CN101617209B

CN101617209B - 流体探针

Info

Publication number: CN101617209B
Application number: CN2007800158329A
Authority: CN
Inventors: 弗拉迪斯拉夫·贾可夫; 埃贾兹·霍克; 理查德·约翰·邓恩
Original assignee: Council for the Central Laboratory of the Research Councils
Current assignee: Microvisk Ltd
Priority date: 2006-03-16
Filing date: 2007-03-14
Publication date: 2013-10-02
Anticipated expiration: 2027-03-14
Also published as: EP1994394A1; JP5185836B2; CN102323187A; US8297110B2; GB0605273D0; EP1994394B1; WO2007104978A1; CN102269687B; CN102323187B; JP2009530597A; CN101617209A; CN102269687A; US20090084167A1

Abstract

本发明描述了一种用于测量流体性质的装置，制造方法以及操作方法。所述装置包括主体区，第一挠性元件和第二挠性元件。每一个挠性元件具有第一末端和第二末端，所述第一末端固定地位于主体区上。每一个挠性元件可以通过该元件的弯曲而从至少第一相应构造运动到第二相应构造。所述第一挠性元件包括配置用于使挠性元件在第一构造和第二构造之间运动的驱动部。所述第二挠性元件包括用于传感挠性元件的运动的集成运动传感器。在远离所述主体区域的位置，将所述第一挠性元件联接到所述第二挠性元件。仅所述第一挠性元件的驱动部是可操作的以使所述第一和第二挠性元件运动。

Description

流体探针

技术领域

本发明涉及一种用于流体性质测定的探针，并且涉及这种探针的制造和使用方法。尽管未限制，但是该探针适于测定流体诸如血液的粘度的相对变化。

背景技术

使用微观挠性机械结构例如微悬臂的传感器是已知的。微悬臂是其中可以将在微观微悬臂的机械性质上的变化用于检测微悬臂的环境中的变化的装置。微悬臂由材料例如硅，氮化硅，玻璃或金属制成，典型使用微加工技术。例如，US 6,575,020描述了集成在微-液体操作系统(micro-liquidhandling system)中的各种微悬臂，以及如何将这样的微-液体操作系统用于监测这样的系统中的流体的物理的，化学的以及生物的性质。描述了该装置包括三角形微-悬臂构造的各种构造，在所述三角形构造中，将压敏电阻器放置在两个臂的每一个上，从而使得能够检测扭矩以及微悬臂的垂直偏转。

典型的微悬臂配置的一个缺点在于，悬臂由相对刚性的材料形成，从而限制了传感器的偏转范围(以及因此的电压灵敏度)。

作为WO 2005/054817公布的国际专利申请号PCT/GB2004/005079，描述了许多用于通过使用挠性元件检测流体性质的装置的不同实施方案。该挠性元件可以由具有不同热膨胀系数的两个层形成。可以将加热器结合到挠性元件中，使得该元件从第一构造运动到第二构造。当移除热量时，则元件可以松弛回第一构造。可以将适当的压敏电阻材料用于测定元件的偏转程度或比率。由于可以通过这种挠性元件得到的相对大量的偏转，因此该元件允许了对随着时间的过去的粘度变化进行相对准确的测量。

发明内容

本发明的实施方案的一个目的是解决本文所提到的或其它方面的现有技术的一个或多个问题。本发明的具体实施方案的一个目的是提供一种提高的灵敏度的流体探针。

在第一方面中，本发明提供了一种用于检测流体性质的装置，所述装置包括：主体区；第一挠性元件和第二挠性元件，每一个挠性元件具有第一末端和第二末端，所述第一末端固定地位于所述主体区上，并且每一个挠性元件可以通过该元件的弯曲而从至少第一相应构造运动到第二相应构造；所述第一挠性元件包括配置用于使挠性元件在第一构造和第二构造之间运动的驱动部；所述第二挠性元件包括用于传感挠性元件的运动的集成运动传感器，并且其中在远离所述主体区域的位置，将所述第一挠性元件联接到所述第二挠性元件，并且仅所述第一挠性元件的驱动部可操作用于使第一和第二挠性元件运动。

由于第一和第二挠性元件相互联接，因此一个或多个第一挠性元件的运动导致第一和第二挠性元件两者的运动。这使得第二挠性元件中的一个或多个传感器可以更加准确地测定一个或多个第二挠性元件的运动，从而可以增加在测定其中使挠性元件运动的流体的性质上的准确度和/或灵敏度。由于相关的一个或多个驱动器部分和一个或多个传感器部分位于不同的挠性元件中，因此归因于由一个或多个驱动器部分产生的影响一个或多个传感器的噪声的降低，引起此增加的灵敏度。此噪声可以采取热噪声或电噪声的形式。

所述挠性元件的每一个可以基本上相互平行地纵向延伸。

每一个挠性元件可以通过所述元件在各自弯曲面的弯曲而从所述第一构造运动到所述第二构造，并且在基本上垂直于弯曲面的方向上，该元件可以经由在第一和第二元件之间延伸的联接构件联接在一起。

所述联接构件可以由基本上刚性的材料形成。

所述联接构件可以被连接到第一和第二挠性元件的第二末端。

所述联接构件可以在远离第一和第二挠性元件的面上延伸。

可以将该联接构件成型，从而当挠性构件在所述第一和第二构造之间运动时，所述联接构件充当桨叶。

该装置可以包括至少两个所述第一挠性元件，所述第二挠性元件位于所述两个第一挠性元件之间。

所述第一挠性元件可以经由热绝缘材料联接到所述第二挠性元件。

所述第一挠性元件可以在多个位置联接到所述第二挠性元件。

所述第一和第二挠性元件可以纵向延伸，第一挠性元件沿所述元件的全部长度联接到所述第二挠性元件。

所述第一挠性元件的驱动部可以包括：具有不同热膨胀系数的至少两层的层压材料；加热元件，其用于加热挠性元件，以引起所述元件的弯曲。

该层压材料的第一层可以包括聚合物，并且该层压材料的第二层可以包括金属。

该层压材料的第一层可以包括聚合物，并且该层压材料的第二层可以包括聚合物。

所述层可以具有小于100GPa的杨氏模量以及大于10^-6/K的在室温的热膨胀系数。

可以对所述运动传感器进行配置，使得运动传感器的电性质由于所述第二挠性元件的运动而变化。

所述运动传感器可以包括压敏电阻元件，配置所述压敏电阻元件使得该压敏电阻元件的电阻在第二挠性元件弯曲时变化。

所述压敏电阻元件可以包括镍铬合金，铬，铜和铬铜合金的至少一种。

所述压敏电阻元件可以包括AlN(氮化铝)，PZT，多晶硅，导电聚合物的至少一种。

挠性元件从第一末端至第二末端的长度可以在100至1000μm的范围内。

所述第一构造中的第二挠性元件的第二末端与所述第二构造中的第二挠性元件的第二末端之间的距离可以在20至650μm的范围内。

该装置还可以包括电子电路，所述电子电路被联接到第一挠性元件，并且被配置成对于驱动器部分提供信号，用于将第一挠性元件从第一构造运动到第二构造；并且被联接到第二挠性元件的运动传感器，并且被配置成提供输出信号，所述输出信号指示由所述运动传感器传感的运动。

在第二方面中，本发明提供了一种制造用于检测流体性质的装置的方法，所述方法包括：提供主体区；提供第一挠性元件和第二挠性元件，每一个挠性元件具有第一末端和第二末端，所述第一末端固定地位于所述主体区上，每一个挠性元件可以通过所述元件的弯曲而从至少第一相应构造运动到第二相应构造，所述第一挠性元件包括配置成使挠性元件在第一构造和第二构造之间运动的驱动部，并且所述第二挠性元件包括用于传感挠性元件运动的集成运动传感器；在远离所述主体区的位置，用在挠性元件之间延伸的联接器(coupling)形成第一挠性元件和第二元件；并且仅将第一挠性元件的驱动部配置成可操作的以使第一和第二挠性元件运动。

该方法还可以包括提供金属层的步骤，所述金属层被配置用于在挠性元件的图案形成(patterning)期间起蚀刻停止层的作用，并且允许挠性元件从周围结构的随后释放。

该金属可以是铬。该金属可以是钛。

该方法还可以包括形成包括至少一种导电材料的每一个挠性元件，并且由非导电材料形成联接器的步骤。

在第三方面中，本发明提供了一种使用固定地位于主体区上的一个末端，并且在远离所述主体区的位置联接在一起的第一和第二挠性元件测定流体性质的方法，所述方法包括：驱动第一挠性元件从第一构造弯曲到第二构造，并且由于被联接到第一挠性元件，第二挠性元件从相应的第一构造运动到第二相应构造；传感第二挠性元件的运动；并且通过处理所传感的运动，测定流体的至少一种性质。

该方法可以包括驱动所述第一挠性元件，以使其以小于10Hz的频率在第一和第二构造之间运动。

可以驱动所述第一挠性元件从第一构造运动到第二构造，使得第一挠性元件的末端移动至少100μm。

在第四方面中，本发明提供了用于检测流体性质的装置，基本上通过参考附图如本文中所描述装置。

在第五方面中，本发明提供了一种使用至少两个挠性元件来测量流体性质的方法，基本上通过参考附图如本文中所描述。

在第六方面中，本发明提供了一种制造基本上通过参考附图如本文中所描述的装置的方法。

附图说明

通过参考附图，仅通过实施例，现在将描述本发明的优选实施方案，其中：

图1A和1B显示分别以第一构造和第二构造的根据本发明的实施方案的装置的透视图；

图2显示图1A和1B中图解的装置的示意性俯视图，以及在沿该装置的长度的不同位置处的两个侧视图；

图3图解第一和第二挠性元件之间的区域的三种不同构造，显示该区域如何采用空隙，部分填充的或完全填充的形式的俯视图；

图4A，B和C图解根据本发明的实施方案的装置中的传感器分别在空气，水和硅油中的不同响应；

图5A-5Q图解根据本发明的实施方案的制造方法。

具体实施方式

图1A，1B和2图解了根据本发明的优选实施方案的用于检测流体性质的装置100。

装置100包括联接到主体区110的三个挠性元件。

在此具体实施方案中，每一个挠性元件102，104，106是主体区110的主要部分并且从主体区110延伸。每一个挠性元件的第一末端联接到主体区110。远离所述第一末端的每一个挠性元件的第二末端相对主体区自由运动。每一个挠性元件是具有矩形表面积的条(bar)，该矩形的长边从主体区110延伸。在此具体实施方案中，每一个挠性元件102，104，106包括至少两层108a，108b的层压材料。每一个层的材料具有不同的热膨胀系数(CTE)。所述层可以由不同的材料形成。备选地，在处理不同的层中材料(例如，压制和/或联接到挠性元件中的另外材料)，使得所述层显示不同的热膨胀系数的情况下，所述层的每一层可以由相同的材料形成。例如，材料在不同方向上的应力分布可以导致具有方向依赖性的热膨胀系数。因而，如果不同的层由相同的材料形成，但是不同的层在不同方向上加压力，则该不同的层将有效地具有不同的热膨胀系数。

在加热的应用下，对于相同的升温，一层将比另一层膨胀得更多，因此被加热的挠性元件将在具有较低热膨胀系数的材料的方向上弯曲。在冷却时，对于相同的降温，一层将比另一层收缩程度更大，因此，挠性元件然后将在具有较大膨胀系数的材料的方向上弯曲。

相应的加热元件112位于挠性元件102，106之上或之内。挠性元件102，106被安置在挠性元件104的任一侧。挠性元件的每一个纵向延伸并且平行。电接触垫114可以将来自电信号发生器的电信号施加到每一个加热元件112。典型地，每一个挠性元件102，106将具有类似的尺寸，并且由类似的材料形成。因而，将同样的信号施加到加热元件112的每一个，从而保证两个横杆(beam)102，106偏转相同的程度。

三个横杆102，104，106的每一个具有基本上相同的长度。联接构件120连接到挠性元件102，104，106的自由末端的每一个(即，远离主体区110的挠性元件的末端)。联接构件优选由相对刚性的材料形成。优选地，联接构件由热绝缘材料形成。在使用中，联接构件(以及挠性元件)将被浸入到流体中。优选地，联接构件的材料充当比流体更好的热绝缘体。在附图中所图解的具体实施方案中，联接构件120被成型为平面元件，在远离元件102，104，106的平面上延伸。联接构件120具有与挠性元件102，104，106相同的厚度。当利用该装置时，此形状允许联接构件120充当桨叶，从而抵抗挠性元件在被测量的流体中的摆动，并且因而允许了对用于各种(或随着时间而变化的)流体中的测量的信号的处理(tailoring)(共振，衰减等)。

运动传感器116位于中心挠性元件104之上或之内。运动传感器116沿挠性元件的全部长度延伸(但是不限于此区域，并且可以稍微延伸到联接构件中，以便传感在挠性元件-联接构件界面的应变)。配置运动传感器用于提供指示挠性元件104的运动(即，弯曲的程度)的信号。在此具体实施方案中，运动传感器116采取压敏电阻材料的形式。压敏电阻材料是其电阻在其上施加机械应变时而变化的材料。压敏电阻材料可以是铂，金或铝。然而，更优选地，形成运动传感器116的压敏电阻材料为镍铬合金或铬-铜合金。这种材料是优选的，因为与铂，金和铝相比，它们对温度的变化较不敏感，因而运动传感器将较少受热噪声影响。电接触垫118被联接到形成运动传感器116的压敏电阻材料的电轨道的任一末端。在使用中，利用电阻-测量装置来测量作为时间的函数的通过垫118的电阻的变化，从而提供指示挠性元件104的运动速率的信号。

图1A，1B和2图解了，挠性元件102，104，106被预定固定宽度的间隙122从邻近的挠性元件分开，并且仅联接构件120与挠性元件联接在一起。图3图解了可以在挠性元件之间的位置122使用的三个备选实施方案。首先，挠性元件102，104，106之间的区域122可以采取空隙(即，填充有挠性元件浸入其中的流体，包括液体或空气)的形式。应当理解，尽管由于周围挠性元件的条形，所示区域122通常为矩形，但是在其它实施方案中，区域122可以具有任何形状，例如圆形，椭圆形，菱形，正方形或任意形状。备选地，如122’所示，该区域可以部分地由另一种材料填充(圆表示穿过该区域的残留的空隙/空气间隙，并且对周围环境敞开)。延伸通过区域122’的孔可以如图3中所示为圆形，或可以是任意的其它形状。备选地，如122”所示，该区域可以完全由材料填充。如果区域122完全由材料填充(从而充当桨叶)，那么优选的是，该材料具有与挠性元件的材料类似的机械性质。如果需要，可以通过形成桨叶的结构层的厚度进一步调节桨叶的刚性，使得该材料将挠曲到与挠性元件相似的程度，或保持相对坚固。位于挠性构件之间(即，在122’或122”中)的材料可以充当另外的联接构件，或可以代替联接构件120。优选地，根据挠性元件的驱动部的特征，该材料是绝缘材料，例如热绝缘材料和/或电绝缘材料。例如，当通过加热元件112的运行引起上述装置的驱动时，那么优选的是，在元件之间延伸(例如，在间隙122中，或形成联接构件120)的任何材料包含热绝缘体。优选地，与挠性元件相比，该材料即使不是更好的热绝缘体，也至少起同样好的热绝缘体的作用。

在使用中，挠性元件102，104，106(以及起桨叶作用的联接构件120)被浸入流体中。对挠性构件102，106施加驱动信号。该驱动信号采取施加到加热元件轨道112(经由电接触垫114)的电信号的形式。热量由于轨道112中的电阻而消散，这引起挠性元件102，106的温度升高。因而，由于各自的热膨胀系数的差别，层压材料的一个层108a将以比另一层108b更大的速率膨胀。图1A显示了挠性元件在不施加热信号时的弯曲位置。当施加热信号时，挠性元件102，106(但是没有104)被嵌入其中的轨道112加热，导致挠性元件的构造上的变化，即元件弯曲。由于具有不同热膨胀系数的层的该具体配置，在此具体实施方案中，挠性元件102，106将弯曲到图1B中所示的位置，即，元件弯曲并且变得更直/更线性(较不弯曲)。优选地，挠性元件102，106的末端(联接构件120附着于该末端)运动通过的距离在20至650μm的范围内，第二末端优选运动至少100μm。由于挠性元件的自由(第二)末端(即没有联接到主体区110的末端)联接在一起，因此挠性元件102，106的运动还引起被动挠性元件104的相应运动/弯曲。

在弯曲中，挠性元件104在压敏电阻元件116上诱导导致压敏电阻元件116的电阻变化的应变。因此，运动传感器116的电阻表示了传感元件104的运动。此电阻可以通过包括但不限于惠斯通电桥的任意的电阻测量装置或电路测量。

关于对于加热元件112的给定的输入信号，挠性元件102，104，106将运动(或偏转)预定量。如果热信号是重复的，例如正弦信号或一串矩形脉冲，那么挠性元件在被加热时将继续弯曲，并且在不(或较少)施加热时，将朝向它的平衡位置松弛。因而，可以使挠性元件102，106(并且因此的挠性元件104)摆动。备选地，单个的驱动脉冲(即通过大的或短的电脉冲诱导的一次轰击(shot)或‘阶梯函数激发’)可以促使挠性元件产生‘振铃(ringing)’响应(例如，参见图4A-C)。如果施加与挠性元件的运动相对的阻尼力，诸如如果挠性元件正在运动通过粘性介质，则挠性元件的偏转程度和偏转的变化速率将受影响。因而，偏转振幅和/或与用于驱动挠性元件102，106的信号相比的偏转的变化(或相)的比率的测量用于检测和测定其中浸有挠性元件的流体的粘度。

通过参考而结合在此的WO2005/054817描述了如何进行这样的粘度测量(以及其它性质或流体的测量)。使用这里所述的装置可以进行类似的测量。因而，可以对来自运动传感器(的电阻上的变化)的信号进行处理，以测定指示流体的至少一种性质的值。这可以例如通过测定挠性元件104的运动变化速率，通过监测信号随时间的变化并且从运动的变化速率测定指示流体粘度的值来进行。备选地，可以对挠性元件的偏转振幅，挠性元件的共振频率或“振铃”(其与施加的热信号成比例)进行处理，以测定指示挠性元件浸入其中的流体的粘度的值。例如，图4A，4B和4C显示了在已经施加了单个热脉冲以使挠性元件从它们的静止位置偏转以后(图1A中所示)，不同流体(分别是，空气，水和硅油)中作为时间的函数的运动传感器的电阻变化。可以看出，介质越粘，挠性元件经历的阻尼效应越显著。

优选地，该装置用于测量流体中随时间的粘度变化。例如，可以测量作为时间函数的血液粘度变化，例如在血液凝结时，可以以预定的间隔进行测量，以测定血液粘度/随时间的血液粘度的相对变化。优选地，要从其测量性质的流体的体积为1微升的数量级，例如多达5微升，或更优选地，在0.5和3微升之间。优选地，该装置配置用于测量适于血液测量的粘度范围，例如1cP-1000cP的粘度范围。

由于驱动部提供在与运动传感器分开的元件中，因此运动传感器较少受到由挠性元件的驱动所引起的噪声的影响。因而，可以提高传感器的准确度。此外，提供起桨叶或桨(oar)的作用而成型的联接构件120增加了粘度对挠性元件运动的影响，从而允许了灵敏度的提高。

应当理解，以上实施方案仅通过实施例得以描述，并且各种备选方案对于技术人员将是显然的，同时落入后附权利要求的范围内。

例如，尽管在以上实施方案中，驱动两个挠性元件102，106运动，并且利用单个的挠性元件测定运动，但是应当理解，可以使用备选构造。例如，可以实施单个的驱动器挠性元件和单个的运动传感器挠性元件。备选地，可以实施任意数量的运动传感器挠性元件和驱动器元件，例如，可以将该元件形成为阵列。

在优选的实施方案中，仅驱动器挠性元件102，106包含配置用于引起挠性元件偏转的驱动部，并且仅传感器挠性元件104包含运动传感器。然而，应当理解，挠性元件中的任何一个可以包含运动传感器和驱动部两者。例如，WO2005/054817中所述的两个挠性元件可以被联接在一起，并且根据本发明的实施方案操作。具体地，仅驱动挠性元件中的一个挠性元件运动(引起它联接到的另一个挠性元件的相应运动)，仅将另一个挠性元件用于传感运动。

在以上实施方案中，作为平面构件，已经图解了联接构件120。在备选实施方案中，联接构件可以采取被冲孔的桨叶或板(plate)的形式，以改变所关注的流体中的流体曳力和/或剪切。例如，可以在联接构件中提供穿孔，以便增强被监测的流体的凝结，从而可以测量在相对短时期内的流体粘度变化。这种联接构件将特别适于监测血液随着时间的过去的粘度变化。应当理解，同样地，可以在联接构件中提供孔，从而影响化学的和/或物理的反应。

如果将挠性元件用于监测含有离散粒子或小滴/胶体粒子的流体，那么可以提供具有下列尺寸中的任何一种的任意孔：与粒子类似的尺寸，比粒子大得多，或在尺寸上比粒子小得多。例如，如果要监测胶体悬浮液的发展，那么可以提供孔的尺寸，使其一般为与悬浮液中的中间粒子类似的尺寸；较小的胶体粒子将通过孔，同时较大的粒子不会通过孔，并且类似尺寸的粒子可以保持截留在孔中。因而，在随着时间监测挠性元件运动时，这种系统可以提供关于胶体悬浮液的发展的更多信息。同样，应当理解，可以将联接构件的其它构造/形状用于增强这种剪切或曳力效应。联接构件的尺寸将直接影响双压电晶片构造(bimorph construction)的机械时间常数，并且因而改变与传感器响应有关的振幅和时间常数。典型地，联接构件将从挠性元件延伸出每一个挠性元件的长度的至少20％，并且更优选50％的距离。典型地，从主体区至联接构件的挠性元件的长度在100和1000μm之间。尽管已经将联接构件表示为从挠性元件的末端延伸的桨叶，但是在其它的实施方案中，联接构件可以采取在挠性元件之间延伸，例如延伸穿过挠性元件之间的区域122的一个或多个离散的构件的形式。

在以上实施方案中，已经描述了联接构件由热绝缘体形成，并且挠性元件被热驱动。在其它的实施方案中，挠性元件可以经由静电力，磁力，或电驱动(例如，使用压电材料)。在这样的备选实施方案中，联接构件将由适当的绝缘材料形成，例如如果驱动是电的，那么联接构件将由电绝缘材料形成。

在以上实施方案中，使挠性元件运动的驱动是通过加热引起的。然而，应当理解，可以使用其它的驱动系统。类似地，除利用压敏电阻轨道以外，可以利用备选的运动传感器。例如，取决于从压电材料测量电信号，还是对压电材料施加电信号，可以将压电元件用作运动传感器或驱动部。WO2005/054817描述了各种传感器，驱动器以及构造的类型，其任何一种可以被用于本发明的不同实施方案。

典型地，挠性元件将由包括一层聚合物(来自由聚酰亚胺，聚酰胺和丙烯酸类聚合物组成的组)或另一种类型的材料例如金，铝，铜或二氧化硅的层压材料形成。优选地，该材料是绝缘材料。

层压材料的另一层可以包括金属，例如如上所述的金，铂的铝(aluminium of platinum)，并且最优选是具有比第一层压材料更高的刚度(杨氏模量)以及充分的弹性(伸长率)的材料，以维持由第一层压材料引起的形变(在20μm-650μm的区域中)。挠性元件102和106中的驱动部(加热器)可以由任意的导电材料(例如，金属或导电聚合物)制成，同时元件104中的传感部应当由具有充分的压敏电阻或压电(piezovoltaic)性质的材料组制成。典型地，在上述实施方案中，传感部由Au或Pt制成，但是还可以由导电聚合物制成，并且优选由NiCr或CrCu合金制成。构件102和106中的任何导电层或轨道优选应当不延伸到联接器/联接构件120中。

应当理解，可以利用其它材料制造挠性元件，联接构件，以及位于相邻的挠性元件之间的热绝缘区域。表1和2说明了用于这样的构造的适合材料的性质。如果区域122不另外由另一种材料填充，则作为可以填充挠性元件之间的区域122的流体的潜在热性质的实例，在表2中，列出了空气，乙醇和水。

在以上实施方案中，挠性元件102，104和106被描述为全部具有类似的层压结构。然而，应当理解，与运动挠性元件102，104相比，不同的材料可以用于形成不同的挠性元件，即，传感器挠性元件可以由不同的材料形成，或具有不同的构造。然而，希望的是，挠性元件各自具有类似的弹性程度(例如，杨氏模量)，从而在驱动运动挠性元件时，全部的挠性元件挠曲或弯曲到类似的程度。

来自以下表1的用于构件102，104和106的层压材料的结构材料的优选组合为-i)聚酰亚胺-Au和ii)聚酰亚胺-聚酰亚胺，在聚酰亚胺-聚酰亚胺的情况中，使用两种不同类型的具有大的CTE差别的聚酰亚胺，同时层压材料的至少一个具有更加刚性的结构(例如，杨氏模量＞5GPa)。另一种可能的组合是iii)聚酰亚胺-Al，可以由于Al的更高的CTE，具有较低的效率。由于聚酰亚胺的高的CTE和非常低的热导率和热容量(热绝缘体)，因此它是优选的。另一方面，金具有优异的机械性质(有弹性，并且与聚酰亚胺相比，具有刚性)和相对低的CTE。当需要挠性构件的快速响应时，更高的热导率是理想的。如果选择备选的驱动方法，则热参数不太受关注。最后，聚酰亚胺(或任意合适的聚合物材料)的仔细选择可以在热和机械上产生最佳性能。

可能的层压材料组合包括Al-Si，Al-SiO₂，聚酰亚胺-Si和聚酰亚胺-SiO₂。

表1：用于微制造方法的材料的对照表

^*CTE是温度依赖的，并且这里表示的值相应于室温

^**此参数主要取决于沉积的类型，并且取决于过程参数例如温度，压力等。

^***随不同的聚酰亚胺族而变化

^****此参数主要取决于固化温度和时间，以及聚酰亚胺化学

表2：聚酰亚胺和其它相关材料的热性质

现在通过参考图5A-5Q，将描述挠性元件例如双压电晶片悬臂的制造方法。

图5A-5Q是说明用于制造包括至少一个挠性元件的装置，即例如图1A，1B和2中所图解的装置的微制造工序的横截面图。所述图图解了沿挠性元件的长度，即从主体区110直至并且包括(并且稍微高于)联接构件120的横截面。图5Q图解了制造工艺中形成的不同截面如何对应于图1A，1B和2中图解的装置100的元件。

应当理解的是，该横截面是实际上透明的图，即它不是沿穿过装置的任何具体线的横截面，而仅是从侧面看所述装置的图，显示了不同层内的全部相关特征。应当理解的是，在大多数的情况下，这样的层不延伸穿过装置的整个宽度。例如，在5Q中，显示了形成运动传感器轨道116的镍/铬合金；应当理解，此轨道简单地在传感器挠性元件104内部延伸，并且不邻近运动挠性元件102，106(如由图2所示)。

另外，应当理解的是，为了清楚，在图中夸大了不同层的高度(与长度相比)。挠性元件的总厚度典型在1μm和30μm之间，即厚度优选比每一个挠性元件的典型长度小至少1个数量级。

图5A图解了所制备的晶片(wafer)200。典型地，该晶片将是硅晶片，例如4英寸硅晶片。首先，将所述晶片在120℃烘焙，以从该晶片移除水分。烘焙可以进行30分钟。

沉积二氧化硅的层202，优选沉积到约1μm厚度。可以通过热沉积或通过CVD(化学气相沉积)沉积二氧化硅。晶片200和层202形成装置100的主体区110所联接的基层(base layer)。最后，挠性元件102，104和106将朝向或远离层202挠曲。

随后，在表面上沉积铬的层204，接着沉积金的厚层206。铬和金都可以通过等离子体溅射沉积。典型地，铬的层204将是50nm厚，而金的层近似150nm厚。铬层被用作种层，用于随后的金结构层206的形成。

图5B图解了经由第一光掩模的使用而形成图案(pattern)以后的衬底。首先，在120℃进行进一步的脱水烘焙约30分钟。然后在金和铬的顶部涂布适当的抗蚀剂的层。该抗蚀剂适于在金和铬的蚀刻过程中进行掩蔽。适当的抗蚀剂包括JSR的化学增强正性光致抗蚀剂或来自AZ电子材料(AZElectronic Materials)的AZ5214E正性I-线光致抗蚀剂、或相等物。

随后，经由光掩模曝光该抗蚀剂层，从而从第一光掩模将图案转移到抗蚀剂层。形成图案的开口具有矩形形状，并且将提供随后从联接到衬底所释放的挠性构件102，104，106和联接构件120的自由区域。

然后将曝光的抗蚀剂涂料显影，并且蚀刻掉层206，204的相关部分。然后将残留的抗蚀剂剥除。这可以通过对抗蚀剂的抗蚀剂材料/粘合剂的氧等离子体清除而促进。残留的结构是图5B中图解的结构。在该图的左手侧的金和铬的部分提供了随后的主体区110的基底。由蚀刻方法所限定的金和铬层204，206中的间隙是其中随后形成挠性元件102，104，106和联接构件120的区域。

图5C显示了第一结构层的沉积的结果。典型地，通过在120℃对结构再次进行脱水烘焙30分钟，制备表面。然后沉积另外的金层207，随后沉积另一个铬层208和第三个金层210。典型地，另外的金层207将为约100nm厚，铬层208为50nm厚，而最后的金层210相对所述层较厚，例如为约750nm厚(即约1μm的厚度)。金层210形成挠性元件的层压结构的一个层(即层压层108b)。在通过此涂覆顺序实现的最终结构中(参见图5Q)，可以看出，铬层还延伸到挠性元件的末端，并且在挠性元件内形成外层。此层起蚀刻停止层的作用，用于在挠性元件的图案形成(patterning)过程中控制金层的湿法蚀刻处理(图5P)。

图5D显示了使用第二光掩模使第一结构层形成图案的结果。再次，在120℃进行脱水焙约30分钟。然后利用适当的抗蚀剂涂料(再次，JSR或AZ5214E，或相等物)，并且将其放置在金层210的最外层之上，如图5C中图解。

然后经由第二光掩模曝光该抗蚀剂，从而限定要形成联接构件120的区域，并且蚀刻过量的金属，以减少通过桨叶的热导率。然后显影部分曝光的抗蚀剂涂料，并且随后在外部金层210和相邻的铬层208上进行蚀刻，以移除这些层的部分(如通过第二光掩模所限定的)。抗蚀剂再次被剥除，并且优选经由氧等离子体清除。得到的结构显示于图5D中。通过图案形成方法形成的层208，209中的间隙302最终限定了挠性元件的自由末端(即，连接到联接构件120，远离最终装置中的主体区110的挠性元件的末端)。

图5E显示了第二结构层即层压层108a的第一部分的沉积结果。在此具体实施方案中，层压层108a由聚酰亚胺形成。为了得到此结构，首先，在120℃进行脱水烘焙约30分钟。提供典型厚度在2μm-4μm之间的聚酰亚胺的涂料(例如，来自杜邦(DuPont)的Pyralin聚酰亚胺族PI2560的PI2562或PI2566，或相等物)。为了使涂层212a固化，然后将所述涂层例如在可程序化的炉中烘焙。

优选地，经由从室温至烘焙温度缓慢升高含有该结构的炉的温度，进行烘焙。适当的上升速率可以是几摄氏度/分钟。然后将该结构保持在烘焙温度，然后将炉的温度缓慢提高到最终上限温度(例如，以几摄氏度/分钟的速率)，然后将该结构保持在该最终温度达约1小时。例如，可以以3℃/分钟将炉从室温升至200℃，在200℃保持30分钟，然后以约2℃/分钟的缓慢上升速率将温度升高到不超过350℃的温度，然后将温度保持在此最终温度达60分钟。然后使得该结构自然冷却(即，没有强制冷却)至室温。这完成了对聚酰亚胺层212的第一部分的处理(所述第一部分是层212a)。在随后的步骤中沉积不同的聚酰亚胺层212b，212c，从而封闭随后形成的相关的运动传感器/驱动器(例如，加热元件)。

图5F显示了使用第三光掩模的第一配准(registration)步骤的结果。进行配准步骤，从而提供用于光掩模4-7的随后校正(alignment)的配准标记用凹痕(indentation)。

首先，进行脱水烘焙，然后用抗蚀剂涂料(再次，JSR或AZ5214E，或类似物)涂布上表面，使用第三掩模进行曝光步骤，然后将曝光的抗蚀剂显影。然后将干法蚀刻(例如，经由氧等离子体)进行(例如，达4分钟)，以移除聚酰亚胺结构的一部分(如通过第三光掩模所限定)，从而在聚酰亚胺结构212a中留下理想的凹痕。然后可以将残留的抗蚀剂材料剥除。

图5G显示了第一金属化步骤。再次，首先在120℃进行脱水烘焙约30分钟。然后，例如通过等离子体溅射沉积典型地在50nm和250nm之间的薄膜层。该薄层材料是用于形成驱动轨道或传感器轨道的薄层材料。在此具体实施方案中，此层用于形成驱动轨道，因此利用适当的材料(例如，铬/金合金，铝，或镍铬合金)。这种材料可以经由等离子体溅射沉积。图5G显示了在通过等离子体溅射沉积该材料后的该材料的层214的结果，并且层214经由配准步骤中形成的凹痕延伸/固定(secure)到聚酰亚胺层212a(参见图5F)。得到的结构显示于图5G中。

图5H显示了利用第四光掩模的相关轨道的随后的图案形成即驱动轨道的随后图案形成的结果。这里利用的第四光掩模限定了驱动轨道的形状。再次，首先在120℃将材料脱水20分钟。然后涂敷适当的抗蚀剂涂料(例如，JSR或AZ5214E，或相等物)的层，并且经由光掩模曝光该材料，以将驱动轨道的图案转移到抗蚀剂上。然后将抗蚀剂显影，并且进行金属蚀刻，使得在层214内限定驱动轨道图案。从而，形成驱动轨道112。金属蚀刻典型为湿法金属蚀刻。然后将残留的抗蚀剂层剥除。

图5I显示了第三结构层的沉积的结果。具体地，沉积另外的层压材料层(即，聚酰亚胺的第二层)。提供此聚酰亚胺的第二层212b，从而包封驱动轨道214/112。层212b为约2μm-4μm厚。沉积此聚酰亚胺的层212b所需的这些步骤与用于沉积关于图5E所述的聚酰亚胺的层的那些步骤相同。

图5J显示了第二金属化步骤的结果，所述第二金属化步骤用于沉积用于其它轨道组的材料(在此具体情况中，最终形成传感器轨道116的材料)。再次，首先将结构脱水烘焙。然后沉积金属层216。此层被沉积作为典型厚度在50nm和250nm之间的薄膜。该沉积可以通过等离子体溅射进行。合适的材料包括铬/金或铂，或者优选地，在此具体实施方案中，利用镍铬合金或铬-铜合金，从而由于它们的低温系数而形成图5J中所示的金属层216。

图5K显示了使用第五光掩模的运动传感器轨道的图案形成的结果，所述第五光掩模用于从先前步骤中沉积的层材料限定轨道的形状。参考图5H，使用关于驱动轨道的图案形成所述的相同的步骤进行此轨道的图案形成。

随后，提供聚酰亚胺的另一个层212c，从而包封图案化的信号轨道216。使用与参考图5I所述的，用于沉积聚酰亚胺的第二层212b相同的步骤沉积此聚酰亚胺的层。用于包封的备选材料包括薄的(50nm)Si₃N₄，SiO₂或类似物，由等离子体沉积来沉积。该包封的结构图解于图5L中。

随后，将挠性构件形成图案，并且形成开口，所述开口用于随后提供用于传感和驱动轨道的接触垫(即，为了图2中所示的垫114，118而形成开口)。使用另外的(第六)光掩模，挠性元件的此图案形成和用于垫的开口的提供可以以单个步骤进行。结果图解于图5M中。

首先，将结构脱水烘焙。然后涂敷相对厚的抗蚀剂涂料(例如，来自AZ电子材料(AZ Electronic Materials)的AZ4562或AZ9260正性光致抗蚀剂、或相等物)的层(8μm-12μm)。

然后将结构软烘焙，通过第六光掩模曝光抗蚀剂涂料，然后将抗蚀剂涂料显影。从而，掩模将限定用于垫的开口以及悬臂末端的结构。然后进行蚀刻，从而移除通过掩模限定的聚酰亚胺的相关部分。这可以是干法蚀刻，例如使用氧和四氟甲烷的混合物进行。根据先前步骤，随后剥离抗蚀剂层的残留部分，并且清除表面。这留下了图5M中所图解的结构。可以看出，该结构包括通过聚酰亚胺层达到轨道214，216的开口304，306。这些开口304，306随后用于提供电接触垫。此外，对层210提供开口308。限定此开口308的一个表面310在最终装置中形成联接构件120的末端表面。

随后，如图5N中所图解，沉积形成电接触垫的材料218。首先，将结构脱水烘焙。然后沉积形成接触垫的材料。典型地，材料将是金属(铝或铬/金)。将该材料沉积为厚的金属层(例如，约1μm厚)。该金属层可以通过等离子体溅射沉积。然后涂敷厚的抗蚀剂涂料(AZ4562或AZ9260)，并且对该厚的抗蚀剂涂料进行软烘焙。然后经由第七光掩模将该涂料曝光，从而限定接触垫218的结构(即，移除由等离子体溅射步骤沉积的过量的另外材料)。随后，将抗蚀剂涂料显影，并且例如通过湿法蚀刻移除多余的金属。再次，然后将残留的抗蚀剂剥离，并且清除外表面，以留下图5N中显示的结构。

最后，通过以矩形芯片形式从晶片取出，随后通过悬臂的释放以形成独立式结构，制备形成图案的装置。涂敷厚的抗蚀剂涂料(8μm-12μm的AZ4562或AZ9260)，然后进行软烘焙(图5O)。然后经由第三光掩模曝光涂料(也用于配准，并且矩形开口匹配光掩模1的矩形开口，并且将悬臂和桨叶轨迹(footprints)重叠)。

在光抗蚀剂显影以前，用适当的步骤将晶片划线(例如，通过具有100μm宽的刀刃的金刚石切割锯在X和Y方向上，对整个晶片划凹痕)，以在硅衬底中限定装置芯片区域。(图5P)不将晶片划穿，以进行用于在晶片尺寸上释放悬臂的最终制备。备选地，可以在制造方法的初始阶段中，并且在任何的图案形成以前，对晶片进行划线。

在晶片划线以后，将光致抗蚀剂显影并将曝光的金/铬层蚀刻，清洗并干燥晶片。在此阶段，从晶片取出单独的芯片(通过沿划线弯折)。进行最终的金蚀刻(图5Q)。可以任选在湿法蚀刻浴中剥离悬臂区域中的底部铬层(50nm厚)，所述底部铬层在最终悬臂图案形成和释放过程中起蚀刻停止的作用。

图5Q显示了最终装置的制备和包装的结果。将残留的抗蚀剂剥除，并且将该结构清洗和干燥。优选地，然后将该结构安装在适当的载体上，例如CerDIP载体(具有8，12，16，24个或更多个引线/引脚的陶瓷双列直插头(Ceramic Dual-in-line header))。然后将电线连接到用于运行装置的电接触垫。所形成的得到的结构可以是图1A，1B和2中所示的结构。

Claims

1.一种用于检测流体性质的微装置，所述装置包括：

主体区；

第一挠性元件和第二挠性元件，每一个挠性元件具有第一末端和第二末端，所述第一末端固定地位于所述主体区上，并且每一个挠性元件能够通过该元件的弯曲而从至少第一相应构造运动到第二相应构造；

其中，在远离所述主体区的位置，所述第一挠性元件联接到所述第二挠性元件，

所述第一挠性元件包括配置用于使所述第一和第二挠性元件在所述第一相应构造和所述第二相应构造之间运动的驱动部；

所述第二挠性元件包括用于传感所述第二挠性元件的运动的集成运动传感器，并且

其中所述第一挠性元件的驱动部是可操作的以使所述第一和第二挠性元件运动；

其中所述第一挠性元件的驱动部包括：

具有不同热膨胀系数的至少两层的层压材料；

加热元件，所述加热元件用于加热所述第一挠性元件以引起所述元件的弯曲；

其中对所述运动传感器进行配置，使得所述运动传感器的电性质由于所述第二挠性元件的运动而变化；以及

所述运动传感器包括压电元件，配置所述压电元件使得所述压电元件的电信号在所述第二挠性元件弯曲时变化。

2.根据权利要求1所述的装置，其中所述挠性元件的每一个基本上相互平行地纵向延伸。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其中每一个挠性元件通过所述第一挠性元件在各自的弯曲面的弯曲而从所述第一相应构造运动到所述第二相应构造，并且在基本上垂直于所述弯曲面的方向上，所述挠性元件经由在所述第一和第二挠性元件之间延伸的联接构件联接在一起。

4.根据权利要求3所述的装置，其中所述联接构件由刚性的材料形成。

5.根据权利要求3所述的装置，其中所述联接构件被连接到所述第一和第二挠性元件的第二末端。

6.根据权利要求5所述的装置，其中所述联接构件在远离所述第一和第二挠性元件的面上延伸。

7.根据权利要求3所述的装置，其中将所述联接构件成型，以便当挠性构件在所述第一和第二相应构造之间运动时，所述联接构件充当桨叶。

8.根据权利要求1所述的装置，所述装置包括至少两个所述第一挠性元件，所述第二挠性元件位于所述两个第一挠性元件之间。

9.根据权利要求1所述的装置，其中所述第一挠性元件经由热绝缘材料联接到所述第二挠性元件。

10.根据权利要求1所述的装置，其中所述第一挠性元件在多个位置联接到所述第二挠性元件。

11.根据权利要求1所述的装置，其中所述第一和第二挠性元件纵向延伸，所述第一挠性元件沿所述元件的全部长度联接到所述第二挠性元件。

12.根据权利要求1所述的装置，其中所述层压材料的第一层包括聚合物，并且所述层压材料的第二层包括金属。

13.根据权利要求1所述的装置，其中所述层压材料的第一层包括聚合物，并且所述层压材料的第二层包括聚合物。

14.根据权利要求1、12或13中任一项所述的装置，其中所述层具有小于100GPa的杨氏模量以及大于10^-6/K的在室温的热膨胀系数。

15.根据权利要求1所述的装置，其中所述运动传感器包括压敏电阻元件，配置所述压敏电阻元件使得所述压敏电阻元件的电阻在所述第二挠性元件弯曲时变化。

16.根据权利要求15所述的装置，其中所述压敏电阻元件包括镍铬合金，铬，铜，和铬铜合金的至少一种。

17.根据权利要求15所述的装置，其中所述压敏电阻元件包括氮化铝，锆酸钛酸铅，多晶硅，导电聚合物的至少一种。

18.根据权利要求1所述的装置，其中所述挠性元件从所述第一末端至所述第二末端的长度在100至1000μm的范围内。

19.根据权利要求1所述的装置，其中所述第一相应构造中的所述第二挠性元件的所述第二末端与所述第二相应构造中的所述第二挠性元件的所述第二末端之间的距离在20至650μm的范围内。

20.根据权利要求1所述的装置，所述装置还包括电子电路，所述电子电路被联接到所述第一挠性元件并且被配置成对于所述驱动部提供信号，以使所述第一挠性元件从所述第一相应构造运动到所述第二相应构造；并且被联接到所述第二挠性元件的运动传感器，并且被配置用于提供输出信号，所述输出信号指示由所述运动传感器传感的所述运动。

21.一种制造用于检测流体性质的微装置的方法，所述方法包括：

提供主体区；

提供第一挠性元件和第二挠性元件，每一个挠性元件具有第一末端和第二末端，所述第一末端固定地位于所述主体区上，并且每一个挠性元件可以通过所述元件的弯曲而从至少第一相应构造运动到第二相应构造；

形成在远离所述主体区的位置在所述第一和第二挠性元件之间延伸的联接器；

形成配置用于在所述第一和第二相应构造之间使所述第一和第二挠性元件运动的所述第一挠性元件中的驱动部，其中所述第一挠性元件的驱动部包括：具有不同热膨胀系数的至少两层的层压材料；加热元件，所述加热元件用于加热所述第一挠性元件以引起所述元件的弯曲；

形成用于传感所述第二挠性元件的运动的所述第二挠性元件中的集成运动传感器，其中对所述运动传感器进行配置，使得所述运动传感器的电性质由于所述第二挠性元件的运动而变化；以及所述运动传感器包括压电元件，配置所述压电元件使得所述压电元件的电信号在所述第二挠性元件弯曲时变化；并且

将所述第一挠性元件的驱动部配置成可操作的，用于使所述第一和第二挠性元件运动。

22.根据权利要求21所述的方法，其中所述方法还包括提供金属层的步骤，所述金属层配置成在所述挠性元件的图案形成期间充当蚀刻停止层，并且允许所述挠性元件从周围结构的随后释放。

23.根据权利要求21所述的方法，其中所述金属是铬或钛。

24.根据权利要求21至23中任一项所述的方法，所述方法还包括形成包括至少一种导电材料的每一个挠性元件，并且由非导电材料形成所述联接器的步骤。

25.一种使用权利要求1-20所述的微装置测定流体性质的方法，所述方法包括：

驱动所述第一挠性元件从第一相应构造弯曲到第二相应构造，由于被联接到所述第一挠性元件，所述第二挠性元件从第一相应构造运动到第二相应构造；

传感所述第二挠性元件的运动；并且

通过处理所述传感的运动，测定所述流体的至少一种性质。

26.根据权利要求25所述的方法，所述方法包括：

驱动所述第一挠性元件以小于10Hz的频率在所述第一和第二构造之间运动。

27.根据权利要求25所述的方法，其中驱动所述第一挠性元件从所述第一相应构造运动到所述第二相应构造，使得所述第一挠性元件的末端移动至少100μm。