CN1973188A - 无源无线活体内声波流动传感器 - Google Patents

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Abstract

一种无线表面波流动传感器可以被用来监测流体的流动。这种表面波流动传感器可以被配置成包括一个或多个叉指式换能器以及形成在压电衬底上的自热式加热器。所述叉指式换能器可以被选择来将电信号转换成其表面波。还可以把天线连接到所述表面波装置，其中该天线可以接收一个或多个信号，所述信号激发该声学装置以便产生与流体的流动相关的频率输出以用于分析。

Description

无源无线活体内声波流动传感器
技术领域
本发明的实施例总体涉及流动传感装置和技术。本发明的实施例还涉及叉指式(interdigital)表面波传感器装置，比如声表面波(SAW)、水平剪切声表面波(SH-SAW)、伪(或泄漏)SH-SAW、Love波以及水平剪切声板模式装置和传感器。
发明背景
表面波传感器可以用在多种传感应用中。表面波传感器的例子包括诸如声波传感器之类的装置，其可以被用来检测诸如化学品之类的物质的存在。充当传感器的声波(例如SAW/SH-SAW/Love/SH-APM)装置可以提供高度灵敏的检测机制，这是由于其固有的高Q因数导致对于表面负荷具有高灵敏度并且具有低噪声。
声表面波装置通常是利用光刻技术制造的，其中使用放置在压电材料上的梳状叉指式换能器。声表面波装置可以具有延迟线或者谐振器配置。由于流动造成的声学属性的改变可以被解释为延迟线声表面波装置的延迟时移，或者被解释为谐振器(SH-SAW/SAW)声波装置的频移。
声波传感装置常常依赖于对压电晶体谐振器组件的使用，比如适于和电子振荡器一起使用的那类组件。在典型的流动传感应用中，热对流可以改变衬底温度，同时改变SAW装置的谐振频率。利用诸如LiNbO3之类的负温度系数材料，预期振荡器频率随着液体流量的增加而升高。传感的原理类似于传统的风速计。
流量对于许多应用来说是一个重要参数。监测人体内的液体(比如血液、盐水等等)流量可以提供用于医学研究和临床诊断的重要信息。这种测量可以为研究者提供关于心脏和其他人体器官的生理和官能的深入认识，从而导致医学、营养学以及相关生物学领域的进展。血液/液体流量测量还可以提供关于药品的安全性和功效的信息以及关于化学品的毒性的信息。据信，在生理、药品和医学等应用中，使用无源无线声波装置来进行流量监测很有优势。比起当前可用的固态流动传感器装置，声表面波传感器有可能为流动传感器系统提供更高的灵敏度和更宽的动态范围。
发明概要
以下提供的发明概要有助于理解本发明所独有的新颖特征，而不打算提供完整的描述。可以通过整体参照说明书、权利要求书、附图和摘要来完全理解本发明的各方面。
因此，本发明的一个方面是提供改进的流动传感器装置和传感技术。
本发明的另一方面是提供一种改进的表面波流动传感器装置。
本发明的另一方面是提供一种适于在流动传感应用中使用的叉指式表面波装置，比如声表面波(SAW)谐振器或者声表面波(SAW)延迟线传感装置。
如本文所述，现在可以实现本发明的上述各方面以及其他目的和优点。本文公开了流体流动传感系统和方法。表面波流动传感器可以被用来监测流体的流动。根据一个实施例，所述表面波流动传感器可以被配置成包括一个或多个叉指式换能器以及形成在压电衬底上的加热器。所述叉指式换能器可以被选择来将电信号转换成其表面波。
还可以把天线连接到所述表面波装置，其中该天线用于接收一个或多个信号，其激发该声波装置(即谐振器和延迟线)以便产生与流体的流动相关的频率输出以用于分析。此外，还可以使用一个或多个其他的发送器/接收器向该天线发送信号以便激发该叉指式换能器，从而产生与流体的流动相关的一个或多个频率输出以用于分析。所述流体本身可以是人的血液，并且所述表面波流动传感器和天线可以被植入到人体内以用于监测血液。
附图简述
附图被合并在此并且形成说明书的一部分，其进一步说明了本发明，并且与本发明的详细描述一起用来解释本发明的原理，在附图中，相同的附图标记指代相同的或者功能上相似的元件。
图1示出了叉指式表面波装置的透视图，其适于与本发明的一个实施例一起使用；
图2示出了沿着图1所示的叉指式表面波装置的A-A线的剖面图，其适于与本发明的一个实施例一起使用；
图3示出了叉指式表面波装置的透视图，其适于与本发明的一个
实施例一起使用；
图4示出了沿着图3所示的叉指式表面波装置的A-A线的剖面图，其适于与本发明的一个实施例一起使用；
图5示出了无线声表面波流动传感器系统的方框图，其可以根据本发明的一个优选实施例来实现；
图6示出了活体内声波流动传感器系统的方框图，其可以根据本发明的一个优选实施例来实现；
图7示出了活体内声波流动传感器系统700的方框图，其可以根据本发明的一个替换实施例来实现；
图8示出了具有加热器的无线声表面波流动传感器系统的方框图，其可以根据本发明的一个替换实施例来实现；以及
图9示出了圆柱形无线声表面波流动传感器系统的方框图，其可以根据本发明的一个替换实施例来实现。
发明的详细描述
在以下非限制性实例中讨论的特定数值和配置可以有所变化，并且仅用于说明本发明的至少一个实施例，而不意图限制本发明的范围。
图1示出了叉指式表面波装置100的透视图，其可以根据本发明的一个实施例来实现。正如下面将详细描述的那样，表面波装置100适用于流体流动传感活动。表面波装置100一般可以被配置成包括形成在压电衬底104上的叉指式换能器106。表面波装置100可以在传感器芯片的情境中实现。叉指式换能器106可以被配置成电极的形式。
图2示出了根据本发明一个实施例的沿着图1所示的叉指式表面波装置100的A-A线的剖面图。压电衬底104可以由多种衬底材料形成，比如石英、铌酸锂(LiNbO3)、钽酸锂(LiTaO3)、Li2B4O7、GaPO4、硅酸镓镧(La3Ga5SiO14)、ZnO以及/或者外延生长的氮化物(比如Al、Ga或Ln等等)。形成叉指式换能器106的材料一般被分为三组。首先，叉指式换能器106可以由金属组材料(例如Al、Pt、Au、Rh、Ir、Cu、Ti、W、Cr或Ni)形成。其次，叉指式换能器106可以由合金形成，比如NiCr或CuAl。第三，叉指式换能器106可以由金属-非金属混合物形成(例如基于TiN、CoSi2或WC的陶瓷电极)。取决于所述衬底和叉指式换能器材料的生物相容性，可以使用生物相容涂料的薄层102来覆盖所述叉指式换能器和衬底。
图3示出了叉指式表面波装置300的透视图，其可以根据本发明的一个替换实施例来实现。图3-4中示出的配置类似于图1-2中示出的配置，只是添加了天线308，其连接到并且被放置在无线激发组件310(在图4中示出)上。表面波装置300一般包括形成在压电衬底304上的叉指式换能器306。因此，表面波装置300可以充当叉指式表面波装置，其特别利用掠面(surface-skimming)体波技术。叉指式换能器306可以被配置成电极的形式。可以选择生物相容涂料302，以使得对于人体没有不良影响。可以利用多种选择性涂料来实现涂料302。
可以检测声学属性的改变，并且利用它来识别或检测所吸收的以及/或者由叉指式换能器306吸附的物质或物种。因此，可以通过无线手段来激发叉指式换能器306，以便实现表面声学模型。因此，可以利用天线308和无线激发组件310来激发与流体的流动相关的一个或多个频率模式，以用于进行流体流动分析。
图4示出了根据本发明一个实施例的沿着图3所示的叉指式表面波装置300的A-A线的剖面图。因此，图4中示出的天线308被放置在涂料302上并且连接到无线激发组件310，其可以被形成在涂料302的区域内。与图2的配置类似，压电衬底304可以由多种衬底材料形成，比如石英、铌酸锂(LiNbO3)、钽酸锂(LiTaO3)、Li2B4O7、GaPO4、硅酸镓镧(La3Ga5SiO14)、ZnO以及/或者外延生长的氮化物(比如Al、Ga或Ln等等)。
形成叉指式换能器306的材料一般被分为三组。首先，叉指式换能器306可以由金属组材料(例如Al、Pt、Au、Rh、Ir、Cu、Ti、W、Cr或Ni)形成。其次，叉指式换能器306可以由合金形成，比如NiCr或CuAl。第三，叉指式换能器306可以由金属-非金属混合物形成(例如基于TiN、CoSi2或WC的陶瓷电极)。
图5示出了无线SAW流动传感器系统500的方框图，其可以根据本发明的一个优选实施例来实现。系统500包括一个隔室或结构504，其中可以放置自热式加热器506和上游SAWu传感器装置516。结构504还可以包括下游SAWd传感器装置514。传感器装置516和514可以被实现为与图1-4中所示的类似的叉指式换能器。
箭头502和504分别表示流体流入或者流出隔室或结构504。天线508可以与上游SAWu传感器装置516集成在一起，以及/或者连接到上游SAWu传感器装置516。类似地，第二天线512可以与下游SAWd传感器装置514集成在一起，以及/或者连接到下游SAWd传感器装置514。此外，第三天线510可以与自热式加热器506集成在一起，以及/或者连接到自热式加热器506。应当注意，可以通过将RF功率转换成热量来为自热式加热器506供电。
自热式加热器506可以从RF功率吸收能量，并且将其转换成热量。所述自加热部分可以由声学“有损”材料或者吸声器形成，其中在这种材料中的声能耗散导致对衬底的加热。对于衬底的给定的热导率和有效热质量，静止表面温度可以最终达到稳态。自热式加热器506还可以由电阻加热器类型的材料配置而成。
图6示出了活体内声波流动传感器系统600的方框图，其可以根据本发明的一个优选实施例来实现。系统600通常包括声波流动传感器装置608，其可以按照类似于图5中所示的传感器系统500的传感器装置的配置来实现。举例来说，声波流动传感器装置608可以配备有一个或多个叉指式换能器，比如图5中所示的叉指式换能器。
装置608可以被配置成包括如图1中所示的声学涂料。声波流动传感器装置608可以耦合到天线603，以及/或者与天线603集成在一起。天线603可以从发送器/接收器604接收数据，或者向其发送数据。一般来说，天线603可以连接到装置608，从而天线605接收一个或多个信号，所述信号可以激发声学装置，以便产生与流体的流动相关的频率输出以用于分析。
声波流动传感器装置608和天线603可以形成一个无源无线的活体内声波流动传感器装置601，其可以被植入到人体内。由箭头606所代表的无线询问可以提供装置601正确运行所需要的功率和数据集合。装置601可以由多种声表面波技术实现，比如Rayleigh波、水平剪切波、Love波等等。
图7示出了活体内声波流动传感器系统700的方框图，其可以根据本发明的一个替换实施例来实现。应当注意，在图6和7中，相同的部件或元件通常由相同的附图标记表示。因此，系统700类似于图6中所示的系统600，但是包括一些小的修改。举例来说，其中使用传感器装置702以代替装置520。传感器装置702合并了图1所示的装置100。因此，传感器装置702和发送器/接收器602一起形成一个传感装置701，其可以被用来监测液体流量，比如在人体内流动的血液的流量。
图8示出了根据本发明一个替换实施例的无线声表面波流动传感器系统800的方框图，其可以在没有加热器的情况下实现。系统800通常包括一个隔室或结构806，其中可以放置上游SAWu传感器装置812。结构806还包括下游SAWd传感器装置814。传感器装置812和814例如可以被实现为与图1-4中所示的类似的叉指式换能器。
箭头808和810分别表示流体流入和流出所述隔室或结构806。天线802可以与上游SAWu传感器装置812集成在一起，以及/或者连接到上游SAWu传感器装置812。类似地，第二天线814可以与下游SAWd传感器装置814集成在一起，以及/或者连接到下游SAWd传感器装置814。
图9示出了圆柱形无线声表面波流动传感器系统900的方框图，其可以根据本发明的一个替换实施例来实现。系统900包括圆柱形隔室或结构906，其中可以放置自热式加热器918和上游SAWu传感器装置912。结构906还可以包括下游SAWd传感器装置914。传感器装置912和914例如可以被实现为与图1-4中所示的类似的叉指式换能器。上游SAWu传感器装置912、加热器918和下游SAWd传感器装置914可以位于结构906的内壁上，并且分别连接到结构906的各端。在系统900的配置中，内圆周的350度可以被用于加热器电阻或者加热器918，这样为在结构906的各边缘配置所有连接留下了足够的空间。
在涂料选择方面，生物相容性包括周围组织以及整个身体对于人工移植物的接受度。生物相容材料不刺激周围结构，不引起异常发炎反应，不引发过敏反应，并且不致癌。
本文所述的各实施例和例子是为了最佳地解释本发明及其实际应用，从而使得本领域技术人员能够利用本发明。但是，本领域技术人员将会意识到，前面的描述和实例仅用于说明和举例的目的。本领域技术人员将会想到本发明的其他变型和修改，因此所附权利要求书意图覆盖这些变型和修改。
上面的描述并不是穷举性的，并且不限制本发明的范围。根据上述教导，在不脱离所附权利要求书的范围的情况下，许多修改和变型都是有可能的。本发明的使用可以包括具有不同特性的组件。本发明的范围由所附权利要求书及其等效表述限定。

Claims (20)

1、一种流体流动传感系统，包括：
声表面波流动传感器，其用于监测流体通过由多个壁形成的隔室的流动，其中所述声表面波流动传感器包括至少一个叉指式换能器和形成在压电衬底上的自热式加热器，其中所述叉指式换能器被选择成在其表面波中引入可忽略的电耦合；以及
连接到所述至少一个叉指式换能器的天线，其中所述天线接收至少一个信号，所述信号激发所述至少一个叉指式换能器，从而产生与所述流体的所述流动相关的频率输出以用于分析。
2、如权利要求1所述的系统，还包括发送器和接收器单元，其用于将所述至少一个信号发送到所述天线以便激发所述至少一个叉指式换能器，从而产生与所述流体的所述流动相关的所述至少一个频率输出以用于分析。
3、如权利要求2所述的系统，其中，所述流体包括血液，所述系统的所述声表面波流动传感器和所述天线可以被植入到人体内，以用于监测所述血液，并且所述发送器和接收器单元位于所述人体的外部。
4、如权利要求1所述的系统，其中，所述至少一个频率输出包括至少一项以下类型的数据：
曲板模式(FMP)数据，声板模式数据；
水平剪切声板模式(SH-APM)数据；
幅度板模式(APM)数据；
厚度剪切模式(TSM)数据；
声表面波模式(SAW)和体声波模式(BAW)数据；
扭转模式数据；
Love波数据；
泄漏声表面波模式(LSAW)数据；
伪声表面波模式(PSAW)数据；
横模数据，掠面模数据；
表面横模数据；
谐模数据；以及
泛音模式数据。
5、如权利要求1所述的系统，其中，所述至少一个叉指式换能器包括从一组材料中选择的电极材料，该组材料包括以下金属当中的至少一种：Al、Pt、Au、Rh、Ir、Cu、Ti、W、Cr或Ni。
6、如权利要求1所述的系统，其中，所述至少一个叉指式换能器包括从一组材料中选择的电极材料，该组材料包括合金。
7、如权利要求1所述的系统，其中，所述至少一个叉指式换能器包括从一组材料中选择的电极材料，该组材料包括金属-非金属混合物。
8、一种流体流动传感系统，包括：
声表面波流动传感器，其用于监测流体的流动，其中所述声表面波流动传感器包括至少一个叉指式换能器和形成在压电衬底上的自热式加热器，其中所述至少一个叉指式换能器被选择成在其表面波中引入可忽略的电耦合；
连接到所述至少一个叉指式换能器的天线，其中所述天线接收至少一个信号，所述信号激发所述至少一个叉指式换能器，从而产生与所述流体的所述流动相关的频率输出以用于分析，其中所述流体包括血液，并且所述声表面波流动传感器和所述天线可以被植入到人体内以用于监测所述血液；以及
发送器和接收器单元，其用于将所述至少一个信号发送到所述天线以便激发所述至少一个叉指式换能器，从而产生与所述流体的所述流动相关的所述至少一个频率输出以用于分析，其中所述发送器和接收器单元位于所述人体的外部。
9、如权利要求8所述的系统，其中，所述至少一个叉指式换能器包括从一组材料中选择的电极材料，该组材料包括以下金属当中的至少一种：Al、Pt、Au、Rh、Ir、Cu、Ti、W、Cr或Ni。
10、如权利要求8所述的系统，其中，所述至少一个叉指式换能器包括从一组材料中选择的电极材料，该组材料包括合金。
11、如权利要求8所述的系统，其中，所述至少一个叉指式换能器包括从一组材料中选择的电极材料，该组材料包括金属-非金属混合物。
12、如权利要求8所述的系统，其中，所述至少一个叉指式换能器包括至少一个SAWu组件和至少一个SAWd组件。
13、如权利要求8所述的系统，其中，所述至少一个频率输出包括至少一项以下类型的数据：
曲板模式(FMP)数据，声板模式数据；
水平剪切声板模式(SH-APM)数据；
幅度板模式(APM)数据；
厚度剪切模式(TSM)数据；
声表面波模式(SAW)和体声波模式(BAW)数据；
扭转模式数据；
Love波数据；
泄漏声表面波模式(LSAW)数据；
伪声表面波模式(PSAW)数据；
横模数据，掠面模数据；
表面横模数据；
谐模数据；以及
泛音模式数据。
14、一种流体流动传感方法，包括以下步骤：
提供声表面波流动传感器，其用于监测流体的流动，其中所述声表面波流动传感器包括至少一个叉指式换能器和形成在压电衬底上的声学涂料，其中所述至少一个叉指式换能器被选择成在其表面波中引入可忽略的电耦合；以及
将天线连接到声表面波装置，其中所述天线接收至少一个信号，所述信号激发所述至少一个叉指式换能器，从而产生与所述流体的所述流动相关的频率输出以用于分析。
15、如权利要求14所述的方法，进一步包括以下步骤：提供发送器和接收器单元，其用于将所述至少一个信号发送到所述天线以便激发所述至少一个叉指式换能器，从而产生与所述流体的所述流动相关的所述至少一个频率输出以用于分析。
16、如权利要求14所述的方法，其中，所述流体包括血液，并且所述表面波流动传感器和所述天线可以被植入到人体内，以用于监测所述血液。
17、如权利要求14所述的方法，其中，所述至少一个频率输出包括至少一项以下类型的数据：
曲板模式(FMP)数据，声板模式数据；
水平剪切声板模式(SH-APM)数据；
幅度板模式(APM)数据；
厚度剪切模式(TSM)数据；
声表面波模式(SAW)和体声波模式(BAW)数据；
扭转模式数据；
Love波数据；
泄漏声表面波模式(LSAW)数据；
伪声表面波模式(PSAW)数据；
横模数据，掠面模数据；
表面横模数据；
谐模数据；以及
泛音模式数据。
18、如权利要求1所述的方法，其中，所述至少一个叉指式换能器包括从一组材料中选择的电极材料，该组材料包括以下金属当中的至少一种：Al、Pt、Au、Rh、Ir、Cu、Ti、W、Cr或Ni。
19、如权利要求1所述的方法，其中，所述至少一个叉指式换能器包括从一组材料中选择的电极材料，该组材料包括合金。
20、如权利要求1所述的方法，其中，所述至少一个叉指式换能器包括从一组材料中选择的电极材料，该组材料包括金属-非金属混合物。
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