[发明专利]微流体装置及操作方法

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求在2008年2月11日提交的美国临时申请No.61/065,293的优先权，该申请的内容以引用的方式结合到本文中。

发明背景

本发明大体而言涉及用于测量流体性质的装置和方法。更特定而言，本发明涉及一种微流体装置，其配备有谐振结构，该谐振结构内的、流体流动通过其中的微通道，以及用于在流体流动通过微通道时确定流体性质的器件。通过添加这样的器件来改进装置的性能：该器件能够最小化由于谐振结构的机械能消散到支承衬底而产生的机械损失。

能进行精确测量的流体输送装置在多种工业中得到应用，其非限制性实例包括：医疗系统，诸如药物注入和麻醉；能量与燃料系统，其包括燃料输送系统和燃料电池，诸如直接甲醇燃料电池(DMFC)；以及消费品。已提出各种类型的流率和浓度传感器，包括电解传感器、折射计传感器、超声传感器、电化学传感器、电磁传感器和机电传感器。后者的一个实例为在Tadigadapa等人的共同转让的美国专利No.6,477,901中所公开的基于科里奥利(Coriolis)的微流体装置，该专利的涉及基于科里奥利的传感器的制造和操作的内容以引用的方式结合到本文中。

由Tadigadapa等人所公开的类型的基于科里奥利的微流体装置包括微机械管，其支承在衬底上方，以具有独立部分。驱动电极与感测电极位于衬底表面上、管的独立部分下方。驱动电极可(例如)以电容的方式耦联至管的独立部分，以用于在谐振或接近谐振时以电容方式(静电方式)驱动独立部分，而感测电极感测(例如，以电容方式，以光学方式等)谐振管相对于衬底的偏转，且提供反馈以使得能够利用适当电路来控制驱动电极所引起的振动频率。在使用中，当流体流动通过管内的内部通路时，驱动电极使独立部分以谐振或接近谐振来振动，以使用科里奥利力法则来确定流体的某些性质，诸如流率和密度。特别地，随着驱动电极以谐振或接近谐振来驱动独立部分，感测电极感测独立部分的绕该独立部分的对称轴线的扭转运动，其被称作科里奥利效应。在振动循环期间由于科里奥利效应所造成的独立部分扭转(偏转)所达到的程度可与流动通过管的流体的质量流率相关，而流体的密度与谐振时的振动频率成比例。

基于科里奥利的微流体装置的显著优点包括可使用半导体技术将它们制造成的微型规模。如由Tadigadapa等人所教导，可通过微机械加工技术(诸如体蚀刻和表面薄膜蚀刻)将该装置的结构构件与单个芯片上的电子器件组合，以得到能精确地分析很少量流体的微机电系统(MEMS)。当合适地微型化时，基于科里奥利的微流体装置可由封顶晶片(capping wafer)封闭以允许真空封装，这可通过降低空气阻尼效果而进一步改进该装置的性能。

Tadigadapa等人所公开的微流体装置可用于很多种应用，如从共同转让的美国专利No.6637257、No.6647778、No.6932114、No.7059176、No.7228735、No.7263882、No.7354429和No.7437912、美国公开专利申请No.2004/0171983、No.2005/0126304、No.2005/0284815、No.2005/0235759、No.2006/0211981、No.2007/0151335、No.2007/0157739、No.2008/0154535以及待决的美国专利申请(序号)No.12/031839、No.12/031860、No.12/106642和No.12/143942中显而易见。作为特别的实例，美国专利No.7263882教导了可在流体样品流动通过基于MEMS的科里奥利微流体装置的谐振管内的微通道时通过感测流体密度的变化来测量化学浓度，包括燃料电池溶液的化学浓度，且美国公开专利申请No.2007/0157739教导了检测电势测量误差的能力，电势测量误差可归因于由基于MEMS的科里奥利微流体装置的谐振管所评估的流体中的第二相(诸如气泡)。