能器。本身处于换能器上面的感测膜上面的保护材料能够用作过滤材料，以便防止感测膜暴露于气体或离子干扰。过滤材料的非限制性示例包括沸石、金属有机骨架和穴状配体。
本文所使用的术语“感测材料和感测膜”包括但不限于沉积到换能器的电子模块、如LCR电路组件或RFID标签上以便执行在与环境交互时可预测并且可再现地影响阻抗传感器响应的功能的材料。例如，诸如聚苯胺之类的导电聚合物在暴露于不同pH的溶液时改变其导电率。当这种聚苯胺膜沉积到LCR或RFID传感器上时，阻抗传感器响应作为pH的函数发生变化。因此，这种LCR或RFID传感器作为pH传感器进行工作。当这种聚苯胺膜沉积到LCR或RFID传感器上供气相中的检测时，阻抗传感器响应在暴露于碱性(例如，NH3)或酸性(例如，HCl)气体时也发生变化。备选地，感测膜可以是介电聚合物。传感器膜包括但不限于基于它们所在的环境来改变其电气和/或介电性质的聚合物、有机、无机、生物、合成和纳米合成膜。传感器膜的非限制性额外示例可以是诸如高氟化离子交换树脂(Nafion)之类的磺化聚合物、诸如硅酮胶之类的粘合聚合物、诸如溶胶-凝胶膜之类的无机膜、诸如碳黑聚异丁烯膜之类的合成膜、诸如碳纳米管-高氟化离子交换树脂膜、金纳米粒子聚合物膜、金属纳米粒子聚合物膜、静电纺聚合物纳米纤维、静电纺无机纳米纤维、静电纺合成纳米纤维之类的纳米合成膜、或者掺杂有有机、金属有机或生物衍生分子的膜/纤维以及任何其它感测材料。为了防止传感器膜中的材料浸析到液体环境中，使用诸如共价接合、静电接合之类的标准技术以及本领域技术人员已知的其它标准技术将感测材料附连到传感器表面。另外，感测材料具有与感测材料的材料介电常数和电阻的温度相关变化相关的至少两个温度相关响应系数。
术语“换能器和传感器”用于表示预计用于感测的电子装置、如RFID装置。“换能器”是在涂敷有感测或保护膜之前或者在经校准以用于感测应用之前的装置。换能器包括LCR电路的电容C、电阻R和电感L的温度相关变化的至少三个温度相关响应系数。“传感器”是通常在涂敷有感测或保护膜之后并且在经校准以用于感测应用之后的装置。
本文所使用的术语“RFID标签”表示将电子标签用于标识和/或跟踪RFID标签可与其附连的产品的标识和报告技术。RFID标签通常包括至少两个组件，其中第一组件是用于存储和处理信息并且对射频信号进行调制和解调的集成电路(IC)存储器芯片。这个存储器芯片还能够用于其它专门功能，例如它能够包含电容器。它还能够包含模拟信号的至少一个输入，例如电阻输入、电容输入或电感输入。在无芯片RFID标签的情况下，RFID标签可以不包括IC存储器芯片。在不需要识别特定RFID标签而是只指示标签的存在的信号提供有用信息(例如，产品安全应用)的应用中，这种类型的RFID标签会是有用的。RFID标签的第二组件是用于接收和传送射频信号的天线。
术语“RFID传感器”是具有增加的感测功能的RFID标签，其例如当RFID标签的天线还通过作为环境变化的函数而改变其阻抗参数来执行感测功能。采用这类RFID传感器对环境变化的准确确定通过分析谐振阻抗来执行。例如，可通过采用感测膜涂敷RFID标签，将RFID标签转换为RFID传感器。通过采用感测膜来涂敷RFID标签，将膜的电响应转换为对传感器天线的阻抗响应，传感器天线的阻抗响应的谐振峰值位置、峰值宽度、峰值高度和峰值对称性，阻抗的实部的幅值、阻抗的虚部的谐振频率、阻抗的虚部的反谐振频率、零电抗频率、相位角和阻抗的幅值、以及在术语传感器“谱参数”的定义中描述的其它参数的同时变化。“RFID传感器”能够具有附连到天线的集成电路(IC)存储器芯片，或者能够没有IC存储器芯片。没有IC存储器芯片的RFID传感器是LCR传感器。LCR传感器由形成LCR电路的诸如至少一个电感器(L)、至少一个电容器(C)和至少一个电阻器(R)之类的已知组件组成。
术语“一次性容器”包括但不限于可在使用之后被丢弃或者可经过检修供再使用的制造或监测设备和包装。食品行业的一次性包装包括但不限于食品和饮料包装、以及糖果和点心盒。一次性监测组件包括但不限于一次性筒(cartridge)、剂量计和收集器。一次性制造容器包括但不限于一次性器皿、袋、箱、管道、连接器和支柱。
术语“写入器/读取器”包括但不限于将数据写入和读入存储器芯片的存储器以及读取天线的阻抗的装置的组合。“写入器/读取器”的另一个术语是“询问器”。
按照本文公开的实施例，描述用于感测蒸汽、蒸汽混合物、化学和生物种类的LCR或RFID传感器。如前所述，RFID传感器包括涂敷有与LCR电路不同的性质的温度相关响应系数的感测材料的RFID标签。在一个实施例中，可采用无源RFID标签。大家会意识到，RFID标签可包括与天线线圈连接供与写入器/读取器进行通信的IC存储器芯片。能够通过经由写入器/读取器所发送的射频(RF)和/或微波载波信号照射标签，来读取IC存储器芯片。当RF和/或微波场经过天线线圈时，在线圈上产生AC电压。在微芯片中对该电压整流，以便产生供微芯片操作的DC电压。IC存储器芯片在DC电压达到预定电平时开始起作用。通过检测从微芯片后向散射的RF和/或微波信号，能够完全识别微芯片中存储的信息。RFID标签/传感器与写入器/读取器之间的距离通过包括工作频率、RF和/或微波功率级、读取器/写入器的接收灵敏度、天线维度、数据速率、通信协议和微芯片功率要求的设计参数来管理。没有IC存储器芯片的“RFID传感器”(无芯片RFID传感器或LCR传感器或LCR换能器)与传感器读取器之间的距离通过包括工作频率、RF或微波功率级、传感器读取器的接收灵敏度和天线维度的设计参数来管理。
在一个实施例中，可采用带有或没有IC存储器芯片的无源RFID标签。有利地，无源RFID标签不依靠电池进行操作。但是，写入器/读取器与RFID标签之间的通信距离通常限制在接近距离之内，因为无源标签仅采用来自写入器/读取器的数微瓦RF功率进行操作。对于工作在13.56MHz的无源标签，读取距离通常不超过数厘米。13.56MHz无源RFID标签进行数字ID写入/读取的操作的典型频率范围是从13.553至13.567MHz。13.56MHz无源RFID传感器感测RFID传感器周围的环境变化的操作的典型频率范围是从大约5MHz至大约20MHz，更优选地是从10至15MHz。这个频率范围的要求是能够采用工作在13.56MHz的写入器/读取器来识别标签，同时RFID标签的传感器部分从5至20MHz进行操作。
将感测膜沉积到无源RFID标签上创建RFID化学或生物传感器。通过测量作为传感器周围的环境变化的函数的RFID传感器的阻抗的变化，来执行RFID感测，如下面进一步描述的。如果天线线圈的频率响应在沉积感测膜之后没有超过标签的操作的频率范围，则微芯片中存储的信息能够采用常规RFID写入器/读取器来识别。阻抗分析器(传感器读取器)能够读取天线线圈的阻抗，以便将阻抗的变化与感兴趣化学和生物种类相关，并且校正传感器周围的温度不稳定性。
在操作中，在采用化学敏感膜涂敷RFID标签之后，可测量标签天线的阻抗和数字标签ID两者。测量的数字ID提供与标签本身、例如这个标签与其附连的对象的识别以及传感器的性质(例如不同条件的校准曲线、制造参数、到期日期等)有关的信息。对于多成分检测，可确定来自单个RFID传感器的阻抗的测量的实部和虚部的多个性质，如下面进一步描述的。
总之，并且按照本文所述的实施例，为了实现在温度改变存在的情况下的分析物的检测，传感器应当呈现多个特性。首先，所选换能器应当包括多变量输出，以便独立检测不同环境参数对传感器的影响。其次，感测材料应当具有在大范围的温度变化上对分析物的响应的保存的幅值。对较小分析物浓度的响应不应当被较大温度变化完全抑制。第三，感测材料和换能器的温度影响响应是允许的，但是应当在换能器的多变量输出响应的不同方向中。
为了实现这些特性，在一个实施例中，感测材料具有对蒸汽的多个响应机制，其中，这些响应机制与感测材料的介电常数、电阻和膨胀的变化相关，其中这些变化彼此之间不是完全相关的，以及在暴露于单独蒸汽及其混合物时产生不同模式。此外，LCR换能器能够具有来自LCR电路的LCR响应的多个分量，其中LCR响应的这些多个分量源自影响换能器电路的不同因素，其作为非限制性示例包括材料电阻和电容、换能器与感测材料之间的接触电阻和电容以及换能器衬底与感测材料之间的电阻和电容。此外，LCR换能器能够具有LCR电路操作的多个条件，其中集成电路芯片是传感器电路的一部分。
因此，一种用于控制温度校正传感器响应的方法涉及对集成电路芯片供电，以便影响阻抗谱剖面。不同阻抗谱剖面基于与不同蒸汽以及化学和生物种类的交互来改变温度相关传感器响应。谐振天线上的IC芯片或IC存储器芯片包含整流器二极管，并且能够以不同功率级对它供电，以便影响传感器的阻抗谱剖面。在不同功率级的谱剖面中的差在FP、F1、F2、FZ、ZP、Z2、Z2的不同值以及C和R的计算的值中是显著的。在一个实施例中，通过适当选择IC芯片或IC存储器芯片操作的至少一个功率级来实现增强的温度无关传感器性能。在另一个实施例中，通过适当选择IC芯片或IC存储器芯片操作的至少两个功率级，并且分析不同功率级下的传感器的组合阻抗谱剖面，来实现增强的温度无关传感器性能。按照交替方式在较低与较高功率之间执行通过至少两个功率级对传感器供电。在比所测量环境参数的动态变化要快至少5倍的时标上执行通过至少两个功率级对传感器交替供电。在所有这些实施例中，以不同功率级进行供电处于从-50dBm至+40dBm的范围之内，并且提供实现温度无关传感器性能的能力。
通过改变集成电路芯片的操作功率以增强温度相关响应，来提供改进的温度无关LCR电路操作。具体来说，以传感器的集成电路芯片的操作的至少两个功率级来执行温度无关操作的传感器校准。传感器首先工作在略低的功率，因此集成电路芯片基本断开(功率处于大约-50dBm至-10dBm之间)，并且在分析物存在和不存在的情况下确定换能器和感测材料的温度相关系数。随后，传感器工作在略高的功率，因此集成电路芯片基本接通(功率处于大约-10dBm至+40dBm之间)，并且在分析物存在和不存在的情况下确定换能器和感测材料的温度相关系数。
现在来看附图，并先参照图1，提供感测系统10，以便示出利用其上涂敷有感测材料14的RFID传感器12进行的温度无关选择性蒸汽感测的原理。感测材料14具有介电常数和电阻性质的至少两个温度相关响应系数。简要地参照图2，传感器12是包括涂敷有感测材料14的电感器-电容器-电阻器结构(LCR)的谐振电路。LCR结构包括LCR电路的电感L、电容C和电阻R的性质的至少三个温度相关响应系数。LCR电路的性质的至少三个温度相关响应系数彼此相差至少大约5％。另外，感测材料14的性质的至少两个温度相关响应系数与LCR电路的性质的至少三个温度相关响应系数相差至少大约5％。将感测材料14施加到电极之间的感测区上，电极形成传感器天线18，它们构成谐振电路。正如下面进一步描述的，通过将感测材料14施加到谐振电路上，将改变电路的阻抗响应。传感器12可以是有线传感器或无线传感器。传感器12还可包括耦合到谐振天线18的存储器芯片16，其中谐振天线18耦合到衬底20。存储器芯片16可包括其上存储的制造数据、用户数据、校准数据和/或其它数据。存储器芯片16是集成电路装置，并且包括使用互补金属氧化物半导体(CMOS)过程所制造的RF信号调制电路以及非易失性存储器。RF信号调制电路组件包括二极管整流器、电源电压控制、调制器、解调器、时钟发生器和其它组件。
图3示出由参考标号21所表示的传感器12的一备选实施例，其中包括感测材料14的补充传感器23附连跨过天线18和集成电路(IC)存储器芯片16，以便改变传感器阻抗响应。在另一个实施例中(未示出)，补充传感器可附连跨过没有IC存储器芯片的天线，并且改变传感器阻抗响应。补充传感器的非限制性示例是彼此交叉传感器、电阻传感器和电容传感器。在标题为“Methods and systems forcalibration of RFID sensors”的美国专利申请序号12/118,950中描述了补充传感器，通过引用将其结合到本文中。
在一个实施例中，可采用13.56MHz RFID标签。在感测系统10的操作期间，可获取传感器天线18的阻抗Z(f)以及存储器芯片16上存储的数字传感器校准参数。再次参照图1，天线18的谐振阻抗Z(f)的测量以及来自存储器芯片16的数字数据的读取/写入经由RFID传感器天线18与读取器24的拾取线圈22之间的互感耦合来执行。如图所示，读取器24可包括RFID传感器阻抗读取器26和集成电路存储器芯片读取器28。RFID传感器12与拾取线圈22之间的交互能够使用通用互感耦合电路模型来描述。该模型包括拾取线圈22的固有阻抗ZC和传感器12的固有阻抗ZS。互感耦合M和固有阻抗ZC、ZS通过跨过拾取线圈22的端子的总测量阻抗ZT来相关，如下式所表示：
ZT＝ZC+(ω2M2/ZS)        (1)
其中，ω是弧度载波频率，以及M是互感耦合M系数。
经由监测由天线18(图2)中生成的电磁场所探测的感测材料14的性质的变化，来执行感测。在通过拾取线圈22读取RFID传感器12时，在传感器天线18中生成的电磁场从传感器12的平面伸出，并且受到周围环境的介电性质影响，从而提供测量物理参数、化学参数和生物参数的机会。
经由监测由补充传感器23(图3)中生成的电磁场所探测的感测材料14的性质的变化，来执行感测。在通过拾取线圈22读取RFID传感器12时，在补充传感器23中生成的电磁场从补充传感器23的平面伸出，并且受到周围环境的介电性质影响，从而提供测量物理参数、化学参数和生物参数的机会。
图4示出按照本发明的实施例的示范RFID传感器12的所测量响应的一示例，其中包括传感器的全阻抗谱和若干单独测量的谱参数。为了使用单个RFID传感器、如RFID传感器12来有选择地检测若干蒸汽或流体，从涂敷有感测材料的传感器天线18来测量阻抗谱Z(f)＝Zre(f)+jZim(f)的实部Zre(f)和虚部Zim(f)，并且从所测量Zre(f)和Zim(f)来计算至少四个谱参数，如图4的曲线30所示。能够计算7个谱参数，如图4的曲线30所示。这些参数包括Zre(f)的频率位置FP和幅值ZP、Zim(f)的谐振频率F1和反谐振频率F2、分别在F1和F2频率的阻抗幅值Z1和Z2以及零电抗频率FZ。还可计算诸如质量因数之类的附加参数。从所测量参数，还可确定感测膜涂敷的谐振天线18的电阻R、电容C和其它参数。多变量分析可用于将阻抗响应的维数从阻抗谱的所测量实部Zre(f)和虚部Zim(f)或者从所计算参数FP、ZP、F1和F2以及可能的其它参数降低到多维空间中的单个数据点，供有选择地量化不同蒸汽或流体，这是本领域技术人员将会意识到的，并且下面将进一步描述。
用于痕量分析物检测的实际传感器中的阻抗光谱的公认限制包括较低灵敏度以及对大频率范围的极长获取时间。本文所述的实施例通过将材料放到谐振LCR传感器电路的电极上，来增强测量感测材料的性质的变化的能力。类似地，所公开的实施例增强测量谐振LCR传感器电路的电极附近的流体的性质的变化的能力。实验测试检验了改变具有和没有谐振器的感测电极上的介电常数的效果。与常规阻抗光谱相比，裸谐振LCR传感器提供了对最小测量范围Δε的信噪(SNR)的至少100倍增强，其中具有介电常数确定的检测极限的相应改进。
如使用多变量分析工具所分析的LCR传感器的性能提供对单独传感器的单独响应的处理的改进选择性的优点。具体来说，测试结果表明，与呈现更大变化的多变量参数之间的关系相比，FP与ZP之间的关系以及计算的传感器电阻R与计算的传感器电容C之间的关系在对不同蒸汽或流体之间具有小许多的选择性，如下面详细论述的。此外，LCR传感器实验说明改进LCR传感器的多变量响应的总选择性的独立接触电阻和接触电容响应。这种选择性改进源自接触电阻和接触电容响应对传感器的等效电路响应的独立贡献。
诸如图1-3所示的传感器12和21之类的RFID传感器的多种组件各处理多种物理性质，例如但不限于热导率、热膨胀、弹性模数、电阻、阻抗等等。这类性质可受到温度变化影响。因此，性质的温度相关响应系数定义为温度改变固定量、如1摄氏度时的性质的相对变化。例如，该性质可随温度以线性或多项式、对数或指数方式而改变。一些性质可随温度而增加，而其它性质可随温度而降低。例如，阻抗的温度相关响应系数在感测材料14与RFID传感器12或21的另一个组件(例如但不限于存储器芯片16、天线18、衬底20、线圈22、集成电路(IC)芯片、换能器或膜)之间可以不同。换言之，感测材料14的阻抗可随温度以不同于RFID传感器12或21的其它组件的方式而改变。例如，对于1摄氏度的温度变化，感测材料14的阻抗可增加1欧姆。相比之下，对于1摄氏度的相同温度变化，RFID传感器12或21的天线18的阻抗可增加0.8欧姆。因此，阻抗的两个温度相关响应系数之间的百分比差大约为22％。在多种实施例中，LCR电路和感测材料14的性质的温度相关响应系数的绝对值可在大约0.5％至500％、2％至100％或5％至50％之间。基于LCR电路和感测材料14的温度相关响应系数的差，RFID传感器12或21可与温度基本无关地从被分析流体混合物中有选择地检测分析物流体。
图5是示出用于使用RFID传感器12或21来分析在可变温度存在的情况下的蒸汽的示范过程的流程图40，其中感测材料14和RFID传感器12或21的其它组件的阻抗的温度相关响应系数不相同。在下列步骤中，RFID传感器12或21的测量的阻抗的多变量分析用于提供温度相关蒸汽响应。在第一步骤42，RFID传感器12或21经由监测由天线18中生成的电磁场所探测的感测材料14的性质的变化来执行感测，如以上详细描述的。在第二步骤44，发生影响RFID天线电路和感测材料14的阻抗的温度波动。但是，RFID天线电路和感测材料14的阻抗由于RFID天线电路和感测材料14的阻抗的温度相关响应系数的差而非受到相等影响。另外，RFID天线电路和感测材料14的阻抗的温度相关响应系数的差影响谐振天线的测量的阻抗谱。在第三步骤46，RFID传感器12或21感测待量化蒸汽的浓度的变化。温度波动可在第三步骤46继续发生。在第四步骤48，RFID传感器12或21测量谐振天线的阻抗谱。可从阻抗谱的测量的实部和虚部来计算若干谱参数，如以上详细描述的。在第五步骤50，执行全阻抗谱或者计算的谱参数的多变量分析，如下面详细描述的。
在第六步骤52，得到RFID传感器12或21的存储器芯片16中存储的适当多变量校准值或校准系数。校准系数在RFID传感器12或21的实验测试期间确定。例如，RFID传感器12或21用于在若干温度感测改变的蒸汽浓度。然后，PCA或者任何其它多变量分析方法或者方法的组合可用于产生所测量温度的每个的响应曲线。确定最好地对应于每个响应曲线的最佳拟合曲线，并且确定诸如多项式函数之类的函数，以便以数学方式来表示最佳拟合曲线。各函数包括表征该函数的若干数值系数。然后，这些系数用作校准系数，它们例如可作为查找表存储在存储器芯片16中。在操作期间，由RFID传感器12或21所感测的蒸汽的浓度和/或温度可能没有对应于实验浓度或温度之一。但是，使用查找表中的实验确定的校准系数，可生成最好地表示在所感测浓度和温度的蒸汽的预测行为的内插函数(即，响应曲线)。
在第七步骤54，RFID传感器12或21基于在第五步骤50所执行的多变量分析以及在第六步骤52所确定的响应曲线与可变温度无关地量化蒸汽的浓度。具体来说，将第五步骤50的多变更分析的结果代入在第六步骤52所确定的内插函数，以便计算蒸汽浓度。计算的蒸汽浓度是准确的，因为在流程图40的先前步骤已经考虑可变温度对RFID传感器12或21的影响。如流程图40所示，不需要独立温度传感器，因为单独RFID传感器12或21能够基于所测量阻抗值的多变量分析来提供温度无关蒸汽响应。因此，RFID传感器12可以比使用独立温度传感器的其它传感器系统更小、成本更低、更简单和/或更加可靠。
在LCR谐振传感器的感测区上可有利地使用多种感测材料，因为感测材料膜的分析物感应变化通过材料电阻和电容、换能器与感测材料之间的接触电阻和电容以及换能器衬底与感测材料之间的电阻和电容中的变化来影响天线LCR电路的阻抗。这类变化提供单独RFID传感器的响应的多样性，并且提供采用单个LCR或RFID传感器取代常规传感器的整个阵列的机会。
所公开LCR和RFID传感器的感测膜可包括多种材料，只要环境变化是通过谐振LCR电路参数的变化可检测的。另外，感测膜的性质的温度相关响应系数与LCR电路的性质的温度相关响应系数不同，如以上详细描述的。可能的感测膜材料的非限制性示例是诸如聚(2-甲基丙烯酸羟)之类的水凝胶、诸如高氟化离子交换树脂之类的磺化聚合物、诸如硅酮胶之类的粘合聚合物、诸如溶胶-凝胶膜之类的无机膜、作为膜所沉积的诸如DNA、抗体、肽或其它生物分子之类的含生物膜、作为无机或聚合膜、合成膜、纳米合成膜、官能化(functionalized)碳纳米管膜或者由表面官能化金纳米粒子、静电纺聚合、无机和合成纳米纤维以及具有一个介电性质并且结合在具有另一个介电性质的基体中的纳米粒子所组成的膜的一部分沉积的诸如DNA、抗体、酶、肽、聚糖、蛋白质、适体或其它生物分子或病毒、孢子、细胞之类的含生物膜。
感测材料能够选择成具有从大约2至大约40的范围的不同介电常数。非限制性示例包括聚异丁烯(PIB，ε’r＝2.1)、乙基纤维素(EC，ε’r＝3.4)、聚表氯醇(PECH，ε’r＝7.4)、氰丙基甲基苯甲基硅酮(cyanopropyl methyl phenylmethyl silicone)(OV-275，ε’r＝33)。这些材料的使用提供在暴露于不同介电常数的蒸汽时适应感测响应的相对方向的能力。蒸汽到这些或其它感测材料中的不同分配系数进一步调制响应的多样性和相对方向。
“合成物”是由具有在成品结构中在宏观水平上保持独立和不同的明显不同物理或化学性质的两种或更多组成材料所构成的材料。例如，两种或更多组成材料可具有诸如阻抗之类的性质的不同温度相关响应系数。合成物的非限制性示例包括具有聚(4-乙烯基苯酚)、聚(苯乙烯共丙烯醇)(poly(styrene-co-allyl alcohol)、聚(氯乙烯-共醋酸乙烯酯)和其它材料的碳黑合成物。“纳米合成物”是由具有在成品结构中在纳米级水平上保持独立和不同的明显不同物理或化学性质的两种或更多组成材料所组成的材料。纳米合成物的非限制性示例包括：具有聚合物(例如聚(N-乙烯吡咯烷酮)、聚碳酸酯、聚苯乙烯等)的碳纳米管纳米合成物；具有聚合物、金属氧化物纳米线和碳纳米管的半导电纳米晶体量子点纳米合成物；采用碳纳米管官能化的金属纳米粒子或纳米簇(nanocluster)。
感测材料呈现分析物响应，这能够通过LCR或RFID传感器的三个响应机制的一个或多个来描述，例如电阻变化、介电常数变化和膨胀变化。能够构成结合了各通过显著不同的响应机制对分析物进行响应的多个不同单独感测材料的合成感测材料。这类合成感测材料产生多变量响应中增强多样性。这类合成感测材料可在LCR谐振器的特定部分之上同质或异质地混合或者局部形成图案。
例如，大范围的金属氧化物半导体材料(例如，ZnO、TiO2、SrTiO3、LaFeO3等)在暴露于分析物气体时呈现电阻的变化，但是某些混合金属氧化物(例如CuO-BaTiO3、ZnO-WO3)在暴露于分析物蒸汽时改变其电容率/电容。通过将这些材料结合为混合物，或者通过空间分离沉积到同一传感器上，它们对传感器周围的局部环境的独立贡献用于增强单个分析物的响应机制的多样性，因而增强选择性。
作为又一个示例，配体涂敷导电(例如，金属)纳米粒子由于它们因分析物吸收到配体壳中所感应的局部膨胀引起的电阻的强变化以及相邻导电纳米粒子之间的隧穿效率的后续变化以及这些导电纳米粒子之间的环境的介电常数变化而用作蒸汽感测材料。与介电聚合物(非限制性示例包括硅酮、聚(醚氨酯(etherurethane))、聚异丁烯硅酮氟代醇等)、共轭聚合物(聚苯胺、聚噻吩、聚(乙烯二茂铁)、聚(芴-二苯基丙烷)、聚(3，4-乙烯二氧噻吩)、聚吡咯、二吡咯(bilypyrrole))或者以电容或电阻的更突出变化来响应分析物吸收的任何其它材料(非限制性示例包括卟啉、金属卟啉、金属酞青、碳纳米管、半导电纳米晶体、金属氧化物纳米线)结合，形成具有更宽分析物响应的传感器。
此外，为了避免全异材料在合成感测材料中彼此之间的潜在有害影响(例如，高介电常数介质抑制导电填充材料的导电)，这些材料成分选择成因亲水/疏水交互或彼此不溶混性而局部相分离，从而允许不同机制在各成分中是活性的，以便由传感器感测。在另一个实施例中，合成感测材料能够形成为彼此相邻沉积到单个传感器上的单独材料的扇区。在另一个实施例中，合成感测材料能够形成为彼此重叠沉积到单个传感器上的单独材料的层。
在某些实施例中，感测材料可以是卟啉、金属卟啉、金属酞青和相关大环。在这些材料中，气体感测通过气体到扁平大环的有机化层的π堆积或者通过对金属中心的气体配位而没有空腔包含来实现。金属卟啉提供气体响应的若干机制，包括氢接合、极化、极性交互、金属中心配位交互和分子排列。卟啉、金属卟啉、金属酞青和相关大环的分子也能够组装到纳米结构中。
进一步类型的材料包括其中对齐通过多种已知方法(介电泳对齐、材料聚合期间的对齐、因空间限制引起的对齐、慢溶剂蒸发期间的对齐等等)来执行的对齐纳米结构、自组装结构(例如，相同大小的粒子的胶体晶体结构、其中不同层具有不同大小的组装粒子的多层胶体晶体膜、其中粒子具有带一个介电性质的粒子核和另一个介电性质的粒子壳的核-壳结构的纳米粒子组装)、仿生(bio inspired)材料、零维纳米材料、一维纳米材料、二维纳米材料和三维纳米材料。
自组装结构包括相同大小的粒子胶体晶体结构、其中不同层具有不同大小的组装粒子的多层胶体晶体膜、其中粒子具有带一个介电性质的粒子核和另一个介电性质的粒子壳的核-壳结构的纳米粒子组装。自组装胶体晶体结构的材料的非限制性示例包括聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚甲基苯乙烯、苯乙烯/丁二烯共聚物、苯乙烯/甲苯乙烯共聚物和硅石。这些胶体粒子的典型直径取决于材料的类型，并且范围可从50纳米至25微米。具有多层的胶体晶体结构的非限制性示例包括作为胶体阵列组装到传感器衬底上的至少一层一种大小的粒子以及作为胶体阵列组装到前一层上面的至少一层另一种大小的粒子。仿生材料的非限制性示例包括超疏水或超亲水涂层。
零维纳米材料的非限制性示例包括金属纳米粒子、介电纳米粒子、核-壳纳米粒子和半导电纳米晶体。一维纳米材料的非限制性示例包括纳米管、纳米线、纳米棒和纳米纤维。二维纳米材料的非限制性示例包括石墨烯。三维纳米材料的非限制性示例包括若干层胶体球体的自组装膜。
具有带一个介质性质的粒子核和另一个介电性质的粒子壳的核-壳结构的纳米粒子的非限制性示例包括：金属(金、银、它们的合金等)核纳米粒子和有机壳层(十二烷硫醇、癸烷硫醇、1-丁硫醇、2-乙基己硫醇、己硫醇、叔十二硫醇、4-甲氧基-甲苯硫醇、2-巯基苯并恶唑、11-巯基-1-十一醇、6-羟基己硫醇)；聚合的(聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯)和无机壳(硅石)；隔离核(聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、硅石)和半导电壳(碳纳米管、TiO2、ZnO、SnO2、WO3)以及点缀有金属纳米粒子的碳纳米管核。金属(金、银、它们的合金等)核纳米粒子的纳米粒子和有机壳层能够采用有机和聚合分子进一步改进。有机分子的非限制性示例包括卟啉、金属卟啉、金属酞青和大环、穴状配体、超分子化合物。聚合分子的非限制性示例包括具有范围从2至40的不同介电常数的聚合分子。非限制性示例包括聚异丁烯(PIB，ε’r＝2.1)、乙基纤维素(EC，ε’r＝3.4)、聚表氯醇(PECH，ε’r＝7.4)、氰丙基甲基苯甲基硅酮(OV-225，ε’r＝11)、双氰烯丙基硅酮(OV-275，ε’r＝33)。制造这些感测材料的非限制性示例包括：(1)在溶剂中制备具有有机壳的金属核纳米粒子，(2)在溶剂中将这个组成与聚合或有机分子的另一个组成混合，以及(3)在LCR或RFID换能器上由这个组合混合物来制作感测膜。这些材料与金属核纳米粒子结合使用提供在暴露于不同介电常数的蒸汽时适应感测响应的相对方向的能力。蒸汽到这些或其它感测材料中的不同分配系数进一步调制响应的多样性和相对方向。
其它感测材料包括半导电金属氧化物、沸石、穴状配体、离子液体、液晶、冠醚、酶、聚倍半硅氧烷、金属有机骨架(MOF)。
其它感测材料包括具有不同聚合物侧基官能度和不同聚合物配方的合成介电和导电聚合物；气相感测的生物分子；具有主导腔内配位的穴状配体以及穴状配体沉积所提供的蒸汽的总抑制非特定腔外吸收；卟啉和作为单独分子并且组装到聚合物和纳米结构中的相关分子。
为了进一步改进温度校正响应，可执行采用辅助隔膜过滤膜的感测膜的涂覆。这些过滤膜的非限制性示例包括沸石、金属有机骨架和穴状配体过滤器。
在LCR或RFID谐振传感器的感测区上提供作为非限制性示例示出的这些多种感测材料，因为感测材料膜的分析物感应变化通过材料电阻和电容、换能器与感测材料之间的接触电阻和电容以及换能器衬底与感测材料之间的电阻和电容的变化来影响天线LCR电路的阻抗。这类变化提供单独RFID传感器的响应的多样性，并且提供采用单个LCR或RFID传感器取代常规传感器的整个阵列的机会，如下面针对实验数据进一步说明的。
实验数据
诸如以上所述之类的谐振天线结构用于证明所公开技术。通过常规绘涂、滴定涂敷和喷涂过程，将多种感测材料施加到谐振天线上。RFID传感器的阻抗的测量例如采用网络分析器(型号为E5062A，Agilent Technologies，Inc.，圣克拉拉，加利福尼亚州)、在计算机控制下使用Lab VIEW来执行。网络分析器用于扫描感兴趣范围(即，LCR电路的谐振频率范围)的频率，并且收集来自RFID传感器的阻抗响应。通过将RFID传感器放入环境室中，并且以大约0.1摄氏度的准确性和精度控制温度，来产生温度变化。
对于气体感测，使用内部构建的计算机控制蒸汽发生系统来产生不同的蒸汽浓度。所收集的阻抗数据使用Excel(MicroSoft Inc.，西雅图，华盛顿州)或者KaleidaGraph(Synergy Software，里丁，宾夕法尼亚州)以及与Matlab(The Mathworks Inc.，内蒂克，马萨诸塞州)配合操作的PLSToolbox(Eigenvector Research，Inc.，曼森，华盛顿州)。
示例。采用单个传感器在不同温度下精确检测湿度水平
如图6-11所示，得到测试结果，以便证明使用单个传感器(例如，上述传感器12)在若干不同温度处准确检测水蒸汽。这类测试结果可用于生成以上针对图5所述的校准系数。如图6、图7和图9所示，传感器在下列温度下暴露于变化的水蒸汽浓度：25摄氏度、30摄氏度、35摄氏度和40摄氏度。被测水蒸汽浓度大约为0ppm、2807ppm、4210ppm、5614ppm、7017ppm和8421ppm。
用于涂敷RFID标签的感测材料仔细选择并且提供在四个温度下准确检测水蒸汽浓度的能力。在本实验中，所选择的感测材料是在诸如二氯甲烷之类的无极溶剂中溶解的聚(醚氨酯)(PEUT)。在实验期间，RFID传感器在四个温度的每个下递增地暴露于多种水蒸汽浓度。具体来说，通过将传感器定位在具有计算机控制温度编程的环境室中，来执行测量。使用具有计算机控制蒸汽浓度编程的蒸汽发生系统来执行不同水蒸汽浓度的生成。测试分步骤进行，其中，水蒸汽的浓度随各步骤而增加。通过监测某些性质的变化并且检查对四个温度以及增加的浓度水平的多种响应，数据证明在上述实验中与温度无关地准确量化水蒸汽浓度的能力。
图6和图7示出当RFID传感器用于测量蒸汽(即，这个示例中的水蒸汽)时对RFID传感器的单独响应的温度影响的示例。图表55和56示出涂敷有膜的传感器在暴露于大约0、2807、4210、5614、7017和8421ppm的水蒸汽浓度时的电容响应C与电阻响应R的显著温度相关。换言之，电容和电阻响应相对于温度而变化。在图8中，相对于涂敷有膜的传感器在暴露于大约0、2807、4210、5614、7017和8421ppm的水蒸汽浓度时对于大约25、30、35和40摄氏度的不同温度的电阻响应R来绘制电容响应C。图8中的各线条对应于在不同温度下的特定水蒸汽浓度的传感器响应。例如，实线圆圈对应于在四个温度下对8421ppm的水蒸汽的传感器响应。线条的左上部对应于40摄氏度的响应，而线条的右下部对应于25摄氏度的响应。图8示出温度显著影响电容与电阻响应之间的关系。因此，难以基于图8来区分温度与水蒸汽浓度影响。但是正如下面所述，通过应用传感器响应的多变量分析，得到区别温度与蒸汽浓度影响的显著改进。
分析传感器的多种响应的一种便利方式是使用主成分分析(PCA)来产生多变量签名。大家将会意识到，PCA分析是本领域技术人员已知的用于将多维数据集减小到更低维供分析的数学过程。例如，在给定浓度的各蒸汽的多种响应可减小到单个数据点，并且由此可鉴别可表示为向量的各蒸汽的单个响应，如图9所示。图9表示在上述四个温度处的六种水蒸汽浓度的多种响应的PCA曲线60。水蒸汽浓度沿箭头方向62增加。换言之，在最高水蒸汽浓度、即8421ppm的结果出现在曲线60的左侧附近，而在0ppm的最低浓度的结果出现在曲线60的右侧附近，其中在0ppm的结果对四个温度重叠到单个数据点。大家将会意识到，FACTOR 1(因素1)表示具有最大变化的响应，而FACTOR 2(因素2)表示具有次最大变化的响应。与图8相比，图9中表示不同蒸汽浓度的线条分得更开，从而表明通过多变量分析使区别温度与蒸汽浓度影响的改进是可能的。如图9所示，虽然水蒸汽浓度在25摄氏度比在40摄氏度显示相对于FACTOR 1的更大变化，但是在四个温度的结果可以清楚地加以区分。因此，按照多种实施例的传感器能够校正这些温度影响，以便提供准确的水蒸汽浓度信息。具体来说，可对四个温度的每个形成最佳拟合曲线和对应函数。这些函数的系数则可用作以上详细描述的校准系数。相应地，本测试数据提供对能够与温度无关地鉴别水蒸汽浓度的传感器的支持。
使用基于在实验温度所收集的数据的函数和校准系数，可外推或内插温度对其它温度下的传感器测量的影响。例如，可以能够外推25摄氏度与30摄氏度之间的水蒸汽浓度。这种附加外推数据还可用于有选择地检测其它温度下的水蒸汽浓度。此外，通过改变所选择的感测材料，利用单个RFID传感器已经证明在除了以上所述之外的温度和浓度有选择地检测除了水之外的蒸汽。
可生成其它曲线，以便进一步示出对单个RFID传感器所收集的实验数据如何用于与温度无关地量化水蒸汽浓度。例如，来自图9的数据用于生成图10的左侧所示的与水蒸汽浓度相比所形成的二次模型的FACTOR 1和FACTOR 2的多变量响应曲线70。换言之，形成二次模型以表示图9所示的PCA曲线60的结果。在以上详细描述的多种条件下的水蒸汽浓度的预测值使用二次模型来计算，并且与图10的曲线72中的实际测量值进行比较。如图10的曲线72所示，点靠近与一的斜率对应的线条。例如，二次模型的标准误差大约为212ppm的水蒸汽(即，0.7％相对湿度)。因此，预测值与实际值密切相关，从而证明示范传感器和方法的可预测性。
类似地，来自图9的数据用于生成图11的左侧所示的与水蒸汽浓度相比所形成的三次模型的FACTOR 1和FACTOR 2的多变量响应曲线80。换言之，形成三次模型以表示图9所示的PCA曲线60的结果。在以上详细描述的多种条件下的水蒸汽浓度的预测值使用三次模型来计算，并且与图11的曲线82中的实际测量值进行比较。如图11的曲线82所示，点靠近与一的斜率对应的线条。例如，二次模型的标准误差大约为188ppm的水蒸汽(即，0.63％相对湿度)。因此，如同图10的二次模型一样，预测值与实际值密切相关，再次证明示范传感器和方法的可预测性。在其它实施例中，也可使用除了二次和三次模型之外的其它多项式模型。
虽然本文仅说明和描述了本发明的某些特征，但本领域技术人员会想到多种修改和变更。因此要理解，所附权利要求预计涵盖落入本发明的真实精神之内的所有这类修改和变更。

Claims (22)

1.一种传感器，包括：
谐振电感器-电容器-电阻器(LCR)电路；
设置在感测区之上的感测材料，其中，所述感测区包括所述LCR电路的至少一部分，并且其中，所述LCR电路和所述感测材料的电感L、电容C和电阻R的性质的温度相关响应系数彼此相差至少大约5％，并且其中所述LCR电路和所述感测材料的所述性质的所述温度相关响应系数的差使所述传感器能够与温度基本无关地从被分析流体混合物中有选择地检测分析物流体。
2.如权利要求1所述的传感器，其中，所述传感器没有包括独立温度传感器。
3.如权利要求1所述的传感器，包括存储器芯片，其中所述存储器芯片包括基于所述LCR电路和所述感测材料的所述性质的所述温度相关响应系数的所述差的校准系数。
4.如权利要求1所述的传感器，其中，所述传感器包括RFID传感器。
5.如权利要求1所述的传感器，其中，LCR电路中包括衬底、线圈、存储器芯片、集成电路(IC)芯片、换能器、或感测材料膜，其中所述衬底、线圈、存储器芯片、集成电路(IC)芯片、换能器、或感测材料膜的性质的温度相关响应系数彼此不同。
6.如权利要求1所述的传感器，其中，LCR电路中包括衬底、线圈、存储器芯片、集成电路(IC)芯片、换能器、和感测材料膜，其中所述衬底、线圈、存储器芯片、集成电路(IC)芯片、换能器、和感测材料膜的性质的温度相关响应系数彼此不同。
7.如权利要求1所述的传感器，其中，所述感测材料包括合成介电聚合物、共轭聚合物、合成导电聚合物、聚合物配方、生物分子、穴状配体、单层保护金属纳米粒子、具有有机配体壳的金属纳米粒子核、卟啉、酞菁、碳黑粒子、碳纳米管及其组合。
8.如权利要求1所述的传感器，其中，所述LCR电路包括天线，其中所述天线和所述感测材料的性质的温度相关响应系数彼此不同。
9.如权利要求1所述的传感器，其中，所述LCR电路包括补充传感器，其中所述补充传感器和所述感测材料的性质的温度相关响应系数彼此不同。
10.如权利要求1所述的传感器，其中，所述感测材料设置在所述LCR电路的电极之间。
11.如权利要求1所述的传感器，其中，所述传感器配置为一次性传感器。
12.一种检测流体中的化学或生物种类的方法，包括：
测量涂敷有感测材料的谐振传感器天线的阻抗谱的实部和虚部，其中所述谐振传感器天线和所述感测材料的性质的温度相关响应系数彼此不同；
在多个温度下计算涂敷有所述感测材料的所述谐振传感器天线的至少6个谱参数；
使用多变量分析将所述阻抗谱减小到单个数据点，以有选择地识别分析物；以及
使用存储的校准系数从所述阻抗谱确定一个或多个环境参数，其中所述一个或多个环境参数的所述确定与温度基本无关。
13.如权利要求12所述的方法，其中，所述存储的校准系数基于所述谐振传感器天线和所述感测材料的所述性质的不同温度相关响应系数对所述阻抗谱的影响。
14.如权利要求12所述的方法，其中，测量所述阻抗谱并且计算至少6个谱参数包括在所述谐振传感器天线的谐振频率范围上进行测量。
15.如权利要求12所述的方法，其中，计算至少6个谱参数包括计算所述阻抗谱的所述实部的频率位置以及所述阻抗谱的所述实部的幅值。
16.如权利要求12所述的方法，其中，计算至少6个谱参数包括计算所述阻抗谱的所述虚部的谐振频率以及所述阻抗谱的所述虚部的反谐振频率。
17.如权利要求12所述的方法，其中，将所述阻抗谱减小到单个数据点包括计算多变量签名。
18.如权利要求12所述的方法，包括在多个功率级操作集成电路芯片，使得谐振电感器-电容器-电阻器(LCR)电路操作在多种条件下。
19.如权利要求18所述的方法，其中，在所述多个条件下的所述LCR电路的操作改进所述一个或多个环境参数的温度无关确定。
20.一种制造传感器的方法，包括：
组装包括谐振电感器-电容器-电阻器(LCR)电路的换能器，其中所述换能器包括所述LCR电路的电感L、电容C和电阻R的性质的至少三个温度相关响应系数，其中所述LCR电路的所述性质的所述至少三个温度相关系数响应彼此相差至少大约5％；
选择感测材料，其包括所述感测材料的介电常数和电阻性质的至少两个温度相关响应系数，其中所述感测材料的所述性质的所述至少两个温度相关响应系数与所述LCR电路的所述性质的所述至少三个温度相关响应系数相差至少大约5％；
将所述感测材料设置在感测区之上，其中所述感测区包括所述LCR电路的至少一部分。
21.如权利要求20所述的方法，其中，所述性质的第一温度相关响应系数和第二温度相关响应系数的差使所述传感器提供基本温度无关的感测。
22.如权利要求20所述的方法，其中，所述传感器配置成在多个温度下对所述换能器的谐振频率范围获取阻抗，并且使用基于所述性质的第一温度相关响应系数和第二温度相关响应系数的差的存储的校准系数从所述多个温度下所获取的阻抗谱来计算多变量签名。
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