專利名稱：生物物質(zhì)檢測的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種對各種生物物質(zhì)例如病毒、細(xì)菌、孢子、過敏原和其他毒素敏感的微型傳感器和傳感器組，以及一種用于分析傳感器輸出的系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
不幸地，在最近幾年中，公眾已經(jīng)目睹在美國周邊以及世界其他地方增加程度的恐怖主義。雖然2001年9月11日的攻擊在規(guī)模和破壞方面是巨大的，公眾已經(jīng)意識到各種其他類型的攻擊，例如更微觀級別的攻擊可能發(fā)生。載有炭疽的信件到我們各種公務(wù)員的郵寄僅加強(qiáng)了各種生物物質(zhì)可能以破壞性方式使用的擔(dān)憂。
因此，使用一種傳感器系統(tǒng)來提供對這種生物戰(zhàn)可能性的早期警報(bào)是極其重要的。

發(fā)明內(nèi)容
與防止生物戰(zhàn)廣泛使用相關(guān)的問題由本發(fā)明解決，其利用自持、毫米級傳感和通信平臺作為具有靈活網(wǎng)絡(luò)層次和保密數(shù)據(jù)流的整體分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)。芯片形式的各個(gè)傳感器單元以一粒沙的大小設(shè)計(jì)和制造，并且包括傳感器、處理器單元、存儲器、雙向無線通信和內(nèi)部電源。每個(gè)傳感器單元由數(shù)字信號處理器(DSP)形式的自持微控制器控制。該DSP既控制由傳感器芯片執(zhí)行的任務(wù)，又在系統(tǒng)的各種組件之間或?yàn)橄到y(tǒng)的各種組件保存能量、電源管理。周期性地，DSP從提供有包含在芯片上的一個(gè)或多個(gè)傳感器的傳感器單元接收讀數(shù)，處理從傳感器接收的數(shù)據(jù)，并且將結(jié)果存儲在它的存儲器中。它也偽隨機(jī)地激活提供在每個(gè)傳感器單元上的光學(xué)、聲學(xué)和/或射頻(RF)收發(fā)器以監(jiān)控進(jìn)來的通信嘗試。該通信可能包括來自或到其他傳感器單元，或者來自或到控制多個(gè)傳感器單元操作的基站路由器的新程序、數(shù)據(jù)或消息。響應(yīng)消息或當(dāng)消息啟動時(shí)，DSP將使用RF收發(fā)器、空間中繼發(fā)射器(野外操作站)或激光器來發(fā)送傳感器數(shù)據(jù)或消息到路由器、另一個(gè)傳感器單元或中心站。路由器也將通信指向或來自中心站。為了解決不同種生物物質(zhì)例如病毒、細(xì)菌、過敏原、霉、蛋白質(zhì)和毒素(集體地“目標(biāo)”)的檢測，本發(fā)明包括具有完全不同的傳感和獲取信息方式的兩類傳感器。
第一類這些傳感器基于聲學(xué)并且可以重復(fù)使用而不退化。該傳感器在功能上依賴于聲波技術(shù)。傳感器單元的傳感器部分構(gòu)造成硅基上的超小型網(wǎng)格(網(wǎng)絡(luò))，并且具有它自己的諧振頻率。為了獲得更準(zhǔn)確的諧振讀數(shù)，其他元素例如藍(lán)寶石、石英、或氧化鍺硅(GSO)晶體或氧化鈹硅(BSO)晶體可以使用。傳感器單元的表面相對小，大約1mm2的工作表面。為了獲得針對目標(biāo)的較大傳感器靈敏度和選擇性，傳感器單元基座的兩側(cè)由靜電充電?；诼晫W(xué)的傳感器單元以三種主要模式操作-收集數(shù)據(jù)，測量數(shù)據(jù)和清潔傳感器單元。在收集模式期間，目標(biāo)接近傳感器。施加到每個(gè)傳感器單元表面的靜電將目標(biāo)朝向傳感器表面拉引并且因分子附著力而粘到傳感器單元表面。在由DSP中提供的定時(shí)器確定的時(shí)間增量之后，傳感器單元將切換到測量模式。在此時(shí)刻，靜電將切斷并且傳感器表面將開始以高頻振蕩條件諧振。如果沒有目標(biāo)附著于傳感器單元表面，表面將以第一頻率諧振。在特定目標(biāo)存在的情況下，傳感器表面將以不等于第一頻率的第二頻率諧振。該振蕩的功率和頻率將是目標(biāo)顆粒物理性質(zhì)的函數(shù)。振蕩將導(dǎo)致目標(biāo)顆粒離開傳感器表面，導(dǎo)致脈沖的產(chǎn)生。脈沖的聲學(xué)特性將由DSP分析并且與包含在DSP存儲器中提供的數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)相比較。如果找到任何匹配性質(zhì)，該信息將轉(zhuǎn)播到中心站，其可能發(fā)送警報(bào)。在清潔模式期間，傳感器表面將由靜電去極和強(qiáng)脈沖以第三頻率的同時(shí)施加而清潔。在清潔之后，所有模式根據(jù)需要可以重復(fù)。
傳感器單元將被校準(zhǔn)成已知的目標(biāo)特征。如果空氣具有表現(xiàn)出相同或類似特征的目標(biāo)優(yōu)勢(質(zhì)量、粘附系數(shù)、波形因數(shù)等)，將觸發(fā)提供顆粒的微生物特性的警報(bào)。該警報(bào)將基于傳感器單元自身之間的通信，路由器與傳感器單元之間的通信，以及傳感器單元、路由器和中心系統(tǒng)之間的通信而產(chǎn)生。
每個(gè)傳感器單元將由藍(lán)寶石、石英、BSO或GSO晶體基礎(chǔ)襯底上的硅晶片，例如當(dāng)前用于微芯片制造的那些制成。所有鋒面將用來產(chǎn)生并存儲能量。
第二類型的這些傳感器將是基于生物學(xué)的傳感器，其分成兩類生物毛孔傳感器和基于光學(xué)的傳感器。生物毛孔傳感器是由包含優(yōu)選地凝膠體中的物質(zhì)(配位基)或其他物質(zhì)的細(xì)孔組成的超小型池，以及電傳感技術(shù)。這些生物毛孔包含位于電極上的凝膠體中的配位基，其將基于目標(biāo)的一個(gè)簡單分子的存在而起反應(yīng)。在反應(yīng)期間，生物毛孔將產(chǎn)生電特征脈沖和靜電，其將被分析并且如果特定目標(biāo)存在將觸發(fā)警報(bào)。該分析將包括比較電特征脈沖與存儲在DSP存儲器中的多個(gè)電特征脈沖。該技術(shù)將需要證明每個(gè)目標(biāo)的反應(yīng)配位基的生物數(shù)據(jù)集。該數(shù)據(jù)將用來為生物毛孔選擇凝膠體物質(zhì)。在所有其他方法中，包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)通信，操作實(shí)現(xiàn)對任何目標(biāo)完全相同。
基于生物光學(xué)的傳感器將與生物毛孔傳感器具有很多共同之處。它們設(shè)計(jì)的主要差別在于光敏微系統(tǒng)的集成以檢測和識別當(dāng)目標(biāo)和配位基相互作用時(shí)產(chǎn)生的光子短促脈沖串序列。這些光子短促脈沖串將是光電特征脈沖的形式，與存儲在DSP存儲器中的多個(gè)光電特征脈沖相比較。


本發(fā)明的前述一般描述將從下面參考附圖的本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施方案的詳細(xì)描述中更好地理解，其包括下面圖1A是基于聲學(xué)的傳感單元的圖；
圖1B是處于收集模式中的圖1A的基于聲學(xué)的傳感單元的圖；圖1C是處于分析模式中的圖1A的基于聲學(xué)的傳感單元的圖；圖1D是處于清潔模式中的圖1A的基于聲學(xué)的傳感單元的圖；圖1E是兩個(gè)基于聲學(xué)的傳感單元的圖，每個(gè)處于不同的操作模式中；圖2是生物毛孔傳感器的圖；圖3是用來傳感配位基與指定目標(biāo)之間反應(yīng)的生物毛孔傳感單元和場效應(yīng)晶體管(FET)的圖；圖4顯示配位基包含在凝膠體中的圖3的FET；圖5顯示圖3和4中所示生物毛孔傳感單元和FET的備選實(shí)施方案；圖6說明提供有兩個(gè)電極的生物毛孔傳感單元和FET；圖7說明具有多個(gè)納米管的生物毛孔傳感單元和FET的備選實(shí)施方案；圖8表現(xiàn)生物毛孔傳感器的頂視圖；圖9是圖8中所示生物毛孔傳感器的側(cè)視圖；圖10說明基于生物光學(xué)的傳感單元；圖11說明根據(jù)本發(fā)明的典型DSP；以及圖12說明根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)。
具體實(shí)施例方式
用作傳感器單元的每個(gè)芯片將由藍(lán)寶石、石英、BSO或GSO晶體基礎(chǔ)襯底上的硅晶片或類似材料，例如當(dāng)前用于微芯片制造的那些制成。傳感器單元的所有鋒面(除了生物毛孔)將用來產(chǎn)生并存儲能量。在操作上集成的傳感器單元將用作整體分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)將用作單片單元，提供生物物質(zhì)存在的實(shí)際上三維實(shí)時(shí)傳感。例如，傳感器單元的一些集群可以形成以相同工作周期執(zhí)行的同步組，從而增加系統(tǒng)的靈敏度和可靠性，并且形成特殊特征例如分布式天線。本發(fā)明適用于定制，并且容易適用于不同的操作配置。例如，單元集群可能被排列以監(jiān)控帶有靜電的氣泵，其將在一個(gè)特定方向上移動可能包含目標(biāo)的空氣。這將增加傳感器靈敏度，因?yàn)槟繕?biāo)顆粒將被帶入以更接近傳感器單元。該系統(tǒng)表現(xiàn)出使用靜電分類所有目標(biāo)的可靠能力。本發(fā)明利用在空氣中飽和的所有目標(biāo)顆粒不會同等地與靜電電荷極性反應(yīng)的事實(shí)。傳感器單元組將一起改變極性，產(chǎn)生關(guān)于空氣中目標(biāo)分布的另外信息，例如通風(fēng)系統(tǒng)中的空氣如何移動。這將形成將目標(biāo)特性映射到大氣條件的關(guān)系數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)。
參考附圖，圖1A說明具有傳感器單元2的基于聲學(xué)的傳感器1，其在傳感器單元表面上包括多個(gè)微諧振器3，從而形成振蕩網(wǎng)。圖1B，1C和1D說明圖1B中所示收集模式，圖1C中所示分析模式以及圖1D中所示清潔模式中基于聲學(xué)的傳感器1的操作?；诼晫W(xué)的傳感器以及本發(fā)明中描述的所有其他傳感器適合于應(yīng)用到產(chǎn)品表面，例如醫(yī)療設(shè)備、衣服或食物，或者適合于空氣傳播。不管基于聲學(xué)的傳感器或基于生物學(xué)的傳感器粘附到物體還是在空氣中漂移，目的是檢測將對人類和/或動物有害的、表示為“目標(biāo)”24的多種生物物質(zhì)中一種或多種的存在。這些目標(biāo)24通常將與各種其他漂浮物例如蛋白質(zhì)串5和灰塵顆粒6一起空氣傳播?；诼晫W(xué)的傳感器1將表征為具有各種顆粒5，6和24位于其上的表面的傳感器單元2。表面單元將連接到具有電池8的DC電流源7。兩個(gè)開關(guān)9a，9b將并聯(lián)到電源。因此，在圖1B中所示的收集模式中，電將施加到傳感器單元2的表面，允許傳感器單元以第一頻率振蕩。開關(guān)將處于圖1B中所示的位置中以施加第一電流電平到傳感器單元的表面，從而允許傳感器單元以該第一頻率和功率振蕩。如由連接到圖1B中所示空氣傳播單元5，6和24每個(gè)的箭頭所示，這些空氣傳播單元將拉引到傳感器單元的表面。
一旦這些顆粒5，6和24變得附著或保持在傳感器單元表面2上，開關(guān)9a移動到圖1C中所示分析模式中所示的位置，從而將電源從傳感器單元的表面移除。此時(shí)，包括目標(biāo)顆粒24的空氣傳播顆粒將開始以第二頻率振蕩，該頻率不同于傳感器單元的表面在圖1B中振蕩的頻率。包含雙向無線通信、內(nèi)部電源以及存儲器的DSP將傳感特定的諧振頻率。該頻率將與存儲在DSP的存儲器中、表現(xiàn)出特定目標(biāo)的頻率相比較。如果在一種或多種目標(biāo)的振蕩頻率與DSP的存儲器中存儲的振蕩頻率之間達(dá)成匹配，該匹配將記錄并存儲在DSP的存儲器中。在那時(shí)，或者隨后，該信息將使用傳感器的特定通信能力發(fā)送到相鄰傳感器，到一個(gè)或多個(gè)路由器，或者到中心站，其中關(guān)于表現(xiàn)出生物恐怖主義攻擊的有毒生物物質(zhì)存在的決定然后將產(chǎn)生適當(dāng)警報(bào)。
一旦分析步驟如圖1C中所示完成，傳感器單元2的表面將通過移動開關(guān)9b到圖1D中所示位置來清潔。在這一點(diǎn)上，傳感器單元的表面將以第三頻率振蕩，從而從傳感器單元的表面排出所有空氣傳播材料5，6和24，如圖1D中包括的箭頭所示。
圖1E顯示處于不同階段例如清潔階段或收集階段中的兩個(gè)相鄰傳感器單元。收集階段由左邊的傳感器單元說明，而清潔階段由右邊的傳感器單元說明。圖1D中所示清潔階段的包括將導(dǎo)致允許基于聲學(xué)的傳感器單元的重復(fù)使用。
圖2顯示典型的基于生物學(xué)的傳感器單元，包括配位基22和生物目標(biāo)物質(zhì)24。另外，可選的生物放大單元20可以附加到配位基22的非傳感表面。配位基22是與另一個(gè)分子反應(yīng)以形成合成物的離子或分子。目標(biāo)24是特定地由配位基結(jié)合的分子。每種配位基與特定目標(biāo)一起操作，其中存在許多可能的配位基/目標(biāo)對。目標(biāo)可能是單個(gè)分子例如蛋白質(zhì)、糖蛋白、糖化物或類脂物。目標(biāo)也可能是有機(jī)體例如細(xì)菌或其孢子、病毒、真菌、霉或酵母。配位基22與目標(biāo)24以高親和力和專指性結(jié)合在一起。配位基/目標(biāo)對的實(shí)例是抗體與抗體相對于其產(chǎn)生的任何大分子，細(xì)胞受體與特殊地結(jié)合并激活該受體的任何物質(zhì)，或者微生物上的表面特征例如流感病毒上的血球凝集素與結(jié)合表面特征的抗體或分子(例如流感實(shí)例中的唾液酸)。注意目標(biāo)僅將其自身完全附著到僅一種類型配位基是重要的。配位基與它不應(yīng)當(dāng)完全結(jié)合的目標(biāo)的相互作用將導(dǎo)致最多瞬時(shí)的僅部分結(jié)合。
配位基與其目標(biāo)之間的相互作用由分子間引力產(chǎn)生，包括互補(bǔ)構(gòu)造、電荷、極性、范德華作用以及周圍環(huán)境中水分子的重新排序。這些引力是合作的并且隨著目標(biāo)與配位基接近而累積。每個(gè)目標(biāo)/配位基相互作用具有特定的動力學(xué)和熱力學(xué)特征，其可以表征并量化為 平衡常數(shù)從開和關(guān)常數(shù)的關(guān)系中導(dǎo)出Keq＝kon/koff(2)Keq由ΔG＝ΔGo+RT ln Keq且在平衡ΔG＝0時(shí)與自由能相關(guān)，所以ΔG＝-RT ln Keq對于Keq＝1，ΔGo＝0對于Keq＝10，ΔGo＝-1.4Kcal/mole對于Keq＝105，ΔGo＝-7Kcal/mole (3)其中R＝通用氣體常數(shù)T＝溫度(開氏溫標(biāo))抗生物素蛋白-生物素相互作用的Keq大約為1015M-1，而對于“典型”的抗原-抗體相互作用大約為1012。因此，從一摩爾抗生物素蛋白-生物素相互作用中釋放的能量大約為21Kcal/mole，而對于抗原-抗體大約為16Kcal/mole。能量釋放的唯一圖案是每個(gè)配位基/目標(biāo)對的相互作用特征的函數(shù)。
圖2中所示的生物毛孔傳感器單元基于通常但并不一定嵌入于傳感器單元表面上含水凝膠中的配位基的超小型毛孔以及電傳感技術(shù)，累積稱作生物毛孔。每個(gè)生物毛孔填充有凝膠體中的一個(gè)或多個(gè)配位基，并且將對該配位基的特定目標(biāo)的一個(gè)單個(gè)分子的存在起反應(yīng)。在反應(yīng)期間，配位基與特定目標(biāo)分子之間的反應(yīng)將產(chǎn)生電脈沖特征和靜電，其將被分析并且如果適當(dāng)目標(biāo)存在觸發(fā)警報(bào)。該技術(shù)將需要描述由每個(gè)配位基/目標(biāo)對的結(jié)合所產(chǎn)生的靜電特征的生物數(shù)據(jù)集。該數(shù)據(jù)將用來分辨目標(biāo)。在所有其他方法中，包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)通信，所有實(shí)現(xiàn)與其他配位基/目標(biāo)對完全相同。
這里公開的材料和方法提供統(tǒng)一精微制造單元的批量生產(chǎn)的有效方法。為了定制對感興趣的特定目標(biāo)(肝炎C，沙門氏菌，炭疽等)的單元的使用，生物毛孔將包含適當(dāng)且唯一的反應(yīng)配位基。更具體地說，本發(fā)明的每個(gè)傳感器單元包括信號轉(zhuǎn)換元件、轉(zhuǎn)換器、響應(yīng)元件和配位基(圖2中所示)?；谑褂玫膫鞲衅黝愋停D(zhuǎn)換電路將包括電子敏感電路，基于光敏的電路，基于聲音敏感的電路，以及介電常數(shù)敏感的檢測電路。取決于應(yīng)用，特定生物放大元件可以使用。信號轉(zhuǎn)換元件包括活性部分和信號變換域。特定配位基部分特定地識別所選目標(biāo)。以圖2中所示配位基方式使用的傳感單元包括監(jiān)控并檢測特定目標(biāo)的軟件和硬件。依賴于初級檢測器轉(zhuǎn)換電路，生物放大或設(shè)備20可能使用或不使用。例如，在一些情況下，當(dāng)處理極低能量配位基/目標(biāo)相互作用時(shí)，具有包含光敏傳感器的放大器20的傳感元件例如酶熒光或化學(xué)發(fā)光產(chǎn)生可以使用。在該情況下，在由傳感元件檢測之后，電脈沖將轉(zhuǎn)換成光子流，其將由光敏檢測器檢測。
圖3表示傳感柵32作為等待凝膠體與配位基31分子集成的測量設(shè)備的場電子晶體管(FET)30。配位基31位于柵32上或盡可能地接近柵32，使得任何配位基/目標(biāo)相互作用將產(chǎn)生從源區(qū)域34通過柵32到漏區(qū)域36的電流。FET提供在半導(dǎo)體基底38上。一層絕緣材料39提供在柵32，源34和漏36上。該FET結(jié)構(gòu)將以討論的幾種方式實(shí)現(xiàn)。FET結(jié)構(gòu)可以采取小型超敏感場效應(yīng)晶體管(ESFET)的形式。
圖4描繪凝膠體33包括在設(shè)計(jì)中的FET 30。使用的凝膠體應(yīng)當(dāng)表現(xiàn)出保持潮濕狀態(tài)，具有光學(xué)敏感性并且允許目標(biāo)通過凝膠體而結(jié)合到配位基的性質(zhì)。存在幾種放置配位基在操作上接近柵區(qū)域的方法。例如，柵32的表面可以涂敷有氨基硅烷。配位基經(jīng)由各種交聯(lián)劑，例如二琥珀酰亞胺基辛二酸鹽，羥基二琥珀酰亞胺基辛二酸鹽等連接到氨基。交聯(lián)劑可以針對配位基上的所選官能團(tuán)而選擇以實(shí)現(xiàn)期望的定向。
圖5描繪FET方法的備選實(shí)施方案。該FET 40包括源區(qū)域46和漏區(qū)域44提供在其上的硅酮基底48。柵50提供在絕緣體42上。許多配位基52，54，56，58和60與FET 40相關(guān)聯(lián)。這些配位基使用由DC電流源62和電極64產(chǎn)生的DC場而捕獲。與圖4中所示FET一樣成立，類似凝膠體66將包括在設(shè)計(jì)中。這便于傳感元件的定向以提供最佳傳感能力。
圖6描繪在凝膠體90引入之前便于靜電定向配位基72，74，76，78和80的備選方法FET 70。除了定向配位基之外，包括DC電流源92，上電極94以及柵區(qū)域98附近的下電極96的雙電極結(jié)構(gòu)將便于配位基到柵區(qū)域98的移動，最終將它們連接到柵區(qū)域范圍中的下電極96。傳感器單元包括硅基底82，源區(qū)域84和漏區(qū)域86以及一層絕緣材料88。下電極96然后將完全溶解，允許FET正常操作。作為選擇，下電極將僅部分溶解，便于偏壓反饋能力。
圖7描繪包括位于柵122范圍內(nèi)FET柵電極110上的一個(gè)或多個(gè)催化劑島120的高級FET傳感器100。催化劑島能夠生長納米管114，116，118。FET 100包括硅酮基底102，漏區(qū)域104，源區(qū)域106和絕緣涂層108。催化劑島120包括形成生長納米管的基底的化學(xué)成分。納米管典型地以混雜方式生長。它們最終的數(shù)量和體積通過控制時(shí)間和溫度來管理。對時(shí)間和溫度的響應(yīng)性依賴于催化劑的成分。通常，將生長多個(gè)納米管。納米管的表面可以使用備選方法修改它們的性質(zhì)來定制。修改可以使用化學(xué)溶液刻蝕納米管表面來實(shí)現(xiàn)。作為選擇，納米管可以涂有化學(xué)制劑。本發(fā)明的基本結(jié)構(gòu)將包括使用導(dǎo)電或半導(dǎo)電材料涂敷納米管。接著應(yīng)用凝膠體。這極大地增加目標(biāo)檢測的表面面積而不增加檢測器的線性曲面。在操作上，在配位基/目標(biāo)相互作用之后，信號將穿過納米管表面到達(dá)FET的柵。因?yàn)榧{米管與FET的柵間接接觸，并且配位基將附著于納米管墻壁的表面，更多的配位基將間接地與測量設(shè)備也就是柵區(qū)域接觸。然后操作如先前描述地繼續(xù)。
圖8表示生物毛孔傳感器130的一種可能實(shí)現(xiàn)。在該情況下，毛孔132已經(jīng)創(chuàng)建在硅酮芯片表面上。在生物毛孔中，納米管134，136，138通常在兩個(gè)電極140和142之間延伸。納米管的所有表面將用金屬覆蓋(粘質(zhì)或飾板)。結(jié)果是密集電極網(wǎng)。毛孔用連接到納米管的許多配位基單元填充。當(dāng)配位基與目標(biāo)之間的接觸實(shí)現(xiàn)時(shí)，信號將在納米管網(wǎng)上傳播并到達(dá)電極140，142。電極連接到注冊電路(沒有顯示)。
圖9描繪生物毛孔132的側(cè)視圖以及毛孔內(nèi)電極140，142與納米管的相對位置的多維透視圖。存在構(gòu)成生物毛孔的各種組件的多種結(jié)構(gòu)。最佳結(jié)構(gòu)是計(jì)劃采用的函數(shù)。這些結(jié)構(gòu)將不受材料可用性所限制。已經(jīng)顯示，可用材料保持它們的薄膜形成性質(zhì)，即使當(dāng)非乳膠水溶性成分(例如蛋白質(zhì)，酶，多糖例如瓊脂糖，或合成聚合物)包括多達(dá)材料重量的大約25％。這減輕與用于生物傳感器生產(chǎn)的精微制造工藝相關(guān)的重要考慮；建立的薄膜有效地附著于平面襯底，即使在大量添加劑(例如酶)存在的情況下。顆粒乳膠材料已經(jīng)常規(guī)地用來固定各類生物活性材料。因此，本發(fā)明的生物傳感器單元提供一種可以適用于識別任何所選生物物質(zhì)的靈活普通系統(tǒng)。
基于生物光學(xué)的傳感器在圖10中顯示。它基于由包含配位基154，156，158和光敏檢測器160的凝膠體152的毛孔組成的超小型生物毛孔。在目標(biāo)與配位基相互作用期間，光子短促脈沖串序列或特征將產(chǎn)生并且由包括檢測器160的光敏微系統(tǒng)檢測。微系統(tǒng)將基于雪崩二極管型、電荷耦合器件(CCD)或其他光敏技術(shù)而構(gòu)建。當(dāng)檢測時(shí)，新觀察的數(shù)據(jù)與存儲在DSP存儲器中的數(shù)據(jù)的比較分析將以先前關(guān)于基于聲學(xué)和非基于光學(xué)的生物傳感器描述的方式執(zhí)行。
光學(xué)技術(shù)已經(jīng)在傳感器領(lǐng)域中成功使用，通過測量吸收、熒光、散射和折射率的變化來監(jiān)控反應(yīng)。特別地，對于基于生物光學(xué)的傳感器，經(jīng)歷光學(xué)變化的一層集成到設(shè)備表面上，使得光的漸逝場穿透傳感層。單克隆抗體可以用作傳感層，具有對定義目標(biāo)的高專指性，然后改變傳感層成分。在傳感層發(fā)生的任何反應(yīng)影響漸逝場從而設(shè)備的光學(xué)性質(zhì)。
該基于生物光學(xué)的傳感器將利用到熒光的相互作用能量轉(zhuǎn)換，檢測相互作用之后發(fā)出的光。該檢測器中的凝膠體和配位基將基于伴隨附圖5和6的描述而定位。
如先前描述的，各種類型傳感器單元的每個(gè)將提供有如圖11中所示的DSP 170。
每個(gè)傳感器單元具有用于初始上電、充電主存儲電容器、編程以及執(zhí)行測試程序的專用輸入/輸出通道202。到該通道的連接將在初始測試程序期間在專用設(shè)備上執(zhí)行。輸入/輸出通道允許從傳感器單元的每個(gè)，例如生物毛孔或生物光學(xué)傳感器172以及聲學(xué)傳感器通過通信控制器204到CPU 176的通信。每個(gè)單元具有三個(gè)另外的通道包括聲學(xué)天線208的近距離(NR)通信通道，包括RF天線206的射頻(RF)通道；以及包括光學(xué)天線210的光學(xué)通道。NR通信通道具有超聲波發(fā)送器/接收器。該通信通道允許每個(gè)傳感器單元與附近的傳感器單元通信。換句話說，傳感器單元開始彼此傳感，交換數(shù)據(jù)包，甚至傳送信息數(shù)據(jù)包，以及調(diào)整由基于聲學(xué)的傳感器單元使用的各種操作模式。
RF通道預(yù)計(jì)用于中距離通信和集群定義。該通道較快并且可以在給定時(shí)間段內(nèi)傳送更多的信息。在一些環(huán)境中，該通道可以用來在傳感器單元之間通信，因此，可以預(yù)期包括RF處理器來管理傳感器單元之間的數(shù)據(jù)流。
光學(xué)通道主要預(yù)計(jì)在與路由器或與大的集群到集群通信以及到中心站的長距離通信期間部分地，或者在一些環(huán)境中，完全代替主RF通道。如果經(jīng)歷RF光譜污染，該通道與NR通道一起變成通信介質(zhì)。
基于傳感器單元、路由器以及包括計(jì)算機(jī)的中心站之間的距離，上述連接方式的每種可以用來在傳感器單元、路由器以及中心站計(jì)算機(jī)之間傳播信息。
不可更改存儲器只讀存儲器(ROM)或EEPROM 190提供在DSP中并且包括編程邏輯矩陣(PLM)和控制電路。存儲器的主要用途是保存所有操作程序和指令。另外，存儲器將保存許多目標(biāo)的一些樣品特征圖案。這些特征圖案可以針對所使用傳感器單元的類型而修整，或者可以包括所有可能的特征圖案，而不管傳感器單元。
隨機(jī)存取存儲器(RAM)188也包括在DSP中。RAM 188用來保存變量、獲取的數(shù)據(jù)、臨時(shí)數(shù)據(jù)、臨時(shí)變量以及其他各種數(shù)據(jù)。
閃速存儲器(沒有示出)提供在DSP中。它劃分成功能組包括堆棧和堆棧指針，變量和當(dāng)前狀態(tài)，另外的程序文件，以及數(shù)據(jù)文件。這些存儲器主要由算術(shù)邏輯單元(ALU)182使用用于DSP的內(nèi)部操作。ALU 182可以與EEPROM 190和RAM 188一起使用以比較測量的特征和包含在EEPROM 190中的特征。
傳感器單元具有在DSP中提供的一些可能的中斷源。這些中斷源包括看門狗定時(shí)器194，喚醒改變196，實(shí)時(shí)時(shí)鐘，各種計(jì)數(shù)器例如時(shí)間計(jì)數(shù)器198和程序計(jì)數(shù)器186，以及溢出中斷196。上述事件的每個(gè)產(chǎn)生特殊信號以中斷程序流程并切換到各自特殊關(guān)注函數(shù)。如果不能解決的DSP情況或任何其他事件引起不可預(yù)測的情況，看門狗定時(shí)器194是第一層防護(hù)。這應(yīng)當(dāng)最頻繁地發(fā)生，如果處理器被不同任務(wù)淹沒而電源能力將不允許它同時(shí)執(zhí)行所有功能?？梢韵胂螅珼SP可能變得陷入無限循環(huán)中，而沒有任何正常方式解救自身。在該情況下，看門狗定時(shí)器194將產(chǎn)生高級中斷來停止循環(huán)并重新啟動DSP。傳感器和I/O通道產(chǎn)生喚醒改變中斷，甚至在省電睡眠模式期間，以允許DSP從節(jié)能模式中喚醒并呈現(xiàn)全面操作模式。如果專用函數(shù)寄存器中的相應(yīng)標(biāo)志使能，溢出中斷發(fā)生。實(shí)時(shí)時(shí)鐘是時(shí)間同步的主要來源。該中斷允許使用DSP，其外設(shè)的順序操作的執(zhí)行。
傳感器單元包括在工作寄存器184與任何寄存器文件例如指令寄存器192中的數(shù)據(jù)之間執(zhí)行算術(shù)和布爾函數(shù)的4位或8位通用ALU 182。
寄存器文件劃分成兩個(gè)功能組，包括專用函數(shù)寄存器和通用寄存器。專用函數(shù)寄存器由DSP和外圍組件使用以控制設(shè)備的操作。專用函數(shù)寄存器包括工作寄存器、定時(shí)器寄存器、程序計(jì)數(shù)器186和I/O寄存器。另外，專用函數(shù)寄存器用來控制I/O端口配置。通用寄存器用于指令命令下的數(shù)據(jù)和控制信息。
宏存取控制器(MAC)的功能將由DSP執(zhí)行。這將節(jié)省電源和晶體上的空間，以優(yōu)化時(shí)序并避免通信延遲。
總線200包括在CPU 176中以允許數(shù)據(jù)到組件和從組件的傳送，以及與I/O通道202的通信。
與DSP通信的RF處理器為每個(gè)傳感器單元提供同步和異步通信模式。RF處理器接收RF同步序列，確定所需動作，調(diào)節(jié)接收和發(fā)送參數(shù)，以及接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。RF處理器也優(yōu)化功率獲取程序。
首先為了節(jié)能，所有RF相關(guān)電路在基于諧振思想的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)，并且接近地包括在芯片上。當(dāng)前設(shè)計(jì)包括根據(jù)IEEE 802.1xx標(biāo)準(zhǔn)的兼容或半兼容光譜和頻率需求，其將允許現(xiàn)有通信能力的使用。將存在給定頻率范圍內(nèi)功率獲取的另外優(yōu)勢。
所有信號放大以接收和發(fā)送信號所必需的最小級別執(zhí)行。因?yàn)榇嬖趪?yán)格功率限制，我們假定所有數(shù)據(jù)傳輸包括一些數(shù)據(jù)損失。所有數(shù)據(jù)校正將在DSP及其軟件中完成。因此，省電是所有操作和設(shè)計(jì)的基石。
每個(gè)單元上的天線場是對稱的并且占據(jù)芯片表面上所有可用空間。類似地，天線假定所有內(nèi)部子單元的屏蔽功能。天線的大小及其幾何形狀是頻譜、提出的靈敏度和傳輸功率級別的函數(shù)。傳輸功率級別將在微瓦范圍內(nèi)，因此不需要厚的天線金屬層。厚度期望在5～10nm范圍內(nèi)。表面刻蝕的最新發(fā)展顯示使用多層天線布線的希望，這將增加天線表面許多倍。轉(zhuǎn)換裝置將便于低功率、低損耗CMOS型串行/并行開關(guān)實(shí)現(xiàn)極低的能量損耗。考慮到轉(zhuǎn)換所需的低功率，功率需求通過快速轉(zhuǎn)換能力而優(yōu)化(最小化)。甚至同一天線裝置的獨(dú)立元件將包括用于多段轉(zhuǎn)換的開關(guān)。這允許總的天線電容和介電常數(shù)的優(yōu)化，導(dǎo)致傳輸并實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量諧振接收。累積地，這導(dǎo)致省電。
如先前指示的，信息在各個(gè)傳感器單元之間，傳感器單元與一個(gè)或多個(gè)路由器單元之間，以及中心系統(tǒng)計(jì)算機(jī)與路由器和中心系統(tǒng)計(jì)算機(jī)之間通信。在通信周期中，每個(gè)數(shù)據(jù)包將包括前同步信號、數(shù)據(jù)和特征。如果包沒有被指定，它指向中心系統(tǒng)計(jì)算機(jī)。如果中心系統(tǒng)計(jì)算機(jī)沒有在確定時(shí)間范圍內(nèi)發(fā)送確認(rèn)，中心系統(tǒng)計(jì)算機(jī)將嘗試經(jīng)由附近的傳感器單元發(fā)送該包。在該情況下，發(fā)送包的結(jié)尾將具有鏈?zhǔn)酵ㄐ诺闹付?biāo)志。該標(biāo)志將觸發(fā)任何附近的傳感器單元接收該包，并立即使用相同的指定標(biāo)志再次發(fā)送。這樣，中心系統(tǒng)計(jì)算機(jī)將通過多個(gè)路徑從其他傳感器單元接收包，也許許多次。在接收第一包之后，如果沒有錯誤存在，中心系統(tǒng)計(jì)算機(jī)將使用關(guān)于哪個(gè)包已經(jīng)成功接收的特殊信息形成并發(fā)送響應(yīng)包。這將中斷同一包的所有其他傳輸。所有單元然后將切換到正常操作模式。
對于長距離通信，每個(gè)傳感器單元可以與任何及所有傳感器單元通信。在初始握手過程期間，傳感器單元同步并且能夠同時(shí)產(chǎn)生并發(fā)送數(shù)據(jù)包，在載頻上形成相控天線場。在傳輸過程期間，當(dāng)數(shù)據(jù)由一個(gè)傳感器單元獲取時(shí)，組中所有傳感器單元將被涉及。在傳輸之前，組的所有成員將被指定唯一的組號。在傳輸之后，組的第一單元將形成數(shù)據(jù)包，包括前同步信號、數(shù)據(jù)和特征。然后，每個(gè)傳感器單元提供包加密并且增加指定描述符。傳感器芯片將這些包發(fā)送到其他傳感器芯片。當(dāng)另外的傳感器單元接收具有目的地標(biāo)志的包時(shí)，標(biāo)志將被分析。如果目的地標(biāo)志規(guī)定數(shù)據(jù)包經(jīng)由長距離通信模式發(fā)送，組中每個(gè)傳感器單元將接收并放置數(shù)據(jù)包在特殊保存隊(duì)列中。所有組成員然后開始RF同步周期并且當(dāng)同步實(shí)現(xiàn)時(shí)；所有組成員將同時(shí)發(fā)送一個(gè)單個(gè)數(shù)據(jù)包，從而增加通信距離。在來自一個(gè)單元的初始數(shù)據(jù)發(fā)送之后，組的第二單元將使用指定特征發(fā)送它們自己的包到所有組成員，然后周期將重復(fù)，直到所有組成員的所有數(shù)據(jù)成功地發(fā)送。主接收單元將對由組發(fā)送的每個(gè)包形成并發(fā)送確認(rèn)接收。如果獲得任何錯誤，包將重新發(fā)送合理的次數(shù)直到實(shí)現(xiàn)沒有錯誤的發(fā)送。
功率裝置在不同電路上和不同電路中描述。它們包括天線裝置；使用所有分布放大接收；RF處理器；電源管理裝置；以及功率存儲設(shè)備。
每個(gè)傳感器單元具有用于初始上電、充電主存儲電容器、編程和執(zhí)行測試程序的唯一輸入/輸出通道，其一些通過功率回收和存儲單元212激活。到該端口的連接將在初始測試程序期間完成。在正常操作，意思是開放環(huán)境中的操作期間，傳感器單元將不連接到任何用于充電和操作的外部電源。對于功率獲取，傳感器單元從環(huán)境中收集功率，包括但不局限于太陽能電池218。傳感器單元特殊地設(shè)計(jì)以允許單元體積以及用于獲取、存儲和電源管理的所有系統(tǒng)性質(zhì)的最佳使用。主要電源是在由RF接收器216接收的全部射頻范圍內(nèi)可用的電磁輻射。該類型的能量在存在人類活動的所有地方廣泛可用。這些源包括所有AM/FM波段中的無線電發(fā)送器；無線電接收器，因?yàn)樗鼈兊淖冾l器電路產(chǎn)生RF波；基于警察用雷達(dá)的速度檢測器；軍用或民用雷達(dá)；計(jì)算機(jī)監(jiān)控器，其是重要的近場RF源；計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)；以及電力網(wǎng)內(nèi)的電線。二次能源也可用并且每個(gè)單元具有指定裝置以獲取該能量。主要地，存在如由接收器220所示的X射線波段和伽馬波段源，其在機(jī)場、公路和火車站等中的醫(yī)療裝置屏蔽裝置中廣泛可用。另外的可重復(fù)能源可能是單元安裝于其上的物體或表面的運(yùn)動。超聲接收器214例如壓電基因組元件將吸收該類型的能量。將單元定位在外科手套或外科衣服的場景可能包括這些能夠吸收溫度梯度并產(chǎn)生其他健康狀態(tài)參數(shù)的超聲接收器。
RF波段將如下使用功率獲取從主DSP處理器的空閑周期開始。DSP將建議RF處理器打開所有接收電路并開始獲取寬頻譜信號。RF處理器將搜索全部頻率范圍并且嘗試確定可用能量。如果任何可用，所有輸入電路將在該特殊頻率范圍上優(yōu)化。能量的檢測和存儲由多階段檢測以及主電容器的充電來完成。光學(xué)傳感器是理想的，因?yàn)樗占鈱W(xué)或近距離波段中的任何能量。該另外的功能不會使得主要傳感器功能性退化。在X射線和伽馬射線波段中收集的能量將在單元的背面使用。該場景中的芯片體積類似于光射線的大規(guī)模過濾器，僅允許X射線或伽馬射線的檢測。這些射線自由地穿透硅酮襯底。這種檢測器和功率獲取元件的另外好處在于傳感器單元將收集關(guān)于輻射背景和/或輻射短促脈沖串的信息。
主存儲電容器位于傳感器單元的低層上。電容器以大規(guī)模非電解質(zhì)干式電容器形式配置。
電源管理裝置包括開/關(guān)和睡眠功能性。這些電路主要設(shè)計(jì)用于監(jiān)控主負(fù)載電路，功率消耗程度，以及便于功率消耗預(yù)測算法。與DSP上的主軟件一起，電源管理軟件模塊將檢測存儲功率的不足量并且將依賴于功率周期重新分配。這允許減少的峰值消耗和功率相關(guān)的熱消耗。另外，電源管理單元允許確定最大功率存儲峰值并且在該特殊時(shí)刻分配最大消耗，以使得輸出傳輸性能達(dá)到最大。關(guān)于電源狀態(tài)的信息包括在每塊數(shù)據(jù)中，這樣主單元可以確定它何時(shí)需要運(yùn)行主充電周期以恢復(fù)(補(bǔ)充)功率。
在新的傳感器單元或已經(jīng)完全丟失電源的傳感器單元的情況下，所有電路被設(shè)計(jì)使得接收電路切換到最大功率并且功率存儲周期有效。這樣，如果操作員或主電路啟動單元激活，它們?nèi)菀撰@取能量并再充電它們的電源裝置。補(bǔ)充周期將延遲直到所有電容器完全充電，并且電源管理裝置然后將啟動第一喚醒程序。在喚醒程序期間，DSP運(yùn)行簡單的自檢測然后執(zhí)行外圍元件測試。在測試成功之后，DSP將啟動短的傳輸會話以檢查RF通道。在所有這些完成之后，狀態(tài)碼將與日期和時(shí)間一起記錄在存儲器中。如果喚醒狀態(tài)允許，DSP將切換到正常獲取和分析階段。如果喚醒程序產(chǎn)生不同的代碼，該代碼將發(fā)送到主單元用于進(jìn)一步的分析和隨后的操作指示。為了增強(qiáng)正常運(yùn)行模式期間的節(jié)能，電源管理系統(tǒng)將僅為該特定時(shí)刻需要的那些傳感器和系統(tǒng)上電。在“收集或等待事件”模式中，大部分系統(tǒng)處于省電模式。如果一些裝置在運(yùn)輸期間或者因不適當(dāng)?shù)南惹笆褂枚鴵p壞，所有可能的代碼將存儲在單元存儲器中用于詳細(xì)掃描。掃描可以使用外部設(shè)備執(zhí)行以確定整個(gè)電源狀態(tài)。
省電明確集成在操作電源系統(tǒng)中。傳感器單元的所有電路允許多階段節(jié)省過程中的電源管理。傳感器單元的電路將為過度省電而監(jiān)控。如果這發(fā)生，過度省電的狀態(tài)標(biāo)志將產(chǎn)生并且中心計(jì)算機(jī)將進(jìn)一步分析該事件。
低功率消耗階段主要被設(shè)計(jì)以將不重要的處理切換到低功率，這將使得執(zhí)行時(shí)間變長，但是將提供增強(qiáng)的功率。
當(dāng)遇到絕對非重要場景時(shí)，超低功率消耗階段將激活。執(zhí)行周期將切換到用于非常慢的連續(xù)操作的最小可能操作級別，使用芯片生存所需的但是對于該特殊環(huán)境不重要的最小操作。這種事件的實(shí)例可能是當(dāng)沒有RF電源可用，但是存在維持操作以獲取可能的能量短促脈沖串的需求時(shí)長期生存。
所有電路的睡眠與省電無關(guān)但是將減少消耗功率的量。通常睡眠是可預(yù)測的、可控制的，并且將經(jīng)常在正常操作期間使用。
當(dāng)從工廠發(fā)貨時(shí)，傳感器單元的每個(gè)將處于斷電階段。沒有足夠的功率以啟動操作和初始化測試。在該階段中，所有電源裝置將用來收集和保存功率。不執(zhí)行計(jì)算或傳輸。
圖12說明多組傳感器單元230分散在各個(gè)位置的本發(fā)明的系統(tǒng)。如先前指示的，每組230中的每個(gè)傳感器單元可以從該組中任何傳感器單元發(fā)送和接收信息。每個(gè)傳感器組或集群230中的每個(gè)傳感器單元也將與路由器232通信。該通信通常本質(zhì)上是無線的并且將利用先前描述的三種類型的傳輸技術(shù)。一些路由器提供有用于無線地或者通過因特網(wǎng)、VPN或因特網(wǎng)系統(tǒng)238發(fā)送信息到中心計(jì)算機(jī)系統(tǒng)240的交換機(jī)234和服務(wù)器236。該中心計(jì)算機(jī)系統(tǒng)將從路由器以及各個(gè)傳感器單元接收數(shù)據(jù)并發(fā)送數(shù)據(jù)到路由器以及各個(gè)傳感器單元?；谟芍行挠?jì)算機(jī)系統(tǒng)240接收的信息，做關(guān)于有毒生物物質(zhì)是否在一個(gè)或多個(gè)區(qū)域中普遍以及這是否將構(gòu)成生物恐怖主義攻擊的決定。該決策過程或者自動使用適當(dāng)計(jì)算機(jī)來執(zhí)行，或者基于從傳感器單元組230接收的信息與檢查中心計(jì)算機(jī)輸出的個(gè)人協(xié)力執(zhí)行。
生物物質(zhì)的實(shí)時(shí)檢測，包括病原體、過敏原和多種不同環(huán)境中的微生物，需要幾個(gè)知識科學(xué)團(tuán)體的綜合。如描述的，本發(fā)明包括多種技術(shù)，說明多種功能并且具有多種應(yīng)用。
多種技術(shù)包括使用嵌入式傳感技術(shù)的超小型集成電路，其利用手頭生物物質(zhì)的唯一定義特性。這些特性包括生物化學(xué)、電化學(xué)、物理或熱力學(xué)現(xiàn)象。為了增強(qiáng)靈敏度，納米管生長在一些單元中，作為到與所選生物物質(zhì)相關(guān)聯(lián)的配位基位于其上的電極的附加。在檢測和鑒別之后，警報(bào)經(jīng)由集成電路傳遞到外部接收設(shè)備，啟動生物物質(zhì)存在的數(shù)字警報(bào)。
單元是多功能的。它們的功能包括檢測、鑒別、放大、數(shù)字化、過濾、辨別、從環(huán)境的能量獲取、單元之間以及到外部路由器和控制器的通信，以及基于網(wǎng)絡(luò)的信息共享。該多功能性是可能的，因?yàn)楝F(xiàn)有技術(shù)水平的生物化學(xué)、信息技術(shù)和集成電路以關(guān)于構(gòu)建面向生物物質(zhì)定義特性的綜合系統(tǒng)的方式而組合。
可以理解，各個(gè)傳感器單元和傳感器單元組可以在許多不同類型的環(huán)境中使用，并且可以粘附到許多不同類型的對象。這些環(huán)境和對象可以包括它們在輸血操作以及血漿收集和存儲操作中的使用，以及與注射器針頭一起使用。傳感器單元可以連接到各種類型的手套，例如由橡膠和橡膠代用品制成的在外科手術(shù)和抽血中使用的。類似地，由橡膠和橡膠代用品制成的避孕套和其他避孕設(shè)備也可以具有連接到那里的傳感器單元。
在病人房間中提供的粘附到臨床定點(diǎn)照護(hù)診斷的各種對象，重病特護(hù)場所和走廊也可以用作各個(gè)傳感器單元的基座。此外，各種HVAC通風(fēng)系統(tǒng)和裝備可以提供有各種傳感器單元以及傳感器單元組。這也將包括通風(fēng)裝備以及局部空氣過濾裝備，病人衣服和裝飾，床服務(wù)，長凳和其他家具以及由臨床醫(yī)生和病人使用的面罩。此外，本發(fā)明可以在衛(wèi)生間設(shè)施中使用以用于實(shí)時(shí)尿和糞便分析，或者適用于牙科和其他人類假體固定裝置的服務(wù)或內(nèi)部。此外，本發(fā)明可以在動物或?qū)櫸镆约棒~類環(huán)境中使用。
本發(fā)明具有在食品處理工業(yè)中的應(yīng)用以包括食品處理裝備，輸送裝置，加工間，容器，銀器和其他裝備，包括罐頭和容器的內(nèi)表面，存儲裝置和運(yùn)輸裝備的服務(wù)。本發(fā)明具有在食物鏈所有方面的應(yīng)用，例如農(nóng)場，食品源，垃圾管理和食品加工廠。
本發(fā)明具有連同用來制造產(chǎn)品例如皮革產(chǎn)品，織物產(chǎn)品和塑料產(chǎn)品的有機(jī)材料一起的應(yīng)用。
本發(fā)明還具有在人口聚集的監(jiān)控場所的應(yīng)用，例如火車站，機(jī)場，汽車站，辦公室，隧道，橋梁，總站，分發(fā)中心，體育場，自助餐廳，旅店，酒吧和政府機(jī)構(gòu)。本發(fā)明將具有在車票，證章或通行證或者其他身份證件中使用的應(yīng)用。
本發(fā)明也將具有以在飛機(jī)，火車車廂，筏，氣墊船，汽車，卡車和類似類型交通工具的艙內(nèi)使用的單元形式的應(yīng)用。
給出該公開內(nèi)容，備選等價(jià)實(shí)施方案以及其他使用將變得對本領(lǐng)域技術(shù)人員顯然。這些實(shí)施方案和進(jìn)一步的使用也在本發(fā)明的考慮內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用于確定生物物質(zhì)存在的傳感器單元，包括傳感表面，當(dāng)特定生物物質(zhì)與所述傳感表面相互作用時(shí)，產(chǎn)生特定生物物質(zhì)的唯一可測量輸出；以及測量設(shè)備，提供在所述傳感表面附近，用于測量所述測量輸出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的傳感器單元，其中所述傳感表面面積大約為1mm2。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的傳感器單元，其中所述傳感表面在每種生物物質(zhì)存在的情況下以對于每種生物物質(zhì)唯一的頻率振動。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的傳感器單元，其中特定生物物質(zhì)與所述傳感表面的相互作用導(dǎo)致唯一聲學(xué)脈沖特征的產(chǎn)生，當(dāng)特定生物物質(zhì)離開所述傳感表面時(shí)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的傳感器單元，還包括提供有具有多個(gè)存儲的聲學(xué)脈沖特征的存儲器的處理器，以及連接在所述測量設(shè)備與所述處理器之間、用于比較由所述測量設(shè)備測量的聲學(xué)脈沖特征和所述存儲的聲學(xué)脈沖特征的比較設(shè)備。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的傳感器單元，還包括用于發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的天線和輸入/輸出電路。
7.根據(jù)權(quán)利要求4的傳感器單元，還包括連接到所述傳感表面的電源，當(dāng)所述電源以第一電平通電時(shí)，將生物物質(zhì)拉引到所述傳感器表面，當(dāng)所述電源關(guān)閉時(shí)，允許生物物質(zhì)產(chǎn)生所述聲學(xué)特征脈沖，以及當(dāng)所述電源以第二電平通電時(shí)，清潔生物物質(zhì)的所述傳感表面，從而允許傳感器單元的重復(fù)使用。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的傳感器單元，其中所述電源產(chǎn)生靜電場。
9.根據(jù)權(quán)利要求7的傳感器單元，其中所述電源產(chǎn)生電磁場。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的傳感器單元，其中所述傳感表面包括在設(shè)計(jì)以與僅一種類型的生物物質(zhì)結(jié)合的配位基的表面上，其中所述配位基與該類型生物物質(zhì)之間的相互作用是所述配位基與特定生物物質(zhì)的結(jié)合，所述相互作用產(chǎn)生唯一的電脈沖特征。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的傳感器單元，還包括提供有具有多個(gè)存儲的電脈沖特征的存儲器的處理器，以及連接在所述測量設(shè)備與所述處理器之間、用于比較由所述測量設(shè)備測量的電脈沖特征和所述存儲的電脈沖特征的比較設(shè)備。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的傳感器單元，還包括用于發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的天線和輸入/輸出電路。
13.根據(jù)權(quán)利要求10的傳感器單元，其中所述測量設(shè)備是提供有源區(qū)域、柵區(qū)域和漏區(qū)域的場效應(yīng)發(fā)送器(FET)。
14.根據(jù)權(quán)利要求11的傳感器單元，其中所述測量設(shè)備是提供有源區(qū)域、柵區(qū)域和漏區(qū)域的場效應(yīng)發(fā)送器(FET)。
15.根據(jù)權(quán)利要求13的傳感器單元，其中所述FET是超敏感場效應(yīng)晶體管(ESFET)。
16.根據(jù)權(quán)利要求10的傳感器單元，還包括連接到所述配位基的生物放大單元。
17.根據(jù)權(quán)利要求13的傳感器單元，還包括多個(gè)配位基，所述多個(gè)配位基的每個(gè)包括傳感表面和至少一個(gè)非傳感表面，所述配位基的至少一部分的所述非傳感表面提供在所述FET的所述柵區(qū)域附近。
18.根據(jù)權(quán)利要求14的傳感器單元，還包括多個(gè)配位基，所述多個(gè)配位基的每個(gè)包括傳感表面和至少一個(gè)非傳感表面，所述配位基的至少一部分的所述非傳感表面提供在所述FET的所述柵區(qū)域附近。
19.根據(jù)權(quán)利要求13的傳感器單元，還包括提供在所述測量設(shè)備附近的多個(gè)配位基。
20.根據(jù)權(quán)利要求14的傳感器單元，還包括提供在所述測量設(shè)備附近的多個(gè)配位基。
21.根據(jù)權(quán)利要求19的傳感器單元，其中第一數(shù)目的所述多個(gè)配位基的所述傳感表面僅與第一生物物質(zhì)完全結(jié)合以產(chǎn)生第一唯一電脈沖特征，并且第二數(shù)目的所述多個(gè)配位基的所述傳感表面僅與第二生物物質(zhì)完全結(jié)合以產(chǎn)生第二唯一電脈沖特征。
22.根據(jù)權(quán)利要求20的傳感器單元，其中第一數(shù)目的所述多個(gè)配位基的所述傳感表面僅與第一生物物質(zhì)完全結(jié)合以產(chǎn)生第一唯一電脈沖特征，并且第二數(shù)目的所述多個(gè)配位基的所述傳感表面僅與第二生物物質(zhì)完全結(jié)合以產(chǎn)生第二唯一電脈沖特征。
23.根據(jù)權(quán)利要求17的傳感器單元，還包括包封所述FET的所述柵區(qū)域附近所述多個(gè)配位基的至少一部分的凝膠體。
24.根據(jù)權(quán)利要求18的傳感器單元，還包括包封所述FET的所述柵區(qū)域附近所述多個(gè)配位基的至少一部分的凝膠體。
25.根據(jù)權(quán)利要求23的傳感器單元，還包括連接到所述FET的電流源和連接到所述電流源的第一電極。
26.根據(jù)權(quán)利要求24的傳感器單元，還包括連接到所述FET的電流源和連接到所述電流源的第一電極。
27.根據(jù)權(quán)利要求25的傳感器單元，還包括位于所述柵區(qū)域附近的可溶解第二電極，所述第二電極連接到所述電流源。
28.根據(jù)權(quán)利要求26的傳感器單元，還包括位于所述柵區(qū)域附近的可溶解第二電極，所述第二電極連接到所述電流源。
29.根據(jù)權(quán)利要求13的傳感器單元，還包括多個(gè)配位基，所述配位基的每個(gè)包括傳感表面和至少一個(gè)非傳感表面，連接到所述FET的電流源，連接到所述電流源的第一電極，鄰接所述柵區(qū)域的第二電極，所述第二電極連接到所述電流源，在所述第一和第二電極之間提供的多個(gè)納米管，其中所述配位基的非傳感表面連接到所述納米管的一個(gè)。
30.根據(jù)權(quán)利要求14的傳感器單元，還包括多個(gè)配位基，所述配位基的每個(gè)包括傳感表面和至少一個(gè)非傳感表面，連接到所述FET的電流源，連接到所述電流源的第一電極，鄰接所述柵區(qū)域的第二電極，所述第二電極連接到所述電流源，在所述第一和第二電極之間提供的多個(gè)納米管，其中所述配位基的非傳感表面連接到所述納米管的一個(gè)。
31.根據(jù)權(quán)利要求29的傳感器單元，其中第一數(shù)目的所述多個(gè)配位基的所述傳感表面僅與第一生物物質(zhì)完全結(jié)合以產(chǎn)生第一唯一電脈沖特征，并且第二數(shù)目的所述多個(gè)配位基的所述傳感表面僅與第二生物物質(zhì)完全結(jié)合以產(chǎn)生第二唯一電脈沖特征。
32.根據(jù)權(quán)利要求30的傳感器單元，其中第一數(shù)目的所述多個(gè)配位基的所述傳感表面僅與第一生物物質(zhì)完全結(jié)合以產(chǎn)生第一唯一電脈沖特征，并且第二數(shù)目的所述多個(gè)配位基的所述傳感表面僅與第二生物物質(zhì)完全結(jié)合以產(chǎn)生第二唯一電脈沖特征。
33.根據(jù)權(quán)利要求29的傳感器單元，還包括在所述柵區(qū)域上提供的催化劑。
34.根據(jù)權(quán)利要求30的傳感器單元，還包括在所述柵區(qū)域上提供的催化劑。
35.根據(jù)權(quán)利要求33的傳感器單元，還包括涂敷所述多個(gè)納米管表面的導(dǎo)電或半導(dǎo)電材料。
36.根據(jù)權(quán)利要求34的傳感器單元，還包括涂敷所述多個(gè)納米管表面的導(dǎo)電或半導(dǎo)電材料。
37.根據(jù)權(quán)利要求1的傳感器單元，其中所述傳感表面包括在設(shè)計(jì)以與僅一種類型的生物物質(zhì)結(jié)合的配位基的表面上，其中所述配位基與一種類型生物物質(zhì)之間的相互作用是所述配位基與特定生物物質(zhì)的結(jié)合，所述相互作用產(chǎn)生唯一的光電脈沖特征。
38.根據(jù)權(quán)利要求37的傳感器，還包括提供有具有多個(gè)存儲的光電脈沖特征的存儲器的處理器，以及連接在所述測量設(shè)備與所述處理器之間、用于比較由所述測量設(shè)備測量的光電脈沖特征和所述存儲的光電脈沖特征的比較設(shè)備。
39.根據(jù)權(quán)利要求37的傳感器單元，其中所述測量設(shè)備是提供有源區(qū)域、光敏柵區(qū)域和漏區(qū)域的固定效應(yīng)晶體管(FET)。
40.根據(jù)權(quán)利要求38的傳感器單元，其中所述測量設(shè)備是提供有源區(qū)域、光敏柵區(qū)域和漏區(qū)域的固定效應(yīng)晶體管(FET)。
41.根據(jù)權(quán)利要求37的傳感器單元，還包括連接到所述配位基的生物放大單元。
42.根據(jù)權(quán)利要求37的傳感器單元，還包括多個(gè)配位基，所述多個(gè)配位基的每個(gè)包括傳感表面和至少一個(gè)非傳感表面，許多所述配位基的所述非傳感表面提供在所述FET的所述光敏柵區(qū)域附近。
43.根據(jù)權(quán)利要求38的傳感器單元，還包括多個(gè)配位基，所述多個(gè)配位基的每個(gè)包括傳感表面和至少一個(gè)非傳感表面，許多所述配位基的所述非傳感表面提供在所述FET的所述光敏柵區(qū)域附近。
44.根據(jù)權(quán)利要求37的傳感器單元，其中第一數(shù)目的所述多個(gè)配位基的所述傳感表面僅與第一生物物質(zhì)完全結(jié)合以產(chǎn)生第一唯一光敏脈沖特征，并且第二數(shù)目的所述多個(gè)配位基的所述傳感表面僅與第二生物物質(zhì)完全結(jié)合以產(chǎn)生第二唯一光敏脈沖特征。
45.根據(jù)權(quán)利要求38的傳感器單元，其中第一數(shù)目的所述多個(gè)配位基的所述傳感表面僅與第一生物物質(zhì)完全結(jié)合以產(chǎn)生第一唯一光敏脈沖特征，并且第二數(shù)目的所述多個(gè)配位基的所述傳感表面僅與第二生物物質(zhì)完全結(jié)合以產(chǎn)生第二唯一光敏脈沖特征。
46.根據(jù)權(quán)利要求42的傳感器單元，還包括包封許多所述配位基的非傳感表面的凝膠體。
47.根據(jù)權(quán)利要求43的傳感器單元，還包括包封許多所述配位基的非傳感表面的凝膠體。
48.根據(jù)權(quán)利要求46的傳感器單元，還包括連接到所述FET的電流源以及連接到所述電流源的第一電極。
49.根據(jù)權(quán)利要求47的傳感器單元，還包括連接到所述FET的電流源以及連接到所述電流源的第一電極。
50.根據(jù)權(quán)利要求48的傳感器單元，還包括位于所述柵區(qū)域附近的可溶解第二電極，所述第二電極連接到所述電流源。
51.根據(jù)權(quán)利要求49的傳感器單元，還包括位于所述柵區(qū)域附近的可溶解第二電極，所述第二電極連接到所述電流源。
52.根據(jù)權(quán)利要求5的傳感器單元，其中所述處理器將記錄并存儲由所述測量設(shè)備測量的所述聲學(xué)脈沖特征與所述存儲的聲學(xué)脈沖特征中一個(gè)之間的匹配。
53.根據(jù)權(quán)利要求12的傳感器單元，其中所述處理器將記錄并存儲由所述測量設(shè)備測量的所述電脈沖特征與所述存儲的電脈沖特征中一個(gè)之間的匹配。
54.根據(jù)權(quán)利要求38的傳感器單元，其中所述處理器將記錄并存儲由所述測量設(shè)備測量的所述光電脈沖特征與所述存儲的光電脈沖特征中一個(gè)之間的匹配。
55.根據(jù)權(quán)利要求1的傳感器單元，提供有一種從光譜中收集能量的設(shè)備，所述能量用于為傳感器單元供電。
56.根據(jù)權(quán)利要求1的傳感器單元，提供有一種從X射線或伽馬射線光譜中收集能量的設(shè)備，所述能量用來為傳感器單元供電。
57.根據(jù)權(quán)利要求1的傳感器單元，提供有一種從電磁RF場中收集能量的設(shè)備，所述能量用來為傳感器單元供電。
58.一種用于確定例如將在生物恐怖主義攻擊中傳感的有毒生物物質(zhì)存在的系統(tǒng)，包括引入到特定環(huán)境的多個(gè)傳感器單元，所述傳感器單元的每個(gè)提供有用于測量至少一種有毒生物物質(zhì)存在的傳感表面，有毒生物物質(zhì)通過與所述傳感表面的相互作用而產(chǎn)生唯一可測量輸出；每個(gè)所述傳感器單元還包括提供在所述傳感表面附近、用于測量所述唯一可測量輸出的測量設(shè)備；控制所述傳感器單元的每個(gè)的操作的處理器；與所述處理器通信的存儲器，所述存儲器在其中存儲多個(gè)所述唯一可測量輸出；用于比較由所述傳感器表面產(chǎn)生的唯一可測量輸出與存儲在所述存儲器中的所述多個(gè)唯一可測量輸出的比較器；以及用于發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的天線；以及用于控制系統(tǒng)操作的中心站，所述中心站包括中心處理器，中心存儲器以及從所述多個(gè)傳感器單元發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的天線，所述中心站基于從所述多個(gè)傳感器單元接收的數(shù)據(jù)來產(chǎn)生警報(bào)。
59.根據(jù)權(quán)利要求58的系統(tǒng)，其中所述警報(bào)基于由所述多個(gè)傳感器單元傳感的有毒生物物質(zhì)的數(shù)目和類型而產(chǎn)生。
60.根據(jù)權(quán)利要求58的系統(tǒng)，還包括用來將從所述多個(gè)傳感器單元接收的信息發(fā)送到所述中心站，以及將信息發(fā)送到所述多個(gè)傳感器單元的路由器單元。
61.根據(jù)權(quán)利要求59的系統(tǒng)，還包括用來將從所述多個(gè)傳感器單元接收的信息發(fā)送到所述中心站，以及將信息發(fā)送到所述多個(gè)傳感器單元的路由器單元。
62.根據(jù)權(quán)利要求60的系統(tǒng)，其中所述多個(gè)傳感器單元的每個(gè)直接從所述多個(gè)傳感器單元的一個(gè)或多個(gè)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。
63.根據(jù)權(quán)利要求61的系統(tǒng)，其中所述多個(gè)傳感器單元的每個(gè)直接從所述多個(gè)傳感器單元的一個(gè)或多個(gè)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。
全文摘要
一種使用多種功能的綜合以及設(shè)計(jì)成并以各個(gè)硅芯片形式實(shí)現(xiàn)的單元，描述為傳感器單元來檢測生物物質(zhì)的方法和裝置。一套傳感器單元作為一組的使用產(chǎn)生分布式檢測、鑒別和警報(bào)網(wǎng)絡(luò)。傳感器單元的分布便于不同生物物質(zhì)的現(xiàn)場檢測，例如病毒、細(xì)菌、孢子、過敏原以及可以懸浮在多種介質(zhì)(空氣、液體、血液等)中的其他毒素。除了檢測/傳感之外，各個(gè)傳感器單元執(zhí)行數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)開發(fā)、數(shù)據(jù)存儲、統(tǒng)計(jì)分析和數(shù)據(jù)傳輸。在彼此附近使用的一套傳感器單元可以指定為一組，并且用作具有到路由器以及進(jìn)一步到中心計(jì)算機(jī)用于擴(kuò)展的數(shù)據(jù)綜合、分析和決策支持的一致可靠數(shù)據(jù)流的分布式傳感網(wǎng)絡(luò)。組的使用便于實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)的安全性和更廣泛的傳感能力。
文檔編號G01N27/26GK1946836SQ200480038374
公開日2007年4月11日 申請日期2004年11月19日 優(yōu)先權(quán)日2003年11月20日
發(fā)明者維拉迪斯拉維·A·奧雷尼克 申請人:生物預(yù)警有限公司