CN101305277B - 用于借助压电换能器移动液体的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有用于移动液体的装置的设备，其特征在于，所述装置包括至少一个具有至少一个压电层(110)和两个设置在该压电层(110)上的电极(111，112)的压电声谐振元件(11)，其中所述压电声谐振元件(11)这样实现，通过借助电极(111，112)在压电层(110)上施加压力以谐振频率激励该压电层(110)的容积振荡。所述压电声谐振元件(11)可以合适的方式与液体声耦合以在液体中传递被激励的容积振荡而移动液体。该设备可以构造成微型混合器或微型泵并且还可以包括用于检测物质的积聚的传感器元件(41)。

Description

用于借助压电换能器移动液体的装置和方法
技术领域
本发明涉及一种具有用于移动液体的装置的设备以及使用用于这样的装置移动液体的方法。
背景技术
例如作为生物传感器使用的微流体系统，由于其结构大小和相对小的可用液体容积要求具有小横截面的微型通道的系统。由于该小的横截面和相对小的流速，使这样的系统的雷诺数(Reynolds-Zahlen)很小，雷诺数表征惰性与粘滞力的关系，并且对无粘滞性的理想液体为无穷大。由此造成在这些通道中的液流主要是片状的，并因此而没有充分混合。
这样的充分混合例如在生物传感器中是必要的，以使聚合酶链式反应(Polymerasekettenreaktion，PCR)加速或还引起DNA杂交，因为这两种情况都是扩散限制过程。
为了解决这个问题，最近建议基于铌酸锂芯片的表面波谐振器，其在140MHz情况下以直至500mW的HF功率工作。由此产生液体的准无序的混合，由此例如可以在几分钟内完成杂交。
然而这样的解决方案常常由于结构大小和频率范围而受到限制。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种具有用于移动液体的装置的设备以及使用这样的装置的用于移动液体的方法。
该技术问题通过如权利要求1特征部分描述的设备和通过如权利要求19特征部分描述的用于移动液体的方法来解决。
本发明的优选实施方式和其它细节在从属权利要求中给出。
根据本发明所述设备包括用于移动液体的装置，该装置具有至少一个压电声谐振元件，和连接在压电层上的两个电极，其中压电声谐振元件这样实现，通过借助电极在压电层上施加压力而以谐振频率激励该压电层的容积振荡，该容积振荡在液体中传递。
这样的压电声谐振元件作为所谓的BAW(bulk acoustic wafe，体声波)谐振器在技术上是公知的，并且被开发为适合于高频应用的无源组件，例如在移动无线通信技术中。
与表面声波谐振器(SAW，Surface Acoustic Wafe Resonator)不同，BAW谐振器激励压电层的声容积振荡(固体声振荡)，且没有表面波。根据压电声谐振器的配置，被激励的压电声谐振器元件的容积振荡可以是纵向振荡和/或容积剪切振荡。例如在六角形压电材料例如PZT(锆钛酸铅)的c轴的垂直晶体方向下，在电极设置于底部和上部(三明治结构)的情况下得到沿压电层层厚的纵向振荡。反之，可以得到沿着压电层的横向延伸的容积剪切振荡，其中多晶层这样取向，使c轴在层平面中延伸。
优选本发明设备的压电声谐振元件这样工作，即激励纵向振荡。优选压电声谐振元件工作在0.5到10GHz的频率范围内，其中产生在液体中强烈衰减的波，该波导致液体充分混合。
优选该装置包括多个逆相(gegenphasig)控制的压电声谐振元件。由此就是较大的液体容积也可以得到充分混合，因为通过逆相控制可以实现在液体中的涡流以及改善的充分混合。
优选本发明装置的压电声谐振元件的大小为50到200μm。相对已有的解决方案的重要优点在于提高了小型化的潜力，由此可以大大限制整个微流体系统的大小。
根据本发明可以将用于移动液体的装置构成为混合装置和/或作为泵装置。作为微型泵它们例如可以设置在通过压电声谐振元件的控制而弯曲偏转的膜上。以优选方式压电声谐振元件的厚度为半个波长(λ/2)。
所述设备可以构造为模块。该模块可以这样构造，使得可整合在微流体系统中，例如通过简单的推入或插入。
在压电声谐振元件的简单的实施中，将其设置于声镜上，该声镜包括多个具有非常不同的声阻抗的层。但是压电声谐振元件也可以设置于薄膜上，该薄膜例如可以通过对具有例如氮化或氧化覆盖层的硅片的背面腐蚀制造成腐蚀止档。在此该设备可以被构造为微型泵，其中膜通过压电声谐振元件的控制经历弯曲偏转，其振荡在液体中传递。
当该设备包括多个逆相控制的压电声谐振元件时，可以获得改善的泵性能。在特别优选的实施方式中，该装置被构造为多膜反接触泵(Multi-Membran-Gegenkontaktpumpe)，其中将流体通道中在流向上先后接续的多个压电声谐振元件设置为执行器(泵)，并且在两个压电声谐振元件之间设置了逆流障。
通过本发明的具有用于移动液体的装置的设备的整合能力获得以下特别的优点，即可以简单的方式作为薄层组件整合到半导体衬底上。在此可以利用通常的半导体技术的方法过程，例如双极型、CMOS技术或双CMOS技术。
所述设备可以通过倒装法安装在高频衬底(Hochfrequenzsubstrat，HF)上。该HF衬底可以是模块的一部分，其以简单的方式整合于流单元的外壳中。高频衬底优选地是LTCC(Low Temperature Cofired Ceramics，低温烧制陶瓷)衬底。
关于可缩小性，本发明设备的特别优点在于，可以最简单的方式利用用来检测物质的传感器整合于相同的技术平台上。这样的用来检测物质的装置可以是检测混合物中特定物质的传感器，但是也可以是例如质量传感器(Massensensor)。
通过检测特定物质的积聚，传感器的功能可以包括选择性地确定混合物中的该物质、确定相应物质的浓度、确定质量、确定反应动力学等。
这样的基于压电声容积谐振器的传感器是技术人员公知的。例如申请人的申请WO2004/017063 A2描述了这样的用于测量物质在BAW谐振器表面的积聚的微传感器。BAW谐振器的谐振频率由于物质的积聚而改变，从而由此可以推断物质的积聚。这样的用于检测物质的装置具有表面段，该表面段为待检测物质的积聚而设置，并可以对不同的待检测物质而不同地设置。
通过组合或整合本发明的用于移动液体的装置和用来检测物质的装置的功能，可以开辟新的应用领域。例如可以监测微反应，其中可以同时测定反应产物。因为传感器元件和执行器元件作为整合的半导体组件实现于同一芯片上，该设备可以在最小空间内实现，由此仅需要非常小的试剂容积，这在许多情况下带来明显的费用降低。另外还可以制造具有多个元件、可以并行地实施不同的测试的阵列。
所述设备在此可以包括多个在激励时具有不同振荡模式的压电声谐振器。例如可以设置具有厚度谐振模式的第一压电声谐振元件和具有剪切振荡模式的第二谐振元件。在此该设备可以这样构造：用不同的驱动装置来控制该两个压电声谐振元件，即单独驱动。
在特别优选的实施方式中两个压电声谐振元件以叠式互相重叠设置。在此上面的谐振元件作为传感器元件构造，并优选具有λ/2的厚度。在这种情况下上面的元件对声波起抗反射层的作用，这使得在混合时可以在液体中特别有效地传输能量。
特别有效的和大大缩小的本发明的设备是具有整合的生物传感器的MEMS(Microelectronic Mechanical Systems，微电子机械系统)泵。该泵包括在控制时导致膜弯曲偏转的第一压电声谐振元件。另外还设置有逆相驱动的第二压电声谐振元件。两个压电声谐振元件在流单元的流通道内前后相继地设置。在流单元中两个压电声谐振元件之间设有逆流障。在作为泵起作用的两个压电声谐振元件的上侧，分别设置有用于检测物质的装置，该装置具有用于积聚要检测的物质的相应的涂层。
以这种方式通过本发明的装置实现了作为具有多功能的微系统技术组件的例子的传感器和混合元件的组合或传感器和泵元件的组合。大大减少的结构尺寸开辟了新的应用领域并降低了制造成本。
基于压电声谐振元件的硅相容性，也可以构造芯片系统上的实验室(Lab-on-a-Chip-System)，因为其将相应的混合功能和传感器功能与相应整合的分析装置相统一。
但是本发明并不限于这样的实施方式，还同样提出具有至少一个压电声谐振元件的装置，该压电声谐振元件这样构成，通过该压电声谐振元件的电极的控制可激励压电声层的纵向的容积振荡和同时剪切模式容积振荡。
通过有针对性地选择压电层的晶向可以获得这样的压电声谐振元件。例如可以是由ZnO组成的压电声层，其晶体c轴以合适的方式倾斜。例如倾斜16°。除了ZnO例如还可以使用具有合适的倾斜的AIN或PZT(Bleizirkonattitanat，锆钛酸铅)。在这样的配置下用一个压电声谐振元件移动液体并同时进行测量。与此相应地用一个压电声谐振元件提供传感器功能和执行器功能。
在这种用同时作为传感器和执行器起作用的压电声谐振元件的实施方式中，可以相对强地激励纵向模式以及激励剪切模式。在纵向模式中液体混合，因为该模式很好地耦合在液体中。用剪切模式例如作为检测物质的例子实施重量测量。
关于制造过程在这样的实施方式中具有极大的优点，因为仅需处理一个压电声谐振元件。因为这可以用标准半导体过程实施，因此可以毫无问题地整合其他功能单元例如振荡器、分析电路等。不需要运动的部分并且不需要薄膜或悬臂，由此使产生的设备具有简单的制造过程以及高可靠性。
通过将两个功能执行器/传感器组合在一个组件中进一步小型化并能提供微流体组件，其外部尺寸明显在100μm以下，优选在50μm以下。
本发明还提出在使用本发明的装置的情况下用来移动液体的方法。该方法包括以下步骤：将用于移动液体的本发明装置与液体接触，并且激励压电层的容积振荡为谐振。
附图说明
下面对照附图描述本发明的实施例和其它细节。
图1以横截面示意地示出具有压电声谐振元件的用于移动液体的装置的第一实施例，
图2以横截面示意地示出具有压电声谐振元件的用于移动液体的装置的第二实施例，
图3以横截面示意地示出本发明设备的一个构造为微型混合器的实施例，
图4以俯视图示意地示出本发明设备的另一个由传感器元件和执行器元件组成并以阵列形成的实施例，
图5以横截面示意地示出本发明装置的另一个由多个压电声谐振元件以叠式排列的实施例，
图6以横截面示意地示出本发明装置的一个具有整合的传感器元件的作为MEMS泵构造的实施例。
图7以横截面示意地示出用于移动液体的本发明装置的另一个实施例。
图8示出了在图8的压电声谐振元件上测出的振幅S11与频率的关系。
图9示出了在剪切模式下在790MHz测出的、谐振频率的测量与用于抗生物素蛋白连接的时间的关系。
图10示出了用于移动液体的方法的实施例的流程。
具体实施方式
在以下参照图1和2解释本发明装置的用于移动液体的两个基本结构。
图1示出了具有用于移动液体的装置的设备的第一实施例，在该装置中压电声谐振元件设置于衬底上。
设备10包括设置于作为衬底12的硅片上的压电声谐振元件11。压电声谐振元件11包括由具有层厚为1μm的PZT组成的压电层110。在压电层110的上侧及下侧装有由层厚为500nm的铂片组成的电极111及112。在电极111、112之间设置有由Al2O3构成的绝缘层113。下面的电极112设置在由具有非常不同的声阻的多个交替层组成的声镜13上。在此例如可以是W/SiO2层。这个作为布拉格反射镜(Bragg-Reflektor)起作用的声镜用来避免在衬底12中的声损失。声镜的各个层的层厚为λ/4。
代替设置在压电声镜上，压电声谐振元件还可以设置在薄膜上。在图2中示出这样的实施方式。与图1中相同的附图标记表示相同的组件。上面设置有压电声谐振元件11的膜24由SiO2组成。膜24在硅片23上形成覆盖层。
用于产生膜的硅片处理过程是经过背面腐蚀实施的，在该过程中通过材料侵蚀形成硅片23背面的凹槽25。SiO2层24作为腐蚀止档起作用并在完成组件时形成膜。
在图1和2示出的两个实施例中，压电声薄层谐振器11都工作于厚度谐振模式。在此压电层的晶向为<111>取向。这具有以下优点，即结果的振荡可以特别好地在液体中传递，从而使有效的泵送及混合成为可能。
图3示意地示出了一个实施方式的横截面剖面图，在该实施方式中本发明设备构造为完整的微流体系统。
微流体系统30包括限制流通道33的外壳，在图3中示出了该外壳的一个外壳段32。通过该流通道33流过液体，该液体应该在未示出的设备30的段中被分析。为此目的，微流体系统包括用于充分混合通过流通道33流过的液体的模块31。该模块31包括混合器芯片38，在该芯片上在流向前后相继地设置有两个压电声谐振元件11，其结构与在图1和2中描述的压电声谐振元件11相同，例外的是此处压电声谐振元件的外部尺寸为250×100×50μm，压电层具有30μm的层厚。混合器芯片38通过倒装法技术连接在LTCC(Low TemperatureCofire Ceramics，低温烧制陶瓷)衬底37上。LTCC衬底可以公知的方式包含其他无源的电子元件。在此混合器38的上面的片段经过所谓的焊接接缝35与高频衬底37相连。焊接接缝35由金镍合金组成。此外还设置有底层填料36。为产生底层填料36在底部填充过程沿着芯片楞涂有材料带，其中液体通过毛细管效果在芯片下面流过。
在图3示出的混合器芯片38直接经过倒装法技术连接于高频衬底37上的结构，带来了很多优点：包括直接整合于微流体系统中的模块31，从而获得显著的缩小和整合。另外，关于高频技术经过焊接接缝连接于HF衬底带来以下优点，在千兆赫兹范围的频率可以避免通过焊线导致的高内部损失。
图4示出了本发明设备的一个实施例，在该设备中在承载衬底44上设置有4×4压电声谐振元件41、42形成的阵列40。压电声谐振元件41在此构造为用于检测物质的传感器元件用来识别物质或通过测量积聚的质量来测定其浓度。在此压电声谐振元件41和42之间的基本差别在于压电薄层的不同取向。压电声谐振元件42的取向是这样选择的：使得产生纵向容积振荡，而传感器元件41则产生剪切振荡。由于压电层的不同取向，在阵列40中对传感器元件41和执行器元件42的组合，要求另一个结构平面。将多个传感器元件41设置为阵列具有在测量时提高位置分辨率的优点。
传感器元件和执行器元件的组合还可以是叠式结构形式。相应的实施例在图5示出。在该实施例中本发明装置构造为具有整合的生物传感器的薄层混合器。设备50包括作为传感器元件构造的第一压电声谐振元件51。其由层厚为1.5μm的ZnO压电层510组成。在压电层510的上侧和下侧设置有层厚为0.5μm的银钯合金电极511及512。在上电极511的上侧，设置有敏感涂层55。本实施例中是特别的DNA涂层，该涂层经过钥匙锁原理可以对接(Andocken)相应的DNA以由不同物质的混合中有选择地积聚。压电层510具有与压电声谐振元件51的传感器功能的相应的剪切方向。
在该实施例中传感器元件51以叠式设置在执行器元件52上。相应的压电声谐振元件52由上侧的银钯合金电极512和下侧的银钯合金电极513组成。压电层520由层厚为500nm的AlN组成。压电声谐振元件52的长度在宽为50μm的情况下为100μm。作为执行器起作用的压电声谐振元件52设置在由氮化硅组成的硅片54的膜53上。
通过以叠式的排列可以达到进一步的缩小。
代替膜53的结构，还可以设置具有声镜的承载衬底。这样设置其尺寸，使反射既对容积振荡的频率范围又对剪切振荡的频率范围都是足够的。
在图5示出的实施例中上面的谐振元件51的厚度为λ/2。由此上面的元件对声波起抗反射层的作用，由此在混合时可以实现在液体中特别有效的能量传输。
图6示出一个实施例，在该实施例中本发明设备构造为具有整合的生物传感器的MEMS(Microelectronic Mechanical Systems，微电子机械系统)泵。
设备60包括在上侧限制通道62的流单元61，在图6示出了该装置横截面的一部分。通过具有整合的传感器元件的反接触泵63形成通道62的下侧，该传感器元件被构造为双膜反接触泵。微型泵63包括两个在厚度方向具有压电层520的压电声谐振元件52，它们沿着流通道62前后相继地设置，并被逆相控制。压电声谐振元件52的结构与在图5中示出的压电声谐振元件52的结构相同。通过控制电极512及513造成膜的弯曲偏转。两个具有执行器功能的压电声谐振元件52被逆相控制。在流通道中设置有逆流障69，该逆流障与流单元的外壳段61整体地构造。其可以阻止液体逆流。通过双压电元件结构可以使用具有kHz范围谐振频率的膜弯曲偏转。在压电声谐振元件52的上侧类似于在图5中示出的同样设置一个作为传感器工作的压电声谐振元件51。向上流设置的压电声谐振元件51具有由聚合体构成并适合于吸收特定的碳氢化合物的涂层66。向上流的压电声谐振元件51具有由另一聚合体构成的、有选择地吸收特定生物分子的涂层65。与作为泵元件在kHz范围工作的压电声谐振元件52不同，压电声谐振元件51工作在千兆赫兹范围。
在该实施例中通过以叠式排列具有不同功能的压电声谐振元件，也可以显著缩小，这使得可以将具有不同功能的微系统技术组件在一个组件中实现。
但是本发明并不限于为了在一个组件中实现执行器功能和传感器功能，需要多个压电声谐振元件的实施例。本发明同样包括一个具有包括压电声谐振元件的装置的设备，该压电声谐振元件的压电层这样取向，通过控制电极既可激励纵向模式的容积振荡也可激励剪切模式的容积振荡。这样实施的具有这样的用于移动液体的装置的设备在图7中示出。在图7中示出的设备70的结构与图2中示出的结构相同，不同的是图7的实施例中使用由ZnO组成的压电层，具有几乎在压电层的层平面的c轴的晶体取向。在该实施例中倾斜16°。这样的取向可以相当的强度既激励纵向模式也激励剪切模式，如在图8中所示。借助纵向模式，液体在谐振器上混合，因为此处可以很好地耦合于液体中。借助剪切模式可实现传感器功能。例如图9示出在剪切模式下在790MHz测量的抗生物素蛋白连接的重量测量的例子。
该实施例具有以下优点，仅用一个压电声谐振元件可以同时激励纵向模式和剪切模式，从而可以将执行器和传感器功能统一于仅一个压电声谐振元件。在图7示出的实施例中压电声谐振元件由图中未示出的信号混合器驱动。该信号混合器重叠相应的适合激励相应模式的频率。
在图7中压电声谐振元件701构造于膜上。但是例如也可以在具有声镜的衬底上使用图1所示的结构。
除了图7所示的压电层由ZnO组成的实施例，还可以相应的合适的倾斜使用其它压电材料，如AlN、PZT。在具有六角形结晶结构的压电材料中在许多情况下取向优选在＜45°的范围内。
以上所述的实施例可以有不同的修改，其中不同实施方式的各个特征可以相互组合或交换。只要这样的修改对专业人员来说是没有困难地显而易见的，则它们就是通过对所解释的实施例的描述被隐含地公开的。例如可以在阵列中不仅组合执行器功能和传感器功能，而且还可以这样改变压电声谐振元件的结构方式，使各压电声谐振元件适合于同时激励纵向模式和剪切模式，并设置附加的作为分离组件实现相应功能的压电声谐振元件。
以下关于图10描述在使用本发明的装置的情况下移动液体的方法的实施例。
在步骤100这样将本发明设备与液体接触，使得在液体中出现本发明装置的压电声谐振元件的容积振荡。在步骤101通过激励压电声谐振元件的容积振荡来实施液体的移动，该振荡在液体中传递用于移动液体。

Claims (16)

1.一种具有用于移动液体的装置的设备，其特征在于，所述装置包括至少一个具有至少一个压电层(110)和两个设置在该压电层(110)上的电极(111，112)的压电声谐振元件(11)，其中所述压电声谐振元件(11)这样实现，通过借助电极(111，112)在压电层(110)上施加压力以谐振频率激励该压电层(110)的容积振荡，该容积振荡在液体中传递以移动液体，
其中，所述用于移动液体的装置这样构造，使所述压电声谐振元件(11)的被激励的容积振荡为纵向振荡，
并且其中，所述用于移动液体的装置被用作用来检测物质的装置，其中所述压电声谐振元件(11)这样实现，即通过借助电极(111，112)在压电层(110)上施加压力可以谐振频率来激励压电层(110)的剪切模式容积振荡，并具有一个为待检测物质的积聚而设置的表面段，其中压电声谐振元件(11)的谐振频率根据积聚的待检测物质的质量而改变，并且
至少第一和第二压电声谐振元件(11)以叠式构造方式互相重叠地设置。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述装置被构造成具有频率范围为0.5至4GHz的谐振频率的用于充分混合液体的混合装置。
3.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述装置具有多个压电声谐振元件(11)。
4.根据权利要求3所述的设备，其特征在于，所述装置构成为，逆相控制所述多个压电声谐振元件(11)。
5.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述压电声谐振元件(11)的厚度为λ/2。
6.根据上述权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，所述至少一个压电声谐振元件(11)设置在膜(24)上。
7.根据权利要求6所述的设备，其特征在于，所述装置构造为微型泵，其中所述膜(24)通过所述压电声谐振元件(11)的控制而经历弯曲偏转。
8.根据权利要求6所述的设备，其特征在于，所述装置构造为具有至少两个逆相控制的压电声谐振元件(11)的多膜反接触泵。
9.根据权利要求7所述的设备，其特征在于，所述构造成微型泵的装置实施为多膜泵，具有至少两个在通道(62)中在流向上相继设置的压电声谐振元件(11)，其中在该两个压电声谐振元件(11)之间设置有逆流障。
10.根据权利要求1至5中任一项所述的设备，其特征在于，该设备包括至少一个附加的压电声谐振元件(11)，其这样构造，使得被激励的压电声谐振元件(11)的压电层(110)的容积振荡是纵向容积振荡。
11.根据权利要求1至5中任一项所述的设备，其特征在于，该设备构造为模块(31)，其中所述用于移动液体的装置设置在高频衬底上。
12.根据权利要求1至5中任一项所述的设备，其特征在于，该设备包括至少一个这样构造的压电声谐振元件(11)，通过控制该压电声谐振元件(11)的电极(111，112)可以激励该压电声谐振元件(11)的压电层的纵向模式的容积振荡和剪切模式的容积振荡。
13.根据权利要求1至5中任一项所述的设备，其特征在于，所述压电声谐振元件(11)具有由AlN、PZT或ZnO组成的压电层(110)，其六角结构的晶体c轴相对层平面具有合适的倾斜，使得可以激励压电声谐振元件(11)的压电层的纵向模式的容积振荡和剪切模式的容积振荡。
14.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，上面的谐振元件(11)构造为所述用于检测物质的装置的传感器元件，并具有λ/2的厚度。
15.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，该设备具有根据权利要求13或14所述的压电声谐振元件(11)，其作为所述用来检测物质的装置的传感器元件和所述用来移动液体的装置的执行器元件起作用。
16.一种用于移动液体的方法，具有以下步骤：将液体与根据上述权利要求中任一项所述的设备的压电声谐振元件(11)这样接触，使压电声谐振元件(11)的容积振荡在液体中传递；以及以压电声谐振元件(11)的谐振频率激励容积振荡以移动液体，并且将至少第一和第二压电声谐振元件(11)以叠式构造方式互相重叠地设置。
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