CN103827662B - 具有双压电晶片致动和压阻读出的微悬臂梁式传感器 - Google Patents

Abstract

提供了使用热特征来监测流体介质样本中的一个或多个指定反应的方法，包括：提供至少一个微悬臂梁式传感器，所述微悬臂梁式传感器包括具有不同热膨胀系数的至少两种材料，并且具有集成在其中的加热器和压阻传感器；校准对热变化的至少一个微悬臂梁响应以形成校准微悬臂梁响应特性；开始流体介质样本中的指定反应；用一个或多个电脉冲对加热器施加脉冲以在微悬臂梁中引起发热；对集成的压阻传感器的输出进行采样以表征流体介质中的指定反应期间微悬臂梁的响应；以及从所采样的输出中减去校准微悬臂梁响应特性以确定流体介质样本中的一个或多个指定反应的特性。还提供了用于测量流体介质样本的至少一个热属性的方法以及流体介质样本反应检测设备。

Description

具有双压电晶片致动和压阻读出的微悬臂梁式传感器

技术领域

本发明总体上涉及用于测量流体介质的属性的方法和测量装置，具体地，涉及特别地使用自感测微致动器流体探针来确定流体介质的相互作用或流体介质内的相互作用，诸如抗原抗体相互作用。

背景技术

存在流体介质内发生的很多有用的化学反应和生物反应。这些可能是流体介质与周围环境之间的相互作用（例如，当曝露于空气时的氧化）的结果，或者其可能是将流体介质与某种反应物或包含反应物的另一流体介质相混合的结果。这样的化学反应和生物反应在各个领域（诸如工业处理、医学诊断等）中都可能是有用的。这样的化学反应和生物反应的使用通常要求合适的测量设备，以确定具体的指定反应实际上是否已经发生，或者进一步提供对反应的发生程度的测量。

已知用于测量流体介质内的反应的存在或程度的方法，但是这些方法都具有相关联的缺点，包括速度限制或精确度限制、执行的成本或复杂性等。例如，当可以使用另外的标记法技术来检测流体介质中的特定抗体与抗原的结合时，这些技术可能改变结合的结构和亲和力。同时，标记还要求微弱信号的合成和放大。其中不使用标记的无标记方法可以基于诸如表面等离子共振的方法，但是这些方法缺少在手持装置中执行多个并行测试以使得能够测量若干反应的能力。

发明内容

本发明提供了一种使用热特征（signature）来监测流体介质样本中的一个或多个指定反应的方法，所述方法包括：提供至少一个微悬臂梁式传感器，所述微悬臂梁式传感器包括具有不同热膨胀系数的至少两种材料，并且具有集成在其中的加热器和压阻传感器；校准对热变化的至少一个微悬臂梁响应以形成校准微悬臂梁响应特性；开始流体介质样本中的指定反应；用一个或多个电脉冲对加热器施加脉冲以在微悬臂梁中引起发热；对集成的压阻传感器的输出进行采样以表征流体介质中的指定反应期间微悬臂梁的响应；以及从所采样的输出中减去校准微悬臂梁响应特性以确定流体介质样本中的一个或多个指定反应的特性。

该方法还可以用于监测流体介质样本关于时间的非指定反应或属性（或属性的变化），诸如热属性。

可选地，一个或多个指定反应包括以下中的任一个或多个：共价键反应、非共价键反应、结合反应、非结合反应、抗体抗原反应、凝集反应、血型检定反应。

可选地，流体介质响应中的一个或多个指定反应的特性是一个或多个指定反应是否存在、或者一个或多个指定反应的程度。

可选地，该方法还可以包括对于一个或多个指定反应中的至少一个指定反应，用反应物涂覆至少一个微悬臂梁。

可选地，该方法还可以包括提供至少两个基本相似的微悬臂梁，其中，一个微悬臂梁涂覆有反应物，一个微悬臂梁未涂覆有反应物，其中，该方法还包括：当两个微悬臂梁浸入流体介质样本中时，将被集成到已涂覆的微悬臂梁中的压阻传感器的输出与被集成到未涂覆的微悬臂梁中的压阻传感器的输出进行比较。

还提供了一种用于测量流体介质样本的至少一个热属性的方法，包括：提供至少一个微悬臂梁式传感器，所述微悬臂梁式传感器包括具有不同热膨胀系数的至少两种材料，并且具有集成在其中的加热器和压阻传感器；校准对已知流体介质样本的热变化的至少一个微悬臂梁响应以形成校准微悬臂梁响应特性；将至少一个微悬臂梁式传感器的至少自由端部分浸入未知的流体介质样本中；用一个或多个电脉冲对加热器施加脉冲以在微悬臂梁中引起发热；对集成的压阻传感器的输出进行采样以表征流体介质中微悬臂梁的响应；以及从所采样的输出中减去校准微悬臂梁响应特性以确定流体介质样本的热导率。

可选地，流体的至少一个热属性是以下中的任一个或多个：热导率、热容量、温度、容积热容量和热扩散系数。

可选地，校准至少一个微悬臂梁响应可以包括：将至少一个微悬臂梁浸入具有已知的流变属性和热属性的多个测试流体介质样本中；用至少一个电脉冲对至少一个微悬臂梁施加脉冲以在微悬臂梁中引起发热；以及对集成的压阻传感器的输出进行采样以表征每个测试流体介质样本中微悬臂梁的响应。

可选地，校准至少一个微悬臂梁响应可以包括向至少一个微悬臂梁提供扩展长度脉冲以提供至少一个微悬臂梁或流体介质样本的稳态热传递特性响应。

可选地，在测试期间至少一个微悬臂梁的操作可操作用于使测试下的流体介质样本内发生的反应加速。

还提供了一种适于执行所描述的方法中的任一种的设备，其中，预先表征设备响应以使得可以使用该设备来表征流体介质样本、或者流体介质样本中的反应或与流体介质样本的反应。

还提供了一种流体介质样本反应检测设备，包括第一未涂覆的微悬臂梁式传感器、第二已涂覆的微悬臂梁式传感器以及电路，该电路可操作（并且校准）用于在所述微悬臂梁被浸入测试下的流体介质样本中时检测第一微悬臂梁和第二微悬臂梁对一个或多个电输入脉冲的响应的差异，其中，已涂覆的微悬臂梁和未涂覆的微悬臂梁基本同样地由具有不同热膨胀系数的至少两种材料形成，并且具有集成在其中的加热器和压阻传感器，所述微悬臂梁在涂覆之前呈现对输入电脉冲基本相似的特性响应，以及其中，第二已涂覆的微悬臂梁上的涂层引起或加速要检测的反应。

可选地，第一微悬臂梁和第二微悬臂梁的可自由移动端在测试下的流体介质样本的共享容器内彼此相对并且彼此相邻布置，或者布置在彼此之上/之下。

可选地，涂层是抗原或抗体，以及反应是指定的抗原抗体反应。

可选地，该抗原抗体反应是血液凝集反应。

可选地，扩展长度脉冲可以是具有例如＞50ms的脉冲宽度并且具有低平均功率的脉冲，其中，所使用的低平均功率的具体值可以取决于双压电晶片微悬臂梁内所使用的致动器的具体形式。这是因为将微悬臂梁移动一定距离所需的能量的确切量取决于微悬臂梁的总体结构。然而，在功能上，低平均功率应该确保双压电晶片微悬臂梁没有过度变形或不可逆变形。

本发明的实施例提供了如下方法，其包括：提供至少一个校准的微悬臂梁式传感器，所述微悬臂梁式传感器包括具有不同热膨胀系数的至少两种材料，并且具有集成在其中的加热器和压阻传感器，所述至少一个校准的微悬臂梁式传感器针对热和/或机械变化而被校准，以及所述至少一个微悬臂梁的自由端可操作用于浸入流体介质样本中；用一个或多个电脉冲对加热器施加脉冲以在微悬臂梁中引起发热；以及对集成的压阻传感器的输出进行采样以提供流体介质中的指定反应期间微悬臂梁的响应来表征流体介质样本和/或其中的反应的一个或多个属性。

本发明的实施例还涉及如下的方法和测量装置，其用于根据单次测量、或单个脉冲、或串联的形状合适的脉冲（例如，相对长或短的脉冲，或这二者的组合）来同步测量流体介质的多个/若干属性，从而使得能够测量和/或表征稳态（热）方面和机械方面二者。

本发明的实施例还提供了一种使用根据热响应特性和机械响应特性的组合对多个物理属性的同步测量来监测流体介质样本中的一个或多个指定反应的方法，所述方法包括：提供至少一个微悬臂梁式传感器，所述微悬臂梁式传感器包括具有不同热膨胀系数的至少两种材料，并且具有集成在其中的加热器和压阻传感器；校准对热变化和机械变化的至少一个微悬臂梁响应以形成校准微悬臂梁响应特性；开始流体介质样本中的指定反应；用一个或多个电脉冲对加热器施加脉冲以在微悬臂梁中引起发热，其中，操作被调节以适合反应的物理性质（例如，在流体体积中、或接近探针、或在探针的表面上）；对集成的压阻传感器的输出进行采样以表征流体介质中的指定反应期间微悬臂梁的响应；以及从所采样的输出中减去校准后的微悬臂梁响应特性以确定流体介质样本中的一个或多个指定反应的特性。

实施例还提供了一种用于同步测量流体介质样本的热属性和/或流变物理属性的方法。这些实施例可以包括：提供至少一个微悬臂梁式传感器，所述微悬臂梁式传感器包括具有不同热膨胀系数的至少两种材料，并且具有集成在其中的加热器和压阻传感器；校准在已知的流体介质样本中对热变化和机械变化的至少一个微悬臂梁响应以形成校准微悬臂梁响应特性（例如，响应信号和信号的绝对变化的瞬态分布（profile））；将至少一个微悬臂梁式传感器的至少自由端部分浸入未知的流体介质样本中；用一个或多个电脉冲对加热器施加脉冲以在微悬臂梁中引起发热；对集成的压阻传感器的输出进行采样以表征流体介质中微悬臂梁的响应；以及根据所采样的输出计算校准微悬臂梁响应特性以同步地确定流体介质样本的热属性和机械属性。

可选地，流体的至少一个热属性和机械属性是以下中的任一个或多个：热导率、热容量、温度、容积热容量、热扩散系数、粘度、密度、剪切速率和流速。

实施例还提供了一种包括至少一个微悬臂梁的测试设备。这些测试设备可以被布置为执行任何本文中所描述的方法。至少一个悬臂梁可以在制造时被（使用前）校准以与读取装置一起使用，使得（使用前）校准在任何所描述的方法中的使用期间可用于与微悬臂梁的输出相减或相比较，其中数字存储器可操作地耦接至微悬臂梁，以及/或者读取装置和/或可移除的筒包括至少一个微悬臂梁。

本发明的这些和其他方面从下文中所描述的实施例中将变得明显并且参照下文中所描述的实施例被阐明。

附图说明

将仅通过示例、参照附图描述本发明的另外的细节、方面和实施例。在附图中，相似的附图标记用于标识相似的或功能类似的元件。图中的元件为了简明和清楚而被示出，并且不一定是按比例绘制。

图1示出了用于确定流体介质的热属性的现有技术的“热线”感测系统的俯视图；

图2示出了图1的现有技术的“热线”感测系统的侧视图；

图3示出了根据本发明的实施例的基于微致动器的传感器的俯视图；

图4示出了根据本发明的另一实施例的基于微致动器的传感器的俯视图；

图5示出了根据本发明的其他实施例的基于微致动器的传感器的两个俯视图，具体示出了传感器的不同形式；

图6示出了使用中的根据图3的基于微致动器的传感器的侧视图；

图7示出了根据图6的基于微致动器的传感器的输出曲线图，示出了测试下的流体介质样本内的不同感测事件的不同输出；

图8示出了对于第一指定凝集测试、来自根据本发明的实施例的微悬臂梁式传感器的输出信号；

图9示出了对于第二指定凝集测试、来自根据本发明的实施例的微悬臂梁式传感器的输出信号；

图10示出了对于第一指定试验、来自根据本发明的实施例的微悬臂梁式传感器的五个重叠的输出信号；

图11示出了根据本发明的实施例的差分感测设备；

图12示出了根据图11的差分感测设备在凝集发生之前的输出；

图13示出了根据图11的差分感测设备在凝集发生之后的输出；

图14示出了利用使用短脉冲（0.5ms）的压敏电阻器的叠加AC电响应对去离子水中的微悬臂梁尖端偏转的捕捉；

图15示出了AC（即，仅机械）信号的输出响应；

图16示出了DC（机械和热）信号的输出响应；

图17示出了利用使用较大脉冲（4.0ms）的压敏电阻器的叠加AC电响应对4厘泊（cP）甘油/水混合物中的微悬臂梁尖端偏转的捕捉；

图18示出了在致动脉冲较长（50ms脉冲宽度和大约2.5mJ能量）的情况下微悬臂梁探针在标准甘油（相对于水30%的重量）中的使用，其中左侧是DC电桥响应对时间，以及右手侧是偏转对时间。

具体实施方式

如下文中更详细描述的，本发明的实施例提供了一种用于使用自感测热微致动器或多参数流体探针来激励和测量流体介质样本内的一个或多个指定的相互作用（诸如特定的抗原抗体相互作用等）的装置。以微悬臂梁或梁的形式披露了所描述的基于微致动器的传感器探针，但是也可以实现传感器的其他物理形式。

本文中所使用的术语“流体介质样本”可以是指单一流体或两种或更多种流体的组合、或者一种或多种流体与引起反应的另一介质的混合物。术语“流体介质样本”还可以包括在一种或多种流体中的物理悬浮物或复合悬浮物，例如包括固体部分以及诸如液体或气体的流体部分二者的微粒悬浮物。例如，当微粒形成为凝结物等时，微粒可以是流体介质样本的相互作用的部分。从广义上讲，流体介质样本可以是适于测试的任何化学样本或取自样品的生物样本。

激励和测量装置可以构成对流体介质属性（诸如热属性、凝结属性或其他属性）的测量敏感的动态微测试/诊断系统的一部分，并且可以提供作为混合器的独特的并行功能（即，协助测试下的流体介质样本中的相互作用，并且还可以帮助促使热量对流通过样本）。混合器功能可以使得能够在生物反应和化学反应中进行快速的应答。这样的系统具体地可应用于涉及流体中的生物悬浮物和化学悬浮物的测量。与标准的已知流体介质样本热测试方法（诸如“热线”测试）相比，所披露的方法和装置还具有较低功率要求。

微测试/诊断系统的微致动器的设计和制造可以使得其或者仅在热感测模式下工作，或者仅在机械感测模式下工作，或者作为执行机械测量和热测量二者的混合传感器工作。可以一起使用多个这样的基于微致动器的传感器以构成在下面更详细地描述的差分传感器系统。本描述包括基于本发明的实施例执行的实验的结果，以评估用于测量流体介质样本的热属性或其他属性的根据本发明的基于微致动器的方法和测量装置的能力、根据本发明的基于微致动器的方法和测量装置与标准的已知测量方法或装置相比的灵敏度、以及具体地如何使用诸如传感器和混合器的微致动器来进行快速抗原抗体相互作用测量。

图1示出了用于仅确定流体介质130的热属性的现有技术的微型“热线”感测系统100的俯视图。其包括用于容纳流体介质样本130的容器110，流体介质样本130可以包括块状流体介质，潜在地具有凝结部分140。随着流体介质样本中的反应开始并接着继续进行时，凝结部分140可能出现，并且尺寸、重量或体积随时间增加。

感测系统100的感测部包括具有形成在其上或其中的加热器150的容器120的表面，其中温度传感器160也形成在容器120的表面上或容器120的表面中，温度传感器位于加热器150附近但与加热器150间隔开。这些传感器被布置为检测温度，该温度取决于包括测试下的流体介质130样本的热特性、容器表面120的热特性以及温度传感器160距加热器150的距离等因素的组合。

该现有的传感器系统100的问题包括以下事实：由于传感器160在容器120的表面内被嵌入一侧，所以容器材料的温度特性可以实质地影响传感器160的结果等，因此，使得从传感器160得到的结果模糊或基本上恶化。例如，在加热器和温度传感器在衬底表面上的情况下，将会存在到表面衬底的高传导（热损耗）。另外，在流体是静止的并且保存在低体积（即＜1微升）的空腔（chamber）内的情况下，在短时间内（即＜30秒）凝结物或悬浮物可能附着到传感器的表面上，从而本质上改变（例如，影响（skew））了检测处理的效率或精确性（具体如图2所示）。

此外，仅可以感测紧邻容器表面120和流体介质接触边界145的区域。这可能不是被测试的整个流体介质样本的真实表现。图2示出了如图1所示的同一感测系统100的侧视图，该侧视图更清楚地示出了边界条件感测限制以及悬浮物或凝结物可以如何影响所获得的结果。而且，可以看到，没有可用的流体介质功能的内在混合。

因此，本发明提供了一种具有用于检测流体介质样本的属性（包括特定的抗原抗体相互作用）的集成传感器的动态微致动器。优选地，微致动器是基于微悬臂梁的传感器。

基于微悬臂梁的传感器可以被形成为通过第一端附接至主体的梁，其中远离第一端的第二端相对于主体自由移动。微悬臂梁的梁通常具有矩形表面区域，其中矩形的长边从主体延伸。微悬臂梁可以包括至少两层材料的层压材料（laminate），每层材料具有不同的热膨胀系数（即双压电晶片）。这些材料可以是不同的材料或经处理（例如，加压）以具有不同热膨胀系数的相同材料。一种适于形成至少两层的层压材料的示例性材料是聚酰亚胺。

在施加热量时，对于相同的温度升高，一层将比其他层膨胀得更多，因此，微悬臂梁将在热膨胀系数较低的材料的方向上弯曲。在冷却时，对于相同的温度降低，一层将比另一层更快地收缩，因此，微悬臂梁于是将在热膨胀系数较大的材料的方向上弯曲。

致动加热器可以位于微悬臂梁上或者微悬臂梁中，并且可以包括形成穿过微悬臂梁的表面的区域的连续线或轨迹的导电材料。加热器还可以包括将电流传递至加热器（并且导致从加热器散热）的电接触部。为了便于接近，这些电接触部在使用中可以位于主体的上表面上。

一个或多个集成传感器也可以位于微悬臂梁上或者微悬臂梁中，并且还可以包括形成穿过微悬臂梁的表面的区域的连续线或轨迹的导电材料。

可以使用惠斯登电桥电路来测量集成传感器的输出，因为惠斯登电桥电路是用于电容和电阻的比较测量的特别敏感的设备。惠斯登电桥电路可以与微悬臂梁一起使用以确定微悬臂梁的移动（即弯曲）量或者整个微悬臂梁式传感器系统的其他属性（或属性的变化），诸如热属性。惠斯登电桥可以位于微悬臂梁的主体上，或者远离微悬臂梁式传感器但耦接至微悬臂梁式传感器（诸如集成传感器）的各个部分的电接触部。在使用中，在惠斯登电桥电路两端施加电压，并且在中部的两端测量电压输出。当电桥的输出为0时，电桥被认为是平衡的并且电阻/电容相等。当一个臂的电阻/电容变化时，由于集成传感器的输出的变化，先前平衡的电桥现在不平衡。该不平衡导致电桥的中部的两端出现电压，根据该电压可以得到整个设备的输出，该输出表示流体介质样本的属性（或属性的变化、或多于一个的属性）。当使用电阻式传感器时，电阻可能由于机械变化、热变化或同时发生的二种变化而变化。

图3至图5示出了根据本发明的基于微悬臂梁的测量装置的不同实施例。如图3所示，根据本发明实施例的微致动器流体属性传感器300可以包括致动部（例如，加热器）310和与加热器分离的集成传感器320，或者如图4所示，根据本发明实施例的微致动器流体属性传感器400可以包括单个组合式传感器和加热器410。集成传感器可以是可操作用于检测微致动器的温度变化、移动（诸如弯曲和挠曲）、或移动与温度的组合的压阻传感器。

可以提供多个组合式加热器/传感器，其中从每个组合式加热器/传感器取得结果并且将结果组合成平均的总体结果等。可以在大小为微升或甚至亚微升（sub-micro-litre）的样本中感测流体介质。微致动器可以使用流体介质的基于热和/或移动的物理属性的测量来感测流体/凝结属性。本文中所描述的基于微致动器的微热探针的优点在于，由于该微热探针延伸至流体介质内，因此与嵌入衬底内或在衬底（仅传感器本身，不是容器）上的加热器/传感器装置相比，到衬底的传导（热损耗）可以较低，并且传感器的移动意味着悬浮物是流动的，而且可以较好地感测动态反应，以及/或者升高的反应速率从而提供快速的应答时间。

图5示出了微悬臂梁形式的加热器和温度/运动传感器的两种适合的替选装置500、550，二者都包括加热器510和温度/运动传感器520，但是其中，在左手边的版本中的传感器520沿着微悬臂梁的长度以蛇形方式形成，以及在右手侧的传感器520具有沿着微悬臂梁的传感器部分的宽度以蛇形方式形成的传感器520。蛇形结构的不同方向表示传感器对纵向应变和线性应变的敏感性不同，这可以帮助隔离外来的应变因素，否则外来的应变因素可能影响结果。例如，在第二微悬臂梁上使用蛇形传感器使得能够活动地使用参考梁，即，也可以致动参考梁。在两个传感器相同的情况下，由于一个悬臂梁位于惠斯登电桥的正极臂上而另一悬臂梁位于负极臂上，所以二者的致动将抵消信号。

当在一个微悬臂梁上使用蛇形传感器时，由于蛇形传感器仅测量电阻的热变化而不是测量弯曲，所以活动的微悬臂梁和参考微悬臂梁二者的致动给出较好的纯机械信号。例如，在（惠斯登电桥的）正极臂中，从所感测的机械属性和热属性二者得到信号，而在（惠斯登电桥的）参考负极臂中，仅是感测的热属性。因而，使用蛇形传感器配置可以提供以下优点：1）较好地隔离机械信号和热信号；以及2）由于两个微悬臂梁的移动而引起的更多的混沌混合。另外，一个微悬臂梁可以被放置在与其他微悬臂梁不同的定向或位置以进一步改进混合特性。此外，由于当使用不同地构造的传感器（诸如蛇形构造）时，传感器输出信号的热部分可以抵消，因此可以以任意脉冲长度执行测试，即，致动脉冲可以更长并且因而具有更多的扫动和混合效果。

根据本发明实施例的微致动器传感器可以是动态的，因为其能够真正地延伸到流体介质内，并且可以向流体介质反应的速度动力学提供大的扫动运动并且防止复合悬浮物（例如，细胞、珠状物、微粒等）沉降，如在流体是静态的并且被保存在小体积（即＜1微升）的空腔内的情况下，在短时间（即＜30秒）内在已知的现有技术的无源/静态装置100中会发生的。

图6示出了根据本发明实施例的基于微致动器的感测系统600的动态性质。具体地，微致动器300如何在加热器310的控制和温度/运动传感器320的感测下扫过流体介质610的体积、以及帮助混合/搅动包括结合部分140的流体介质130。微型加热器310和传感器320嵌入延伸到流体内的微悬臂梁中。可以向加热器施加脉冲以提供用于测量的热源以及使抗原抗体相互作用循环并加速。注意，图6是通过将图3中的传感器沿直线A-A’平分而得到的传感器的视图。

图7示出了非分组/非结合（即非凝集）型流体介质响应与分组/结合（即凝集）型流体介质响应之间的微致动器传感器响应的比较，其清楚地示出了根据本发明实施例的基于微致动器的传感器系统600区分不同抗原抗体相互作用的能力。具体地，图7示出了在红细胞凝集期间以及当相互作用没有发生时被施加脉冲的微悬臂梁式传感器的峰高响应。非分组特征是被浸入流体介质中的微悬臂梁的有效基线，并且由于机械和热沉降而趋向某个水平（在图7的Y轴刻度上向上至大约+10）。红细胞的凝集表明峰高的下降（在图7的Y轴上向下至大约-10），这表示在凝集的流体介质中正发生更多热扩散，因此引起对微悬臂梁偏转的衰减增加。这可以形成基本定性的“是/否”型传感器。响应的“速度”和“幅度”取决于测试下的特定抗体抗原反应的动力学等，并且可以用于对反应进行量化。

可以通过至少以下两种方式来进行测试下的流体介质样本的热属性与微悬臂梁响应的联系。首先，作为间接热响应——因为从被集成到微悬臂梁中的加热器产生的焦耳热通过热扩散、对流等损耗而给周围的流体介质，而保留在微悬臂梁内的剩余热量使传感器的温度升高。其次，作为间接机械响应，因为微悬臂梁的偏转可以与装置的温度相联系，而该装置的温度又可以与流体介质样本的热扩散等相联系。所描述的测量表示在基于测试下的流体介质样本的热属性对生物反应和化学反应的识别和监测中使用的潜力。因此，提供了一种使用热特征监测反应的方法和设备。测试下的流体中的热量的热扩散通常与悬浮在流体中的分子链（尤其是接近传感器的分子链）的重量和大小有关联。流体中的热量的热扩散还可以取决于悬浮物的体积、质量和密度，并因此取决于悬浮物的热容量或容积热容量。热导率可以按比例增加至分子量的平方根，例如在交联网络结构的聚合期间，在较长时间之后，其可以在结构弛豫时减小。

图8示出了更易于辨别的凝集响应。具体地，其示出了针对组A血液、抗体B凝集测试而言Π型（即，单个集成的加热器/温度传感器）微悬臂梁式传感器关于时间的典型反转振幅输出。传感器输出响应清楚地表示以下时间点：添加样本801、掺入反应物802和凝集反应发生803。通过微悬臂梁在使用期间的移动来在线提供混合。关于时间绘制响应振幅值的曲线，从在每个致动脉冲之后在固定时间处（例如，在脉冲开始后50ms或100ms或200ms等）记录传感器的输出。

在牛顿流体和关于时间无变化的流体中，一旦流体沉淀在微悬臂梁之上（在沿X轴的竖直线处）（即在稳定状态），则所绘制的振幅不会改变。类似地，一旦由于添加了另一流体/反应物而引起的变化固定，就会达到较高的（在本示例中）平衡并且响应达到另一第二稳定水平。因而，可以看出，在样本中免疫测定（即抗原抗体）反应以及作为结果引起的凝集和/或聚合和/或其他相关效果的出现改变了传感器响应。通过仔细的校准，这使得传感器能够检测任何期望的流体介质反应（诸如血液的凝集）的存在和程度。

图9示出了对于另一凝集类型测试（使用市售的掺加示踪剂Omega25M）而言Π型（即，单个加热器/温度传感器）传感器关于时间的类似的典型反转振幅输出。传感器输出响应再次清楚地表示以下时间点：添加样本901、掺入反应物902（在竖直线上）和特定反应发生903。此外，通过微悬臂梁在测试期间的移动来在线提供混合。

在图8和图9的测试中，样本的掺入在样本最初被添加至测试系统流体储存器之后的预定时间进行。这样做使得样本达到传感器可以感测并且被校准的热平衡（例如，达到稳定的环境温度）。在微悬臂梁的致动期间在驱动信号/脉冲的上升沿之后接近100ms取得所有读数。确切的时刻可以根据测试下的样本的特性或周围条件而改变。在任何情况下，优选地，应当在每个脉冲内达到局部的热平衡。每个Y轴上的值对应于达到加料样本（spiked sample）的热属性的变化。可以在操作期间对微悬臂梁重复施加脉冲。

另一合适的校准测试包括在甘油/水混合物中使用微悬臂梁流体探针。然后，这些可以结合先前空气中的特性测试一起使用，例如使用表示存在微悬臂梁响应的热分量的10mW和100ms脉冲，并且该热分量被称为热信号。压电电阻器响应可以取决于测试下的流体介质样本的流变属性和热属性，诸如导热率和热容量。另外，从微悬臂梁的表面到空气的热对流系数可能比水小大约40倍，因此，热量保持在微悬臂梁中，从而提供了更高的温度并因此根据热信号和机械偏转提供了更高的总体响应。在具有已知的流变属性和热属性的甘油溶液中的测试使得能够研究、表征并且最终从测试结果中去除特定微悬臂梁的机械响应和热响应，从而仅基于测试下的流体介质的属性来提供修正的响应。

由于微悬臂梁的生产是高度一致的，因此对来自生产运行的微悬臂梁的样本（例如，晶片）的校准可以用于表征相同生产运行中的所有微悬臂梁。然后，可以保存微悬臂梁响应特性，例如将其保存在可操作地耦接至采样电路的存储器中，以在本领域中提供流体介质样本测试结果时进行参考。

表1给出了空气和标准重量百分比甘油混合物溶液相对于20℃下的水的近似流变属性和热导率，注意，空气的特定热容量是1.01J.g^-1.K^-1，水-甘油混合物溶液的热容量范围在20℃下是4.18J.g^-1.K^-1到12.14J.g^-1.K^-1，其中，纯水具有最低值：

流体	粘度（cP）	密度（g.cm-3）	热导率（W.m-1.K-1）
				空气	0.019	0.00008	0.025
0%甘油	1.005	0.99823	0.591
				30%甘油	2.50	1.07270	0.482
70%甘油	22.5	1.18125	0.352
				80%甘油	60.1	1.20850	0.327
99%甘油	1150	1.25850	0.284

表1

可以使用校准后的电子设备接口（例如，平衡惠斯登二极管电桥电路）来执行微致动器传感器测量。从函数发生器控制致动热脉冲并且通过电子设备接口连接致动热脉冲。通过软件（例如，经由具有电子增益/通道选择器的串行外围接口（SPI）总线接口）控制电子设备，并且例如通过单个模拟通道上的触发数据采集过程来记录集成温度/运动传感器响应。可以通过屏蔽的BNC连接器块来路由二极管电桥输出以连接至数据采集装置。采集装置可以具有例如16位的分辨率以及以100KS/s设置的采样率，从而给出10μs的分辨率，然而，可以使用任何合适的采样率和分辨率并且本发明不如此受限。在所示的示例中，测量限制被设置为1V以改进测量的分辨率，其中固定增益被应用于对平衡惠斯登电桥的输出进行定标（scale），并且样本的总数可以为5000。每个样本可以被保存为例如6个小数位的双精度整数。在实践中，平衡惠斯登电桥的输出实际上可以不为0，而是轻微偏移。当平衡惠斯登电桥的输出被放大时，平衡惠斯登电桥的基线输出电压可以是0以上的几毫伏。此外，由于溶液相对于微悬臂梁的温度，当使用四分之一电桥电路时，基线可以随时间改变。然而，由于电阻的变化（由于温度或微悬臂梁装置的移动），该基线漂移不影响电压信号的绝对变化，因此，每个致动事件可以偏移至0以使得能够在微悬臂梁装置之间进行比较。每个装置可以在微悬臂梁周围封装有硅密封胶以阻止测试下的流体介质分别接触加热器和/或传感器的电接触焊盘。

图10示出了单个示例性微悬臂梁装置在0%至99%重量的甘油相对于水的溶液（如在表1中更详细描述的那样）中的响应。在该示例中，致动脉冲具有1Hz频率和90μJ的能量。微悬臂梁装置在测试之间被化学处理并且干燥以防止测试下的流体介质的交叉污染。该曲线示出了在0%（红色，1010）、30%（蓝色，1020）、70%（绿色，1030）、80%（橙色，1040）和99%（紫色，1050）浓度下的测量。微悬臂梁响应在纯水中的误差条＜1%，因此没有示出。

微悬臂梁在最低粘度溶液（0wt%，1010）中的响应示出了过冲峰值和第二振荡1015，第二振荡1015是机械伪迹（artefact）。在下一种溶液（30wt%，1020）中，第二振荡1025衰减并且峰值沿x轴向右移动，即，其在时间上较迟发生。如果该响应是机械伪迹，则这是预期的，因为微悬臂梁将较少地通过流体且以较慢的速度移动。尽管在本示例中未示出，但是也预期到峰高降低。由于响应也具有热分量/伪迹，所以30wt%的甘油的热导率越低暗示越多热量正保留在微悬臂梁中（因为热量没有很好地被传递至周围的流体介质），因此导致关于集成的温度/运动传感器的更高的热信号。更高wt%的甘油溶液（1030到1050）中的测量没有可辨别的第二振荡，并且峰高下降并沿着x轴进一步向右移动，但流体介质的导热率持续降低。这个趋势可以归因于从30wt%的甘油到99wt%的甘油的充分地增加的流变属性（粘度从2.5cP增大至1150cP），同时导热率大约下降一半。

上述微致动器（具体为微悬臂梁、传感器系统）可操作用于通过使用热特征来测量特定的抗原抗体相互作用/反应。已经使用红血液细胞的凝集以及在正常控制测试中对其进行测试。例如，可以使用抗A抗体、利用血细胞比容为40%的20μl（μlitre）A型全血来实施抗A测试。使用非导电硅橡胶来使所使用的微悬臂梁均与流体介质隔离以使电焊盘与电连接部绝缘。可以在四分之一电桥构造中连接微悬臂梁，其中仅致动一个装置。可以以100KS/s对微悬臂梁进行采样，并且将电压测量限值设置为+/-1伏特。可以在1Hz下向微悬臂梁施加脉冲并且针对峰高和峰位分析数据。结果可以具有应用于数据以提供平均结果的移动平均，例如10个样本的移动平均。

在根据本发明实施例的微悬臂梁式传感器可以受益于适当的校准以使得能够采取定量测量的同时，定性测量（即是/否）更容易实现。这是因为，如果已知存在诸如凝集反应的抗原抗体反应发生（对于指定的测试，诸如对于特别抗体的血液测试，其出现将会被知道），如图7所示，则微悬臂梁式传感器系统提供与否定结果相比趋向相反方向的肯定结果。

由于热响应在结合没有发生的情况下升高而在结合发生的情况下降低，所以测试测量示出了微悬臂梁可以用于指定的抗原抗体相互作用测量。因此，这提供了两种情况之间的直接的可观察/可检测区别以及进一步提供了非常快速的应答时间。

微悬臂梁式传感器还可以进一步布置成提供多参数感测（机械和热）或具有独特属性（例如，增强的混合（通过增加的或特定形式的扫动运动））的热传感器。

热感测探针的设计以及与标准技术的比较

如图1和图2所示，用于测量流体的热导率的标准方法是使用热线方法。该方法基于在距线热源已知距离处通过在加热器和温度传感器所位于的表面附近的测试流体介质而测量出的温度的动态升高。可以在流体流中使用类似的布置，其中已知的流将热量携带至传感器并且进行温度的测量。加热器和传感器二者都是分别用作焦耳加热器和热电偶的简单的金属化轨道（metalized track）。

相比之下，根据本发明实施例的微悬臂梁流体探针还包括（可以通过金属化形成的）加热器，但是现在还包括金属压阻温度和运动传感器。

传统的方法具有很多限制。首先，在具有薄的电绝缘层的衬底上制造加热器和传感器。由于衬底会提供极好的热传导路径，所以测量既依赖于衬底，又需要高功率以补偿到衬底的功率损耗。然而，根据本发明实施例的自由移动的微悬臂梁可以延伸到样本中，从而具有到衬底的较低导热损耗并且因此改进了这些方面。

传统的技术还对于表面是静态的，因此其真正地测量接近衬底的边界。例如，如果样本具有悬浮物，则这些悬浮物将沉降在衬底表面上并且支配测量（例如，这可以在流体是静态的并且保存在小体积（即＜1微升）的空腔内的情况下在短时间（即＜3ms）内发生）。然而，微悬臂梁延伸到流体中从而使得能够进行体积测量并且还可以使用梁的动态致动来保持悬浮的微粒。在反应测量中，该动态致动尤其有利，因为其还可以加速混合以得到快速应答时间。

由于微悬臂梁延伸到流体中并且对衬底具有较低依赖，所以该装置将能够进行对测试下的流体介质样本的更灵敏的测量，并且反应在该流体介质样本中发生。

根据本发明实施例的微悬臂梁式传感器系统可以被制造成将加热器和传感器层埋置在形成微悬臂梁的双压电晶片材料的界面处，使得它们尽可能地靠近中性轴。这使得可以将微悬臂梁用于动态混合，但是在集成的压敏电阻器上具有接近0的机械信号。因此，这使得能够进行更好的集成传感器输出的热分离和移动分离。

压敏电阻器可以由合适的材料（诸如CuNi、金、铝或铂）形成，其中金属/合金的具体选择取决于所需的（相对较高或较低的）热灵敏度。CuNi具有低电阻温度系数并且因此对于由于流体中的热变化而引起的温度变化具有较低的灵敏度。金、铝和铂具有高电阻温度系数并且因此具有较高的灵敏度。用于传感器的金属的适当选择还可以使得能够一起实现加热器和传感器层，例如因为金和铂也是用于加热器的适合材料。

多参数流体探针的设计

还可以将机械（粘度）微悬臂梁流体探针与热测量结合。这样的系统可以被布置成使得在单个低能量脉冲中，能够提取流体介质的多个特性的测量结果，包括但不限于：粘度、热导率、热容量、密度和温度。这可以通过选择给出对偏转灵敏度为50%以及对温度灵敏度为50%的响应的压敏电阻器材料（例如，镍铬铁合金会是合适的选择）来提供。

微致动器传感器能够使用流体介质的物理属性（诸如微悬臂梁扫动时的机械阻尼）的变化来测量特定的抗原抗体相互作用，其中，通过热量从被激励的微悬臂梁离开进入流体介质的热扩散来施加热量从而启动微致动器。

微致动器传感器可以以机械模式、热模式或组合的机械模式与热模式来进行测量。不同的组合可以提供多参数反馈以及特定的抗原抗体相互作用的二次确认。附加地或替选地，还可以通过使用每一个被设置成不同的且独立的操作模式的多个微致动器来实现多参数测量。

微悬臂梁式传感器可以基于热双压电晶片或使用具有不同热膨胀系数的两层或更多层的材料的热多压电晶片微致动器（thermal multi-morphmicro-actuator）。可以通过使用集成的金属加热器和压阻传感器来操作热变形（thermal morphing）。加热器可以与传感器分离，或者可以使用组合式加热器/传感器代替。使用多层材料可以确切地提供平面外偏转，其使得能够进行流体介质中环境参数的相互作用以及测量/反馈。

可以形成微尺寸的微悬臂梁，例如具有600微米至800微米的长度、80微米至300微米的宽度，其组合提供了200微米至400微米的尖端偏转。这样形成的微悬臂梁可以使得能够询问流体介质的微升样本体积。

在机械感测模式下，通过集成加热器（由合适的材料形成，诸如铂、金、铝或和任何其他合适的金属或合金）、利用短的电信号对微悬臂梁施加脉冲，这由于构成微悬臂梁的具有不同热膨胀系数的两层或更多层的不同的热膨胀而引起扫动。所得到的偏转由微悬臂梁的物理属性和正被感测的流体介质的（潜在地改变的）属性来支配。由于微悬臂梁的属性是已知的，并且/或者可以针对不同的已知介质（具有已知属性或属性的变化）来校准，因此可以提供能够感测未知流体介质或具有发生的未知反应的流体介质的传感器方法和设备，以便表征并测量流体介质反应，诸如特定的抗原抗体反应，更具体地，凝集以及血液凝固型反应。

可以感测的不同流体介质属性包括但不限于：粘度、密度、粘弹性、屈服应力、和/或悬浮微粒或细胞的凝聚或沉积的效果。由于传感器是动态的，所以流体介质特性的感测不是非常受局限，当测量流体介质的（尤其是由于化学反应或生物反应引起的）变化时这是重要的优点，因为它们在空间体积内进行操作，而不是在单个点进行操作。当通过施加热量来启动微悬臂梁时，这可以通过向加热器提供已知形式的电脉冲来执行。应用于加热器的电脉冲宽度可以被设置用于基于正测试的流体介质的已知物理属性或基于正测量的特定的已知物理属性的最佳检测操作。脉冲长度的典型使用范围最高达5ms。

当尝试检测指定的抗原抗体反应的流体介质属性的变化时，在所需的抗原抗体相互作用的特定结合时，微悬臂梁的机械信号可能衰减，并且因此在振幅上或在数量上减小。因此，衰减可以将达到最大振幅所花费的时间变为较高值，以及/或者可以降低信号高度。可以在反应中通过使用涂覆有抗体的珠状物来增强衰减效果。可以以合适的方式在微悬臂梁上形成这些珠状物，从而确保反应在微悬臂梁周围的区域内起作用，或者从而使传感器变成对于要发生的反应的催化剂。当在化学、生物方面（尤其是基于健康的生物测试反应—诸如采血）、或者为了测试工业化学/生物过程的输出或正在进行的状态、或对于任意其他催化剂驱动的过程采样方案而将微悬臂梁作为诊断感测装置时，这尤其有用。

可以使用形成在微悬臂梁上或作为微悬臂梁的一部分的桨状物（如在微悬臂梁中的狭缝或孔或者桨状物）、或者通过诸如在构建期间的方式（例如，通过模制和/或通过使用平面构造技术）形成微悬臂梁，来增强根据本发明的微悬臂梁的机械信号衰减。桨状物还可以增大反应区域、感测区域或二者。可以形成狭缝和孔（即，穿孔）以使得它们有意地捕获较大的结合悬浮物（如已涂覆的珠状物）并且因此限制通过梁的流，或者可以形成穿孔以仅仅选择性地捕获流体介质中的某些类型或大小的微粒。在正感测的流体介质反应产生了大小随时间增加的微粒的情况下，例如作为抗原抗体结合的一部分，可以形成穿孔以在某一重要的时间点（基于现有的微粒的大小）与流体介质反应相互作用。以这种方式，可以更精确地确定流体介质反应的状态。

在机械感测模式下，对于移动感测压电电阻器（例如，通过由诸如铜镍合金-CuNi的材料形成压电电阻器）具有低电阻温度系数是有益的。以这种方式，可以使由于机械变形而产生的移动信号最大化。为了增加由压电传感器在微悬臂梁弯曲时所经受的应力/应变，将压电传感器接近微悬臂梁的表面放置以及/或者远离整个微悬臂梁装置的中性轴放置是有益的。

在热感测模式下，可以对微悬臂梁施加比在仅机械感测模式下所使用的电脉冲更长的电脉冲。可以这样做以在流体介质中激励悬臂梁进入稳定状态（例如，通过使用＞50ms的脉冲宽度），或者传递定义的“能量包”（即热能量脉冲）以使其扩散到流体介质中。于是，被加热的已启动的微悬臂梁随着该热能扩散到流体介质中的任何偏转的减少可以表征或者有助于表征流体介质反应。如果流体介质具有较高的热扩散率，则更多能量扩散到流体介质中，因此，较少热能保留在微悬臂梁中来加热微悬臂梁，从而导致流体介质的温度升高。

微悬臂梁的温度变化率和温度的绝对变化可以用于表示介质的热属性，例如但不限于热导率、热容量、以及包括热扩散率和体积热容量的组合因素。微悬臂梁表面与流体介质样本之间的热传速率还可以提供其他参数的表示，诸如热对流系数。可从具有关联的（且预定的）温度灵敏度的集成金属压敏电阻器直接测量微悬臂梁的温度变化率和温度的绝对变化。当特定的抗原抗体相互作用发生时，局部流体介质的热扩散可能改变。例如，其可能增加，从而在每个脉冲期间减少保留在微悬臂梁中的能量，这降低了微悬臂梁式传感器上的温度/信号，从而当微悬臂梁已被适当地校准时，表示该特定的抗体抗原相互作用的存在。

热感测模式还可以提供增强的操作，因为较长的脉冲宽度使得能够更大程度地扫动介质，从而增加了混合动力并因此增加了反应速率。

在热感测模式下，期望传感器具有高电阻温度系数，诸如金或铂。在这样的构造中，同样有益的是，加热器和传感器具有相同的材料，以使得其在制造期间可以沉积在单个层中。有益的是，将传感器靠近整个微悬臂梁的中性轴放置，使得在弯曲时应力为0。传感器可以以蛇形构造形成以减小沿悬臂梁的长度的机械响应。对于具有集成加热器和传感器层的、由具有不同热膨胀系数的两层形成的两层微悬臂梁，可以将微悬臂梁设计成使得在传感器位于中性轴时，当顶层的厚度t1和底层的厚度t2为以下值时达到最佳偏转：

$t_1={\left(\frac{{\mathrm{kL}}^3}{E_1{w}_1+{\left(E_1{w}_1\right)}^{3/2}{\left(E_2{w}_2\right)}^{-1/2}}\right)}^{1/3}$ 以及 $t_2=t_1\sqrt{E_1{w}_1/E_2{w}_2}$

其中：

k是微悬臂梁的梁的期望硬度，L是微悬臂梁的梁的长度，E₁和w₁是杨氏模量和顶层的宽度，E₂和w₂是杨氏模量和底层的宽度。

微悬臂梁式传感器层可能对诸如弯曲的移动、或传感器的温度、或微悬臂梁的物理参数的任意其他适当变化敏感，从而整体上表示微悬臂梁的移动或温度。然后，微悬臂梁的移动和温度作为整体可以用于确定流体介质的特性及其反应。

微悬臂梁式传感器还可以在双重移动和热感测模式下使用，由此短（较短）脉冲以及接着长（较长）脉冲（或相反）交替地用于依次或以组合模式测量机械和热响应，由此使用既机械敏感又热敏感的传感器（例如，当由镍铬合金形成）并且从响应中提取热属性和机械属性。在这种情况下，最大偏转的时间可以表示机械响应，最大响应的振幅（即，高度）可以表示热响应。可以以类似方式使用二次偏转的时间和/或振幅。一次偏转与二次偏转之间的衰减率可以特别用于确定正测试的反应流体介质的物理属性的变化，从而使得能够表征反应。

通过向至加热器的电脉冲提供恒定DC偏移，微悬臂梁式传感器还可以用于将小体积流体介质样本加热至预定温度。这可以实现对于正寻找或测试的特定抗原抗体反应的受控环境热范围和热优化（即“偏置（biasing）”）。可以在施加脉冲之前通过压电电阻器的标称电阻或通过反馈（例如，通过检测加热器标称电阻）来测量预定温度以及由于反应而引起的温度变化（例如，如果其是放热的或吸热的）。

可以选择微悬臂梁式传感器的构造以与特定的测试情况场景匹配，即，提供传感器的适当的且广泛的热特性以与正测试的流体介质样本匹配。以下表2示出了可以在微悬臂梁式传感器的构造中使用的不同材料的热容量、热导率和热扩散率：

	热容量	热导率	热扩散率
				金	05944[Cal/cm3.℃]	0.7600[Cal/s.cm.℃]	～1.293[cm2/s]
铬	0.8783[Cal/cm3.℃]	0.2247[Cal/s.cm.℃]	～0.2558[cm2/s]
				铝	0.5805[Cal/cm3.℃]	0.5664[Cal/s.cm.℃]	～0.9757[cm2/s]
硅	0.3929[Cal/cm3.℃]	0.2868[Cal/s.cm.℃]	～0.73[cm2/s]
				二氧化硅	0.2645[Cal/cm3.℃]	0.00238[Cal/s.cm.℃]	～0.009[cm2/s]
氧化铝	0.0279[Cal/cm3.℃]	0.0717[Cal/s.cm.℃]	～0.084[cm2/s]
				聚酰亚胺	0.4186[Cal/cm3.℃]	0.00037[Cal/s.cm.℃]	～0.00088[cm2/s]

表2

从上面的表2可以看出，金的热扩散率比聚酰亚胺的热扩散率高3至4个数量级。为了简明起见，可以假设由金层制成的加热器立刻变热。基于简化的瞬态温度方程模型，可以假设厚度接近6μm并且中间埋置有加热器（例如在被施加不同应力的聚酰亚胺层之间）的聚酰亚胺悬臂梁的梁的温度常量将会在数十微秒的范围内。

使用对于1维瞬态温度的二阶偏微分方程来比较对于相似厚度的SiO₂薄膜的分析热扩散，规定：

$\frac{\∂T(x,t)}{\mathrm{dt}}=D\frac{{\∂}^{2}T(x,t)}{\∂x^2}$ 以及 $T(x,t)=T_0\·(1-\mathrm{erf}\left(\frac{x}{2\sqrt{\mathrm{Dt}}}\right))$

其中，T₀是已加热的元件与周围介质之间的界面处的恒定温度；其中，x是至介质的距离；t是时间，D是介质的热扩散常量，其等于导热率除以热容量和质量密度；以及erf()是返回自变量的表列值的高斯误差函数。

如果距加热器的距离保持在例如3μm，则使用上述方程对温度曲线的比较示出了聚酰亚胺微悬臂梁时间常量是若干微秒（达到0.1ms）。这比其SiO₂对等物慢大约10倍并且比其Si对等物慢大约1000倍，然而，其仍足够快以使得在微悬臂梁与流体介质之间实际上存在瞬时热传递。这还示出了聚酰亚胺悬臂梁（在保持热量方面）与基于Si的对应物相比如何更加有效率—热量从基于SiO₂的结构“逃逸”大约快10倍，以及从基于Si的结构“逃逸”大约快1000倍。上面的计算表示通过包括利用长度为50ms、100ms或200ms的脉冲来致动的微悬臂梁，可以应用比通过聚酰亚胺结构传播热量高3个数量级的持续加热。换句话说，对于每个脉冲，在例如100ms之后记录值，微悬臂梁与流体的界面肯定已达到热平衡，使得悬臂梁的温度在整个体积处于稳定状态，并且与流体的热交换也是稳定的。因此，输出值表示在悬臂梁/流体界面处的热属性。

因此，根据本发明实施例的有源微悬臂梁式传感器可以允许测量流体介质样本的多个不同热属性，诸如以下中的任一个或多个：热导率、热容量、温度、容积热容量、热扩散率等。此外，可以执行对这些属性的（相对）变化和/或这些属性的变化率的监测，以帮助表征流体介质样本，尤其是在流体介质样本参与反应（如以上已讨论的凝集）的情况下。

热导率可以是当温度梯度垂直于材料的单位横截面积存在时通过传导通过该面积来传递热量的速率。热导率系数可以被表示为当两个面的温度差为1时在给定的单位时间内通过单位立方体的物质的热量。如果已知微悬臂梁内的压阻传感器对温度的敏感程度，则基于其电阻变化（在与粘弹性贡献解除联系之后），可以根据所述热导率变化来解释传感器读数。

热容量可以与特定的材料热量（即，特定的热量*密度）相关联，并且与在单位质量的物质中产生温度的单位变化所需的热量相关，或者换句话说，与材料储存热量的能力相关。已经观察到，通过聚合、凝集等，流体介质样本的局部密度改变。因此，监测热容量从开始的无反应状态的（相对）变化（以及热容量的变化率）可以帮助表征流体介质样本或者正在发生的反应。

热扩散率描述通过介质传导热量的速率。其涉及热导率和热容量（比率）。高的热扩散率抑制对流。

更具体地，根据流体介质样本的温度升高并且因此微悬臂梁响应增大的速率得到热容量信息。简单的公式是Q=mc.DT，其中，Q是所传递的热量，m是质量，c是特定的热容量，以及DT是温度的变化。延伸是明智地查看该“瞬态”，即使用微分方程。因此，例如，dQ/dt=mc dT/dt，即流体介质样本的温度随时间的变化取决于来自微悬臂梁的功率（dQ/dt）除以质量×热容量。流体的质量可以是未知的，因此我们可以使用密度（p）=质量（m）/体积（v）来代替质量，从而得到dQ/dt=pvc dT/dt。

从上述公式可以看出，“pc”（密度×热容量）是在特征方程中，并且这是体积热容量。存在体积依赖关系，但是这可以通过使用在微悬臂梁周围的已知尺寸的空腔来克服，从而产生已知体积的流体介质样本。因此，根据定义，如果我们已知某些属性值，则可以得出其余属性值。例如，如果已知热导率，并且确定了体积热容量，则能够得出热扩散率。

根据本发明实施例的微致动器传感器可以同样地用于指定的抗原抗体相互作用或未指定的反应的“定量”（定标测量），以及“定性”（即，是/否）测量（从而允许进行规范）。例如，根据本发明实施例的微致动器可以使得能够将抗原抗体相互作用分类为若干类别。这使用以下方法来实现：在已知介质或其混合物（诸如空气、水、乙二醇、指定的已知抗原抗体反应等）中通过向装置施加脉冲来对微致动器传感器进行自校准，然后测量来自这些介质中的微致动器传感器系统的偏转信号的相对或绝对变化。于是，随后对未知介质或反应的应用可以产生未知流体介质或反应的特性以使得能够确定其参数，包括特性。

没有被施加脉冲的第二微致动器传感器可以在合适的半桥或全桥电子电路中用作参考。这可以通过对环境振动、背景温度、电噪声等进行补偿来提供稳定性。

还可以提供可以应用的差分感测方法，其使用微悬臂梁式传感器的适当表面涂覆（例如，用合适的抗体）来测试事件（诸如指定的蛋白质-蛋白质结合）。例如，使用前列腺特异抗原（PSA）涂覆微悬臂梁来帮助提供前列腺癌的检测。可以使用这类方法代替（荧光）标记法来测量使用标记法技术可能无法检测的浓度非常低的蛋白质的结合。这意味着可以更早地检测，这对提高治愈的机会是重要的。所披露的差分感测方法提供了避免（在应用荧光标记法时发生的）蛋白质结构的改变以及避免了荧光标记法执行起来太复杂且难以放大的问题的优点。而且，所披露的差分感测方法易于复用，即在一个测试中测量若干不同的标记。例如，表现为呼吸急促的患者可能需要测试多达5个或更多个标记以确认原因。这可以通过用所需的抗原仅涂覆适当数量的差分传感器来容易地实现，所有差分传感器都在相似的时间或同一时间被应用，而不是必须使用荧光标记来执行五个单独的大范围测试，这对于在医疗点使用而言不是非常便携。

此外，所披露的差分感测方法优于共振硅和/或无源微悬臂梁。共振（在寻找当结合发生时频率的变化的情况下）所带来的问题在于，流体中的衰减是显著的并且很难获得尖锐清晰的尖峰（即，测试具有非常低的品质因子），并且当然没有类似于通过使用本文中所披露的有源微悬臂梁的差分感测方法所得到的肯定的是/否输出。另外，无源微悬臂梁式传感器的另一问题是相对于背景环境漂移的非常小的信号偏转（即亚纳米（sub-nm）到几十纳米的）的精确检测、以及需要仅可以通过光学干涉仪技术来实现的非常高分辨率的偏转测量的振动，这既复杂又庞大，并且需要受控条件（即温度、振动）。

图11示出了差分感测设备1100的实施例，该差分感测设备包括涂覆有抗体的微悬臂梁1110和未涂覆的微悬臂梁1120两者。可以通过取一个微悬臂梁装置并且将其浸入合适的反应性涂覆物中并接着取第二个微悬臂梁装置芯片并且使其保持不涂覆来形成差分感测设备。然后，两个微悬臂梁可以以使得其自由端相邻或者在彼此之上/之下的方式放置，使得测试下的流体介质样本能够覆盖已涂覆的微悬臂梁和未涂覆的微悬臂梁二者的可移动自由端。然后，两个装置被连接成如半桥式惠斯登电桥。

脉冲施加方法可以用于致动在其他方面相同（除了例如在一个微悬臂梁上涂覆有抗体）的两个微悬臂梁。然后，将要测试的样本（例如血液）分发到两个装置之上。最初，响应对于两个微悬臂梁会大致相同，但是由于到半桥式惠斯登电桥的连接而极性相反（1210为正而1220为负），因此，所得到的信号可以近似为平的零线1230，如图12所示。然而，随着在已涂覆的微悬臂梁上发生结合，其改变微悬臂梁的梁的物理属性并且因此已涂覆的1310与未涂覆的1320之间的信号差异开始改变，从而提供非零输出1330，如图13所示。作为二者之间的差异（通过半桥式惠斯登电桥电路的动作）的输出信号在基线为0时可以被大幅度地放大。

在权利要求中，置于括号中的任何附图标记不应被解释为限制权利要求。词语“包括”不排除在权利要求中所列出的元件和步骤以外的其他元件和步骤的存在。另外，如本文中所使用的术语“一个”被定义为一个或多于一个。除非另有说明，否则诸如“第一”和“第二”的术语用于任意区分这样的术语描述的元件。因此，这些术语不一定意在表示这样的元件的时间或其他优先次序。在相互不同的权利要求中引用某些措施的这一事实并不表示不可以使用这些措施的组合或其部分来提供优点。

除非明确地声明为不能组合或者组合在物理上是不可能的，否则可以部分地或作为整体组合所披露和所描述的本发明的各种实施例。

偏置的示例包括：可以在使蛋白质变性和重组的聚合酶链式反应（PCR）技术中使用热循环，这可以通过适当的热偏置来来实现，或者某些试验物质的期望化学相变可以在某些温度处发生，这可以通过偏置来实现（例如，流体到气体、或流体到固体，例如胶的固化）。当想要读取跨越温度范围（例如，开始于25℃、经过30℃到35℃）的物理属性（的变化）时，热偏置也会是有用的。

参照图14描述了短脉冲多参数探针的实施例，图14示出了利用使用短脉冲（0.5ms）的压敏电阻器的叠加AC电响应对去离子水中的微悬臂梁尖端偏转的捕捉。已经使用高速摄像装置（63021fps）捕捉了微悬臂梁的运动，并且修改像素以提供根据其可以追踪尖端的轮廓（用蓝色圆圈1401标记）—在图14的左手侧示出了该图像。输出信号在图14的右手侧，并且其示出了来自压敏电阻器的输出信号的AC电分量是如何追踪信号的机械偏转/衰减的。偏转的变化速率、偏转的幅度、以及峰值和谷值的位置表征流体的流变属性。

图15示出了AC（即，仅机械）信号的输出响应，以及图16示出了DC（机械和热）信号的输出响应。这些图像示出了（对于纯水，仅作为示例）单个响应可以如何分解为AC（机械）信号和DC（机械和热）信号。二幅曲线图示出了三个致动电压（图15和图16中的红色1X01、绿色1X02和蓝色1X03，其中，X是5或6）—即，被施加到装置的微悬臂梁的不同功率，利用该功率使微悬臂梁通过流体介质样本移动不同的距离。在DC响应（即，图16）中，我们看到在微悬臂梁响应上的机械振动伪迹，但这是在例如时间＞3.5ms时包括冷却的第二热信号上，其中，在AC数据中（图15）我们看到微悬臂梁处于静止状态。

图17示出了利用使用较大脉冲（4.0ms）的压敏电阻器的叠加AC电响应对4厘泊（cP）甘油/水混合物中的微悬臂梁尖端偏转的捕捉。已经使用高速摄像装置（63021fps）捕捉了悬臂梁的运动，并且修改像素以提供根据其可以追踪尖端的轮廓（用蓝色圆圈1701标记）—在图的左手侧示出。其示出了输出信号的AC电分量如何开始追踪信号的机械偏转/衰减并且然后在1ms至4ms之间偏离。该附加信号是输出信号的热分量。增大的速率和增大的大小是例如流体样本的热扩散特性。

图18示出了在致动脉冲较长（所示出的具体示例具有50ms脉冲宽度和大约2.5mJ能量）的情况下微悬臂梁探针在标准甘油（相对于水30%的重量）中的使用。该图示出了特性可以进一步扩展至较长的致动脉冲。可以看到，当脉冲接通以及当脉冲关断时，按照高速摄像装置的捕捉，机械特性发生。可以以较高的数据采集采样率对该区域进行采样，例如以提供更大的精确度等。于是，右边的图表示出了响应如何变热和冷却。变热/冷却的速率和增大的大小是例如流体样本的热扩散特性。

上述图14至图18是未滤波的输出结果，然而，可以在显示或用在使用微悬臂梁响应的结果对流体介质样本进行进一步评估中之前对结果进行滤波。例如，可以对结果进行带通滤波或旁路滤波。图14至图17具体地示出了如何将微悬臂梁调整为热主导或机械主导—这可以从振荡如何占主导（即，整个信号振荡—图15）或仅在占主导的热峰高响应上的“摆动”（图16）看出。

换句话说，使用非常短的脉冲（0.5ms或更短）导致主要具有机械响应。随着脉冲变长（假设一个数量级），热响应更多地出现以及机械分量和热分量的平衡将在很大程度上取决于流体介质样品的粘度和热属性，从而有助于对其进行表征/测量。最后，利用长了两个数量级的脉冲（即，例如50ms对0.5ms），即使在AC信号中响应几乎完全由热分量构成，也能检测到机械分量的小的初始贡献。因而，在不同的模式类型（即，机械或热主导感测模式）之间移动能够提供测试下的特定流体介质样本的非常精确的表征，尤其在适当地预校准微悬臂梁时。

在以上使用术语“混合器”的情况下，其可以与术语“搅拌器”互换。这是因为实施例中所使用的一个或多个微悬臂梁在流体中的显著悬臂梁移动/偏转（例如，对于长度为100微米至800微米优选地200微米至800微米以及宽度为80微米至300微米的悬臂梁，为＞50微米的尖端偏转）可能实际上不混合而是仅仅搅动流体样本混合物。在流体介质样本包括显著微粒（例如，当流体介质样本与一个或多个反应物反应时所形成的—参见对于在包含微粒的流体中的动作的图6）的情况下，这尤其是这种情况。同样地，“混合效果”可以被称为“搅动”。

与标准的已知流体介质样本的热测试方法（诸如“热线”测试）的单一操作相比，所披露的方法和装置还具有低功率要求。

激励和测量装置可以形成对多个流体介质属性的测量敏感的动态微测试/诊断系统的一部分。

微测试/诊断系统的混合式微致动器的设计和制造可以使得其被调节为更多地/更少地响应于可以执行机械测量和热测量中的任一个或两者的混合式传感器中的热特性和/或机械特性（例如，可将传感器材料应变系数和电阻的温度系数的选择、以及悬臂梁材料和厚度的选择调整为符合探针的固有物理特性或中性轴）。

因而，可以使用多参数探针（包括一个或多个微悬臂梁）来提供流体介质样本的同步热-机械探测。实施例还提供了使用如上所述的单个探针和/或甚至单个脉冲（或者多个探针和/或多个脉冲）来定标热与机械探测的能力。该定标能力可以被认为是使操作在一端完全热探测直到在另一端完全机械探测之间滑动的能力，其中在其间的热-机械感测/探测的程度不同。

这种能力源于配备有灵敏的热和机械感测部分的微悬臂梁的混合的热和机械特性。此外，根据本发明实施例的微悬臂梁具有（相对）薄的能力，具有弹性的大面积与小体积，并且能够在其中具有或没有微粒的流体/液体中扫动＞50um。热-机械操作模式的选择（即，探测传感器是被调节为更加热敏感还是更加机械敏感）在很大程度上将取决于在手边（即，要测试的）的反应/样本的性质和/或将要经历或可能经历的流变变化（例如，但不限于：聚集、凝集、隔离、分离、沉淀、悬浮液中的微粒的大小等）、以及变化是发生在悬臂梁的表面上还是影响更大体积的流体介质样品。

本发明的实施例提供了具有用于同步检测流体介质样本的多个属性（包括特定的抗原抗议相互作用）的集成传感器的动态微致动器（即，因为其在＞50微米的流体中能够具有大的扫动偏转）。

在实施例中所使用的基于微悬臂梁的致动器可以使用流体介质的基于热和/或移动的物理属性测量来感测流体/凝结特性。例如，在流体中对于短脉冲（即，脉冲宽度＜2ms以及峰值功率＞100mW）的AC耦合响应具有主导的机械特性（例如，粘度、密度），在流体中对于短脉冲（即，脉冲宽度＜5ms以及峰值功率＞100mW）的DC耦合电响应具有机械和热（例如，热导率、温度）特性，以及对于长脉冲（即，脉冲宽度＞50ms以及平均功率＜15mW）的DC或AC耦合电响应具有仅具有主导的热特性的信号的瞬时分布和绝对变化。可以采用信号的机械主导和热主导的定标来提供两种物理特性的同步测量，其中可以调节比例以适合要测量反应（例如，在流体体积中，或在探针附近，或在探针的表面上，都可实现，因为微悬臂梁在可以包围大部分流体介质样本的移动的物理极限之间完全可移动）。换句话说，根据本文中所描述的实施例布置的微悬臂梁可这样移动，其可以以现有技术方法允许的更多方式感测流体介质样本—即，微悬臂梁式传感器在流体介质样本的体积中完全可移动。

上面所描述的适当的校准测试可以包括在可以用于提供校准微悬臂梁响应特性的甘油/水混合物中使用微悬臂梁探针。然后，这些可以与预流体（pre-fluid）表征测试（即，在空气中）结合用来在流体介质样本测试之前使微悬臂梁操作标准化。

以上的图10示出了在0%至99%重量甘油相对于水的溶液（如在表1中更详细描述）中单个示例性微悬臂梁装置的四分之一惠斯登电桥中的DC耦合电响应，并且具体地示出了根据本发明实施例所布置的微悬臂梁式传感器的在使用单个致动脉冲的适当校准时提供介质的流变属性和热属性二者的能力。还可以将单个电信号耦合到机械信号占主导的AC电分量中。也就是说，DC响应可以来自利用单个相对长且功率低的脉冲的稳定状态形式的致动，以及AC分量可以来自检测机械属性的相对短的脉冲。

微悬臂梁式传感器可以被布置成提供具有特有属性（例如，增强的搅动（通过增加的或特定形式的扫动运动））的同步多参数感测（热和机械）。例如，在流体中的对于短脉冲（即，脉冲宽度＜5ms并且峰值功率＞100mW）的DC耦合电响应具有机械特性和热（例如，热导率、温度）特性。

当设计多参数流体介质样本探针时，可以将同步的热测量与机械（粘度）微悬臂梁流体探针组合。这样的系统可以被布置成使得在单个低能量脉冲（例如，脉冲宽度＜5ms，具有＜1mJ的耗散能量）中，能够提取对于流体介质的多个特性的测量，包括但不限于：粘度、热导率、热容量、密度和温度。这可以通过选择对当前流体探针操作的机械弯曲和温度二者几乎同样敏感的压敏电阻器材料来优化，例如，镍铬合金（NiCr）是合适的选择。微悬臂梁的设计和操作还可以被布置成使得相比于介质的机械属性由于热属性而引起的信号的主导性被调节以适合期望的应用（例如，对于流体体积内的反应，在机械信号可以提供关于流体的流动和移动的信息时，温度和热导率的热响应特性使得能够在该空间中进行探测，而在可以使用热信号作为二次确认时，对于在微悬臂梁的表面上的反应，信号的机械衰减表示反应）。

对于多参数感测探针，例如，用于组合式热和机械感测，典型的脉冲宽度可以是1ms至5ms其中，峰值或平均能量为0.1mJ至2.5mJ，详情如下：

在描述了长脉冲和短脉冲的交替使用的情况下，这些可以采用例如1ms至5ms（对于短脉冲）然后分别达到50ms（对于长脉冲）脉冲宽度的形式，从而提供机械主导（在短脉冲的情况下）的感测部分以及接着是热主导（在较长脉冲的情况下）的感测部分二者。然后，通过在已知流体介质样本（诸如空气、不同的甘油混合物等）中使用来自先前的初始测试的校准微悬臂梁响应特性，可以从所观察的响应中提取感兴趣的热属性和机械属性。还可以从来自初始测试的校准微悬臂梁响应特性中得到上述的“定量”测量。

在以上描述中，“低”可以包括“接近0”，CuNi也被称为康铜，以及压敏电阻器可以由镍铬合金（NiCr）形成。在提及流体介质样本的测试的情况下，其包括与流体介质样本的任意反应或流体介质样本中的反应。在描述以上对机械或热感测模式的描述时，这些讨论同样适用于相应感测模式占主导的情况，而不是使用中的唯一/单独的模式。

在上述实施例中的任一个中，可以省略微悬臂梁的涂层，即所描述的设备可以在有涂层或没有涂层的情况下使用。

也可以实现“多参数单脉冲设计”，其中可以使用单个低能量脉冲（或充分间隔开的多个脉冲）来启动/致动一个或多个微悬臂梁。这是如下这种形式的传感器：在施加低能量脉冲的单个时间点（例如，在反应已发生后，例如以表征反应的结果），或者经过施加规则地但在时间上充分间隔开的脉冲以使每个单独脉冲在施加下一个脉冲之前消失的预定时段/时间长度（例如，以检测由于流体介质样本中的反应发生/在流体介质样本中的反应发生的同时流体介质样本的变化）时，其可以测量流体介质样本的若干上述属性（例如，热导率、扩散率、粘度、密度等）。“低能量”的精确水平取决于正使用的微悬臂梁的若干物理因素（诸如所使用的材料、悬臂梁或其组成零件的尺寸等），以及潜在地取决于正处于测试下的流体介质样本。

在使用充分间隔开的多个脉冲而不是单个脉冲的情况下，这些可以例如通过使用重复脉冲发生器来实现，其中施加脉冲宽度调制以使得与“关断”周期相比“接通”周期相对小，即可变占空比。

“低能量脉冲”的功能定义可以是如下脉冲：其具有足够低的能量y以使得不通过在微悬臂梁内的加热器布置对样本进行任何直接加热，通过具有不同热膨胀系数的两层材料（例如，聚酰亚胺层），仍然具有足够的能量以使微悬臂梁移动/偏转至使得微悬臂梁能够适当地扫动通过流体介质样本的偏转位置。然而，微悬臂梁材料（尤其是在双压电晶片部分中所使用的具有不同热膨胀系数的两种材料）的适当选择可用于将热量充分地包含在悬臂梁内以避免热量泄露至流体介质样本中。与使用例如硅或金属相比，具有不同热膨胀系数的聚酰亚胺层的使用由于该材料的相对低的热导率和热扩散率（参见下表2）而在该方面尤其有用。

所使用的低能量脉冲的形式可以是任何合适的输入信号形状，诸如方形、正弦形、三角形、锯齿形等。取决于具体测试的需求，输入信号形状还可以是任何数字地产生的信号。不同形状在信号脉冲期间在效果上可以提供不同的斜坡（ramp）加热并因此提供不同的机械响应（切变）和热响应。数字地形成的脉冲可以提供对应用于至少一个微悬臂梁的瞬间加热分布的完全控制。然而，目前优选的施加脉冲技术是使用方波形成。在这种情况下，能量水平是占空比的长度的函数，并且通过改变这些值中的任何一个或两者可调整峰值输出水平并因而可调整能量水平。

上述的本发明的实施例可以提供（测试下的流体介质样本的）混合器的并行功能，因为与其长度相比，其能够提供（相对）大的扫动（即，微悬臂梁的自由端的移动）。这意味着该扫动可以真正地在平面外（相对于微悬臂梁主杆的平面）。例如，本发明的实施例可以呈现L/R≥0.15的扫动，其中R是微悬臂梁的主杆/梁的曲率半径，以及L是微悬臂的长度（并且注意，半圆可以是L/R=Pi=3.14）。例如，在梁长度为600μm至800μm的情况下，可以实现200微米至400微米之间的偏转的（非常）卷曲的状态。所使用的微悬臂梁的实施例能够从非常卷曲变得非常平坦（例如，对于750微米的梁的大约55微米的偏转）。在一些实施例中，微悬臂梁可以保持得完全平坦。

可以测量的属性包括但不限于热导率、热容量、密度、容积热容量、热对流系数和热扩散率，这些参数可使用以聚酰亚胺作为微悬臂梁的双压电晶片层的基础的本发明实施例全部具体地测量。这至少部分地由于与聚酰亚胺相比、在现有技术的悬臂梁中所使用（作为双压电晶片层中的一层或两者）的硅或诸如铝的金属的热特性之间的显著差异。

上面的表格列出了动态热模型中的最重要的参数中的一部分，其中：

热导率=当垂直于面积的温度梯度存在时，热量通过传导被传递通过材料的单位横截面积的速率。热导率系数可以被表示为当两个面的温度之差为1摄氏度时在给定的单位时间内通过单位立方体的物质的热量。

热容量与特定材料热量（特定的热密度）相联系，并且其是在单位质量的物质中产生温度的单位变化所需的热量，或者换句话说，材料储存热量的能力。

热扩散率描述热量传导通过介质的速率。其与热导率和热容量（比率）相关，其中高的热扩散率抑制对流。

最后，增加悬臂梁的长度、厚度和宽度增大了整个表面并因此增大了由于对流和传导机制而引起的热损耗。为了比较，所有尺寸增加10倍将导致悬臂梁表面大100倍。

可以利用扩展长度脉冲将微悬臂梁激励成稳定状态，其中“扩展长度脉冲”或“激励成稳定状态”可以例如是在5ms与200ms之间的致动信号的应用。替选地，微悬臂梁可以用作组合式机械和热属性感测传感器，其允许在（例如，1ms到5ms之间的）单个脉冲内测量不同机械属性和热属性。

弯曲/卷曲的方向性—当施加致动热量时，微悬臂梁可以被形成为在任一方向上弯曲—在前述示例实施例中，微悬臂梁被形成为使得其在应用单个时向上弯曲而离开平面，并且随着去除了致动脉冲而回落至平面内，并且所产生的热量消散。

上述实施例包括用于使用两个或更多个微悬臂梁来对在测试下的流体介质样本中的反应进行主动差分感测的方法和设备，即，同步致动第一微悬臂梁和第二微悬臂梁二者的一种方法和设备。当以这种方式启动时，各个微悬臂梁的两种响应（即，输出信号）具有信号和背景噪声，于是，所描述的差分方法是“两个有效信号之间的差异的测量”。这是对比于在差分测试中不启动微悬臂梁式传感器之一的先前的差分方法，即被称为被动差分测试的差分方法、或者“一个有效信号与背景噪声之间的差异的测量”。上述的主动差分感测与已知的被动差分感测之间的该差异用数学式最好地表示为（对于两个微传感器的情况，但相应地可以被推算达到任意数量的微悬梁臂）：

被动差分感测=（信号A+漂移）_悬臂梁1-（漂移）_悬臂梁2=（信号A）

然而，上述的本发明的主动差分实施例=（信号A+漂移）_悬臂梁1-（信号B+漂移）_悬臂梁2=（信号A-信号B），其中漂移是在两个相同的（例如除涂层以外）微悬臂梁之间的响应中背景噪声引起的漂移。因而，上述的主动差分方法可以是不同传感器输出的真正差分测量。以这样的方式，可以使用主动差分感测方法来例如允许跟踪反应的进程之类。这可以具体在根据本发明实施例的微悬臂梁位于容纳一种或多种测试下的流体（的宏观样本）（在可应用的情况下，包括反应物）的尺寸更大（即，更大）的容器（例如，成品桶或容器）内或表面上的情况下进行，并且这些微悬臂梁可以被形成为阵列或在容器周围或容器内的位置的物理选择，使得在没有漂移的情况下能够直接地比较每个传感器的输出，因此，能够追踪移动反应的“波阵面”。替选地，相对于反应还未发生或还未完成的部分，这些阵列可以简单地检测流体介质样本的最后的完全混合/完全反应的部分的位置。这是因为每个微悬臂梁基本相同（通过在同一晶片上的相同质量产品），并且通过使用上述的主动差分比较方法，其使得能够例如将在一些混合物（包括对于各产品适合的多种基液和反应物）的成品桶的最底部处的悬臂梁的输出与添加有（最新的）物质的最顶端（例如，在蛋黄酱的生产中，将油添加到蛋黄中）的悬臂梁的输出进行比较。在此，被布置为执行差分感测方法的适当形成且放置的（任意适当数量的）微悬臂梁阵列可以使得能够追踪油与蛋黄的乳化/油通过蛋黄的乳化/油乳化到蛋黄中的进度。这显然可以应用于介质的物理属性的变化可以用于了解进程何时完成、没有过度工作等的时间的任何过程—尤其是以其他方式更难实时评估的工业过程。

微悬臂梁的阵列的形状还可以帮助特定用途情况—例如，在需要跨越区域跟踪反应的传播的情况下，阵列可以形成为使得其为例如呈在反应物进入点的周围的同心环的一组点的一般形式。

换句话说，本发明实施例的主动差分感测方法和设备可以测量测试下的流体的（变化的）属性，而不是微悬臂梁本身的属性。这在要测量的反应完全在测试下的流体本身内，并且没有以任何方式通过微悬臂梁本身来开始或加速的情况下可能尤其重要，当悬臂梁在其上具有反应物、和/或应用其他感测技术（诸如，使用在悬臂梁上“添加的质量”（通常通过检测谐振频率等的变化来检测）、在悬臂梁型感测上“结合”（类似地检测谐振频率等的变化）或者“发热温度”）时，这可能另外发生。

根据测试的要求，可以在施加了电脉冲（以加热微悬臂梁的集成加热器）之后的任意点对至少一个微悬臂梁的输出信号进行采样。合适的使用范围可以是1ms至1秒，更优选地在1ms与200ms之间，或者甚至是50ms至100ms。

注意，在上述任何实施例中尤其在差分感测实施例中所描述的不同的微悬臂梁可以具有以下情况中的任一种：施加于每个微悬臂梁的不同涂层、施加于两个/所有微悬臂梁的相同涂层、或者没有施加于任一个/所有微悬臂梁的涂层。可以存在不同的涂覆机制，因为：

对于没有施加涂层的情况，这仅意味着分析测试下的流体（混合物）本身而不是基于涂层的任何形式的反应—这在测试下的流体在某个时间点能够/需要被掺入反应物的情况下尤其有用，并且可以检测、分析在掺入之前、在掺入本身的过程中、直到掺入后的“最终稳定状态”（在适用的情况下）的全部测试结果并且监视这些结果。

对于可以施加不同涂层的情况，例如可以在同一块状流体中执行不同的反应测试（例如，以提供不同的基于反应物的反应对比测试）。例如，可以用第一反应物来涂覆第一悬臂梁以便应用基于第一反应物的测试，以确定关于测试下的块状流体的第一参数，然后用第二反应物来涂覆第二悬臂梁以便应用基于第二反应物的测试，以确定关于测试下的块状流体的第二参数。这可以被外推至涉及不同悬臂梁的不同涂层的任意适当数量的单独测试。

本说明书中的任何内容都不应被理解为将实施例或权利要求限制为仅如目前要求保护的所描述的特征选择，而是也考虑其他特征选择，但为了不使本发明的描述晦涩而没有完全列出。因此，顺序和权利要求编号不应被解释为关于特征选择与组合的限制，除非所述特征组合在物理上是不可能的。可以认识到，不同特征的选择可以具有导致有用的和重要的诊断或监测的能力的不同的协同效果，并且也已经预期到这些组合，但没有完全列出以避免混淆。

Claims (20)

1.一种检测流体介质样本中的一个或多个指定反应的方法，包括：

提供第一未涂覆的微悬臂梁式传感器，所述第一未涂覆的微悬臂梁式传感器被形成为第一未涂覆的微悬臂梁；

提供第二已涂覆的微悬臂梁式传感器，所述第二已涂覆的微悬臂梁式传感器被形成为第二已涂覆的微悬臂梁；

其中，所述第二已涂覆的微悬臂梁和所述第一未涂覆的微悬臂梁基本同样地由具有不同热膨胀系数的至少两种材料形成，并且具有集成在所述第二已涂覆的微悬臂梁和所述第一未涂覆的微悬臂梁中的加热器和压阻传感器，所述第一未涂覆的微悬臂梁和所述第二已涂覆的微悬臂梁在涂覆前呈现对输入的电脉冲基本相似的特性响应；以及

其中，所述第二已涂覆的微悬臂梁上的涂层引起或加速要检测的反应；

所述方法还包括：

用一个或多个电脉冲同步地致动所述第一未涂覆的微悬臂梁和所述第二已涂覆的微悬臂梁两者；以及

通过当所述第一未涂覆的微悬臂梁和所述第二已涂覆的微悬臂梁两者都浸入测试下的所述流体介质样本中时将集成到所述第二已涂覆的微悬臂梁中的压阻传感器的输出与集成到所述第一未涂覆的微悬臂梁中的压阻传感器的输出进行比较，检测当所述所述第一未涂覆的微悬臂梁和所述第二已涂覆的微悬臂梁浸入测试下的所述流体介质样本中时所述第一未涂覆的微悬臂梁和所述第二已涂覆的微悬臂梁对一个或多个电输入脉冲的响应的差异。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述一个或多个指定反应包括以下中的任一个或多个：共价键反应、非共价键反应、结合反应、非结合反应、抗体抗原反应、凝集反应、血型检定反应。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述流体介质样本中的所述一个或多个指定反应的特性是所述一个或多个指定反应是否存在、或者所述一个或多个指定反应的程度。

4.一种流体介质样本反应检测设备，包括：

第一未涂覆的微悬臂梁式传感器，所述第一未涂覆的微悬臂梁式传感器被形成为第一未涂覆的微悬臂梁；

第二已涂覆的微悬臂梁式传感器，所述第二已涂覆的微悬臂梁式传感器被形成为第二已涂覆的微悬臂梁；以及

可操作用于在所述第一未涂覆的微悬臂梁和所述第二已涂覆的微悬臂梁浸入测试下的流体介质样本中时检测所述第一未涂覆的微悬臂梁和所述第二已涂覆的微悬臂梁对一个或多个电输入脉冲的响应的差异的电路；

其中，所述第二已涂覆的微悬臂梁和所述第一未涂覆的微悬臂梁基本同样地由具有不同热膨胀系数的至少两种材料形成，并且具有集成在所述第二已涂覆的微悬臂梁和所述第一未涂覆的微悬臂梁中的加热器和压阻传感器，所述第一未涂覆的微悬臂梁和所述第二已涂覆的微悬臂梁在涂覆前呈现对输入电脉冲基本相似的特性响应；以及

其中，所述第二已涂覆的微悬臂梁上的涂层引起或加速要检测的反应。

5.根据权利要求4所述的设备，还包括可操作用于用所述一个或多个电脉冲同步地致动所述第一未涂覆的微悬臂梁和所述第二已涂覆的微悬臂梁两者的电路。

6.根据权利要求4所述的设备，其中，所述第一未涂覆的微悬臂梁和所述第二已涂覆的微悬臂梁的自由移动端在测试下的流体介质样本的共享容器内彼此相对且邻近地布置。

7.根据权利要求4至6中任一项所述的设备，其中，所述涂层是抗原或抗体，以及所述反应是指定的抗原抗体反应。

8.根据权利要求7所述的设备，其中，所述抗原抗体反应是血液凝集反应。

9.一种使用热特征和/或机械特征来监测流体介质样本中的一个或多个指定反应的方法，所述方法包括：

提供被形成为至少一个微悬臂梁的至少一个校准的微悬臂梁式传感器，所述微悬臂梁式传感器包括具有不同热膨胀系数的至少两种材料，并且具有集成在所述微悬臂梁式传感器中的加热器和压阻传感器，所述至少一个校准的微悬臂梁式传感器针对热和/或机械变化被校准，以及所述至少一个微悬臂梁的自由端可操作用于浸入所述流体介质样本中；

用一个或多个电脉冲对所述加热器施加脉冲以在所述至少一个微悬臂梁中引起发热；

对集成的所述压阻传感器的输出进行采样以表征在所述流体介质样本中的指定反应期间所述至少一个微悬臂梁的响应；以及

从所采样的输出中减去校准微悬臂梁响应特性以确定所述流体介质样本中的所述一个或多个指定反应的特性。

10.根据权利要求9所述的方法,还包括：根据要对所述流体介质样本执行的测试，在对热更敏感与对机械更敏感之间的滑动刻度上将所述至少一个微悬臂梁调节为对热更敏感或对机械更敏感。

11.一种使用热特征来监测流体介质样本中的一个或多个指定反应的方法，所述方法包括：

提供被形成为至少一个微悬臂梁的至少一个微悬臂梁式传感器，所述微悬臂梁式传感器包括具有不同热膨胀系数的至少两种材料，并且具有集成在所述至少一个微悬臂梁式传感器中的加热器和压阻传感器；

校准对热变化的至少一个微悬臂梁响应以形成校准微悬臂梁响应特性；

开始所述流体介质样本中的指定反应；

用一个或多个电脉冲对所述加热器施加脉冲以在所述至少一个微悬臂梁中引起发热；

对集成的所述压阻传感器的输出进行采样以表征在所述流体介质样本中的指定反应期间所述至少一个微悬臂梁的响应；以及

从所采样的输出中减去所述校准微悬臂梁响应特性以确定所述流体介质样本中的所述一个或多个指定反应的特性。

12.根据权利要求11所述的方法,其中，使用热特征包括使用热特征和机械特征，以及其中，校准所述至少一个微悬臂梁响应还包括针对热变化和机械变化进行校准。

13.根据权利要求11或12所述的方法,其中，所述一个或多个指定反应包括以下中的任一个或多个：共价键反应、非共价键反应、结合反应、非结合反应、抗体抗原反应、凝集反应、血型检定反应。

14.根据权利要求11或12所述的方法,其中，所述流体介质样本中的所述一个或多个指定反应的特性是所述一个或多个指定反应是否存在、或者所述一个或多个指定反应的程度。

15.根据权利要求11或12所述的方法,还包括：对于所述一个或多个指定反应中的至少一个指定反应，用反应物涂覆所述至少一个微悬臂梁。

16.根据权利要求11或12所述的方法,还包括：提供至少两个基本相似的微悬臂梁，其中，一个微悬臂梁涂覆有反应物，而一个微悬臂梁未涂覆反应物，其中，所述方法还包括：当两个微悬臂梁都浸入所述流体介质样本中时，将集成到已涂覆的微悬臂梁中的压阻传感器的输出与集成到未涂覆的微悬臂梁中的压阻传感器的输出进行比较。

17.一种用于测量流体介质样本的至少一个热属性的方法，包括：

提供被形成为至少一个微悬臂梁的至少一个微悬臂梁式传感器，所述微悬臂梁式传感器包括具有不同热膨胀系数的至少两种材料，并且具有集成在所述微悬臂梁式传感器中的加热器和压阻传感器；

校准对已知流体介质样本的热变化的至少一个微悬臂梁响应以形成校准微悬臂梁响应特性；

将所述至少一个微悬臂梁式传感器的至少自由端部分浸入未知的流体介质样本中；

用一个或多个电脉冲对所述加热器施加脉冲以在所述至少一个微悬臂梁中引起发热；

对集成的所述压阻传感器的输出进行采样以表征所述流体介质样本中所述至少一个微悬臂梁的响应；以及

从所采样的输出中减去所述校准微悬臂梁响应特性以确定所述流体介质样本的热属性。

18.根据权利要求17所述的方法,其中，校准所述至少一个微悬臂梁响应还包括：针对已知流体的热变化和机械变化来进行校准。

19.根据权利要求17所述的方法,其中，所述流体介质样本的至少一个热属性是以下中的任一个或多个：热导率、热容量、温度、容积热容量和热扩散率。

20.一种适于执行根据权利要求1至3和/或9-19中任一项所述的方法的设备。