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專利名稱：用聲表面波傳感器估計傳播速度的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及聲表面波(SAW)傳感器，并且更具體地涉及用于分析和解釋SAW傳感器的輸出的技術(shù)。
背景技術(shù)：
通常利用化學(xué)和生物試驗來檢驗是否存在化學(xué)或生物介質(zhì)。通常進行檢驗血液、食品或其它材料中化學(xué)或生物介質(zhì)的存在的試驗，以確保安全和輔助對健康狀況的診斷。例如，利用試驗以識別臨床患者血樣、出于實驗?zāi)康亩苽涞膶嶒灅颖尽⑹称窐颖净蝾愃莆镏械幕瘜W(xué)藥品、細(xì)菌或其它介質(zhì)。另外，化學(xué)和生物試驗用于檢驗健康狀況，諸如懷孕、糖尿病、細(xì)菌感染、以及可能影響患者的化學(xué)或生物性狀的各種各樣的其它狀況。
被研制用于化學(xué)或生物檢測的一種類型的傳感器是聲表面波(SAW)傳感器。SAW傳感器的一個例子是洛夫式水平剪切聲表面波(SH-SAW)傳感器。SH-SAW傳感器包括四個主要部件(1)壓電基層；(2)位于該基層上的輸入叉指換能器(IDT)，該換能器用于基于壓電效應(yīng)激發(fā)聲波；(3)位于該基層上的輸出IDT，其接收所傳輸?shù)穆暡ú⒗脡弘娦?yīng)產(chǎn)生電輸出；以及(4)IDT上方的波導(dǎo)層，其將SH型波轉(zhuǎn)換成波導(dǎo)洛夫型，以便從輸入IDT傳輸?shù)捷敵鯥DT。SH-SAW傳感器的表面上一種或多種材料的存在影響了響應(yīng)于細(xì)菌或其它介質(zhì)在傳感器表面的存在地穿過波導(dǎo)的波的傳播，這有利于對細(xì)菌或其它介質(zhì)的檢測。

發(fā)明內(nèi)容
概括而言，說明了用于估計傳播速度的技術(shù)，或等效的是，用于估計穿過聲表面波傳感器的時間延遲的技術(shù)。具體而言，說明了測量和獲取聲表面波傳感器的適當(dāng)片段的相頻響應(yīng)、以用作傳感器細(xì)菌檢測的基礎(chǔ)的技術(shù)。
在一個實施例中，本發(fā)明提供了一種方法，其包括識別聲表面波傳感器的相頻響應(yīng)的一個片段，基于所識別的頻率響應(yīng)估計與穿過聲表面波傳感器的波傳播有關(guān)的時間延遲。
在另一實施例中，本發(fā)明提供了一種計算機可讀介質(zhì)，其包括若干指令，在處理器中執(zhí)行所述指令時，識別出聲表面波傳感器的相頻響應(yīng)的一個片段，并基于所識別的頻率響應(yīng)估計與穿過聲表面波傳感器的波傳播有關(guān)的時間延遲。
在又一實施例中，本發(fā)明提供了一種系統(tǒng)，其包括聲表面波傳感器；傳感器分析器，該傳感器分析器接收該聲表面波傳感器的輸出；以及處理器，該處理器用于接收來自傳感器分析儀的輸入，識別出聲表面波傳感器的相頻響應(yīng)的一個片段，并基于所識別的相頻響應(yīng)片段估計與穿過聲表面波傳感器的波傳播有關(guān)的時間延遲。
本發(fā)明可能能夠提供一個或多個優(yōu)點。具體而言，相對于利用相移作為檢測基礎(chǔ)的現(xiàn)有技術(shù)，如在此處所述，利用聲表面波傳感器的傳播速度的變化，可以改進用傳感器進行的細(xì)菌檢測。而且，利用聲表面波傳感器的估計傳播速度作為檢測基礎(chǔ)，可以實現(xiàn)對細(xì)菌濃度的檢測。
下面結(jié)合附圖和說明書闡釋本發(fā)明的一個或多個實施例的細(xì)節(jié)。本發(fā)明的其它特性、目的和優(yōu)點將根據(jù)說明書和附圖以及權(quán)利要求書而變得明顯。


圖1是示出了可能用于本發(fā)明的一個或多個實施例的例示的聲表面波(SAW)傳感器的透視圖。
圖2是示出了根據(jù)本發(fā)明的實施例的系統(tǒng)的框圖。
圖3是示出了根據(jù)本發(fā)明的實施例的技術(shù)的流程圖。
圖4是示出了SAW傳感器的例示的相頻響應(yīng)的圖。
圖5是與此處所述技術(shù)的執(zhí)行有關(guān)的例示的LabView屏幕的說明。
圖6-圖31示出了根據(jù)本發(fā)明可以使用的技術(shù)、以及可以相對于在現(xiàn)有技術(shù)下觀察到的特性觀察到的各種預(yù)期特性。
具體實施例方式
圖1是示出了根據(jù)本發(fā)明的實施例可能用于本發(fā)明的例示的SAW傳感器的透視圖。SAW傳感器10可以包括多種多樣的SAW傳感器中的任何一種。SH-SAW傳感器典型地由壓電材料構(gòu)成，其具有使波的傳播可以旋轉(zhuǎn)到剪切水平波型的晶體切片和取向，即平行于波導(dǎo)所限定的平面，這導(dǎo)致對于與檢測表面相接觸的液體的降低的聲阻尼損耗。剪切水平聲波可以包括，例如，厚度剪切波型(TSM)、聲板波型(APM)、聲錯切體積波(SSBW)、洛夫波、泄漏聲波(LSAW)以及Bleustein-Gulyaev(BG)波。
具體而言，洛夫波傳感器可以包括支持SH波波型(諸如ST石英的SSBW或者36°YXLiTaO3的泄漏波)的基層。這些波形可以優(yōu)選地通過薄導(dǎo)引層或波導(dǎo)的應(yīng)用而轉(zhuǎn)換成洛夫波波型。這些波取決于頻率，并且能夠在波導(dǎo)層的剪切波速度低于壓電基層的剪切波速度的情況下產(chǎn)生。
在一個例子中，傳感器10包括洛夫波型剪切水平聲表面波(SH-SAW)傳感器。
SAW傳感器10包括基層12，其通常包括一種壓電材料。SAW傳感器10也包括位于基層12上的輸入叉指型換能器(IDT)14，其用于基于壓電效應(yīng)激發(fā)聲波。另外，SAW傳感器10包括位于基層12上的輸出IDT 16，其接收所傳遞的聲波并利用壓電效應(yīng)產(chǎn)生電輸出。波導(dǎo)層18形成于IDT 14、16的上方。波導(dǎo)層18將SH波型轉(zhuǎn)換成波導(dǎo)洛夫波型，以便于從輸入IDT 14到輸出IDT 16的傳遞。
材料層(諸如抗體層)被涂覆到波導(dǎo)層18上。在操作中，使要檢測其中是否有細(xì)菌存在的流體與波導(dǎo)層18相接觸。如果流體中有細(xì)菌，那么細(xì)菌就附著到波導(dǎo)層18上的抗體，從而影響穿過波導(dǎo)層18的波傳播。因此，對于穿過SAW傳感器10的波導(dǎo)層18的波的傳播的分析允許對細(xì)菌的檢測或者對可能與波導(dǎo)18上涂覆的材料相互作用的其它介質(zhì)的檢測。
在一些情形下，SAW傳感器10包括多組輸入和輸出IDT。例如，SAW傳感器10可以包括第一輸入IDT 14和第二輸入IDT 15，它們分別對應(yīng)于第一輸出IDT 16和第二輸出IDT 17。在這種情形下，第一輸入和輸入IDT 14、16包括SAW傳感器10的活性部分，而第二輸入和輸出IDT 15、17包括SAW傳感器的參照部分。不同類型的抗體可以涂覆在波導(dǎo)層18在第一輸入和輸出IDT 14、16和第二輸入和輸出IDT15、17的表面上，以使得所關(guān)注的細(xì)菌在對應(yīng)于第一輸入和輸出IDT14、16的活性部分之間與抗體相結(jié)合。在這種情形下，對應(yīng)于第二輸入和輸出IDT 15、17的參考部分允許了可以消除溫度變化效應(yīng)或類似物的參考測量結(jié)果，否則所述溫度變化效應(yīng)就會影響SAW傳感器10的波的傳播。SAW傳感器通常用于細(xì)菌檢測，但也可以被設(shè)計成用于對多種多樣的其它化學(xué)或生物介質(zhì)的檢測。因此，不同的材料可以覆蓋在SAW傳感器10的波導(dǎo)層上，以便于對各種化學(xué)或生物介質(zhì)的檢測。波導(dǎo)材料可以優(yōu)選地是具有一種或多種下述特性的材料低的聲損耗、低的電導(dǎo)率、在水和水性溶劑中的魯棒性和穩(wěn)定性、相對較低的聲速、疏水性、高分子量、高度交聯(lián)、等等。在一個例子中，SiO2被用作石英基層上的聲波導(dǎo)層。其它熱塑性和交聯(lián)聚合物波導(dǎo)材料包括，例如，環(huán)氧樹脂、聚甲基丙烯酸甲酯樹脂、酚醛樹脂(例如，NOVALAC)、聚酰亞胺、聚苯乙烯等。
通常，SAW傳感器表面上的特定材料的存在影響了響應(yīng)于穿過波導(dǎo)層的其它材料的存在地穿過波導(dǎo)層的波傳播，這方便了對穿過波導(dǎo)層的材料的檢測。因此，覆蓋在波導(dǎo)層上的材料可以被選擇為吸引、俘獲、粘結(jié)懸浮在流過波導(dǎo)層18的流體中的材料或以其它方式附著到所述材料。在這種方式下，SAW傳感器10方便了對細(xì)菌或其它生物或化學(xué)介質(zhì)的檢測。
為了形成洛夫波型表面波，波導(dǎo)層18的剪切波速通常低于基層12的剪切波速。在這種情況下，聲能會被俘獲在SAW傳感器10的傳感表面附近。具體而言，洛夫波型SH-SAW傳感器通常具有對于表面擾動的高靈敏度。質(zhì)量載荷可以改變洛夫波型SH-SAW傳感器的表面條件。因此，對傳播速度或共振頻率的改變的測量可以用于定量地檢測質(zhì)量載荷，并從而檢測化學(xué)或生物介質(zhì)的存在。
對于用作檢測器的SH-SAW傳感器最重要的性能指標(biāo)之一是質(zhì)量靈敏度，即，傳感器對于其表面上承受的質(zhì)量的靈敏度。為分析質(zhì)量靈敏度，建立兩個指標(biāo)smv=1v0limΔms→0ΔvΔms]]>和smf=1f0limΔms→0ΔfΔms,]]>其中Δvv0=v1-v0v0]]>和Δff0=fresonance(1)-fresonance(0)fresonance(0).]]>v0、fresonance(0)and v1、fresonance(1)是傳感器在沒有和有由無限薄剛性載荷層引起的表面擾動的情況下的傳播速度和共振頻率，其中Δms＝ρmε，其中ρm和ε是載荷層的密度和厚度。
smv≈v0vgsmf,]]>其中vg是群速度，而對于洛夫波型SH-SAW有v0(ω)vg(ω)>1,]]>其中名義v0(ω)和vg(ω)用于強調(diào)所述速度在頻散情況下是取決于頻率的。這意味著，對于洛夫波型SH-SAW傳感器，利用用于檢測傳感器表面的邊界條件異常的 要比利用 更好。因此，根據(jù)本發(fā)明，可以用 作為SAW傳感器10的檢測指標(biāo)的基礎(chǔ)或類似物。
傳統(tǒng)上，對于具有三重渡越反射波(TTE)的洛夫波型SH-SAW傳感器，相頻響應(yīng)由下式給出 或者等效地有 其中f和ω表示頻率和角頻率，L是輸入和輸出IDT的中心之間的距離，β＝α2并且α是輸入和輸出IDT的反射系數(shù)。由于β較小且可以由頻率響應(yīng)確定，不失一般性的是，將β假定為零。因此，對于相頻響應(yīng)而言，僅需考慮不包含TTE的情況。因此，相頻響應(yīng)為 然而，ej(f)＝e-j2πfτ(f)＝e-j2π(fτ(f)+k)，其中k＝0，±1，±2，±3等。因此，相頻響應(yīng)(f)是多值的，并且不能由ej(f)的值唯一地確定。這一問題被稱作相位多值性(phase ambiguity)。僅能由ej(f)確定所謂的“主值”(f)。由于exp{-j2πfτ(f)}＝exp{-j2π(fτ(f)-[fτ(f)])}，其中[x]為x的整數(shù)部分，即[x]小于或等于x的最大整數(shù)，相頻響應(yīng)的主值為φ(f)＝-2π(fτ(f)-[fτ(f)])+π(弧度)或φ(f)＝-360(fτ(f)-[fτ(f)])+180(角度)。
因此，-π＜φ(f)≤π(弧度)或-180＜φ(f)≤180(角度)。
對于
因此，對于相位變化的估計由下式給出 所以， 然而遺憾的是，這一推導(dǎo)對于φ(f)=-2π(fLv-[fLv])+π]]>并不成立。如果[fLv0]=[fLv0+Δv],]]>那么Δφφ0=Δvv0.]]>否則，Δφφ0=Lv02Δv+[fLv0+Δv]-[fLv0]-Lv0+[fLv0]≠-Δvv0.]]>條件[fLv0]=[fLv0+Δv]]]>表明f|Lv0-Lv0+Δ|<1.]]>使f|Lv0-Lv0+Δv|=1,]]>即，f|LΔvv0(v0+Δv)|=1.]]>對于Δv＜0，則得出Δvv0(v0+Δv)=-1fLandΔv=-v02fL+v0.]]>這意味著當(dāng)|Δv|≥v02fL+v0]]>時，[fLv0]≠[fLv0+Δv].]]>例如，如果f＝103MH，v0＝4000m/s且L＝8.8mm，那么對于|Δv|≥17.5747m/s就有[fLv0]≠[fLv0+Δv].]]>因此，當(dāng)[fLv0]≠[fLv0+Δv],]]>Δφ或 可能不是合適的指標(biāo)函數(shù)。
因此，本發(fā)明提供了用于基于所識別的相頻響應(yīng)片段來估計穿過SAW傳感器的傳播速度。如上所述，傳播速度僅僅與穿過SAW傳感器的時間延遲有關(guān)。根據(jù)本發(fā)明，一種方法可能包括識別聲表面波傳感器的相頻響應(yīng)的適當(dāng)片段，根據(jù)所識別的相頻響應(yīng)估計與穿過聲表面波傳感器的波傳播有關(guān)的時間延遲。
圖2是示出了系統(tǒng)20的框圖，該系統(tǒng)包括SAW傳感器10、以及從SAW傳感器10獲取測量結(jié)果的傳感器分析儀21。系統(tǒng)20也包括處理器22，該處理器解釋SAW傳感器10的輸出。也就是說，傳感器分析儀21接受SAW傳感器10的輸出并為處理器22提供輸入，以使得SAW傳感器10的輸出可以得到解釋。
處理器22從傳感器分析儀21接收輸入，所述輸入包括與穿過SAW傳感器10的波傳播有關(guān)的測量結(jié)果。處理器22而后確定SAW傳感器10是否已經(jīng)檢測到SAW傳感器10所設(shè)計用于檢測的特定細(xì)菌或其它材料的存在。處理器22執(zhí)行指令以實現(xiàn)屬于該處理器的各種技術(shù)和功能。盡管本發(fā)明并不局限于這一方面，但是SAW傳感器10可以容納在一個托架或類似物中，并可以通過將該托架插入到一個槽中而電連接至傳感器分析儀21。處理器22可以容納在與傳感器分析儀21相同的單元內(nèi)，或者可以為一個單獨的單元或單獨的計算機。
處理器22也可以連接到存儲器24，其中存儲有依照本公開的教導(dǎo)的傳播速度例程25。可選的是，傳播速度例程25可以由處理器22內(nèi)的硬件實現(xiàn)。在任何情況下，處理器22執(zhí)行傳播速度例程25，以基于所識別的頻率響應(yīng)來估計與穿過聲表面波傳感器的波傳播有關(guān)的時間延遲，如在此所述。
舉例而言，處理器22可以包括通用微處理器，該處理器執(zhí)行存儲于存儲器24中的軟件。在這一情形下，處理器22可以整體地容納于特殊設(shè)計的計算機、通用目的的個人計算機、工作站、手提計算機。掌上電腦，或者類似物中。可選的是，處理器22可以包括專用集成電路(ASIC)或其它特殊設(shè)計的處理器。在任何情況下，處理器22都執(zhí)行傳播速度例程25以基于所識別的頻率響應(yīng)來估計與穿過聲表面波傳感器10的波傳播有關(guān)的時間延遲，如在此所述。
存儲器24是存儲由處理器22執(zhí)行的處理器可執(zhí)行軟件指令的計算機可讀介質(zhì)的一個例子。舉例而言，存儲器24可以包括隨機存取存儲器(RAM)、只讀存儲器(ROM)、電可擦寫可編程只讀存儲器(EEPROM)、閃存、或類似物。傳播速度例程25(諸如在此以數(shù)學(xué)方式描述的那些中的一個)存儲于存儲器24中并可形成用于分析SAW傳感器10的輸出的較大軟件程序的一部分。例如，傳播速度例程25可以是將要在下面進行詳細(xì)說明的在LabView軟件平臺上編寫的子例程。
圖3是示出了根據(jù)本發(fā)明的實施例的技術(shù)的流程圖。如圖3所示，使流體與SAW傳感器10相接觸(31)。流體可以包括需要對其進行細(xì)菌檢驗的材料樣本。例如，該流體可以被允許穿過SAW傳感器10(圖1)的波導(dǎo)層18的表面，其包括與所感興趣的細(xì)菌相互作用的抗體。例如，SAW傳感器10可以容納在限定出一條流體通路的托架中，該流體通路穿過波導(dǎo)層18的表面，以使得流體可以被引入到托架內(nèi)并被允許通過流體通路穿過波導(dǎo)層18。
處理器22用傳感器分析儀21接受從SAW傳感器10獲得的測量結(jié)果，并執(zhí)行存儲于存儲器24中的傳播速度例程25。在這樣做的時候，處理器22識別SAW傳感器10的相頻響應(yīng)的片段(32)，并根據(jù)所識別的相頻響應(yīng)來估計與穿過SAW傳感器10的波傳播有關(guān)的時間延遲(33)。在一些實施例中，由所估計出的時間延遲得出的估計傳播速度可以用于識別流體內(nèi)的細(xì)菌或其它材料的濃度(34)。
下面將討論用于估計與穿過聲表面波傳感器的波傳播有關(guān)的時間延遲的多種數(shù)學(xué)技術(shù)。τ=Lv]]>表示以距離L分開的輸入IDT的中心和輸出IDT的中心之間的時間延遲。在頻散的情況下，時間延遲也是頻率的函數(shù)。也就是說，τ(f)=Lv(f).]]>由φ(f)的定義(以角度方式)可知fτ(f)=[fτ(f)]-φ(f)360+0.5.]]>
對于任何給定的運行頻率(也稱作工作頻率)，有接近于運行頻率f0的兩個相位拐點頻率f1和f2，它們滿足(1)f1≤f0＜f2(2)φ(f1)＝180，φ(f2-0)＝-180和φ(f2)＝φ(f2+0)＝180，(3)f1τ(f1)＝[f1τ(f1)]，f2τ(f2)＝[f2τ(f2)]和[f2τ(f2)]＝[f1τ(f1)]+1，以及(4)對于任意的f1≤f＜f2，有[fτ(f)]＝[f1τ(f1)]，圖4是示出了SAW傳感器的頻率響應(yīng)的例子的圖。圖4中所標(biāo)示的是示例的運行頻率f0、典型的第一相位拐點頻率f1和典型的第二相位拐點頻率f2。同樣，對于任意f1≤f＜f2，有[fτ(f)]＝[f1τ(f1)]。因此fτ(f)=[f1τ(f1)]-φ(f)360+0.5,]]>對于f1≤f＜f2成立。
對等式兩側(cè)相對于f取微分，得出fdτ(f)df+τ(f)=-1360dφ(f)df,]]>對于f1≤f＜f2成立。
也即，dτ(f)df=-1fτ(f)-13601fdφ(f)df,]]>對于f1≤f＜f2成立，這是一個計算時間延遲τ(f)的基本微分公式。
如果初始條件是τ(f)|f=f00=τ(f00),]]>其中f00∈[f1，f2)并為任意值，那么用于計算時間延遲τ(f)的該基本微分公式就變?yōu)?amp;tau;(f)=f00fτ(f00)-13601fφ(f)+13601fφ(f00).]]>可以容易地得出其解fτ(f)=[f1τ(f1)]-φ(f)360+0.5]]>和f00τ(f00)=[f1τ(f1)]-φ(f00)360+0.5.]]>該基本微分公式可以用于證明τ(f)的下述性質(zhì)。
命題1如果對于f∈[f11，f22)[f1，f2)，φ(f)關(guān)于f是線性的，那么τ(f)為常數(shù)并且τ(f)=-1360φ(f22)-φ(f11)f22-f11,]]>
對于f∈[f11，f22)[f1，f2)成立。
命題1的證明假定f00∈[f11，f22)，那么τ(f)=-1360φ·(f00)]]>是下述基本微分公式的解fdτ(f)df+τ(f)=-1360dφ(f)df,]]>因為，在[f11，f22)中，由于φ(f)在[f11，f22)內(nèi)的線性，則有左邊f(xié)dτ(f)df+τ(f)=τ(f)=-1360φ·(f00)]]>而右邊-1360dφ(f)df=-1360φ·(f00),]]>也是由于φ(f)在[f11，f22)內(nèi)的線性而得出φ·(f00)=φ(f22)-φ(f11)f22-f11]]>命題2假定φ(f)在(f1，f2)可微，并在f1是可以右微分的。那么τ^(f)=-1360dφ(f)df]]>就是，τ(f)的一階估計值。
命題2的證明在f00∈[f1，f2)的鄰域，φ(f)≈φ(f00)+φ·(f00)(f-f00).]]>因此，在該鄰域內(nèi)φ(f)相對于f近似線性并且φ·(f)≈φ·(f00).]]>由命題l可知，τ(f)≈-1360dφ(f)df.]]>也就是說，τ^(f)=-1360dφ(f)df]]>是τ(f)的一階估計值。
下面將討論用于估計時間延遲τ(f)的算法和例程。對于命題2，下述算法可以用作傳播速度例程25的一部分，以獲得τ(f)的估計值。
算法1f00＝f1和τ^(f1)=-1360φ·(f1)≈-1360φ(f2)-φ(f1)f2-f1≈1f2-f1.]]>利用等式τ(f)=f00fτ(f00)-13601fφ(f)+13601fφ(f00),]]>得出τ^(f)=f1f1f2-f1-1360φ(f)f+0.5f.]]>具體而言τ^(f0)=f1f01f2-f1-1360φ(f0)f0+0.5f0,]]>
其中f0為運行頻率并且在本說明書中也記做frun。
算法2f00＝f*，例如φ(f*)＝±90。圍繞f*選取10個頻率f(1)，f(1)，f(2)，...，f(10)對(f(1)，φ(f(1)))，(f(2)，φ(f(2)))，...，(f(10)，φ(f(10)))做線性回歸。該直線的斜率記做 并且τ^(f*)=-1360φ·(f*).]]>因此，τ^(f)=-1360f*fφ·(f*)-13601fφ(f)+13601fφ(f*)]]>算法3f00＝f0＝frun。圍繞f0選取10個頻率f(1)，f(2)，...，f(10)并對(f(1)，φ(f(1)))，(f(2)，φ(f(2)))，...，(f(10)，φ(f(10)))進行線性回歸。該直線的斜率是 而τ(f0)的一階估計值為τ^(f0)=-1360φ·(f0).]]>算法4由于τ(f)≈f00fτ^(f00)-13601fφ(f)+13601fφ(f00)=-1360f00fφ·(f00)-13601fφ(f)+13601fφ(f00)]]>對于任意f00∈[f1，f2)都成立，因而將f00視為變量并對于上述估計公式的兩側(cè)相對于f00進行積分，則得到∫f1f2τ(f)df00≈-13601f∫f1f2f00φ·(f00)df00-1360∫f1f21fφ(f)df00+1360∫f1f21fφ(f00)df00,]]>該式等同于τ(f)(f2-f1)≈-13601f(f2φ(f2)-f1φ(f1)-∫f1f2φ(f00)df00)-13601fφ(f)(f2-f1)+1360∫f1f21fφ(f00)df00,]]>即，τ(f)≈-13601ff2φ(f2)-f1φ(f1)f2-f1-13601fφ(f)+23601f1f2-f1∫f1f2φ(f00)df00.]]>由于φ(f1)＝180，φ(f2-0)＝-180，因而τ^(f)≈121ff2+f1f2-f1-13601fφ(f)+23601f1f2-f1∫f1f2φ(f00)df00]]>=121ff2-f1+2f1f2-f1-13601fφ(f)+23601f1f2-f1∫f1f2φ(f00)df00]]>=1ff1f2-f1-13601fφ(f)+0.5f+11801f1f2-f1∫f1f2φ(f00)df00.]]>具體而言，τ^(f0)=1f0f1f2-f1-13601f0φ(f0)+0.5f0+11801f01f2-f1∫f1f2φ(f00)df00.]]>
比較算法1中與算法4中的 示出了算法4多出了一項11801f1f2-f1∫f1f2φ(f00)df00.]]>如果相函數(shù)φ(f)關(guān)于點((f1+f2)/2，0)對稱，那么∫f1f2φ(f00)df00=0.]]>在這種情形下，算法1和4是相同的。這意味著11801f1f2-f1∫f1f2φ(f00)df00]]>這一項用于減少由相函數(shù)φ(f)的非對稱性引起的算法1的估計誤差。
對于實際測得的相位響應(yīng)，φ(f)僅在頻率f的采樣點處給出。也就是說，φ(f)是區(qū)間[f1，f2)內(nèi)的離散序列而不是連續(xù)函數(shù)。而且，φ(f1)和φ(f2)可以不分別等于180和-180，盡管有φ(f1-Δf)＜0，φ(f1)＞0，φ(f2)＜0和φ(f2+Δf)＞0，其中Δf是頻域中的采樣區(qū)間。為提高估計的精確性，Δf應(yīng)當(dāng)盡可能的小，并且可以利用線性回歸來將φ(f)從[f1，f2)外推到[fnew1，fnew2)，以使得φ(fnew1)＝180和φ(fnew2-0)＝-180。對于外推得到的φ(f)，τ^(f0)=1f0fnew1fnew2-fnew1-13601f0φ(f0)+0.5f0+11801f0Δffnew2-fnew1Σfnew1fnew2φ(f00)]]>或者簡單地有τ^(f0)=1f0fnew1fnew2-fnew1-13601f0φ(f0)+0.5f0.]]>顯然，用于估計傳播速度的上述算法僅僅是根據(jù)SH-SAW傳感器的所測得頻率響應(yīng)的適當(dāng)片段。至少在這種方式下，所述算法與傳統(tǒng)方法不同。傳統(tǒng)方法可能以某種時域裝置測量傳感器的時間延遲或者IDT的多個指之間的時間延遲。可選的是，傳統(tǒng)方法可以基于全相頻響應(yīng)、幅頻響應(yīng)、以及逆傅立葉變換。而相反的是，此處所描述的技術(shù)僅僅基于所測得的SH-SAW傳感器的頻率響應(yīng)的一個片段，即，可以如在此處描述的那樣被識別出的適當(dāng)片段。
算法1在軟件平臺LabView上實現(xiàn)，以便于在線速度測量。LabView是可從美國National Instruments，Inc.獲得的商業(yè)軟件程序。使用SAW傳感器作為檢測器通常是基于對該傳感器在具有和不具有特定表面擾動的情況下的傳播特性的比較。這種比較可以動態(tài)或靜態(tài)地進行。
對于動態(tài)比較，傳感器的傳播特性以時序測定。對于靜態(tài)比較，傳感器應(yīng)當(dāng)由兩個通道組成，即參考通道和檢測通道(也即活性通道)。例如，參考通道可以對應(yīng)于IDT 15和17之間的參考部分(圖1)，而檢測通道可以對應(yīng)于IDT 14和16之間的活性部分。表面擾動發(fā)生在檢測通道內(nèi)。在這種情況下，測量該傳感器的兩條通道的傳播特性。SH-SAW傳感器的傳播特性的測量結(jié)果是將該傳感器用作檢測器的基礎(chǔ)。
共振頻率fresonance和傳播速度v是兩個最為直接的傳播特性，而Δv/v則比Δf/f對表面擾動更為敏感。因此，傳播速度的測量結(jié)果可以提供將SH-SAW傳感器有效地用作檢測器的改進方法。相反的是，傳統(tǒng)技術(shù)通常用傳感器分析儀測量SH-SAW傳感器的對數(shù)振幅響應(yīng)A(f)和相位響應(yīng)φ(f)并從所測得的相頻響應(yīng)中讀出在運行頻率下的相位。在SH-SAW傳感器的實際應(yīng)用程序中，開發(fā)用于直接測量SH-SAW傳感器的傳播速度的例程變得十分重要。上面所提出的算法為根據(jù)所測得的相頻響應(yīng)的適當(dāng)片段估計傳播速度提供了基于軟件的探索，即，其可以由美國Agilent Technologies，Inc.在商業(yè)上提供的8753ET網(wǎng)絡(luò)分析儀來測量。也能夠使用其它類似的網(wǎng)絡(luò)分析儀。
LabView被選用作與傳感器分析儀相通信和基于該模型進行計算的簡便方式。與此處所述的技術(shù)的執(zhí)行有關(guān)的例示的LabView屏幕在圖5中示出。輸入部分地由傳感器分析儀的頻譜分辨率限定并包括最小、最大頻率(等于總共1600個數(shù)據(jù)點在傳感器分析儀上)以及運行頻率。
來自LabView的輸出允許對結(jié)果做出不同解釋。對于顯示于LabView屏幕上的圖的主體，有兩個輸出，一個表示測量傳感器，另一個表示參考傳感器。在LabView中，相位速度曲線可以用于確定該傳感器是否在可靠地工作。如果相位變成噪聲或者如果振幅下降超過20db，那么該傳感器就被認(rèn)為是壞的、無用的。
相位直方圖可以用作對傳感器質(zhì)量的另一種衡量手段，并涉及相位圖中的非線性。該速度圖可以提供根據(jù)此處所描述的技術(shù)的估計結(jié)果。
振幅相位圖取自運行頻率處，并相對于時間繪制。最終，溫度和模擬值是相對于時間繪制的輸出。為從相頻響應(yīng)的一個適當(dāng)片段計算速度，在LabView中采用區(qū)間sub-VI。第一步是計算所有+180和-180度相位點。換句話說，確定相位拐點頻率，該技術(shù)可以在接近于運行頻率的頻率下對多個相位響應(yīng)進行采樣并將相位拐點頻率估計成該多個相位響應(yīng)的函數(shù)。
上面已經(jīng)討論了速度表達式在連續(xù)頻率下及其離散實現(xiàn)形式下的不同。然而，在LabView中實現(xiàn)算法1的過程中，也可以應(yīng)用第一步。例如，如果傳感器分析儀在頻率上具有有限的分辨率，那么-180到180度相位渡越附近的數(shù)據(jù)可以類似于下述-175.97，-176.866，-177.761，-178.657，-179.552，179.5522，178.6567，177.7612，176.8657，175.9701，可以使用外推線性擬合來找到精確的-180和180度相位點。圖6中示出了+180和-180度相位點。圖7示出了使用雙邊外推線性擬合來找到精確的-180和180度相位。如圖7所示，計算f1、f2的值和運行頻率φ(f0)處的相位是可能的。然而，由于LabView中的格式不同，也許必要的是使用源自上面推導(dǎo)的模型的不同術(shù)語。例如，在LabView中Tau_Fr＝(((F1/(F2-F1))*360)-Pha_Fr+180)/F_run*1000000*360)(F_run轉(zhuǎn)換成赫茲)，那么，
V_Fr＝(L*0.001)/Tau_Fr (L從毫米轉(zhuǎn)換成米)速度的最終輸出(V_Fr)繪制在LabView中并對應(yīng)于 如上所述。
使用LabView的單獨應(yīng)用程序，可能的是取得所存儲的相位文件并重構(gòu)速度數(shù)據(jù)。然后相位數(shù)據(jù)就可以精確地利用與上述相同的模型進行轉(zhuǎn)換。在此方式下，可能會看到相對于所得出的速度改變運行頻率的效果。LabView使兩個運行頻率(相差0.1MHz)可以被同時估計。有利的是，相位拐點頻率限定聲表面波傳感器的相頻圖的單調(diào)變化子集的邊界。因此，此處所述的技術(shù)不僅可以允許通過傳感器對材料的識別，而且也可以允許對材料濃度的指示。
例1實驗中使用的洛夫波型SH-SAW傳感器是由美國Sandia國家實驗室提供的工作于103MHz的LiTaO3裝置。在下壁流動的細(xì)胞(low-walled flow cell)位于傳感器的上方并充滿pH值為7.5的磷酸緩沖鹽(PBS)緩沖液。該液體容器與注射泵系統(tǒng)相連以允許緩沖液的緩慢流動。在實驗過程中，多個250毫升的0.05mg/ml牛血清清蛋白％(BSA)蛋白質(zhì)的等分試樣被在指定的時間注射到該細(xì)胞中。由美國Agilent Technologies，Inc.提供的8753ET網(wǎng)絡(luò)分析儀大約每20秒測量一次該傳感器的對數(shù)振幅和相位響應(yīng)。根據(jù)所得到的相位響應(yīng)，立即就得到了在工作頻率下的相位-時間曲線。然后，使用算法1來計算工作頻率下相對于時間的傳播速度。圖8和圖9分別示出了對應(yīng)于實驗時間的相位響應(yīng)和傳播速度速度時間曲線的波谷精確地對應(yīng)于BSA注射入非常緩慢地流動的緩沖液流的時刻。同相位一時間曲線相比，傳播速度的計算提供了關(guān)于加載到洛夫波型SH-SAW傳感器表面上的質(zhì)量的更多信息，導(dǎo)致對于所加載的質(zhì)量以及粘度的靈敏度的增加。
例2在這一例子中，使用了被檢測的3個單獨的濃度的細(xì)菌。第一細(xì)菌濃度為103cfu/ml(集落生成單位每毫升)，結(jié)果如圖10和圖11所示。第二細(xì)菌濃度為105cfu/ml，結(jié)果如圖12和圖13所示。第三細(xì)菌濃度為107cfu/ml，結(jié)果如圖14和圖15所示。
具體而言，圖10、圖12和圖14示出在特定濃度下 與時間的關(guān)系，而圖11、圖13和圖15示出了分別在特定濃度下的 與時間的關(guān)系。通常的使用SH-SAW傳感器來進行質(zhì)量載荷測量的方法是傳感器具有兩條通道參考通道和檢測通道(檢測通道在此也被稱作“活性通道”或“活性部分”)。在參考通道中，傳感器的表面大體上沒有受到擾動，而在檢測通道內(nèi)則受到擾動。通過測量和比較兩通道的傳播特性，可以檢測到在檢測通道中由質(zhì)量載荷引起的擾動。如果可以用于描述兩通道的傳播特性的差的指標(biāo)函數(shù)相對于所加載材料的質(zhì)量是單調(diào)的，那么所加載質(zhì)量的存在就能夠被檢測和量化。業(yè)已指出，使用 作為用于檢測的指標(biāo)函數(shù)要比使用 好。本例用實際實驗說明了這一結(jié)論的正確性。在這一實驗中，檢測通道的表面設(shè)置有以特定濃度加載的細(xì)菌。實驗中所使用的細(xì)菌濃度分別為103、105、和107cfu/mL。從將細(xì)菌注入檢測通道到回流的時間延遲為約20分鐘。對應(yīng)于每個細(xì)菌濃度的 和 關(guān)于時間的曲線在圖10-圖15中示出，其中對于兩條通道的傳播速度的計算是基于上述算法。應(yīng)當(dāng)指出，本例中的實驗不包括抗體。細(xì)菌被直接地以化學(xué)方式結(jié)合到該表面，該表面是糖精活動抑制層。
穩(wěn)定狀態(tài)下的 和 由對應(yīng)于各細(xì)菌濃度的上述曲線得出。 與對數(shù)濃度和 與對數(shù)濃度的關(guān)系分別示于圖16和圖17。
盡管實驗結(jié)果僅僅是對應(yīng)于三個不同的細(xì)菌濃度，但是顯然， 對于細(xì)菌濃度而言不是單調(diào)的。這也證明了下述結(jié)論的正確，即 對于量化地檢測具有較大動態(tài)范圍的所加載質(zhì)量并不是合適的指標(biāo)。
例3在實驗中所使用的洛夫波型SH-SAW傳感器是由美國Sandia國家實驗室提供的工作于103MHz的LiTaO3裝置。在該實驗中，傳感器的表面1.處于空氣中約20分鐘2.處于緩沖液中約30分鐘3.暴露于緩沖液中的細(xì)菌約18分鐘4.簡單沖洗并留在緩沖液中約20分鐘5.暴露于去離子(DI)水中約30分鐘。
細(xì)菌與附著在該表面的抗體相結(jié)合。圖18是在工作頻率下的傳播速度-時間曲線圖，而圖19是工作頻率下的相位-時間曲線圖。傳播速度由上面提出的算法1計算。在圖18和圖19中，垂直虛線限定了傳感器的各種表面條件的時間延遲，如上所述。
通過觀察圖18的速度-時間曲線圖，可以更容易地理解該實驗的過程和結(jié)果。當(dāng)其表面如181所示地位于空氣中時，傳感器的聲表面波的傳播具有較高的速度。一旦注入緩沖液，速度降低并趨向于182所示的穩(wěn)定狀態(tài)。一旦添加了一定量的細(xì)菌，速度就再次如183所示地降低。簡單的沖洗并不能除去由附著在傳感器表面的抗體吸收的細(xì)菌。因此，在沖洗過程中速度與前一狀態(tài)相同，如184所示。最終，該聲表面波傳感器的速度由于表面條件從所吸收的細(xì)菌改變成水而增加，如185所示。作為強烈的對比，難于根據(jù)如圖19所示的相位-時間曲線理解和解釋該實驗的過程和結(jié)果。
例4
在實驗中使用的洛夫波型SH-SAW傳感器是由美國Sandia國家實驗室提供的工作于103MHz的LiTaO3裝置。在下壁流動的細(xì)胞位于傳感器的上方并充滿pH值為7.5的磷酸緩沖鹽(PBS)緩沖液。該液體容器與注射泵系統(tǒng)相連以允許緩沖液的緩慢流動。在實驗過程中，多個250毫升的0.05mg/ml牛血清清蛋白(BSA)蛋白質(zhì)的等分試樣被在指定的時間注射到該細(xì)胞中蛋白質(zhì)的注射遵從下面的表1。在表1中，BSA表示牛血清清蛋白，IgG表示免疫球蛋白。
表1

如例1所述，由美國Agilent Technologies，Inc.提供的8753ET網(wǎng)絡(luò)分析儀每20秒測量一次對數(shù)振幅和相位頻率響應(yīng)。根據(jù)對應(yīng)活性通道的這些相頻響應(yīng)的適當(dāng)片段，以及上面提出的算法1，就得到了在運行頻率下的相位時間曲線和傳播速度時間曲線。圖20是所得到的相位-時間圖，而圖21是所得到的傳播速度-時間圖。
傳播速度(m/s)相對于BSA注射的時間(時域中的采樣點)的曲線在圖22-圖24中詳細(xì)示出。曲線的波谷的位置非常靠近表1中所列舉的注射時刻。在圖23中，標(biāo)號對應(yīng)于下述(1)(737)BSA.05mg/ml；(2)(783)BSA.025mg/ml；(3)(816)BSA.0125mg/ml；(4)(854)BSA.0333mg/ml；(5)(888)BSA.04mg/ml；(6)(916)BSA.05mg/ml；(7)(948)BSA 0.00625mg/ml；(8)(994)BSA 0.003125mg/ml；(9)(1023)BSA.05mg/ml；為了更精確地估計Δv/v，使用速度曲線中在BSA的注射時刻周圍的一些片段。圖26中示出一個例子。
在這種情形下，所估計的注射時刻為時域中的第952個采樣點。由圖26所示片段確定了波谷的邊沿并估計出速度v0和v1。然后，計算出對應(yīng)這一次注射的Δv/v＝(v1-v0)/v0，在此情形下，Δv/v＝-0.0056。圖25示出了曲線φ的對應(yīng)片段。難于根據(jù)圖25確定對應(yīng)這次注射的Δφ/φ。
在圖27-圖30中示出了更多例子。具體而言，圖28和圖30示出了速度v曲線在所估計的注射時刻附近的片段。對應(yīng)于圖28和圖30的所計算出的Δv/v分別為-0.0201和-0.0197。難于根據(jù)圖27和圖29確定Δφ/φ。
在表1中示出了在BSA的估計注射時刻附近的Δv/v的更精確估計。以圓圈的形式在圖31中示出了在相同的注射時刻所得出的Δv/v與在表1中列出的所注射的BSA的已知濃度之間的關(guān)系。對應(yīng)于0.05mg/ml的濃度，有七個相重疊的Δv/v。
可以檢驗對應(yīng)于最大Δv/v的圓圈。圖31所示曲線是通過連接這些圓圈而形成的。圖31的曲線是單調(diào)的。而且圖31所示曲線的單調(diào)性證明了，如果所注入的BSA的濃度在區(qū)間
mg/ml內(nèi)，那么傳感器可以利用可以由速度曲線和校準(zhǔn)確定的Δv/v進一步檢測所注射入的BSA的濃度。
SH-SAW傳感器的傳播特性的測量結(jié)果是將該傳感器用作檢測器的基礎(chǔ)。共振頻率fresonance和傳播速度v是兩個直接傳播特性，而Δv/v比Δf/f對表面擾動更敏感。因此，傳播速度的測量結(jié)構(gòu)是將SH-SAW傳感器有限地用作檢測器的優(yōu)選指數(shù)。
相反，現(xiàn)有方法是用傳感器分析儀測量SH-SAW傳感器的對數(shù)幅頻響應(yīng)A(f)和相頻響應(yīng)φ(f)，然后讀出在運行頻率下的相位。上面已經(jīng)討論了Δφ或Δφ/φ對于檢測的嚴(yán)格限制。通過開發(fā)用于直接測量SH-SAW傳感器的傳播速度的硬件和/或軟件，可以實現(xiàn)SH-SAW傳感器的實際應(yīng)用程序。根據(jù)具有傳統(tǒng)的三重渡越反射波(TTE)的SH-SAW傳感器的系統(tǒng)模型，業(yè)已提出了多種算法來根據(jù)由傳感器分析儀測得的相頻響應(yīng)的適當(dāng)片段估計傳播速度。第一算法(算法1)也在軟件平臺LabView上實現(xiàn)，以用于在線速度測量。
同傳統(tǒng)的基于相位或相移的方法相比較，在此所描述的技術(shù)不會損失由相攜帶的任何信息。而且，由于克服了相位多值性，因而在此描述的技術(shù)相對于傳統(tǒng)技術(shù)而言，可以獲取更多關(guān)于SH-SAW傳感器的表面條件的信息。而且，該例子示出了在濃度的較大動態(tài)范圍內(nèi)Δv/v-流體質(zhì)量載荷濃度曲線的單調(diào)性。這由此可以作為在實際上使用SH-SAW傳感器量化地檢測質(zhì)量載荷的基礎(chǔ)。相反的是，對于Δφ/φ-流體質(zhì)量載荷濃度曲線而言，單調(diào)曲線僅對小濃度是成立的。
已經(jīng)說明了本發(fā)明的各種實施例。具體而言，已經(jīng)說明了用于估計穿過聲表面波傳感器的傳播速度的的技術(shù)。這一技術(shù)可以以硬件、軟件、固件或類似物實現(xiàn)。示例的硬件實現(xiàn)包括通用微處理器、專用集成電路(ASIC)、現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)、特別設(shè)計的硬件部件或它們的任意組合在內(nèi)的實施方式。另外，在此所說明的一種或多種技術(shù)可以部分地或全部地在軟件中實現(xiàn)。在這種情況下，計算機可讀介質(zhì)可以存儲或以其它方式包含計算機可讀指令，即，可以由處理器執(zhí)行或執(zhí)行上述的一種或多種技術(shù)的程序編碼。該技術(shù)能夠用于恒定時間延遲(在無頻散情形下)和取決于頻率的時間延遲(在頻散情形下)。
例如，計算機可讀介質(zhì)可以包括隨機存取存儲器(RAM)、只讀存儲器(ROM)、非易失電隨機存取存儲器(NVRAM)、可擦寫可編程只讀存儲器(EEPROM)、閃存、或類似物。這些和其它實施例都在本發(fā)明權(quán)利要求范圍內(nèi)。
用于涂覆本發(fā)明的裝置的適當(dāng)方法包括本申請人提交于2003年6月27日的美國同時待審申請No.10/607,698。
本發(fā)明可以與下面列舉的美國專利申請中所描述的各種材料、方法、系統(tǒng)、裝置等相組合使用，所有這些專利申請都分別以參考的形式將其全部內(nèi)容結(jié)合在此。它們包括提交于2003年12月30日的美國專利申請No.60/533,162；提交于2003年12月30日的美國專利申請No.60/533,178；提交于2004年6月22日的美國專利申請No.10/896,392；提交于2003年11月14日的美國專利申請No.10/713,174；提交于2004年11月12日的美國專利申請No.10/987,522；提交于2003年11月14日的美國專利申請No.10/714,053；提交于2004年11月12日的美國專利申請No.10/987,075；提交于2003年12月30日的美國專利申請No.60/533,171；提交于2004年10月7日的美國專利申請No.10/960,491；提交于2003年12月30日的美國專利申請No.60/533,176；提交于2003年12月30日的美國專利申請No.60/533,169；與本申請同日提交、發(fā)明名稱為“Method of EnhancingSignal Detection of Cell-Wall Components of Cells”的美國專利申請＿＿＿＿(代理案卷號為No.59467US002)；與本申請同日提交、發(fā)明名稱為“Soluble Polymers as Amine Capture Agents and Methods的美國專利申請＿＿＿＿(代理案卷號為No.59995US002)；與本申請同日提交、發(fā)明名稱為“Multifunctional Amine Capture Agents”的美國專利申請＿＿＿＿(代理案卷號為No.59996US002)；與本申請同日提交、發(fā)明名稱為“Surface Acoustic Wave Sensor Assemblies”的PCT申請＿＿＿＿(代理案卷號為No.58928WO003)；與本申請同日提交、發(fā)明名稱為“Acousto-Mechanical Detection Systems andMethods of Use”的PCT申請＿＿＿＿(代理案卷號為No.59468WO003)；與本申請同日提交、發(fā)明名稱為“Detection Cartridges，Modules，Systems and Methods”的PCT申請＿＿＿＿(代理案卷號為No.60342WO003)；以及與本申請同日提交、發(fā)明名稱為“AcousticSensors and Methods”的PCT申請＿＿＿＿(代理案卷號為No.60209WO003)。
這里引用的專利、專利申請、專利文獻、以及公開出版物以參考的形式全部結(jié)合在此，就如同它們都被單獨地結(jié)合與此那樣。本發(fā)明的各種修改和替換對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言是明顯的，并不背離本發(fā)明的范圍和實質(zhì)。應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明并非旨在不恰當(dāng)?shù)鼐窒抻诖颂幩U釋的示意性實施例，這些實施例僅僅是以示例的方式給出的，本發(fā)明的范圍僅僅由權(quán)利要求限定。
權(quán)利要求
1.一種方法，其包括識別聲表面波傳感器的相頻響應(yīng)的一個片段；并根據(jù)所識別的相頻響應(yīng)片段估計與穿過聲表面波傳感器的波的傳播有關(guān)的時間延遲。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中識別相頻響應(yīng)片段的步驟包括確定第一和第二相位拐點頻率，它們接近于與聲表面波傳感器有關(guān)的運行頻率。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中確定相位拐點頻率的步驟包括在接近運行頻率的若干頻率處對多個相位響應(yīng)進行采樣，并在接近于運行頻率的若干頻率處把相位拐點頻率初始地估計成該多個相位響應(yīng)的函數(shù)；在接近于初始估計的相位拐點頻率的若干頻率處對多個相位響應(yīng)進行采樣；以及將相位拐點頻率更精確地估計成在接近于初始估計的相位拐點頻率的若干頻率下該多個相位響應(yīng)的函數(shù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中第一和第二相位拐點頻率限定出聲表面波傳感器的相位-頻率圖的單調(diào)變化子集的邊界。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，還包括大致根據(jù)下述公式估計時間延遲的步驟τ^(f0)=f1f01f2-f1-1360φ(f0)f0+0.5f0]]>其中 是頻率f0下的時間延遲，f0是運行頻率，f1是第一相位拐點頻率，f2是第二相位拐點頻率，而φ(f0)是所測得的該聲表面波傳感器在頻率f0下的相位響應(yīng)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括大致根據(jù)下列公式估計時間延遲的步驟τ^(f0)=-1360f*f0φ·(f*)-13601f0+13601f0φ(f*)]]>其中 是時間延遲，f0是運行頻率，φ(f0)是聲表面波傳感器所測得的相位-頻率響應(yīng)，f*是第一拐點頻率和第二拐點頻率之間的任意頻率，φ(f*)是在頻率f*下測得的相頻響應(yīng)，而 則是頻率f*下所測得的相位響應(yīng)的一階導(dǎo)數(shù)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括大致根據(jù)下述公式來估計時間延遲的步驟τ^(f0)=-1360φ·(f0)]]>其中 是時間延遲， 是在頻率f0下所測得的相位響應(yīng)的一階導(dǎo)數(shù)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括大致根據(jù)下述公式來估計時間延遲的步驟τ^(f0)=1f0f1f2-f1-13601f0φ(f0)+0.5f0+11801f01f2-f1∫f1f2φ(f00)df00]]>其中 為時間延遲，f0為工作頻率，f1為第一相位拐點頻率，f2為第二相位拐點頻率，而φ(f0)則為聲表面波傳感器得的測得的相位響應(yīng)，積分 等于 其中，φ(f)在頻率f處響應(yīng)并且f在f1到f2之間。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述方法，還包括根據(jù)所估計的時間延遲以下述公式估計穿過聲表面波傳感器的聲表面波的傳播速度v^(f)=Lτ^(f),]]>其中 是在頻率f下聲表面波的估計傳播速度， 是在頻率f下的估計時間延遲，L是輸入叉指換能器(IDT)和輸出IDT的中心之間的距離。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括使流體與聲表面波傳感器的表面相接觸；和將該流體中的材料的濃度識別為所估計的傳播速度的函數(shù)，所估計的傳播速度是根據(jù)所估計的時間延遲估計出來的。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中聲表面波傳感器包括洛夫波型剪切水平聲表面波傳感器。
12.一種計算機可讀介質(zhì)，其包括若干指令，當(dāng)在處理器中執(zhí)行所述指令時識別出聲表面波傳感器的相頻響應(yīng)片段；根據(jù)所識別出的頻率響應(yīng)估計與穿過該聲表面波傳感器的波的傳播有關(guān)的時間延遲。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的計算機可讀介質(zhì)，還包括若干指令，在執(zhí)行這些指令時通過確定第一和第二相位拐點頻率來識別相頻響應(yīng)的所述片段，所述第一和第二相位拐點頻率接近于與聲表面波傳感器有關(guān)的運行頻率。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的計算機可讀介質(zhì)，還包括若干指令，在執(zhí)行這些指令時通過下述步驟為離散相頻響應(yīng)確定相位拐點頻率對在接近于運行頻率的若干頻率下的多個相位響應(yīng)進行采樣，并將相位拐點頻率初始地估計成在接近于運行頻率的若干頻率下的該多個相位響應(yīng)的函數(shù)；對多個相位響應(yīng)在接近于初始估計的相位拐點頻率的若干頻率下采樣；將相位拐點頻率更精確地估計成在接近于初始估計的相位拐點頻率的若干頻率下的該多個相位響應(yīng)的函數(shù)。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的計算機可讀介質(zhì)，其中第一和第二相位拐點頻率限定了聲表面波傳感器的相位-頻率圖的單調(diào)變化子集的邊界。
16.根據(jù)權(quán)利要求13所述的計算機可讀介質(zhì)，還包括若干指令，在執(zhí)行這些指令時大致根據(jù)下述公式估計時間延遲τ^(f0)=f1f01f2-f1-1360φ(f0)f0+0.5f0]]>其中 是在頻率f0下的時間延遲，f0是運行頻率，f1是第一相位拐點頻率，f2是第二相位拐點頻率，而φ(f0)是在運行頻率f0下所測得的聲表面波傳感器的相位響應(yīng)。
17.根據(jù)權(quán)利要求12所述的計算機可讀介質(zhì)，還包括若干指令，在執(zhí)行這些指令時大致根據(jù)下述公式估計時間延遲τ^(f0)=-1360f*f0φ·(f*)-13601f0φ(f0)+13601f0φ(f*)]]>其中 是時間延遲，f0是運行頻率，φ(f0)是所測得的聲表面波傳感器的相位響應(yīng)，f*是第一相位拐點頻率和第二相位拐點頻率之間的任意頻率，φ(f*)是在頻率f*下測得的相頻響應(yīng)， 是在頻率f*下測得的相頻響應(yīng)的一階導(dǎo)數(shù)。
18.根據(jù)權(quán)利要求12所述的計算機可讀介質(zhì)，還包括若干指令，在執(zhí)行這些指令時大致根據(jù)下述公式估計時間延遲τ^(f0)=-1360φ·(f0)]]>其中 是時間延遲， 是在頻率f0下測得的相位響應(yīng)的一階導(dǎo)數(shù)。
19.根據(jù)權(quán)利要求12所述的計算機可讀介質(zhì)，還包括若干指令，在執(zhí)行這些指令時大致根據(jù)下述公式估計時間延遲τ^(f0)=1f0f1f2-f1-13601f0φ(f0)+0.5f0+11801f01f2-f1∫f1f2φ(f00)df00]]>其中 是時間延遲，f0是工作頻率，f1是第一相位拐點頻率，f2是第二相位拐點頻率，φ(f0)是所測得的聲表面波傳感器的相位響應(yīng)，積分 等于積分 其中φ(f)是在頻率f下測得的相位響應(yīng)，且f在f1到f2之間變化。
20.根據(jù)權(quán)利要求12所述的計算機可讀介質(zhì)，還包括若干指令，在執(zhí)行這些指令時根據(jù)下述公式從所估計的時間延遲估計聲表面波的傳播速度v^(f)=Lτ^(f),]]>其中 是在頻率f下聲表面波的估計傳播速度， 是在頻率f下的估計時間延遲，而L是輸入叉指換能器(IDT)和輸出IDT的中心之間的距離。
21.根據(jù)權(quán)利要求12所述的計算機可讀介質(zhì)，還包括若干指令，在執(zhí)行這些指令時將流體中材料的濃度識別成所估計傳播速度的函數(shù)，所估計的傳播速度是根據(jù)所估計的時間延遲估計出來的。
22.根據(jù)權(quán)利要求12所述的計算機可讀介質(zhì)，其中聲表面波包括洛夫波型剪切水平聲表面波傳感器。
23.一種系統(tǒng)，其包括聲表面波傳感器；傳感器分析儀，其用于接收聲表面波傳感器的輸出；和處理器，其接收該傳感器分析儀的輸入，識別聲表面波傳感器的相頻響應(yīng)的片段，根據(jù)所識別的相頻響應(yīng)片段估計與穿過聲表面波傳感器的波的傳播有關(guān)的時間延遲。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的系統(tǒng)，其中處理器通過確定第一和第二相位拐點頻率來識別該相頻響應(yīng)的片段，所述第一和第二相位拐點頻率接近于與聲表面波傳感器有關(guān)的運行頻率。
25.根據(jù)權(quán)利要求24所述的系統(tǒng)，其中處理器通過下述步驟確定相位拐點頻率對在接近于運行頻率的若干頻率下的多個相位響應(yīng)進行采樣，并將相位拐點頻率初始地估計成在接近于運行頻率的若干頻率下的該多個相位響應(yīng)的函數(shù)；對多個相位響應(yīng)在接近于初始估計的相位拐點頻率的若干頻率下采樣；將相位拐點頻率更精確地估計成在接近于初始估計的相位拐點頻率的若干頻率下的該多個相位響應(yīng)的函數(shù)。
26.根據(jù)權(quán)利要求24所述的系統(tǒng)，其中第一和第二相位拐點頻率限定了聲表面波傳感器的相位-頻率圖的單調(diào)變化子集的邊界。
27.根據(jù)權(quán)利要求24所述的系統(tǒng)，其中處理器大致根據(jù)下述公式估計時間延遲τ^(f0)=f1f01f2-f1-1360φ(f0)f0+0.5f0]]>其中 是在f0下的時間延遲，f0是運行頻率，f1是第一相位拐點頻率，f2是第二相位拐點頻率，而φ(f0)是在頻率f0下所測得的該聲表面波傳感器的相位響應(yīng)。
28.根據(jù)權(quán)利要求23所述系統(tǒng)，其中處理器大致根據(jù)下述公式估計時間延遲τ^(f0)=-1360f*f0φ·(f*)-13601f0φ(f0)+13601f0φ(f*)]]>其中 是時間延遲，f0是運行頻率，φ(f0)是所測得的聲表面波傳感器的相位響應(yīng)，f*是第一相位拐點頻率和第二相位拐點頻率之間的任意頻率，φ(f*)是在運行頻率f*下測得的相頻響應(yīng)，而 則是運行頻率f*下所測得的相頻響應(yīng)的一階導(dǎo)數(shù)。
29.根據(jù)權(quán)利要求23所述系統(tǒng)，其中處理器大致根據(jù)下述公式估計時間延遲τ^(f0)=-1360φ·(f0)]]>其中 是時間延遲， 是在頻率f0下所測得的相位響應(yīng)的一階導(dǎo)數(shù)。
30.根據(jù)權(quán)利要求23所述系統(tǒng)，其中處理器大致根據(jù)下述公式估計時間延遲τ^(f0)=1f0f1f2-f1-13601f0φ(f0)+0.5f0+11801f01f2-f1∫f1f2φ(f00)df00]]>其中 是時間延遲，f0是工作頻率，f1是第一相位拐點頻率，f2是第二相位拐點頻率，φ(f0)是所測得的聲表面波傳感器的相位響應(yīng)，積分 等于積分 其中φ(f)是在頻率f下測得的相位響應(yīng)，且f在f1到f2之間變化。
31.根據(jù)權(quán)利要求23所述系統(tǒng)，其中處理器依照下述公式基于所估計的時間延遲來估計聲表面波的傳播速度v^(f)=Lτ^(f),]]>其中 是在頻率f下聲表面波的估計傳播速度， 是在頻率f下的估計時間延遲，而L是輸入叉指換能器(IDT)和輸出IDT的中心之間的距離。
32.根據(jù)權(quán)利要求23的所述系統(tǒng)，其中處理器根據(jù)所估計的時間延遲估計傳播速度。
33.根據(jù)權(quán)利要求32的所述系統(tǒng)，其中處理器將流體中材料的濃度識別成所估計的傳播速度的函數(shù)。
34.根據(jù)權(quán)利要求23所述的系統(tǒng)，其中聲表面波傳感器包括洛夫波型剪切水平聲表面波傳感器。
全文摘要
本發(fā)明描述了一種用于估計穿過聲表面波傳感器的傳播速度的技術(shù)。具體而言，描述了一種測量并利用聲表面波傳感器的相頻響應(yīng)的適當(dāng)片段以用作由傳感器進行細(xì)菌檢測的基礎(chǔ)的技術(shù)。如所述，使用基于相頻響應(yīng)的適當(dāng)片段的速度估計比使用相移作為檢測基礎(chǔ)的現(xiàn)有技術(shù)更為優(yōu)越。
文檔編號G01N29/44GK1910452SQ200480039684
公開日2007年2月7日 申請日期2004年12月17日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月30日
發(fā)明者許文源, 約翰·S·赫伊津哈 申請人:3M創(chuàng)新有限公司