谐振器传感器模块系统和方法
【专利说明】谐振器传感器模块系统和方法
[0001]本申请要求2013年5月23日提交的美国临时申请号为61/826，920、题名为“谐振器传感器模块及使用该谐振器传感器模块的系统和方法”的申请的优先权，上述申请的公开内容通过引用以其全部内容并入本文。
技术领域
[0002]本发明涉及到测量和测试，并且更具体地涉及谐振器传感器和用于响应于传感器暴露于某些材料来诊断测量或测试的相关联的装置。
【背景技术】
[0003]压电装置例如薄膜体声波谐振器(TFBAR)和类似的技术像石英晶体微天平(QCM)用作质量检测器已有一段时间。压电谐振器的一个应用是检测非常少量的材料。在这样的应用中用作传感器的压电谐振器有时被称为“微天平”。压电谐振器典型地构造为夹在两个电极层之间的薄的平面的晶体或多晶压电材料层。当用作传感器时，谐振器被暴露于待检测的材料以允许材料结合在谐振器的表面上。
[0004]检测结合在谐振器的表面上的材料的量的一种传统方法是将谐振器作为振荡器在其谐振频率操作。由于待检测的材料结合在谐振器表面上，所以谐振器的振荡频率降低。测量推测是由材料在谐振器表面上的结合而引起的谐振器的振荡频率的这种变化，并将其用来计算结合在谐振器上的材料的量或材料在谐振器的表面上累积的比率。
[0005]压电谐振器在空气中作为材料传感器的灵敏度理论上与谐振频率的平方成正比。参见，例如，G.绍尔布赖，物理学杂志(Zeitschrift firr Physik) 155 (2):206_222。因此，根据普遍石英晶体谐振器的材料传感器的灵敏度受它们的相对低的振荡频率限制，其振动频率通常从几个MHz到约100MHz的范围变动。薄膜谐振器(TFR)技术的发展可能产生具有显著提高的灵敏度的传感器。薄膜谐振器可以通过在基板上沉积压电材料一一例如AIN或ZnO—一的薄膜来形成。由于薄膜谐振器中压电层的小厚度，其在几个微米的数量级，薄膜谐振器的谐振频率在1GHz的数量级。高谐振频率和相应的高灵敏度使得薄膜谐振器可用于材料感测应用。
【发明内容】
[0006]在一个方面，本发明提供一种谐振器传感器模块，该谐振器传感器模块包括含有用于分析物材料的结合位点的一个或多个感测谐振器、不含用于分析物材料的任何结合位点的一个或多个参考谐振器、模块接口、以及每个包括第一位置和第二位置的一个或多个开关，该第一位置可操作地连接一个或多个感测谐振器中的至少一个与模块接口，该第二位置可操作地连接一个或多个参考谐振器中的至少一个与模块接口。
[0007]在一些实施例中，谐振器传感器模块可以被包括在谐振器传感器系统中，该系统用于测量存在于流体样品中的分析物材料的相互作用的结合动力学。系统还包括通过模块接口可操作地连接到谐振器传感器模块的测量装置。测量装置包括配置为驱动一个或多个感测谐振器和一个或多个参考谐振器进行振动的驱动电路、配置为测量表示一个或多个感测谐振器和一个或多个参考谐振器的振动的谐振特性的一个或多个谐振器输出信号的测量电路、以及可操作地连接到驱动和测量电路的控制器。
[0008]在另一个方面中，本发明提供一种用于测量存在于流体样品中的分析物材料的相互作用的结合动力学的方法。该方法包括提供包括一个或多个感测谐振器、一个或多个参考谐振器、模块接口，以及开关的谐振器传感器模块。一个或多个感测谐振器包括用于分析物材料的结合位点和一个或多个参考谐振不含用于分析物的任何结合位点。该方法进一步包括将开关定位在第一位置以便一个或多个感测谐振器可操作地连接到模块接口。在将一个或多个感测谐振器和一个或多个参考谐振器暴露于流体样品之前，方法包括通过模块接口开始一个或多个感测谐振器的操作，以便一个或多个感测谐振器产生表示一个或多个感测谐振器的谐振特性的至少一个传感器输出信号。方法进一步包括根据至少一个传感器的输出信号中的特性变化的检测来自动地检测流体样品向一个或多个感测谐振器的引入；将开关定位在第二位置以便一个或多个参考谐振器可操作地连接到模块接口 ；以及通过模块接口开始一个或多个参考谐振器的操作，以便一个或多个参考谐振器产生表示一个或多个参考谐振器的谐振特性的至少一个参考输出信号。响应于流体样品的引入的检测，该方法包括开始分析物材料与一个或多个感测谐振器的结合动力学的自动的测量。
[0009]本发明的这些以及其它方面将从下面的【具体实施方式】中显而易见。然而，在任何情况下，上述
【发明内容】
不应被理解为是对要求保护的主题的限制，主题仅通过所附的权利要求限制，因为在审查期间可以进行修改。
【附图说明】
[0010]贯穿整个说明书，参考了附图，附图中相同的附图标记表示相同的元件，并且其中:
[0011]图1A是包括测量装置和谐振器传感器模块的谐振器传感器系统的一个实施例的示意图；
[0012]图1B是具有从测量装置分离的谐振器传感器模块的图1A的系统的示意图；
[0013]图2A-C是说明了谐振器传感器系统的实施例的操作原则的示意图；
[0014]图3是谐振器传感器模块的一个实施例的示意图；
[0015]图4是谐振器传感器模块的另一个实施例的示意图；
[0016]图5是谐振器传感器系统的另一个实施例的示意图；
[0017]图6是谐振器传感器系统的另一个实施例的示意图。
【具体实施方式】
[0018]总体上，本发明描述了谐振器传感器模块的各种实施例，在一些实施例中，谐振器传感器模块包括配置为在两个或多个谐振器传感器之间选择的一个或多个开关。在一些实施例中，一个或多个开关用来在一个或多个感测谐振器和一个或多个参考谐振器之间选择。此外，在一些实施例中，一个或多个开关可以被集成到谐振器传感器模块中。
[0019]包括开关的谐振器传感器模块可以提供几个优点。例如，设计为与谐振器传感器模块相连接的谐振器传感器系统的驱动和测量电路可以通过要求单一的一组驱动和测量电路来驱动和测量两个或多个谐振器而简化。谐振器传感器模块内的开关的实施方式也可以增加差分谐振器测量的精确度，其中在多个测量电路中的甚至小的差异可以造成测量值中的显著误差。此外，一个或多个开关也可以提高以高谐振频率进行差分谐振器测量的精确度，其中在与两个或多个谐振器的电连通性中的甚至小的差异可以造成测量值中的显著误差。这些电连通性方面的差异可以通过驱动和测量电路和谐振器之间的连接的温度差引起，或驱动或测量电路和谐振器之间的连通性方面的变化通过来自操作环境的正常磨损或污染引起。一个或多个开关也可以用来验证电连通性和仪表准确性。总之，在所描述的谐振器传感器模块中使用一个或多个开关可以提供更强健和可靠的与测量装置的连接，从而提供现实使用环境中更精确的测量。
[0020]现在转向附图，谐振器传感器模块的各种实施例的部件，以及利用这样的模块的系统和方法被示出。在一些实施例中，这些系统可以在尺寸上相对小而便携的，以便它们能够在现场特定诊断测试应用中利用。在一些其它实施例中，系统可以配置用于在实验室环境中诊断测试。
[0021]图1A和1B是谐振器传感器系统100—一其在所示实施例中是手持式或便携式系统一一的示意图。系统100包括测量装置102，该测量装置102能够通过在互连器104与谐振器传感器模块110相连接。系统100可以用于需要现场诊断测试的点。尽管系统100被描绘为是便携式的，但是，在一些实施例中，系统可以在实验室工作台或在更永久的配置中利用。尽管在图1A-B中未示出，但是系统100可以包括用于连接到互联网或以其他方式传送信息的装置和电路，比如一个或多个USB端口、无线连接等等。
[0022]在一些实施例中，互连器104可以包含数据存储装置，比如只读存储器(ROM)或闪速电可擦除可编程只读存储器(EEPR0M)。数据存储装置可以通过包括当系统100关联到谐振器传感器模块110时允许仪器理解系统100的特定用途的软件或识别信息来起到将仪器设置用于特定市场应用的作用。例如，只读存储器可以包含用于涉及模块110的输出信号的仪器的解释性逻辑的基本信息或算法指令，其可以用来限制系统100到特定应用，例如仅限制于使用在以下应用中的一个:兽医应用、毒理学应用、滥用药物的应用、转基因(GM0)谷物的应用。
[0023]数据存储装置也可以包含传感器类型特定的信息，比如如在生产后测试过程中确定的模块110的一个或多个谐振器的一般频率范围或近似谐振频率。例如，当新的传感器连接到仪器时，这个信息可以减少传感器检测和校准设置时间。在相关实施例中，数据存储装置包含通过在工厂为传感器单独确定的查询代码索引的校准修正常数的查找表。在各