背景技術：

本發(fā)明涉及傳感器，并且更具體地涉及化學、物理或生物傳感器。

通常，射頻標識(rfid)標簽用于資產(chǎn)跟蹤。例如，rfid標簽可用于跟蹤物體從某個位置的移除和在該位置物體的替換。rfid標簽已經(jīng)與生物計量讀取器（biometricreader）組合在一起。此類rfid電路使用某些功能塊來處理生物計量信號和rfid信號。rfid標簽能夠具有獨特的號碼，并且能夠用于讀取具有與標簽附連到的物品有關的信息的這些標識號。rfid標簽還用于檢測容器和行李袋的未經(jīng)授權打開。rfid標簽能包括在多種物品中，如郵票和其它郵寄標簽、衣服及許多其它物品。rfid系統(tǒng)近來已被應用于無線傳感應用，如基于rfid的溫度傳感器。

rfid標簽的這些和其它屬性能夠用于形成能夠檢測化學、生物和物理屬性的傳感器。

技術實現(xiàn)要素：

在一個實施例中，提供了一種傳感器。該傳感器包括至少一個傳感裝置和與傳感裝置在操作關聯(lián)中的天線，所述傳感裝置包括第一電極和第二電極以及定義為第一和第二電極的一個或多個面向的內(nèi)表面之間距離的間隙，其中，間隙距離至少部分地確定一個或多個感應參數(shù)的閾值。

在另一實施例中，提供了一種基于射頻的傳感器。該傳感器包括由兩個或更多電極定義的傳感間隙和與傳感間隙及電極在操作關聯(lián)中的天線。

在仍有的另一實施例中，提供了一種制作傳感器的方法。該方法包括提供具有一圈或多圈的天線，以及形成包括第一和第二電極的并且由第一和第二電極的一個或多個面向的內(nèi)表面之間距離來定義的傳感間隙，其中間隙距離至少部分地確定一個或多個感應參數(shù)的閾值，以及其中傳感間隙與天線在操作關聯(lián)中。

附圖說明

參照附圖閱讀以下詳細描述時，將更好地理解本發(fā)明的這些和其它特征、方面和優(yōu)點，附圖中類似的字符在附圖各處表示類似的部分，其中：

圖1-3是具有與天線電通信的單獨傳感裝置的傳感器的圖示；

圖4-6是天線的一部分配置成充當傳感裝置的傳感器的圖示；

圖7是具有帶多個孔的電極的傳感裝置的頂視圖；

圖8是圖7的傳感裝置的側(cè)視圖；

圖9是檢測關注的物理、化學或生物參數(shù)時傳感裝置的信號變化的圖形表示；

圖10-12是傳感器的檢測原理的圖形表示；以及

圖13是傳感器物理上位于測量環(huán)境中時由傳感器檢測和記錄感應事件的圖形表示。

參照附圖閱讀以下詳細描述時，將更好地理解本發(fā)明的這些和其它特征、方面和優(yōu)點，附圖中類似的字符在附圖各處表示類似的部分，其中。

具體實施方式

所述技術的實施例涉及具有至少一個傳感裝置的傳感器。傳感裝置具有第一電極和第二電極。傳感裝置還包括定義為第一和第二電極的一個或多個面向的內(nèi)表面之間的距離的間隙。該間隙距離至少部分地確定一個或多個傳感參數(shù)的閾值。傳感參數(shù)可包括物理參數(shù)（例如，壓力）、化學參數(shù)（例如，ph、葡萄糖水平、氣體）及生物參數(shù)（例如，病毒、蛋白質(zhì)、dna）。

具有間隙的傳感裝置可以與天線進行電通信。傳感裝置可以與天線串聯(lián)或并聯(lián)電連接。在某些實施例中，傳感器可以是無線的或有線的或電子的、基于（射頻標識）rfid的、基于非rfid的或兩項或更多項的組合。在傳感器是基于rfid的傳感器的實施例中，傳感器可以是無線傳感器。此外，基于rfid的傳感器可包括無源rfid標簽或半無源rfid標簽或有源rfid標簽。此外，rfid標簽可配置成在諸如但不限于從大約125khz到大約135khz的低頻范圍、大約13.56mhz的高頻范圍、從大約850mhz到大約960mhz的超高頻(uhf)范圍及大約2.45ghz-5.8ghz的微波頻率范圍的頻率范圍來操作。

在某些實施例中，rfid標簽可轉(zhuǎn)換成rfid傳感器。在rfid標簽轉(zhuǎn)換成rfid傳感器的這些實施例中，具有間隙的傳感裝置結(jié)合到rfid標簽中。在這些實施例中，配置成充當傳感區(qū)域的間隙可在rfid標簽上提供，使得間隙與rfid標簽的天線操作關聯(lián)。如圖1-3所示，間隙可以是與rfid標簽的天線分開的實體。備選的是，如圖4-6所示，間隙可以是天線的一部分。雖然未示出，但圖1-6所示實施例可包括兩個或更多傳感裝置。在一些實施例中，天線的大小可以在從大約0.5毫米x0.5毫米到大約100x100毫米的范圍中。在一個實施例中，天線的大小可以是大約10毫米x10毫米。

一般情況下，當天線的一部分配置成充當傳感裝置時，這些部分中的天線圈或繞組之間的間距可以在大約0.005微米到大約500微米的范圍中。在一個實施例中，配置成充當傳感裝置的部分中天線的繞組之間的間距是大約25微米。

在rfid標簽中結(jié)合傳感裝置時，傳感器的電響應可以是電阻變化、電容變化或電阻和電容變化的組合中的一項或多項。在一個實施例中，通過在rfid標簽中結(jié)合傳感裝置，將rfid傳感器的電響應轉(zhuǎn)換成天線的復阻抗響應的諧振變化。來自rfid標簽的信號反映為通過數(shù)字讀取器/寫入器的rfid標簽讀取的數(shù)字id的出現(xiàn)或消失或天線的復阻抗的諧振屬性中的變化的一個或多個。在本文中使用時，術語“數(shù)字讀取器/寫入器”是從rfid標簽的存儲器芯片讀取數(shù)字信息并將用戶定義的數(shù)字信息寫入存儲器芯片的裝置。數(shù)字讀取器/寫入器也可在本申請中稱為“讀取器”或“詢問器”或“寫入器”。在一些實施例中，在rfid標簽中添加傳感裝置可導致形成諧振傳感結(jié)構。在這些實施例中，環(huán)境變化影響傳感器的諧振。數(shù)字寫入器將數(shù)據(jù)的時間序列寫入存儲器芯片中。如果傳感器的諧振由于傳感裝置而變化，使得諧振頻率位置在寫入數(shù)字數(shù)據(jù)的頻率范圍外，和/或諧振幅度在寫入數(shù)字數(shù)據(jù)的幅度（更小或更大）的范圍外，則某些值未寫入芯片中，由此永久性地存儲時間序列數(shù)據(jù)。對于需要跟蹤傳感器暴露于環(huán)境的時間的時間關鍵應用，僅在關注的參數(shù)超過閾值時才將數(shù)字數(shù)據(jù)記錄到芯片上。

在一個實施例中，數(shù)字讀取器/寫入器能夠與諧振傳感器的阻抗的掃描器組合以確定傳感器諧振的屬性。在本文中使用時，術語“諧振傳感器的阻抗的掃描器”是掃描跨傳感器的諧振的頻率并確定傳感器諧振的屬性的裝置。傳感器諧振的屬性的非限制性示例可包括復阻抗信號的寬度、形狀、形狀的對稱性、峰高及峰位置。

當數(shù)字讀取器/寫入器裝置與諧振傳感器的阻抗的掃描器組合時，rfid傳感器的存儲器芯片的存儲器中存儲的數(shù)據(jù)能夠包含傳感器諧振的至少一個屬性（例如，復阻抗信號的寬度、形狀、形狀的對稱性、峰高及峰位置）。此傳感信息與數(shù)據(jù)的時間序列一起存儲到存儲器芯片中。傳感信息不是一比特信息（開-關響應），而是帶有不受傳感器限制、但受諧振傳感器的阻抗的掃描器限制的信息分辨率的定量信息。

傳感間隙的形狀可包括時隙、時隙陣列、形態(tài)誘發(fā)的形狀、蛇形、線圈、碎片形或其組合。在某些實施例中，間隙可以為溝道、叉指電極結(jié)構、三維(3-d)電極結(jié)構或其組合的形式。在某些實施例中，間隙可包括零維間隙結(jié)構、一維間隙結(jié)構、二維間隙結(jié)構、三維間隙結(jié)構。零維間隙結(jié)構是由帶有較小截面的電極形成的間隙結(jié)構，使得電極之間的間隙小到足以只容納一個目標物種（例如，僅一個孢子、僅一個細菌等）。一維間隙結(jié)構是由在一個方向中帶有較小截面的電極形成的間隙結(jié)構，使得間隙小到足以只容納目標物種的一維陣列（例如，一行中的孢子或細菌）。二維間隙結(jié)構是由在兩個方向中帶有小截面的電極形成的間隙結(jié)構。三維間隙結(jié)構是由在三個方向中帶有小截面的電極形成的間隙結(jié)構。間隙的結(jié)構也可根據(jù)制作的簡便而改變，并且還基于需要檢測的物理屬性和/或化學和/或生物物種而改變。

在某些實施例中，間隙中存在的材料可包括金屬、有機材料、半導體材料、有機電子材料、介電材料或其組合。在一些實施例中，間隙可包括用于檢測間隙傳感器周圍的化學、生物和/或物理變化的傳感材料。間隙區(qū)域中傳感材料的非限制性示例包括納米線、納米纖維、納米粒、帶有功能添加劑的配置材料、摻雜共軛聚合物、無機材料、有機材料、聚合材料、生物材料、活細胞、生物分子受體、抗體、適體、核酸、通過金屬顆粒功能化的生物分子、通過聚合物顆粒功能化的生物分子、通過硅顆粒功能化的生物分子及在傳感裝置周圍的化學、生物和/或物理變化時產(chǎn)生電阻和/或電容的可檢測變化的任何其它已知傳感材料及它們的組合。

在其它實施例中，間隙可基本上無電極材料。在間隙不包含任何傳感材料的實施例中，信號變化可源于間隙中樣本構成的變化。樣本構成的變化的非限制性示例包括空中的水蒸汽濃度（相對濕度）或水中的任何其它氣體、離子濃度（例如脫離子水對比飲用水對比海水）、廢水中的有機物質(zhì)濃度、水中的生物物質(zhì)（例如，細菌、細胞、病毒）濃度。

在某些實施例中，第一和第二電極的面向的內(nèi)表面之間的距離可以是在大約幾納米到大約幾千納米的范圍中。在一個實施例中，間隙距離在大約2納米到大約10000納米的范圍中。間隙距離可基于需要檢測的參數(shù)來確定。例如，間隙距離可基于需要檢測的生物屬性的大小來確定。在另一示例中，對于檢測一般大小是幾十微米的細菌，間隙距離可以更大，而對于檢測幾十納米的病毒，間隙距離可更小。

在一個實施例中，第一電極或第二電極或兩者具有連續(xù)表面。例如，第一或第二電極可以是連續(xù)的矩形、正方形、圓形或任何其它幾何形狀。在另一實施例中，第一或第二電極可具有不連續(xù)表面。例如，第一或第二電極可具有諸如網(wǎng)格等圖案化表面、具有孔的表面（其中，孔可以是或不是通孔）、具有突出結(jié)構的表面或其組合。此外，第一和第二電極可具有相同或不同種類的表面。在一個實施例中，介電材料可應用到第一電極或第二電極或兩者的一個或多個暴露表面以防止在傳感器暴露于傳導流體時電極短路。

在某些實施例中，電極材料可以能夠傳輸帶有確定的電屬性的電流。電極材料的非限制性示例包括諸如銅、鋁、金、銀、銅的合金（例如，黃銅、青銅）、鋁的合金（例如，nambe^tm、silumin^tm）、金的合金（例如，electrum^tm）、傳導聚合物、摻雜傳導聚合物（如摻雜聚乙炔、摻雜聚苯胺、摻雜聚噻吩）、碳納米管、碳纖維、碳粒子、碳漿、傳導墨或其組合。

在一個實施例中，電極材料的電阻抗小于大約100歐姆。在另一實施例中，電極材料的電阻抗小于大約50歐姆或小于大約0.5歐姆。而天線結(jié)構的電阻抗可以在大約0.5歐姆到小于100歐姆的范圍中。

在某些實施例中，一種制作傳感器的方法可包括提供具有一圈或多圈的天線。此外，制作包括第一和第二電極的傳感間隙。在某些實施例中，可通過采用諸如微光刻和/或納米光刻等技術來制作天線?？赏ㄟ^采用諸如但不限于自組裝、卷到卷（roll-to-roll）工藝、光刻、液相沉積、銑削（milling）、聚焦離子束銑削或微光刻等技術來制作傳感間隙或傳感裝置。在一個實施例中，可通過批量制造工藝來形成第一和第二電極。在天線的一部分配置成充當傳感裝置的實施例中，可通過采用以上所列技術來單獨制作間隙。在傳感裝置是與天線分開的實體的實施例中，傳感裝置可單獨制作并隨后耦合到天線。此外，可通過采用上面所列制作技術，將傳感裝置在并聯(lián)或串聯(lián)電連接中耦合到天線。在一個實施例中，傳感器可布置在硅表面上，使得間隙內(nèi)的硅表面不包含任何表面改性以用于分子和分子裝配的非特異性結(jié)合。

現(xiàn)在參照圖1，傳感器10包括傳感裝置12，其具有兩個電極16的面向的內(nèi)表面之間的間隙14，并且間隙長度13定義為沿兩個電極16的距離。通過采用連接器17，傳感裝置12電耦合到天線18。在圖1的所示實施例中，傳感裝置12和天線18串聯(lián)連接。在一個示例中，連接器17可以是導電線纜、導線、條帶或諸如此類。傳感器10還包括具有兩個末端20和22的天線18。天線的末端20和22使用導體介質(zhì)24（如導體導線、導體條帶或?qū)w線纜）來電連接，該電連接的方式使得導體介質(zhì)24不將此導體介質(zhì)跨過的天線18的其它區(qū)域電短路。存儲器芯片26用于存儲信息。芯片26可由從讀/寫單元傳送的射頻信號來激活。傳感器10的天線18接收和傳送信號。天線18傳送的信號由布置在傳感器10的操作接近處的讀取器或拾波線圈（未示出）來拾取。拾波線圈可以是讀取器的一部分。在一個示例中，傳感器10和拾波線圈可經(jīng)電感耦合而耦合。備選的是，在另一實施例中，傳感器10和拾波線圈不必經(jīng)電接觸來耦合。在此類實施例中，傳感器10和拾波線圈可適用于以無線方式進行通信。

如圖2所示，傳感器30包括具有由電極36定義的間隙34的傳感裝置32。通過采用電導體40，傳感裝置32電耦合到天線38。電導體40又耦合到子連接器42，而子連接器直接耦合到傳感裝置32。在一個實施例中，電導體40和子連接器42可以相同，即，電導體40和連接器42可形成連接介質(zhì)的連續(xù)體。在另一實施例中，電導體40和連接器42可以是不同的物理實體。傳感器30還包括存儲器芯片44。此外，天線38的兩個末端46和48使用導體介質(zhì)50（如導體導線、導體條帶或?qū)w線纜）來電連接，該電連接的方式使得導體介質(zhì)不將此導體介質(zhì)跨過的天線38的其它區(qū)域電短路。

現(xiàn)在轉(zhuǎn)到圖3，傳感器52包括具有由電極58定義的間隙56的傳感裝置54。通過采用電導體60，傳感裝置54電耦合到存儲器芯片62。傳感裝置54與存儲器芯片62之間的電連接經(jīng)存儲器芯片中的模擬輸入來執(zhí)行。存儲器芯片62又耦合到天線64。天線64的兩個末端66和68使用導體介質(zhì)70（如導體導線、導體條帶或?qū)w線纜）來電連接，該電連接的方式使得導體介質(zhì)70不將此導體介質(zhì)跨過的天線64的其它區(qū)域電短路。

圖4-6示出天線的一部分配置成充當傳感裝置的實施例。在圖4的所示實施例中，傳感器72包括天線74。天線74的一部分78配置成充當傳感裝置80。天線74的該部分78包含充當用于傳感裝置80的間隙76的天線中的間斷。雖然未示出，但在天線74中可以有兩個或更多此類間隙。天線74還包括使用導體介質(zhì)86電連接的兩個末端82和84。傳感器72還包括存儲器芯片87。

圖5示出具有天線90的傳感器88。天線90包括兩個傳感裝置，即第一傳感裝置92和第二傳感裝置94。第一傳感裝置92包括在繞組98和100的部分之間形成的并具有間隙長度95的第一間隙96。類似地，第二傳感裝置94包括在繞組104和106的部分之間形成的并具有間隙長度93的第二間隙102。如圖所示，繞組98和100及104與106之間的距離比天線90的其余繞組之間的距離更小。這些更小的距離使得能夠形成傳感裝置92和94。天線90還包括使用導體介質(zhì)112電連接的兩個末端108和110。傳感器88還包括存儲器芯片114。

圖6示出采用天線122的傳感器120。突出部分124和126配置成充當單個傳感裝置128。傳感裝置128包括具有由虛線131表示的間隙長度并且界定在繞組部分132與134之間的間隙130。間隙130從一個突出部124繼續(xù)到另一突出部126。天線122還包括使用導體介質(zhì)140電連接的兩個末端136和138。傳感器120還包括存儲器芯片142。與傳感裝置92和94的單獨間隙長度95和93（參見圖5）分別相比，傳感裝置128的間隙長度131更長，由此提供增大的傳感面積。在細菌、孢子或病毒的生物檢測中，更長的間隙提供捕捉間隙內(nèi)目標物種的更高概率。在氣體和液體的化學檢測中，由于傳感面積增大，更長的間隙提供更大的信號響應。

圖7示出可在所述技術中采用的傳感裝置146的實施例的頂視圖。傳感裝置146包括在支承結(jié)構152之間支承的頂部電極150上的多個孔148。在一個實施例中，孔的直徑可在從大約5納米到大約20000納米的范圍中。頂部電極150可具有諸如正方形、矩形、圓形、六邊形、三角形或任何其它多邊形的幾何形狀。圖8示出傳感裝置146的截面?zhèn)纫晥D。如圖所示，該裝置還包括底部電極154。如同頂部電極150情況一樣，底部電極可具有諸如正方形、矩形、圓形、六邊形、三角形或任何其它多邊形的不同幾何形狀。雖然未示出，但頂部和底部電極150和154可具有或不具有平坦表面。例如，在一個或兩個電極上可以有凹陷或突出以定制傳感裝置的間隙。在一個實施例中，底部電極154可在頂部電極150的方向中具有突出，使得頂部電極150與底部電極154之間的距離在具有突出的區(qū)域中更小。

圖9示出檢測關注的物理、化學或生物參數(shù)時傳感裝置的信號中的變化。在當前考慮的實施例中，測量了天線的復阻抗的諧振屬性中的變化。在所示實施例中，天線的復阻抗響應在縱坐標160上示出，并且橫坐標162表示測量rfid傳感器的諧振的掃描頻率。曲線164、166、168和170表示傳感器暴露于不同樣本或者傳感器周圍的樣本更改其物理、化學或生物屬性時作為頻率的函數(shù)的傳感器的復阻抗中的變化。如圖所示，傳感器的響應變化反映為復阻抗信號的寬度、形狀、形狀的對稱性、峰高及峰位置中的變化，即，曲線164、166、168及170。

在某些實施例中，當天線未檢測到達到確定閾值的任何物種或參數(shù)時，天線的電路在初始階段是不完整的。在這些實施例中，由于間隙形成的間斷，天線的電路在物理上是不完整的。在這些實施例中，在初始狀態(tài)中，天線的不完整電路的阻抗可大于或等于約1000歐姆。當要檢測的物種或樣本的物理屬性變化影響間隙的電阻和電容以使諧振的幅度在數(shù)字讀取器/寫入器的操作頻率范圍高于確定的閾值時，天線的電路是完整的。在此階段，讀取器/寫入器能夠讀取或識別存儲器芯片。數(shù)字寫入器將數(shù)據(jù)的時間序列寫入存儲器芯片中。影響傳感器的響應的物理屬性的非限制性示例是離子化輻射（例如，伽瑪輻射、貝塔輻射、x射線）劑量、液體傳導率、溫度、壓力、加速或其組合。

在一個實施例中，傳感裝置的添加導致形成諧振結(jié)構，并且傳感裝置影響結(jié)構的諧振作為環(huán)境變化的函數(shù)。如果由于對rfid附連的傳感裝置而更改諧振，使得諧振落在為傳感器寫入數(shù)字數(shù)據(jù)的頻率范圍之外，則傳感器響應的某些值未寫入存儲器芯片中，因此永久性地存儲時間序列數(shù)據(jù)。

圖10-12示出通過數(shù)字讀取器/寫入器的數(shù)字id讀取的出現(xiàn)或消失的概念。中點表示數(shù)字寫入器/讀取器的操作頻率范圍。數(shù)字寫入器/讀取器的操作頻率范圍可以是從大約120khz到大約5.8ghz。在一個示例中，中點可以是在大約13.56mhz頻率。如圖10所示，在縱坐標172和橫坐標174上所繪制的在頻率f176的天線的復阻抗響應由曲線178來表示。在圖10的所示實施例中，天線的諧振幅度由于傳感裝置響應而太弱（曲線180）。在此情況下，寫入器不能檢測到rfid傳感器，并因此未將時間序列的部分寫入存儲器芯片中。如圖11所示，傳感器的阻抗/諧振響應（曲線182）由于傳感器響應而已偏移，并且由于傳感裝置的響應而離中點太遠（如箭頭184所示），讀取器/寫入器不能發(fā)現(xiàn)rfid傳感器，并且未將時間序列的部分寫入存儲器芯片中?，F(xiàn)在參照圖12，諧振在傳感器響應前如箭頭188所示遠離中點176，并且在傳感器響應(186)時與中點重疊，讀取器/寫入器發(fā)現(xiàn)rfid傳感器并將時間序列的部分寫入存儲器芯片中。相應地，讀取器/寫入器不能檢測到rfid傳感器，并因此未將時間序列的部分寫入存儲器芯片中。

圖13示出數(shù)字數(shù)據(jù)流192，該數(shù)據(jù)流具有未由寫入器寫到存儲器芯片上的序列194、196和198，而序列200和202由寫入器寫入到存儲器芯片上。數(shù)字數(shù)據(jù)流由讀取器/寫入器生成。傳感器在物理上位于測量環(huán)境中。對于需要跟蹤超過預定限制的暴露的時間的時間關鍵應用，僅在關注的參數(shù)超過閾值時，數(shù)字數(shù)據(jù)才記錄到芯片上。橫坐標204表示時間。對于關注參數(shù)的值210和212分別高于閾值214的時間間隔206和208，記錄數(shù)據(jù)流。而對于參數(shù)的值222、224和226分別低于閾值214的時間間隔216、218和220，不記錄數(shù)據(jù)流。

存儲器芯片中記錄的值包含與記錄事件的時間和基于間隙的裝置的響應的傳感值有關的數(shù)字數(shù)據(jù)流?；陂g隙的裝置的響應的傳感值與傳感器周圍的測量樣本中關注的物理、化學或生物參數(shù)的濃度或水平或幅度相關。

雖然本文中只示出和描述了本發(fā)明的某些特征，但本領域的技術人員將明白許多修改和更改。因此，要理解隨附權利要求旨在涵蓋落在本發(fā)明的范圍內(nèi)的所有此類修改和更改。