專利名稱：用于生物工藝環境中的小功率傳感器的無接觸電力方案的制作方法
用于生物工藝環境中的小功率傳感器的無接觸電力方案本申請要求2008年3月26日提交的美國專利申請No.12/079,396的優先權，在 此以參見的方式引入其公開內容。
背景技術：
RFID標簽和其它電子設備例如Bluetooth和Sgbee設備的使用已經變得非常流
行，特別是用于管理器材，尤其是用于庫存管理。例如，RFID標簽的使用允許監測生產 線和通過供應鏈的器材和零件的移動。為了進一步說明該概念，生產實體可以在零件進入生產設備時將RFID標簽粘附 于零件。這些零件隨后被插入生產流程中，與其它零件一起形成子組件，并最終形成成 品。RFID標簽的使用允許生產實體內的人員跟蹤特定零件在整個生產過程中的移動。它 還允許該實體能夠識別包括任何具體組件或成品的特定零件。另外，RFID標簽的使用也已在醫藥行業中被提倡。在2004年2月，美國聯邦 藥物管理局發出了一份報告來提倡使用RFID標簽以標識和監測藥物。這是一種嘗試以提 供來源并限制假冒處方藥物流入市場并供給消費者。自其引入到現在，RFID標簽已經用于許多應用，例如識別和提供用于過濾器 產品中的過程控制的信息。1997年授予Den Dekker的美國專利5,674,381 (美國再版專 利39,361E)公開了使用“電子標簽”來用于過濾設備和可更換的過濾器組件。具體來 說，該專利公開了具有電子標簽的過濾器，該電子標簽具有讀/寫存儲器和相關的過濾 設備，該過濾設備具有響應于標簽的讀出裝置。電子標簽適于計算和存儲可更換過濾器 的實際操作時間。過濾設備適于基于該實時數而允許使用或拒絕過濾器。該專利還公開 了可以使用電子標簽來存儲關于可更換過濾器的識別信息。授予的Baker等的美國專利No.7,259,675公開了過程裝備跟蹤系統。該系統包括 使RFID標簽用于過程裝備。描述的RFID標簽能夠存儲“至少一個可跟蹤事件”。該 可跟蹤事件被列舉為清潔日期和批量處理日期。該公開物還公開了可以連接于PC或互聯 網的RFID讀出器，這里存在過程裝備數據庫。該數據庫包含多個可跟蹤事件并能夠供給 信息以可用來確定“基于累積數據的過程裝備的服務壽命”。該申請包括使用這種類型 的系統具有多種過程裝備，例如閥、泵、過濾器和紫外線燈。除了 RFID標簽，過濾元件中也可以包含其它電子設備。授予Jornitz的美國專 利No.7,048,775公開了用于監測過濾裝置的完整性的設備和方法。該專利描述了使用含有在線存儲芯片和通訊設備的過濾器，與過濾器的殼體一 起使用。過濾器殼體用作監測和完整性測試器。該申請還公開使用一系列步驟來確保用 于多圈殼體的過濾元件的完整性。這些步驟包括詢問存儲元件以驗證正在使用的過濾器 的類型、其極限數據和其生產發放數據。越來越多的其它電子設備例如傳感器，包括壓力傳感器、溫度傳感器和濃度傳 感器，已經添加到過濾元件中以進一步擴展這些設備的性能。共同待決的美國專利申請 公開物No.2007/0240578、2007/0243113和2007/0240492都描述了另外的電子設備，其能夠添加到過濾元件中來改善系統性能和實用性。但是，盡管添加先進的電子設備到過濾元件的能力和愿望在快速增加，仍然存 在有顯著的缺陷。例如，對不銹鋼(或其它金屬)殼體內的電子設備發出有效通訊仍然 存在問題。類似地，一次性生物工藝系統也可以具有無線電力和通訊困難。在這種環境 中，一次性零件經常與一個或多個無線電子設備例如RFID標簽、溫度或壓力傳感器或其 它合適的零件相匹配。雖然這些一次性系統沒有包含在金屬殼體中，但是它們的環境在 電氣方面仍然是復雜的。例如，典型的生物工藝系統要通過流體。已知流體或其它水性 環境扭曲或削弱無線信號，并因此對任何無線電力或通訊有負面影響。另外，這些一次 性系統雖然主要由塑料構成，但經常由金屬結構或定位器支撐。這些金屬結構如同流體 那樣會降低或扭曲它們附近的無線信號。此外，一次性生物工藝裝備的尺寸會足夠大以 使一次性零件內的從天線到傳感器的距離成為問題。因此，一次性系統會遇到與無線通 訊和電力相同的問題，其影響包含在傳統的殼體環境中的生物工藝系統。因此，需要一種對電氣復雜的生物工藝環境中的設備進行通訊和無線供電的更 加可靠的系統和方法。
發明內容
本發明最小化了現有技術的問題，其公開了對電氣復雜的生物工藝環境中的傳 感器提供更加可靠的無線通訊和供電的方法和設備。不相連的天線位于生物工藝環境中。實際上，該不相連的天線是未充電的電磁 諧振電路，設計成與充電的天線諧振，發出特定頻率。該不相連的天線也稱作反射天 線，加強并控制由充電的天線所產生的電磁場。該反射天線集成于或鄰近于包含傳感器 的設備或通訊設備中。由于電磁感應取決于天線的設計或形狀，反射天線可以是磁環或 電偶極。在一個實施例中，感應場由環天線產生。該環天線的位置可以由生物工藝環境 內的條件所限制。例如，將環過于靠近過濾元件中的通訊設備是不可行的。這有多種原 因，包括環可以對溫度分布或流體流的影響方面的考慮。因此，感應環的功效被損害。 這個事實加上環境中的流體和金屬量，會極大地降低感應環的性能。通過在系統中的電子零件中或附近放置反射天線，電磁場可以得到加強并且受 到正確的限制。在一個實施例中，反射天線集成在過濾殼體中。在另一個實施例中，它 被集成在過濾器元件自身中。在又一個實施例中，它被集成在一次性生物工藝零件例如 生物反應袋和管中。
圖1示出了本發明的主要零件的簡化示意圖；圖2示出了可以用于本發明的一個實施例的代表性不銹鋼殼體；圖3示出了用于本發明的一個實施例的感應環；圖4示出了本發明的一個實施例；以及圖5示出了本發明的第二實施例。
具體實施例方式眾所周知，可以利用感應來給沒有物理連接的設備提供電力。通常，線圈被纏 繞數次并且其中通過交流。這種交流產生圍繞線圈變化的磁場。隨后可以使用與第一線 圈物理隔開且遠離的第二線圈來將該變化的磁場轉換回交流。設備隨后可使用該交流來 為其集成電子部件供電。圖1示出了用于本發明的主要零件的簡化示意圖。充電回路200連接于優選供 應交流的電源210。電流振蕩的頻率對于本發明并不重要，所有的頻率都是可行的。在 某些實施例中，由于電磁場與可能存在的任何其它無線活動的相互作用，特定的頻率或 頻率范圍會是優選的。例如，在特定的實施例中，無線通訊可以發生在2.4GHz。在這 種情況下，充電回路的頻率可以優選在兆赫范圍，例如13.56MHz或950MHz。電路200 之上示出有相關的電子設備220。該設備220可以是傳感器、RFID標簽或任何其它合適 的電子零件或零件組。因為電子部件集成在設備中，它還已知為小型設備。另外，該設 備通常還具有通訊零件，例如無線發送器。該設備還可以包括存儲元件，例如RAM或 ROM。設備220內是小環天線，適于接收電路200產生的電磁場并將其轉換成交流。設 備220內產生的電能隨后用于對該小型設備內的其余電子部件供電。供給設備的能量的 數量取決于設備附近的電磁場的強度以及與設備內的線圈尺寸和繞組數量相關的磁通量 密度。所示反射天線230在充電回路200和電子設備220之上。如上所述，反射天線是 未供電的電磁諧振回路或電路，用于與供電的天線諧振，發出預定頻率。在該位置，反 射天線230具有以該預定頻率加強和限制其與充電回路200之間的電磁場的能力。因此， 電子設備220經歷了加強的電磁通量，允許在設備220內感應更多的電能。這允許在充 電回路200自身不足以供應所需場的環境中操作設備220。圖2示出了用于過濾藥品和其它流體的傳統的不銹鋼殼體組件100。在傳統的系 統中，殼體組件100被分成兩部分上部殼體110和下部殼體120。下部殼體120通常 被固定到位，因為它包含至單元的管路和電連接。未過濾的流體通過入口管道130進入 下部殼體120，過濾后的材料通過出口管道140離開下部殼體120。傳統上使用不銹鋼制造這些殼體。但是，也可以使用其它金屬。在另一個實施 例中，也可以模制塑料材料來形成殼體零件。一個或多個過濾器元件可以安裝在下部殼體中。在安裝這些元件以后，上部殼 體110定位在下部殼體之上并被固定就位。傳統上使用緊固件150例如金屬夾、Tri夾、 Laddish夾或管箍將這兩部分保持在一起。為了確保上下殼體之間的正確密封，通常使用墊圈160例如O形環。在多數情 況下，該墊圈160為環形或環狀的。該墊圈160由生物兼容材料構成，其能夠容忍殼體 內達到的溫度。另外，該材料也必須有足夠的彈性以形成空氣和流體密封。在優選實 施例中，硅基材料被模制成所需形狀。該墊圈160隨后被置于上部殼體110和下部殼體 120之間，優選在上部和下部殼體之一或二者中形成的槽中以確保在組裝過程中的正確對 準。在一個實施例中，一個或多個電纜(未示出)，例如導線，被模制進墊圈160 中。墊圈160優選使用雙模制工藝制造以確保電纜被完全包封在墊圈材料中。
在一個實施例中，如圖3所示，沿環狀墊圈的內圓周設有一個大的充電感應 環。電路圍繞墊圈300多次，更多數量的繞組感應更大的磁場。該實施例對殼體組件內 的正常流體流提供最小的妨礙。注意在圖3中示出了三個過濾器元件310。本發明不受 該實施例限制；可以使用更多或更少的過濾元件。通常，這種系統在殼體中使用1、3、 5、10、12、24或30個過濾元件。為了加強或限制磁場，不相連的或反射天線(未示出)插入該環境。該反射天線 的設置對于實現所需效果至為重要。在一個實施例中，反射天線位于過濾元件自身內。圖4示出了傳統的過濾元件400。該過濾元件400由第一端帽420和第二端帽 415、多孔芯450和膜430形成。如圖所示，出口 410從第二端帽415延伸。邊緣密封 件(未示出)粘附于第一和第二端帽以形成膜的邊緣和端帽之間的一體的流體密封件，使 得筒體外側上的所有流體必須在到達筒體內部或出口 410之前通過膜430。膜的外側是多 孔的外罩440。罩440優選是能夠忍受殼體內的高溫的塑料。所產生的過濾元件400因 此具有一端開放而另一端閉合的中空內筒，并具有外筒。這兩個筒之間的區域限定了元 件的框架以及膜或過濾材料的位置。未過濾的材料出現在過濾元件的外表面上，通過過 濾器材料并通過筒的開放端離開。過濾器可以由常用于過濾的任何種類的一個或多個膜制成，包括但不限于微孔 性膜、超濾膜、納米過濾膜或反滲透膜。優選使用微孔性膜。代表性的合適的微孔性 膜包括硝化纖維、乙酸纖維、聚砜包括聚醚砜和聚芳基砜、聚偏氟乙烯、聚烯烴例如超 高分子量聚乙烯、低密度聚乙烯和聚丙烯、尼龍和其它聚酰胺、PTFE、熱塑性氟化聚合 物例如聚(TFE-co-PFAVE)如PFA、聚碳酸酯或顆粒填充膜例如可自Minneapolis，Minn 的3M購得的EMPORE.RTM膜。這些膜是本領域眾所周知的，可以是對稱的或不對 稱的或者是二者的組合，并且可從多個渠道商購，包括購自Bedford，Mass的Millipore Corporation 的 Millipore Express 膜禾口Durapore 膜。代表性超濾或納米過濾膜包括聚砜，包括聚醚砜和聚芳基砜；聚偏氟乙烯和 纖維。這些膜通常包括由高孔結構大致形成的支撐層。用于這些支撐層的典型材料包括 各種非紡織材料例如旋轉界定的聚乙烯或聚丙烯或由與膜本身相同或不同聚合物形成的 微孔性材料。這些膜是本領域眾所周知的，并且可從多個渠道商購，例如Bedford，Mass 的 Millipore Corporation。許多專利申請包括共同未決的專利申請出版物No.2007/0240578、2007/0243113 和2007/0240492都描述了可以添加至過濾元件來改善系統性能和實用性的另外的電子部 件。許多這些電子設備470最有利地位于過濾元件的中空內筒內。采用這種方式，可以 測量所過濾材料的溫度、壓力、濃度和其它參數。此外，通常希望將電子設備470放置 在過濾元件的閉合端420上或固定于過濾元件的閉合端420。這些過濾元件的尺寸通常指在過濾元件的基部(即開放端)和通常放置電子設 備的相反封閉端之間可以有數英寸，有時為數英尺。當充電感應環300位于開放端附近 時，如圖2和3所示，該距離就會存在問題了。另外，電子設備通常在流路中，因此還 損害了電磁場。此外，圍繞過濾元件的不銹鋼殼體還降低了無線性能。因為這些因素， 就會需要加強或限制電磁場以最大化其在電子設備附近的效果。在一個實施例中，反射天線480位于過濾元件400的中空內筒中。環480可以位于封閉端420附近以鄰近電子設備470。或者，它可以位于任何合適的位置。優選反 射天線480沿其內表面455模制入框440中以不暴露于流路。因此，反射天線480必須 位于中空內筒和過濾器材料之間。在另一個實施例中，反射天線480位于過濾元件的封閉端420內。同樣，反射 天線優選模制在塑料中以不暴露于流體流。在另一個實施例中，反射天線480位于框440中，沿著過濾設備400的外表面 460。同樣，環優選模制入塑料中以不暴露于流體流。由于反射天線480未被連接，就沒有必要向環供應任何電纜。因此，通過將環 模制入塑料殼體中來實現其在過濾元件400中的集成性。如上所述，環480在過濾元件 內的準確位置取決于具體的實施并且不受本發明限制。以使的說明提到了過濾元件中包含單個反射天線。本發明不受到如此限制。例 如，根據需要反射天線可以有多匝。類似地，可以在單個過濾元件中集成入多個反射天 線。此外，可以想到，在單個殼體內具有多個過濾元件的環境中，每個過濾元件可以設 有與其自身相關的反射天線。或者，并非殼體內的所有過濾元件需要設有反射天線。以上的說明提到了在殼體組件中的上下殼體之間存在墊圈，但本發明并不受到 如此限制。例如，所描述類型的墊圈可以被引入在殼體的任何兩個可分離部分之間。例 如，在某些實施例中，墊圈在頂部排氣口和頂部排氣管之間。在該實施例中，可以將本 發明的墊圈插在這兩個可分離部分之間。殼體的兩個可分離部分會合的任何位置可以用 于插入該墊圈。在殼體環境中，反射天線可以被放置在其它位置。例如，對準盤通常放置在過 濾元件頂部以將其保持就位。圖3示出了使用對準盤330來將多個過濾元件330保持就 位。該對準盤通常由不銹鋼或耐腐蝕且在過程中保持結構支撐的其它剛性材料構成。由 于該對準盤位于過濾元件310的封閉端附近，其可以積極地影響嵌置的電子設備附近的 電磁場。反射天線能夠以多種方式嵌置在該盤中。在一個實施例中，對準盤構造成其 功能是保持過濾器以及控制電磁場。本領域技術人員顯然可以選擇防止殼體環境退化的 材料，其在結構上是完美的并且保持電中性，例如高溫熱塑性或熱固性聚合物。在第一 實施例中，單個反射天線嵌置在對準盤內以使其包圍所有三個過濾元件。在第二實施例 中，嵌置多個反射天線，優選每個相關的過濾元件具有一個。在這種情況下，各反射天 線僅包圍其相關的過濾元件。通過將對準盤簡單地放置在過濾元件頂部，反射天線容易 被集成在環境中。但是，反射天線無需嵌置在對準盤330中。在其它實施例中，其通過 使用任何合適的方法被模制就位、粘結、熱接合以及固定。此外，對準盤可以是不銹鋼 盤，包含一個或多個反射天線的塑料材料固定于該不銹鋼盤。除了過濾器殼體中使用的小型設備以外，本發明還利用一次性生物工藝方案。 一次性生物工藝方案通過將可重復使用的永久性零件替換為一次性零件而復制制造過程 的基本單元操作。雖然一次性生物工藝方案有很多好處，其中最重要的還是成本節約， 消除了來自清潔和測試的維修。一次性生物工藝方案通常由置入可重復使用的支撐結構 中的低成本物理柔性零件制成。可從Millipore Corporation商購的系統例如MobiusTM Disposable Solution包含一次性零件。一次性零件包括管、連接器、袋，例如用于存儲、 混合、細胞生長(生物反應器)、引導反應等，過濾器和其它類似零件。生物工藝環境可以在平的表面例如桌面上產生，或可以累積在框上。根據具體任務的要求來設置各種零 件。通常，電子部件或小型設備設有許多這種零件。這些小型設備可以用于測量溫度、 壓力、PH、濃度或其它信息。定位器或結構通常由金屬制成以加強、支撐該生物工藝裝備中的各種零件。為 了對這些小型設備供電，可以鄰近生物工藝裝備來放置充電感應環。在一個實施例中， 充電環位于平的表面上，包圍生物工藝裝備的一個或多個元件。利用上述技術，由該環 產生的電磁場于是由小型設備之一或每一個使用。根據需要，另外的充電環也可以用于 元件組或用于每個獨立的元件。但是，之前提到的許多難題，例如距離、水性環境和高金屬密度也會存在于一 次性生物工藝裝備中。因此，為了最大化電磁能從充電環到小型設備的傳遞，可以在一 些或所有的一次性醫藥零件中安裝反射天線。在生物反應袋的情況下，如果需要，反射天線可以嵌置在用于形成袋的至少一 部分或整個袋的材料中，或可以固定于袋的外表面的至少一部分。在一個實施例中，電 子設備固定于袋的外表面，反射天線也圍繞設備固定于袋。圖5示出了用于一次性生物工藝方案的本發明的實施例。生物反應袋500具有 入口管道510和出口管道520，任選設置在支撐結構530中。充電感應環540優選位于平 的支撐表面上。在圖5中，環540直接位于支撐結構530之下，但本發明不限于該實施 例。環540可以具有較大的直徑并包圍多個零件。此外，感應環540可以嵌置在其上放 置了一次性零件的墊或其它表面中。在這種情況下，模仿作業流程的布局的一系列環可 以嵌置在墊中，以使環位于將要放置設備的位置。生物反應袋500上設置有電子零件或小型設備550。為了改善該小型設備附近的 電磁場，反射天線560圍繞生物反應袋500放置。雖然圖5中的反射天線560位于充電 感應環540和小型設備550之間，但是本發明不受到如此限制。還可以想到，小型設備 位于反射天線560和充電感應環500之間。在一個實施例中，反射天線560例如通過加熱固定于生物反應袋500。在另一個 實施例中，反射天線560嵌置在生物反應袋500中。在另一個實施例中，反射天線560 固定于支撐結構530，支撐結構530又來保持生物反應袋500。在另一個實施例中，反射 天線560嵌置在支撐結構530中。本領域技術人員會認識到許多技術可以用于將反射天 線560固定于生物反應袋500或支撐結構530。雖然以上的說明使用了術語“生物反應袋”，但是應當認識到，本發明可以用 于任何容器。此外，類似的手段可以用于其它一次性零件例如管。反射天線可以嵌置在 塑料管中，或者可以優選固定于管的外表面。雖然感應天線設計領域的技術人員能夠通過優化電源和接收器線圈來最大化感 應電流，但仍然會有接收器線圈尺寸或成本方面的限制。通過改善相對于設備的電磁通 量，設備中集成反射天線潛在地降低了成本和裝備的復雜性。這對于一次性生物工藝方 案來說會尤其理想，其中用戶而非設備的制造商會確定設備的物理設置。本發明在用戶 方面改進了物理設置的適應性。已知使用反射天線來改善電能的感應也能用于改善與終端設備進行無線通訊的 能力。充電的天線能夠用作收發器天線，具有調制的電信號，其將電能和雙向通訊供給終端設備。這是RFID讀出器天線的典型功能。類似于圖5，生物制藥生物反應袋500可 以具有電子標簽，該電子標簽在袋的頂部對于用戶來說必須是可見的。增加生物反應袋 的高度會損害電氣標簽與充電的通訊環通訊的能力。合適放置的反射天線560在電侵性 環境中將通訊良好。單個反射天線可以用于對讀出器供電并使電子標簽與讀出器通訊。
雖然本申請中的實施例主要描述了磁性感應環，但本發明不受到如此限制。反 射天線也可以是不同形狀，例如更常用于通訊的偶極形狀。
權利要求
1.一種過濾元件，包括a.筒體，具有內表面和暴露于未過濾材料的外表面；b.封閉端；c.開放端，過濾材料通過該開放端；d.無線電子設備，固定于所述過濾元件；和e.未充電的電磁諧振天線，鄰近所述電子設備固定于所述過濾元件。
2.權利要求1的過濾元件，其中所述未充電的天線固定于所述筒體的所述內表面。
3.權利要求1的過濾元件，其中所述未充電的天線固定于所述筒體的所述外表面。
4.權利要求1的過濾元件，其中所述未充電的天線固定于所述封閉端。
5.權利要求1的過濾元件，其中所述電子設備固定于所述封閉端。
6.權利要求1的過濾元件，其中所述未充電的天線是環形。
7.—種過濾系統，包括a.殼體；b.在所述殼體內的充電的感應環；c.過濾元件，包括無線電子設備；和d.鄰近所述電子設備的未充電的電磁諧振天線。
8.權利要求7的過濾系統，還包括在所述殼體內的對準盤，其中所述未充電的天線固 定于所述對準盤。
9.權利要求7的過濾系統，還包括在所述殼體內的對準盤，其中所述未充電的天線嵌 置在所述對準盤中。
10.權利要求7的過濾系統，其中所述未充電的天線固定于所述殼體。
11.權利要求7的過濾系統，其中所述未充電的天線固定于所述過濾元件。
12.權利要求7的過濾系統，其中所述未充電的天線是環形。
13.—種用于生產藥品的一次性系統，包括a.電感應環；b.用于容納藥品材料的容器，包括電子設備；和c.鄰近所述電子設備的未充電的電磁諧振天線。
14.權利要求13的系統，其中所述未充電的天線固定于所述容器。
15.權利要求13的系統，其中所述未充電的天線嵌置在所述容器中。
16.權利要求13的系統，其中所述電子設備包括傳感器。
17.權利要求13的系統，其中所述電子設備包括無線通訊設備。
18.權利要求13的系統，其中所述電子設備包括存儲元件。
19.權利要求13的系統，其中所述容器包括生物反應袋。
20.權利要求13的系統，其中所述容器包括管。
21.權利要求13的系統，還包括支撐所述容器的支撐結構，其中所述未充電的天線固 定于所述支撐結構。
22.權利要求13的系統，還包括支撐所述容器的支撐結構，其中所述未充電的天線嵌 置在所述支撐結構中。
全文摘要
公開了對電氣復雜的生物工藝環境中的傳感器提供更加可靠的無線通訊和供電的方法和設備。不相連的天線位于生物工藝環境中，優選在與主充電天線相同的平面內。該不相連的天線也稱作反射天線，加強并限制由充電的天線所產生的電磁場。該反射天線集成于或鄰近于包含傳感器的設備或通訊設備中。在一個實施例中，反射天線集成在過濾器殼體中。在另一個實施例中，它被集成在過濾元件自身中。在另一個實施例中，它被集成入或固定于一次性生物工藝零件例如袋和管。
文檔編號G08B13/14GK102016940SQ200980110733
公開日2011年4月13日 申請日期2009年3月13日 優先權日2008年3月26日
發明者A·布爾克, J·阿德希卡里 申請人:米利波爾有限公司