(57)【要約】  製造及びモニタリングシステムで使用されるＲＦＩＤセンサを較正するための方法及びシステムが提供される。この方法は、ＲＦＩＤセンサアンテナのインピーダンスを測定し、インピーダンスの測定値を１以上のパラメータ（物理的、化学的、及び生物学的特性など）に関連づけ、１以上の分析フィット係数を計算し、１以上の分析フィット係数をＲＦＩＤセンサのメモリチップに記憶させることを含む。ＲＦＩＤセンサのインピーダンスを測定することは、複素インピーダンススペクトル、インピーダンスの位相角及び大きさ、複素インピーダンスの実数部の最大値の１以上の周波数、複素インピーダンスの実数部の大きさ、ゼロリアクタンス周波数、複素インピーダンスの虚数部の共振周波数、及び複素インピーダンスの虚数部の反共振周波数を測定することを含む複素インピーダンスを測定することを含むことができる。ＲＦＩＤセンサからなる製造又はモニタリングシステムがさらに提供され、ＲＦＩＤセンサは、メモリチップ、アンテナ、及び感知フィルムを含み、分析フィット係数は、ＲＦＩＤセンサを較正できるようにするためにメモリチップに記憶される。ＲＦＩＤセンサからなる製造又はモニタリングシステムがさらに提供され、ＲＦＩＤセンサは、メモリチップ、アンテナ、及びアンテナに取り付けられた相補センサを含み、事前較正型の相補センサはアンテナのインピーダンスに予想通りに影響を与える。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
製造及びモニタリングシステムで使用されるＲＦＩＤセンサの較正方法であって、
ＲＦＩＤセンサアンテナのインピーダンスを測定し、
前記ＲＦＩＤセンサアンテナのインピーダンスの測定値を１以上のパラメータに関連づけ、
１以上の分析フィット係数を計算し、
前記１以上の分析フィット係数を前記ＲＦＩＤセンサのメモリチップに記憶させる
ことを含む方法。
【請求項２】
インピーダンスを測定することが複素インピーダンスを測定することを含む、請求項１記載の方法。
【請求項３】
複素インピーダンスを測定することが、前記複素インピーダンスの実数部の大きさの周波数、前記複素インピーダンスの実数部の共振ピーク位置、前記複素インピーダンスの虚数部の共振周波数、前記複素インピーダンスの虚数部の反共振周波数、ゼロリアクタンス周波数、共振のＱ、ピーク幅、及び前記アンテナの前記複素インピーダンス応答のピーク対称性のうちの１つ以上を測定することを含む、請求項２記載の方法。
【請求項４】
インピーダンスを測定することが前記インピーダンスの位相角及び大きさを測定することを含む、請求項１記載の方法。
【請求項５】
前記１以上のパラメータが製造又はモニタリングシステム内の測定可能な変数である、請求項１記載の方法。
【請求項６】
前記測定可能な変数が物理的、化学的、及び生物学的特性のうちの１つ以上を含む、請求項５記載の方法。
【請求項７】
物理的、化学的、及び生物学的特性が、温度、圧力、材料濃度、導電率、誘電特性、電離放射線の線量、及び光強度を含む、請求項６記載の方法。
【請求項８】
前記関連づける段階が、前記１以上のパラメータの変化と相互に関連する前記インピーダンスの測定値の変化を識別することを含む、請求項１記載の方法。
【請求項９】
前記１以上のパラメータの変化が、前記１以上のパラメータのディメンション、量、又は容量に関連する、請求項８記載の方法。
【請求項１０】
前記関連づける段階が、１以上の干渉要因の変化と相互に関連する前記インピーダンスの測定値の変化を識別することと、前記インピーダンスの測定値と、前記１以上の干渉要因がある状態で生じる前記１以上のパラメータの変化との間の応答関係を識別することとをさらに含む、請求項８記載の方法。
【請求項１１】
前記干渉要因が、前記ＲＦＩＤセンサアンテナの前記インピーダンスの測定値を前記１以上のパラメータに関連づけることを困難にするか、遮断するか、又は妨害する、請求項１０記載の方法。
【請求項１２】
前記計算する段階が一変量又は多変量分析を含む、請求項１記載の方法。
【請求項１３】
前記メモリチップが約１００ｋＨｚから約１０ＧＨｚの範囲に割り当てられた無線周波数領域のうちの１つ以上に対して動作する、請求項１記載の方法。
【請求項１４】
請求項１記載の方法で較正したＲＦＩＤセンサを動作させる方法であって、
１以上のパラメータにさらされている間にＲＦＩＤセンサのインピーダンスを測定し、
前記記憶された１以上の分析フィット係数を使用して前記インピーダンスを前記１以上のパラメータの測定値に変換し、
前記１以上のパラメータの前記測定値を表示デバイス又は制御デバイスに適宜送る
ことをさらに含む方法。
【請求項１５】
対照測定システムを使用して前記１以上のパラメータの測定値を取得し、
前記対照測定システムの使用による前記１以上のパラメータの前記測定値を、前記記憶された１以上の分析フィット係数を使用して前記インピーダンスを変換することに由来する前記測定値と比較し、
前記比較された測定値に基づいて前記分析フィット係数を調整し、
前記調整された分析フィット係数を前記ＲＦＩＤセンサの前記メモリチップに記憶させることをさらに含む、請求項１４記載の方法。
【請求項１６】
前記対照測定システムが、既知の標準規格を使用して１以上のパラメータを測定することを含む、請求項１５記載の方法。
【請求項１７】
前記既知の標準規格が、対照基準サンプル、製造較正器、又は較正セットのうちの１つ以上を含む、請求項１６記載の方法。
【請求項１８】
前記ＲＦＩＤセンサのインピーダンスを測定することが製造又はモニタリングプロセス中に行われる、請求項１記載の方法。
【請求項１９】
前記ＲＦＩＤセンサの前記メモリチップにデジタル識別を記憶し、表示デバイス又は制御デバイスに前記記憶されたデータを適宜送ることをさらに含む、請求項１記載の方法。
【請求項２０】
前記デジタル識別が、前記ＲＦＩＤセンサに関連する部品の部品識別、アセンブリ、用途、補正係数、較正、製作履歴、保存期限、及び有効期限に関する情報のうちの１つ以上を含む、請求項１９記載の方法。
【請求項２１】
ＲＦＩＤセンサアンテナの前記インピーダンスの測定値が複数のＲＦＩＤセンサアンテナのインピーダンスの測定値をさらに含む、請求項１記載の方法。
【請求項２２】
前記ＲＦＩＤセンサが相補センサをさらに含む、請求項１記載の方法。
【請求項２３】
ＲＦＩＤセンサを含む製造又はモニタリングシステムであって、
前記ＲＦＩＤセンサが、
メモリチップと、
アンテナと
を含んでなり、
分析フィット係数が、前記ＲＦＩＤセンサの較正を可能にするために前記メモリチップに記憶される、製造又はモニタリングシステム。
【請求項２４】
相補センサをさらに含む、請求項２３記載のＲＦＩＤセンサ。
【請求項２５】
前記相補センサがパラメータの変化に対する測定された応答を供給するように構成され、前記測定された応答が、前記相補センサの抵抗の変化、前記相補センサのキャパシタンスの変化、前記相補センサのインダクタンスの変化、及びそれらの組合せからなる群から選択される、請求項２４記載のＲＦＩＤセンサ。
【請求項２６】
前記パラメータの変化が化学的、物理的、又は生物学的特性である、請求項２５記載のＲＦＩＤセンサ。
【請求項２７】
前記相補センサが、前記ＲＦＩＤセンサの前記アンテナ、前記メモリチップ、又は前記アンテナ及び前記メモリチップの両方に接続される、請求項２４記載のＲＦＩＤセンサ。
【請求項２８】
前記ＲＦＩＤセンサの前記メモリチップに記憶されたデジタル識別をさらに含む、請求項２３記載のＲＦＩＤセンサ。
【請求項２９】
前記デジタル識別が、前記ＲＦＩＤセンサに関連する前記部品の部品識別、アセンブリ、用途、補正係数、較正、製作履歴、保存期限、及び有効期限に関する情報のうちの１つ以上を含む、請求項２８記載のＲＦＩＤセンサ。
【請求項３０】
前記ＲＦＩＤセンサが製造デバイス又はモニタデバイスに組み込まれる、請求項２３記載のＲＦＩＤセンサ。
【請求項３１】
前記製造デバイス又は前記モニタデバイスが複数のＲＦＩＤセンサを含む、請求項３０記載のＲＦＩＤセンサ。
【請求項３２】
前記ＲＦＩＤセンサが、コンピュータラップトップ、携帯電話、又は携帯情報端末（ＰＤＡ）などのネットワークデバイスの一部であり、前記ネットワークデバイスが１以上のＲＦＩＤセンサを読み取るためのＲＦＩＤリーダを有する、請求項２３記載のＲＦＩＤセンサ。
【請求項３３】
請求項１記載の方法で較正したＲＦＩＤセンサを動作させる方法であって、
１以上のパラメータにさらされている間にＲＦＩＤセンサのインピーダンスを測定し、
前記記憶された１以上の分析フィット係数を使用して前記インピーダンスを前記１以上のパラメータの測定値に変換し、
リーダ／ライタデバイスを使用して前記測定値を書き込むことによって前記測定値を前記ＲＦＩＤセンサの前記メモリチップのメモリに記憶させ、
前記１以上のパラメータの前記測定値を表示デバイス又は制御デバイスに適宜送る
ことをさらに含む方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、シングルユース又はマルチユース部品からなる製造及びモニタリングシステムで使用される無線周波数識別（ＲＦＩＤ）センサに関し、より詳細には、ＲＦＩＤセンサの較正用システム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
シングルユース使い捨て装置及び部品は、生産コミュニティ、特に、生物薬剤、食品、飲料、及び包装産業界からかなり大きい関心がもたれている。シングルユースの使い捨てモニタリング装置は、モニタリングコミュニティ、特に初期対応者からもかなり大きい関心がもたれている。シングルユース部品は柔軟性、移動性、全体的なプロセス効率、並びに洗浄及び殺菌手続きの削減、より低い相互汚染の危険性、及び製造資本コストの低減を提供する。生物薬剤製作用のあらゆるシングルユースの使い捨て技術が、緩衝液の貯蔵及び混合などの単純な業務用に市販されており、さらに発酵などの複雑な用途に急速に拡大している。プロセスパラメータのモニタリングは、使い捨てシステムの全体にわたって配置されたＲＦＩＤセンサを使用して達成することができる。
【０００３】
使い捨てＲＦＩＤセンサを使用して主要環境パラメータを正確にモニタリングするのは、安全及びプロセス記録を確実なものにすること、並びに製造工程間の相互汚染の危険をなくすことにとって重要である。食品、飲料、及び包装産業界において、ＲＦＩＤセンサによる主要環境パラメータの正確なモニタリングは食品及び飲料の品質を保護するのに有用である。しかし、使い捨てモニタリング技術は、必要とされる程度の科学的精度を有するＲＦＩＤセンサがないことにより受け入れられていない。この精度の不足はひとつにはＲＦＩＤセンサ用の較正方法がないことに関連する。したがって、科学的精度を有する非侵襲的ＲＦＩＤモニタリング技術のための較正方法を提供することができる技術解決策が必要である。較正方法はシングルユース及びマルチユース部品に用途がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００５００８７２３５号明細書
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、シングルユース及びマルチユース部品の両方に用途を有する非侵襲的ＲＦＩＤモニタリング技術用の較正方法を提供する。
【０００６】
いくつかの実施形態では、製造及びモニタリングシステムで使用されるＲＦＩＤセンサの較正の方法が提供され、その方法は、ＲＦＩＤセンサアンテナのインピーダンスを測定し、ＲＦＩＤセンサアンテナのインピーダンスの測定値を１以上のパラメータに関連づけ、１以上の分析フィット係数を計算し、１以上の分析フィット係数をＲＦＩＤセンサのメモリチップに記憶させることを含む。
【０００７】
別の実施形態によれば、ＲＦＩＤセンサのインピーダンスを測定することは、複素インピーダンスの実数部の最大値の周波数、複素インピーダンスの実数部の大きさ、複素インピーダンスの虚数部の共振周波数、複素インピーダンスの虚数部の反共振周波数、ゼロリアクタンス周波数、位相角、インピーダンスの大きさのうちの１つ以上を測定することを含む複素インピーダンスを測定することを含む。
【０００８】
別の実施形態によれば、製造又はモニタリングシステムが提供され、このシステムはＲＦＩＤセンサを含み、ＲＦＩＤセンサは、メモリチップ、アンテナ、及び感知フィルムを含み、分析フィット係数は、ＲＦＩＤセンサを較正できるようにするためにメモリチップに記憶される。
【０００９】
別の実施形態によれば、製造又はモニタリングシステムが提供され、このシステムはＲＦＩＤセンサを含み、ＲＦＩＤセンサは、メモリチップ、アンテナ、並びにアンテナ及びメモリチップにわたる相補センサを含み、相補センサの電気的応答は、アンテナの複素インピーダンス応答の変化、アンテナの複素インピーダンス応答の共振ピーク位置、ピーク幅、ピーク高さ、ピーク対称性、複素インピーダンスの実数部の大きさ、複素インピーダンスの虚数部の共振周波数、複素インピーダンスの虚数部の反共振周波数、ゼロリアクタンス周波数、位相角、インピーダンスの大きさに変換される。
【００１０】
さらなる別の実施形態によれば、較正ＲＦＩＤセンサを動作させる方法が提供され、１以上のパラメータにさらされている間にＲＦＩＤセンサのインピーダンスを測定し、記憶された１以上の分析フィット係数を使用してインピーダンスを１以上のパラメータの測定値に変換し、リーダ／ライタデバイスを使用して測定値を書き込むことによって測定値をＲＦＩＤセンサのメモリチップのメモリに記憶させ、１以上のパラメータの測定値を表示デバイス又は制御部に適宜送ることを含む。
【００１１】
本発明のこれら及び他の特徴、態様、及び利点は、添付図面を参照しながら以下の詳細な説明が読まれるとき一層よく理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】ＲＦＩＤセンサの実施形態の動作を示す図である。
【図２】例示的ＲＦＩＤセンサの測定された応答（全複素インピーダンススペクトル、Ｆｐ、Ｚｐ、Ｆｚ、Ｆ１、及びＦ２）の一例を示す図である。
【図３】ＲＦＩＤセンサの製作プロセスの一実施形態を示す図である。
【図４】ＲＦＩＤセンサの一実施形態の較正段階のブロック図である。
【図５】干渉の存在が予想されるＲＦＩＤセンサの一実施形態の較正段階のブロック図である。
【図６】使い捨てバイオコンポーネントに組み込まれたＲＦＩＤセンサの較正プロセスの一実施形態を示すブロック図である。
【図７】使い捨てバイオコンポーネントに組み込まれたＲＦＩＤセンサの周期的検証及び較正プロセスの一実施形態を示すブロック図である。
【図８】ＲＦＩＤセンサ（センサＳ１）の一実施形態の温度応答の一例を示す図である。
【図９】単一ＲＦＩＤセンサＳ１の一実施形態からの温度応答の予測を示す図である。（Ａ）線形フィット、（Ｂ）二次フィット
【図１０】ＲＦＩＤセンサの測定された応答を示す図である。（ａ）較正前、（Ｂ）較正後
【図１１】様々な温度にさらされたＲＦＩＤセンサの一実施形態の測定された応答における変動を示す図である。（ａ）較正前、（Ｂ）較正後
【図１２Ａ】溶液導電率及び温度の変化の際のＲＦＩＤセンサの一実施形態の測定された応答（Ｆｐ及びＺｐ）の変動を示す図である。
【図１２Ｂ】溶液の温度及び導電率の同時変化がＲＦＩＤセンサの多変量応答に関連づけられる最初の２つの主成分の主成分分析プロットを示す図である。
【図１３】付属の相補キャパシタンスセンサがある場合及びない場合の湿度変化に起因するＲＦＩＤセンサの一実施形態の測定された応答を比較する図である。
【図１４】Ｆｐ、Ｆ１、Ｆ２、及びＺｐ応答パラメータを使用して温度効果と湿度効果との間を区別するためのＲＦＩＤセンサの一実施形態の機能を示す図である。
【図１５】湿度及び温度変化に起因するＲＦＩＤセンサの一実施形態の測定された応答を示す図である。
【図１６】水蒸気及びトルエン蒸気並びにそれらの混合物にさらされることに起因するＲＦＩＤセンサの一実施形態の測定された複素応答を示す図である。
【図１７】様々な濃度の（Ａ）水蒸気及び（Ｂ）トルエン蒸気にさらされることに起因するＲＦＩＤセンサの一実施形態の測定された複素応答の領域を示す図である。
【図１８】２つの異なる蒸気に対するＲＦＩＤセンサの一実施形態の測定された応答の較正プロットを示す図である。（Ａ）相対湿度としての水蒸気及び（Ｂ）トルエン蒸気
【図１９】水蒸気及びトルエン蒸気の個々の成分及び混合物へのＲＦＩＤセンサ応答の一実施形態の測定された応答を示す図である。
【図２０】ＲＦＩＤセンサの一実施形態がトルエン蒸気と水蒸気との混合物を分解することができたことを実証する主成分分析の結果を示す図である。
【図２１】付属のキャパシタンス蒸気センサを有するＲＦＩＤセンサの一実施形態の応答パターンを示す図である。
【図２２】ジクロロメタン蒸気をモニタするのに使用した抵抗性ＲＦＩＤ相補センサの一実施形態の動作を示す図であり、ＲＦＩＤセンサは２回の繰返しによる６つの蒸気濃度（０．０２、０．０４、０．７、０．１、０．１４、及び０．２Ｐ／Ｐｏ）にさらされた。
【図２３】使い捨てＲＦＩＤセンサの一実施形態を使用する飲料容器の非侵襲的モニタリングを示す図である。
【図２４】アンモニアガス用のＲＦＩＤセンサ線量計の一実施形態の測定された応答を示す図である。（Ａ）は異なる濃度のアンモニアガスにさらされた際の安定な信号の一例であり、（Ｂ）はＲＦＩＤアンモニア線量計用の較正曲線である。
【図２５】一変量及び多変量較正分析の使用によるＲＦＩＤセンサの一実施形態の較正の改善を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下の詳細な説明は例示であり、本発明の用途及び使用に関して本発明を限定するものではない。さらに、本発明の前述の背景技術又は図の以下の詳細な説明に示すいかなる理論によっても限定されないものである。
【００１４】
本明細書で開示される実施形態は、製造システム及びモニタリングシステムで使用されるＲＦＩＤセンサの較正を容易にする。そのようなＲＦＩＤセンサは様々な物理的、化学的、及び生物学的パラメータを測定するように構成される。各センサはデジタルＩＤを有し、センサの複素インピーダンスの測定値の変化によって１以上の関心パラメータに正確に反応するように較正される。さらに、関心パラメータにＲＦＩＤセンサを最初にさらすことなくＲＦＩＤセンサが自己較正できるようにする方法が開示される。
【００１５】
定義
特許請求される発明の内容をより明確により簡潔に説明し、指摘するために、以下の定義を以下の説明及び添付の特許請求の範囲で使用される特定の用語に与える。
【００１６】
「デジタルＩＤ」という用語は、ＲＦＩＤセンサのメモリチップのメモリに記憶されたすべてのデータを含む。このデータの限定されない例はセンサの製造者識別、利用者データ、及び較正である。
【００１７】
「モニタリングプロセス」という用語は、限定はしないが、センサのまわりで生じる物理的変化を測定することを含む。例えば、センサのまわりの物理的特性の変化に関連する生物薬剤、食品、又は飲料の製造プロセスの変化をモニタリングすることを含むモニタリングプロセス。モニタリングプロセスは、物理的変化並びに部品の組成又は位置の変化をモニタするこれらの産業プロセスを含むこともできる。限定されない例には、国土安全保障モニタリング、住宅保護モニタリング、環境モニタリング、臨床若しくは病床患者モニタリング、空港の警戒、入場切符発売、及び公開イベントが含まれる。
【００１８】
「パラメータ」という用語は、製造又はモニタリングシステムの中又は周辺の測定可能な環境変数を指すのに使用される。測定可能な環境変数は、物理的、化学的、及び生物学的特性のうちの１つ以上を含み、限定はしないが、温度、圧力、材料濃度、導電率、誘電特性、電離放射線の線量、光強度、及び環境条件の測定値を含む。
【００１９】
「主成分分析（ＰＣＡ）」という用語は、分析のために多次元データセットをより低い次元に低減するのに使用される数学処理手順を指す。主成分分析は固有分析とも呼ばれ、共分散行列又は相関行列を使用して行うことができる。
【００２０】
「保護材料」という用語は、限定はしないが、意図しない機械的、物理的、又は化学的な影響からセンサを保護し、一方、依然として期待する測定は行うことができるようにするＲＦＩＤセンサ上の材料を含む。例えば、期待する測定には溶液導電率測定を含むことができ、保護フィルムは溶液からセンサを隔てるが、しかし電磁界は溶液に入り込めるようにする。保護材料の一例は、機械的損傷及び摩耗からセンサを保護するためにセンサの上に施される紙フィルムである。保護材料の別の例は、測定のために液体中に置かれたときセンサを腐食から保護するためにセンサの上に施されるポリマーフィルムである。保護材料は、さらに、測定のために導電性液体中に置かれたときセンサのアンテナ回路の短絡から保護するためにセンサの上に施されるポリマーフィルムとすることもできる。保護フィルムの限定されない例は、紙、並びにポリエステル、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリエーテル、ポリカーボネート、及びポリエチレンテレフタレートなどのポリマーフィルムである。
【００２１】
本明細書で使用される「感知材料及び感知フィルム」という用語は、限定はしないが、環境との相互作用に際して複素インピーダンスセンサ応答に予想通りに再現性よく影響を与える機能を行うようにＲＦＩＤセンサ上に堆積された材料を含む。例えば、ポリアニリンなどの導電性ポリマーは、異なるｐＨの溶液にさらされた際に導電率を変化させる。そのようなポリアニリンフィルムがＲＦＩＤセンサ上に堆積されると、複素インピーダンスセンサ応答はｐＨに応じて変化する。したがって、そのようなＲＦＩＤセンサはｐＨセンサとして働く。そのようなポリアニリンフィルムが気相での検出のためにＲＦＩＤセンサ上に堆積される場合、複素インピーダンスセンサ応答は、アルカリ性（例えばＮＨ３）ガス又は酸性（例えばＨＣｌ）ガスにさらされる際にも変化する。センサフィルムは、限定はしないが、ポリマー、有機、無機、生物学的、複合物、及びナノ複合物のフィルムを含み、それらは、配置される環境に基づいて電気的特性又は誘電特性を変化させる。センサフィルムの限定されない追加の例は、ナフィオンなどのスルホン化ポリマー、シリコーン接着剤などの接着性ポリマー、ゾルゲルフィルムなどの無機フィルム、カーボンブラック−ポリイソブチレンフィルムなどの複合フィルム、カーボンナノチューブ−ナフィオンフィルムなどのナノ複合フィルム、金ナノ粒子−ポリマーフィルム、金属ナノ粒子−ポリマーフィルム、エレクトロスパンポリマーナノファイバ、エレクトロスパン無機ナノファイバ、エレクトロスパン複合ナノファイバ、及び任意の他のセンサ材料とすることができる。センサフィルム中の材料が液体環境に漏れないようにするために、センサ材料は、共有結合、静電結合、及び当業者に知られている他の標準技法などの標準技法を使用してセンサ表面に付着される。
【００２２】
本明細書で使用される「ＲＦＩＤタグ」という用語は、データを記憶するために電子タグを使用するデータ記憶及びレポート技術を指し、ＲＦＩＤタグは２以上の部品を含み、第１の部品は情報を記憶及び処理し、無線周波数信号を変調及び復調するための集積回路（メモリチップ）である。このメモリチップは他の特定の機能のために使用することもでき、例えば、キャパシタを含むことができる。また、アナログ信号用入力を含むこともできる。第２の部品は無線周波数信号を受信及び送信するためのアンテナである。
【００２３】
「ＲＦＩＤセンサ」という用語は、例えばＲＦＩＤタグのアンテナが、さらに、環境変化に応じて複素インピーダンスパラメータを変化させることによって感知機能を行う場合のような追加の感知機能を有する任意のＲＦＩＤタグである。そのようなＲＦＩＤセンサによる環境変化の正確な決定は複素インピーダンスの分析によって行われる。ＲＦＩＤタグはさらにアンテナ及び／又はメモリチップにわたって相補センサを取り付けることによってＲＦＩＤセンサに変換される。そのようなセンサを取り付けることによって、付属のセンサの電気的応答は、複素インピーダンス応答の同時変化、センサアンテナの複素インピーダンス応答の共振ピーク位置、ピーク幅、ピーク高さ及びピーク対称性、複素インピーダンスの実数部の大きさ、複素インピーダンスの虚数部の共振周波数、複素インピーダンスの虚数部の反共振周波数、ゼロリアクタンス周波数、位相角、並びにインピーダンスの大きさに変換される。
【００２４】
「シングルユース部品」という用語は、限定はしないが、使用後に廃棄するか又は再使用のために再調整することができる製造又はモニタリング装置、及び包装を含む。シングルユース製造部品は、限定はしないが、シングルユースの容器、バッグ、チャンバ、管、コネクタ、及びカラムを含む。食品産業におけるシングルユース包装は、限定はしないが、食品及び飲み物の包装、キャンディ及び菓子ボックスを含む。シングルユースモニタリング部品は、限定はしないが、シングルユースのカートリッジ、線量計、及びコレクタを含む。
【００２５】
「ライタ／リーダ」という用語は、限定はしないが、メモリチップのメモリにデータを書き込み読み取るデバイスと、アンテナのインピーダンスを読み取るデバイスとの組合せを含む。
【００２６】
方法
パッシブＲＦＩＤタグは機能するのに電池を必要とせず、メモリマイクロチップを含み、メモリマイクロチップがライタ／リーダとの通信のためにアンテナコイルに接続される。マイクロチップは、ライタ／リーダによって送られた無線周波数（ＲＦ）キャリア信号でタグを照射することによって読み取ることができる。ＲＦ場がアンテナコイルを通過すると、ＡＣ電圧がコイルの両端に生成される。この電圧はマイクロチップ中で整流され、マイクロチップ動作用のＤＣ電圧がもたらされる。マイクロチップは、ＤＣ電圧が所定のレベルに達すると機能するようになる。マイクロチップから後方散乱されたＲＦ信号を検出することによって、マイクロチップに記憶された情報を完全に識別することができる。パッシブタグとライタ／リーダとの間の距離は、動作周波数、ＲＦ電力レベル、ライタ／リーダの受信感度、アンテナ寸法、データ転送速度、通信プロトコル、及びマイクロチップ電力要件を含む設計パラメータによって決定される。ライタ／リーダとタグとの間の通信距離は一般に近接距離に制限されるが、それは、パッシブタグがライタ／リーダからのマイクロワットのＲＦ電力だけで動作するからである。１３．５６ＭＨｚで動作するパッシブタグでは、読取り距離は一般に数センチメートル以下である。デジタルＩＤ書き込み／読出し用の１３．５６ＭＨｚパッシブＲＦＩＤタグの動作の典型的周波数範囲は１３．５５３ＭＨｚから１３．５６７ＭＨｚである。ＲＦＩＤセンサのまわりの環境変化を感知するための１３．５６ＭＨｚパッシブＲＦＩＤセンサの動作の典型的周波数範囲は、約５ＭＨｚから約２０ＭＨｚまで、より好ましくは１０ＭＨｚから１５ＭＨｚある。この周波数範囲の要件は、１３．５６ＭＨｚで動作するライタ／リーダによりタグを認識できることであり、一方、ＲＦＩＤタグのセンサ部分は５ＭＨｚから２０ＭＨｚで動作することである。規定の電磁放射要件を超えないように、ＲＦＩＤセンサは低いＲＦ電力レベルで動作するように設計される。
【００２７】
パッシブＲＦＩＤタグ上に感知フィルムを堆積させると、ＲＦＩＤ化学的、生物学的、又は物理的センサが生成される。ＲＦＩＤ感知は、センサのまわりの物理的変化に応じたＲＦＩＤセンサの複素インピーダンスの変化を測定することによって行われる。物理的変化の例には、限定はしないが、温度、圧力、導電率、及び誘電特性が含まれる。アンテナコイルの周波数応答が、感知フィルムを堆積した後でタグの動作の周波数範囲を超えない場合、マイクロチップに記憶された情報は従来のＲＦＩＤライタ／リーダで識別することができる。同様に、インピーダンス分析計はアンテナコイルの複素インピーダンスを読み取り、複素インピーダンスの変化を注目する化学的及び生物学的種並びにセンサのまわりの物理的変化と相互に関連づけることができる。
【００２８】
図１は、ＲＦＩＤセンサの実施形態の動作を示す。ＲＦＩＤタグを化学感応フィルムで被覆することに基づいて、又は物理的感知用のＲＦＩＤタグを単に使用することによって、又は相補センサをアンテナに取り付けることによって、デジタルタグＩＤ及びタグアンテナの複素インピーダンスの両方が測定される。測定されたデジタルＩＤは、このタグが取り付けられている物体などのタグ自体の識別及びセンサの特性（例えば、様々な条件での較正曲線、製造パラメータ、有効期限など）に関する情報を提供する。多成分検出では、単一のＲＦＩＤセンサの複素インピーダンスの測定された実数部及び虚数部からの多数の特性を決定することができる。
【００２９】
図２は例示的ＲＦＩＤセンサの測定された応答の一例を示し、測定された応答はセンサの全複素インピーダンススペクトル並びにいくつかの個別に測定された特性Ｆｐ、Ｚｐ、Ｆｚ、Ｆ１、及びＦ２を含む。これらの特性には、複素インピーダンスの実数部の最大値の周波数（Ｆｐ、共振ピーク位置）、複素インピーダンスの実数部の大きさ（Ｚｐ、ピーク高さ）、ゼロリアクタンス周波数（Ｆｚ、インピーダンスの虚数部がゼロである周波数）、複素インピーダンスの虚数部の共振周波数（Ｆ１）、複素インピーダンスの虚数部の反共振周波数（Ｆ２）が含まれる。Ｆ１とＦ２との間の差はピーク幅に関連する。Ｆ１及びＦ２は等価回路の異なる成分に関連するので、Ｆ１及びＦ２は相互に関連しない。したがって、ピーク対称性は複素インピーダンスの変化によって影響される。他のパラメータは、全複素インピーダンススペクトル、例えば共振のＱ、位相角、及びインピーダンスの大きさを使用して測定することができる。全スペクトルの測定により、較正の精度及び精密さの改善がもたらされる。
【００３０】
ＲＦＩＤセンサがアンテナ及びメモリチップにわたる相補センサを含む場合、付属の相補センサの電気的応答は、アンテナの複素インピーダンス応答の変化、アンテナの複素インピーダンス応答の共振ピーク位置、ピーク幅、ピーク高さ、及びピーク対称性に変換される。付属の相補センサはメモリチップのアナログ入力には接続されず、ＲＦＩＤセンサのメモリチップのデジタル情報コンテンツを変化させない。本発明の相補センサはアンテナ複素インピーダンスを変化させ、メモリチップには信号を導入しない。
【００３１】
図３は相補センサを有するＲＦＩＤセンサの製作のプロセスの一実施形態を示す。ＲＦＩＤセンサのアンテナ１が製作される。アンテナの端部Ａ及びＢが、導体媒質（導体電線、導体ストリップ、又は導体ケーブルなど）を使用して、導体媒質が横切るアンテナの他の領域をこの導体媒質が電気的に短絡しないような方法で電気的に接続される。メモリチップ２はアンテナにガルバニック的に取り付けられる。チップはデジタル情報（デジタルＩＤ）を記憶するために使用される。メモリチップは、約１００ｋＨｚから約１ＧＨｚの範囲に割り当てられた無線周波数領域のうちの１つ以上に対して動作する。チップ２は、読取り／書き込みユニットから送信される無線周波数信号によって活性化される。相補センサ３はアンテナ１に取り付けられる。付属の相補センサの電気的応答は、アンテナの複素インピーダンス応答の変化、アンテナの複素インピーダンス応答の共振ピーク位置、ピーク幅、ピーク高さ及びピーク対称性、複素インピーダンスの実数部の大きさ、複素インピーダンスの虚数部の共振周波数、複素インピーダンスの虚数部の反共振周波数、共振のＱ、ゼロリアクタンス周波数、位相角、並びにインピーダンスの大きさに変換される。付属の相補センサはメモリチップのアナログ入力に接続されず、ＲＦＩＤセンサのメモリチップのデジタル情報コンテンツを変化させない。本発明の相補センサはアンテナ複素インピーダンスを変化させ、メモリチップには信号を導入しない。相補センサ３を有するＲＦＩＤセンサは、さらに、アンテナ１に取り付けられた同調キャパシタ４を有することができる。センサの電気的応答は、（１）優先的抵抗変化、（２）優先的キャパシタンス変化、（３）優先的インダクタンス変化、（４）抵抗及びキャパシタンスの同時変化、（５）インダクタンス及びキャパシタンスの同時変化、（６）抵抗及びインダクタンスの同時変化、（７）抵抗、インダクタンス、及びキャパシタンスの同時変化の７つのタイプのうちの１つとして特性評価することができる。ＲＦＩＤ相補センサの限定されない例は、サーミスタ、蒸気応答化学抵抗器、水導電率センサ、免疫感知導電率センサ、アプタマーベース導電率センサ、可変誘電特性を有する材料で充填されたインターデジタル電極センサ構造体、免疫感知インターデジタル電極センサ、アプタマーベースインターデジタル電極センサである。
【００３２】
図４は、ＲＦＩＤセンサの一実施形態の較正段階を示すブロック図である。センサ較正では、１以上のセンサが測定室などの試験環境又は使い捨てバイオコンポーネントに位置決めされる。多数のセンサの場合、試験環境における位置決め及び較正を同時に又は連続して行うことができる。１以上のセンサが、温度、溶液導電率、蒸気濃度、又は生体物質濃度などの所定のレベルの１以上の環境パラメータにさらされる。１以上のセンサの応答が測定され、環境パラメータとセンサ応答との間の分析関係が確立される。必要があれば、注目する環境パラメータの１つを超える値に対するセンサの応答が収集される。環境パラメータにセンサ応答を関連づける分析フィット係数が計算される。その結果得られる分析フィット係数はＲＦＩＤセンサのメモリチップに記憶される。
【００３３】
分析フィット係数は一変量較正又は多変量較正を使用して計算される。一変量較正では、センサ応答の単一の特性、例えば、Ｚｐの変化又はＦｐ、Ｆｚ、Ｆ１、及びＦ２の変化が環境パラメータ、例えば温度に関連づけられる。多変量較正では、センサ応答の１つを超える特性が注目する環境パラメータの値に関連づけられる。多変量較正は、較正用の全複素インピーダンススペクトル、又は個別に測定されたパラメータ（Ｚｐ、Ｆｐ、Ｆｚ、Ｆ１、Ｆ２）のうちの２つ以上、又はＲＦＩＤセンサの共振回路の応答から抽出することができる任意の他のパラメータのうちの２つ以上を利用する。これらの追加のパラメータの限定されない例は、ＲＦＩＤセンサの共振回路応答の共振のＱ、位相角、及びインピーダンスの大きさである。多変量分析ツールの限定されない例は、正準相関分析、回帰分析、非線形型回帰分析、主成分分析、判別関数分析、多次元尺度構成法、線形判別分析、ロジスティックス回帰、及び／又はニューラルネット分析である。
【００３４】
図５は、予想される干渉を伴うＲＦＩＤセンサの一実施形態の較正段階を示すブロック図である。センサ較正のために、センサは測定室などの試験環境に位置決めされる。単一のセンサ又は多数のセンサのいずれも試験環境に位置決めし較正することができる。センサは、所定の単一レベル又は１つを超えるレベルでの注目する１以上の環境パラメータ、及び１以上の干渉要因にさらされる。例えば、溶液導電率は注目する環境パラメータとすることができ、一方、溶液の温度変動は干渉要因とすることができる。
【００３５】
センサ応答、パラメータ値、及び干渉値に関連する分析フィット係数が計算される。分析フィット係数はＲＦＩＤセンサのメモリに記憶される。したがって、製造又はモニタリングプロセスにおける後続の用途でＲＦＩＤセンサを使用する際、分析フィット係数はセンサのメモリチップから読み出される。センサ応答は環境にさらされる際に収集され、センサ応答の値は記憶された解析フィット係数を使用して関心パラメータの値に変換され、パラメータの計算された値は表示デバイス若しくは制御デバイスに送られ、又はＲＦＩＤセンサのメモリチップのメモリに戻して記憶される。このデータの記憶はリーダ／ライタデバイスを使用して行われる。
【００３６】
代替として、ＲＦＩＤセンサの較正は、分析物を含むサンプル又は干渉要因にセンサをさらすことなく行うことができる。代わりに、十分に明確な誘電特性又は他の所望の特性を有する１以上の材料（固体、ゲル、粉末、液体など）が使用される。この材料はＲＦＩＤセンサの近くに配置され、この材料へのセンサの応答が記録される。この材料へのセンサ応答と分析物を含む実際のサンプル又は干渉要因との間の事前に確立された相関が較正のために使用される。１つを超える材料を使用していくつかの較正点を得ることができる。
【００３７】
図６は、使い捨てバイオコンポーネントに組み込まれたＲＦＩＤセンサの較正プロセスの一実施形態を示すブロック図である。図示のように、製造又はモニタリングプロセス用途では、記憶された分析フィット係数はＲＦＩＤセンサのメモリチップから読み出される。センサ応答は環境にさらされる際に収集され、センサ応答の値は解析フィット係数を使用して注目する環境パラメータの値に変換され、計算された環境値は表示デバイス若しくは制御デバイスに送られ、又はＲＦＩＤセンサのメモリチップのメモリに戻して記憶される。このデータの記憶はリーダ／ライタデバイスを使用して行われる。
【００３８】
図７は、使い捨てバイオコンポーネントに組み込まれたＲＦＩＤセンサの周期的検証及び較正プロセスの一実施形態を示すブロック図である。図示のように、製造又はモニタリングプロセスでは、ＲＦＩＤセンサの記憶された分析フィット係数はセンサのメモリチップから読み出される。センサ応答は環境にさらされる際に収集され、センサ応答の値は解析フィット係数を使用して注目する環境パラメータの値に変換され、計算された環境パラメータ値が得られる。
【００３９】
使い捨てバイオコンポーネントに組み込まれたＲＦＩＤセンサの較正を検証するために、注目する環境パラメータが対照測定システムを使用して測定される。例えば、ＧＥ  ＨｅａｌｔｈｃａｒｅからのＷａｖｅ  Ｂｉｏｔｅｃｈ使い捨てバイオリアクタでは、サンプルポートがバイオリアクタからの液体を無菌採集し、センサの較正を検証するのに使用可能である。対照測定システムを使用して、測定された環境応答の値が決定され、較正値がＲＦＩＤセンサから得られた値と比較される。これらの２つの値が測定精度以上に異なる場合、ＲＦＩＤセンサの分析フィット係数は調整され、新しい係数がＲＦＩＤセンサメモリチップに書き込まれる。
【実施例】
【００４０】
実施例１：複素インピーダンスの測定に基づく較正
１３．５６ＭＨｚのパッシブＲＦＩＤタグ（Ｔｅｘａｓ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ）を温度感知及び開示された較正方法の実証のために使用した。ＲＦＩＤセンサのデジタルＩＤはＳｋｙｔｅｋリーダで読み取られた。７つのＲＦＩＤセンサを、表１に示す読み取られたＩＤと共に使用した。
【００４１】
【表１】
2011524974.tif 000003
【００４２】
ＲＦＩＤセンサの複素インピーダンスの測定は、ネットワークアナライザ（Ｍｏｄｅｌ  Ｅ５０６２Ａ、Ａｇｉｌｅｎｔ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ）及びラップトップコンピュータで行われた。ネットワークアナライザを使用して、注目する範囲にわたって周波数を走査し、タグからの複素インピーダンス応答を収集した。データはＬａｂＶＩＥＷソフトウェアを使用して収集され、Ｍａｔｌａｂ（Ｔｈｅ  Ｍａｔｈｗｏｒｋｓ  Ｉｎｃ．（米国マサチューセッツ州ネイティック））で作動されたＫａｌｅｉｄａＧｒａｐｈ（Ｓｙｎｅｒｇｙ  Ｓｏｆｔｗａｒｅ（米国ペンシルベニア州レディング））及びＰＬＳ＿Ｔｏｏｌｂｏｘ（Ｅｉｇｅｎｖｅｃｔｏｒ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ，Ｉｎｃ．（米国ワシントン州マンソン））を使用して分析された。
【００４３】
較正曲線を構築するために、ＲＦＩＤセンサの複素インピーダンスのＦ１、Ｆ２、Ｆｐ、及びＺｐパラメータが、６５℃から３０℃にわたる温度の階段状変化に基づいて時間の関数として測定された。ＲＦＩＤセンサのうちの１つの典型的な温度応答が図８に提示され、それはＲＦＩＤセンサＳ１の一実施形態の再現可能な温度応答を実証している。単一のＲＦＩＤセンサＳ１からの温度応答の予測が図９Ａ及び９Ｂに提示されている。実験データの線形フィット及び二次フィットの示すところによれば、線形フィットと比較して二次フィットを使用して予測された温度値は改善されている。
【００４４】
様々なＲＦＩＤセンサの較正が複素インピーダンスの測定されたパラメータの初期値に基づいて達成された。表２は、所与の温度（３０℃など）におけるＲＦＩＤセンサ応答を測定することによって得られたセンサごとの較正値Ｆｐを示す。センサ較正では、Ｆｐ値がＲＦＩＤセンサの読み取り値から差し引かれた。したがって、３０℃での較正の後の初期読み取り値は０であった（図１０Ｂを参照）。この実施形態では、較正が単一の温度で行われたので、較正は単一点較正と呼ばれる。
【００４５】
【表２】
2011524974.tif 000004
【００４６】
図１０Ａは、較正なしで繰返し行われた４つの試験センサから収集されたデータ点をグラフで示す。図１０Ａは８０個のデータ点（センサ当たり８個の温度値×（Ｓ１×４回の繰返し）×（Ｓ２×２回の繰返し）×（Ｓ５×２回の繰返し）×（Ｓ６×２回の繰返し）を有する。データ点を使用して二次回帰、すなわち、９９．０％のＲ−Ｓｑ値で、Ｙ＝１３２３１０６１−３５３６．８３Ｘ−２４．４９１５Ｘ２に基づいて温度予測モデルを構築した。図１０Ａにおいて、データ点より上及び下の破線は、測定値からＦｐを予測するための信頼区間を示す。図１０Ａ及び１０Ｂの「ＣＩ」は「信頼区間」を指し、「ＰＩ」は「予測区間」を指す。
【００４７】
図１０Ｂは、３０℃での単一点較正プロセス後のＲＦＩＤセンサの応答を示す。二次方程式に基づいた温度予測モデルは、９９．９％のＲ−Ｓｑ値で、Ｙ＝１２７９５１−３５３６．８３Ｘ−２４．４９１５Ｘ２をもたらした。較正の後、ＲＦＩＤセンサからの測定されたＦｐ値から予測された温度の広がり（データ点より上及び下の破線で示す）は、図１０Ａに示す較正されていないセンサから低減されている。この結果は、ＲＦＩＤセンサが温度を正確に測定する能力が較正を使用して著しく改善されることを示している。
【００４８】
本発明の一実施形態では、ＲＦＩＤセンサＳ４を使用して、較正に基づいた温度測定の改善を実証した。図１１Ａは、較正の前のＲＦＩＤ温度センサＳ４の初期Ｆｐ値（値Ｆｐ−４１及びＦｐ−４２）を示す。このデータは、センサＳ４が、同様に使用した較正ＲＦＩＤセンサと比較して激しいオフセットを有することを実証している。Ｓ４オフセットは意図的なセンサミスアラインメントに起因する。初期値Ｆｐ−４１及びＦｐ−４２を使用してＲＦＩＤセンサＳ４を較正すると、ＲＦＩＤセンサＳ４の応答は、図１１Ｂに示されるように、他のセンサの応答と一致した。
【００４９】
実施例２：単一ＲＦＩＤセンサの使用による複数パラメータの測定
単一ＲＦＩＤセンサを使用して、１つより多いパラメータを別々に決定することができる。Ｔｅｘａｓ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ  ＲＦＩＤタグが、ＲＦＩＤタグをポリマーフィルムに貼り合わせることによって温度及び溶液導電率を検知するように構成された。得られたＲＦＩＤセンサの複素インピーダンスの測定が、ＬａｂＶＩＥＷを使用するコンピュータ制御下でネットワークアナライザ（Ｍｏｄｅｌ  Ｅ５０６２Ａ、Ａｇｉｌｅｎｔ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ，Ｉｎｃ．（米国カリフォルニア州サンタクララ））により行われた。ネットワークアナライザを使用して、注目する範囲にわたって周波数を走査し、ＲＦＩＤセンサからの複素インピーダンス応答を収集した。ＲＦＩＤセンサが取り付けられた容器にＮａＣｌ塩を加えて、溶液導電率変化を生成した。温度が漸増的に５℃から６０℃に上昇された環境室に容器全体及びＲＦＩＤセンサを位置決めすることにより温度を変更した。
【００５０】
図１２Ａは、溶液導電率及び温度の変化の際のＲＦＩＤセンサの一実施形態の測定された応答（Ｆｐ及びＺｐ）の変動を示す図である。最初に、温度が５℃と６０℃との間を繰り返される間、センサは空の容器内に保持された（図１２Ａの領域ａ）。次に、脱イオン水が加えられ（領域ｂ）、再度、温度が５℃と６０℃との間を繰り返された。約２３０時間の実験時間にわたるＮａＣｌの連続添加（領域ｃ、ｄ、ｅ、及びｆ）により、１８３ｍＳ／ｃｍまでの溶液導電率が生じた。複素インピーダンスの４つの測定されたパラメータ（Ｆｐ、Ｚｐ、Ｆ１、Ｆ２）はすべて主成分分析（ＰＣＡ）を使用してさらに分析された。図１２Ｂは、溶液の温度及び導電率の同時変化をＲＦＩＤセンサの多変量応答に関連づけた最初の２つの主成分の主成分分析プロットを示す図である。２−Ｄ応答（図１２Ｂ）は非線形２−Ｄ応答関数でさらにモデル化され、単一ＲＦＩＤセンサで複数パラメータを測定する能力を実証した。
【００５１】
実施例３：単一相補ＲＦＩＤセンサの使用による化学的及び物理的測定パラメータの区別
同時に起こる抵抗及びキャパシタンス変化を示す相補センサの動作を使用して、注目する様々なパラメータ間を区別することができる。注目するこれらのパラメータは異なった方法でセンサ応答に影響を与え、その結果、１以上のパラメータを選択的に測定することが可能である。
【００５２】
組合せ湿度・温度ＲＦＩＤセンサは、ＲＦＩＤタグに相補センサを取り付けることによって製作された。湿度センサ（Ｖａｉｓａｌａ  Ｉｎｃ．）がＴｅｘａｓ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ  ＲＦＩＤタグにそのアンテナを横切って取り付けられた。Ｖａｉｓａｌａ  Ｉｎｃ．からの湿度センサは湿度感知ポリマーで充填されたキャパシタ構造体である。湿度感知ポリマーの誘電特性が湿度に応じて変化する。しかし、これらの変化は温度感知性でもある。したがって、単一応答がＲＦＩＤセンサから測定される場合、信号応答への温度及び湿度の効果を識別することができない。ＲＦＩＤセンサからのいくつかのパラメータＦｐ、Ｚｐ、Ｆ１及びＦ２の測定により、この制限は克服される。
【００５３】
得られたＲＦＩＤセンサの複素インピーダンスの測定が、ＬａｂＶＩＥＷを使用するコンピュータ制御下でネットワークアナライザ（Ｍｏｄｅｌ  Ｅ５０６２Ａ、Ａｇｉｌｅｎｔ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ，Ｉｎｃ．（米国カリフォルニア州サンタクララ））により行われた。ネットワークアナライザを使用して、注目する範囲にわたって周波数を走査し、ＲＦＩＤセンサからの複素インピーダンス応答を収集した。湿度変化は、センサの端から端までパルス状湿り空気（約８０％ＲＨ）を与えることによって手動で生成された。温度変化は、室温（約２５℃）バックグラウンド応答から約３５℃まで白熱ランプからの熱パルスを与えることによって生成された。
【００５４】
図１３は、付属の相補キャパシタンスセンサがある場合及びない場合に湿度変化に起因するＲＦＩＤセンサの一実施形態の測定された応答を比較する。０から５００秒までの領域Ａは付属の相補センサで得られた測定値を示す。５００から２２００秒までの領域Ｂは、付属の相補センサなしで得られた測定値を示す。湿度の変化は応答信号中の３つの大きく鋭い変化に反映されている。比較すると、温度変化は応答信号中の２つのより小さくより広い変化によって反映されている。データは、相補キャパシタンスセンサがＲＦＩＤセンサに取り付けられた場合、著しく大きい信号を示している。
【００５５】
図１４は、Ｆｐ、Ｆ１、Ｆ２、及びＺｐ応答を使用して温度効果と湿度効果との間を区別するための相補センサを有するＲＦＩＤセンサの一実施形態の機能を示す。図示のように、温度効果は、Ｆｐ、Ｆ１、及びＦ２応答を比較すると、湿度効果と方向的に反対であり、Ｚｐの測定では方向的に同様の効果である。この効果は、付属の相補センサなしのＲＦＩＤセンサと比較して際立って異なる。図１５に示されるように、付属の相補センサのないＲＦＩＤセンサが同じ２つの環境変化にさらされる場合、湿度効果及び温度効果の方向は同じである。このデータによれば、適切に選択された相補センサは、データ収集（Ｆ１、Ｆ２、Ｆｐ、Ｚｐ）及び分析と結合された場合、測定された応答の選別に基づいて環境変化の間を区別することが実証される。
【００５６】
実施例４：相補ＲＦＩＤセンサの使用によるガス混合物の区別
相補センサの動作により、様々な環境パラメータ（様々な蒸気）にさらされた際に異なる応答を示すことができる。蒸気ＲＦＩＤセンサは、ＲＦＩＤタグに蒸気感知キャパシタセンサを取り付けることによって製作された。容量性センサ（Ｆａｒｎｅｌｌ  ＳＭＴＲＨ０５）がＴｅｘａｓ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ  ＲＦＩＤタグにそのアンテナを横切って取り付けられた。センサキャパシタはポリウレタンポリマーで被覆された。得られたＲＦＩＤセンサの複素インピーダンスの測定が、ＬａｂＶＩＥＷを使用するコンピュータ制御下でネットワークアナライザ（Ｍｏｄｅｌ  Ｅ５０６２Ａ、Ａｇｉｌｅｎｔ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ，Ｉｎｃ．（米国カリフォルニア州サンタクララ））により行われた。ネットワークアナライザを使用して、注目する範囲にわたって周波数を走査し、ＲＦＩＤセンサからの複素インピーダンス応答を収集した。蒸気変化（水蒸気及びトルエン蒸気）はコンピュータ制御測定室を使用して生成された。
【００５７】
図１６は、水蒸気及びトルエン蒸気並びにそれらの混合物にさらされることに起因するＲＦＩＤセンサの一実施形態の測定された複素応答を示す。図１６は６つの領域Ａ〜Ｆを示す。領域Ａは、蒸気濃度当たり３回の繰返し応答での６つの濃度増加における水蒸気へのセンサ応答を示す。領域Ｂは、蒸気濃度当たり３回の繰返し応答での３つの濃度増加におけるトルエン蒸気へのセンサ応答を示す。領域Ｃは、この蒸気濃度での３回の繰返し応答での１つの濃度の水蒸気へのセンサ応答を示す。領域Ｄは、この蒸気濃度での３回の繰返し応答での１つの濃度のトルエン蒸気へのセンサ応答を示す。領域Ｅは、３回の繰返し応答での水蒸気及びトルエン蒸気の１つの濃度における水蒸気とトルエン蒸気との混合物へのセンサ応答を示す。領域Ｆは、領域Ａ〜Ｅに示す蒸気濃度及びそれらの混合物へのセンサ応答の繰返しである。濃度当たり３回の繰返しでの水蒸気及びトルエン蒸気の異なる濃度増加への応答の領域が図１７に示される。図１７Ａは水蒸気の異なる濃度への応答を示し、図１７Ｂはトルエン蒸気の異なる濃度への応答を示す。
【００５８】
このデータは、センサがこれらの２つの蒸気に反対方向の応答で応答したことを示している。ＲＦＩＤセンサの応答の較正プロットが図１８に示され、一方、図１９は水及びトルエン蒸気の個々の成分及び混合物への応答を示す。図１９において、領域Ａは水蒸気に対応し、領域Ｂはトルエン蒸気に対応し、領域Ｃは水蒸気とトルエン蒸気との混合物に対応する。
【００５９】
図１６からのデータの主成分分析（ＰＣＡ）の結果が図２０に示される。これらの結果は、ＲＦＩＤセンサがトルエン蒸気と水蒸気との混合物を分解することができたことを実証している。これらの蒸気はセンサ応答に別々に影響を与え、したがって、蒸気及び蒸気混合物の性質を選択的に決定することが可能である。
【００６０】
実施例５：相補ＲＦＩＤセンサの使用による個別蒸気の区別
蒸気センサＲＦＩＤセンサは、コイル間の１００ミクロン間隔及び１００ミクロンコイル幅を有する１０×１０ｍｍのアンテナ、Ｔｅｘａｓ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓメモリチップ、Ｓｅａｃｏａｓｔ  Ｓｃｉｅｎｃｅ蒸気センサ、及び同調コンデンサを使用して製作された。同調コンデンサは、センサの共振応答と整合し、且つ１３．５６ＭＨｚ周波数帯域を使用してセンサのメモリチップの書き込み及び読取りを可能にするように構成された。Ｓｅａｃｏａｓｔ  Ｓｃｉｅｎｃｅ蒸気センサは、蒸気応答性金ナノ粒子−ポリマー複合フィルムで被覆されたキャパシタンスセンサである。得られたＲＦＩＤセンサの複素インピーダンスの測定が、ＬａｂＶＩＥＷを使用するコンピュータ制御下でネットワークアナライザ（Ｍｏｄｅｌ  Ｅ５０６２Ａ、Ａｇｉｌｅｎｔ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ，Ｉｎｃ．（米国カリフォルニア州サンタクララ））により行われた。ネットワークアナライザを使用して、注目する範囲にわたって周波数を走査し、ＲＦＩＤセンサからの複素インピーダンス応答を収集した。蒸気変化（トルエン蒸気及びアセトニトリル蒸気）は濃度当たり２回の繰返しでコンピュータ制御を使用して生成された。
【００６１】
図２１は、付属のキャパシタンス蒸気センサを有するＲＦＩＤセンサの一実施形態の応答パターンを示す。ピーク周波数Ｆｐは、トルエン蒸気及びアセトニトリル蒸気にさらされた際に反対方向にシフトする（図２１Ａ）。同様の応答パターンがＦ１応答及びＺｐ応答で観察される（図２１Ｂ、２１Ｄ）。しかし、Ｆ２応答は、図２１Ｃに示されるように異なる。したがって、相補センサは、単一センサがＲＦＩＤタグに取り付けられる場合、異なる化学種に対して異なる応答を与えるように設計することができる。
【００６２】
実施例６：ＲＦＩＤ相補センサの動作
相補センサの一実施形態の動作は、５０マイクロメートル幅及び５０マイクロメートル間隔であり、シリコン基板上に形成された１マイクロメートル厚の金電極で製作されたインターデジタル電極アレイを使用して行われた。電極は、ポリマーフィルムへのカーボンナノチューブの分散により被覆された。感知フィルムを含むカーボンナノチューブで被覆されたインターデジタル電極アレイは抵抗性相補蒸気センサとして働く。蒸気ＲＦＩＤセンサは、抵抗性相補センサをＴｅｘａｓ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ  ＲＦＩＤタグにそのメモリチップを横切って取り付けることによって製作された。得られたＲＦＩＤセンサの複素インピーダンスの測定が、ＬａｂＶＩＥＷを使用するコンピュータ制御下でネットワークアナライザ（Ｍｏｄｅｌ  Ｅ５０６２Ａ、Ａｇｉｌｅｎｔ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ，Ｉｎｃ．（米国カリフォルニア州サンタクララ））により行われた。ネットワークアナライザを使用して、注目する範囲にわたって周波数を走査し、ＲＦＩＤセンサからの複素インピーダンス応答を収集した。蒸気変化は、コンピュータ制御下で、ジクロロメタン溶媒をバブリングし、その結果得られた蒸気を一定総流量のキャリアガスで希釈することによって生成された。その結果、ジクロロメタン蒸気の６つの異なる濃度、すなわち、Ｐｏを飽和蒸気圧として、０．０２、０．０４、０．７、０．１、０．１４及び０．２Ｐ／Ｐｏが生成された。ＲＦＩＤセンサは２回の繰返しで各蒸気濃度にさらされ、応答が図２２に示されている。データはＺｐの変化に基づいた予測線形応答を示す。
【００６３】
実施例７：食品及び飲料品質用のＲＦＩＤ線量計
ＲＦＩＤセンサの一実施形態は、乳飲料の鮮度の非侵襲的決定に使用することができる。ＲＦＩＤセンサによる非侵襲的決定はオリジナルの牛乳カートンの壁を通して直接行われた。２つの異なるタイプの牛乳、すなわち無脂肪牛乳及び全乳を評価のために使用した。牛乳劣化速度を決定するために、ＲＦＩＤセンサが接着性フィルムで牛乳カートンの側壁に取り付けられた。貯蔵中の２つのタイプの牛乳の誘電特性の変化を感知するためにＴｅｘａｓ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ１３．５６ＭＨｚＲＦＩＤタグを使用した。実験は室温で行われた。第３のＲＦＩＤセンサが水で充填されたカートンに取り付けられ、その信号の変化を対照基準として使用した。センサは、センサの面からの電磁界浸透深さを利用し、牛乳カートンのオリジナルの薄い壁を通して分析を直接行うことによって溶液誘電定数の変化を室温で実験の蓄積時間の関数としてモニタした。
【００６４】
３つのＲＦＩＤセンサの複素インピーダンスの測定が、ＬａｂＶＩＥＷを使用するコンピュータ制御下でネットワークアナライザ（Ｍｏｄｅｌ  Ｅ５０６２Ａ、Ａｇｉｌｅｎｔ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ，Ｉｎｃ．（米国カリフォルニア州サンタクララ））により行われた。ネットワークアナライザを使用して、注目する範囲にわたって周波数を走査し、ＲＦＩＤセンサからの複素インピーダンス応答を収集した。図２３は、室温での２つのタイプの牛乳の状態及び対照基準の実時間非侵襲的モニタリングの結果を示す。このデータは、全乳及び無脂肪牛乳の劣化の異なる速度をモニタした対照基準ＲＦＩＤセンサの安定した応答、及び対照基準ＲＦＩＤセンサの信号変化がないことを示している。
【００６５】
この例は、ＲＦＩＤセンサの単一点較正が食品劣化速度などの動的プロセスを確定することができることを実証している。このように、センサを食品容器に取り付けることができ、製造又は貯蔵のときにセンサの複素インピーダンスパラメータ又は全スペクトルを基準用にＲＦＩＤタグのメモリチップに記憶することができる。
【００６６】
動的プロセス又は定常状態プロセスのより大規模モニタリングでは、冗長ＲＦＩＤセンサを使用することができる。冗長度は、センサ故障に基づくセンサ間の偏差を低減することによって較正品質を改善する。このように、設置されたＲＦＩＤセンサの較正は、１以上の対照基準ＲＦＩＤセンサを使用することによって行われる。この較正手法により、設置されたＲＦＩＤセンサの読取りが対照基準ＲＦＩＤセンサの読取りと比較される。図２３において、使い捨てＲＦＩＤセンサの一実施形態を使用する飲料容器の非侵襲的モニタリングが示され、対照基準センサは信号変化を示さない。
【００６７】
実施例８：有毒工業薬品にさらすためのＲＦＩＤ線量計
有毒工業薬品のモニタリングは、産業安全及びモニタリングなどの様々な用途で決定的に重要となる。アンモニアガスなどの有毒工業薬品の検出のために、Ｔｅｘａｓ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ１３．５６ＭＨｚＲＦＩＤタグがポリアニリンポリマーフィルムで被覆され、フローセルに位置決めされた。アンモニアガスが様々な濃度（４、８、１４、２０、２８、及び４０ｐｐｍ）でフローセルに導入された。図２４は、アンモニアガス用のＲＦＩＤセンサ線量計の一実施形態の測定された応答を示す。（Ａ）は異なる濃度のアンモニアガスにさらされた際の安定な信号の一例であり、（Ｂ）はＲＦＩＤアンモニア線量計用の較正曲線である。垂直棒の幅（４、８、１４、２０、２８及び４０とラベル付けされたグラフの最上部）はアンモニアガスへの暴露の時間を示す。ＲＦＩＤセンサ線量計は、ある特定のアンモニア濃度への暴露の際のアンモニアへの個々の応答を蓄積する。この応答はある期間にわたって実質的に変化しないままであり、それにより、読取り精度を損なうことなく、交代制勤務の終わりにおけるような後の時間にＲＦＩＤセンサ線量計の読取りが可能になる。
【００６８】
一実施形態では、同じ条件下で多数のＲＦＩＤセンサ線量計を製作し、ＲＦＩＤセンサの選択されたサブセットから様々な濃度における注目する分析物又は干渉への応答を取得することを、ＲＦＩＤセンサ線量計を較正するのに使用することができる。得られた応答曲線を製作された残りのＲＦＩＤセンサ線量計で使用して、それらの応答から分析物又は干渉の濃度が予測される。
【００６９】
一代替実施形態では、同じ条件下で製作された多数のＲＦＩＤセンサ線量計を注目する分析物又は干渉にさらし、それらの応答を記録することができる。応答曲線の構築の後、ＲＦＩＤセンサ線量計は、分析物がない状態でのオリジナルの応答にリセットされる。
【００７０】
実施例９：全複素インピーダンススペクトル分析を使用することによるＲＦＩＤ応答の改善
ＲＦＩＤセンサ応答は、分析をスペクトルからの単一のパラメータ又はいくつかのパラメータだけに制限するのではなく複素インピーダンススペクトル全体を分析することによって改善することができる。この方法を確認するために、ガスＲＦＩＤセンサがトルエン蒸気にさらされ、ＲＦＩＤセンサ応答が記録された。センサ応答における信号変化の量と雑音との間の信号対雑音比が評価された。
【００７１】
図２５は、一変量及び多変量較正分析の使用によるＲＦＩＤセンサの一実施形態の較正における改善を示す。図２５Ａは３つのＲＦＩＤセンサ応答を示す。応答は、単一パラメータ（Ｆｐ）をモニタし、主成分まで低減された４つのパラメータ（Ｆｐ、Ｚｐ、Ｆ１、Ｆ２）の一次結合をモニタし、同様に主成分まで低減されたスペクトル全体をモニタすることから得られた。３つのＲＦＩＤセンサ応答は同じ応答大きさを有するように正規化された。比較によって、図２５Ｂは、それぞれの信号分析法を使用して生成された雑音の量を示す。明瞭にするために、図２５Ｂに示す３つのトレースは垂直にオフセットされた。センサ応答の信号強度を取得し、それを応答における雑音の量で除算して、３つの応答の各々の信号対雑音が計算された。このようにして、一変量パラメータ（Ｆｐ）だけを使用して分析された信号の信号対雑音は６５であり、４つのパラメータ（Ｆｐ、Ｆ１、Ｆ２、Ｚｐ）の多変量応答を使用して分析された信号の信号対雑音は８５であり、全スペクトルの多変量応答を使用して分析された信号の信号対雑音は２００であった。ＲＦＩＤセンサの応答の改善のこの方法は、小さい又はトレース分析物濃度の検出に有用である。
【符号の説明】
【００７２】
１  アンテナ
２  メモリチップ
３  相補センサ
４  同調キャパシタ
【図１】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２】
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【図２５】
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【国際調査報告】
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