DE102011056622A1

DE102011056622A1 - Temperaturunabhängige chemische und biologische Sensoren

Info

Publication number: DE102011056622A1
Application number: DE102011056622A
Authority: DE
Inventors: Radislav Alexandrovich Potyrailo; Cheryl M. Surman
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: GE Infrastructure Technology LLC
Priority date: 2010-12-23
Filing date: 2011-12-19
Publication date: 2012-07-05
Also published as: TW201231961A; KR101911030B1; JP2012132901A; US8990025B2; GB201121548D0; GB2486786B; US20140019067A1; US8542024B2; US20120161787A1; JP5802526B2; GB2486786A; CN102589582A; TWI576582B; KR20120092493A

Abstract

Es werden Verfahren und Sensoren für das selektive Anzeigen von Strömungsmitteln bereitgestellt. Ein Sensor schließt einen Induktor-Kondensator-Widerstands-(LCR)-Schwingkreis und ein Anzeigematerial ein, das über einer Anzeigeregion angeordnet ist. Die Anzeigeregion umfasst mindestens einen teil der LCR-Schaltung. Temperaturabhängige Reaktionskoeffizienten der Induktivitäts-L, Kapazitäts-C und Widerstands-R Eigenschaften der LCR-Schaltung und des Anzeigematerials unterscheiden sich um zumindest etwa 5% voneinander. Der Unterschied in den temperaturabhängigen Reaktionskoeffizienten der Eigenschaften der LCR-Schaltung und des Anzeigematerials ermöglichen es dem Sensor, selektiv Analyt-Strömungsmittel aus einer analysierten Strömungsmittelmischung, im Wesentlichen unabhängig von der Temperatur, nachzuweisen.

Description

Diese Erfindung wurde mit Regierungsunterstützung gemacht und teilweise durch das National Institute of Environmental Health Sciences unter Grand Nr. IR01ES016569-01A1 finanziert. Die Regierung hat gewisse Rechte an der Erfindung.
HINTERGRUND
Der hierin offenbarte Gegenstand bezieht sich auf chemische und biologischen Sensoren und spezieller auf sehr selektive temperaturunabhängige chemische und biologische Sensoren.
Chemische und biologische Sensoren werden häufig in einer Anzahl von Anwendungen eingesetzt, bei denen der Nachweis verschiedener Dämpfe benutzt werden kann, um brauchbare Information festzustellen. So kann z. B. das Messen der Anwesenheit von Dämpfen durch Erkennen einer Änderung in gewissen Umweltvariablen innerhalb eines oder um einen Sensor herum besonders brauchbar sein zum Überwachen von Änderungen in biopharmazeutischen Produkten, Nahrungsmitteln oder Getränken, zum Überwachen industrieller Bereiche hinsichtlich chemischer oder physikalischer Gefahren ebenso wie in Sicherheitsanwendungen, wie Überwachen von Wohngebieten, Sicherheit in Flughäfen, in verschiedenen Umwelt- und klinischen Einrichtungen und anderen öffentlichen Schauplätzen, bei denen der Nachweis gewisser schädlicher und/oder toxischer Dämpfe besonders brauchbar sein mag.
Eine Technik zum Anzeigen solcher Umweltänderungen ist die durch Einsetzen eines Sensors, wie eines RFID-(passive Hochfrequenz-Identifikations)Sensors, der mit einem besonderen Anzeigematerial überzogen ist. Zusätzlich können Sensoren in einer Anordnung einzelner Wandler angeordnet sein, die mit einem oder mehreren Anzeigematerialien überzogen sind. Viele Sensoranordnungen schließen eine Anzahl identischer Sensoren ein. Während das Benutzen identischer Sensoren die Herstellung der Sensoranordnung erleichtert, kann eine solche Anordnung begrenzte Fähigkeiten aufweisen, indem sie nur eine einzige Reaktion anzeigt (z. B. Widerstand, Strom, Kapazität, Arbeitsfunktion, Masse, optische Dicke, Lichtintensität usw.). In gewissen Anwendungen können jedoch mehrere Reaktionen oder Änderungen in mehreren Eigenschaften auftreten. In solchen Anwendungen mag es nützlich sein, eine Reihe von Sensoren einzuschließen, bei denen unterschiedliche Wandler in der Anordnung die gleichen oder verschiedene Reaktionen benutzen (z. B. Widerstand, Strom, Kapazität, Arbeitsfunktion, Masse, optische Dicke, Lichtintensität usw.), und sie sind mit verschiedenen Anzeigematerialien überzogen, sodass mehr als eine Eigenschaft gemessen werden kann. Nachteiligerweise kompliziert die Herstellung einer Sensoranordnung, die individuelle Sensoren aufweist, die einheitlich hergestellt sind, um eine spezielle Reaktion anzuzeigen, die Fabrikation der Anordnung.
In vielen praktischen Anwendungen ist es nützlich, sehr selektive chemische und biologische Sensoren einzusetzen. Es ist häufig erwünscht, eine Sensoranordnung bereitzustellen, die in der Lage ist, mehrere Dämpfe und Dampfmischungen in der Gegenwart anderer Dämpfe und Mischungen anzuzeigen. Je größer die Anzahl der Dämpfe und Dampfmischungen ist, die vorhanden sein kann, um so schwieriger mag es sein, eine spezifische Art von Dampf oder Dampfmischung genau anzuzeigen und zu erkennen. Dies kann besonders dann der Fall sein, wenn einer oder mehrere Dämpfe in höheren Größenordnungen vorhanden sind, als andere interessierende Dampfe, die nachzuweisen sind. So beeinträchtigen z. B. Umgebungen mit großer Feuchte die Fähigkeit traditioneller Sensoren, ausgewählte Dämpfe nachzuweisen. Weiter verringern Temperaturvariationen die Genauigkeit des chemischen und biologischen Anzeigens, wenn Sensoren eingesetzt werden, wie individuelle Sensoren oder in einer Anordnung angeordnete Sensoren.
Verschiedene hierin offenbarte Ausführungsformen wenden sich an eine oder mehrere der oben aufgeführten Herausforderungen.
KURZE BESCHREIBUNG
Gemäß einer Ausführungsform wird ein Sensor bereitgestellt, der einen Induktor-Kondensator-Widerstands(LCR)-Schwingkreis und ein Anzeigematerial umfasst, das über einer Anzeigeregion angeordnet ist. Die Anzeigeregion umfasst mindestens einen Teil der LCR-Schaltung. Die temperaturabhängigen Reaktionskoeffizienten der Induktivitäts-L, Kapazitäts-C und Widerstands-R Eigenschaften der LCR-Schaltung und des Anzeigematerials unterscheiden sich um mindestens etwa 5 Prozent voneinander. Der Unterschied in den temperaturabhängigen Reaktionskoeffizienten der Eigenschaften der LCR-Schaltung und des Anzeigematerials ermöglicht es dem Sensor, selektiv zu analysierende Strömungsmittel einer analysierten Strömungsmittelmischung im Wesentlichen unabhängig von der Temperatur nachzuweisen.
Gemäß einer anderen Ausführungsform wird ein Verfahren zum Nachweisen chemischer oder biologischer Materialien in einem Strömungsmittel bereitgestellt. Das Verfahren umfasst das Messen eines realen Teiles und eines imaginären Teiles eines Impedanzspektrums einer Sensor-Resonanzantenne, die mit einem Anzeigematerial überzogen ist. Die temperaturabhängigen Reaktionskoeffizienten einer Eigenschaft der Sensor-Resonanzantenne und des Anzeigematerials unterscheiden sich voneinander. Das Verfahren umfasst weiter das Berechnen von mindestens sechs spektralen Parametern der Sensor-Resonanzantenne, die mit dem Anzeigematerial überzogen ist, bei mehreren Temperaturen. Das Verfahren umfasst weiter das Reduzieren des Impedanzspektrums zu einem einzelnen Datenpunkt unter Anwendung einer multivariaten Analyse, um selektiv einen Analyten (ein zu analysierendes Material) zu identifizieren. Das Verfahren umfasst weiter das Bestimmen eines oder mehrerer Umgebungsparameter aus dem Impedanzspektrum unter Benutzung gespeicherter Kalibrierungs-Koeffizienten. Die Bestimmung des einen oder der mehreren Umweltparameter ist im Wesentlichen unabhängig von der Temperatur.
Gemäß einer anderen Ausführungsform wird ein Verfahren zum Herstellen eines Sensors bereitgestellt. Das Verfahren schließt das Zusammenbauen eines Wandlers ein, der einen Induktor-Kondensator-Widerstands(LCR)-Schwingkreis umfasst. Der Wandler umfasst mindestens drei temperaturabhängige Reaktionskoeffizienten der Induktivitäts-L, Kapazitäts-C und Widerstands-R Eigenschaften der LCR-Schaltung. Die mindestens drei temperaturabhängigen Reaktionskoeffizienten der Eigenschaften der LCR-Schaltung unterscheiden sich um mindestens etwa 5 Prozent voneinander. Das Verfahren schließt weiter das Auswählen eines Anzeigematerials ein, das mindestens zwei temperaturabhängige Reaktionskoeffizienten von Dielektrizitäts-Konstanten und Widerstands-Eigenschaften des Anzeigematerial umfasst. Die mindestens zwei temperaturabhängigen Reaktionskoeffizienten der Eigenschaften des Anzeigematerials unterscheiden sich um mindestens etwa 5 Prozent von den mindestens drei temperaturabhängigen Reaktionskoeffizienten der Eigenschaften der LCR-Schaltung. Das Verfahren schließt weiter das Anordnen des Anzeigematerials über einer Anzeigeregion ein. Die Anzeigeregion umfasst mindestens einen Teil der LCR-Schaltung.
ZEICHNUNG
Diese und andere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden besser verstanden beim Lesen der folgenden detaillierten Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung, in der gleiche Bezugsziffern gleiche Teile in den Figuren repräsentieren, wobei:
1 ein Anzeigesystem gemäß Ausführungsformen der Erfindung zeigt;
2 einen RFID-Sensor gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zeigt;
3 einen RFID-Sensor gemäß anderen Ausführungsformen der Erfindung zeigt;
4 gemessene Reaktionen eines RFID-Sensors gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zeigt;
5 ein Fließbild ist, das ein Verfahren zum Analysieren eines Dampfes in Gegenwart variabler Temperatur gemäß Ausführungsformen der Erfindung zeigt, und
6–11 Testdaten zeigen, die einen einzelnen Sensor demonstrieren, der gemäß Ausführungsformen der Erfindung in der Lage ist, zwischen Feuchtigkeitsniveaus unabhängig von der Temperatur zu unterscheiden.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Hierin offenbarte Ausführungsformen bieten temperaturunabhängige Verfahren und Systeme zum selektiven Dampfanzeigen, worin ein einzelner Sensor bereitgestellt und in der Lage ist, mehrere Dämpfe und/oder Mischungen von Dämpfen allein oder in Gegenwart voneinander nachzuweisen. Beispiele allgemeiner Verfahren zum Dampfanzeigen unter Einsatz eines einzelnen Sensors sind in der US-Patentanmeldung, Serial No. 12/942,732 mit dem Titel „Highly Selective Chemical and Biological Sensors”, auf die hiermit Bezug genommen wird, beschrieben. Die offenbarten Sensoren sind in der Lage, verschiedene Dämpfe und Mischungen in der Gegenwart variabler Temperatur, selbst in einer Umgebung mit großer Feuchte oder in einer Umgebung nachzuweisen, in der ein oder mehrere Dämpfe eine wesentlich höhere Konzentration (z. B. 10×) aufweisen, verglichen mit anderen Komponenten in der Mischung. Jeder Sensor schließt einen Induktor-Kondensator-Widerstands-(LCR)-Schwingkreis ein, der mit einem Anzeigematerial überzogen ist. Temperaturabhängige Reaktionskoeffizienten einer Eigenschaft der LCR-Schaltung und des Anzeigematerials unterscheiden sich voneinander. Die Unterschiede in den temperaturabhängigen Reaktionskoeffizienten der Eigenschaft beeinflussen die Messungen der offenbarten Sensoren. Die Kenntnis der temperaturabhängigen Reaktionskoeffizienten der Eigenschaft und/oder die Kenntnis, wie der Sensor durch die Unterschiede in den temperaturabhängigen Reaktionskoeffizienten der Eigenschaft beeinflusst wird, werden jedoch zusammen mit einer multivariaten Analyse der gemessenen Impedanz des Sensors benutzt, um temperaturunabhängige selektive Dampfanzeigen und verbesserte Reaktionsstabilität bereitzustellen. Es kann z. B. ein Nachschlagetabelle entwickelt werden, die Koeffizienten einschließt, die auf dem experimentellen Testen des Sensors beruhen. Während des Einsatzes des Sensors können die experimentell bestimmten Koeffizienten in der multivariaten Analyse benutzt werden, um Variationen in der Temperatur während des Anzeigens zu berücksichtigen. Andere hierin offenbarte Ausführungsformen bieten temperaturunabhängige Verfahren und Systeme zum selektiven chemischen und biologischen Anzeigen, wobei ein einzelner Sensor bereitgestellt wird, der in der Lage ist, mehrere chemische oder biologische Materialien in Flüssigkeiten und/oder Mischungen von chemischen und biologischen Materialien allein oder in der Gegenwart voneinander nachzuweisen.
Nicht einschränkende Beispiele von LCR-Sensoren schließen RFID-Sensoren mit einem integrierte Schaltungs-(IC)Speicherchip, RFID-Sensoren mit einem IC-Chip und RFID-Sensoren ohne einen IC-Speicherchip (chip-lose RFID-Sensoren) ein. LCR-Sensoren können drahtlos oder verdrahtet sein. Um Daten zu sammeln, wird ein Impedanzspektrum über einen relativ engen Frequenzbereich erfasst, wie den Resonanzfrequenzbereich der LCR-Schaltung. Die Technik schließt weiter das Errechnen der multivariaten Signatur des erfassten Spektrums und das Manipulieren der Daten ein, um die Anwesenheit gewisser Dämpfe und/oder Dampfmischungen zu erkennen. Die Anwesenheit von Dämpfen wird nachgewiesen durch Messen der Änderungen in dielektrischen, abmessungsmäßigen, Ladungsübertragungs- und anderen Änderungen in den Eigenschaften der eingesetzten Materialien durch Beobachten der Änderungen in den elektronischen Resonanzeigenschaften der Schaltung. Unter Anwendung einer mathematischen Prozedur, wie prinzipieller Komponentenanalyse (PCA) und anderer, können mehrere Dämpfe und Mischungen in der Gegenwart voneinander und in der Gegenwart eines Interferenten nachgewiesen werden, wie weiter unten beschrieben wird. Hierin offenbarte Ausführungsformen bieten temperaturunabhängige Verfahren und Systeme zum selektiven Anzeigen von Strömungsmitteln, wobei ein einzelner Sensor bereitgestellt wird und in der Lage ist, mehrere Strömungsmittel und/oder Mischungen von Strömungsmitteln allein oder in der Gegenwart voneinander nachzuweisen. Weitere Ausführungsformen offenbaren Verfahren zum Herstellen solcher Sensoren durch Zusammenbauen eines Wandlers, der die LCR-Schaltung einschließt und Anordnen des Anzeigematerials über mindestens einem Teil des Wandlers, wobei sich die temperaturabhängigen Reaktionskoeffizienten einer Eigenschaft des Wandlers und des Anzeigematerials voneinander unterscheiden. In anderen Ausführungsformen können, neben chemischen Sensoren für Dämpfe und Strömungsmittel, biologische Sensoren ebenfalls temperaturunabhängige Nachweisfähigkeiten haben.
Um den Gegenstand der beanspruchten Erfindung klarer und genauer zu beschreiben, werden die folgenden Definitionen spezifischer Begriffe angegeben, die in der folgenden Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen benutzt werden.
Der Begriff „Strömungsmittel” schließt Gase, Dämpfe, Flüssigkeiten, Teilchen, biologische Teilchen, biologische Moleküle und Feststoffe ein.
Der Begriff „digitale ID” schließt alle Daten ein, die in einem Speicherchip des RFID-Sensors gespeichert sind. Nicht einschränkende Beispiele dieser Daten sind Hersteller-Identifikation, elektronische Pedigree-Daten, Nutzerdaten und Kalibrierungsdaten für den Sensor.
Der Begriff „Überwachungsprozess” schließt, ohne darauf beschränkt zu sein, das Messen physikalischer Änderungen ein, die um den Sensor herum auftreten. So schließen z. B. Überwachungsprozesse das Überwachungen von Änderungen in einem biopharmazeutischen, Nahrungsmittel- oder Getränke-Herstellungsverfahren ein, die in Beziehung stehen zu Änderungen in physikalischen, chemischen und/oder biologischen Eigenschaften einer Umgebung um den Sensor herum. Überwachungsprozesse können auch solche Industrieprozesse einschließen, die physikalische Änderungen ebenso wie Änderungen in einer Zusammensetzung oder Position einer Komponente überwachen. Nicht einschränkende Beispiele schließen die Überwachung der Sicherheit des Heimatlandes, die Schutzüberwachung Wohngebieten, die Umweltüberwachung, die klinische oder Überwachung von im Bett liegenden Patienten, die Sicherheitsüberwachung eines Flughafens, Eintrittskartenausgabe und andere öffentliche Geschehnisse ein. Das Überwachen kann ausgeführt werden, wenn das Sensorsignal eine erkennbare stationäre Reaktion erreicht hat und/oder wenn der Sensor eine dynamische Reaktion zeigt. Die stationäre Sensorreaktion ist eine Reaktion des Sensors über eine vorbestimmte Zeitdauer, bei der sich die Reaktion über die Messzeit hinweg nicht erkennbar ändert. Messungen stationärer Sensorreaktionen über die Zeit erzeugen somit ähnliche Werte. Die dynamische Sensorreaktion ist eine Reaktion des Sensors aufgrund einer Änderung in dem gemessenen Umgebungsparameter (Temperatur, Druck, chemische Konzentration, biologische Konzentration usw.). Die dynamische Sensorreaktion ändert sich somit signifikant über die Messzeit zum Erzeugen einer dynamischen Signatur der Reaktion bezüglich des/der gemessenen Umgebungsparameter. Nicht einschränkende Beispiele der dynamischen Signatur der Reaktion schließen eine mittlere Reaktionsneigung, eine mittlere Reaktionsgröße, eine größte positive Neigung der Signalreaktion, eine größte negative Neigung der Signalreaktion, eine mittlere Änderung in der Signalreaktion, eine maximale positive Änderung in der Signalreaktion und eine maximale negative Änderung in der Signalreaktion ein. Die erzeugte dynamische Signatur der Reaktion kann benutzt werden, um die Selektivität des Sensors in dynamischen Messungen einzelner Dämpfe und deren Mischungen weiter zu fördern. Die erzeugte dynamische Signatur der Reaktion kann auch benutzt werden, die Kombination von Anzeigematerial und Wandlergeometrie weiter zu optimieren, um die Selektivität des Sensors in dynamischen und stationären Messungen einzelner Dämpfe und deren Mischungen zu fördern.
Der Begriff „Umgebungs/Umwelt-parameter” wird benutzt, um sich auf messbare Umgebungsvariable innerhalb oder um ein Herstellungs- oder Überwachungssystem herum zu beziehen. Die messbaren Umgebungsvariablen umfassen mindestens eine der physikalischen, chemischen und biologischen Eigenschaften und sie schließen, ohne darauf beschränkt zu sein, Messungen der Temperatur, des Druckes, der Materialkonzentration, der Leitfähigkeit, der dielektrischen Eigenschaften, der Anzahl der dielektrischen, metallischen, chemischen oder biologischen Teilchen in der Nähe oder in Kontakt mit dem Sensor, die Dosis ionisierender Strahlung und die Lichtintensität ein.
Der Begriff „Analyt” schließt irgendeinen erwünschten gemessenen Umgebungsparameter ein.
Der Begriff „Interferenz” schließt irgendeinen unerwünschten Umgebungsparameter ein, der die Genauigkeit und Präzision von Messungen mit dem Sensor in unerwünschter Weise beeinflusst. Der Begriff „Interferent” bezieht sich auf ein Strömungsmittel oder einen Umgebungsparameter (der Temperatur, Druck, Licht usw. einschließt, darauf jedoch nicht beschränkt ist), der potenziell eine Interferenzreaktion durch den Sensor erzeugen kann.
Der Begriff „multivariate Analyse” bezieht sich auf ein mathematisches Verfahren, das benutzt wird, mehr als eine Variable der Sensorreaktion zu analysieren und die Information über die Art mindestens eines Umgebungsparameters aus den gemessenen Sensor-Spektralparametern und/oder quantitative Information über das Niveau des mindestens eines Umgebungsparameters aus den gemessenen Sensor-Spektralparametern bereitzustellen. Der Begriff „Hauptkomponentenanalyse (PCA)” bezieht sich auf ein mathematisches Verfahren, das benutzt wird, die multidimensionalen Datensätze zu geringeren Dimensionen zur Analyse zu reduzieren. Die Hauptkomponentenanalyse ist ein Teil der Eigen-Analyseverfahren der statistischen Analyse von multivariaten Daten und sie kann ausgeführt werden unter Benutzung einer Kovarianzmatrix oder Korrelationsmatrix. Nicht einschränkende Beispiele von Werkzeugen der multivariaten Analyse schließen die kanonische Korrelationsanalyse, die Regressionsanalyse, die nichtlineare Regressionsanalyse, die Hauptkomponentenanalyse, die diskriminante Funktionsanalyse, das multidimensionale Skalieren, die lineare Diskriminanzanalyse, die logische Regression oder die neurale Netzwerkanalyse ein.
Der Begriff „Spektralparameter” wird benutzt, um sich auf messbare Variable der Sensorreaktion zu beziehen. Die Sensorreaktion ist das Impedanzspektrum des Sensor-Schwingkreises des LCR- oder RFID-Sensors. Zusätzlich zum Messen des Impedanzspektrums in der Form von Z-Parametern, S-Parametern und anderen Parametern kann das Impedanzspektrum (seine beiden realen und imaginären Teile) gleichzeitig unter Benutzung verschiedener Parameter zur Analyse analysiert werden, wie der Frequenz des Maximums des realen Teils der Impedanz (F_p), der Größe des realen Teils der Impedanz (Z_p), der Resonanzfrequenz des imaginären Teiles der Impedanz (F₁) und der Anti-Resonanzfrequenz des imaginären Teils der Impedanz (F₂), der Signalgröße (Z₁) bei der Resonanzfrequenz des imaginären Teils der Impedanz (F₁), der Signalgröße (Z₂) bei der Anti-Resonanzfrequenz des imaginären Teils der Impedanz ((F₂) und der Null-Reaktanzfrequenz (F_z, Frequenz, bei der der imaginäre Teil der Impedanz null ist). Andere Spektralparameter können gleichzeitig gemessen werden unter Benutzung der gesamten Impedanzspektren z. B. der Qualitätsfaktor der Resonanz, der Phasenwinkel und die Größe der Resonanz. Gemeinsam werden hier „Spektralparameter”, die aus den Impedanzspektren errechnet werden, „Merkmale” oder „Deskriptoren” genannt. Die geeignete Auswahl von Merkmalen wird aus allen potenziellen Markmalen vorgenommen, die aus Spektren errechnet werden können. Multivariable Spektralparameter sind in der US-Patentanmeldung, Serial No. 12/118,950 mit dem Titel „Methods and systems for calibration of RFID sensors” beschrieben, die durch Bezugnahme hier aufgenommen wird.
Der Begriff „Resonanzimpedanz” oder „Impedanz” bezieht sich auf die gemessene Sensor-Frequenzreaktion, um die Resonanz des Sensors herum, aus der die Sensor-„Spektralparameter” extrahiert sind.
Der Begriff „Schutzmaterial” schließt, ohne darauf beschränkt zu sein, Materialien auf dem LCR- oder RFID-Sensor ein, die den Sensor vor einer unbeabsichtigten mechanischen, physikalischen oder chemischen Wirkung schützen, während sie die Ausführung der vorgesehenen Messungen gestatten. So kann z. B. eine vorgesehene Messung die Messung der Lösungsleitfähigkeit einschließen, wobei ein Schutzfilm den Sensor von der flüssigen Lösung trennt und doch das Eindringen eines elektromagnetischen Feldes in die Lösung gestattet. Ein Beispiel eines Schutzmaterials ist ein Papierfilm, der auf den Sensor gelegt wird, um den Sensor vor mechanischer Beschädigung und Abrieb zu schützen. Ein anderes nicht einschränkendes Beispiel eines Schutzmaterials ist ein Polymerfilm, der auf den Sensor aufgebracht wird, um den Sensor vor Korrosion zu schützen, wenn er für Messungen in einer Flüssigkeit angeordnet wird. Ein Schutzmaterial kann auch ein Polymerfilm sein, der auf den Sensor aufgelegt wird, um ihn vor Kurzschlüssen des Antennenstromkreises des Sensors zu schützen, wenn er für Messungen in einer leitenden Flüssigkeit angeordnet wird. Nicht einschränkende Beispiele von Schutzfilmen sind Papier-, polymere und anorganische Filme, wie Polyester, Polypropylen, Polyethylen, Polyether, Polycarbonat, Polyethylenterephthalat, Zeolithe, metallorganische Gerüststoffe und Cavitanden. Das Schutzmaterial kann zwischen dem Wandler und dem Anzeigefilm angeordnet sein, um den Wandler zu schützen. Das Schutzmaterial kann auf dem Anzeigefilm angeordnet sein, der sich selbst auf dem Wandler befindet, um den Anzeigefilm und den Wandler zu schützen. Das Schutzmaterial auf dem Anzeigefilm, der sich selbst auf dem Wandler befindet, kann als ein Filtermaterial dienen, um den Anzeigefilm davor zu schützen, dass er gasförmigen oder ionischen Interferenzen ausgesetzt ist. Nicht einschränkende Beispiele von Filtermaterialien schließen Zeolithe, metallorganische Gerüststoffe und Cavitanden ein.
Der Begriff „Anzeigematerialien und Anzeigefilme”, wie er hierin benutzt wird, schließt, ohne darauf beschränkt zu sein, Materialien ein, die auf einem elektronischen Wandlermodul, wie LCR-Schaltungskomponenten oder einer RFID-Markierung, abgeschieden sind, um die Funktion des vorhersagbaren und reproduzierbaren Beeinflussens der Sensor-Impedanzreaktion bei Wechselwirkung mit der Umgebung auszuführen. So ändert z. B. ein leitendes Polymer, wie Polyanilin, seine Leitfähigkeit beim Aussetzen gegenüber Lösungen von unterschiedlichem pH. Wird ein solcher Polyanilinfilm auf dem LCR- oder RFID-Sensor abgeschieden, dann ändert sich die Impedanzreaktion des Sensors als eine Funktion des pH. Ein solcher LCR- oder RFID-Sensor arbeitet somit als ein pH-Sensor. Wird ein solcher Polyanilinfilm auf dem LCR- oder RFID-Sensor zum Nachweisen in einer Gasphase abgeschieden, dann ändert sich die Impedanzreaktion des Sensors auch beim Aussetzen gegenüber basischen (z. B. NH₃) oder sauren (z. B. HCl) Gasen. Alternativ kann der Anzeigefilm ein dielektrisches Polymer sein. Sensorfilme schließen, ohne darauf beschränkt zu sein, Polymer-, organische, anorganische, biologische, Verbundmaterial- und Nanoverbundmaterial-Filme ein, die ihre elektrischen und/oder dielektrischen Eigenschaften auf der Grundlage der Umgebung ändern, in der sie angeordnet sind. Nicht einschränkende zusätzliche Beispiele von Sensorfilmen können ein sulfoniertes Polymer, wie Nafion, ein adhäsives Polymer, wie Siliconkleber, oder ein anorganischer Film, wie Sol-Gel-Film, ein Verbundmaterialfilm, wie Ruß-Polyisobutylen-Film, ein Nano-Verbundmaterialfilm, wie Kohlenstoff-Nanoröhrchen-Nafion-Film, Gold-Nanoteilchen-Polymerfilm, Metall-Nanoteilchen-Polymerfilm, elektrisch gesponnene Polymernanofasern, elektrisch gesponnene anorganische Nanofasern, elektrisch gesponnene Verbundnanofasern oder Filme/Fasern sein, die mit organisch, metallorganisch oder biologisch abgeleiteten Molekülen dotiert sind, oder irgendein anderes Anzeigematerial. Um zu verhindern, dass das Material im Sensorfilm in die flüssige Umgebung auslaugt, sind die Anzeigematerialien an der Sensoroberfläche unter Benutzung von Standardtechniken befestigt, wie kovalentem Verbinden, elektrostatischem Verbinden und anderen Standardtechniken, die dem Fachmann bekannt sind. Außerdem hat das Anzeigematerial mindestens zwei temperaturabhängige Reaktionskoeffizienten, die sich auf temperaturabhängige Änderungen in der Dielektrizitätskonstanten des Materials und dem Widerstand des Anzeigematerials beziehen.
Die Begriffe „Wandler und Sensor” werden benutzt, um sich auf elektronische Vorrichtungen zu beziehen, wie RFID-Vorrichtungen, die zum Anzeigen vorgesehen sind. Ein „Wandler” ist eine Vorrichtung, bevor sie mit einem anzeigenden oder schützenden Film überzogen ist oder bevor sie für eine Anzeigeanwendung kalibriert ist. Der Wandler schließt mindestens drei temperaturabhängige Reaktionskoeffizienten von temperaturabhängigen Änderungen in der Kapazität C, dem Widerstand R und der Induktivität L der LCR-Schaltung ein. „Sensor” ist eine Vorrichtung typischerweise, nachdem sie mit einem anzeigenden oder schützenden Film überzogen und nachdem sie für die Anzeigeanwendung kalibriert worden ist.
Der Begriff „RFID-Markierung”, wie er hierin benutzt wird, bezieht sich auf eine Identifikations- und Berichts-Technologie, die elektronische Markierungen zum Identifizieren und/oder Verfolgen von Gegenständen benutzt, an denen die RFID-Markierung befestigt sein kann. Eine RFID-Markierung schließt typischerweise zumindest zwei Komponenten ein, wobei die erste Komponente ein integrierter Schaltungs-(IC)-Speicherchip zum Speichern und Verarbeiten von Information und zum Modulieren und Demodulieren eines Radiofrequenzsignals ist. Dieser Speicherchip kann auch für andere spezialisierte Funktionen benutzt werden, er kann z. B. einen Kondensator enthalten. Er kann auch mindestens einen Eingang für ein analoges Signal, wie einen Widerstandseingang, einen Kapazitätseingang oder einen Induktivitätseingang, enthalten. Im Fall einer chip-losen RFID-Markierung mag die RFID-Markierung keinen IC-Speicherchip einschließen. Diese Art von RFID-Markierung kann brauchbar sein in Anwendungen, wo eine spezifische RFID-Markierung nicht identifiziert werden muss, sondern vielmehr ein Signal, das nur die Anwesenheit der Markierung anzeigt, brauchbare Information (z. B. Produktsicherheits-Anwendungen) liefert. Die zweite Komponente der RFID-Markierung ist eine Antenne zum Aufnehmen und Übertragen des Radiofrequenzsignals.
Der Begriff „RFID-Sensor” ist eine RFID-Markierung mit einer hinzugefügten Anzeigefunktion, wie z. B. wenn eine Antenne der RFID-Markierung auch Anzeigefunktionen durch Andern ihrer Impedanzparameter als eine Funktion von Umgebungsänderungen ausführt. Die genauen Bestimmungen von Umgebungsänderungen mit solchen RFID-Sensoren werden durch Analyse der Resonanzimpedanz ausgeführt. RFID-Markierungen können z. B. durch Überziehen der RFID-Markierung mit einem Anzeigefilm in RFID-Sensoren umgewandelt werden. Durch Überziehen der RFID-Markierung mit einem Anzeigefilm wird die elektrische Reaktion des Films in gleichzeitige Änderungen zur Impedanzreaktion, Resonanzpeakposition, Peakbreite, Peakhöhe und Peaksymmetrie der Impedanzreaktion der Sensorantenne, Größe des realen Teiles der Impedanz, Resonanzfrequenz des imaginären Teiles der Impedanz, Anti-Resonanzfrequenz des imaginären Teiles der Impedanz, Null-Reaktanzfrequenz, Phasenwinkel und Größe der Impedanz und andere, wie in der Definition des Begriffes Sensor-„Spektralparameter” beschrieben, übersetzt. Der „RFID-Sensor” kann einen integrierten Schaltungs-(IC)-Speicherchip an der Antenne angebracht aufweisen oder er braucht keinen IC-Speicherchip aufzuweisen. Ein RFID-Sensor ohne einen IC-Speicherchip ist ein LCR-Sensor. Ein LCR-Sensor ist aus bekannten Komponenten zusammengesetzt, wie mindestens einem Induktor (L), mindestens einem Kondensator (C) und mindestens einem Widerstand (R), um eine LCR-Schaltung zu bilden.
Der Begriff „Einwegbehälter” schließt, ohne darauf beschränkt zu sein, Herstellungs- oder Überwachungsausrüstung und -Verpackung ein, die nach dem Gebrauch entsorgt oder zur Wiederverwendung rekonditioniert werden kann. Einwegverpackung in der Nahrungsmittelindustrie schließt, ohne darauf beschränkt zu sein, Nahrungsmittel- und Getränkeverpackungen und Süßwaren- und Konfektionsschachteln ein. Einweg-Überwachungskomponenten schließen, ohne darauf beschränkt zu sein, Einwegkartuschen, Dosimeter und Kollektoren ein. Einweg-Herstellungsbehälter schließen, ohne darauf beschränkt zu sein, Einweggefäße, -Beutel, -Kammern, -Dosen, -Verbindungsstücke und -Säulen ein.
Der Begriff „Schreibgerät/Lesegerät” schließt, ohne darauf beschränkt zu sein, eine Kombination von Vorrichtungen zum Schreiben und Lesen von Daten in den Speicher des Speicherchips und zum Lesen der Impedanz der Antenne ein. Ein anderer Begriff für „Schreibgerät/Lesegerät” ist „Abfragegerät”.
Gemäß hierin offenbarten Ausführungsformen wird ein LCR- oder ein RFID-Sensor zum Anzeigen von Dämpfen, Dampfmischungen, chemischen und biologischen Materialien beschrieben. Wie bereits angegeben, schließt der RFID-Sensor eine RFID-Markierung ein, die mit einem Anzeigematerial mit temperaturabhängigen Reaktionskoeffizienten einer Eigenschaft überzogen ist, die sich von der der LCR-Schaltung unterscheidet. In einer Ausführungsform kann eine passive RFID-Markierung eingesetzt werden. Wie zu erkennen, kann eine RFID-Markierung einen IC-Speicherchip einschließen, der mit einer Antennenspule zur Verbindung mit einem Schreibgerät/Lesegerät verbunden ist. Der IC-Speicherchip kann lesen durch Beleuchten der Markierung mit einem Radiofrequenz (RF)- und/oder einem Mikrowellenträger-Signal, das durch das Schreibgerät/Lesegerät gesandt wird. Geht das RF- und/oder Mikrowellen-Feld durch die Antennenspule, dann wird über die Spule eine Wechselstrom-(AC)-Spannung erzeugt. Die Spannung wird in dem Mikrochip gleichgerichtet und ergibt eine Gleichstrom-(DC)-Spannung für den Mikrochipbetrieb. Der IC-Speicherchip beginnt zu funktionieren, wenn die DC-Spannung ein vorbestimmtes Niveau erreicht. Durch Nachweisen des von dem Mikrochip zurückgestreuten RF- und/oder Mikrowellen-Signal kann die in dem Mikrochip gespeicherte Information vollständig identifiziert werden. Der Abstand zwischen dem RFID-Markierung/Sensor und dem Schreibgerät/Lesegerät wird durch Designparameter beherrscht, die die Betriebsfrequenz, das RF- und/oder Mikrowellen-Leistungsniveau, die Empfangsempfindlichkeit des Lesegerätes/Schreibgerätes, die Antennenabmessungen, die Datenrate, das Kommunikationsprotokoll und die Mikrochip-Leistungsanforderungen einschließen. Der Abstand zwischen dem „RFID-Sensor” ohne einen IC-Speicherchip (chiploser RFID-Sensor oder LCR-Sensor oder LCR-Wandler) und dem Sensor-Lesegerät wird durch die Designparameter beherrscht, die die Betriebsfrequenz, das RF- oder Mikrowellen-Leistungsniveau, die Empfangempfindlichkeit des Sensor-Lesegerätes und die Antennenabmessungen einschließen.
In einer Ausführungsform kann eine passive RFID-Markierung mit oder ohne einen IC-Speicherchip eingesetzt werden. Vorteilhafterweise ist eine passive RFID-Markierung nicht von einer Batterie zum Betrieb abhängig. Der Kommunikationsabstand zwischen dem Schreibgerät/Lesegerät und der RFID-Markierung ist jedoch typischerweise auf eine Nandistanz begrenzt, weil die passive Markierung nur mit Mikrowatt der RF-Leistung vom Schreibgerät/Lesegerät betrieben wird. Für passive Markierungen, die bei 13,56 MHz arbeiten, beträgt die Lesedistanz typischerweise nicht mehr als einige Zentimeter. Der typische Betriebsfrequenzbereich von passiven 13,56 MHz-RFID-Markierungen für digitales ID-Schreiben/Lesen geht von 13,553 bis 13,567 MHz. Der typische Betriebsfrequenzbereich von passiven 13,56 MHz RFID-Sensoren zum Anzeigen von Umgebungsänderungen um den RFID-Sensor herum ist von etwa 5 MHz bis etwa 20 MHz, bevorzugter von 10 bis 15 MHz. Das Erfordernis für diesen Frequenzbereich ist es, in der Lage zu sein, die Markierung mit einem Schreibgerät/Lesegerät zu erkennen, das bei 13,56 MHz betrieben wird, während der Sensorteil der RFID-Markierung von 5 bis 20 MHz betrieben wird.
Das Abscheiden von Anzeigefilmen auf passiven RFID-Markierungen erzeugt chemische oder biologische RFID-Sensoren. Das RFID-Anzeigen erfolgt durch Messen von Änderungen in der Impedanz des RFID-Sensors als eine Funktion von Umgebungsänderungen um den Sensor herum, wie unten weiter beschrieben werden wird. Übersteigt die Frequenzreaktion der Antennenspule nach dem Abscheiden des Anzeigefilms nicht den Betriebsfrequenzbereich der Markierung, dann kann die in dem Mikrochip gespeicherte Information mit einem konventionellen RFID-Schreibgerät/Lesegerät identifiziert werden. Ein Impedanzanalysator (Sensor-Lesegerät) kann die Impedanz der Antennenspule lesen, um die Änderungen in der Impedanz mit den interessierenden chemischen oder biologischen Materialien in Beziehung zu setzen und hinsichtlich Temperatur-Instabilitäten um den Sensor herum zu korrigieren.
Im Betrieb kann nach dem Überziehen der RFID-Markierung mit einem chemisch empfindlichen Film sowohl die digitale Markierungs-ID als auch die Impedanz der Markierungsantenne gemessen werden. Die gemessene digitale ID bietet Information über die Identität der Markierung selbst, wie ein Objekt, auf dem diese Markierung angebracht ist, und die Eigenschaften des Sensors (z. B. Kalibrierungskurven für verschiedene Bedingungen, Herstellungsparameter, Auslaufdatum usw.). Für einen Mehrkomponenten-Nachweis können mehrere Eigenschaften aus den gemessenen realen und imaginären Teilen der Impedanz eines einzelnen RFID-Sensors bestimmt werden, wie weiter unten beschrieben werden wird.
Zusammenfassend und gemäß den hierin beschriebenen Ausführungsformen sollte der Sensor eine Anzahl von Charakteristika aufweisen, um den Nachweis von Analyten in der Gegenwart von Temperaturvariationen zu erzielen. Zuerst sollte der ausgewählte Wandler einen multivariaten Ausgang einschließen, um unabhängig die Effekte verschiedener Umgebungsparameter auf den Sensor nachzuweisen. Zweitens sollte das Anzeigematerial eine beibehaltene Reaktionsgröße auf einen Analyten über einen weiten Bereich von Temperaturänderungen haben. Die Reaktion auf die relativ geringen Analyt-Konzentrationen sollte durch die relativ großen Temperaturänderungen nicht vollständig unterdrückt werden. Drittens sind durch die Temperatur beeinflusste Reaktionen des Anzeigematerials und des Wandlers erlaubt, doch sollten sie in verschiedener Richtung von der multivariaten Ausgangsreaktion des Wandlers liegen.
Um diese Charakteristika zu erzielen, hat das Anzeigematerial in einer Ausführungsform mehrere Reaktionsmechanismen auf Dämpfe, wobei diese Reaktionsmechanismen in Beziehung stehen zu den Änderungen der dielektrischen Konstanten, des Widerstandes und dem Quellen des Anzeigematerials, wobei diese Änderungen nicht vollständig miteinander in Beziehung stehen und unterschiedliche Muster beim Aussetzen gegenüber einzelnen Dämpfen und deren Mischungen erzeugen. Weiter kann der LCR-Wandler mehrere Komponenten der LCR-Reaktion von der LCR-Schaltung haben, wobei diese mehreren Komponenten der LCR-Reaktion ihren Ursprung von den verschiedenen Faktoren haben, die die Wandlerschaltung beeinflussen, wobei nicht einschränkende Beispiele Materialwiderstand und -Kapazität, Kontaktwiderstand und -Kapazität zwischen dem Wandler und dem Anzeigematerial und Widerstand und Kapazität zwischen dem Wandlersubstrat und dem Anzeigematerial einschließen. Der LCR-Wandler kann mehrere Bedingungen des Betriebes der LCR-Schaltung haben, wo ein integrierter Schaltungschip ein Teil der Sensorschaltung ist.
Ein Verfahren zum Kontrollieren der temperaturkorrigierten Sensorreaktion schließt die Energieversorgung des integrierten Spaltungschips ein, um das Impedanz-Spektralprofil zu beeinflussen. Die unterschiedlichen Impedanz-Spektralprofile ändern die temperaturabhängige Sensorreaktion auf der Grundlage von Wechselwirkungen mit verschiedenen Dämpfen und chemischen und biologischen Materialien. Der IC-Chip oder IC-Speicherchip auf der Resonanzantenne enthält eine Gleichrichterdiode und sie kann bei verschiedenen Leistungsniveaus betrieben werden, um das Impedanz-Spektralprofil des Sensors zu beeinflussen. Die Unterschiede in den Spektralprofilen bei verschiedenen Leistungsniveaus werden in unterschiedlichen Werten von F_p, F₁, F₂, F_z, Z_p, Z₁, Z₂ und errechneten Werten von C und R angesprochen. In einer Ausführungsform wird der verbesserte temperaturunabhängige Sensorbetrieb durch die geeignete Auswahl mindestens eines Leistungsniveaus des IC-Chip- oder IC-Speicherchip-Betriebes erzielt. In einer anderen Ausführungsform wird der verbesserte temperaturunabhängige Sensorbetrieb durch die geeignete Auswahl von mindestens zwei Leistungsniveaus des IC-Chip- oder IC-Speicherchip-Betriebes und Analysieren der kombinierten Impedanz-Spektralprofile des Sensors unter verschiedenen Leistungsniveaus erzielt. Das Versorgen des Sensors mit mindestens zwei Leistungsniveaus wird in der abwechselnden Weise zwischen einer relativ geringen und einer relativ hohen Leistung ausgeführt. Das alternierende Versorgen des Sensors mit mindestens zwei Leistungsniveaus wird auf der Zeitskala ausgeführt, die mindestens fünfmal schneller ist als die dynamischen Änderungen in den gemessenen Umgebungsparametern. In all diesen Ausführungsformen erfolgt das Versorgen mit unterschiedlichen Leistungsniveaus in dem Bereich von –50 dBm bis +40 dBm und ergibt die Fähigkeit, den temperaturunabhängigen Sensorbetrieb zu erzielen.
Der verbesserte temperaturunabhängige LCR-Schaltungsbetrieb wird durch Variieren der Betriebsleistung des integrierten Schaltungschips zum Verbessern der temperaturabhängigen Reaktion erzielt. Im Besonderen wird die Sensorkalibrierung für temperaturunabhängigen Betrieb mit mindestens zwei Betriebs-Leistungsniveaus des integrierten Schaltungschips des Sensors ausgeführt. Der Sensor wird zuerst mit einer ziemlich geringen Leistung betrieben, sodass der integrierte Schaltungschip im Wesentlichen abgeschaltet ist (die Leistung liegt zwischen etwa –50 dBm und –10 dBm) und die temperaturabhängigen Koeffizienten des Wandlers und des Anzeigematerials werden in der Gegenwart und Abwesenheit der Analyten bestimmt. Als Nächstes wird der Sensor bei einer ziemlich hohen Leistung betrieben, sodass der integrierte Schaltungschip im Wesentlichen angestellt ist (die Leistung liegt zwischen etwa –10 dBm und +40 dBm) und die temperaturabhängigen Koeffizienten des Wandlers und des Anzeigematerials werden in der Gegenwart und Abwesenheit der Analyten bestimmt.
In 1 wird ein Anzeigesystem 10 angegeben, um das Prinzip des temperaturunabhängigen selektiven Dampfanzeigens unter Einsatz eines RFID-Sensors 12, der mit einem Anzeigematerial 14 überzogen ist, zu veranschaulichen. Das Anzeigematerial 14 hat mindestens zwei temperaturabhängige Reaktionskoeffizienten der Dielektrizitätskonstanten und der Widerstandseigenschaften. In 2 ist der Sensor 12 ein Schwingkreis, der eine Induktor-Kondensator-Widerstands-Struktur (LCR) einschließt, die mit dem Anzeigematerial 14 überzogen ist. Die LCR-Struktur umfasst mindestens drei temperaturabhängige Reaktionskoeffizienten der Induktivitäts-L, Kapazitäts-C und Widerstands-R Eigenschaften der LCR-Schaltung. Die mindestens drei temperaturabhängigen Reaktionskoeffizienten der Eigenschaften der LCR-Schaltung unterscheiden sich um mindestens etwa 5% voneinander. Zusätzlich unterscheiden sich die mindestens zwei temperaturabhängigen Reaktionskoeffizienten der Eigenschaften des Anzeigematerials 14 um mindestens etwa 5% von den mindestens drei temperaturabhängigen Reaktionskoeffizienten der Eigenschaften der LCR-Schaltung. Das Anzeigematerial 14 ist auf die Anzeigeregion zwischen den Elektroden aufgebracht, die eine Sensorantenne 18 bilden, die den Schwingkreis konstituiert. Wie weiter unten beschrieben werden wird, wird die Impedanzreaktion der Schaltung durch Aufbringen des Anzeigematerials 14 auf den Schwingkreis geändert. Der Sensor 12 kann ein verdrahteter Sensor oder ein drahtloser Sensor sein. Der Sensor 12 kann auch einen Speicherchip 16 einschließen, der mit der Resonanzantenne 18 gekoppelt ist, die mit einem Substrat 20 gekoppelt ist. Der Speicherchip 16 kann Herstellungs-, Verwender-, Kalibrierungs- und/oder andere Daten darin gespeichert einschließen. Der Speicherchip 16 ist eine integrierte Schaltungsvorrichtung und schließt eine RF-Signal-Modulationsschaltung ein, die unter Einsatz eines komplementären Metalloxid-Halbleiter(CMOS)-Verfahrens und eines nicht flüchtigen Speichers hergestellt ist. Die Komponenten der RF-Signal-Modulationsschaltung schließen einen Diodengleichrichter, eine Spannungsregelung der Leistungszufuhr, einen Modulator, einen Demodulator, einen Uhrerzeuger und andere Komponenten ein.
3 veranschaulicht eine alternative Ausführungsform des Sensors 12, die mit der Bezugsziffer 21 bezeichnet ist, worin ein komplementärer Sensor 23, der das Anzeigematerial 14 aufweist, über die Antenne 18 und den integrierten Schaltungs-(IC)-Speicherchip 16 angebracht ist, um die Impedanzreaktion des Sensors zu ändern. In einer (nicht dargestellten) anderen Ausführungsform kann ein komplementärer Sensor über einer Antenne angebracht sein, die keinen IC-Speicherchip aufweist, und das Ansprechen der Impedanz des Sensors ändern. Nicht einschränkende Beispiele komplementärer Sensoren sind parallel geschaltete Sensoren, Widerstandssensoren und kapazitive Sensoren. Komplementäre Sensoren sind in der US-Patentanmeldung Serial No. 12/118,950 mit dem Titel „Methods and systems for calibration of RFID sensors” beschrieben, die hier durch Bezugnahme aufgenommen wird.
In einer Ausführungsform kann eine 13,56 MHz-RFID-Markierung benutzt werden. Während des Betriebes des Anzeigesystems 10 können die Impedanz Z(f) der Sensorantenne 18 und die digitalen Sensor-Kalibrierungsparameter, die auf dem Speicherchip 16 gespeichert sind, gewonnen werden. Bezugnehmend auf 1 werden eine Messung der Resonanzimpedanz Z(f) der Antenne 18 und das Lesen/Schreiben von digitalen Daten aus dem Speicherchip 16 über gegenseitiges Induktanzkoppeln zwischen der RFID-Sensorantenne 18 und der -Aufnahmespule 22 eines Lesegerätes 24 ausgeführt. Wie dargestellt, kann das Lesegerät 24 ein RFID-Sensorimpedanz-Lesegerät 26 und ein integrierte Schaltungs-Speicherchip-Lesegerät 28 einschließen. Die Wechselwirkung zwischen dem RFID-Sensor 12 und der Aufnahmespule 22 kann unter Benutzung eines allgemeinen gegenseitigen Induktivitätskopplungs-Schaltkreismodells beschrieben werden. Das Modell schließt eine innewohnende Impedanz Z_C der Aufnahmespule 22 und eine innewohnende Impedanz Z_S des Sensors 12 ein. Das gegenseitige Induktanzkoppeln M und die innewohnenden Impedanzen Z_C und Z_S stehen durch die insgesamt gemessene Impedanz Z_T über den Anschluss der Aufnahmespule 22 in Beziehung, wie durch die folgende Gleichung repräsentiert: Z_T = Z_C + (ω²M²/Z_S) (1) worin ω die Radianten-Trägerfrequenz und M der Koeffizient der wechselseitigen Induktanzkopplung M ist.
Das Anzeigen wird ausgeführt durch Überwachen der Änderungen in den Eigenschaften des Anzeigematerials 14, wie durch das elektromagnetische Feld festgestellt, das in der Antenne 18 (2) erzeugt wird. Nach dem Lesen des RFID-Sensors 12 mit der Aufnahmespule 22 erstreckt sich das in der Sensorantenne 18 erzeugte elektromagnetische Feld von der Ebene des Sensors 12 aus und wird durch die dielektrischen Eigenschaften einer benachbarten Umgebung beeinflusst, was die Gelegenheit zu Messungen physikalischer, chemischer oder biologischer Parameter bietet.
Das Anzeigen wird ausgeführt durch Überwachen der Änderungen in den Eigenschaften des Anzeigematerials 14, wie durch das elektromagnetische Feld festgestellt, das in dem komplementären Sensor 23 (3) erzeugt wird. Nach dem Lesen des RFID-Sensors 12 mit der Aufnahmespule 22 erstreckt sich das in dem komplementären Sensor 23 erzeugte elektromagnetische Feld von der Ebene des komplementären Sensors 23 aus und wird durch die dielektrischen Eigenschaften einer benachbarten Umgebung beeinflusst, was die Gelegenheit zu Messungen physikalischer, chemischer oder biologischer Parameter bietet.
4 veranschaulicht ein Beispiel gemessener Reaktionen eines beispielhaften RFID-Sensors 12 gemäß Ausführungsformen der Erfindung, die die vollen Impedanzspektren des Sensors und mehrere einzeln gemessene spektrale Parameter einschließen. Um mehrere Dämpfe oder Strömungsmittel selektiv unter Einsatz eines einzelnen RFID-Sensors, wie des RFID-Sensors 12, nachzuweisen, werden die realen Z_re(f)- und die imaginären Z_im(f)-Teile der Impedanzspektren Z(f) = Z_Te(f) + jZ_im(f) von der Sensorantenne 18, die mit einem Anzeigematerial überzogen ist, gemessen und mindestens vier spektrale Parameter werden aus dem gemessenen Z_Te(F) und Z_im(f), wie in der grafischen Darstellung 30 von 4 gezeigt, errechnet. Sieben spektrale Parameter können berechnet werden, wie in der grafischen Darstellung von 4 gezeigt. Diese Parameter schließen die Frequenzposition F_p und die Größe Z_p von Z_re(f), die Resonanz-F₁ und Anti-Resonanz- F₂ Frequenzen von Z_im(f), die Impedanzgrößen Z₁ und Z₂ bei F₁- bzw. F₂-Frequenzen und die Null-Reaktanzfrequenz F_Z ein. Zusätzliche Parameter, wie ein Qualitätsfaktor, können ebenfalls berechnet werden. Aus den gemessenen Parametern können auch Widerstand R, Kapazität C und andere Parameter der mit einem Anzeigefilm überzogenen Resonanzantenne 18 bestimmt werden. Es kann eine multivariate Analyse benutzt werden, um die Dimensionalität der Impedanzreaktion entweder von den gemessenen realen Z_re(f)- und imaginären Z_im(f)-Teilen der Impedanzspektren oder von den errechneten Parametern F_p, Z_p, F₁ und F₂ und möglicherweise anderen Parametern zu einem einzelnen Datenpunkt in einem mehrdimensionalen Raum zur selektiven Quantifizierung verschiedener Dämpfe oder Strömungsmittel zu reduzieren, wie der Fachmann erkennen wird und wie weiter unten weiter beschrieben wird.
Die akzeptierten Beschränkungen der Impedanzspektroskopie in praktischen Sensoren zum Spurennachweis von Analyten schließen relativ geringe Empfindlichkeit und prohibitiv lange Erfassungszeiten über den breiten Frequenzbereich ein. Hierin beschriebene Ausführungsformen verbessern die Fähigkeit, Änderungen in Eigenschaften des Anzeigematerials zu messen, indem man das Material auf die Elektroden des LCR-Sensor-Schwingkreises aufbringt. In ähnlicher Weise fördern die offenbarten Ausführungsform die Fähigkeit, Änderungen in Eigenschaften des Strömungsmittels in der Nähe zu den Elektroden des LCR-Sensor-Schwingkreises zu messen. Experimentelles Testen untersuchte die Auswirkungen einer sich ändernden Dielektrizitätskonstante auf die Anzeigeelektroden sowohl mit als auch ohne einen Resonator. Verglichen mit der konventionellen Impedanzspektroskopie ergab der bloße resonante LCR-Sensor eine mindestens 100-fache Verbesserung im Signal-zu-Rauschen (SNR) gegenüber dem engsten gemessenen Bereich von Δε mit der entsprechenden Verbesserung der Nachweisgrenze von Bestimmungen der dielektrischen Konstanten.
Der Betrieb des LCR-Sensors, wie unter Anwendung von Werkzeugen der multivariaten Analyse analysiert, bietet einen Vorteil der verbesserten Selektivität gegenüber dem Verarbeiten einzelner Reaktionen einzelner Sensoren. Im Besonderen zeigen Testresultate der Beziehungen zwischen F_p und Z_p an und die Beziehungen zwischen dem errechneten Sensorwiderstand R und der errechneten Sensorkapazität C haben sehr viel weniger Selektivität zwischen Reaktionen auf verschiedene Dämpfe oder Strömungsmittel, verglichen mit den Relationen zwischen multivariablen Parametern, die mehr Variation zeigen, wie detailliert weiter unten erläutert wird. Weiter zeigen die LCR-Sensoren unabhängige Kontaktwiderstand- und Kontaktkapazitäts-Reaktionen, die die Gesamtselektivität der multivariablen Reaktion der LCR-Sensoren verbessern. Diese Selektivitätsverbesserung hat ihren Ursprung in den unabhängigen Beiträgen der Kontaktwiderstands- und Kontaktkapazitäts-Reaktionen zu den äquivalenten Schaltungsreaktionen des Sensors.
Die verschiedenen Komponenten des RFID-Sensors, wie die in den 1–3 gezeigten Sensoren 12 und 21, weisen jeweils verschiedene physikalische Eigenschaften auf, wie, darauf jedoch nicht beschränkt, thermische Leitfähigkeit, thermische Expansion, Elastizitätsmodul, elektrischen Widerstand, Impedanz und so weiter. Solche Eigenschaften können durch Änderungen in der Temperatur beeinflusst werden. Der temperaturabhängige Reaktionskoeffizient einer Eigenschaft ist definiert als die relative Änderung der Eigenschaft, wenn die Temperatur um ein festgelegtes Ausmaß, wie um 1°C, geändert wird. Die Eigenschaft kann mit der Temperatur z. B. in einer linearen Weise oder polynomisch, logarithmisch oder exponentiell variieren. Einige Eigenschaften können mit der Temperatur zunehmen und andere Eigenschaften können mit der Temperatur abnehmen. So kann z. B. der temperaturabhängige Reaktionskoeffizient der Impedanz zwischen dem Anzeigematerial 14 und einer anderen Komponente des RFID-Sensors 12 oder 21, wie, darauf jedoch nicht beschränkt, dem Speicherchip 16, der Antenne 18, dem Substrat 20, der Spule 22, dem integrierten Schaltungs-(IC)-Chip, dem Wandler oder Film, verschieden sein. In anderen Worten, die Impedanz des Anzeigematerials 14 kann mit der Temperatur anders variieren als die anderen Komponenten des RFID-Sensors 12 oder 21. Für eine Änderung in der Temperatur um 1°C kann z. B. die Impedanz des Anzeigematerials 14 um 1 Ohm zunehmen. Im Gegensatz dazu kann für die gleiche Änderung in der Temperatur von 1°C die Impedanz der Antenne 18 des RFID-Sensors 12 oder 21 um 0,8 Ohm zunehmen. Der prozentuale Unterschied zwischen den beiden temperaturabhängigen Reaktionskoeffizienten der Impedanz beträgt etwa 22%. In verschiedenen Ausführungsformen können die absoluten Werte der temperaturabhängigen Reaktionskoeffizienten einer Eigenschaft der LCR-Schaltung und des Anzeigematerials 14 zwischen etwa 0,5% und 500%, 2% und 100% oder 5% und 50% liegen. Auf der Grundlage der Unterschiede in den temperaturabhängigen Reaktionskoeffizienten der LCR-Schaltung und des Anzeigematerials 14 kann der RFID-Sensor 12 oder 21 selektiv Analyt-Strömungsmittel aus einer analysierten Strömungsmittelmischung im Wesentlichen unabhängig von der Temperatur nachweisen.
5 ist ein Fließbild 40, das ein beispielhaftes Verfahren zum Analysieren eines Dampfes in der Gegenwart einer variablen Temperatur unter Einsatz des RFID-Sensors 12 oder 21 zeigt, wobei die temperaturabhängigen Reaktionskoeffizienten der Impedanz des Anzeigematerials 14 und der anderen Komponenten des RFID-Sensors 12 oder 21 nicht die Gleichen sind. In den folgenden Stufen wird eine multivariate Analyse der gemessenen Impedanz des RFID-Sensors 12 oder 21 benutzt, um eine temperaturunabhängige Dampfreaktion bereitzustellen. In einer ersten Stufe 42 führt der RFID-Sensor 12 oder 21 das Anzeigen eines Dampfes mittels Überwachung der Änderungen in den Eigenschaften des Anzeigematerials 14 aus, wie durch das elektromagnetische Feld festgestellt, das in der Antenne 18 erzeugt wird, wie detailliert oben beschrieben. In einer zweiten Stufe 44 treten Temperatur-Fluktuationen auf, die die Impedanz der RFID-Antennenschaltung und des Anzeigematerials 14 beeinflussen. Die Impedanz der RFID-Antennenschaltung und des Anzeigematerials 14 sind jedoch wegen der Unterschiede in den temperaturabhängigen Reaktionskoeffizienten der Impedanz der RFID-Antennenschaltung und des Anzeigematerials 14 nicht gleichermaßen beeinflusst. Die Unterschiede in den temperaturabhängigen Reaktionskoeffizienten der Impedanz der RFID-Antennenschaltung und des Anzeigematerials 14 beeinflussen die gemessenen Impedanzspektren der resonanten Antenne. In einer dritten Stufe 46 zeigt der RFID-Sensor 12 oder 21 Variationen in der Konzentration des zu quantifizierenden Dampfes an. Temperatur-Fluktuationen können in der dritten Stufe 46 weiter auftreten. In einer vierten Stufe misst der RFID-Sensor 12 oder 21 die Impedanzspektren der resonanten Antenne. Verschiedene spektrale Parameter können aus den gemessenen realen und imaginären Teilen der Impedanzspektren errechnet werden, wie detailliert oben beschrieben. In einer fünften Stufe 50 wird die multivariate Analyse der vollen Impedanzspektren oder der errechneten spektralen Parameter, wie unten detailliert beschrieben, ausgeführt.
In einer sechsten Stufe 52 werden geeignete multivariate Kalibrierungswerte oder Kalibrierungskoeffizienten, die in dem Speicherchip 16 des RFID-Sensors 12 oder 21 gespeichert sind, erhalten. Die Kalibrierungskoeffizienten werden während des experimentellen Testens des RFID-Sensors 12 oder 21 bestimmt. So wird z. B. der RFID-Sensor 12 oder 21 benutzt, um verschiedene Dampfkonzentrationen bei verschiedenen Temperaturen anzuzeigen. PCA oder irgendein anderes multivariates Analyseverfahren oder eine Kombination von Verfahren kann dann benutzt werden, um Reaktionskurven für jede der gemessenen Temperaturen zu erzeugen. Am besten passende Kurven, die am besten zu jeder der Reaktionskurven passen, werden bestimmt und Funktionen, wie polynomische Funktionen, werden bestimmt, um die am besten passenden Kurven mathematisch zu repräsentieren. Jede Funktion schließt mehrere numerische Koeffizienten ein, die die Funktion charakterisieren. Diese Koeffizienten werden dann als Kalibrierungskoeffizienten benutzt, die z. B. in dem Speicherchip 16 als einer Nachschlagtabelle gespeichert werden können. Während des Betriebes mag die Konzentration und/oder Temperatur des Dampfes, der durch den RFID-Sensor 12 oder 21 angezeigt wurde, nicht einer der experimentellen Konzentrationen oder Temperaturen entsprechen. Durch Benutzen der experimentell bestimmten Kalibrierungskoeffizienten in der Nachschlagtabelle kann jedoch eine interpolierende Funktion (d. h., Reaktionskurve) erzeugt werden, die das vorhergesagte Verhalten des Dampfes bei der angezeigten Konzentration und Temperatur am besten repräsentiert.
In einer siebten Stufe 54 quantifiziert der RFID-Sensor 12 oder 21 die Konzentration des Dampfes unabhängig von der variablen Temperatur auf der Grundlage der multivariaten Analyse, die in Stufe 50 ausgeführt wurde, und der Reaktionskurve, die in der sechsten Stufe 52 bestimmt wurde. Die Resultate der multivariaten Analyse der fünften Stufe 50 werden in die interpolierte Funktion eingesetzt, die in der sechsten Stufe 52 bestimmt wurde, um die Dampfkonzentration zu berechnen. Die berechnete Dampfkonzentration ist genau, weil die Auswirkung der variablen Temperatur auf den RFID-Sensor 12 oder 21 in den vorhergehenden Stufen des Fließbildes 40 berücksichtigt wurde. Wie in dem Fließbild 40 gezeigt, gibt es keinen Bedarf für einen separaten Temperatursensor, weil der einzelne RFID-Sensor 12 oder 21 in der Lage ist, die temperaturunabhängige Dampfreaktion auf der Grundlage der multivariaten Analyse der gemessenen Impedanzwerte bereitzustellen. Der RFID-Sensor 12 kann daher kleiner, billiger, weniger kompliziert und/oder zuverlässiger sein als andere Sensorsysteme, die einen separaten Temperatursensor benutzen.
Es können diverse Anzeigematerialien vorteilhaft auf der Anzeigeregion des LCR-Resonanzsensors eingesetzt werden, weil durch den Analyten induzierte Änderungen in dem Anzeigematerialfilm die Impedanz der LCR-Antennenschaltung durch die Änderungen im Materialwiderstand und in der -kapazität, im Kontaktwiderstand und in der -kapazität zwischen dem Wandler und dem Anzeigematerial und im Widerstand und der Kapazität zwischen dem Wandlersubstrat und dem Anzeigematerial beeinflussen. Solche Änderungen ergeben eine Verschiedenartigkeit in der Reaktion eines einzelnen RFID-Sensors und bieten die Gelegenheit, eine ganze Reihe von konventionellen Sensoren durch einen einzelnen LCR- oder RFID-Sensor zu ersetzen.
Anzeigefilme für die offenbarten LCR- und RFID-Sensoren können eine Vielfalt von Materialien einschließen, solange die Umgebungsänderungen durch Änderungen in den Parametern des LCR-Schwingkreises nachweisbar sind. Weiter unterscheidet sich ein temperaturabhängiger Reaktionskoeffizient einer Eigenschaft der Anzeigefilme von dem der LCR-Schaltung, wie detailliert oben beschrieben. Nicht einschränkende Beispiele möglicher Anzeigefilmmaterialien sind ein Hydrogel, wie Poly(2-hydroxyethylmethacrylat), ein sulfoniertes Polymer, wie Nafion, ein Klebstoffpolymer, wie Siliconklebstoff, ein anorganischer Film, wie Sol-Gel-Film, ein biologisches Material enthaltender Film, wie DNA, Antikörper, Peptid oder andere Biomoleküle, die als ein Film abgeschieden sind, ein biologisches Material enthaltender Film, wie DNA, Antikörper, Enzym, Peptid, Polysaccharid, Protein, Aptamer oder andere Biomoleküle oder Viren, Sporen, Zellen, die als ein Teil eines anorganischen oder polymeren Films abgeschieden sind, ein Verbundmaterialfilm, ein Nano-Verbundmaterialfilm, ein mit funktionellen Gruppen versehener Kohlenstoff-Nanoröhrchenfilm oder ein Film, der hergestellt ist aus an der Oberfläche mit funktionellen Gruppen versehenen Goldnanoteilchen, elektrisch gesponnenen Polymeren, anorganischen und Verbundmaterial-Nanofasern, und Nanoteilchen, die eine elektrische Eigenschaft haben und in eine Matrix eingebracht sind, die eine andere dielektrische Eigenschaft aufweist.
Anzeigematerialien können derart ausgewählt werden, dass sie unterschiedliche dielektrische Konstanten aufweisen, die im Bereich von etwa 2 bis etwa 40 liegen. Nicht einschränkende Beispiele schließen Polyisobutylen (PIB, ε'_r = 2,1), Ethylzellulose (EC, ε'_r = 3,4), Polyepichlorhydrin (PECH, ε'_r = 7,4), Cyanpropylmethylphenylmethylsilicon (OV-225, ε'_r = 11), Dicyanallylsilicon (OV-275, ε'_r = 33). Der Einsatz dieser Materialien bietet die Fähigkeit, die relative Richtung der Anzeigereaktion beim Aussetzen gegenüber Dämpfen unterschiedlicher Dielektrizitätskonstante einzustellen. Die verschiedenen Verteilungskoeffizienten von Dämpfen in diese oder andere Anzeigematerialien modulieren weiter die Verschiedenartigkeit und die relative Richtung der Reaktion.
„Verbundmaterialien” sind Materialien, die aus zwei oder mehr Materialien mit signifikant verschiedenen physikalischen oder chemischen Eigenschaften hergestellt wurden, die auf einem makroskopischen Niveau innerhalb der fertigen Struktur separat und verschieden bleiben. Die zwei oder mehr Materialien können z. B. verschiedene temperaturabhängige Reaktionskoeffizienten für eine Eigenschaft, wie die Impedanz, aufweisen. Nicht einschränkende Beispiele von Verbundmaterialien schließen Ruß-Verbundmaterialien mit Poly(4-vinylphenol), Poly(styrol-co-allylalkohol), Poly(vinylchlorid-co-vinylacetat) und andere Materialien ein. „Nanoverbundmaterialien” sind Materialien, die aus zwei oder mehr Materialien mit signifikant verschiedenen physikalischen oder chemischen Eigenschaften hergestellt sind, die auf einem Nanoniveau innerhalb der fertigen Struktur separat und unterschiedlich bleiben. Nicht beschränkende Beispiele von Nanoverbundmaterialien schließen Kohlenstoff-Nanoröhrchen-Nanoverbundmaterialien mit Polymeren (wie Poly(N-vinylpyrrolidon), Polycarbonat, Polystyrol usw.), halbleitende Nanokristall-quantum dot-Nanoverbundmaterialien mit Polymeren, Metalloxid-Nanodrähte und Kohlenstoff-Nanoröhrchen, Metall-Nanoteilchen oder Nanokluster ein, die mit Kohlenstoff-Nanoröhrchen funktionalisiert sind.
Anzeigematerialien zeigen Analyt-Reaktionen, die durch einen oder mehrere von drei Reaktionsmechanismen von LCR- oder RFID-Sensoren beschrieben werden können, wie Widerstandsänderungen, Änderungen der Dielektrizitätskonstanten und Quelländerungen. Ein Anzeige-Verbundmaterial kann konstruiert werden, das mehrere verschiedene einzelne Anzeigematerialien beinhaltet, die jeweils durch vorwiegend verschiedene Reaktionsmechanismen auf Analyten reagieren. Solche Anzeige-Verbundmaterialien erzeugen eine verbesserte Verschiedenartigkeit in der multivariaten Reaktion. Solche Anzeige-Verbundmaterialien können homogen oder inhomogen vermischt oder lokal über spezifischen Teilen des LCR-Resonators gemustert sein.
So zeigt z. B. ein weiter Bereich von Metalloxid-Halbleitermaterialien (z. B. ZnO, TiO₂, SrTiO₃, LaFeO₃ usw.) Änderungen im Widerstand beim Aussetzen gegenüber Analytgasen, doch ändern einige gemischte Metalloxide (z. B. CuO-BaTiO₃, ZnO-WO₃) ihre Dielektrizitätskonstante/Kapazität beim Aussetzen gegenüber Analytdämpfen. Durch Kombinieren dieser Materialien, entweder als Mischungen oder durch räumlich getrennte Abscheidung auf dem gleichen Sensor, werden ihre separaten Beiträge zu der lokalen Umgebung, die den Sensor umgibt, benutzt, um die Verschiedenartigkeit der Reaktionsmechanismen für einen einzelnen Analyten zu fördern, was die Selektivität fördert.
Als ein weiteres Beispiel werden mit Liganden überzogene leitende (z. B. Metall) Nanoteilchen wegen ihrer starken Änderungen im Widerstand aufgrund lokalisierten Quellens, induziert durch Analyt-Adsorption in die Ligandenhülle und die nachfolgende Änderung in der Tunneleffizienz zwischen benachbarten leitenden Nanoteilchen und Änderungen der Dielektrizitätskonstanten der Umgebung zwischen diesen leitenden Nanoteilchen als Dampf anzeigende Materialien benutzt. In Kombination mit einem dielektrischen Polymer [nicht einschränkende Beispiele schließen Silicone, Poly(etherurethan), Polyisobutylensiloxanfluoralkohol usw. ein], konjugierten Polymer [Polyanilin, Polythiophen, Poly(vinylferrocen), Poly(fluoren)-diphenylpropan, Poly(3,4-ethylendioxythiophen)polypyrrol, Bilypyrrol] oder irgendeinem anderen Material [nicht einschränkende Beispiele schließen Porphyrine, Metallporphyrine, Metallphthalocyanine, Kohlenstoff-Nanoröhrchen, halbleitende Nanokristalle, Metalloxid-Nanodrähte ein], die auf die Analyt-Adsorption mit ausgeprägteren Änderungen in der Kapazität oder dem Widerstand reagieren, wurde ein Sensor mit einem weiteren Bereich von Analyt-Reaktionen entwickelt.
Um potenziell nachteilige Auswirkungen von ungleichartigen Materialien in einem Verbund-Anzeigematerial (z. B. ein Medium hoher Dielektrizitätskonstante, das die Leitung in einem leitenden Füllstoffmaterial unterdrückt) aufeinander zu vermeiden, werden diese Materialkomponenten ausgewählt, dass sie aufgrund hydrophiler/hydrophober Wechselwirkungen oder gegenseitiger Unmischbarkeit einer lokalen Phasentrennung unterliegen, was gestattet, dass die verschiedenen Mechanismen, die in jeder Komponente aktiv sind, durch den Sensor angezeigt werden. In einer anderen Ausführungsform kann ein Anzeige-Verbundmaterial als Sektoren einzelner Materialien gebildet werden, die benachbart zueinander auf einem einzelnen Sensor abgeschieden werden. In einer anderen Ausführungsform kann ein Anzeige-Verbundmaterial als Schichten einzelner Materialien gebildet werden, die aufeinander auf einem einzelnen Sensor abgeschieden werden.
In gewissen Ausführungsformen können Anzeigematerialien Porphyrine, Metallporphyrine, Metallphthalocyanine und verwandte Makrozyklen sein. In diesen Materialien erfolgt das Gasanzeigen entweder durch π-Stapeln des Gases in organisierte Schichten der flachen Makrozyklen oder durch Gas-Koordination zum Metallzentrum ohne Hohlraumeinschluss. Metallporphyrine bieten mehrere Mechanismen der Gasreaktion, einschließlich Wasserstoffbindung, Polarisation, Polaritätswechselwirkungen, Metall zentrumskoordinations-Wechselwirkungen und molekulare Anordnungen. Moleküle von Porphyrinen, Metallporphyrinen, Metallphthalocyaninen und verwandten Makrozyklen können auch zu Nanostrukturen zusammengebaut werden.
Weitere Typen von Materialien schließen ausgerichtete Nanostrukturen, bei denen die Ausrichtung durch verschiedene bekannte Verfahren (dielektrophoretische Ausrichtung, Ausrichtung während der Materialpolymerisation, Ausrichtung aufgrund räumlicher Begrenzung, Ausrichtung während langsamer Lösungsmittelverdampfung und andere) ausgeführt wird, selbst zusammengebaute (selbstassemblierte) Strukturen, wie kolloidale Kristallstrukturen der gleichen Größe von Teilchen, Multischichten von kolloidalen Kristallfilmen, wo verschiedene Schichten unterschiedliche Größe zusammengebauter Teilchen aufweisen, Nanoteilchen-Baueinheiten, wo die Teilchen eine Kern-Hülle-Struktur aufweisen, wobei der Teilchenkern eine dielektrische Eigenschaft und die Teilchenhülle eine andere dielektrische Eigenschaft aufweist, bioinspirierte Materialien, nulldimensionale Nanomaterialien, eindimensionale Nanomaterialien, zweidimensionale Nanomaterialien und dreidimensional Nanomaterialien ein.
Selbst zusammengebaute Strukturen schließen kolloidale Kristallstrukturen der gleichen Größe von Teilchen, Multischichten kolloidaler Kristallfilme, wo unterschiedliche Schichten unterschiedliche Größen der zusammengebauten Teilchen aufweisen, Nanoteilchen-Baueinheiten, wo die Teilchen Kern-Hülle-Struktur aufweisen, wobei der Teilchenkern eine dielektrische Eigenschaft und die Teilchenhülle eine andere dielektrische Eigenschaft aufweist. Nicht einschränkende Beispiele von Materialien von selbst zusammengebauten (selbstassemblierten) kolloidalen Kristallstrukturen schließen Polystyrol, Polymethylmethacrylat, Polyvinyltolluol, Styrol/Butadien-Copolymere, Styrol/Vinyltoluol-Copolymere und Siliciumdioxid ein. Die typischen Durchmesser dieser kolloidalen Teilchen hängen von der Art des Materials ab und sie können im Bereich von 50 Nanometern bis 25 Mikrometern liegen. Nicht einschränkende Beispiele kolloidaler Kristallstrukturen mit mehreren Schichten schließen mindestens eine Schicht von Teilchen aus einer Größe, zusammengebaut als eine kolloidale Anordnung auf dem Sensorsubstrat, und mindestens eine Schicht von Teilchen einer anderen Größe, zusammengebaut als eine kolloidale Anordnung auf der vorherigen Schicht, ein. Nicht einschränkende Beispiele von bioinspirierten Materialien schließen superhydrophobe oder superhydrophile Überzüge ein.
Nicht einschränkende Beispiele von nulldimensionalen Nanomaterialien schließen Metall-Nanoteilchen, dielektrische Nanoteilchen, Kern-Hülle-Nanoteilchen und halbleitende Nanokristalle ein. Nicht einschränkende Beispiele von eindimensionalen Nanomaterialien schließen Nanoröhrchen, Nanodrähte, Nanostäbe und Nanofasern ein. Nicht einschränkende Beispiele von zweidimensionalen Nanomaterialien schließen Graphen ein. Nicht einschränkende Beispiele von dreidimensionalen Nanomaterialien schließen selbst zusammengebaute Filme verschiedener Schichten kolloidaler Kügelchen ein.
Nicht einschränkende Beispiele von Nanoteilchen, die eine Kern-Hülle-Struktur aufweisen, wobei der Teilchenkern eine dielektrische Eigenschaft und die Teilchenhülle eine andere dielektrische Eigenschaft aufweist, schließen ein: Metall(Gold, Silber, deren Legierung usw.)-Kern-Nanoteilchen und organische Hüllenschichten (Dodecanthiol, Decanthiol, 1-Butanthiol, 2-Ethylhexanthiol, Hexanthiol, tert-Dodecanthiol, 4-Methoxytoluolthiol, 2-Mercaptobenzoxazol, 11-Mercapto-1-undecanol, 6-Hydroxyhexanthiol), polymeren Kern (Polystyrol, Polymethylmethacrylat) und anorganische Hülle (Siliciumdioxid), isolierenden Kern (Polystyrol, Polymethylmethacrylat, Siliciumdioxid) und halbleitende Hülle (Kohlenstoff-Nanoröhrchen, TiO₂, ZnO, SnO₂, WO₃) und Kohlenstoff-Nanoröhrchen-Kern ein, der mit Metall-Nanoteilchen dekoriert ist. Die Nanoteilchen aus Metall (Gold, Silber, deren Legierung usw.), Kern-Nanoteilchen und organischen Hüllenschichten können weiter modifiziert werden mit organischen und polymeren Molekülen. Nicht einschränkende Beispiele organischer Moleküle schließen Porphyrine, Metallporphyrine, Metallphthalocyanine und Makrozyklen, Cavitanden, supramolekulare Verbindungen ein. Nicht einschränkende Beispiele polymerer Moleküle schließen polymere Moleküle mit unterschiedlichen Dielektrizitätskonstanten im Bereich von 2 bis 40 ein. Nicht einschränkende Beispiele schließen Polyisobutylen (PIB, ε'_r = 2,1), Ethylzellulose (EC, ε'_r = 3,4), Polyepichlorhydrin (PECH, ε'_r = 7,4), Cyanpropylmethylphenylmethylsilicon (OV-225, ε'_r = 11), Dicyanallylsilicon (OV-275, ε'_r = 33) ein. Ein nicht einschränkendes Beispiel der Herstellung dieser Anzeigematerialien schließt ein (1) Herstellung von Metallkern-Nanoteilchen mit einer organischen Hülle in einem Lösungsmittel, (2) Vermischen dieser Zusammensetzung mit einer anderen Zusammensetzung polymerer oder organischer Moleküle in einem Lösungsmittel, (3) Herstellen eines Anzeigefilms auf einem LCR- oder RFID-Wandler aus dieser kombinierten Mischung. Der Einsatz dieser Materialien in Kombination mit Metallkern-Nanoteilchen liefert die Fähigkeit, die relative Richtung der Anzeigereaktion beim Aussetzen gegenüber Dämpfen verschiedener Dielektrizitätskonstante einzustellen. Die verschiedenen Teilungskoeffizienten von Dämpfen in diese und andere Anzeigematerialien modulieren weiter die Verschiedenartigkeit und relative Richtung der Reaktion.
Andere Anzeigematerialien schließen halbleitende Metalloxide, Zeolithe, Cavitanden, ionische Flüssigkeiten, Flüssigkristalle, Kronenether, Enzyme, Polysilsesquioxane, metallorganische Gertüststoffe (MOFs) ein.
Andere Anzeigematerialien schließen synthetische dielektrische und leitende Polymere mit verschiedenen Polymer-Seitengruppenfunktionalitäten und verschiedene Polymerformulierungen, Biomoleküle für die Anzeige der Gasphase, Cavitanden mit dominierender Intrahohlraum-Komplexierung und einer völlig unterdrückten, nicht spezifischen Außerhohlraum-Adsorption von Dämpfen durch Abscheidung von Cavitanden, Porphyrine und verwandte Moleküle als einzelne Moleküle und zusammengebaut zu Polymeren und Nanostrukturen ein.
Um die temperatur-korrigierte Reaktion weiter zu verbessern, kann das Überziehen von Anzeigefilmen mit Membran-Hilfsfilterfilmen ausgeführt werden. Nicht einschränkende Beispiele dieser Filterfilme schließen Zeolith-, metallorganische Gerüststoff- und Cavitanden-Filter ein.
Diese verschiedenen Anzeigematerialien, die als nicht einschränkende Beispiele angegeben sind, werden auf der Anzeigeregion des LCR- oder RFID-Resonanzsensors bereitgestellt, weil durch einen Analyten induzierte Änderungen in dem Anzeigematerialfilm die Impedanz der LCR-Antennenschaltung durch die Änderungen in dem Materialwiderstand und der Materialkapazität, dem Kontaktwiderstand und der -Kapazität zwischen dem Wandler und dem Anzeigematerial, dem Widerstand und der Kapazität zwischen dem Wandlersubstrat und dem Anzeigematerial beeinflussen. Solche Änderungen bieten eine Verschiedenartigkeit in der Reaktion eines einzelnen RFID-Sensors und bieten die Gelegenheit, eine ganze Anordnung konventioneller Sensoren durch einem einzelnen LCR- oder RFID-Sensor zu ersetzen, wie weiter unten hinsichtlich der experimentellen Daten veranschaulicht.
EXPERIMENTELLE DATEN
Antennen-Resonanzstrukturen, wie sie oben beschrieben sind, wurden für die Demonstration der offenbarten Techniken benutzt. Es wurden verschiedene Anzeigematerialien durch konventionelles Ziehüberziehen, Tropfüberziehen und Sprühverfahren auf die Resonanzantennen aufgebracht. Messungen der Impedanz der RFID-Sensoren wurden z. B. mit einem Netzwerkanalysator (Modell E5062A, Agilent Technologies, Inc., Santa Clara, CA) unter Computerkontrolle unter Einsatz von Lab VIEW ausgeführt. Der Netzwerkanalysator wurde zum Scannen der Frequenzen über den interessierenden Bereich benutzt (d. h., den Resonanzfrequenzbereich der LCR-Schaltung) und zum Sammeln der Impedanzreaktion von den RFID-Sensoren. Temperaturänderungen wurden erzeugt durch Anordnen des RFID-Sensors in einer Umweltkammer und Kontrollieren der Temperatur mit etwa 0,1°C Präzision und Genauigkeit.
Zum Gasanzeigen wurden verschiedene Konzentrationen von Dämpfen unter Benutzung eines eingebauten Computer-kontrollierten Dampferzeugungssystems erzeugt. Die gesammelten Impedanzdaten wurden unter Anwendung von Excel (MicroSoft Inc., Seattle, WA) oder KaleidaGraph (Synergy Software, Reading, PA) und PLS Toolbox (Eigenvector Research, Inc., Manson, WA), betrieben mit Matlab (The Mathworks Inc., Natick, MA) analysiert.
Beispiel. Genauer Nachweis von Feuchtigkeitsniveaus bei verschiedenen Temperaturen mit einem einzelnen Sensor
Wie in den 6–11 gezeigt, wurden Testergebnisse erhalten, um den genauen Nachweis von Wasserdampf bei verschiedenen Temperaturen unter Einsatz eines einzelnen Sensors, wie des oben beschriebenen Sensors 12, zu zeigen. Solche Testergebnisse können zum Erzeugen von Kalibrierungskoeffizienten benutzt werden, wie sie oben mit Bezug auf 5 erläutert wurden. Wie in den 6, 7 und 9 gezeigt, wurde der Sensor verschiedenen Konzentrationen von Wasserdampf bei den folgenden Temperaturen ausgesetzt: 25°C, 30°C, 35°C und 40°C. Die getesteten Konzentrationen des Wasserdampfes waren etwa 0 ppm, 2807 ppm, 4210 ppm, 5614 ppm, 7017 ppm und 8421 ppm.
Das zum Überziehen der RFID-Markierung benutzte Anzeigematerial wurde sorgfältig ausgewählt und ergab die Fähigkeit, die Konzentrationen des Wasserdampfes bei den vier Temperaturen genau nachzuweisen. In dem vorliegenden Experiment war das ausgewählte Anzeigematerial Poly(etherurethan) (PEUT), gelöst in einem nicht polaren Lösungsmittel, wie Dichlormethan. Während des Experimentes wurde der RFID-Sensor stufenweise den verschiedenen Wasserdampfkonzentrationen bei jeder der vier Temperaturen ausgesetzt. Spezifisch wurden Messungen vorgenommen durch Anordnen des Sensors in einer Umweltkammer mit Computer-kontrollierter Temperaturprogrammierung. Die Erzeugung verschiedener Konzentrationen von Wasserdampf erfolgte unter Einsatz eines Dampferzeugungssystems mit Computer-kontrollierter Dampfkonzentrations-Programmierung. Der Test wurde in Stufen ausgeführt, wobei die Konzentration des Wasserdampfes mit jeder Stufe erhöht wurde. Durch Überwachen von Änderungen in verschiedenen Eigenschaften und Untersuchen verschiedener Reaktionen über die vier Temperaturen und bei zunehmenden Konzentrationsniveaus zeigten die Daten die Fähigkeit, Wasserdampfkonzentration unabhängig von der Temperatur in dem oben beschriebenen Experiment genau zu quantifizieren.
6 und 7 zeigen Beispiele von Temperatur-Auswirkungen auf die einzelnen Reaktionen des RFID-Sensors, wenn der RFID-Sensor für Messungen eines Dampfes (d. h., in diesem Beispiel Wasserdampf) eingesetzt wurde. Die grafischen Darstellungen 55 und 56 zeigen eine signifikante Temperaturabhängigkeit der Kapazitätsreaktion C und der Widerstandsreaktion R des Sensors, der mit dem Film überzogen war, nachdem der Sensor Wasserdampfkonzentrationen von etwa 0, 2807, 4210, 5614, 7017 und 8421 ppm ausgesetzt worden war. In anderen Worten ändern sich die Kapazitäts- und Widerstands-Reaktion mit Bezug auf die Temperatur. In 8 ist die Kapazitätsreaktion C gegen die Widerstandsreaktion R des mit dem Film überzogenen Sensors für verschiedene Temperaturen von etwa 25, 30, 35 und 40°C und beim Aussetzen gegenüber Wasserdampfkonzentrationen von etwa 0, 2807, 4210, 5614, 7017 und 8421 ppm aufgetragen. Jede Linie in 8 entspricht der Sensorreaktion bei einer besonderen Konzentration des Wasserdampfes bei verschiedenen Temperaturen. Die Linie mit den ausgefüllten Kreisen entspricht z. B. der Sensorreaktion gegenüber 8421 ppm Wasserdampf bei vier Temperaturen. Der obere linke Teil der Linie entspricht der Reaktion bei 40°C, während der rechte untere Teil der Linie der Reaktion bei 25°C entspricht. 8 zeigt, dass die Temperatur die Beziehung zwischen den Kapazitäts- und Widerstands-Reaktionen signifikant beeinflusst. Es ist somit schwierig, auf der Grundlage von 8 zwischen den Auswirkungen der Temperatur und der Wasserdampfkonzentration zu unterschieden. Durch Anwenden der multivariaten Analyse der Sensorreaktion, wie unten beschrieben, werden jedoch signifikante Verbesserungen beim Unterscheiden zwischen Wirkungen der Temperatur und der Dampfkonzentration erhalten.
Ein bequemer Weg des Analysierens verschiedener Reaktionen des Sensors besteht darin, die Hauptkomponentenanalyse (PCA) zu benutzen, um eine multivariate Signatur zu erzeugen. Die PCA-Analyse ist, wie erkannt werden wird, ein mathematischer Prozess, der dem Fachmann auf diesem Gebiet bekannt ist, der benutzt wird, multidimensionale Datensätze zu geringeren Dimensionen zur Analyse zu reduzieren. Die verschiedenen Reaktionen für jeden Dampf bei einer gegebenen Konzentration können z. B. zu einem einzigen Datenpunkt reduziert werden und daraus kann eine einzige Reaktion für jeden Dampf, die als ein Vektor repräsentiert werden kann, erkannt werden, wie in 9 gezeigt. 9 repräsentiert eine grafische PCA-Darstellung 60 der verschiedenen Reaktionen der sechs Konzentrationen von Wasserdampf bei den oben beschriebenen vier Temperaturen. Die Wasserdampfkonzentrationen nehmen in der Richtung des Pfeils 63 zu. In anderen Worten erscheinen die Resultate bei der höchsten Konzentration des Wasserdampfes, nämlich 8421 ppm, nahe der linken Seite der grafischen Darstellung 60 und die Resultate bei der geringsten Konzentration von 0 ppm erscheinen nahe der rechten Seite der grafischen Darstellung 60, wobei sich die Resultate bei 0 ppm in einem einzigen Datenpunkt für die vier Temperaturen überlappen. Wie erkannt werden wird, repräsentiert FAKTOR 1 die Reaktion mit der größten Variation, während FAKTOR 2 die Reaktion mit der nächstgrößten Variation repräsentiert. Verglichen mit 8 sind die Linien, die in 9 unterschiedliche Dampfkonzentrationen repräsentieren, weiter voneinander entfernt, was die Verbesserungen beim Unterscheiden zwischen Temperatur- und Dampfkonzentrations-Effekten anzeigt, die durch die multivariate Analyse ermöglicht wurden. Wie in 9 gezeigt, sind die Resultate bei den vier Temperaturen klar voneinander unterscheidbar, obwohl die Wasserdampfkonzentrationen eine größere Änderung mit Bezug auf FAKTOR 1 bei 25°C, verglichen mit denen bei 40°C, zeigen. Sensoren gemäß verschiedenen Ausführungsformen sind somit in der Lage, diese Temperatureffekte zu korrigieren, um eine genaue Information über die Wasserdampfkonzentration zu liefern. Spezifisch können am besten angepasste Kurven und entsprechende Funktionen für jede der vier Temperaturen entwickelt werden. Die Koeffizienten dieser Funktionen können dann als Kalibrierungskoeffizienten benutzt werden, wie detailliert oben beschrieben. Die gegenwärtigen Testdaten liefern eine Unterstützung für einen Sensor, der in der Lage ist, zwischen Wasserdampfkonzentrationen, unabhängig von der Temperatur, zu unterscheiden.
Benutzt man die Funktionen und Kalibrierungskoeffizienten auf der Grundlage der bei den experimentellen Temperaturen gesammelten Daten, dann kann die Auswirkung der Temperatur auf Sensormessungen bei anderen Temperaturen extrapoliert oder interpoliert werden. So kann man z. B. in der Lage sein, Wasserdampfkonzentrationen zwischen 25°C und 30°C zu extrapolieren. Solche zusätzlichen extrapolierten Daten können dann auch benutzt werden, um selektiv Wasserdampfkonzentrationen bei anderen Temperaturen nachzuweisen. Durch Variieren des ausgewählten Anzeigematerials wurde der selektive Nachweis von anderen Dämpfen als Wasser bei anderen Temperaturen und Konzentrationen als den oben beschriebenen unter Einsatz eines einzelnen RFID-Sensors gezeigt.
Es können andere grafische Darstellungen erzeugt werden, um weiter zu zeigen, wie für einen einzigen RFID-Sensor gesammelte Daten benutzt werden, um Wasserdampfkonzentrationen unabhängig von der Temperatur zu quantifizieren. So wurden z. B. die Daten von 9 benutzt, um die grafische Darstellung 70 eines entwickelten quadratischen Modells der multivariaten Reaktion von FAKTOR 1 und FAKTOR 2, verglichen mit der Wasserdampfkonzentration, zu erzeugen, die auf der linken Seite von 10 gezeigt ist. In anderen Worten, es wurde ein quadratisches Modell entwickelt, um die Resultate der in 9 gezeigten grafischen PCA-Darstellung 60 zu repräsentieren. Vorhergesagte Werte der Wasserdampfkonzentration bei den verschiedenen Bedingungen, die detailliert oben beschrieben wurden, wurden unter Benutzung des quadratischen Modells errechnet und mit den tatsächlich gemessenen Werten in der grafischen Darstellung 72 von 10 verglichen. Wie in der grafischen Darstellung 72 von 10 gezeigt, liegen die Punkte nahe einer Linie, die einer Neigung von eins entspricht. Der Standardfehler des quadratischen Modells ist z. B. etwa 212 ppm Wasserdampf (d. h., 0,7% relative Feuchte). Die vorhergesagten Werte stehen somit in enger Beziehung zu den tatsächlichen Werten, was die Vorhersagbarkeit des beispielhaften Sensors und des beispielhaften Verfahrens demonstriert.
In ähnlicher Weise wurden Daten aus 9 benutzt, um die grafische Darstellung 80 eines entwickelten kubischen Modells von FAKTOR 1 und FAKTOR 2 der multivariaten Reaktion, verglichen mit der Wasserdampfkonzentration, zu erzeugen, die links von 11 gezeigt ist. In anderen Worten, ein kubisches Modell wurde entwickelt, um die Resultate der in 9 gezeigten grafischen PCA-Darstellung 60 zu repräsentieren. Vorhergesagte Werte der Wasserdampfkonzentration bei den verschiedenen Bedingungen, die detailliert oben beschrieben wurden, wurden unter Benutzung des kubischen Modells errechnet und mit den tatsächlich gemessenen Werten in der grafischen Darstellung von 82 von 11 verglichen. Wie in der grafischen Darstellung 82 von 11 gezeigt, liegen die Punkte nahe einer Linie, die einer Neigung von eins entspricht. Der Standardfehler des kubischen Modells beträgt z. B. etwa 188 ppm Wasserdampf (d. h., 0,63% relative Feuchte). Wie bei dem quadratischen Modell von 10, stehen die vorhergesagten Werte in enger Beziehung zu den tatsächlichen Werten, was wiederum die Vorhersagbarkeit des beispielhaften Sensors und Verfahrens zeigt. In weiteren Ausführungsformen können auch andere polynome Modelle, neben dem quadratischen und kubischen Modell, benutzt werden.
Während nur gewisse Merkmale der Erfindung hierin dargestellt und beschrieben wurden, sind dem Fachmann viele Modifikationen und Änderungen zugänglich. Es sollte daher klar sein, dass die beigefügten Ansprüche alle solche Modifikationen und Änderungen abdecken, die in den wahren Geist der Erfindung fallen.
Es werden Verfahren und Sensoren für das selektive Anzeigen von Strömungsmitteln bereitgestellt. Ein Sensor schließt einen Induktor-Kondensator-Widerstands-(LCR)-Schwingkreis und ein Anzeigematerial ein, das über einer Anzeigeregion angeordnet ist. Die Anzeigeregion umfasst mindestens einen teil der LCR-Schaltung. Temperaturabhängige Reaktionskoeffizienten der Induktivitäts-L, Kapazitäts-C und Widerstands-R Eigenschaften der LCR-Schaltung und des Anzeigematerials unterscheiden sich um zumindest etwa 5% voneinander. Der Unterschied in den temperaturabhängigen Reaktionskoeffizienten der Eigenschaften der LCR-Schaltung und des Anzeigematerials ermöglichen es dem Sensor, selektiv Analyt-Strömungsmittel aus einer analysierten Strömungsmittelmischung, im Wesentlichen unabhängig von der Temperatur, nachzuweisen.

Claims

Sensor, umfassend: einen Induktor-Kondensator-Widerstands-(LCR)-Schwingkreis, ein Anzeigematerial, das über einer Anzeigeregion angeordnet ist, wobei die Anzeigeregion mindestens einen Teil der LCR-Schaltung umfasst und worin sich temperaturabhängige Reaktionskoeffizienten der Induktivitäts-L, Kapazitäts-C und Widerstands-R Eigenschaften der LCR-Schaltung und des Anzeigematerials um mindestens 5% voneinander unterscheiden und worin es der Unterschied in den temperaturabhängigen Reaktionskoeffizienten der Eigenschaften der LCR-Schaltung und des Anzeigematerials dem Sensor ermöglicht, selektiv Analyt-Strömungsmittel aus einer analysierten Strömungsmittelmischung im Wesentlichen unabhängig von der Temperatur nachzuweisen.
Sensor nach Anspruch 1, worin der Sensor keinen separaten Temperatursensor umfasst.
Sensor nach Anspruch 1, umfassend einen Speicherchip, wobei der Speicherchip Kalibrierungskoeffizienten auf der Grundlage des Unterschiedes in den temperaturabhängigen Reaktionskoeffizienten der Eigenschaften der LCR-Schaltung und des Anzeigematerials umfasst.
Sensor nach Anspruch 1, worin der Sensor einen RFID-Sensor umfasst.
Sensor nach Anspruch 1, worin die LCR-Schaltung ein Substrat, eine Spule, einen Speicherchip, einen integrierten Schaltungs-(IC)-Chip, einen Wandler oder einen Anzeigematerialfilm umfasst, wobei die temperaturabhängigen Reaktionskoeffizienten der Eigenschaften des Substrates, der Spule, des Speicherchips, des integrierten Schaltungs-(IC)-Chips, des Wandlers oder des Anzeigematerialfilms voneinander verschieden sind.
Sensor nach Anspruch 1, worin die LCR-Schaltung ein Substrat, eine Spule, einen Speicherchip, einen integrierten Schaltungs-(IC)-Chip, einen Wandler und einen Anzeigematerialfilm umfasst, wobei die temperaturabhängigen Reaktionskoeffizienten der Eigenschaften des Substrates, der Spule, des Speicherchips, des integrierten Schaltungs-(IC)-Chips, des Wandlers und des Anzeigematerialfilms voneinander verschieden sind.
Sensor nach Anspruch 1, worin das Anzeigematerial synthetische dielektrische Polymere, konjugierte Polymere, synthetische leitende Polymere, Polymerformulierungen, Biomoleküle, Cavitanden, Monoschicht-geschützte Metall-Nanoteilchen, Metall-Nanoteilchenkerne mit organischen Ligandenhüllen, Porphyrine, Phthalocyanine, Rußteilchen, Ruß-Nanoröhrchen und ihre Kombinationen umfasst.
Sensor nach Anspruch 1, worin die LCR-Schaltung eine Antenne umfasst, wobei sich temperaturabhängige Reaktionskoeffizienten der Eigenschaften der Antenne und des Anzeigematerials voneinander unterscheiden.
Sensor nach Anspruch 1, worin die LCR-Schaltung einen komplementären Sensor umfasst, wobei sich temperaturabhängige Reaktionskoeffizienten der Eigenschaften des komplementären Sensors und des Anzeigematerials voneinander unterscheiden.
Sensor nach Anspruch 1, worin das Anzeigematerial zwischen Elektroden der LCR-Schaltung angeordnet ist.
Sensor nach Anspruch 1, worin der Sensor als ein Sensor für einen einzigen Gebrauch konfiguriert ist.
Verfahren zum Nachweisen chemischer oder biologischer Materialien in einem Strömungsmittel, umfassend: Messen eines realen Teiles und eines imaginären Teiles eines Impedanzspektrums einer Sensor-Resonanzantenne, die mit einem Anzeigematerial überzogen ist, wobei sich die temperaturabhängigen Reaktionskoeffizienten einer Eigenschaft der Sensor-Resonanzantenne und des Anzeigematerials voneinander unterscheiden, Errechnen von mindestens sechs Spektralparametern der mit dem Anzeigematerial überzogenen Sensor-Resonanzantenne bei einer Vielzahl von Temperaturen, Reduzieren des Impedanzspektrums zu einem einzigen Datenpunkt unter Anwendung der multivariaten Analyse, um selektiv einen Analyten zu identifizieren, und Bestimmen von einem oder mehreren Umgebungsparametern aus dem Impedanzspektrum unter Benutzung gespeicherter Kalibrierungskoeffizienten, worin die Bestimmung des einen oder der mehreren Umgebungsparameter im Wesentlichen unabhängig von der Temperatur ist.
Verfahren nach Anspruch 12, worin die gespeicherten Kalibrierungskoeffizienten auf den Wirkungen der verschiedenen temperaturabhängigen Reaktionskoeffizienten der Eigenschaft der Sensor-Resonanzantenne und des Anzeigematerials auf das Impedanzspektrum beruhen.
Verfahren nach Anspruch 12, worin das Messen des Impedanzspektrums und das Errechnen von mindestens sechs Spektralparametern das Messen über einen Resonanzfrequenzbereich der Sensor-Resonanzantenne umfasst.
Verfahren nach Anspruch 12, worin das Berechnen von mindestens sechs Spektralparametern das Berechnen einer Frequenzposition des realen Teiles des Impedanzspektrums und einer Größe des realen Teils des Impedanzspektrums umfasst.
Verfahren nach Anspruch 12, worin das Berechnen von mindestens sechs Spektralparametern das Berechnen einer Resonanzfrequenz des imaginären Teiles des Impedanzspektrums und einer Anti-Resonanzfrequenz des imaginären Teiles des Impedanzspektrums umfasst.
Verfahren nach Anspruch 12, worin das Reduzieren des Impedanzspektrums zu einem einzigen Datenpunkt das Errechnen einer multivariaten Signatur umfasst.
Verfahren nach Anspruch 12, umfassend das Betreiben eines integrierten Schaltungschips bei mehreren Leistungsniveaus derart, dass ein Induktor-Kondensator-Widerstands-(LCR)-Schwingkreis bei mehreren Bedingungen betrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 18, worin der Betrieb der LCR-Schaltung bei den mehreren Bedingungen die temperaturunabhängige Bestimmung des einen oder mehrerer Umweltparameter verbessert.
Verfahren zum Herstellen eines Sensors, umfassend: Zusammenbauen eines Wandlers, umfassend einen Induktor-Kondensator-Widerstands-(LCR)-Schwingkreis, worin der Wandler mindestens drei temperaturabhängige Reaktionskoeffizienten der Induktivitäts-L, Kapazitäts-C und Widerstands-R Eigenschaften der LCR-Schaltung umfasst, worin sich die mindestens drei temperaturabhängigen Reaktionskoeffizienten der Eigenschaften der LCR-Schaltung um mindestens etwa 5% voneinander unterscheiden, Auswählen eines Anzeigematerials, das mindestens zwei temperaturabhängige Reaktionskoeffizienten der Dielektrizitätskonstanten und der Widerstandseigenschaften des Anzeigematerials umfasst, wobei sich die mindestens zwei temperaturabhängigen Reaktionskoeffizienten der Eigenschaften des Anzeigematerials um mindestens etwa 5% von den mindestens drei temperaturabhängigen Reaktionskoeffizienten der Eigenschaften der LCR-Schaltung unterscheiden, Anordnen eines Anzeigematerials über einer Anzeigeregion, wobei die Anzeigeregion mindestens einen Teil der LCR-Schaltung umfasst.
Verfahren nach Anspruch 20, worin es der Unterschied zwischen dem ersten und zweiten temperaturabhängigen Reaktionskoeffizienten der Eigenschaft dem Sensor ermöglicht ein im Wesentlichen temperaturunabhängiges Anzeigen zu liefern.
Verfahren nach Anspruch 20, worin der Sensor konfiguriert ist, eine Impedanz über einen Resonanzfrequenzbereich des Wandlers bei einer Vielzahl von Temperaturen zu erfassen und eine multivariate Signatur aus dem erfassten Impedanzspektrum bei der Vielzahl von Temperaturen unter Benutzung gespeicherter Kalibrierungskoeffizienten zu errechnen, die auf der Grundlage des Unterschiedes zwischen dem ersten und zweiten temperaturabhängigen Reaktionskoeffizienten der Eigenschaft beruhen.