專利名稱：無源無線表面聲波化學(xué)傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明主要涉及化學(xué)和/或生化傳感器，特別是涉及聲波化學(xué)和/或生化傳感器。
背景技術(shù)：
表面聲波傳感器可用于各種各樣的傳感應(yīng)用中，并且由于其對(duì)表面負(fù)載的高靈敏度因而通常能提供高度靈敏的檢測(cè)機(jī)制，以及由于其具有本征的高Q因子因而具有低噪聲。表面聲波器件通常利用光刻技術(shù)與設(shè)置在壓電材料上的梳狀叉指換能器相結(jié)合來制造。
發(fā)明概述本發(fā)明涉及聲波化學(xué)和/或生化傳感器、系統(tǒng)和方法。在一個(gè)說明性的實(shí)施方式中，提供了一種化學(xué)傳感器，其包括沿聲波路徑具有吸收層的表面聲波器件。所述吸收層適合于選擇性地吸收目的化學(xué)和/或生化成分，并且會(huì)影響沿表面聲波器件的聲波路徑的質(zhì)量負(fù)荷。在一些實(shí)施方式中，表面聲波器件可以呈延遲線構(gòu)造，沿聲波路徑的質(zhì)量負(fù)荷的變化可導(dǎo)致對(duì)應(yīng)于目的化學(xué)和/或生化成分濃度的延遲時(shí)間改變。在另一些實(shí)施方式中，表面聲波器件可呈共振器構(gòu)造，沿聲波路徑的質(zhì)量負(fù)荷的變化可導(dǎo)致對(duì)應(yīng)于目的化學(xué)和/或生化成分濃度的共振頻率改變。在一些情況下，表面聲波器件可適用于2.5GHz以上，4.0GHz以上，5.0GHz以上工作，如果需要的話。
在一些實(shí)施例中，表面聲波傳感器可能是無電池和無線的裝置。例如，表面聲波裝置可配置成無線接收能驅(qū)動(dòng)所述表面聲波裝置的功率信號(hào)，并進(jìn)一步配置成提供無線輸出信號(hào)。在一些情況下，可以使用遠(yuǎn)程應(yīng)答機(jī)來提供無線功率信號(hào)，并且在需要時(shí)可用以接收無線輸出信號(hào)。無電池和無線化學(xué)傳感器可用于各種應(yīng)用中。例如，這類設(shè)備可以用作可植入設(shè)備。例如，這類設(shè)備可植入人體內(nèi)并用于監(jiān)測(cè)體內(nèi)的一種或多種化學(xué)和/或生化物質(zhì)(如葡萄糖)。
表面聲波傳感器可具有至少一個(gè)在壓電基板上的叉指換能器。當(dāng)功率信號(hào)提供給該叉指換能器時(shí)，有時(shí)是通過天線無線提供，沿聲波路徑的壓電基板中產(chǎn)生了聲波。吸收層或物質(zhì)可沿著至少部分聲波路徑與壓電基板相耦聯(lián)。所述吸收層或物質(zhì)適合于選擇性地吸收感目的化學(xué)和/或生化成分，并可影響沿聲波路徑的質(zhì)量負(fù)荷。
至少一個(gè)叉指換能器可以接收沿聲波路徑和吸收層或物質(zhì)通過之后的聲波，并作為響應(yīng)，可生成與被吸收層或物質(zhì)吸收的化學(xué)和/或生化物質(zhì)的量相關(guān)的輸出信號(hào)。在一些情況下，所述輸出信號(hào)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程應(yīng)答機(jī)中，有時(shí)通過天線無線傳輸。
在一些說明性實(shí)施方式中，可將一個(gè)或多個(gè)反射器設(shè)置在壓電基板上，并可用于將聲波反射回一個(gè)或更多叉指換能器。例如，在一個(gè)說明性實(shí)施方式中，可用相同的叉指換能器來生成聲波和接收沿聲波路徑傳播后的返射聲波。在一些實(shí)施方式中，所述吸收層或物質(zhì)位于叉指換能器與一個(gè)或多個(gè)反射器之間。例如并且在一個(gè)說明性的實(shí)施方式中，表面聲波裝置可包括一個(gè)或多個(gè)位于叉指換能器一側(cè)的第一反射器，和一個(gè)或多個(gè)位于所述叉指換能器相反側(cè)的第二反射器。吸收層可位于叉指換能器和所述一個(gè)或多個(gè)第一反射器之間。叉指換能器和所述一個(gè)或多個(gè)第一反射器之間的聲波路徑可用于提供對(duì)目的化學(xué)和/或生化成分的測(cè)量。在叉指換能器和所述一個(gè)或多個(gè)第二反射器之間的聲波路徑可用作基線，或者可用于提供對(duì)其它一些環(huán)境參數(shù)的測(cè)量，如溫度、壓力或其它合適的參數(shù)。
在一些實(shí)施方式中，所述表面聲波傳感器能夠以多種模式被激發(fā)，有時(shí)通過適當(dāng)?shù)墓β市盘?hào)。若如此，同一表面聲波傳感器可用于檢測(cè)多個(gè)參數(shù)。例如并且當(dāng)設(shè)置成共振構(gòu)造時(shí)，通過振動(dòng)的多個(gè)正交模式，可以檢測(cè)多個(gè)頻率改變，然后可將其用于估測(cè)多個(gè)環(huán)境參數(shù)，如化學(xué)濃度、溫度、壓力等等。
在一些情況下，目的化學(xué)和/或生化成分與吸收層或物質(zhì)之間會(huì)出現(xiàn)親和鍵。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)這會(huì)造成要檢測(cè)的化學(xué)分子殘留在吸收層或物質(zhì)頂部上或附近，并減緩傳感器的響應(yīng)時(shí)間。在一些說明性實(shí)施方式中，可在初始時(shí)提供較高振幅的模式來打斷所述親和鍵。一旦這些鍵被充分打斷，就可使用較低振幅的模式來測(cè)量目的化學(xué)和/或生化成分的濃度。在一些情況下，所述較高振幅的模式相當(dāng)于壓電基板中的水平剪切模式，但這并非在所有的實(shí)施例都需要。
附圖簡(jiǎn)述當(dāng)參考以下詳細(xì)說明并結(jié)合附圖后本發(fā)明的其它目的以及本發(fā)明的伴隨優(yōu)點(diǎn)將更容易理解，因而將更容易為人們所接受，其中在整個(gè)附圖中相同的附圖標(biāo)記表示相同的部件，其中

圖1是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)說明性實(shí)施方式的表面聲波共振傳感器的頂視示意圖；圖2是圖1的說明性實(shí)施方式沿著線A-A的橫截面視圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)說明性實(shí)施方式的表面聲波傳感器的頂視示意圖；圖4是說明性的表面聲波傳感器和包裝的橫截面示意圖；圖5是本發(fā)明的表面聲波傳感器的體內(nèi)應(yīng)用示意圖；圖6是表示根據(jù)本發(fā)明的說明性多模式啟動(dòng)順序的圖表；圖7是表示圖1中的表面聲波共振傳感器的說明性輸入和輸出信號(hào)圖表；以及圖8是表示圖3的表面聲波延遲線傳感器的說明性輸入和輸出信號(hào)圖表。
附圖詳述圖1是根據(jù)本發(fā)明說明性實(shí)施方式的表面聲波共振傳感器的頂視示意圖。圖1的說明性表面聲波傳感器設(shè)置成共振構(gòu)造；即，所述表面聲波傳感器的輸出信號(hào)在一個(gè)或多個(gè)共振頻率下容易較大，如下面進(jìn)一步說明。
所述說明性表面聲波傳感器包括兩個(gè)叉指換能器102和112，盡管這并非在所有的實(shí)施方式都需要。在該說明性的實(shí)施方式中，叉指換能器102和112分別適合于產(chǎn)生不同的聲波波長(zhǎng)。所述聲波波長(zhǎng)至少部分取決于各叉指換能器102和112的叉指電極鉗的線寬和間距。在每一種情況下，叉指電極具有的線寬和/或間距是預(yù)期聲波波長(zhǎng)的大約四分之一的倍數(shù)。在一些情況下，叉指換能器可以設(shè)計(jì)成在高于2.5GHz，高于4.0GHz，或者甚至高于5.0GHz的聲波頻率下運(yùn)行，但這不是必需的。
正如圖1中所見，叉指換能器102的線寬和間距小于叉指換能器112的線寬和間距。因而，由叉指換能器102產(chǎn)生的聲波波長(zhǎng)可能小于由叉指換能器112產(chǎn)生的聲波波長(zhǎng)。叉指電極可由任何適當(dāng)?shù)牟牧现瞥?，如鋁(Al)、鉑(Pt)、金(Au)、銠(Rh)、銥(Ir)、銅(Cu)、鈦(Ti)、鎢(W)、鉻(Cr)，或鎳(Ni)等等。
在說明性的實(shí)施方式中，叉指換能器102和112形成于壓電基板122上。當(dāng)AC信號(hào)加到叉指換能器102和112上時(shí)，在單個(gè)電極鉗之間產(chǎn)生電場(chǎng)，并且壓電基板122的壓電效應(yīng)引起機(jī)械置換，其在壓電基板122中產(chǎn)生表面聲波。壓電基板122可以由任何適當(dāng)?shù)膲弘姴牧现瞥?，包括例如，石英、聚合壓電材料、生物惰性陶瓷材料，如氧化鋁，或者任何其它合適的壓電材料。
可將第一天線110與叉指換能器102的第一套鉗相連。所述第一天線110適合于接收無線輸入信號(hào)，其在一些情況下可以是無線功率信號(hào)。所述無線功率信號(hào)可提供足夠的功率以使得叉指換能器102在壓電基板122中產(chǎn)生表面聲波。還可以提供叉指換能器102的第二套鉗。所述叉指換能器102的第二套鉗可以與第一套鉗通過電容性耦和相互電連接。在說明性的實(shí)施方式中，叉指換能器102的第二套鉗通過金屬痕跡(metal trace)或其它合適的連接與叉指換能器112的第一套鉗電連接。叉指換能器112的第二套鉗與第二天線120相連，如圖所示。所述第二天線120適合于提供輸出信號(hào)，在一些情況下，是無線輸出信號(hào)，其能夠被應(yīng)答機(jī)所讀取并處理。在一些情況下，如果需要的話，第一天線110和第二天線120可以是相同的天線。
在工作過程中，無線功率信號(hào)導(dǎo)向第一天線110。通過第一天線110接收到的輸入功率信號(hào)與第一叉指換能器102和第二叉指換能器112均耦聯(lián)。作為響應(yīng)，所述第一叉指換能器102在壓電基板122中產(chǎn)生第一表面聲波，而第二叉指換能器112在壓電基板122中產(chǎn)生第二表面聲波。
在說明性的實(shí)施方式中，第一表面聲波同時(shí)沿聲波路徑在左方向反射器104傳播和沿聲波路徑在右方向反射器106傳播。聲波到達(dá)反射器104和106，并被反射回第一叉指換能器102。所述第一叉指換能器102將反射聲波轉(zhuǎn)換成功率信號(hào)，其接著被傳遞給第二叉指換能器112并最終到達(dá)第二天線120。同樣，第二表面聲波同時(shí)延聲波路徑在左方向反射器114傳播和沿聲波路徑在右方向反射器116傳播。所述聲波到達(dá)反射器114和116，并被反射回第二叉指換能器112。所述第二叉指換能器112將反射聲波傳換成功率信號(hào)，其接著被傳遞到第二叉指換能器112并且最終到達(dá)第二天線120。
在說明性的實(shí)施方式中，吸收層或物質(zhì)108沿著第一叉指換能器102和反射器104之間的至少部分聲波路徑626與壓電基板122相耦聯(lián)。同樣，吸收層或物質(zhì)118沿著第二叉指換能器112和反射器114之間的至少部分聲波路徑622與壓電基板122相耦聯(lián)。所述吸收層或物質(zhì)108和118適合于選擇性地吸收目的化學(xué)和/或生化成分，并可影響沿著聲波路徑622和626的質(zhì)量負(fù)荷。
第一叉指換能器102可接收沿聲波路徑626和吸收層或物質(zhì)108通過之后的聲波，并且作為響應(yīng)，可生成與吸收層或物質(zhì)108所吸收的目的化學(xué)和/或生化成分的量相關(guān)的輸出信號(hào)。在一些情況下，叉指換能器102和反射器106之間的聲波路徑628可用于提供對(duì)一些其它環(huán)境參數(shù)的測(cè)量，如溫度、壓力或任何其它合適的參數(shù)，如果需要的話。在一些情況下，來自于第一叉指換能器102的輸出信號(hào)被傳輸?shù)竭h(yuǎn)程應(yīng)答機(jī)，有時(shí)是通過第二天線120無線傳輸。
同樣，第二叉指換能器112可接收沿聲波路徑626和吸收層或物質(zhì)118通過之后的聲波，并且作為響應(yīng)，可生成與吸收層或物質(zhì)118所吸收的目的化學(xué)和/或生化成分的量相關(guān)的輸出信號(hào)。在一些情況下，叉指換能器112和反射器116之間的聲波路徑624可用于提供對(duì)一些其它的環(huán)境參數(shù)的測(cè)量，如溫度、壓力或任何其它合適的參數(shù)，如果需要的話。在一些情況下，來自于第二叉指換能器112的輸出信號(hào)被傳輸?shù)竭h(yuǎn)程應(yīng)答機(jī)，有時(shí)是通過第二天線120無線傳輸。
正如圖1示，第二叉指換能器112可具有不同的鉗寬和/或間距，其可產(chǎn)生與第一叉指換能器102波長(zhǎng)不同的聲波。盡管不需要，但提供兩個(gè)單獨(dú)的叉指換能器102和112，分別適于在不同的聲波波長(zhǎng)下工作，有助于提供兩個(gè)單獨(dú)的被吸收層或物質(zhì)吸收的化學(xué)和/或生化成分濃度測(cè)量值，以提高精度和可靠性。同樣，具有兩種或多種單獨(dú)的聲波波長(zhǎng)可提高傳感器的靈敏度和/或工作范圍。而且，在一些情況下，所檢測(cè)的化學(xué)和/或生化成分的濃度可由兩種波的共振頻率之差所確定。
在一些實(shí)施方式中，所述表面聲波傳感器能夠以多種模式被激發(fā)，有時(shí)通過應(yīng)用適當(dāng)?shù)墓β市盘?hào)。在一些情況下，這可能有助于傳感器檢測(cè)多個(gè)參數(shù)。例如并且當(dāng)設(shè)置成如圖1所示的共振構(gòu)造時(shí)，通過亞電基板122中振動(dòng)的多個(gè)正交模式，可以檢測(cè)多個(gè)頻率改變，然后可將其用于估測(cè)或確定多個(gè)環(huán)境參數(shù)，如化學(xué)濃度、溫度、壓力等等。
在一些情況下，目的化學(xué)和/或生化成分與吸收層或物質(zhì)108、118之間會(huì)出現(xiàn)親和鍵。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)這會(huì)造成要檢測(cè)的化學(xué)分子殘留在吸收層或物質(zhì)108、118頂部上面或附近，并減緩傳感器的響應(yīng)時(shí)間。在一些說明性的實(shí)施方式中，如下面參考下圖6進(jìn)一步描述，可在初始時(shí)提供較高振幅的模式來打斷所述親和鍵。一旦所述鍵被充分打斷，就可使用較低振幅的模式來測(cè)量目的化學(xué)和/或生化成分的濃度。在一些情況下，所述較高振幅的模式相當(dāng)于壓電基板122中的水平剪切模式，但這并非在所有的實(shí)施例都需要。
還可設(shè)計(jì)成在壓電基板122上面或沿著它提供額外的SAW傳感器，有時(shí)可與化學(xué)和/或生化SAW傳感器124和126并聯(lián)。在圖1中，示意性地表示了、一些額外的SAW傳感器130和132，并且其與化學(xué)和/或生化SAW傳感器124和126并聯(lián)在天線110和120之間。額外的SAW傳感器130和132可以是，例如，對(duì)相同或不同化學(xué)和/或生化成分敏感的其它SAW化學(xué)和/或生化SAW傳感器，SAW壓力傳感器，SAW溫度傳感器，和/或所需的任何其它合適的傳感器。在一些情況下，每個(gè)SAW傳感器，或SAW傳感器組，可以設(shè)置成在不同的頻率下工作。例如，SAW壓力傳感器可設(shè)置成在2.410MHz下工作，SAW溫度傳感器可設(shè)置成在2.430MHz下工作，SAW生化傳感器可設(shè)置成在2.470MHz下工作。這些只是頻率的實(shí)例，預(yù)計(jì)還可以使用其它的頻率，這取決于應(yīng)用。若如此，每個(gè)傳感器或傳感器組可通過在第一天線處引導(dǎo)相應(yīng)的無線功率信號(hào)而單獨(dú)應(yīng)答。
圖2是圖1的說明性實(shí)施方式沿著線A-A的橫截面視圖。該圖表表示了叉指換能器102，反射器104和106，以及設(shè)在壓電基板122上面或上方的化學(xué)吸收材料物質(zhì)108。所述表面聲波裝置的頂部可以覆蓋有除化學(xué)吸收層或物質(zhì)108之外的層，如無栓塞劑(non-thrombogenic)128。當(dāng)傳感器用于檢測(cè)血液中的化學(xué)和/或生化成分時(shí)，所述無栓塞劑128可幫助減少栓塞或類似疾病。
在一些情況下，可根據(jù)需要在壓電基板122的同測(cè)125提供額外的SAW傳感器作為化學(xué)和/或生化SAW傳感器124和/或126，和/或在壓電基板122的相反側(cè)或后側(cè)123提供。例如，圖2表示可以將一個(gè)或多個(gè)SAW傳感器，如圖1的SAW傳感器130，設(shè)置在壓電基板122的后側(cè)123上或沿其設(shè)置，如果需要的話。在一個(gè)說明性實(shí)施方式中，化學(xué)和/或生化SAW傳感器124和126設(shè)置在壓電基板122的前側(cè)125，相應(yīng)的吸收層或物質(zhì)108和118分別暴露于目的化學(xué)和/或生化成分，而壓力傳感器130a和/或溫度傳感器132a設(shè)置在壓電基板122的后側(cè)123上。在一些情況下，如圖4所示，設(shè)置在壓電基板122后側(cè)123上的傳感器316，318和320可位于包裝304的內(nèi)部，如圖所示。
回到圖2，當(dāng)傳感器130a和130b設(shè)置在壓電基板122的后側(cè)123上時(shí)，可通過壓電基板122提供一個(gè)或多個(gè)塞孔(vias)，如圖所示。這些塞孔140a和140b可用于將傳感器130a和130b與天線110和120電連接。如上所述，在一些實(shí)施方式中，額外傳感器130a和130b可與化學(xué)和/或生化SAW傳感器124和126并聯(lián)，并且使用相同的天線110和120。然而，這不是必須的，并且預(yù)計(jì)可使用任何合適的連接方式?？蛇x擇地或者另外地，可在壓電基板122的后側(cè)123上提供單獨(dú)的天線，如果需要的話。在一些情況下，可根據(jù)需要通過一些外部設(shè)備，如支架或任何其它合適的可植入導(dǎo)電部件來提供天線110和120。
圖3是根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)說明性實(shí)施方式的表面聲波傳感器的頂視示意圖。圖3的說明性表面聲波(SAW)傳感器設(shè)置成延遲線構(gòu)造；即，所述表面聲波傳感器的輸出信號(hào)相對(duì)于輸入信號(hào)有延遲，如下面進(jìn)一步所述。
在該說明性實(shí)施方式中，叉指換能器202可接收來自于第一天線210的輸入信號(hào)，并可在壓電基板214中產(chǎn)生表面聲波。所述聲波可通過吸收層或物質(zhì)204，其可用于選擇性地吸收可能影響沿著聲波路徑的質(zhì)量負(fù)荷的目的化學(xué)和/或生化成分。在該說明性實(shí)施方式中，所述聲波通過反射器106和208反射回叉指換能器202。然后將叉指換能器202的輸出信號(hào)提供給第二天線212。天線212適用于將所述輸出信號(hào)無線傳輸給遠(yuǎn)程應(yīng)答機(jī)(未顯示)。
如上所述，可以提供兩個(gè)(或多個(gè))反射器206和208。在該實(shí)施方式中要測(cè)量的參數(shù)是延遲時(shí)間。由于吸收層或物質(zhì)204的質(zhì)量負(fù)荷的影響，延遲時(shí)間至少部分地與吸收層或物質(zhì)204所吸收的化學(xué)和/或生化成分的量相關(guān)。延遲時(shí)間還與叉指換能器202和相應(yīng)反射器206和208之間的間距相關(guān)。因?yàn)榫哂袃蓚€(gè)(或多個(gè))反射器，可實(shí)現(xiàn)與吸收層或物質(zhì)204所吸收的化學(xué)和/或生化成分量相關(guān)的兩個(gè)(或多個(gè))單獨(dú)的測(cè)量，這使得提高了精度和/或可靠性。而且，具有兩個(gè)或多個(gè)單獨(dú)的延遲時(shí)間可提高傳感器的靈敏度和/或工作范圍。在一些情況下，檢測(cè)的化學(xué)和/或生化成分的濃度可以由兩個(gè)反射波的延遲時(shí)間之差所確定，如果需要的話。
圖4是說明性的表面聲波傳感器和包裝的橫截面示意圖。該說明性的表面聲波傳感器302完全由包裝304所包圍，除了開口310將化學(xué)吸附物質(zhì)308暴露于目的分析物之外。所述傳感器302通過粘合劑、焊料和/或其它適當(dāng)?shù)奈镔|(zhì)相對(duì)于包裝304固定。包裝304可以是扁平的、圓柱狀的或者具有任何其它預(yù)期的形狀。包裝304可包括生物相容性的材料，因?yàn)樵谝恍?yīng)用中，所述傳感器會(huì)植入活體或以其它方式與活體相結(jié)合使用。
圖5是本發(fā)明的表面聲波傳感器的體內(nèi)應(yīng)用示意圖。在該說明性的實(shí)施方式中，顯示表面聲波傳感器402入了活人體的皮膚408下。遠(yuǎn)程應(yīng)答機(jī)404用于傳輸和接收到達(dá)/來自傳感器402的信號(hào)。應(yīng)答機(jī)404可用于，例如，生成許多輸入或功率波形，其可無線傳輸至表面聲波傳感器402。輸入或功率波形可用于給驅(qū)動(dòng)表面聲波傳感器設(shè)備402。作為響應(yīng)，表面聲波傳感器設(shè)備402可提供一個(gè)或多個(gè)輸出信號(hào)，在一些情況下，其通過應(yīng)答機(jī)404無線接收。
在一些情況下，如上所述，應(yīng)答機(jī)404適用于在表面聲波傳感器402中激發(fā)多種模式。在一些情況下，這可以通過向表面聲波傳感器402傳輸適當(dāng)?shù)妮斎牖蚬β市盘?hào)來實(shí)現(xiàn)。在一些情況下，表面聲波模式(SAW)，假表面聲波模式(PSAW)，和/或漏表面聲波模式(LSAW)可能最容易被激發(fā)，但如果需要的話也可以激發(fā)其它的。不同的激發(fā)模式可以通過提供具有不同頻率和/或功率水平的輸入信號(hào)由應(yīng)答機(jī)404來控制。例如，一些激發(fā)模式可能具有較高的阻抗，并需要較高的功率水平來激發(fā)。
在一些情況下，可對(duì)表面聲波傳感器402進(jìn)行優(yōu)化使得一些預(yù)定的模式更容易被激發(fā)，同時(shí)抑制其它模式。這可以通過許多方式實(shí)現(xiàn)，包括例如，選擇合適的設(shè)計(jì)參數(shù)如電極厚度，叉指換能器的鉗寬和/或間距，所使用的壓電材料，叉指換能器相對(duì)于壓電材料中晶面的朝向等等。
圖6是表示根據(jù)本發(fā)明的說明性多模式啟動(dòng)順序的圖表。由于傳感器可能連續(xù)地暴露于分析物，可采用多個(gè)模式502和504來打斷鍵和/或除去吸附的分析物以精確地測(cè)量目的分析物的濃度。如上所述，在一些情況下，親和鍵可能在目的化學(xué)和/或生化成分與表面聲波傳感器的吸收層或物質(zhì)之間形成。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)這會(huì)造成要檢測(cè)的化學(xué)分子殘留在吸收層或物質(zhì)的頂部上面或附近，并減緩傳感器的反應(yīng)時(shí)間。
這樣，在一些說明性的實(shí)施方式中，可以激發(fā)較高振幅的模式502以幫助打斷親和鍵。在一些情況下，剪切力能比法向力更有效地打斷親和鍵，因而較高振幅的模式502可相當(dāng)于壓電基板上的水平剪切模式，但這并非所有的實(shí)施例中都需要。在一些情況下，可采用更高頻率和振幅的泛音和/或其它諧波。通常，較高的振幅振動(dòng)模式需要較高的驅(qū)動(dòng)水平或電流，這樣熱和機(jī)械振動(dòng)的組合效應(yīng)可幫助打斷吸收層或物質(zhì)與分析物之間的親和鍵。一旦鍵被充分打斷，就可采用較低振幅的模式504來測(cè)量目的化學(xué)和/或生化成分的濃度。
還可使用一種或多種較高振幅的模式來幫助解除吸收層或物質(zhì)對(duì)目的化學(xué)和/或生化成分的吸附。如上所述，較高的振幅振動(dòng)模式需要較高的驅(qū)動(dòng)水平或電流。增加的熱和/或機(jī)械振動(dòng)的效應(yīng)可幫助解除吸收層或物質(zhì)對(duì)目的化學(xué)和/或生化成分的吸附，這有助于防止吸收層或物質(zhì)達(dá)到飽和。在一些情況下，較高振幅的模式502既可用于打斷親和鍵還可幫助解除吸收層或物質(zhì)對(duì)目的化學(xué)和/或生化成分的吸附。在另一些情況下，不同的較高振幅模式可用于打斷親和鍵并用以解除吸收吸收層或物質(zhì)對(duì)目的化學(xué)和/或生化成分的吸附。
圖7是表示圖1的表面聲波共振傳感器的說明性輸入和輸出信號(hào)的圖表。在該說明性圖表中，將輸入功率信號(hào)提供給圖1的天線110。所述輸入功率信號(hào)是AC功率信號(hào)，其包括隨時(shí)間增加的頻率。隨著頻率的增加，最終能夠達(dá)到四個(gè)單獨(dú)的共振頻率，如圖7中標(biāo)注的頻率602，604，606，和608。第一共振頻率602對(duì)應(yīng)于沿著圖1中表示為628的聲波路徑、從第一叉指換能器102傳輸?shù)椒瓷淦?06并返回的聲波相。第二共振頻率604對(duì)應(yīng)于沿著圖1中表示為626的聲波路徑、從第一叉指換能器102傳輸?shù)椒瓷淦?04并返回的聲波。第三共振頻率606對(duì)應(yīng)于沿著圖1中表示為624的聲波路徑、從第二叉指換能器112傳輸?shù)椒瓷淦?16并返回的聲波。最后，第四共振頻率608對(duì)應(yīng)于沿著圖1中表示為622的聲波路徑、從第二叉指換能器112傳輸?shù)椒瓷淦?14并返回的聲波相。
吸收層或物質(zhì)108所吸收的化學(xué)和/或生化成分的濃度可由第二共振頻率604確定。吸收層或物質(zhì)108所吸收的化學(xué)和/或生化成分的濃度的另一測(cè)量值可通過第四種共振頻率608所確定。在一些情況下，測(cè)量的精度可以通過兩種濃度的比較來驗(yàn)證。在一些情況下，吸收層或物質(zhì)108所吸收的化學(xué)和/或生化成分的濃度可由第一共振頻率604和第二共振頻率604之差所確定。共振頻率602和606可用作基線，或者可用于提供對(duì)一些其它環(huán)境參數(shù)的測(cè)量，如溫度，壓力或所需要的任何其它合適的參數(shù)。
圖8是表示圖3的表面聲波延遲線傳感器的說明性輸入和輸出信號(hào)的圖表。在該說明性圖表中，將輸入功率信號(hào)脈沖698提供給圖1的天線110。輸入功率信號(hào)脈沖698使得圖3的叉指換能器216產(chǎn)生聲波，其傳播并從射器206和208反射出。被反射器206反射的聲波返回叉指換能器216，并在輸出信號(hào)中產(chǎn)生主脈沖700，其通過天線212傳輸。被反射器208反射的聲波也返回叉指換能器216，并在輸出信號(hào)中產(chǎn)生另一個(gè)主脈沖702，其也通過天線212傳輸。
在輸入功率脈沖698與第一主脈沖700之間存在第一延遲708。同樣，在輸入功率脈沖698與第二主脈沖702之間存在第二延遲710。吸收層或物質(zhì)204所吸收的化學(xué)和/或生化成分的濃度可通過檢測(cè)第一延遲708來確定。隨著吸收層或物質(zhì)204吸收更多的目的化學(xué)和/或生化成分，沿著聲波路徑的質(zhì)量負(fù)荷將增加，這會(huì)增大第一延遲708。吸收層或物質(zhì)204所吸收的化學(xué)和/或生化成分的濃度的另一測(cè)量值可通過檢測(cè)第二延遲710來確定。在一些情況下，測(cè)量精度可以通過兩種濃度的比較來驗(yàn)證。在其它情況下，吸收層或物質(zhì)204所吸收的化學(xué)和/或生化成分的濃度可通過第二延遲710和第一延遲708之間的差來確定。
這樣已對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式作出說明，本領(lǐng)域技術(shù)人員很容易明白本文中的教導(dǎo)還可應(yīng)用于在說明書所附權(quán)利要求范圍之內(nèi)的其它實(shí)施方式。
權(quán)利要求
1.一種用于檢測(cè)化學(xué)和/或生化成分的化學(xué)傳感器系統(tǒng)，所述化學(xué)傳感器系統(tǒng)包括具有吸收層的表面聲波器件，其中所述吸收層吸收所述化學(xué)和/或生化成分并影響所述表面聲波器件的輸出信號(hào)；用于向所述表面聲波器件無線提供功率的裝置；以及用于無線接收來自所述表面聲波器件的輸出信號(hào)的裝置。
2.權(quán)利要求1所述的化學(xué)傳感器系統(tǒng)，其中所述化學(xué)和/或生化成分是葡萄糖。
3.權(quán)利要求1所述的化學(xué)傳感器系統(tǒng)，其中用于向所述表面聲波器件無線提供功率的裝置包括應(yīng)答機(jī)。
4.權(quán)利要求3所述的化學(xué)傳感器系統(tǒng)，其中用于無線接收來自所述表面聲波器件的輸出信號(hào)的裝置包括應(yīng)答機(jī)。
5.權(quán)利要求1所述的化學(xué)傳感器系統(tǒng)，其中所述吸收層吸收所述化學(xué)和/或生化成分并影響所述表面聲波器件輸出信號(hào)相對(duì)于輸入信號(hào)的時(shí)間延遲。
6.權(quán)利要求1所述的化學(xué)傳感器系統(tǒng)，其中所述吸收層吸收所述化學(xué)和/或生化成分并影響所述表面聲波器件輸出信號(hào)的頻率。
7.權(quán)利要求1所述的化學(xué)傳感器系統(tǒng)，進(jìn)一步包括與所述表面聲波器件相耦聯(lián)的天線，用于無線接收輸入信號(hào)，所述輸入信號(hào)向所述表面聲波器件提供功率。
8.權(quán)利要求1所述的化學(xué)傳感器系統(tǒng)，進(jìn)一步包括與所述表面聲波器件相耦聯(lián)的天線，用于無線傳輸所述輸出信號(hào)。
9.權(quán)利要求1所述的化學(xué)傳感器系統(tǒng)，其中所述表面聲波器件具有至少一個(gè)在壓電基板上的叉指換能器，其中所述至少一個(gè)叉指換能器在所述壓電基板中沿著一路徑產(chǎn)生聲波。
10.權(quán)利要求9所述的化學(xué)傳感器系統(tǒng)，其中所述吸收層與所述壓電基板沿者至少部分所述路徑相耦聯(lián)，所述吸收層影響沿著所述路徑的聲波。
11.權(quán)利要求10所述的化學(xué)傳感器系統(tǒng)，其中所述表面聲波器件包括一個(gè)或多個(gè)位于壓電基板上的反射器，用于將所述聲波反射回所述至少一個(gè)叉指換能器。
12.權(quán)利要求11所述的化學(xué)傳感器系統(tǒng)，其中所述吸收層位于所述至少一個(gè)叉指換能器和所述一個(gè)或多個(gè)反射器之間。
13.權(quán)利要求10所述的化學(xué)傳感器系統(tǒng)，其中所述表面聲波器件包括一個(gè)或多個(gè)位于所述至少一個(gè)叉指換能器一側(cè)的第一反射器，以及一個(gè)或多個(gè)位于所述至少一個(gè)叉指換能器相反側(cè)的第二反射器。
14.權(quán)利要求13所述的化學(xué)傳感器系統(tǒng)，其中所述吸收層位于所述至少一個(gè)叉指換能器與所述一個(gè)或多個(gè)第一反射器之間。
15.權(quán)利要求9所述的化學(xué)傳感器系統(tǒng)，其中所述表面聲波器件具有至少一個(gè)在所述壓電基板第一側(cè)的叉指換能器，其中所述一個(gè)或多個(gè)其它SAW傳感器設(shè)置在所述壓電基板的第一側(cè)。
16.權(quán)利要求15所述的化學(xué)傳感器系統(tǒng)，其中所述一個(gè)或多個(gè)其它SAW傳感器包括壓力傳感器。
17.權(quán)利要求16所述的化學(xué)傳感器系統(tǒng)，其中所述一個(gè)或多個(gè)其它SAW傳感器包括溫度傳感器。
18.權(quán)利要求9所述的化學(xué)傳感器系統(tǒng)，其中所述表面聲波器件具有至少一個(gè)在所述壓電基板第一側(cè)的叉指換能器，其中一個(gè)或多個(gè)其它SAW傳感器設(shè)置在所述壓電基板的相反第二側(cè)。
19.權(quán)利要求18所述的化學(xué)傳感器系統(tǒng)，其中所述一個(gè)或多個(gè)其它SAW傳感器包括壓力傳感器。
20.權(quán)利要求18所述的化學(xué)傳感器系統(tǒng)，其中所述一個(gè)或多個(gè)其它SAW傳感器包括溫度傳感器。
21.一種用于檢測(cè)化學(xué)和/或生化成分的化學(xué)傳感器，所述化學(xué)傳感器包括具有吸收層的表面聲波器件，其中所述吸收層吸收所述化學(xué)和/或生化成分并影響所述表面聲波器件的輸出信號(hào)；用于無線接收功率信號(hào)以驅(qū)動(dòng)所述表面聲波器件的裝置；以及用于無線傳輸所述輸出信號(hào)的裝置。
22.權(quán)利要求21所述的化學(xué)傳感器，其中所述表面聲波器件具有至少一個(gè)在壓電基板上的叉指換能器，其中所述至少一個(gè)叉指換能器在所述壓電基板中沿著一路徑產(chǎn)生聲波。
23.權(quán)利要求22所述的化學(xué)傳感器，其中所述吸收層與所述壓電基板沿者至少部分所述路徑相耦聯(lián)，所述吸收層影響沿著所述路徑的聲波。
24.權(quán)利要求23所述的化學(xué)傳感器，其中所述表面聲波器件包括一個(gè)或多個(gè)位于壓電基板上的反射器，用于將所述聲波反射回所述至少一個(gè)叉指換能器。
25.權(quán)利要求24所述的化學(xué)傳感器，其中所述吸收層位于所述至少一個(gè)叉指換能器與所述一個(gè)或多個(gè)反射器之間。
26.權(quán)利要求22所述的化學(xué)傳感器，其中所述壓電基板包括石英。
27.權(quán)利要求22所述的化學(xué)傳感器，其中所述壓電基板包括聚合壓電材料。
28.權(quán)利要求22所述的化學(xué)傳感器，其中所述壓電基板包括生物惰性陶瓷。
29.權(quán)利要求28所述的化學(xué)傳感器，其中所述生物惰性陶瓷包括氧化鋁。
30.一種用于檢測(cè)化學(xué)和/或生化成分的方法，所述方法包括以下步驟提供具有吸收層的表面聲波器件，其中所述吸收層吸收所述化學(xué)和/或生化成分并影響所述表面聲波器件的輸出信號(hào)；將所述吸收層暴露于所述化學(xué)和/或生化成分；通過功率信號(hào)向所述表面聲波器件無線提供功率；以及無線接收來自所述表面聲波器件的輸出信號(hào)。
31.根據(jù)權(quán)利要求30的方法，進(jìn)一步包括步驟向所述表面聲波器件無線提供解除吸附信號(hào)，其中所述解除吸附信號(hào)引起所述表面聲波器件產(chǎn)生振動(dòng)并使所述吸收層發(fā)熱的聲波，從而使所述吸收層解除至少一些所吸收的化學(xué)和/或生化成分的吸附。
32.根據(jù)權(quán)利要求31的方法，其中所述解除吸附信號(hào)比功率信號(hào)的振幅高。
33.根據(jù)權(quán)利要求31的方法，其中所述解除吸附信號(hào)與所述功率信號(hào)具有不同的頻率。
34.根據(jù)權(quán)利要求31的方法，其中所述表面聲波器件可以以多種模式激發(fā)，并且所述解除吸附信號(hào)與所述功率信號(hào)激發(fā)不同的模式。
35.一種用于檢測(cè)化學(xué)和/或生化成分的方法，所述方法包括以下步驟提供具有吸收層的表面聲波器件，其中所述吸收層吸收所述化學(xué)和/或生化成分并影響所述表面聲波器件的輸出信號(hào)；將所述吸收層暴露于所述化學(xué)和/或生化成分；向所述表面聲波器件提供初始信號(hào)，所述初始信號(hào)使得所述表面聲波器件產(chǎn)生有助于打斷吸收層與化學(xué)和/或生化成分之間的鍵以提高所述表面聲波器件響應(yīng)時(shí)間的聲波；通過功率信號(hào)向所述表面聲波器件無線提供功率；以及接收來自所述表面聲波器件的輸出信號(hào)，其中所述輸出信號(hào)與所述化學(xué)和/或生化成分的濃度相關(guān)。
36.根據(jù)權(quán)利要求35的方法，其中所述表面聲波器件可以以多種模式激發(fā)，并且所述初始信號(hào)與所述功率信號(hào)激發(fā)不同的模式。
37.根據(jù)權(quán)利要求36的方法，其中所述初始信號(hào)激發(fā)水平剪切模式。
38.根據(jù)權(quán)利要求35的方法，其中所述初始信號(hào)在所述表面聲波器件中激發(fā)比所述功率信號(hào)高的振幅聲波。
39.根據(jù)權(quán)利要求35的方法，其中所述表面聲波器件可以以多種模式激發(fā)，并且所述功率信號(hào)激發(fā)兩種或多種模式。
40.根據(jù)權(quán)利要求35的方法，其中所述初始信號(hào)具有與所述功率信號(hào)不同的頻率。
41.根據(jù)權(quán)利要求35的方法，進(jìn)一步包括在所述接收步驟之后提供解除吸附信號(hào)的步驟，其中所述解除吸附信號(hào)的振幅高于所述功率信號(hào)。
42.根據(jù)權(quán)利要求41的方法，進(jìn)一步包括在所述接收步驟之后提供解除吸附信號(hào)的步驟，其中所述解除吸附信號(hào)的頻率不同于所述功率信號(hào)。
43.根據(jù)權(quán)利要求41的方法，進(jìn)一步包括在所述接收步驟之后提供解除吸附信號(hào)的步驟，其中所述表面聲波器件可以以多種模式激發(fā)，并且所述解除吸附信號(hào)激發(fā)與所述功率信號(hào)不同的模式。
44.一種用于檢測(cè)化學(xué)和/或生化成分的化學(xué)傳感系統(tǒng)，包括具有至少一個(gè)位于壓電基板上的叉指換能器的表面聲波傳感器，所述表面聲波傳感器在壓電基板中沿著一路徑產(chǎn)生輸出信號(hào)；沿著至少部分所述路徑與所述壓電基板相耦聯(lián)的吸收物質(zhì)，所述吸收物質(zhì)吸收所述化學(xué)和/或生化成分；與所述至少一個(gè)叉指換能器相連的天線，其中所述天線接收至少一個(gè)輸入信號(hào)，其激發(fā)至少一個(gè)叉指換能器以在所述壓電基板中沿所述路徑產(chǎn)生所述聲波。
45.權(quán)利要求44所述的化學(xué)傳感系統(tǒng)，其中至少一個(gè)所述叉指換能器接收所述壓電基板中沿所述路徑通過之后的聲波，并生成與所述吸收物質(zhì)所吸收的化學(xué)和/或生化成分濃度相關(guān)的輸出信號(hào)。
46.權(quán)利要求45所述的化學(xué)傳感系統(tǒng)，其中所述輸出信號(hào)是無線傳輸?shù)摹?br> 47.權(quán)利要求45所述的化學(xué)傳感系統(tǒng)，其中所述至少一個(gè)輸入信號(hào)無線傳輸并通過所述天線接收。
48.權(quán)利要求45所述的化學(xué)傳感系統(tǒng)，其中所述至少一個(gè)輸入信號(hào)的頻率高于2.5GHz。
49.權(quán)利要求45所述的化學(xué)傳感系統(tǒng)，其中所述至少一個(gè)輸入信號(hào)的頻率高于4.0GHz。
50.權(quán)利要求48所述的化學(xué)傳感系統(tǒng)，其中所述輸出信號(hào)的頻率高于2.5GHz。
51.權(quán)利要求50所述的化學(xué)傳感系統(tǒng)，其中所述輸出信號(hào)的頻率高于4.0GHz。
52.一種用于檢測(cè)流體中化學(xué)和/或生化成分的方法，所述方法包括步驟提供用于檢測(cè)所述流體中化學(xué)和/或生化成分濃度的表面聲波傳感器，其中所述表面聲波傳感器包括至少一個(gè)叉指換能器和形成于壓電基板上的化學(xué)/生化吸收涂層，其中所述至少一個(gè)叉指換能器選擇成能將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成在所述壓電基板中的表面聲波；以及將天線連接到所述表面聲波傳感器上，其中所述天線接收至少一個(gè)輸入信號(hào)，其激發(fā)所述至少一個(gè)叉指換能器以生成與所述流體中化學(xué)和/或生化成分濃度相關(guān)的輸出信號(hào)；以及提供傳送器，其中所述傳送器生成被所述天線接收的輸入信號(hào)，其中所述傳送器具有多模式應(yīng)答；第一應(yīng)答模式采用較高振幅的信號(hào)，其在所述壓電基板中引起水平剪切模式，其中所述第一應(yīng)答模式有助于打斷所述化學(xué)/生化吸收涂層與所述流體中的化學(xué)/生化成分之間的鍵；以及第二應(yīng)答模式采用較低振幅的信號(hào)，其中所述第二模式用于獲得對(duì)所述流體中化學(xué)和/或生化成分濃度的測(cè)量。
53.權(quán)利要求52所述的方法，其中所述化學(xué)和/或生化成分是葡萄糖。
54.權(quán)利要求52所述的方法，其中所述流體是血液。
55.權(quán)利要求54所述的方法，其中所述表面聲波傳感器和所述天線可植入人體內(nèi)用于監(jiān)測(cè)所述血液。
56.權(quán)利要求55所述的方法，其中所述傳送器位于所述人體外部。
57.一種用于檢測(cè)化學(xué)和/或生化成分的化學(xué)傳感器系統(tǒng)，所述化學(xué)傳感器系統(tǒng)包括具有吸收層的表面聲波器件，其中所述吸收層吸收所述化學(xué)和/或生化成分并影響所述表面聲波器件的輸出信號(hào)，所述表面聲波器件適于在高于2.5GHz的頻率下工作。
58.權(quán)利要求57所述的化學(xué)傳感器系統(tǒng)，其中所述表面聲波傳感器適于在高于4.0GHz的頻率下工作。
全文摘要
一種無源無線聲波化學(xué)傳感器，可用于檢測(cè)諸如血液的物質(zhì)中的分析物濃度。這種聲波化學(xué)傳感器可構(gòu)造成包括一個(gè)或多個(gè)叉指換能器，以及形成于壓電基板上的選擇性涂層。所述涂層和叉指換能器可用于將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成其表面波?？蓪⑻炀€連接到所述聲波器件中，其中所述天線接收一個(gè)或多個(gè)輸入信號(hào)，其激發(fā)所述聲波器件并生成與目的分析物濃度相關(guān)的輸出信號(hào)。
文檔編號(hào)G01N29/24GK101052873SQ200580037967
公開日2007年10月10日 申請(qǐng)日期2005年9月2日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月3日
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