Сборка и использование rfid-датчиков в контейнерах

Сборка и использование rfid-датчиков в контейнерах

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Перекрестная ссылка на родственные заявки

Приоритет данной заявки заявляется по предварительной заявке на патент США №60/866714, которая подана 21 ноября 2006 года и описание которой полностью включено в данный документ посредством ссылки.

Область техники

Данное изобретение относится к системе для сборки и использования датчиков в контейнерах.

Предпосылки изобретения

Для защиты человеческого организма от растворов, таких как жидкие, газообразные и твердые растворы, которые могут быть ядовитыми или вредными для него, используются различные устройства, предназначенные для исследования растворов на предмет их опасности. Эти устройства содержат химические/биологические датчики, которые соотносят идентификационный маркер с антителом. Например, некоторые химические/биологические датчики содержат чип, присоединяемый к антителу и содержащий флюоресцирующие маркеры, идентифицирующие конкретное антитело.

Известны химические или биологические датчики, которые содержат структурные элементы, выполненные из материала, избирательно реагирующего на конкретное определяемое вещество, как показано в патенте США №6359444. Другие известные химические или биологические датчики содержат электромагнитно активируемый материал, который расположен в определенном положении на датчиках и может видоизменяться под воздействием внешнего условия, как показано в патенте США №6025725. Некоторые известные химические и биологические сенсорные системы содержат компоненты, предназначенные для измерения более одного электрического параметра, как показано в патенте США №6586946.

В то время как вышеупомянутые датчики могут использоваться для измерения электрических параметров, до сих пор не разработана одноразовая био-обрабатывающая система, использующая эти датчики. Несмотря на возможность быстрого использования одноразовых биообрабатывающих систем и технологий, их распространению мешает отсутствие эффективных одноразовых неразрушающих технологий текущего контроля. Текущий контроль основных параметров процесса является решающим для обеспечения безопасности, документирования процесса и эффективности производимых составов, а также для поддержания регулирования процесса. Использование технологий линейных неразрушающих одноразовых датчиков для линейного считывания нескольких параметров в одноразовых био-обрабатывающих установках обеспечит возможность внедрения безопасного и быстрого производства, так как оно позволит безупречно освоить одноразовые способы очистки и исключит использование дорогих и трудоемких автономных методов анализа. Таким образом, существует необходимость в системе, предоставляющей возможность проведения простого неразрушающего анализа химического и/или биологического вещества в растворе в одноразовом биообрабатывающем устройстве, с помощью которой пользователь может безопасно получить измерения для данного вещества, а затем ликвидировать био-обрабатывающую систему.

Сущность изобретения

Данное изобретение разработано с учетом вышерассмотренных технических предпосылок, и его целью является создание системы и способа для сборки и использования датчиков в контейнере

Предпочтительный вариант выполнения изобретения содержит систему для измерения различных параметров. При этом в контейнере содержится раствор. Поверх по меньшей мере одного датчика и по меньшей мере одной стенки контейнера нанесен защитный слой, присоединенный к стенке контейнера с образованием непроницаемого соединения между контейнером и указанным по меньшей мере одним датчиком. Указанный по меньшей мере один датчик выполнен с обеспечением наличия действующего электромагнитного поля, зависящего от толщины контейнера и защитного слоя. Указанный по меньшей мере один датчик вместе с цифровой идентификационной меткой расположен вблизи анализатора сопротивления и считывающего устройства, которые составляют измерительное устройство, и выполнен с возможностью определения по меньшей мере одного параметра раствора. Метка выполнена с возможностью обеспечения цифровой идентификации, связанной с указанным по меньшей мере одним датчиком, при этом контейнер расположен вблизи считывающего устройства и анализатора сопротивления. Анализатор сопротивления выполнен с возможностью приема заданного диапазона частот от указанного по меньшей мере одного датчика исходя из параметра и для расчета изменений параметра исходя из измеренного комплексного сопротивления на заданном диапазоне частот.

В другом предпочтительном варианте выполнения изобретения предлагается способ сборки системы, предназначенной для измерения параметров. Используют по меньшей мере один датчик, который помещают между первым и вторым слоями пленки. Первый и второй слои пленки имеют определенную толщину, при этом указанный по меньшей мере один датчик выполняют с обеспечением наличия действующего электромагнитного поля. Второй слой выполняют поверх указанного по меньшей мере одного датчика в первом слое с обеспечением внедрения указанного по меньшей мере одного датчика в первый слой. Используют третий слой пленки, который выполняют в указанном первом слое пленки с обеспечением образования контейнера с третьим слоем пленки. В контейнер помещают раствор, причем первый слой пленки и указанный по меньшей мере один датчик выполняют с обеспечением измерения по меньшей мере одного параметра данного раствора.

Краткое описание чертежей

Эти и другие преимущества данного изобретения более очевидны из описания, приведенного ниже со ссылкой на сопроводительные чертежи, на которых

фиг.1 изображает блок-схему системы для сборки и использования датчиков в контейнере в соответствии с одним вариантом выполнения изобретения,

фиг.2А и 2В изображают датчик, внедренный в контейнер в соответствии с одним вариантом выполнения изобретения,

фиг.3 изображает покомпонентный вид радиочастотной идентификационной (RFID) метки, показанной на фиг.1, выполненной в соответствии с изобретением,

Фиг.4А, 4В, 4С и 4D изображают схематические чертежи компоновки RFID систем, собранных в соответствии с изобретением,

Фиг.5 изображает блок-схему, иллюстрирующую способ внедрения датчиков в контейнер с использованием ультразвуковой сварки в соответствии с изобретением,

Фиг.6 изображает блок-схему, иллюстрирующую способ внедрения датчиков в контейнер с использованием высокочастотной сварки в соответствии с изобретением,

Фиг.7 изображает блок-схему, иллюстрирующую способ внедрения датчиков в контейнер с использованием термического ламинирования в соответствии с изобретением,

Фиг.8 изображает блок-схему, иллюстрирующую способ внедрения датчиков в контейнер с использованием сварки нагретой пластиной в соответствии с изобретением,

Фиг.9 изображает блок-схему, иллюстрирующую способ внедрения датчиков в контейнер с использованием термопластов, полученных формованием под давлением, в соответствии с изобретением,

Фиг.10А и 10В изображают датчик в силиконовой трубке в соответствии с изобретением,

Фиг.11 изображает пример предложенных датчиков;

Фиг.12 иллюстрирует пример измерения, выполняемого датчиком в соответствии с изобретением,

Фиг.13 изображает графическое представление динамического отклика и величину отклика предложенного датчика, показанного на фиг.12, и

Фиг.14 изображает графическое представление калибровочной кривой, полученной при измерении, проиллюстрированном на фиг.12, в соответствии с изобретением.

Подробное описание изобретения

Представленные предпочтительные варианты выполнения изобретения описаны со ссылкой на чертежи, на которых аналогичные компоненты обозначены одинаковыми номерами позиций. Описания предпочтительных вариантов выполнения являются иллюстративными и не ограничивают объем изобретения.

Фиг.1 изображает блок-схему системы, предназначенной для измерения параметров в контейнере. Система 100 содержит контейнер 101, метку 102 с расположенным на ней датчиком 103, считывающее устройство 106, анализатор 108 сопротивления, стандартный компьютер 109 и измерительное устройство 111. Измерительное устройство 111 содержит считывающее устройство 106 и анализатор 108 сопротивления. Анализатор 108 сопротивления содержит приемную антенну 108а, которая возбуждает набор RFID датчиков в матрице 103 и принимает отраженный от них радиочастотный сигнал. Метка 102 и датчик 103 встроены в контейнер 101 или выполнены за одно целое с ним. На метке 102 может быть выполнено несколько или множество датчиков 103 в виде матрицы. Датчик 103 или матрица 103 датчиков встроен/встроена в контейнер 101, который присоединен с помощью беспроводного соединения или электропровода к анализатору 108 и компьютеру 109. Датчик 103 или матрица 103 датчиков и метка 102 присоединены беспроводным соединением или электропроводом к измерительному устройству 111 и компьютеру 109. Анализатор 108 сопротивления присоединен беспроводным соединением или электропроводом к компьютеру 109.

В соответствии с фиг.2А и 2В контейнер 101 может представлять одноразовый био-обрабатывающий контейнер, контейнер из нержавеющей стали, пластмассы, полимера, хроматографическое устройство, фильтрационное устройство, хроматографическое устройство с присоединенными трубопроводами, фильтрационное устройство с присоединенными трубопроводами, центрифужное устройство, центрифужное устройство с присоединенными трубопроводами, контейнер из предварительно стерилизованного полимера или контейнер любого типа, известный специалистам в данной области техники В одном варианте выполнения биологический контейнер 101 предпочтительно, но не ограничиваясь этим, выполнен из следующих материалов в чистом виде или в их сочетании в виде многослойной пленки, этиленвинилацетата (ЭВА), полиэтилена низкой плотности или очень низкой плотности (ПЭНП или ПЭОНП) этилвинилового спирта (ЭВС), полипропилена (ПП), полиэтилена, полиэтилена сверхнизкой плотности, полиэфира, полиамида, поликарбоната, эластомерного материала - все, из которых хорошо известны в данной области техники RFID метки обычно содержат передние антенны и микрочип с подложкой из пластмассы (например, полиэфира, полиамида и т д).

Кроме того, контейнер 101 может быть выполнен из многослойной биообрабатывающей пленки, поставляемой одним производителем. Производителем может быть, например, компания Hyclone, расположенная в г.Логан, штат Юта, выпускающая, например, пленку HyQ® CX5-14 и пленку HyQ® СХ3-9. Пленка CX5-14 представляет отлитую пленку толщиной 14 мил (0,35 мм), содержащую 5 слоев. Внешний слой этой пленки выполнен из полиэфирного эластомера, соэкструдированного с барьерным слоем из ЭВС и контактным слоем из полиэтилена сверхнизкой плотности. Пленка СХ3-9 представляет отлитую пленку толщиной 9 мил (0,23 мм), содержащую 3 слоя. Внешний слой этой пленки выполнен из полиэфирного эластомера, соэкструдированного с контактным слоем из полиэтилена сверхнизкой плотности. Указанные пленки могут быть дополнительно преобразованы в одноразовые биообрабатывающие компоненты с различной геометрией и конфигурацией, каждый из которых может удерживать раствор 101а. В еще одном варианте выполнения изобретения контейнер 101 может представлять полимер, введенный в фильтрационное устройство. Дополнительно контейнер 101 может включать или содержать хроматографическую матрицу.

В зависимости от материала контейнера датчики 103 или матрицу 103 датчиков и метку 102 присоединяют беспроводным соединением или электропроводом к измерительному устройству 111 и компьютеру 109. Контейнер 101 также может быть сосудом, который содержит текучую среду, например жидкость или газ, и имеет впускное и выпускное отверстия Кроме того, контейнер 101 может пропускать или не пропускать поток жидкости. Контейнер 101 также может быть баллоном, трубкой, трубопроводом или шлангом

Раствор 101а может быть также отнесен к биообрабатывающей текучей среде. Находящийся в контейнере 101 раствор 101а может храниться или предназначаться для транспортировки. Раствор 101а может быть жидкостью, текучей средой или газом, твердым веществом, пастой или сочетанием жидкого и твердого вещества. Например, раствор 101а может представлять кровь, воду, биологический буфер или газ. Раствор 101а может содержать токсичное промышленное вещество, боевое химическое вещество, газ, маркер заболевания в воздухе, полученном в виде пара или вытолкнутом при выдохе биопатогенное вещество в воде, вирус, бактерии и другие патогенные вещества. Если раствор 101а является кровью, то он может содержать различные вещества, такие как креатинин, мочевина, лактатдегидрогеназа, щелочной фосфат, калий, общий белок, натрий, мочевую кислоту, растворенные газы и пары, такие как CO₂, O₂, NO_x, этанол, метанол, галотан, бензол, хлороформ, толуол, боевые химические вещества, пар, живую ткань, выделенную из биологической текучей среды, вакцину, взрывоопасные вещества или другие подобные вещества. С другой стороны, если раствор 101а является газом или паром, то это может быть CO₂, O₂, NO_x, этанол, метанол, галотан, бензол, хлороформ, толуол или боевые химические вещества Если раствор 101а является токсичным промышленным реагентом, который при вдыхании может растворяться в крови, то это может быть аммиак, ацетонциангидрин, хлорид мышьяка, хлор, сернистый карбонил или другие подобные вещества. В случае, когда раствор 101а является боевым химическим веществом, это может быть табун, зарин, зоман, Vx, отравляющее вещество кожно-нарывного действия, иприт, отравляющее вещество удушающего или отравляющего действия. Если раствор 101а является маркером заболевания в воздухе, полученном при выдохе, то это может быть уксусный альдегид, ацетон, окись углерода или другие подобные вещества. Если раствор 101а содержит биопатогенное вещество, то это может быть возбудитель сибирской язвы, бруцеллеза, дизентерии, туляремии или другие подобные вещества. Дополнительно находящийся в контейнере раствор 101а может содержать прокариотные и эукариотные клетки для выделения белков, рекомбинационные белки, вирус, плазмиды, вакцины, бактерии, живую ткань и другие подобные вещества. Контейнер 101 может иметь различные конструкции, например, может представлять одну биологическую ячейку, микрофлюидальный канал, микротитрационный планшет, чашку Петри, стерильную камеру с перчатками, вытяжной шкаф, стенной шкаф, помещение в здании или здание. Таким образом, контейнер 101 может иметь любой размер и содержит встроенные в него датчик 103 и метку 102, расположенные с обеспечением измерения параметров среды в контейнере 101 или раствора 101а, находящегося в контейнере 101.

Рядом с раствором 101а или в нем расположен в виде матрицы 103 набор датчиков. Матрица 103 датчиков выполнена за одно целое со стенкой 101b контейнера 101, внедрена или встроена в нее любым из способов, проиллюстрированных на фиг 5-9, таких как ультразвуковая сварка, диэлектрическая сварка (известная также как высокочастотная (ВЧ) или радиочастотная (РЧ) сварка), лазерная сварка, сварка нагретой пластиной, сварка нагретым ножом, индуктивный/импульсный метод, заливка, декорирование при формовании и другие стандартные типы сварки и способы соединения, известные специалистам в данной области техники.

Вышеупомянутые процессы также используются для нанесения защитного слоя 105 на датчик 103, как показано на фиг.2А и 2В. Защитный слой 105 может быть барьерным слоем, полупроницаемым слоем или слоем с избирательной проницаемостью. Этот защитный слой 105 используется для предотвращения попадания компонентов датчика 103 и дополнительного сенсорного покрытия 107, расположенного между защитным слоем 105 и датчиком 103 (фиг.2В), в среду контейнера 101, а также для предотвращения коррозии датчика 103 под действием раствора 101а, что обеспечивает корректное выполнение химической или биологической идентификации внедренным датчиком 103. Кроме того, защитный слой 105 предотвращает загрязнение биообрабатывающей текучей среды (раствора 101а) любым выщелачиваемым или экстрагируемым веществом, присутствующим в RFID датчике 103. Сенсорное покрытие 107 выбирается для обеспечения надлежащей химической или биологической идентификации. Типичным сенсорным покрытием или пленкой 107 является полимерная, органическая, неорганическая, биологическая, композиционная или нанокомпозиционная пленка, которая изменяет свои электрические свойства в зависимости от раствора 101а, в который она помещена. Сенсорная пленка (или сенсорное покрытие) 107 может представлять гидрогель, такой как поли(2-гидроксиэтил)метакрилат, сульфированный полимер, такой как Nafion^®, являющийся зарегистрированным товарным знаком компании DuPont, расположенной в г. Уилмингтон, штат Делавэр, адгезионный полимер, такой как силиконовый клей, неорганическую пленку, такую как золь-гелевая пленка, композиционную пленку, такую как сажевая полиизобутиленовая пленка, пленку из нанокомпозиционного материала, такую как пленка Nafion^® на основе углеродных нанотрубок, гидрогельную пленку на основе наночастиц золота, электроспряденные полимерные нановолокна, водородную пленку на основе металлических наночастиц, электроспряденные неорганические нановолокна, электроспряденные композиционные нановолокна и любой другой сенсорный материал. Вышеупомянутые материалы для сенсорной пленки 107 могут быть нанесены на датчик 103 с помощью струйной печати, трафаретной печати, химического осаждения, вакуумного осаждения, напыления, протяженного покрытия, покрытия влажным растворителем, покрытием с рулона, шлицевого нанесения, нанесения с помощью гравированного цилиндра, нанесения накатыванием, нанесения окунанием и т.д. Для предотвращения попадания материала из сенсорной пленки 107 в контейнер 101 сенсорные материалы прикрепляют к поверхности набора датчиков в матрице 103 с использованием стандартных технологий, таких как образование ионных пар, ковалентное связывание, электростатическое связывание и другие стандартные методы, известные специалистам в данной области техники. Толщина защитного слоя 105 лежит в диапазоне от 1 нм до 30 см. Толщина стенки 101b лежит в диапазоне от 5 нм до 50 см Предпочтительно стенка 101b имеет толщину 10 см, предпочтительнее 5 см или, еще более предпочтительно, 1 см. Однако если для создания трехмерного контейнера с внедренным датчиком используется декорирование при формовании/формование под давлением, то толщина стенки может быть значительно больше, например, до 10 см.

Такая толщина защитного слоя 105 и стенки 101b является необходимой для действия электромагнитного поля, окружающего датчик 103, и его удержания внутри контейнера 101. Беспроводное объединение датчика 103 с анализатором 108 сопротивления возникает при возбуждении электромагнитного поля вокруг датчика 103, когда анализатор 108 расположен вблизи датчика 103. Конкретнее, электромагнитное поле выходит за пределы плоскости датчика 103 в направлении стенки 101b и защитного слоя 105. Приемная антенна 108а возбуждает RFID датчик 103. В одном варианте выполнения приемная антенна 108а расположена на противоположной от датчика 103 стороне стенки 101b. В другом варианте выполнения приемная антенна 108а расположена вблизи датчика 103 на противоположной от него стороне защитного слоя 105.

Для обеспечения приема сигнала датчика 103 приемной антенной 108а толщина и диэлектрические свойства материала защитного слоя 105, стенки 101b и дополнительного сенсорного покрытия 107 между приемной антенной 108 и датчиком 103 должны быть соответствующими. В других вариантах выполнения изобретения приемная антенна 108а может быть прикреплена или присоединена к контейнеру 101 несколькими способами:

1) приемная антенна механически прикреплена к контейнеру 101,

2) приемная антенна прикреплена к контейнеру традиционным химическим способом с помощью любого химического средства, например клеящего вещества, и

3) приемная антенна 108а прикреплена к контейнеру 101 под действием силы тяжести.

В другом варианте выполнения изобретения приемная антенна 108а прикреплена к контейнеру 101 без электрического контакта с датчиком 103. В этом случае происходит ослабление сигнала от датчика 103 по мере увеличения расстояния между датчиком 103 и приемной антенной 108а.

Сигнал от датчика 103 изменяется, в целом ослабевая по мере увеличения проводимости материала, расположенного между датчиком 103 и приемной антенной 108а. Таким образом, в целом, при постоянной практической диэлектрической характеристике стенки 101b или защитного слоя 105, чем меньше толщина стенки 101b или защитного слоя 105, тем сильнее сигнал, поступающий от датчика 103.

Для обеспечения удобного способа расположения приемной антенны 108а вблизи датчика 103 ее прикрепляют к контейнеру 101. В одном варианте выполнения участки внешней поверхности контейнера 101 видоизменяют в области внедрения RFID датчика 103 так, что достигается лучшее управление стабильностью (положением, наклоном и т.д) приемной антенны 108а датчика 103. В другом варианте выполнения участки внешней поверхности контейнера 101 видоизменяют в области внедрения RFID датчика 103 так, что лучшее управление стабильностью (положением, наклоном и т.д.) приемной антенны 108а датчика 103 достигается путем выполнения механических соединений (пластмассовых наконечников, зажимов и т.д) на углах, сторонах и т.д., где приемная антенна 108а защелкивается или присоединяется иным способом в соответствующем положении.

В еще одном варианте выполнения участки внешней поверхности контейнера 101 видоизменяют в области встраивания RFID датчика 103 так, что лучшее управление стабильностью приемной антенны 108а датчика 103 достигается путем использования адгезионного материала, обеспечивающего присоединение приемной антенны 108 к контейнеру 101 в соответствующем положении. В другом варианте выполнения участки наружной поверхности контейнера 101 видоизменяют в области внедрения RFID датчика 103 так, что лучшее управление стабильностью приемной антенны 108а датчика 103 достигается путем использования силы тяжести приемной антенны 108а, обеспечивающей ее лучшее присоединение к контейнеру 101 в соответствующем положении. Специалисты в данной области техники могут применять другие способы присоединения, в которых не используется гальваническое или непосредственное соединение проводами приемной антенны 108а и датчика 103.

Датчик 103 покрыт защитным слоем 105 и сенсорным покрытием 107. Если вышеупомянутые толщины слоя 105 и стенки 101b не обеспечивают приклеивания, то электромагнитное поле вокруг датчика 103 ослабевает, и датчик 103 не обеспечивает измерение параметров раствора 101.

Края защитного слоя 105 неразъемно присоединены, например, сваркой или ламинированием к стенке 101b контейнера 101 для создания непроницаемого соединения. Кроме того, контейнер 101, также известный как одноразовая био-обрабатывающая система со встроенным датчиком или матрицами 103 датчиков, удовлетворяет требованиям биосовместимости, стерилизуемости, механической прочности, эластичности и низкой выщелачиваемости. Этот защитный слой также может содержать пленки из плотной пластмассы, мембраны, микропористые слои, слои средней пористости, такие как вспененный политетрафторэтилен ПТФЭ (е-ПТФЭ), мембраны для нанофильтрации и ультрафильтрации, которые также могут использоваться в качестве защитного слоя или слоя с избирательной проницаемостью для обеспечения уменьшения органического загрязнения, увеличения концентрации определяемых частиц, а также для обеспечения коррозионной устойчивости компонентов датчика 103. В другом варианте выполнения изобретения защитный слой 105 является проводящей полимерной пленкой. В еще одном варианте выполнения изобретения защитный слой 105 может быть композиционной пленкой, которая может содержать наполненный полимер, смесь полимеров и сплав. Эта композиционная пленка имеет необходимую диэлектрическую проницаемость, электропроводность, теплопроводность, проницаемость для растворенных газов, таких как кислород и CO₂.

В измерительном устройстве 111 снаружи контейнера 101 расположено считывающее устройство 106. Антенна 301 (фиг 3) метки 102, покрытая полимерным неорганическим материалом, композиционным материалом, другим типом пленочной сетки из нановолокон или наноструктурным покрытием, является датчиком 103 или матрицей 103 датчиков. Набор датчиков в матрице 103 может представлять собой обычный датчик или матрицу датчиков, известные специалистам в данной области техники, а также набор датчиков в матрице может представлять собой матрицу 103 из радиочастотных идентификационных (RFID) датчиков. RFID датчики в матрице 103 являются устройствами, которые отвечают за создание полезного сигнала исходя из параметра раствора 101а. К параметрам относятся измеренная проводимость, уровень pH, температура, соответствующее измерение крови, давления, измерение содержания ионов, отсутствия ионов, отсутствие проводимости, осаждение материала, например биологическое, белковое, бактериальное, клеточное, вирусное, неорганическое осаждение, например, осаждение кальция, уровень электромагнитного излучения, давление и другие параметры, которые можно измерить для обычного раствора. Кроме того, к указанным параметрам относятся значения физических, химических или биологических свойств растворов, измеряемых как функции времени и являющихся важными для различных областей применения. Эти измерения предоставляют собой полезную информацию о кинетике реакций, кинетике связывания, эффектах выщелачивания, старения, извлечения, диффузии, регенерации и других кинетических эффектах. Набор датчиков в матрице 103 покрыт или обернут типичной сенсорной пленкой 107, рассмотренной выше, которая позволяет измерить параметры раствора 101а. Каждый из набора RFID датчиков в матрице 103 может измерять один отдельный параметр или все параметры в растворе 101а. Например, набор RFID датчиков в матрице 103 может измерять только температуру раствора 101а или измерять его проводимость, pH и температуру. Кроме того, RFID датчики в матрице 103 являются транспондерами, которые содержат приемник, обеспечивающий прием сигналов, и передатчик, обеспечивающий передачу сигналов. Датчик 103 может работать как обычный RFID датчик, который является пассивным, полуактивным или активным. В другом варианте выполнения изобретения датчик 103 может облучаться гамма-излучением в соответствии с обычным процессом излучения гамма-лучей.

Фиг.3 изображает радиочастотную идентификационную (RFID) метку. RFID метка 102 также может рассматриваться как беспроводный датчик и содержит подложку 303, поверх которой расположены антенна 301 и идентификационный чип 305. Для нанесения сенсорных структур могут использоваться разнообразные имеющиеся в продаже метки. Эти метки работают на разных частотах в диапазоне приблизительно от 125 кГц до 2,4 ГГц. Подходящие метки имеются в наличии у различных поставщиков и дистрибьюторов, таких как компании Texas Instrument, TagSys, Digi Key, Amtel, Hitachi и другие. Кроме того, метка может относиться к одному из следующих классов сенсорной техники: Sensor Single Parameter Radio Frequency (SSP^RF) и Sensor Multi-Parameter Radio Frequency (SMP^RF). Подходящие метки могут работать в пассивном, полупассивном и активном режимах Пассивная RFID метка не требует источника энергии для работы, тогда как работа полупассивной и активной RFID меток основана на использовании встроенного источника энергии RFID метка 102 содержит цифровое идентификационное устройство (ИУ), хранящееся в чипе 305, при этом частотная характеристика антенной схемы RFID метки 102 может быть измерена как комплексное сопротивление с вещественной и мнимой частями. Кроме того, RFID метка 102 может быть транспондером, который является автоматическим устройством, принимающим, усиливающим и повторно передающим сигнал на различных частотах RFID метка 102 также может представлять другой тип транспондера, который передает заданное сообщение в ответ на заданный принятый сигнал. Такая RFID метка 102 эквивалентна различным RFID меткам, описанным в патентном документе «Химические и биологические датчики, устройства и способы, основанные на радиочастотной идентификации», поданном 26 октября 2005 года под порядковым номером США 11/259710, и в патентном документе «Устройства и способы для текущего контроля параметров в контейнерах», поданном 28 сентября 2006 года под порядковым номером PCT/US2006/038198 и US 11/536030, оба заявлены под US 60/803265 и поданы 26 мая 2006 года, содержание этих документов включено в данную заявку посредством ссылки

Антенна 301 выполнена за одно целое с датчиком 103. Набор RFID датчиков 103 расположен на расстоянии приблизительно 0,1-100 см от считывающего устройства 105 и анализатора 107 сопротивления. В другом варианте выполнения изобретения RFID антенна 301 содержит химические или биологические чувствительные материалы 307, используемые в качестве части материала антенны и предназначенные для модуляции свойств антенны. Эти химические и биологические материалы являются проводящими чувствительными материалами, такими как неорганические, полимерные, композиционные сенсорные материалы и им подобные. Композиционные сенсорные материалы содержат основной материал, смешанный с проводящей растворимой или нерастворимой добавкой. Эта добавка находится в форме частиц, волокон, хлопьев и других формах, которые обеспечивают электрическую проводимость. В еще одном варианте выполнения изобретения RFID антенна 301 содержит химические или биологические чувствительные материалы, используемые в качестве части материала антенны для модуляции ее электрических свойств. Химические или биологические чувствительные материалы наносят на RFID антенну 301 путем формирования матрицы, с помощью струйной печати, трафаретной печати, вакуумного осаждения, напыления, протяженного покрытия и других обычных способов осаждения, известных специалистам в данной области техники. В еще одном варианте выполнения изобретения при измерении температуры раствора 101а (фиг.1) химический или биологический материал, покрывающий антенну 301, может выбираться из условия усадки или набухания при изменениях температуры. Этот тип сенсорного материала может содержать электропроводящую добавку. Указанная добавка может находиться в форме микрочастиц или наночастиц, например, сажевого порошка, углеродных нанотрубок или металлических наночастиц. При изменении температуры сенсорной пленки 307 эти отдельные частицы добавки изменяются, что влияет на общую электрическую проводимость в сенсорной пленке 307.

В дополнение к покрытию датчика 103 чувствительной пленкой 307 или чувствительной пленкой 107 некоторые физические параметры, такие как температура, давление, проводимость раствора и другие параметры, измеряются без покрытия датчика 103 чувствительной пленкой 307. Эти измерения основаны на изменениях свойств антенны как функции физического параметра при отсутствии чувствительной пленки 307, нанесенной на датчик 103. Несмотря на то, что показано несколько вариантов выполнения беспроводных датчиков 103, следует понимать, что возможны другие варианты выполнения датчиков 103 в пределах объема изобретения Например, компоненты схем на беспроводном датчике могут использовать энергию радиочастотного излучения для возбуждения резонансного контура с высокой добротностью Q, такого как контур 403 внутри емкостного датчика 401, показанный на фиг.4А. Частота колебания резонансного контура 403 с высокой добротностью определяется датчиком 401 или датчиком 103, содержащим конденсатор с емкостным сопротивлением, изменяющимся в зависимости от величины считанного параметра. Частота излучения РЧ энергии может изменяться, при этом наблюдается отраженный от датчика поток энергии. При доведении отраженного потока энергии до максимума определяется резонансная частота контура 403. Затем резонансная частота может быть преобразована в вышеупомянутый параметр датчика 401 или 103.

В других вариантах выполнения излучение РЧ энергии происходит в импульсном режиме на некоторой повторяющейся частоте, близкой к резонансной частоте генератора колебаний с высокой добротностью Q. Например, как показано на фиг.4В, энергия в импульсном режиме выпрямляется в датчике 401 или 103 (фиг.1) и используется для возбуждения резонансного контура 407 с высокой добротностью Q и частотой колебаний, определяемой датчиком 405, к которому он присоединен. Через некоторый период времени подача импульсов РЧ энергии прекращается и выполняется передача энергии РЧ излучения в непрерывном режиме. Резонансный контур 407 с высокой добротностью Q используется для модуляции сопротивления антенны 409, использующей энергию, запасенную в указанном контуре 407. Отраженный РЧ сигнал принимается и анализируется на наличие боковых полос частот. Разница между боковыми полосами частот и излучающей частотой является резонансной частотой контура 401. Фиг.4С изображает еще один вариант выполнения беспроводного датчика, используемого для возбуждения резонансных контуров с высокой добротностью Q. Фиг.4В изображает беспроводной датчик, который может содержать как резонансный контур антенны, так и резонансный контур датчика, содержащий, например, индуктивно-емкостной колебательный контур (LC-контур). Резонансная частота контура антенны превышает резонансную частоту контура датчика, например, от 4 до 1000 раз. Резонансная частота контура датчика может изменяться в зависимости от какого-либо условия измерения. Два резонансных контура могут быть соединены таким образом, что когда резонансный контур антенны принимает энергию переменного тока, он сообщает энергию прямого тока резонансному контуру датчика. Энергия переменного тока может подаваться через диод и конденсатор, а также может передаваться к резонансному контуру датчика через колебательный LC-контур, либо через отвод в индуктивности (L), либо через отвод в конденсаторе (С) колебательного LC-контура. Кроме того, два резонансных контура могут быть соединены так, что напряжение резонансного контура датчика может изменять полное сопротивление резонансного контура антенны. Модуляция сопротивления контура антенны может достигаться путем использования транзистора, например, полевого транзистора (ПТ).

Как вариант, излучение радиочастотной (РЧ) энергии происходит в импульсном режиме на определенной повторяющейся частоте. Энергия в импульсном режиме выпрямляется в беспроводном датчике (фиг.4А-4D) и используется для возбуждения резонансного контура с высокой добротностью Q и резонансной частотой колебаний, определяемой датчиком, к которому он присоединен. Через некоторый период времени подача импульсов РЧ энергии прекращается и выполняется передача энергии РЧ излучения в непрерывном режиме.

Резонансный контур с высокой добротностью Q используется для модуляции сопротивления антенны, использующей энергию, запасенную в указанном контуре. Отраженный РЧ сигнал принимается и анализируется на наличие боковых полос частот. Указанный процесс повторяется для нескольких различных частот повторения импульсов. Частота повторения импульсов, при которой наблюдается максимум амплитуды боковых полос отраженного сигнала, является резонансной частотой резонансного контура. Резонансная частота затем преобразуется в параметр или измерение на резонансном контуре.

В соответствии с фиг 1, ниже RFID метки 102 расположено RFID считывающее устройство 106 и анализатор 108 сопротивления (измерительное устройство 111), который предоставляет информацию о фактическом и комплексном сопротивлении RFID метки 102 на основе информации, полученной от RFID антенны 301. RFID считывающее устройство 106 может быть устройством Model M-1 компании Skyetek, штат Колорадо, которое управляется компьютером с использованием программного обеспечения LabVIEW. Кроме того, RFID считывающее устройство 106 считывает цифровой идентификатор с RFID метки 102. RFID считывающее устройство 106 может также рассматриваться в качестве радиочастотного идентификационного (RFID) считывающего устройства. RFID метка 102 присоединена беспроводным соединением или электропроводом к RFID считывающему устройству 106 и анализатору 108 сопротивления. Считывающее устройство 106 и анализатор 108 сопротивления (измерительное устройство 111) присоединены беспроводным способом или электропроводом к стандартному компьютеру 109. Возможны 3 варианта работы этой системы, которые включают следу