电感式传感器的利记博彩app

专利名称：电感式传感器的利记博彩app
技术领域：
本发明涉及电感式传感器，其具有设置在电感器线圈内的传感器 材料。
背景技术：
传感器将外部刺激的变化转化为可检测或可测量的感测参数的变 化。在多种具体实施中，可使用诸如电感器、电容器和/或电阻器之类 的无源电子装置来形成传感器。这些传感器的电路值(如电感、电容、 或电阻值)随相关参数的变化而变化。可将这些传感器复合在传感器 电路中，以使得由相关变化参数引起的电路参数变化改变传感器电路 输出。
通常期望远程采集传感器信息。射频识别(RFID)电路已被用于检 测相关制品的存在和运动。可将RFID技术的远程访问能力与传感器技 术相结合，以提供遥感能力。本发明满足了这些需要以及其他需要， 并提供超过现有技术的其他优势。

发明内容
本发明涉及响应相关参数的电感式传感器，该电感式传感器包括 电感器和设置在电感器线圈内的尺寸可变的传感器材料。
本发明的一个实施例涉及电感式传感器。该电感式传感器包括含 有一个或多个线圈并与电感相关的电感器。电感式传感器包括传感器 材料，该传感器材料被构造为通过传感器材料的尺寸变化而对相关参 数作出响应。传感器材料被定位于电感器线圈内，使得传感器材料的 尺寸变化引起电感器的尺寸变化。电感器的尺寸变化改变电感器的电感。
根据一个方面，将传感器材料定位以使得传感器材料的尺寸变化 引起电感器横截面积的改变。根据本发明的另一个方面，将传感器材 料定位以使得传感器材料的尺寸变化引起电感器长度的改变。另一个 方面涉及将传感器材料定位，以使得传感器材料的尺寸变化引起电感 器的两个或更多个线圈之间距离的改变。在又一个方面，将传感器材 料设置在电感器的至少两个线圈之间，并且传感器材料的尺寸变化会 引起至少两个线圈之间距离的改变。
传感器材料可包含聚合物，该聚合物能够响应相关参数的变化而 进行膨胀或收縮。在一种构造中，传感器材料包含水凝胶。
传感器材料可被构造为对温度、湿度、pH值、流体流、盐度、溶 剂成分、葡萄糖浓度、电场、光和离子浓度中的一种或多种作出响应。
在一个具体实施中，传感器包括电容器，该电容器电耦合到电感 器以形成谐振电路，其中，相关参数的变化会引起该谐振电路的谐振 特性的改变。
例如，可将电感器的线圈中的至少一个设置在柔性基板上，并且 电感器的尺寸变化包括柔性基板和该至少一个线圈的弯曲。电感式传 感器可包括锁闭机构，该锁闭机构被构造为将至少一个线圈相对于至 少另一个线圈初始定位。
本发明的另一个实施例涉及传感器系统。该传感器系统包括电感 式传感器，该电感式传感器具有包括一个或多个线圈的电感器。传感 器材料被构造为通过该传感器材料的尺寸变化而与相关参数响应。传 感器材料被定位在由电感器线圈所限定的区域内，以使得传感器材料 的尺寸变化可引起由电感器电感的改变而导致的电感器的尺寸变化。传感器系统还包括传感器电路，该传感器电路与电感器电耦合，以形 成具有取决于电感的谐振特性的谐振电路。讯问器被构造用于检测谐
振电路的谐振特性的改变，并且可分析基于谐振特性的相关参数。例 如，谐振特性可以是电感式传感器的谐振频率。在一个具体实施中， 讯问器被构造用于无线检测电感式传感器的谐振频率。
传感器系统可包括参考电路，其被构造为产生可由讯问器检测到 的参考信号。在这种构造中，讯问器可被构造为使用参考信号来校正 由电感式传感器产生的信号中的误差。
根据一个具体实施，电感式传感器被设置在吸水敷料之上或之内， 该敷料被构造用于放置在患者身上。相关参数为水分。讯问器被构造 为基于电感式传感器的谐振特性来检测敷料中的水分。
本发明的以上概述并非旨在描述本发明的每个实施例或本发明的 每种具体实施。结合附图，参照下文的具体实施方式
以及所附权利要
求书，再结合对本发明比较完整的理解，本发明的优点和成效将变得 显而易见并为人所领悟。


图1A和图1B示分别示出了根据本发明实施例的电感式传感器的 侧视图和剖视图，该电感式传感器在初始状态或在相关参数变化之前
与可以尺寸响应的传感器材料结合；
图1C和图1D分别示出了根据本发明实施例的电感式传感器的侧 视图和剖视图，该电感式传感器在终止状态或在相关参数已经发生变 化后与可以尺寸响应的传感器材料结合；
图2A示出了根据本发明实施例的铰接的电感式传感器，其不具有 传感器材料；
图2B和图2C示出了根据本发明实施例构造的可以尺寸响应的传 感器材料所产生的力；图3A示出了根据本发明实施例在将线圈定位后并将传感器材料
设置在基板之间后的电感式传感器的无铰链构造。
图3B示出了无传感器材料的电感式传感器的基板和线圈的平面图。
图3C和图3D为根据本发明实施例在传感器材料尺寸变化之前和 之后的电感式传感器的示意性剖视图4A为示出在被构造为水分传感器的电感式传感器暴露在水中 后，电感随时间变化的曲线图
图4B为示出某些传感器材料的热处理效果的曲线图4C为示出两种水凝胶随pH变化的膨胀/收縮曲线的曲线图5A为用于RFID应用的谐振电路的示意图。
图5B为根据本发明实施例的谐振电路的示意图，该谐振电路结合 了电感式传感器；
图6A示出了根据本发明实施例的谐振电路/传感器的示意性剖视图。
图6B以平面图的方式示出了图6A中不具有传感器材料的谐振电 路/传感器的谐振电路元件和基板；
图6C示出了根据本发明实施例的谐振电路/传感器，其包括基板 内的分段式电容器电极和穿孔；
图6D和图6E分别示出了根据本发明实施例、电连接为负型装置 和正型装置的电感式传感器；
图7A示出了根据本发明实施例的谐振电路/传感器，其具有电感 器，该电感器具有多个设置在单个可折叠基板上的同心线圈；
图7B示出了根据本发明实施例的谐振电路/传感器，其包括电感 器，该电感器具有形成在五个柔性可折叠基板部分上的多个线圈；
图8为根据本发明实施例的遥感系统的框图9为示出了讯问器由分别在t i和12时间上获得扫频而产生的信 号的曲线图，并且该图指出了在谐振电路的谐振频率中的下移；
图IO示出了谐振频率随电感器线圈之间的距离而变化的曲线图。
图IIA示出了根据本发明实施例在将被构造为水分传感器的谐振电路/传感器润湿后谐振频率随时间而变化的曲线图11B示出了根据本发明实施例的谐振电路相对于pH的频率变 化的曲线图，该谐振电路包括电感式传感器，该电感式传感器采用了 一种水凝胶传感器材料的具体制剂；
图12为根据本发明实施例的遥感系统的框图，该系统结合了参考 电路和传感器电路；
图13A为根据本发明实施例的感测系统的示意图，该系统包括谐 振参考电路和谐振传感器电路；
图13B为示出根据本发明实施例的讯问器由分别在h和t2时间获
得的扫频而产生的信号的曲线图，并且该曲线图指出了参考电路的稳 定谐振频率和传感器电路谐振频率的移位；
图14A-14C示出了根据本发明实施例用于制备电感式传感器的工
艺；
图15A-15H示出了根据本发明实施例使用光刻技术制备电感式传 感器的工艺；
图16A-16C示出了根据本发明实施例的电感式传感器，其包括用 于在初始定位时固定传感器的机构；
图17A-17B示出了根据本发明实施例的电感式传感器，其包括锁 闭机构；
图18A-18D示出了根据本发明实施例的非对称电感式传感器结
构，该结构提供了扩大传感器材料位移的杠杆机构；
图19示出了根据本发明实施例用于制备电感式传感器的工艺，其
包括使用液态传感器材料涂覆可折叠的多线圈传感器；
图20示出了根据本发明实施例结合了电感式传感器的伤口敷料； 图21A-21B示出了根据本发明实施例的脉动流量传感器；并且 图22示出了根据本发明实施例的电感式传感器，其被构造用于测
量通道中的流体流。
虽然本发明可具有各种修改形式和替代形式，其具体特点己通过 附图以举例的方式示出，并将详尽描述。然而应当理解，其目的不在于将本发明局限于所述具体实施例。相反，其目的在于涵盖本发明范 围内的所有修改形式、等同形式和替代形式，本发明仅受所附权利要 求书的限定。
具体实施例方式
在以下有关示例性实施例的描述中，参考了组成本文一部分的附 图，其中以举例说明的方式示出可用来实施本发明的各种实施例。应 当理解，在不脱离本发明范围的前提下，可以利用实施例，并可以进 行结构上的更改。
本发明的实施例涉及电感式传感器、结合了电感式传感器的电路 和系统、以及制备和使用电感式传感器的方法。本发明的方法涉及具 有电感值的电感式传感器，该电感值随传感器所暴露的具体参数或条 件而改变。在本文所述的多种具体实施中，电感式传感器的电感值的 改变是由周围或环境条件或相关被分析物的变化所引起的。例如，电 感值可在暴露于具体被分析物中时或在具体被分析物改变之后变化。 由电感式传感器检测或测量到的参数在本文中通常也被称为感测参数 或相关参数。使用根据本文所述实施例的电感式传感器检测、测量和/ 或监测的感测参数的代表性列表包括例如温度、湿度、pH值、流体 流、盐度、溶剂成分、葡萄糖浓度、电场、光、和离子浓度。
在某些具体实施中，电感式传感器结合了被定位的传感器材料， 以使得传感器材料的尺寸变化引起电感器的尺寸变化。电感器的尺寸 变化会引起电感器的电感值发生改变。在一些具体实施中，电感式传 感器包括至少两个线圈和与线圈机械连接的铰链。对铰链的操作可改 变感应线圈之间的距离，并且引起电感器电感的相应改变。在其他的 具体实施中，可将暴露到相关参数时会呈现尺寸变化的传感器材料与 铰接的电感式传感器结合使用。
在这些和其他具体实施中，电感式传感器可被用作谐振电路中的
10元件，以提供对传感器的远程访问。电感式传感器的电感变化会引起 谐振电路的谐振特征的相应改变。可使用外部讯问器来无线检测谐振 特性的变化。
图1A和图1B分别示出了根据本发明实施例的电感式传感器100 的侧视图和剖视图。电感式传感器100包括电感器110，电感器110具 有一个或多个线圈lll并且与电感值相关。电感器的电感值L通常取 决于以下参数连接到电感器线圈上的材料的磁导率、圈数、电感器 的横截面积、和电感器的长度。
电感式传感器110包括传感器材料120，传感器材料120通过自 身的尺寸变化而响应于感测参数的变化。传感器材料120被定位在电 感器110的线圈111之中、由电感器110的线圈111所限定的区域之 内。当暴露到相关参数变化时，传感器材料120会发生尺寸变化(如 膨胀或收縮)，该尺寸变化会引起由电感器110的线圈111所限定区 域的相应尺寸变化。
图1A和图1B分别示出了在感测到参数变化之前的初始状态下的 电感式传感器100的侧视图和俯视图。电感式传感器100具有初始构 造，其包括初始长度lo、初始直径wo、初始面积Ao和每对线圈之间的 初始距离do。图1C和图1D示出了暴露到参数变化后的电感式传感器 100的侧视图和剖视图。由于传感器材料120的膨胀，引起了长度h、 直径Wi、面积A。或线圈111间的距离di中的一种或多种发生了改变， 从而引起由电感器线圈111所限定区域的相应膨胀。长度、直径、面 积或电感器线圈之间的距离中的任何一种或多种变化均会引起电感器 电感值的改变。
对传感器材料加以选择，以展示由于相关感测参数变化而引起的 尺寸变化。例如，传感器材料可沿一个或多个轴膨胀或收縮，从而引 起传感器材料的宽度、长度或横截面积中的一种或多种发生改变。一种尤其可用的传感器材料包括水凝胶，例如聚(乙烯醇)-聚(丙烯酸)水凝
胶，在本文中表示为pVA-pAA水凝胶，这种水凝胶会由于诸如湿度、 pH值或其他参数之类的环境条件的变化而发生尺寸改变。
图2A示出了电感式传感器的另一个实施例。在该实施例中，传感 器材料是可选的。可任选地在基板220上形成的电感器线圈210、 211 通过铰链230连接。对铰链230的操作可改变线圈210、 211间的角度 6 ，从而引起线圈210、 211间距离的改变和电感器电感的相应改变。 铰链230可包括弹簧或其他机构，该弹簧或其他机构对抗直接或间接 施加到线圈210、 211中的一个或两个上的力F。
如图2B所示， 一些实施例可使用设置在由线圈210、 211所形成 的角e外部的传感器材料240。传感器材料240的尺寸变化会在线圈 210、211中的一个或两个上产生力Fext。在图2C所示的其他实施例中， 传感器材料240可设置在由线圈210、 211所形成的角e的内部。传感 器材料240的尺寸变化会在线圈210、 211中的一个或两个上产生力
Fintl、 Fint2。
图3A-3D示出了根据一个实施例的电感式传感器300的无铰链构 造。图3A示出了在将基板320、 321和线圈310、 311定位后并将传感 器材料330设置在基板320、 321和线圈310、 311之间后的电感式传 感器。图3B示出了不具有传感器材料的基板320、 321、以及线圈310、 311的电连接。
如图3C和3D的剖视图进一步说明的，电感式传感器300包括分 别形成在基板320、 321上的两个线圈310、 311。传感器材料330被设 置在线圈310、 311之间。传感器材料330具有初始厚度to，从而形成 线圈310、 3U间的距离d()。传感器材料330对于相关的具体感测参数 尺寸敏感。随着感测参数的变化，传感器材料330膨胀至厚度t。从而 在线圈310、 311间产生距离d,。作为另外一种选择，在一些具体实施中，传感器材料330可在暴露到感测参数后从初始厚度to收縮，从而
使线圈310、 311靠得更近。
如图3B所示，可将电感式传感器300电连接为正型装置，其中上 线圈310和下线圈311中的电流向同一方向流动。由正型装置的线圈 310、 311产生的磁场是加成的，从而在线圈310、 311间产生正互感。 正型装置的总电感在线圈310、 311靠近时增加，并且在线圈310、 311 分离时降低。
作为另外一种选择，可将电感式传感器电连接为负型装置。负型 装置上线圈和下线圈中的电流向相反的方向流动。在这种构造中，由 一个线圈中的电流流动所产生的磁场降低了由相对线圈中的电流流动 所产生的磁场。磁场的抵消在线圈之间产生了负互感。负型装置的总 电感在线圈靠近时降低，并且在线圈分离时增加。
例如，图1-3所示的传感器可用于感测多种环境条件，例如温 度、湿度、pH值、流体流、盐度、溶剂成分、葡萄糖浓度、电场、光、 和离子浓度。
图4A的曲线图示出了20圈铜线圈电感器的电感变化，该电感器 具有的导线直径为约200pm，线圈长度约6mm,线圈直径约6mm，初 始电感LQ约1.8 u H。将电感器浸泡在聚(乙烯醇)-聚(丙烯酸)(pVA-pAA) 水凝胶中，以便用水凝胶涂覆电感器的铜线。使用具有这种构造的装 置来展示pH和水分含量感测。干燥后，将涂覆有水凝胶的电感器放置 在去离子水中，并且随时间测量电感，如图4A所示。
pVA-pAA水凝胶的一些组合物可溶于水中，而无需热处理。例如， 含3重量％ pVA和6重量％ PAA的水凝胶，其在13(TC热处理10分钟 或更长时间后会变得不溶，如图4B所示。图4B示出了热处理时间和 水凝胶膨胀率的相关性。经观察，含12重量％ pVA和1.5重量％ pAA的水凝胶在不进行 热处理的情况下不溶于水。图4C的曲线图示出了两种水凝胶随pH值 变化的膨胀/收縮曲线。曲线410和411分别示出了包含3重量％ pVA 和6重量％ PAA、且在13(TC下热处理20分钟的水凝胶的标准化膨胀 和收縮曲线。曲线420、 421分别示出了包含12重量％ pVA和1.5重 量n/。pAA的水凝胶的标准化膨胀和收縮曲线。在膨胀和收縮曲线410、 411、 420、 421中可观察到的滞后现象可用作允许对先前膨胀或收縮周 期进行检测的记忆。
在某些实施例中，电感式传感器可与电容器耦合，以形成谐振储 能电路。谐振电路的谐振频率和/或其他谐振特性随电感式传感器的电 感变化而变化。谐振频率和/或其他谐振特性的变化可通过检测器电路 来检测，该检测器电路通过有线或无线的连接方式耦合到谐振电路。
通过无线连接的遥感尤其可用于难以接近的位置和/或低成本应 用中。电子防盗(EAS)或射频识别(RFID)技术已被用于检测相关物件的 存在和追踪相关物件的移动。例如，EAS和/或RFID技术在很多情况 下用于检测和追踪书店或图书馆里的书籍。本文所述的电感式传感器 可用作谐振电路中的元件，该元件将感测功能和EAS或RFID技术的 远程访问能力结合在一起。
图5A为用于EAS/RFID应用的谐振电路510的示意图。能够远程 访问的EAS/RFID装置可使用简单电路510，电路510包括并联的电感 器512和电容器516。电路510被设计为在特定频率时谐振，也就是说， 取决于电路元件512、 516的值。电感器512起天线的作用，其用于接 收、反射和/或传输电磁能量，例如射频(RF)能量。在一些应用中，附 加的电路(未示出)耦合到谐振电路510，以通过天线输出识别码。能 够传输代码的装置通常被称为RHD装置。没有附加电路输出ID代码 的装置一般被称为EAS装置。EAS装置被设计为吸收和扰乱电磁(EM)
14场，如由读出器发出的RF场。EM场的扰乱可由读出器检测，并且可 被解析以指示EAS装置的存在，但EAS装置通常不能传输关于物件的 附加信息。
根据本发明实施例，基于EAS或RFID的读出电路包括如本文所 述作为谐振电路元件的电感式传感器。电感式传感器对于一个或多个
相关参数敏感。相关参数的变化会引起电感式传感器的电感值的改变。 谐振电路电感的变化会引起谐振电路的谐振特性的相应变化。在多种 构造中，随电感变化而更改的谐振特性可包括谐振频率、Q值、带 宽和/或谐振电路的其他谐振特性。
图5B的示意图示出了谐振电路/传感器520，其包括电感式传感器 522和电容器516。电感式传感器522被构造为基于相关参数而改变电 感值。电感式传感器522的电感值的变化会引起谐振电路/传感器520 的谐振特性的改变。谐振特性的改变可由RFID或EAS读出器(未示出) 远程检测和解析。
可对谐振频率或其他谐振特性的变化进行解析，以指示相关感测 参数已发生变化。根据一些具体实施，对电路520的谐振频率的变化 进行解析，以确定感测参数变化的量、程度、或持续时间。在一段时 间内对电路520的谐振频率(或其他特性)改变的检测可用于追踪一定时 间内感测参数变化的累进。
图6A-6E示出了电感式传感器的多个实施例，所述电感式传感器 具有两个线圈并与电容器形成谐振电路。图6A示出了根据一个实施例 从图6B的横截面A-A'截取的谐振电路/传感器600的剖视图。电感 式传感器包括设置在基板620、 621上的两个线圈610、 611。形成电容 器的第一极板640和第二极板641设置在基板620中的其中一个的相 对侧上。对相关参数尺寸敏感的传感器材料630被设置在基板620、 621 或线圈610、611之间，以使得传感器材料630的尺寸变化引起线圈610、611间距离的相应变化。图6B示出了不具有传感器材料的谐振电路元 件610、 611、 640和基板620、 621。将电感器与电容器电连接，以形 成谐振电路，例如图5B中所示的电路520。
在一些实施例中，如图6C-E所示，电感器线圈610、 611和电容 器极板640可形成在单个可折叠的基板660上，该基板660包括第一 部分661和第二部分662。基板660的第一部分661和第二部分662通 过挠性铰链部分650分开。对挠性铰链650的操作允许电感器线圈610、 611的定位，以使得它们彼此重叠。可以尺寸响应的传感器材料(未示 出)可相对于线圈610、 611定位，以使得传感器材料的尺寸变化引起 线圈靠近或远离。 一些实施例采用了穿孔670，以允许被分析物触及夹 在基板部分661、 662之间的感测材料。
积分电容器的一个或两个电极640可分成如图6C所示的多个部分 642。将电容器电极640分为多个部分642可减少电容器电极640中的 涡电流，该涡电流会干扰装置600和讯问器外部天线之间的磁耦合。
图6D和6E示出了布置为形成在可折叠基板660上的谐振电路的 电感式传感器和电容器的多种构造。图6D示出了负型装置，其具有电 容器极板640，该电容器极板640形成在线圈610包围区域外面的一个 基板部分661上。当基板660在挠性铰链650处折叠、并且线圈610、 611重叠时，上线圈610和下线圈611中的电流向相反方向流动，由于 抵消线圈610、 611中的电流流动产生的磁场而产生了负互感。负型装 置的总电感在上线圈610和下线圈611彼此靠近时减小，并且在线圈 610、 611彼此远离时增大。
图6E示出了正型装置。当基板660被折叠以使得基板部分661、 662和线圈610、 611重叠时，重叠的线圈610、 611中的电流向同一方 向流动。正型装置的总电感在线圈610、 611向一起靠拢时增大，在线 圈610、 611移动分开时减小。在一些实施例中，电感式传感器的电感器可包括多个线圈，如图 7A和图7B中所示。附加线圈的使用可提高额定电感，额定电感的提
高有利于实现传感器和讯问器之间更好的电感耦合。图7A示出了具有 电感器的谐振电路/传感器，该电感器具有设置在单个可折叠基板720 上的多个同心线圈710、 711。多个同心线圈710、 711分别形成在基板 部分721、 722上。基板720包括基板部分721、 722间的挠性铰链部 分791。被折叠时，线圈710、 711重叠以形成多线圈电感器。电容器 形成在一个基板部分722上，且分段式电容极板740设置在由电感器 线圈711所包围的区域中。基板721、 722的一个或两个部分可包括穿 孔790，以允许设置在线圈710、 711间的传感器材料(未示出)暴露 于被分析物或其他被感测的环境条件。实现负型或正型传感器和/或形 成谐振电路的合适电连接可通过使用互连器795而获得。
在图7B示出的另一个实施例中，谐振电路/传感器701包括具有 多个线圈751-755的电感器，该多个线圈751-755形成在五个柔性基板 部分761-765上。每个基板部分761-765均为装置701的电感器提供一 个线圈751-755。线圈751-755可全部形成在基板部分761-765的一侧， 或如示出的那样，其一半形成在基板部分761-765的每侧。基板部分 761-765通过使装置701在挠性铰链772-775处以锯齿形的方式折叠而 叠堆，从而形成螺线管形的电感器，该电感器与电容器耦合，该电容 器具有形成在基板部分761的其中之一上的极板780、 781。不包括电 容极板780、 781的基板部分可选地具有通孔766-769。
在一些实施例中，传感器材料(未示出)设置在一个或多个基板 部分761至765之间。如果基板部分761-765包括通孔766-769，则传 感器材料沿基板部分761-765的周边设置。
使用能够无线访问结合了电感式传感器的谐振电路的讯问器电 路，来实现上述通过电感式传感器的遥感。图8的框图示出了遥感系统850,其包括讯问器830 (本文中也表述为读出器)和谐振电路820， 该谐振电路820具有与电感式传感器812耦合的电容器826。讯问器 830包括射频(RF)源834和谐振分析仪836。
讯问器830包括将RF信号传输到谐振电路820的天线832。谐振 电路820吸收和反射接近电路820谐振频率的RF能量。讯问器830可 被构造用于检测由谐振电路820吸收和/或反射RF能量引起的传输信 号的变化。讯问器信号的变化可归因于通过谐振电路820进行的能量 的吸收/反射和/或通过谐振电路820反射的信号的检测，此处被称为谐 振电路信号。
电感式传感器812被设计为通过改变传感器812的电感值而响应 某些相关参数。谐振电路820的电感值的变化改变了电路820的谐振 频率。这种频率变化可通过讯问器830的谐振分析仪836进行检测。
图9示出了讯问器分别在时间tl和t2时获得的频率扫描而产生的 信号910、 920。当谐振电路/传感器存在于讯问器附近时，信号910、 920由讯问器产生。信号910包括与谐振电路在时间tl时的初始谐振 频率相关的特征911。在电感式传感器的线圈之间的距离增长约20(^m 后，信号920呈现出信号特征921，该信号特征921与谐振电路/传感 器在时间t2时的谐振频率相关。比较信号特征911、 921可显示出约 3MHz的谐振电路谐振频率的下移。图10示出了随电感器线圈之间距 离变化的谐振频率的曲线图。
传感器使用水凝胶作为传感器材料，例如前文所述的pVA-pAA水 凝胶，以允许无线监测水分吸收和/或pH。图IIA示出了在润湿装置 后随时间变化的谐振频率的曲线图。由于水分被传感器材料吸收，因 此传感器的谐振频率下移。图IIA所示的结果表示吸收的最终饱和度。 图11B的曲线图示出了随着在电感式传感器中使用的水凝胶传感器材 料的一种具体制剂的变化的pH而发生的谐振电路频率的改变。
18在一些具体实施中，可同时监测多个电感式传感器。例如，可在 谐振电路中结合电感式传感器，该谐振电路具有有利于对传感器无线 监测的不同谐振频率。多个传感器可被构造为响应不同感测参数或响 应同一感测参数。在一些实施例中，电感式传感器可在空间上分布于 相关区域。可对传感器进行监测，以获得关于相关区域上的一个或多 个感测参数变化的信息。可无线访问的空间分布的传感器的使用(在 多方面均可与本文所公开的电感式传感器结合使用)在共同拥有的、
提交于2006年5月16日的美国专利申请No.l 1/383652中进行了描述， 该专利申请以引用的方式并入本文。
在一些具体实施中，如本文所述的结合了电感式传感器的谐振电 路，其产生的信号可通过多种条件而改变，该多种条件影响读出电路 和讯问器之间的电感耦合和/或电路的电特性。例如，传感器信号可受 到除相关感测参数之外的因素影响，例如定位和/或传感器电路与讯问 器间的距离、电磁干扰、邻近金属材料、放入传感器电路和讯问器间 的材料、温度变化、受潮或邻近水，和/或其他因素。
参考信号可用来说明由上述干扰源所造成的传感器电路信号中的 量度对量度的变化。在一个实施例中，为了定位和/或距离，可基于参 考信号将由传感电路产生的信号标准化。如果干扰作用超过了质量量 度的要求，则可开始进入报警状态。
图12示出了遥感系统1200。遥感系统1200包括无线耦合到讯问 器1210的读出电路1220和参考电路1230。使用由参考电路1230产生 的信号通过讯问器1210可解析读出电路1220的谐振频率的变化。
现转到图13A，参考电路1330和传感器电路1320可包括谐振电 路，以提供根据某些实施例的无线访问。参考电路1330具有与传感器 电路1320的谐振频率截然不同的谐振频率。在这种构造中，可使用讯问器1310通过讯问器天线1311对参考电路信号和传感器电路信号进 行远程检测。参考电路1330可采用与电感式传感器装置1320所采用 的相类似的电感器，但其具有电感器线圈之间的固定间隙或使装置处 于展开状态。由参考电路1330产生的信号可用于校正传感器电路信号 的误差，其包括由上述干扰源所产生的误差。
图13B示出了由讯问器1310检测到的传感器和参考电路1320、 1330的谐振电路信号。图13B描述了由读出电路1320和参考电路1330 产生的信号1350、 1360，该信号通过讯问器1310，分别在时间ti和t2 响应于频率扫描。时间t,的信号1350包括信号特征1351，该信号特征 1351由传感器电路1320产生，并且与传感器电路1320的初始谐振频 率相关。时间t2的信号1360包括信号特征1361，该信号特征1361由 传感器电路1320产生，并且与相关感测参数变化后的传感器电路1320 的谐振频率相关。比较信号1350、 1360可显示出由读出电路1320产 生的信号特征1351、 1361随感测条件而发生的频率变化。信号1350 和1360也呈现了分别在时间h和12由参考电路1330产生的信号特征 1370、 1371。这些信号特征1370、 1371与参考电路1330的谐振频率 相关，基本上保持不变。应当理解，尽管此实例描述了由暴露到感测 条件而引起的谐振频率下移，但在其他构造中，暴露到感测条件可引 起谐振频率的上移。
在图13B所示的曲线图中，参考电路谐振频率在时间^和t2时保
持不变，这表明传感器电路信号可能不受干扰的影响。参考电路的谐 振频率随时间的变化表明传感器信号可能需要补偿。
有关用于遥感的参考信号的使用的其他细节在共同拥有的、提交 于2006年5月16日的美国专利申请No.11/383652中进行了描述，该
专利申请以引用的方式并入本文。
图14A-C描述了根据一个实施例的制备谐振传感器电路的方法。面图。图14B示出了从横截面B-B'截 取的传感器的剖视图。如图14A和图14B的平面图和剖视图分别所示， 具有集成电容器的双线圈电感器的合适图案形成在诸如聚酰亚胺-铜 (PI-Cu)箔之类的平面柔性基板1420上。形成电感器线圈1410、 1411， 以使得第一线圈1410的一端连接至第二线圈1411的另一端。铰链由 线圈1410、 1411间的PI-Cu基板1420上的变薄部分1450形成。传感 器材料1430(例如水凝胶)相对于第一线圈和第二线圈定位。穿孔1480 可任选地穿过PI-Cu基板1420形成，以允许将传感器材料1430暴露到 被分析物或相关的环境条件。 一种或多种通孔连接1490用于促进穿过 基板1420的电连接。电感式传感器的双线圈构造通过在变薄的铰链 1450处折叠平面基板1420而实现，如图14C中的箭头所示。传感器材 料1430的尺寸变化改变了线圈1410、 1411间的间隙距离和电路的电 感。图14A-C中所示的构造提供了允许使用标准的、基于光刻技术的 方法来制造电感式传感器的装置结构。
图15A-H更详细地示出了根据本发明实施例的、用于制备电感式 传感器和谐振电路的示例性方法。利用图15A-H中所示的方法，可使 用聚酰亚胺-铜膜和基于光刻法的技术批量制造电感式传感器和谐振电 路，但作为另一种选择，也可以采用除光刻法之外的其他技术和/或替 代的材料。图15A-H示出了一种传感器装置的制造方法。可利用下述 技术，在一体式基板上制造多个装置，该基板随后被切割，以将装置 分开。
使用第一掩膜，使涂覆在50|im厚的PI箔1520上的15pm厚的铜 膜1510图案化，以形成平行极板电容器的电极1580(图15A和图15B)。 用作流体被分析物通道的通孔1590和用于电路的通孔接触的孔1595， 是在聚酰亚胺(PI)基板1520内制造的(图15C)。通孔1590和/或通孔 接触孔1595的形成可通过(例如)在具有40重量。/。KOH和20重量n/。 乙醇胺的水溶液中用湿法腐蚀来实现。乙醇胺的使用可在被蚀刻的孔 内提供减小的锥度，减小的锥度促进了获得大开放区域的能力，在该区域中，感测元件更容易暴露到被分析物。如图15D所示，将种子层
1530涂覆在PI基板1520上，以用于图15E中所述的电镀方法。种子 层1530可通过以下方法形成将约100nm的钛膜镀层为粘附层，然后 镀层约lpm的铜膜。将层合在种子层1530铜表面上的聚甲基丙烯酸甲 酯(PMMA)光致抗蚀剂膜1540图案化，以形成电感器线圈1545、第二 电容器电极1546、和通孔互连器1591的镀铜的成型模具(图15E)。 更粗的线圈提供更大的电感和更小的电阻，即更高的品质因素。具有 约5(Him厚度的光致抗蚀剂用于实现镀铜的4(Him的目标高度。使用均 匀并且纯化的添加剂在基于硫酸的浴中来执行镀铜。电镀后蚀刻钛/铜 种子层1530，以将电镀结构1545、 1546、 1591电分离(图15F)。
再次蚀刻PI 1520，以制造变薄部分1521，从而形成挠性铰链(图 15G)。在基于K0H的蚀刻器中进行2分钟蚀刻，使PI 1520中的变 薄部分1521处的厚度为10pm。最终，约lpm厚的聚对二甲苯-CTM 共形的介电薄膜1570涂覆在装置的整个表面上，以用于电气保护(图 15H)。
如前所述，可使用上文详述的方法来同时形成固体膜，该固体膜 包括用于形成电感式传感器的多个平面装置。例如，可使用刀片或其 他分离技术，将单独的装置从固体膜上切割下来。
将单独的装置折叠，以将电感器线圈定位，从而使它们重叠。可 选地将尺寸敏感的传感器材料在折叠前或折叠后设置在反向的基板部 分和/或线圈内。通过选择合适的传感器材料，可以使用该装置对多种 参数进行感测。例如，诸如pVA-pAA、聚(AA-丙烯酸异辛基酯(IOA)) 和聚(甲基丙烯酸羟乙酯(HEMA)-AA)之类的水凝胶，其根据其环境的 pH而进行溶胀/收縮。聚(3-磺基丙基甲基丙烯酸酯(SPMA)-IOA)和一些 基于pAA的水凝胶响应于盐浓度。聚(N-异丙基丙烯酰胺)(pNIPPAm) 是对温度响应的聚合物的例子。基于苯硼酸的水凝胶的尺寸变化可与 葡萄糖浓度有关。可通过使用结合不同传感器材料的多个传感器装置，来进行对多 个化学/物理/生物参数的感测。例如，可通过使用分别与具有不同谐振
频率的两个分离装置结合的pVA-pAA和聚(SPMA-IOA)，来进行对pH 和盐度的同时监测。可(例如)在要监测的目标液体中放置装置，该 装置能够通过远程讯问器进行无线讯问，从而提供关于两种参数的信 息。
使用上述方法制造的电感式传感器可包括被构造为在折叠后将电 感式传感器固定在初始构造中的机构。图16A-C示出了一个实施例， 其包括用于固定电感器的机构。可使用上述结合图15A-H的方法来形 成传感器。图16A示出了在将由PI基板的变薄部分形成的铰链弯曲后 的初始条件下的传感器。可使用诸如硅橡胶之类的软弹性粘结材料 1610来连接与铰链相对的基板末端。硅橡胶将电感式传感器稳定在初 始构造中。图16B示出了暴露到诸如被分析物之类的相关参数之前在 初始状态下的电感式传感器。将一片干燥的水凝胶1620放置在电感器 线圈1640间的间隙1630内。水凝胶1620在暴露到被分析物之前是含 水的。暴露到被分析物或环境条件会引起水凝胶1620的溶胀或退胀， 从而引起电感器线圈1640间距离的变化，如图16C所示。图16C中的 虚线表示暴露到被分析物之前的装置的顶部构造。图16C中的实线表 示由于暴露到被分析物而引起溶胀后的装置的顶部构造。
在一些实施例中，使用锁闭机构来实现对传感器的锁闭，该锁闭 机构具有用于将装置固定到初始构造的补偿部件。例如，补偿部件可
被设置在基板的端部或边缘上。在一个实施例中，补偿部件被设置在 与铰链相对的基板端部，但也可设置在其他位置。图17A描述了折叠 前的电感式传感器1700。该电感式传感器1700包括位于基板一端的一 个或多个吊钩1710。吊钩1710被构造为与基板相对端处的一个或多个 狭缝1711接合。吊钩1710与狭缝1711的接合使得如图17B所示的初 始构造中的电感式传感器锁闭。结合图15A-H所述的、基于光刻法的
23制造，会允许通过修改掩膜设计而增加具有从简单式样到复杂式样的 锁闭结构。
如前文结合图4B所述，发现具有特定组成的pVA-pAA水凝胶可 溶于水中，其仅在热处理之后不溶解。可将该溶解度特性利用在电感 式传感器组件中。图18A-D示出了这样一种方法的例子。在该实施例 中，将一片可溶性水凝胶1810放置在基板1821、 1822相对部分间的 间隙内。在基板1821、 1822的一个或两个相对部分上制造的孔1830 为将传感器材料1810暴露在水分中做好了准备(图18A)。
如图18B所示，通过孔1830，用水1831润湿水凝胶1810表面， 使水凝胶1810的润湿区域溶解和软化。通过在溶解的水凝胶1810干 燥时施加压力1832，将水凝胶1810挤入孔1830内，从而实现固化的 水凝胶1810与基板的相对部分1821、 1822间的物理连接。热处理该 装置，以使水凝胶1810不溶解。图18C示出了热处理后的装置。
图18D中示出的电感式传感器示出了这样的结构，其中传感器材 料1810相对于铰链1850和基板部分1821、 1822定位，以提供放大水 凝胶位移1861的杠杆机构，从而获得基板部分1821、 1822的更大位 移1862。与无任何机械放大的装置相比，基板部分1821、 1822的更大 位移1862造成了装置电感值的更大变化和相对应的更强信号。
根据另一个实施例的用于制备电感式传感器的方法，涉及将液态 传感器材料涂覆在多线圈装置上，并使之干燥。例如，可将液态水凝 胶或其他液体形式的传感器材料涂覆到多线圈装置上，例如图7B中所 示的折叠式多层装置。水凝胶的粘度允许材料流入折叠层之间的空隙 内。然后使水凝胶干燥。热处理可选地取决于所使用的传感器材料。 图19中示出了所得的装置。传感器材料1920设置在线圈1910之间， 该线圈1910设置在基板1930上，该基板1930在一个或多个铰链1950 处折叠。传感器材料1920根据环境条件或暴露到被分析物而膨胀和收縮。传感器材料1920的膨胀或收縮引起电感线圈1910间距离的变化。
可为本文所述的电感式传感器预想出许多的应用。在一个实例中， 可在伤口敷料或尿布中采用电感式传感器，以确定伤口敷料或尿布的 含水量。对于这些产品而言，其优点在于能够在不取下敷料的情况下， 确定敷料或尿布是否已达到水分极限。对更换伤口敷料或尿布的适当 计时降低了使用者经历不舒适或有害情况的可能性。可使用结合了谐 振电路的装置来远程监测敷料或尿布的含水量，该谐振电路具有如本 文所述的电感式传感器。该装置能够以批量的方式制造，并且不需要 诸如电池之类的内部电源。这些因素降低了装置的成本，使得该装置 与一次性产品的结合变得实用。
图20示出了与电感式传感器2001相结合的伤口敷料2000。该敷 料2000包括被构造用于放置在伤口区域2020上的吸收材料2010。伤 口敷料2000由透气保护膜2030覆盖。伤口敷料2000也包括水分传感 器2001，该水分传感器2001具有结合了如本文所述的电感式传感器的 谐振电路。在一些实施例中，水分传感器2001可放置在敷料2000的 吸收材料2010之内、之上或附近。在其他实施例中，如图20所示， 吸收材料2010可用作电感式传感器的传感器材料。当吸收材料2010 吸收水分时，电感式传感器2001的吸收材料2010膨胀，从而引起传 感器2001电感的变化和谐振电路谐振频率的相应变化。谐振频率的变 化可通过远程讯问器无线检测。讯问器或其他电路可在达到水分极限 时发出警报，表明应该更换敷料。如前文所述，讯问器可监测多个传 感器，该多个传感器被制造为具有不同的初始谐振频率，以感测多个 参数。多个传感器的使用允许同时感测多个参数。作为另外一种选择 或者额外地，可通过使用一个或多个传感器作为基准，来使用多个传 感器以提供补偿。
如前文所述，根据一些实施例，电感式传感器不需使用传感器材 料来改变电感器的尺寸。电感线圈之间间距的变化可由施加在一个或两个线圈上的压力而引起。未结合尺寸敏感材料的电感式传感器的使 用将在以下两个应用例子中进行描述。
铰接的电感式传感器可用于无线监测诸如流体流之类的参数。图
21A-B示出的一个实例，该实例使用了电感式传感器2100来测量流过 柔性管2110的液体(如血液)的脉动流。在该应用中，管2110由感 测装置2100的第一基板部分2121和第二基板部分2122宽松地夹持。 图21A-B中描述的感测装置2120包括锁闭机构2130和铰链2150，该 锁闭机构2130和铰链2150有利于将装置2100固定在管2110周围。 管2110直径的变化引起电感线圈2140、 2141间的距离变化。脉动液 体流引起管2110的直径和装置2100的谐振频率的周期性变化。图21A 示出了管2110具有第一直径dj寸，时间ti处的装置2100。图21B示 出了管2110具有直径d2时的，时间t2处的装置2120。管2110的直径 变化A d引起传感器装置2100谐振频率的改变。可通过测量与管径周 期性变化相对应的谐振频率的周期性变化频率来确定流速。
在图22所示的又一个示例性应用中，传感器装置2210用于测量 通道2200中的流体流。传感器装置2210包括铰链，并且在初始时被 折叠，以使得一个基板部分2202相对于另一个基板部分2201以初始 角度9()定位。 一个基板部分2202被固定在流体通道2200的内壁2230 上。在由于流体流所造成的压力使得自由基板部分2201被向下推动时， 两个基板部分2201、 2202间的角度减小。相对于基板部分2201、 2202 的初始定位，低流速导致相对较小的角位移e ^相对于基板部分2201、 2202的初始定位，高流速导致相对较大的角位移62。基板部分2201、 2202间的角位移的变化改变了传感器的电感，从而引起谐振频率的变 化。谐振频率变化可通过远程讯问器无线访问，并且与通道中的流速 相关。
上文对于本发明的各种实施例的描述，其目的在于进行举例说明 和描述。并非意图详尽列举本发明或将本发明局限于所公开的精确形式。可以按照上述教导内容进行多种修改和更改。例如，本发明的实 施例可以在许多种应用中得以实施。本发明的范围不受所述具体实施 方式的限定，而仅受文中所附权利要求书的限定。
权利要求
1.一种电感式传感器，包括电感器，包括一个或多个线圈，并且与电感相关；和传感器材料，被构造为通过所述传感器材料的尺寸变化而响应相关参数，所述传感器材料定位在所述电感器的线圈内，以使得所述传感器材料的尺寸变化引起所述电感器的尺寸变化，所述电感器的尺寸变化改变所述电感器的电感。
2. 根据权利要求l所述的传感器，其中将所述传感器材料定位， 以使得所述传感器材料的尺寸变化引起所述电感器的横截面积变化。
3. 根据权利要求l所述的传感器，其中将所述传感器材料定位， 以使得所述传感器材料的尺寸变化引起所述电感器的长度变化。
4. 根据权利要求l所述的传感器，其中将所述传感器材料定位， 以使得所述传感器材料的尺寸变化引起所述电感器的两个或更多个线 圈之间距离的变化。
5. 根据权利要求l所述的传感器，其中所述传感器材料被设置在 所述电感器的至少两个线圈之间，并且所述传感器材料的尺寸变化引 起所述至少两个线圈之间距离的变化。
6. 根据权利要求l所述的传感器，其中所述传感器材料被设置在 所述电感器的至少两个线圈之间，并且所述传感器材料的尺寸变化引 起所述至少两个线圈之间角度的变化。
7. 根据权利要求l所述的传感器，其中所述传感器材料包含聚合物，所述聚合物能够响应所述相关参数的变化而膨胀或收縮。
8. 根据权利要求l所述的传感器，其中所述传感器材料包含水凝胶。
9. 根据权利要求l所述的传感器，其中所述相关参数包括以下各 项中的至少一项温度、湿度、pH、流体流、盐度、溶剂成分、葡萄糖浓度、电场、光、和离子浓度。
10. 根据权利要求1所述的传感器，还包括电容器，该电容器电耦合到所述电感器以形成谐振电路，其中所述相关参数的变化引起所 述谐振电路的谐振特性的变化。
11. 根据权利要求1所述的传感器，其中所述电容器包括分段式 电极。
12. 根据权利要求1所述的传感器，其中所述线圈中的至少一个 被设置在柔性基板上。
13. 根据权利要求12所述的传感器，其中所述电感器的尺寸变化 包括所述柔性基板和所述至少一个线圈的弯曲。
14. 根据权利要求12所述的传感器，还包括电容器，所述电容器 具有形成在所述柔性基板上和形成在至少一个线圈内的电容性电极， 所述电容器电耦合到所述电感器，以形成谐振电路。
15. 根据权利要求1所述的传感器，还包括锁闭机构，该锁闭机 构被构造为将至少一个线圈相对于至少另一个线圈初始定位。
16. —种传感器系统，包括-电感式传感器，包括电感器，包括一个或多个线圈；3传感器材料，被构造为通过所述传感器材料的尺寸变化而响 应相关参数，所述传感器材料定位于由所述电感器的线圈限定的区域 内，以使得所述传感器材料的尺寸变化引起所述电感器的尺寸变化， 从而引起所述电感器的电感的变化；和传感器电路，电耦合到所述电感器以形成谐振电路，所述谐振电路具有取决于所述电感的谐振特性；以及讯问器，被构造用于检测所述谐振电路的谐振特性的变化并且根据所述谐振特性来分析所述相关参数。
17. 根据权利要求16所述的传感器系统，其中所述讯问器无线耦 合到所述电感式传感器。
18. 根据权利要求16所述的传感器系统，其中所述谐振特性包括 谐振频率。
19. 根据权利要求16所述的传感器系统，还包括参考电路，所述 参考电路被构造为生成可由所述讯问器检测的参考信号，其中所述讯 问器被构造为使用所述参考信号来校正由所述电感式传感器生成的信 号中的误差。
20. 根据权利要求16所述的传感器系统，其中 所述电感式传感器被设置在吸水敷料之内或之上，所述吸水敷料被构造用于放置在患者身上；所述相关参数包括水分；并且所述讯问器被构造用于根据所述电感式传感器的谐振特性来检 测所述敷料中的水分。
全文摘要
一种电感式传感器，其包括具有一个或多个线圈的电感器、和传感器材料，所述传感器材料被构造为通过所述传感器材料的尺寸变化而响应相关参数。所述传感器材料定位于所述电感器的线圈内，以使得所述传感器材料的尺寸变化引起所述电感器的尺寸变化。所述电感器的尺寸变化改变所述电感器的电感。
文档编号H01F21/00GK101496121SQ200780026099
公开日2009年7月29日 申请日期2007年6月29日 优先权日2006年7月10日
发明者高畑宪一 申请人:3M创新有限公司