CN104655684A - 微流量传感器及其制造与使用方法 - Google Patents

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Abstract

一种微流量传感器，包括覆盖层、电极层及隔离层，所述电极层包括基板以及沉积于基板上的至少一电极，所述至少一电极的厚度小于10μm，所述隔离层设置于电极层与覆盖层之间，隔离层上形成有至少一流道用于容纳液体，其制造与使用方法包括：提供一基板并在所述基板上沉积导电材料形成至少一厚度小于10μm电极；提供一隔离层并将所述隔离层的第一表面贴附于基板上，所述隔离层形成有至少一流道横跨所述至少一电极；以及提供一覆盖层并将所述覆盖层贴附于所述隔离层的第二表面，本发明微流量传感器电极的厚度小于10μm，为液体在流道内的流动留出了更多的空间，降低了其对液体流动的影响，从而得到更为准确的检测结果。

Description

微流量传感器及其制造与使用方法
技术领域
本发明涉及微流量传感器及其制造与使用方法。
背景技术
微流量传感器应用于许多领域以分离、控制、和检测微小流量的液体，通常为纳升级流量的液体，如用于凝血测试或其它医学上的测试。例如，麻省沃莎姆(Waltham,MA)的Alere公司的INRatio手持仪，其使用一次性的传感器试纸检测服用华法林阻凝剂的病人的凝血时间。
现有各种微流量传感器均是利用一对电极测量两电极之间流过的液体的阻抗，根据阻抗随时间的变化，得出凝血时间。例如，专利号为US 7,674,616，标题为“Device and Method forMeasuring Properties of a Sample”的美国专利公开了一种检测自动收集的血液样本的凝血检测装置。
检测结果的准确性对于微流量传感器是相当重要的，其受到各种不同因素的影响，如沉积电极会影响测量到的阻抗。因此，需要发明一种微流量传感器，具有光滑的、薄的沉积电极，以提高检测结果的准确性。
发明内容
有鉴于此，提供一种高准确度的微流量传感器以解决现有技术中传感器准确度不高的问题。
一种微流量传感器，包括覆盖层、电极层以及隔离层，所述电极层包括基板以及沉积于所述基板上的至少一电极，所述至少一电极的厚度小于10μm，所述隔离层设置于电极层与覆盖层之间，隔离层上形成有至少一流道用于容纳液体。
较佳地，所述至少一电极包括一连接电源的传输电极以及一接收电极。
较佳地，所述电源是一具有预定的频率与电压的交流电。
较佳地，所述传输电极与接收电极用于测量所述流道内液体在传输电极与接收电极之间的阻抗，并据此判断液体的凝结程度。
较佳地，所述至少一电极通过丝网印刷沉积于电极层的基板上。
较佳地，所述至少一流道的深度为50-100μm。
较佳地，所述覆盖层形成有若干通孔正对所述至少一流道。
较佳地，所述覆盖层还形成有若干存储区用于存放化学试剂，使其与所述至少一流道内的液体发生反应。
本发明还提供一种微流量传感器的制造方法，包括以下步骤：提供一基板并在所述基板上沉积导电材料形成至少一电极，所述至少一电极的厚度小于10μm；提供一隔离层并将所述隔离层的第一表面贴附于基板上，所述隔离层形成有至少一流道，所述至少一流道横跨所述至少一电极；以及提供一覆盖层并将所述覆盖层贴附于所述隔离层的第二表面。
较佳地，在基板上沉积导电材料为丝网印刷导电材料。
较佳地，在基板上沉积导电材料为沉积导电油墨。
较佳地，在基板上沉积导电材料形成有一传输电极以及一接收电极。
较佳地，所述流道的深度为50～100μm。
较佳地，还包括在所述覆盖层上形成若干正对隔离层上的至少一流道的穿孔。
较佳地，还包括在所述覆盖层上形成若干用于放置化学试剂的存储区。
较佳地，所述隔离层通过粘胶与所述电极层、覆盖层粘结。
本发明还提供一种微流量传感器的使用方法，所述方法还包括以下步骤：将液体注入所述流道内使液体流经所述传输电极与输出电极；在所述传输电极上加上具有预定频率与电压的交流电；以及测试所述传输电极与接收电极之间的阻抗。
较佳地，测试阻抗为测试阻抗随时间的变化。
较佳地，还包括根据测试的阻抗推算液体的特性。
相较于现有技术，本发明微流量传感器电极的厚度小于10μm，为液体在流道内的流动留出了更多的空间，降低了其对液体流动的影响，从而得到更为准确的检测结果。
附图说明
图1为本发明微流量传感器一实施例的示意图。
图2为本发明一实施例的微流量传感器的流道的示意图。
图3A、3B为现有微流量传感器的流道的截面图，其沉积电极较厚。
图4A、4B为本发明一实施例的微流量传感器的流道的截面图。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明的特征进行具体描述，附图显示了本发明具体实施例的结构与应用，其中相似的元件以同样的标号标示，所述附图并非按比例绘制。为更好的地理解本发明的目的与优点，下面将参照附图对本发明的具体实施例进行详细的描述。所述附图仅显示了本发明的一些典型的实施例，不应对本发明的权利范围构成限制。另外还要指出的是，除非在某个或某些具体实施例中特别提到或在某个或某些权利要求里特别限定，所述图式是对本发明特征的说明和解释，方便本发明特征的描述。所述图式及实施例并非本发明所有实施方式的穷尽性图解与描述，不应作为对本发明权利范围的限定，也不排除本领域技术人员依据本发明所做出的显而易见的其它实施例。另外，每一具体实施例无需面面俱到并具有所有的优点。
某一具体实施例的某一方面或某一优点即使在其它实施例中没有显示或明确描述，也并不限于该实施例，可在其它实施例中实行。类似地，本发明说明书中的参照“一些实施例”、“其它实施例”的意思是：某个特定的特征、结构、材料、制程或者特性至少包括在这些实施例中的其中一个实施例中，因此，本发明说明书中多次出现的语句“在一些实施例中”、“在一个或多个实施例中”、“在其它实施例中”并非指相同的某一或某些实施例。
在一些实施例中微流量传感器为电化学血液试纸，其检测结果具有更高的准确性。可以理解地，虽然在一些实施例中是以凝血检测为例进行说明，但本发明微流量传感器也可是其它类型，可以用于但不限于DNA分析、葡萄糖检测等。
图1所示为根据本发明一些实施例的微流量传感器10的示意图，所述传感器10包括有覆盖层12、隔离层14、以及电极层16。一个或多个流道24通过裁切形成于所述隔离层14，所述覆盖层12、电极层16分别位于流道24的顶部与底部。使用时，要检测的液体(如血液等)流过所述流道24。
所述覆盖层12包括一层封闭所述流道24顶部的保护膜或覆盖物(如塑料薄膜)。一开口或通孔18形成于所述覆盖层12上以让液体进入所述流道24。另外，所述覆盖层12还可以形成有若干排泄孔20，所述排泄孔20靠近流道24的末端，使液体通过其流出传感器10。在一些实施例中，检测液体的特性还包括使液体发生化学反应，相应地所述覆盖层12上还可以另外形成若干存储区22存放化学试剂，如酶。例如，在一些实施例中使用酶或化学试剂(如磷脂，phospholipid)促进凝血反应，在其它一些实施例中使用化学试剂(如柠檬酸钠，sodiumcitrate)进行抗凝血研究。所述存储区22可以与隔离层14上的反应区28对应设置，使存放的酶和/或化学试剂与要检测的液体发生化学反应。
所述隔离层14位于电极层16与覆盖层12之间，形成有预切开的流道24。液体可以通过所述覆盖层12的穿孔流入入口区26，并通过毛细作用流入流道24。所述反应区28形成于隔离层14的流道24的末端，远离所述入口区26。所述反应区28作为与覆盖层12上的存储区22以及排泄孔20的接触界面，使存储区22的酶或/和化学试剂与液体发生化学反应，并使反应后的液体通过所述排泄孔20离开传感器10。在一些实施例中，采用酶促发凝血反应，使液体(如血液)的阻抗产生变化。
在一些实施例中，所述隔离层14形成有两个流道24，所述两个流道24的一端连通相同的入口区26，另一端分别与反应区28相连通。可以理解地，所述流道24的数量可以根据所使用的检测方法或/和检测器械而相应地变化。
所述隔离层14的厚度即为流道24的深度。在一些实施例中，所述隔离层14的厚度值为50μm～100μm。所述隔离层14可由双面胶制成，或者在载体膜的两侧涂胶形成，以粘结于所述覆盖层12与电极层16之间。
所述电极层16包括有形成于绝缘基板32上的沉积电极30。所述绝缘基板32可以是柔性电介质层，如聚酯纤维(polyester)、聚碳酸酯(polcarbonate)、或聚酯亚胺膜(polyimide)塑料薄膜。所述基板32相当于流道24的底面，其厚度为75μm～250μm。在一些实施例中，所述沉积电极30的材料为银/氯化银，具有非偏振的特性，可用于电化学分析，其中银与氯化银的比例可以是99:1至1:99。例如，市面所售DuPont公司的型号为5870的油墨是一种电浆油墨，其银与氯化银的比例为80:20。可以理解地，所述沉积电极30也可以是其它材料类型或混合物。
所述沉积电极30可以通过加成法沉积于绝缘基板32上，包括但不限于印刷、涂层或喷涂。在一些实施例中，沉积电极30通过丝网印刷沉积形成，液态的油墨经过一形成有电路图案的丝网，然后沉积于绝缘基板32上，之后，油墨通过热处理(红外炉、履带式烤炉等)固化。
在一些实施例中，所述沉积电极30包括两个或两个以上的电极。例如，在本实施例中，所述沉积电极30包括一个传输电极301以及一个接收电极302。所述传输电极301用于连接电源，如交流信号产生单元(图未示)。相对于直流信号，采用交流信号可以避免电极30氧化，避免电极30极化引起信号漂移。在使用过程中，所述交流信号产生单元用于对传输电极301输出具有预定频率与电压的交流电流。在一些实施例中，所述交流电流的电压小于150V、频率为1～100kHz。所述接收电极302用于与一信号接收装置(图未示)连接。所述传输电极301以及接收电极302横穿于流道24下，因此，使用时，可以测量传输电极301与接收电极302之间液体的阻抗，进而推测出流过流道24的液体的特性。
图2所示为单个流道24结构，可应用于图1所示的传感器10中。所述流道24的侧边为隔离层14、顶部为覆盖层12、底部为电极层16。当液体沿流道24由入口区26流向反应区28，液体由传输电极301以及接收电极302上流过，其特性如成份、流量流速、流层厚度等，均可能影响传输电极301与接收电极302之间的阻抗。因此，传输电极301与接收电极302之间的阻抗可以反映两者之间的液体的特性(如流速随时间的变化、凝结程度等)。
所述反应区28的流量、液体流过流道24的时间、以及传输电极301与接收电极302之间的距离是影响阻抗测量的准确性的关键性因素，因此，会对液体在流道24内的流动造成阻碍或干扰的因素应当最小化，其中一个因素即沉积电极30的厚度与流道24的深度的比例，例如，现有用于凝血检测的微流量传感器的电极的厚度大多为10～20μm，而相对地流道的总的深度为80μm，当液体流过流道时，所述电极相当于障碍物，阻碍液体的流动，潜在地影响液体流动的流速与流量，并最终影响检测到的阻抗。当液体流过电极时，厚的电极在很大程度上减小了流道的深度。
另一影响液体在流道24内流动的因素为沉积电极30的表面粗糙度，如果沉积电极30的表面轮廓不平整，其粗糙的表面会干扰流过沉积电极30的液体的流动，这点在流道24的侧边尤其严重，液体的流动会减慢，由此可能会产生空气滞留。
例如，图3A所示为现有流道以及电极结构垂直于液体流向的横截面，其中电极为DuPont5870的油墨，图3B所示为该电极垂直于液体流向的平面上的截面的轮廓，由图式可以看出，电极占据了流道内的大量空间，并且其表面形成大量的峰谷，相当于设置在流道内的障碍物，干扰液体的流动，进而影响所检测的阻抗以及据此推测出的液体的特性的准确性。
图4A所示为本发明流道24垂直于液体的流向的横截面，其中沉积电极30的厚度小于10μm，图4B所示为该沉积电极30垂直于液体流向的平面上的截面的轮廓，所述沉积电极30可以由市面所售美国马萨诸塞州(Massachusetts)的Parlex公司的型号为PF046的油墨制成。在本发明的具体实施例中，所述沉积电极30的厚度为5μm或更薄。如图4A所示，薄的沉积电极30为液体在流道24内的流动留出了更多的空间，降低了其对液体流动的影响。另外如图4B所示，沉积电极30的表面更为平整，其峰谷之间的偏差小，进一步减小了沉积电极30对液体流动的干扰。
作为示例性说明，表1示出了DuPont 5870的油墨、以及Parlex PF046油墨形成的沉积电极30的厚度，所述厚度可以通过千分表测量，其具有40个取样点，每一取样点加总平均得到平均厚度。表1中显示了40个取样点的平均值、最大值以及最小值，从表1可以看出，使用Parlex PF046的沉积电极30的厚度的偏差可以控制在10％以内，相对地，使用DuPont5870的电极的厚度的极值相对于其平均值的偏差高达30％以上。
表1
电极30材料 平均厚度(μm) 最大厚度(μm) 最小厚度(μm) 偏差
DuPont 5870 13.9 18.5 9.5 +/-32.4％
Parlex PF046 7.0 7.6 6.4 +/-8.6％
表2示出了一对分别使用DuPont 5870油墨与Parlex PF046油墨的示例性沉积电极30的峰谷偏差，其反应了沉积电极30的表面粗糙度。所述峰谷偏差可通过美国亚利桑那州杜桑市(Tucson Arizona)Bruker公司的ContourGT-X8轮廓仪进行测量。其中X方向的峰谷差值是指沉积电极30沿X轴方向(即流道24宽度方向)的截面上，其厚度的最大值与最小值之间的差值，Y方向的峰谷差值是指沉积电极30沿Y轴方向(即液体流向)的截面上，其厚度的最大值与最小值之间的差值。表2中数据清楚地显示出由DuPont 5870油墨形成的厚电极相较于Parlex PF046油墨形成的薄电极30表面形态更为粗糙。
表2
电极30材料 峰谷偏差(X方向) 峰谷偏差(Y方向)
DuPont 5870 19μm 12μm
Parlex PF046 8μm 6μm
在一些实施例中，凝血酶原时间(prothrombin time,PT)测试被用于判断华法林治疗(warfarin treatment)中的血液的凝结态势。PT测试可以测量血液或血浆在组织因子作用下的凝血时间，凝血时间的延长可能表明外源性途径中存在抑制剂对抗某一个或多个凝血因子，或者先天性凝血因子缺乏。在一些情况下，抗凝治疗(如香豆素药物治疗)中的病人、维他命K不足、或肝功能不全的病人的凝血时间可能会延长。因此，PT测试可以用于评估外源性凝血途径。测试过程中，用于PT测试的化学试剂，如凝血素(重组或净化)放置于覆盖层12的存放区，与反应区28相对应，PT测试可以独立进行，也可以与传感器10的反应区28内的其它测试，如活化凝血时间(activated clotting time,ACT)测试、活化部分凝血酶原时间(activated partial prothrombin time,APTT)测试、凝血酶凝血时间(thrombin clotting time,TCT)测试、以及自溶血试验(autohemolysis test,AHT)联合进行。
PT测试结果可以根据以下公式转换为国际标准化的比值(international normalized ratio,INR):
INR＝(PTtest/PTnormal)ISI
PT测试结果可以根据INR标准绘制成函数曲线，其中较低的变异系数(coefficient ofvariation,CV)表示更好的测试准确度。因此，CV值可以被用于评估信号完整性以及传感器10的性能。表3列出了采用不同沉积电极30的微流量传感器10的INR的变异系数的比例，可以看出，薄而平整的沉积电极30具有更低的CV值，也就意味着其检测结果的准确度更高。
表3
电极30材料 CV of INR
DuPont 5870 <10％
Parlex PF046 <5％
上述说明书中，参照具体的实施例对多个方面进行了描述。显而易见地，根据本发明的创造精神，本领域技术人员还可以做出其他变化，这些依据本发明的创造精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围之内，说明书以及附图不应作为对本发明的权利范围的限定。

Claims (19)

1.一种微流量传感器，包括覆盖层、电极层以及隔离层，其特征在于：所述电极层包括基板以及沉积于所述基板上的至少一电极，所述至少一电极的厚度小于10μm，所述隔离层设置于电极层与覆盖层之间，隔离层上形成有至少一流道用于容纳液体。
2.如权利要求1所述的微流量传感器，其特征在于，所述至少一电极包括一连接电源的传输电极以及一接收电极。
3.如权利要求2所述的微流量传感器，其特征在于，所述电源为一具有预定的频率与电压的交流电。
4.如权利要求2所述的微流量传感器，其特征在于，所述传输电极与接收电极用于测量所述流道内液体在传输电极与接收电极之间的阻抗，并据此判断液体的凝结程度。
5.如权利要求1所述的微流量传感器，其特征在于，所述至少一电极通过丝网印刷沉积于电极层的基板上。
6.如权利要求1所述的微流量传感器，其特征在于，所述至少一流道的深度为50-100μm。
7.如权利要求1所述的微流量传感器，其特征在于，所述覆盖层形成有若干通孔正对所述至少一流道。
8.如权利要求7所述的微流量传感器，其特征在于，所述覆盖层还形成有若干存储区用于存放化学试剂，使其与所述至少一流道内的液体发生反应。
9.一种微流量传感器的制造方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
提供一基板并在所述基板上沉积导电材料形成至少一电极，所述至少一电极的厚度小于10μm；
提供一隔离层并将所述隔离层的第一表面贴附于基板上，所述隔离层形成有至少一流道，所述至少一流道横跨所述至少一电极；以及
提供一覆盖层并将所述覆盖层贴附于所述隔离层的第二表面。
10.如权利要求9所述的制造方法，其特征在于，在基板上沉积导电材料为丝网印刷导电材料。
11.如权利要求9所述的制造方法，其特征在于，在基板上沉积导电材料为沉积导电油墨。
12.如权利要求9所述的制造方法，其特征在于，在基板上沉积导电材料包括形成一传输电极以及一接收电极。
13.如权利要求9所述的制造方法，其特征在于，所述流道的深度为50～100μm。
14.如权利要求9所述的制造方法，其特征在于，还包括在所述覆盖层上形成若干正对隔离层上的至少一流道的穿孔。
15.如权利要求14所述的制造方法，其特征在于，还包括在所述覆盖层上形成若干用于放置化学试剂的存储区。
16.如权利要求9所述的制造方法，其特征在于，所述隔离层通过粘胶与所述电极层、覆盖层粘结。
17.一种如权利要求2所述的微流量传感器的使用方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
将液体注入所述流道内使液体流经所述传输电极与输出电极；
在所述传输电极上加上具有预定频率与电压的交流电；以及
测试所述传输电极与接收电极之间的阻抗。
18.如权利要求17所述的使用方法，其特征在于，测试所述传输电极与接收电极之间的阻抗包括测试阻抗随时间的变化。
19.如权利要求17所述的使用方法，其特征在于，还包括根据测试的阻抗推算液体的特性。
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