CN107110673A - 具有基于射频的传感器的一次性多变量感测装置 - Google Patents

具有基于射频的传感器的一次性多变量感测装置 Download PDF

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Abstract

提供用于感测设置在容器中的过程流体的一个或多个参数的多变量感测装置。多变量感测装置包含基于射频的传感器，其配置成感测表示过程流体的物理参数、化学参数、生物参数或者其组合。基于射频的传感器包含传感器衬底、设置在传感器衬底的至少一部分上的射频线圈以及配置成在物理上耦合到容器的支承结构。此外，支承结构配置成将基于射频的传感器定位成操作接近容器的内部。

Description

具有基于射频的传感器的一次性多变量感测装置
背景技术
本发明涉及感测装置，以及更具体来说涉及多变量感测装置。
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监测和检测(例如对容器的内容的未经授权访问)。一般来说，RFID读取器用来从RFID标签得到数字数据以供这种自动识别。数字数据可包含例如标签的数字标识或者RFID标签的存储器芯片中写入和/或存储的任何其他信息。RFID标签在不同时间以传送功率的不同的相对级来传送电磁信号。由RFID读取器所接收的信号结合来自RFID标签的传送相对功率级的所接收信号用来定位RFID标签，并且从RFID标签(例如从RFID标签的存储器芯片或者背反射器结构)读取数字标识信息。
此外，基于射频的传感器用于感测样本中的物理、化学和生物组分。此外，基于射频的传感器是成本有效的，并且易于结合在组件或系统中以用于测量组件或系统的物理、化学或生物组分。通常，来自基于射频的传感器的模拟或传感器数据使用阻抗读取器来读取。此外，传感器数据借助于拾波线圈(其是基于射频的传感器的主要部分)来读取。
发明内容
按照本说明书的方面，提供一种用于感测设置在容器中的过程流体的一个或多个参数的多变量感测装置。多变量感测装置包含基于射频的传感器，其配置成感测表示过程流体的物理参数、化学参数、生物参数或者其组合。基于射频的传感器包含传感器衬底、设置在传感器衬底的至少一部分上的射频线圈以及配置成在物理上耦合到容器的支承结构。此外，支承结构配置成将基于射频的传感器定位成操作接近容器的内部。
按照本说明书的另一方面，提供一种具有多变量感测装置、传感器读取器和拾波线圈的多变量感测系统。多变量感测装置配置用于感测设置在容器中的过程流体的一个或多个参数。多变量感测装置包含基于射频的传感器，其配置成感测表示过程流体的物理参数、化学参数、生物参数或者其组合。此外，基于射频的传感器包含传感器衬底、设置在传感器衬底的至少一部分上的射频线圈以及配置成在物理上耦合到容器的支承结构。此外，支承结构配置成将基于射频的传感器定位成操作接近容器的内部。传感器读取器配置成向基于射频的传感器传送询问射频信号，并且从基于射频的传感器接收响应信号。此外，拾波线圈在操作上耦合到基于射频的传感器和传感器读取器。而且，拾波线圈配置成从基于射频的传感器接收响应信号，并且向传感器读取器传送响应信号。
按照本说明书的又一方面，提供一种设置在容器中的过程流体的多变量感测的方法。该方法包含将基于射频的传感器在操作上耦合到支承结构，以形成多变量感测装置。此外，基于射频的传感器包含传感器衬底以及设置在传感器衬底的至少一部分上的射频线圈。该方法还包含将多变量感测装置在操作上耦合到容器，提供操作上耦合到基于射频的传感器的传感器读取器，并且提供设置在支承结构外部的拾波线圈，以及将拾波线圈在操作上耦合到基于射频的传感器。此外，该方法包含从容器感测一个或多个参数，使用拾波线圈向传感器读取器传送与一个或多个测量有关的数据，并且确定与设置在容器中的过程流体关联的一个或多个参数。
附图说明
在参照附图阅读下面详细描述时，将变得更好地理解本发明的这些及其他特征、方面和优点，附图中，相似字符在附图中通篇表示相似部件，附图包括：
图1是按照本说明书的方面的具有设置在支承结构中的基于射频的传感器的多变量感测装置的截面图；
图2是按照本说明书的方面的具有设置在支承结构中的基于射频的传感器的多变量感测装置的截面图，其中支承结构包含机械挡块（stopper）；
图3是按照本说明书的方面的设置在容器上的多变量感测装置的顶视图；
图4是按照本说明书的方面的采用具有多个基于射频的传感器和存储器芯片的多变量感测装置的多变量感测系统的示意表示；
图5是按照本说明书的方面的在操作上耦合到具有过程流体的容器的示范多变量感测装置的示意表示，其中多变量感测装置包含具有感测线圈、传感器衬底和保护层的基于射频的传感器；
图6是按照本说明书的方面的在操作上耦合到具有过程流体的容器的示范多变量感测装置的示意表示，其中多变量感测装置包含具有感测线圈和传感器衬底的基于射频的传感器，并且其中传感器衬底配置成与设置在容器中的过程流体物理接触；
图7是按照本说明书的方面的多变量感测装置的使用方法的示范流程图；
图8是按照本说明书的方面的基于射频的传感器的测量模拟响应的实部和虚部的图形表示；
图9-10是按照本说明书的方面的使用具有不同厚度值的保护层的个别基于射频的谐振传感器在宽动态范围内水溶液的电导率的测量的图形表示；
图11是按照本说明书的方面的作为保护层的不同厚度值的函数的基于射频的传感器的灵敏度的图形表示；以及
图12-13是按照本说明书的方面的使用具有个别基于射频的传感器的传感器衬底的不同厚度值的个别基于射频的传感器在宽动态范围内水溶液的电导率的测量的图形表示。
具体实施方式
本说明书的实施例涉及采用一个或多个基于射频的传感器的一次性（disposable）多变量感测装置。在某些实施例中，多变量感测装置的一个或多个基于射频的传感器可用来感测容器、例如生物过程中使用的容器内部的一个或多个参数。此外，基于射频的传感器可配置成测量容器内部的多个参数，由此通过使基于射频的传感器能够感测多于一个参数将多变量性质归因于多变量感测装置。这类参数的非限制性示例可包含电导率、pH水平、温度、血液相关测量、离子测量、非离子测量、非导电率测量、电磁辐射水平测量、压力、蒸汽浓度、生物材料浓度、多相组成或者它们的任何组合。此外，在一个实施例中，一次性多变量感测装置可用于监测和控制在线制造。
在一些实施例中，一次性多变量感测装置实际上可以是至少部分一次性的。在一些其他实施例中，一次性多变量感测装置可包含可以是单次使用组件的一个或多个组件。具体来说，一个或多个单次使用组件在使用一次之后可以不是可使用的。此外，多变量感测装置的组件的一些或全部实际上可以是一次性的。如本文所使用的，术语“单次使用组件”表示在操作之后可重新调节以供再使用的组件。如本文所使用的，术语“一次性组件”表示可在使用之后被处置的组件。可注意，术语“多变量感测装置”和“一次性多变量感测装置”可在本申请中通篇可互换地使用。
在某些实施例中，本说明书的多变量感测装置包含基于射频的传感器，其配置成感测设置在容器中的过程流体的物理参数、化学参数、生物参数或者其组合。基于射频的传感器包含传感器衬底以及设置在传感器衬底的至少一部分上的射频线圈。此外，基于射频的传感器可设置在支承结构(其配置成在物理上耦合到容器)中。此外，支承结构配置成将传感器定位成操作接近容器的内部，以便使基于射频的传感器能够感测设置在容器中的内容的一个或多个参数。多变量感测装置还可包含存储器芯片，其在操作上耦合到基于射频的传感器和容器的至少一个。
在某些实施例中，多变量感测装置的基于射频的传感器可配置成感测设置在容器中的过程流体中的一个或多个参数、例如设置在容器中的流体的一个或多个参数。为了感测一个或多个参数，基于射频的传感器可配置成从传感器读取器接收询问信号。此外，基于射频的传感器配置成向传感器读取器传送响应信号。信号可由基于射频的传感器使用与传感器读取器的有线通信或无线通信来接收和/或传送。此外，询问信号可配置成激活基于射频的传感器，以发送容器或者设置在容器中的组分的一个或多个参数。
使用响应信号的模拟部分所测量的传感器参数的非限制性示例可包含阻抗谱、阻抗谱的实部、阻抗谱的虚部、阻抗谱的实部和虚部、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)及其幅值(Z1)、阻抗的虚部的反谐振频率(F2)及其幅值(Z2)或其组合。此外，也可测量的模拟信号的其他参数可包含质量因数、零交叉谐振频率等。在一个实施例中，个别参数(例如Fp、Zp)可用于定量测量。此外，个别测量参数的组合可使用众所周知的多变量技术(例如主成分分析、偏最小二乘、支持向量机以及许多其他)来处理。
在一个示例中，一次性多变量感测装置的基于射频的传感器可以是一次性的。在这个示例中，在操作之后，基于射频的传感器可从多变量感测装置的其余可再使用部分中去除。此外，基于射频的传感器可由另一个基于射频的传感器来取代。在其中多变量感测装置的整体结构是一次性的另一个示例中，整个多变量感测装置可由另一个多变量感测装置来取代，以使容器准备用于下一个操作。
此外，在一些实施例中，容器可配置成容纳溶液、又称作“过程流体”或“生物处理流体”。溶液可设置在容器中，以供存储、处理、传递或者其组合。此外，容器中的溶液可以是液体、气体、固体或者液体和固体的组合。例如，溶液可以是血液、水、导电流体、非导电流体、油、燃料、生物缓冲液或者其组合。备选地，溶液可包含有毒工业材料、化学战剂、气体、蒸汽、炸药、呼出气中的疾病标记、水中的生物病原、病毒、细菌和其他病原。在某些实施例中，容器可以是一次性或者可再使用的。在这些实施例的一些中，容器可以是一次性生物过程组件，以及多变量感测装置可配置成在一次性生物过程组件中的操作之前、期间或之后、例如在生物制药制造期间感测设置在一次性过程组件中的溶液的一个或多个参数。
在其中容器是一次性容器的实施例中，多变量感测装置可永久地固定到容器。而在其中容器是可再使用容器的实施例中，多变量感测装置可以可拆卸地耦合到容器，使得多变量感测装置可根据期望与容器多次耦合和分离。在某些实施例中，一次性过程组件可以是过滤器、连接器、阀等。此外，容器可以是生物过程、化学过程、化学反应、生物交互等中使用的器皿。此外，容器可以是存储容器、过程容器或液罐。而且，容器可具有稳态流体。备选地，在中断或没有中断流体流的情况下，容器可配置成从一个端口接收流动流体，并且从另一个端口提供流动流体的出口。可注意，在一些实施例中，基于射频的传感器可设置在支承结构中，使得基于射频的传感器形成与相邻设置到基于射频的传感器的支承结构的部分的气密密封。气密密封可配置成防止容器的任何过程流体泄漏到多变量感测装置中。此外，可注意，多变量感测装置可在耦合到容器之前消毒。
在一个实施例中，基于射频的传感器可设置在支承结构中，使得基于射频的传感器的传感器衬底朝与容器物理接触的支承结构的一侧设置。在这个实施例中，基于射频的传感器的传感器衬底可暴露于设置在容器中的过程流体。在具体实施例中，基于射频的传感器可设置在支承结构中，使得容器中的内容可与传感器衬底直接物理接触。此外，传感器衬底的厚度值可根据所感测参数中的灵敏度的期望值来改变，同时管理多变量感测装置的物理完整性。在一个示例中，传感器衬底的厚度可在从大约100纳米至大约10厘米的范围中。在这些实施例的一部分中，传感器衬底可由介电材料制成。
备选地，在另一个实施例中，基于射频的传感器可设置在支承结构中，使得射频线圈朝与容器物理接触的支承结构的一侧设置。在这个实施例中，射频线圈可暴露于设置在容器中的过程流体。此外，在这个实施例中，保护层可设置在射频线圈上，以防止射频线圈与过程流体之间的直接交互。
可注意，支承结构中的基于射频的传感器的取向可基于需要测量的参数的类型来决定。在非限制性示例中，可通过将支承结构设置在容器中，使得射频线圈定向到物理耦合到传感器的支承结构的所述侧来测量设置在容器中的液体样本的电导率或温度。在另一个示例中，可通过使传感器衬底与过程流体直接物理接触来测量过程流体的压力。
此外，通常除了传感器线圈或射频线圈之外，拾波线圈还耦合到基于射频的传感器，以便与传感器读取器进行通信。在本说明书的实施例中，拾波线圈没有形成基于射频的传感器的部分。具体来说，在某些实施例中，拾波线圈可以是独立于多变量感测装置的实体。此外，在某些其他实施例中，拾波线圈可以是独立于传感器读取器的实体。备选地，拾波线圈可以是传感器读取器的一部分。有利地，从基于射频的传感器的结构中没有拾波线圈引起多变量感测装置的设计的简化。此外，从多变量感测装置的结构中没有拾波线圈降低多变量感测装置的成本。此外，当拾波线圈用作与基于射频的传感器分开的实体或者用作传感器读取器的一部分时，单个拾波线圈可用来从一个或多个多变量感测装置的一个或者甚至多于一个基于射频的传感器来获取信号。相应地，单个拾波线圈可与一个或多个基于射频的传感器和/或多变量感测装置关联，由此降低系统的总体成本。此外，在从基于射频的传感器中没有拾波线圈的物理存在的情况下，原本与拾波线圈关联的电容和电感不影响基于射频的传感器。可注意，包含拾波线圈要求诸如拾波线圈电阻、拾波线圈电容、拾波线圈电感等的校准参数的附加集合(例如对拾波线圈金属和介电组件的温度影响)。此外，传感器和拾波线圈暴露于生物过程应用中所需的诸如温度、压力等的感兴趣环境增加这类校准中的复杂度。有利地，从基于射频的传感器中没有拾波线圈简化传感器设计，并且还消除对于考虑拾波线圈的基于射频的传感器的校准的需要。此外，在其中拾波线圈是个别的独立实体的实施例中，拾波线圈可无线耦合到基于射频的传感器。另外，拾波线圈可按照无线或有线方式耦合到传感器读取器。在其中拾波线圈是传感器读取器的一部分的实施例中，拾波线圈可设置在传感器读取器的壳体中。
在某些实施例中，多变量感测组合件包含多变量感测装置和拾波线圈。此外，可通过按照所确定的相对物理配置设置多变量感测装置和拾波线圈来形成多变量感测组合件。可注意，所确定的相对物理配置可包含多变量感测装置与拾波线圈之间的恒定物理距离。在一些实施例中，拾波线圈可设置在离多变量感测装置的所确定的距离处，以便与多变量感测装置操作关联。此外，在这些实施例的一些中，拾波线圈可使用电缆在物理上耦合到传感器读取器。而在一些其他实施例中，拾波线圈可无线耦合到传感器读取器。在这些实施例中，拾波线圈与传感器读取器之间的无线耦合可通过电感耦合、电容耦合等提供。
此外，在一些实施例中，传感器读取器可连线到多变量感测装置，在这些情况下，传感器读取器与基于射频的传感器之间的有线通信可通过经由电缆将基于射频的传感器连接到传感器读取器来执行。备选地，传感器读取器与基于射频的传感器之间的有线通信可通过到基于射频的传感器的直接电连接来执行，而无需电缆。可注意，这种直接连接可在传感器读取器的大小大致为传感器的大小时实现。在一些其他实施例中，传感器读取器可与传感器读取器无线通信。在这些实施例中，拾波线圈可按照有线或无线方式耦合到传感器读取器和基于射频的传感器。
在某些实施例中，传感器读取器可包含读取响应信号的模拟部分的网络分析器或阻抗分析器以及从基于射频的传感器来读取响应信号的数字部分的读取器/写入器。可注意，来自基于射频的传感器的响应信号的模拟和数字部分可按照若干方式来读取。在一个实施例中，响应信号的模拟和数字部分可采用一次性多变量感测装置的基于射频的传感器(又称作“集成基于射频的传感器”)在对应容器(例如但不限于一次性生物过程组件)的安装和操作期间按照依次方式来读取。此外，在另一个实施例中，基于射频的传感器的响应信号的数字部分可采用集成基于射频的传感器在一次性生物过程组件的安装之前和/或期间来读取，以及基于射频的传感器的响应信号的模拟部分可在一次性生物过程组件的操作期间来读取。此外，在一个实施例中，在一次性生物过程组件的操作期间集成基于射频的传感器的响应信号的模拟部分的操作频率范围可处于使用基于射频的传感器来读取存储器芯片可期望的频率范围之内。但是，如果在这个实施例中，在一次性生物过程组件的操作期间响应信号的模拟部分的操作频率范围超出使用基于射频的传感器来读取存储器芯片的频率范围，则存储器芯片在一次性生物过程组件的操作期间可以是不可读的。
在又一个实施例中，响应信号的数字部分可采用一次性多变量感测装置(其在操作上耦合到一次性生物过程组件)的基于射频的传感器在一次性生物过程组件的安装之前和期间以及在一次性生物过程组件的操作之后来读取。此外，响应信号的模拟部分可使用集成基于射频的传感器在一次性生物过程组件的操作期间来读取。在另一个实施例中，响应信号的数字部分可采用多变量感测装置在一次性生物过程组件的安装之前和期间以及采用多变量感测装置的集成基于射频的传感器在一次性生物过程组件的操作之后被读取。此外，在这个实施例中，响应信号的模拟部分可采用集成基于射频的传感器在一次性生物过程组件的操作期间来读取。
在某些实施例中，多变量感测装置的基于射频的传感器可具有至少两个谐振。此外，至少两个谐振的一个谐振可以以从存储器芯片读取信息以及将信息写入存储器芯片的能力用来读取传感器响应信号的数字部分。而传感器的至少两个谐振的另一个谐振可以以定量测量过程流体的环境参数的能力用来读取传感器响应信号的模拟部分。
在一个实施例中，可在将基于射频的传感器设置在支承结构中之前校准基于射频的传感器。具体来说，可在容器中的操作开始之前校准基于射频的传感器。此外，可在容器中的操作完成之后重新校准基于射频的传感器。具体来说，基于射频的传感器可在操作之后从支承结构移除，经过重新校准，并且然后重新安装到支承结构中。相应地，取决于应用，基于射频的传感器和支承结构可永久地附连或者可拆卸地附连到支承结构，使得基于射频的传感器可与支承结构分离和附连若干次。例如，在要求基于射频的传感器操作后的重新校准的应用中，基于射频的传感器可以可拆卸地附连到支承结构。而在单次使用应用中，基于射频的传感器可永久地固定到支承结构。此外，在单次使用应用中，多变量感测装置可永久地固定到容器。在其中传感器可拆卸地附连到容器的实施例中，有可能将基于射频的传感器从支承结构移除，或者移除基于射频的传感器并且随后在使用、校准和/或验证之后将基于射频的传感器重新固定到支承结构中。例如，在操作后，基于射频的传感器可从支承结构移除以供校准，并且然后设置回支承结构中以供在容器中的进一步操作。
图1图示本说明书的多变量感测装置100的示范实施例。此外，多变量感测装置100包含支承结构102、基于射频的传感器104和存储器芯片106。支承结构102具有第一端107和第二端109。此外，基于射频的传感器104包含传感器衬底110和射频线圈112。在所图示的实施例中，支承结构102的第一端107配置成接纳基于射频传的传感器104。
此外，支承结构102的第一端107或第二端109可配置成耦合到容器(图1中未示出)、例如生物过程组件，以用于测量容器中存在的过程流体的一个或多个参数。因此，在当前考虑的配置中，如果支承结构102的第一端107耦合到容器，则基于射频的传感器104的传感器衬底110的至少一部分可设置成紧邻容器并且因而紧邻过程流体。而如果支承结构102的第二端109耦合到容器，则基于射频的传感器104的射频线圈112可设置成紧邻容器中存在的过程流体。在这个实施例中，保护层(图1中未示出)可设置在基于射频的传感器104的至少一部分上，使得保护层设置在过程流体与射频线圈112之间，以保护射频线圈112免受由与过程流体的物理接触不利影响。作为示例，在其中过程流体是导电液体的情况下，射频线圈上的保护层的存在可防止射频线圈112的部分因过程流体的存在而电气短接。例如，保护层可用于例如但不限于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的应用。但是，在其中基于射频的传感器104被设置，使得传感器衬底110而不是射频线圈112与容器中的内容直接物理接触的实施例中，它可以不被要求以采用基于射频的传感器104上的保护层。在一些实施例中，保护层可包含例如但不限于SiO2、Si3N4、SiC、Al2O3、聚对二甲苯基、聚对二甲苯基D、聚对二甲苯基N、聚对二甲苯基C或者其组合。
在某些实施例中，基于射频的传感器104配置成感测包含物理条件（condition）、生物条件或化学条件的一个或多个条件。多变量感测装置100配置成为容器内部的一个或多个期望参数提供定量响应。例如，多变量感测装置100可用来监测感兴趣环境参数的幅值，例如但不限于导电率测量、pH水平、温度、血液相关测量、离子测量、非离子测量、非导电率测量、电磁辐射水平测量、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)所获取的其他类型的测量。在一个示例中，多变量感测装置100可与一次性生物过程组件结合用来在操作期间或之后监测组件内部的参数。
在某些实施例中，支承结构102可包含圆形截面或者任何其他几何或非几何形状截面。此外，支承结构102可以是或者可以不是闭合结构。作为示例，支承结构102可采取套筒、管壳、护套的形式或者配置成接纳基于射频的传感器104并且至少在容器的操作期间将基于射频的传感器104保持到位的任何其他形式。此外，支承结构102可配置成从第一端107或者从第二端109接纳基于射频的传感器104。
此外，在某些实施例中，支承结构102可以可拆卸地或者暂时耦合到容器。可拆卸地耦合支承结构102的一个示例可需要在容器的对应配置（provision）中简单地滑动支承结构102的一部分。在这些实施例中，支承结构102可在期望时从容器移除。在一个示例中，支承结构102可例如在容器中的过程的完成之后与容器分离。此外，支承结构102可对另一个过程重新插入到相同或不同容器。可选地，在多变量感测装置100的再使用的情况下，多变量感测装置100可在将支承结构102重新插入到相同或不同容器之前消毒。此外，为了防止样本从一个过程到另一个过程的污染和/或不合需要的遗留（carryover），在过程结束时或者每当支承结构102与容器分离时，基于射频的传感器104可由另一个基于射频的传感器来取代。在一些其他实施例中，支承结构102可使用例如但不限于超声焊接、介电焊接(又称作高频(HF)焊接或射频(RF)焊接)、激光焊接、热板焊接、热刀焊接、感应/脉冲、嵌件模塑、模内装饰以及其他标准类型的材料焊接和接合方法的技术永久地固定到容器。
在一些实施例中，基于射频的传感器104可使用化学方式、机械方式或者这两种方式来耦合到支承结构102的一部分。作为示例，基于射频的传感器104可使用机械保持器116(例如但不限于夹具、环、闩锁、紧固件、插销或者其组合)来保持或耦合到支承结构104。备选地，基于射频的传感器104可使用粘合剂(例如但不限于环氧树脂基粘合剂)来保持或耦合。
在一些实施例中，基于射频的传感器104实际上可以是一次性的。在一个实施例中，基于射频的传感器104可以是射频标识(RFID)标签。此外，RFID标签实际上可以是一次性的。在某些实施例中，基于射频的传感器104配置成基于射频信号生成的代码进行操作。此外，基于射频的传感器104可配置成以从大约0.01 MHz至大约3000 MHz的范围中的射频进行谐振。此外，基于射频的传感器104可配置成在从大约0.01 MHz至大约3000 MHz的范围的射频与传感器读取器(图1中未示出)进行通信。
在某些实施例中，市场销售的RFID标签可用来形成基于射频的传感器104。这些市场销售的RFID标签可工作在从大约125 kHz至大约2.4 GHz的范围的不同频率。从不同供应商和经销商(例如Texas Instruments、TagSys、Digi Key、Fujitsu、Amtel、Hitachi等)可得到的适当RFID标签可用来制作基于射频的传感器104。此外，适当RFID标签可配置成工作在无源、半无源或有源模式中。可注意，不要求无源RFID标签耦合到功率源(例如电池)以进行操作，而半无源和有源RFID标签依靠使用板载功率源进行其操作。此外，通常，RFID标签具有数字ID，以及RFID标签的对应天线电路的频率响应可作为具有阻抗的实部和虚部的阻抗来测量。此外，感测或保护层可施加到RFID标签上，以及阻抗可作为所得到的传感器附近的环境的函数来测量。如标题为“Chemical and biological sensors, systems andmethods based on radio frequency identification”的美国专利申请序号11/259710和美国专利申请序号11/259711中所述来制作这种传感器。而且，RFID标签可以是转发器。此外，RFID标签可以是另一种类型的转发器，其响应于预定义的接收信号而传送预定消息。这种RFID标签可包含但不限于2005年10月26日提交的标题为“Modified RF Tags and theirApplications for Multiplexed Detection”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“Multivariate Methods of Chemical and BiologicalDetection Using Radio-Frequency Identification Tags”的美国专利申请序号11/259711中公开的一个或多个RFID标签，通过引用将其结合于此。在一个实施例中，RFID标签可具有对关联RFID标签的存储器芯片的模拟输入。在一个实施例中，单独化学、生物或物理传感器可连接到RFID标签的存储器芯片的模拟输入。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RFID标签的传感器部分在存储器芯片本身的制作过程期间来制作。RFID标签的存储器芯片使用已知集成电路制作过程和有机电子制作过程来制作。
在其中基于射频的传感器104是一次性的实施例中，基于射频的传感器104和/或支承结构102可形成给定容器的可分离部分。此外，基于射频的传感器104和/或支承结构102可根据其中使用它们的应用和环境来处置或者再使用。此外，支承结构102可由例如但不限于塑料、聚合物、金属、金属合成物、陶瓷或者其组合的材料来制成。支承结构102主要可由具有适当机械强度的材料来制成，其中支承结构102的材料没有不利地影响询问或传感器信号或者与其交互。
在一个实施例中，基于射频的传感器104在药物处理所要求的范围(25 kGy至50kGy)是伽马辐射可消毒的。具体来说，基于射频的传感器能够甚至在暴露于伽马辐射之后也感测参数。在一个示例实施例中，RFID标签本身能够耐受伽马辐射，而没有对作为基于射频的传感器的RFID标签的功能实质损坏。可注意，常规RFID标签可能不耐受伽马辐射。也就是说，在暴露于伽马辐射时，这些常规RFID标签中的存储信息可完全或部分丢失，或者不合需要地修改到存储信息可能不再是被监测参数的真实表示的程度。因此，这类常规RFID标签难以用于要求伽马消毒的设定中。在某些实施例中，基于射频的传感器可制作成伽马辐射可消毒的，如标题为“RFID based methods and systems for use in manufacturingand monitoring applications”的美国专利发表号2009/0256679以及标题为“Methodsand systems for sensing upon radiation exposure”的美国专利发表号2011/0012736中公开，并且完整地结合到本文中。
在一些其他实施例中，保护层可以没有被基于射频的传感器采用。此外，为了增强没有采用保护层的基于射频的传感器的灵敏度，可调整其他结构元件和参数，以增强基于射频的传感器的灵敏度。在示例实施例中，可调整基于射频的传感器的传感器衬底的厚度，以增强基于射频的传感器的灵敏度。例如，采用谐振传感器在每厘米大约10至200毫西门子的范围中的导电率测量的灵敏度对于从大约5微米至600微米的范围中的保护层的厚度值以及直径为大约15毫米并且具有大约70-150毫米的电极宽度以及大约70-150毫米的电极匝之间的间距并且连接到具有大约24皮法电容值的存储器芯片的感测线圈随着保护层的厚度的增加而增加。而且，采用具有类似感测线圈的谐振传感器的压力测量的灵敏度随着金属或者金属化膜与传感器线圈之间的间隙的减少而增加。
在某些实施例中，可在将基于射频的传感器104设置在支承结构102中之后校准基于射频的传感器104。在一个示例中，基于射频的传感器104可预先安装在支承结构中，并且在设置在支承结构102中之后经过校准。在某些其他实施例中，可在将基于射频的传感器104设置在支承结构102中之前预先校准基于射频的传感器104。此外，在这些实施例的一些中，基于射频的传感器104适合从支承结构102移除以供附加重新校准或验证。基于射频的传感器104可在容器中的操作期间或之后经过重新校准。在一个实施例中，重新校准后，基于射频的传感器104可安装回在支承结构102中供监测过程。但是，在其中多变量感测装置100用于单次使用组件的另一个实施例中，可能不预期重新安装基于射频的传感器104。
此外，存储器芯片106可与基于射频的传感器104操作关联。在一些实施例中，存储器芯片106可设置在支承结构102中、支承结构102上或者容器上。此外，存储器芯片106可用于存储信息。作为示例，存储器芯片106可用来存储数字信息(其能够由传感器读取器来读取)。此外，存储器芯片106中存储的信息可表示基于射频的传感器104和容器的一个或多个。例如，存储器芯片106中存储的信息可用来识别容器。在一个实施例中，存储器芯片106可通过从读/写单元所传送的询问信号来激活。在一些实施例中，存储器芯片106可在容器的整个操作中是可读的。而在一些其他实施例中，存储器芯片106仅在容器的操作的一部分期间是可读的。在一个示例中，存储器芯片106可在容器的操作的开始是可读的，而在以后可以不是可读的。在其中存储器芯片106设置在支承结构102中的这些实施例的一些中，存储器芯片可在操作上耦合到基于射频的传感器104。作为示例，存储器芯片106可在操作上耦合到基于射频的传感器104，以便向基于射频的传感器104提供校准因数，以促进基于射频的传感器106的校准。在一个示例中，存储器芯片106可形成基于射频的传感器104的组成部分。在其中存储器芯片106设置在支承结构102上或容器上的实施例中，存储器芯片106可以或者可以不在操作上耦合到基于射频的传感器104。作为示例，存储器芯片106可耦合到容器，并且可用来识别容器。在所图示的实施例中，存储器芯片106设置在支承结构102上。此外，存储器芯片106可以或者可以不在操作上耦合到基于射频的传感器104。
图2图示本说明书的另一个示范多变量感测装置200。在所图示的实施例中，多变量感测装置200包含支承结构202、基于射频的传感器204和存储器芯片206。在所图示的实施例中，存储器芯片206是基于射频的传感器204的主要部分。
此外，支承结构202包含主体208和凸出部210。主体208包含第一端207和第二端209。此外，主体208配置成在第一端207处接纳和保持基于射频的传感器204。具体来说，基于射频的传感器204的至少一部分耦合到支承结构202的主体208的第一端207。此外，凸出部210配置成充当机械挡块，以便将容器中的支承结构202的主体208的一部分的进入（entry）限制到期望长度。另外，凸出部210还可配置成促进容器与多变量感测装置200之间的物理耦合。作为示例，凸出部210可螺杆安装或者化学接合到容器的一部分，以提供支承结构202与容器之间的物理耦合。而且，虽然图示为具有空心的圆盘，但是还设想凸出部的其他实施例。作为示例，凸出部210可采取多个不连续条的形式等。
在一些实施例中，支承结构202的主体208可划分为部分212和214。此外，更靠近主体208的第一端207的主体208的部分212的截面面积(其中第一端207配置成设置在容器中)可保持为比靠近主体208的第二端209的主体208的部分214的截面要小，以限制可设置在容器中的支承结构202的主体208的长度量。相应地，在一些实施例中，支承结构202的主体208可具有均匀截面，但是在一些其他实施例中，主体208的截面可在主体208中从一个位置到另一个位置改变。主体208的截面的截面变化可根据形状和大小中的一个或两者。
在某些实施例中，凸出部210可配置成定义可设置在容器(图2中未示出)中的支承结构202的主体208的长度量。在一些实施例中，凸出部210在主体208上的位置可以是可调的。作为示例，多个凹口可作为配置来设置在主体208上，以便将凸出部210设置在离主体208的第一端207的期望距离216处。凸出部210与支承202的主体208的第一端207之间的距离216可根据其中采用基于频率的传感器204的容器的大小和类型来改变。
图3是容器304中采用的示范多变量感测装置302的示意表示300。在一个或多个非限制性示例中，容器304可以是一次性容器、一次性生物过程组件、生物反应器、不锈钢容器、塑料容器、聚合材料容器或者预消毒聚合材料容器。此外，容器304可具有不同大小和形状，例如微流道、皮氏培养皿、手套箱、护罩或塑料袋。容器304可以有或者可以没有预定形状。
在一些其他实施例中，容器304可包含一次性生物过程组件、不锈钢容器、塑料容器、聚合材料容器、色谱装置、过滤装置、具有任何关联传输导管（transfer conduit）的色谱装置、具有任何关联传输导管的过滤装置、离心装置、具有任何关联传输导管的离心装置、预先消毒聚合材料容器或者本领域的技术人员已知的任何类型的容器。此外，一次性生物过程组件的非限制性示例包含一次性存储袋、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。此外，一次性生物过程组件可包含一个或多个端口，以用于在操作上耦合多变量感测装置。
在一个实施例中，容器304可由材料例如但不限于多层膜来制成：乙烯醋酸乙烯酯(EVA)、低或极低密度聚乙烯(LDPE或VLDPE)、乙基-乙烯基-乙醇(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、弹性材料，其全部是本领域众所周知的。RFID标签通常包括前天线和具有塑料垫板(例如聚酯、聚酰胺等)的微芯片或者其组合。此外，容器304也可以是包含流体、例如液体或气体的器皿，其中器皿能够具有输入和输出。此外，容器304可具有液流或者没有液流。此外，容器304可以是袋或管或者管道或软管。
在一些实施例中，容器304可部分填充有过程流体，其中溶液可以是液体、流体或气体、固体、浆料或者液体和固体的组合。例如，溶液可以是水、生物缓冲液、血液或气体。此外，容器304可具有用于插入多变量感测装置302的端口305。另外，虽然未图示，但是设想用于耦合多个多变量感测装置的多个端口。
在所图示的实施例中，多变量感测装置302包含设置在支承结构308中的基于射频的传感器306。此外，多变量感测装置302还包含存储器芯片310。在所图示的实施例中，存储器芯片310设置在支承结构308外部以及容器304上。相应地，图3的所图示的实施例的存储器芯片310可用来提供容器304的标识细节。但是，在其中存储器芯片310设置在支承结构308中的实施例中，存储器芯片310可配置成还提供基于射频的传感器306的校准参数。此外，多变量感测装置302包含采取凸出部312的形式的机械挡块，以定义设置在容器304中的支承结构308的一部分。
图4是采用操作上耦合到容器404的多变量感测装置402的多变量感测系统400的示意表示。此外，多变量感测系统400还采用与多变量感测装置402操作关联的传感器读取器406。在所图示的实施例中，传感器读取器406包含读取器电路系统408、在操作上耦合到读取器电路系统408的拾波线圈410以及壳体412。在所图示的实施例中，读取器电路系统408和拾波线圈410的至少一部分设置在壳体412中，以便向传感器读取器406提供机械完整性和结构。此外，拾波线圈410可设置在与读取器电路系统408相同的壳体412中，并且电耦合到读取器电路系统408。相应地，在这些实施例中，拾波线圈410是传感器读取器的组成部分。
此外，多变量感测装置402包含基于射频的传感器414，其在操作上耦合到容器404，以感测设置在容器404中的样本的一个或多个参数。此外，基于射频的传感器414设置在支承结构405中。拾波线圈410是传感器读取器406的组成部分，并且配置成将询问信号从读取器电路408转发给基于射频的传感器414。此外，拾波线圈410配置成从基于射频的传感器414接收响应信号，并且向读取器电路系统408传送响应信号。相应地，传感器读取器406塑造成具有作为传感器读取器406的组件中的一个的拾波线圈410。拾波线圈410没有形成基于射频的传感器414的组成部分。相应地，与拾波线圈410关联的电容和电感不存在于基于射频的传感器414中，由此增强传感器响应。
虽然未图示，但是在一些实施例中，两个或更多传感器读取器、例如传感器读取器406可用来感测容器404的一个或多个参数。在这些实施例的一些中，每个传感器读取器406可具有对应拾波线圈410。在一个实施例中，拾波线圈410实际上可以是非一次性的。例如，拾波线圈410可由优选地为了(组装多变量感测装置组合件的)效率和/或经济目的可再使用的金属或者金属材料来制成。拾波线圈410可被制作或者现货购买。在其中制作拾波线圈410的实施例中，拾波线圈410可采用诸如光刻、掩蔽、以环形形成金属线或者集成电路制造加工的标准制作技术来制作。例如，可使用敷铜箔层压板的光刻蚀刻或者在模板上盘绕铜线来制作拾波线圈。
此外，拾波线圈410可电耦合到读取器电路系统408和/或壳体412。拾波线圈410可电耦合以从传感器读取器406的一个或多个组件(例如但不限于读取器电路系统、电连接器或者它们两者)来接收连续或间断电功率供应。例如，电连接器可包含标准电子连接器、例如镀金引脚。此外，拾波线圈410可按照若干不同方式耦合到读取器电路系统408和/或壳体。例如，拾波线圈可使用粘合剂或者通过与壳体一起模塑拾波线圈或者通过使用螺杆将拾波线圈紧固到读取器电路系统408和/或壳体412来附连到读取器电路系统408和/或壳体412。备选地，支架可提供在读取器电路系统408和/或壳体412中，使得拾波线圈410能够搁置于壳体412的保持器上。
在操作中，由一个或多个基于射频的传感器414的天线所传送的信号可由传感器读取器406的拾波线圈410来拾波。基于射频的传感器414和拾波线圈410操作接近地放置。在一个示例中，基于射频的传感器414和拾波线圈410可经由电感耦合或物理电连接来耦合。在其中拾波线圈410是独立元件或者拾波线圈410是传感器读取器406的组成部分的实施例中，拾波线圈410可使用有线或无线连接在操作上耦合到基于射频的传感器414。
可注意，在图4的所图示的实施例中，基于射频的传感器414可包含个别存储器芯片(未示出)或者由两个或更多基于射频的传感器414所共享的一个或多个存储器芯片。在具体示例中，单个存储器芯片可由多个基于射频的传感器414来共享。在这个具体示例中，在其中存储器芯片配置成用于在一个或多个基于射频的传感器414的校准期间提供校准参数的情况下，单个存储器芯片可设置在支承结构405中。此外，在其中存储器芯片用来提供容器的标识参数、例如标识代码的情况下，单个存储器芯片可设置在支承结构405、例如容器404外部。
此外，虽然未图示，但是可注意，在一些实施例中，拾波线圈、例如拾波线圈410可设置在传感器读取器的壳体412外部。此外，拾波线圈410可设置在壳体412外部的某个位置处，使得拾波线圈410在操作上耦合到多变量感测装置402的基于射频的传感器414以及传感器读取器406。
图5和图6图示本说明书的多变量感测装置的备选实施例。图5描绘多变量感测装置500的设计，其中多变量感测装置500的基于射频的传感器502设置在支承结构504中，使得基于射频的传感器502的感测区暴露于设置在容器512中的过程流体508。感测区包含线圈匝506。此外，可使用保护层514(其可设置在感测区的至少一部分上)来防止感测区与过程流体508直接物理接触。在某些实施例中，保护层514可以是阻挡层、半渗透层或渗透选择性层。这个保护层514可用来防止基于射频的传感器502的组件、例如形成感测区的感测线圈开始直接物理接触容器中的溶液。而且，保护层514防止容器中的溶液被任何可沥滤或者可提取材料(其可存在于基于射频的传感器502中)所污染。
备选地，图6描绘多变量感测装置600的设计，其中多变量感测装置600的基于射频的传感器602设置在支承结构604中，使得基于射频的传感器602经过传感器衬底612与设置在生物容器610中的过程流体608进行交互。基于射频的传感器602包含具有线圈匝606的感测区。具体来说，在图6的所图示的实施例中，基于射频的传感器602设置在支承结构604中，使得当支承结构604在操作上耦合到生物容器610时，基于射频的传感器602的传感器衬底612可暴露于过程流体608。因此，基于射频的传感器602的感测区在生物容器的操作之前、期间或之后的任何时间可以没有与过程流体608直接物理接触。此外，基于射频的传感器602的传感器衬底612可适合于暴露于过程流体608。在一些实施例中，传感器衬底612可由不易受与过程流体608的化学交互的聚合材料来制成。
此外，在某些实施例中，感测层614可设置在传感器衬底612的至少一部分上，使得在操作中，感测层614设置在传感器衬底612的部分与过程流体608之间。可注意，感测层614可以是可选层。用于感测层的材料的非限制性示例可包含诸如高氟化离子交换树脂（nafion）的磺化聚合物、诸如硅酮胶的粘合聚合物、诸如溶胶-凝胶膜的无机膜、诸如碳黑聚异丁烯膜的合成膜、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、沸石、金属有机框架、笼状化合物、包合物、包含化合物、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的纳米合成膜以及任何其他传感器材料或者其组合。
又参照图5，在某些实施例中，在其中存在对于范围从0.5纳米至1000微米的范围的保护层厚度的需要时执行导电率测量、温度测量、介电性质测量等的情况下，图5的配置(其中保护层514被基于射频的传感器502所采用)可以是期望的。备选地，对于溶液导电率、压力和其他测量，可使用图6的配置，其中传感器衬底612可暴露于过程流体。在这个实施例中，基于射频的传感器602的传感器衬底612可配置成充当基于射频的传感器602的保护层。用于传感器衬底的材料的非限制性示例可包含玻璃、硅、氮化硅、碳化硅、氮化镓、氧化铝、氧化锆或者其组合。
图7图示将多变量感测装置用于测量设置在容器中的内容的一个或多个参数的示范方法700。在步骤702处，可提供具有第一端和第二端的支承结构，其中支承结构的第一端配置成耦合到容器。在步骤704处，一个或多个基于射频的传感器设置在支承结构中，以形成多变量感测装置。此外，设置基于射频的传感器的步骤可包含下列步骤：将基于射频的传感器接合或定位在支承结构中，使得基于射频的传感器保持在其相应位置。在一个示例中，一个或多个基于射频的传感器可设置在配置成接纳和保持基于射频的传感器的支承结构的插槽中。在另一个示例中，一个或多个基于射频的传感器可在化学接合到支承结构的壁。
一个或多个基于射频的传感器可以或者可以不经过预先校准。在其中基于射频的传感器没有预先校准的实施例中，在步骤706处，可校准设置在支承结构中的基于射频的传感器。在一个实施例中，用于校准基于射频的传感器的校准参数可由设置在支承结构中的一个或多个存储器芯片来提供。
在步骤708处，具有支承结构和基于射频的传感器的多变量感测装置可在操作上耦合到容器。具体来说，多变量感测装置的支承结构可耦合到容器中的相应端口。此外，支承结构可以可拆卸或永久地耦合到容器。可注意，设置在支承结构中的基于射频的传感器可在将支承结构耦合到容器之前或之后被校准。在一个实施例中，支承结构可通过将支承结构的至少一部分设置成更靠近容器的第一端来耦合到容器。此外，在一个实施例中，一个或多个凸出部可用来将支承结构相对于容器保持到位。
可选地，在步骤710处，如果存储器芯片不是基于射频的传感器的组成部分，则存储器芯片可在操作上耦合到一个或多个基于射频的传感器、支承结构、容器或者其组合。此外，在步骤712处，多变量感测装置和/或容器可被消毒。例如，容器连同感测装置一起可暴露于伽马辐射以进行消毒。
在步骤714处，在容器中执行操作。例如，在生物过程组件的情况下，执行生物处理。在步骤715处，在容器中的操作之前、期间和/或之后，多变量感测装置可用来感测容器和/或设置在容器中的过程流体的一个或多个参数。可测量的参数可包含物理(温度、压力、电导率)、化学和/或生物参数。
此外，步骤716-720图示在执行容器中的操作之后要求重新校准或验证基于射频的传感器时可执行的可选步骤。在步骤716处，具有支承结构和基于射频的传感器的多变量感测装置可从容器移除。随后在框718处，重新校准传感器。随后并且可选地，多变量感测装置重新安装在容器中(步骤720)供进一步使用。
在某些实施例中，本说明书的多变量感测装置的基于射频的传感器可配置成监测一个或多个阻抗谱、阻抗谱的实部、阻抗谱的虚部、阻抗谱的实部和虚部、复阻抗的实部的最大数的频率(Fp)、复阻抗的实部的幅值(Zp)、复阻抗的虚部的谐振频率(F1)及其幅值(Z1)以及复阻抗的虚部的反谐振频率(F2)及其幅值(Z2)。另外，还可测量模拟信号的其他参数，例如质量因数、零交叉谐振频率等。在美国专利No. 7911345(标题为“Methods andsystems for calibration of RFID sensors”)和美国专利No. 8542023(标题为“Highlyselective chemical and biological sensors”)中提供这类参数的细节，通过引用将其结合于此。个别测量参数能够使用众所周知的多变元技术(例如主成分分析、偏最小二乘、支持向量机以及许多其他)按照其组合进一步处理。此外，个别参数(例如Fp、Zp)能够用于定量测量。此外，这些参数可使用基于射频的传感器的响应信号的模拟部分来测量。传感器电路的组件的组合引起生成由诸如Fp、Zp、F1、F2、Fz、Z1、Z2的谐振电路参数以及从谐振传感器同时产生的其他一些参数所形成的阻抗响应。
图8图示在三个不同状态的单个传感器的阻抗的实部和虚部的示例。三个不同状态的非限制性示例可包含保护层、传感器衬底或者它们两者的三个不同值。如由曲线802、804和806所图示，阻抗值的实部包含参数Fp 808和Zp 810。参数Fp 808表示阻抗的实部的最大数的频率，以及Zp 810表示阻抗的实部的幅值。类似地，如由曲线812、814和816所图示，阻抗的虚部包含F1 818和F2 820。参数F1 818表示阻抗的虚部的谐振频率，以及参数F2 820表示阻抗的虚部的反谐振频率。参数F1 818和F2 820与等效电路的不同组件相关。传感器参数的附加非限制性示例包含能够从RFID传感器的等效电路的响应来提取的参数，例如谐振的质量因数、RFID传感器的谐振电路响应的阻抗的幅值和相位角以及本领域的已知的其他参数。F1 818与F2 820之间的差与峰值宽度相关。在这个示例中，由于F1 818和F2 820与等效电路的不同组件相关，所以F1 818 38和F2 820没有相互关连。此外可注意，峰值对称性可受到阻抗的变化影响。可使用阻抗谱来测量的其他参数可包含谐振的质量因数、阻抗的幅值和相位角、在复阻抗的虚部的谐振频率(F1)818的信号幅值(Z1)822、在复阻抗的虚部的反谐振频率(F2)820的信号幅值(Z2)824以及零电抗频率(Fz，阻抗的虚部为零的频率)。在标题为“Methods and systems for calibration of RFID sensors”的美国专利申请序号12/118950中描述多变量响应参数，通过引用将其结合到本文中。
示例1
使用个别的基于射频的传感器在宽动态范围内测量水溶液的导电率。此外，基于射频的传感器采取设置在介电衬底上的金属线圈形式来制成。对于在宽范围内的导电率的测量，基于射频的传感器涂敷有聚对二甲苯基聚合物的对应层。具体来说，保护层的三个不同厚度使用三个基于射频的传感器来评估。聚对二甲苯基聚合物的三个不同厚度值是10微米、15微米和25微米。此外，基于射频的传感器的保护层与设置在容器(基于射频的传感器与其在操作上耦合)中的过程流体直接物理接触。此外，三个不同的基于射频的传感器的传感器读出采用定位在离基于射频的传感器的恒定距离处的拾波线圈来执行。三个基于射频的传感器的响应作为Fp和Zp响应来获取。三个基于射频的传感器的响应Fp和Zp分别如由等式(1)和(2)所表示来归一化。
Fp (归一化) = (Fp – Fp0) / Fp0 等式(1)
Zp (归一化) = (Zp – Zp0) / Zp0 等式(2)
其中，Fp和Zp是在任何导电率的水中测量的传感器响应，以及Fp0和Zp0是在最小导电率的水中测量的传感器响应。
图9-10描绘使用具有以不同厚度值的对应保护层(如图5所描绘)的三个基于射频的传感器在宽动态范围内测量水溶液的导电率的结果。图9描绘对三个基于射频的传感器的溶液导电率的归一化Fp响应。具体来说，图表902表示具有以厚度为大约10微米的保护层的基于射频的传感器的归一化Fp响应。类似地，图表904和906表示具有拥有厚度为大约15微米和25微米的保护层的基于射频的传感器的归一化Fp响应。此外，x轴908表示水的电导率，以及y轴910表示归一化Fp值。图10描绘对3个基于射频的传感器的溶液导电率的归一化Zp响应。此外，图表1002、1004和1006表示具有以厚度值为大约10微米、15微米和25微米的保护层的基于射频的传感器的归一化Zp响应。此外，x轴1008表示水的电导率，以及y轴1010表示归一化Zp值。
通过不同方法已知溶液的电导率测量。例如，具有两个裸电极的传感器在过去用于测量低导电率的溶液。但是，仅使用两个裸电极没有提供导电率测量的期望宽动态范围。因此，导电率的宽范围的测量通常采用使用四个裸电极所构建的传感器来实现。具体来说，构建具有四个裸电极的传感器，其中监测跨两个内电极的电压降，同时对两个外电极施加交流。但是，裸电极已知为受到高导电率溶液所影响，如果裸电极暴露较长时间段(例如数小时或数天)的话，由此因裸电极的沉积物或腐蚀而引起传感器漂移。为了解决裸电极的不稳定性的这个问题，引入电感环形传感器。这些传感器由采用介电材料保护免受溶液影响的两个环形线圈来制成。在这些传感器中，一个线圈用来产生到溶液中的电场。此外，所生成离子电流由第二线圈来监测。采用环形线圈的传感器的关键优点是增强传感器稳定性，因为不存在与溶液相接触的裸电极。但是，电感环形传感器的局限性是它们仅测量高溶液导电率的能力。具有保护层的基于射频的传感器配置成克服其他已知导电率传感器的局限性的至少一些或全部，并且在宽范围内测量溶液导电率，而无需裸电极与过程流体之间的直接物理接触。
示例2
水溶液的导电率使用单独的基于射频的谐振传感器(各具有保护层(如图5所描绘)，其具有与其他基于射频的传感器的保护层不同的厚度值)在宽动态范围内进一步测量。此外，如示例1所述的基于射频的传感器用于比较。基于射频的传感器的灵敏度作为Zp响应来测量。而且，在高导电率的范围(大约50 – 200 mS/cm)中比较灵敏度。
比较研究相对于个别基于射频的传感器的灵敏度(y轴1104)对基于射频的传感器(其具有从大约10微米至85微米的范围的不同厚度值(x轴1102)的保护层)来执行。此外，图11描绘作为如示例1所定义的Zp的归一化值中的传感器信号所表示并且作为溶液导电率（mS/cm）的每单位的百万分之一(ppm)值所获取的个别基于射频的传感器的不同灵敏度值(1106)。可注意，在得出保护层的厚度值与导电率之间的关系的同时考虑灵敏度值的绝对值。作为示例，y轴1104上表示为-200和+200的灵敏度值被认为是200，以用于研究保护层的厚度对导体的灵敏度的影响。比较研究表明，在所测试溶液导电率范围内具有其灵敏度的最大绝对值的最灵敏的基于射频的传感器是具有保护层的厚度的最大值的传感器。
示例3
水溶液的导电率使用个别基于射频的传感器在宽动态范围内进一步测量，每个基于射频的传感器具有传感器衬底。此外，基于射频的传感器在操作上耦合到过程流体或者水溶液，使得相应传感器衬底与过程流体直接物理接触(如图6所描绘)。此外，不同的基于射频的传感器具有以不同厚度值的传感器衬底。基于射频的传感器包含沉积在150微米和300微米厚的氧化铝(Al2O3)衬底上的金属线圈。基于射频的传感器的响应Fp和Zp如示例1所述地那样归一化。
图12-13描绘使用具有以不同厚度的介电层(其还用作传感器衬底)所保护的个别基于射频的传感器在宽动态范围内测量水溶液的溶液导电率(x轴1202)的结果。具体来说，图12描绘对溶液导电率的归一化Fp响应(y轴1304)，以及图13描绘相对于溶液导电率的归一化Zp(y轴1302)响应。图12中，图表1206和1208表示具有衬底的基于射频的传感器的Fp响应，衬底分别具有大约150微米和300微米的厚度值。此外，图13中，图表1304和1306表示具有衬底的基于射频的传感器的Zp响应，衬底分别具有大约150微米和300微米的厚度值。
有利地，多变量感测装置和多变量感测装置组合件可易于用于新的和现有系统中。此外，当前配置使基于射频的传感器能够易于在操作上耦合到容器。另外，两个或更多这类基于射频的传感器可使用单个拾波线圈来读取。此外，从基于射频的传感器的结构中没有拾波线圈引起多变量感测装置的设计的简化。此外，从多变量感测装置的结构中没有拾波线圈降低多变量感测装置的成本。
虽然本文仅图示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，所附权利要求书体育涵盖如落入本发明的范围之内的所有这类修改和变更。

Claims (25)

1.一种用于感测设置在容器(304；404；512；610)中的过程流体的一个或多个参数的多变量感测装置(100；200；302；402；500；600)，包括：
基于射频的传感器(104；204；306；414；502；602)，配置成感测表示所述过程流体的物理参数、化学参数、生物参数或者其组合，其中所述基于射频的传感器包括：
传感器衬底(110；612)；
射频线圈(112)，设置在所述传感器衬底的至少一部分上；以及
支承结构(102；202；308；405；504；604)，配置成在物理上耦合到所述容器，其中所述支承结构配置成将所述基于射频的传感器定位成操作接近所述容器的内部。
2.如权利要求1所述的多变量感测装置，其中，所述基于射频的传感器设置在所述支承结构中，使得所述传感器衬底的至少一部分面向所述容器的所述内部。
3.如权利要求1或2所述的多变量感测装置，还包括设置在所述传感器衬底的至少一部分上的感测层(614)。
4.如任何前述权利要求中所述的多变量感测装置，其中，所述基于射频的传感器设置在所述支承结构中，使得所述射频线圈的至少一部分面向所述容器的所述内部。
5.如权利要求4所述的多变量感测装置，还包括设置在所述射频线圈的至少一部分上的保护层(514)。
6.如任何前述权利要求中所述的多变量感测装置，其中，所述基于射频的传感器和所述支承结构中的至少一个是一次性的。
7.如任何前述权利要求中所述的多变量感测装置，其中，所述基于射频的传感器可拆卸地设置在所述支承结构中。
8.如任何前述权利要求中所述的多变量感测装置，其中，所述容器是一次性生物过程组件。
9.如权利要求8所述的多变量感测装置，其中，所述生物过程组件包括存储袋、传输线、过滤器、连接器、阀、泵、生物反应器、分离柱或者其组合的一个或多个。
10.如任何前述权利要求中所述的多变量感测装置，其中，所述基于射频的传感器是伽马辐射可消毒的。
11.如任何前述权利要求中所述的多变量感测装置，其中，所述支承结构包括主体(208)以及机械耦合到所述主体的凸出部(210)，并且其中所述主体配置成接纳所述基于射频的传感器。
12.如任何前述权利要求中所述的多变量感测装置，其中，所述基于射频的传感器没有包括拾波线圈。
13.一种多变量感测系统，包括：
多变量感测装置(100；200；302；402；500；600)，用于感测设置在容器(304；404；512；610)中的过程流体的一个或多个参数，包括：
基于射频的传感器(104；204；306；414；502；602)，配置成感测表示所述过程流体的物理参数、化学参数、生物参数或者其组合，其中所述基于射频的传感器包括：
传感器衬底(110；612)；
射频线圈(112)，设置在所述传感器衬底的至少一部分上；
支承结构(102；202；308；405；504；604)，配置成在物理上耦合到所述容器，其中所述支承结构配置成将所述基于射频的传感器定位成操作接近所述容器的内部；
传感器读取器(406)，配置成向所述基于射频的传感器传送询问射频信号，并且从所述基于射频的传感器接收响应信号；以及
拾波线圈(410)，在操作上耦合到所述基于射频的传感器和所述传感器读取器，其中所述拾波线圈配置成从所述基于射频的传感器接收所述响应信号，并且向所述传感器读取器传送所述响应信号。
14.如权利要求13所述的多变量感测系统，还包括存储器芯片(106；206；310)，其耦合到所述基于射频的传感器、所述容器或者它们两者。
15.如权利要求13或14所述的多变量感测系统，其中，所述拾波线圈设置在所述传感器读取器的壳体(412)中或者所述容器的一部分上。
16.如权利要求13-15中的任一项所述的多变量感测系统，包括设置在所述支承结构中的多个基于射频的传感器。
17.如权利要求16所述的多变量感测系统，其中，所述多个基于射频的传感器的两个或更多基于射频的传感器在操作上耦合到所述存储器芯片。
18.如权利要求16所述的多变量感测系统，其中，所述多个基于射频的传感器的每个基于射频的传感器包括对应的存储器芯片。
19.如权利要求13-18中的任一项所述的多变量感测系统，其中，所述传感器读取器和所述基于射频的传感器使用无线连接、电缆或直接连接相互耦合。
20.一种用于对设置在容器中的过程流体进行多变量感测的方法，包括：
将基于射频的传感器在操作上耦合到支承结构，以形成多变量感测装置，其中所述基于射频的传感器包括：
传感器衬底；
射频线圈，设置在所述传感器衬底的至少一部分上；
将所述多变量感测装置在操作上耦合到所述容器；
提供在操作上耦合到所述基于射频的传感器的传感器读取器；
提供设置在所述支承结构外部的拾波线圈；
将所述拾波线圈在操作上耦合到所述基于射频的传感器；
感测来自所述容器的一个或多个参数；
使用所述拾波线圈向所述传感器读取器传送表示所述一个或多个参数的数据；以及
确定与设置在所述容器中的所述过程流体关联的一个或多个参数。
21.如权利要求20所述的方法，还包括在将所述基于射频的传感器设置在所述支承结构中之前或之后校准所述基于射频的传感器。
22.如权利要求21所述的方法，还包括在将所述多变量感测装置在操作上耦合到所述容器之前对所述容器以及耦合到所述容器的所述多变量感测装置进行消毒。
23.如权利要求22所述的方法，其中，消毒步骤包括使用伽马辐射进行消毒。
24.如权利要求20-23中的任一项所述的方法，还包括将所述支承与所述容器分离。
25.如权利要求24所述的方法，还包括重新校准所述基于射频的传感器，并且将所述多变量感测装置的所述支承重新耦合到所述容器供进一步使用。
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