CN105283760A - 微流体感测装置和系统 - Google Patents

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Abstract

一种微流体装置可以包括：通道；流体入口，把流体从储液器传递到所述通道内；传感器，设置在所述通道内；和泵致动器，设置在所述通道内远离所述传感器，以引起流体流动到所述通道内。

Description

微流体感测装置和系统
背景技术
微流体技术是一种越来越重要的技术，其适用于各种学科，包括工程学、物理学、化学、微技术和生物技术。微流体技术涉及对少量流体的研究以及对如何在各种微流体系统和装置(诸如微流体芯片)中操纵、控制和使用这样的少量流体的研究。例如，微流体生物芯片(称为“芯片上实验室”)在分子生物学领域中被用于集成化验操作，以用于诸如分析酶和DNA、检测生物化学毒素和病菌、诊断疾病等之类的目的。
附图说明
本发明的一些实施例相对于以下的附图进行描述：
图1示出了根据示例实施方式的微流体诊断系统。
图2是示出根据示例实施方式的图1中所示的诊断系统的示例性配置的框图。
图3是示出了根据示例实施方式的传感器模块的框图。
图4是根据示例实施方式的适于实施微流体传感器的微流体结构的示意图。
图5是根据示例实施方式的适于实施微流体传感器的微流体结构的示意图。
图6是根据示例实施方式的适于实施微流体传感器的微流体结构的示意图。
具体实施方式
活细胞是有机体的基本机构和功能单元。多数动物和植物细胞具有1-100微米范围的尺寸并且包含了至关重要的健康信息。基于细胞的诊断法是用于检测传染疾病(HIV、疟疾、肺结核)以及慢性疾病(癌症、心脏疾病、自身免疫疾病)的重要标准。传统的细胞级别的诊断工具是昂贵的，需要专门的培训来操作，并且不能一直部署在护理点装置处。本文描述的微流体诊断系统可以用于提供可配置且移动的平台，用于解决世界范围内对于能够负担的健康诊断法的需要。在本文描述的示例中，
图1示出了根据示例实施方式的微流体诊断系统100。示例微流体诊断系统100包括微流体装置102、外部储液器104、电子控制器106和主控装置108。通常，流体放置在储液器104内。所述流体可以是具有颗粒的主控流体(hostfluid)(例如，血液样品、包含颜料/颗粒的墨水，或类似物)。在电子控制器106的控制下，所述流体102通过微流体技术被处理并被施加到微流体装置102内的传感器。所述微流体装置102向电子控制器106提供表示传感器数据的电气输出信号。所述电子控制器106由主控装置108控制。主控装置108可以发送数据到电子控制器106，并可以从电子控制器106接收数据，数据包括用于控制微流体装置102的命令信息和从微流体装置102得到的传感器数据。
所述主控装置108通常包括中央处理单元(CPU)110、各种辅助电路112、存储器114、各种输入/输出(IO)电路116、和外部接口118。CPU110可以包括本领域已知的任何类型的微处理器。辅助电路112可以包括高速缓存、电源、时钟电路、数据寄存器等。存储器114可以包括随机存取存储器、只读存储器、高速缓冲存储器、磁读/写存储器等或这些存储器装置的任意组合。IO电路116可以与外部接口118协作以通过通信介质119促进与电子控制器106的通信。通信介质119可以是任何类型的电气、光学、射频(RF)或类似的传输路径。
在一个示例中，所述外部接口118可以包括通用串行总线(USB)控制器，其能够向电子控制器106发送和接收数据，以及通过USB电缆向电子控制器106提供功率。应该理解的是，针对电子控制器106的其他类型的电气、光学或RF接口可以被用于发送和接收数据和/或提供功率。
存储器114可以存储操作系统(OS)109和驱动器111。所述OS109和驱动器111可以包括可由CPU110执行的指令，用于通过外部接口118控制主控装置108和电子控制器106。所述驱动器111提供了OS109和电子控制器106之间的接口。由此，所述主控装置108包括可编程装置，其包括以一种或多种软件模块的形式存储的机器可读指令，例如存储在非暂时性处理器/计算机可读介质(例如存储器114)上。
所述主控装置108可以包括显示器120，所述OS109可以通过显示器120提供用户界面(UI)122。用户可以使用UI122与OS109和驱动器111交互以控制电子控制器106，并显示从电子控制器106接收的数据。应理解的是所述主控装置108可以是任何类型的通用或专用计算装置。在示例中，主控装置108可以是移动计算装置，例如“智能电话”、“平板电脑”等。
外部储液器104与微流体装置102流体连通。所述外部储液器104配置为保存流体成分/样品和/或溶液并向微流体装置102供应流体成分/样品和/或溶液。微流体装置102可以被实施为基于芯片的装置。装置102的各种示例实施方式在下文描述，并且通常可以包括(一个或多个)入口/出口室124、(一个或多个)微流体通道126、(一个或多个)致动器128、(一个或多个)微流体过滤器130、(一个或多个)传感器131、和电气接口132。电子控制器108与电气接口132耦合以向(一个或多个)致动器128和(一个或多个)传感器131供应能量。通常，基于芯片的微流体装置102的结构和部件可以使用传统的集成电路微制造技术进行制造，微制造技术诸如是电铸、激光消融、各向异性蚀刻、溅射、干法或湿法蚀刻、光刻、铸造、模制、冲压、机器加工、旋涂、层压等。
在一个示例中，所述电子控制器108包括控制器134、IO电路136、和存储器138。控制器134可以包括本领域已知的任何类型的微控制器或微处理器。在示例中，电子控制器108从主控装置108接收功率。在另一示例中，电子控制器108可以包括电源142。
存储器138可以存储固件140，固件140可以包括可由控制器134执行以控制微流体装置102和与主控装置108通信的指令。由此，电子控制器106包括可编程装置，可编程装置包括以一个或多个软件/固件模块的形式存储(例如，存储在非暂时性处理器/计算机可读介质(例如存储器138)上)的机器可读指令。应理解的是，被描述为执行来自固件的指令的控制器，所述电子控制器108可以使用硬件、软件/固件、或它们的组合来实施。例如，电子控制器106的全部或部分可以使用可编程逻辑器件(PLD，专用集成电路(ASIC)等来实施。
图2是示出根据示例实施方式的图1中所示的诊断系统100的示例性配置200的框图。在示例中，储液器104、微流体装置和电气接口132是第一模块202的部分。电子控制器106是第二模块204的部分。第一模块202可以机械耦合到第二模块204，使得电子控制器106电耦合到电气接口132。第一模块202可移除地耦合到第二模块204，使得它可以根据需要耦合或不耦合。电子控制器106可以如以上所述那样耦合到主控装置108。
图3是示出根据示例实施方式的传感器模块300的框图。所述传感器模块300可以用作图1和2中所示的诊断系统100中的模块202。传感器模块300包括基底302、微流体结构304、储液器306和电气接口308。电气接口308经由基底302上的导体310传输能量到微流体结构304中的活跃部件。储液器306配置为保存流体成分/样品和/或溶液并向微流体结构304供应流体成分/样品和/或溶液。示例微流体结构在下面被描述。
图4是根据示例实施方式的适于实施微流体传感器的微流体结构400的示意图。所述微流体结构400包括微流体通道402、泵致动器404、传感器406、喷嘴405(例如，出口)、和入口408。储液器的一部分414被示出。在示例中，网眼过滤器412可以被提供于储液器414内用于过滤所施加的流体样品中的颗粒。虽然贯穿本公开的全文，流体通道402的形状一般被示出为“U形”，但这不意图作为对通道402的形状的限制。因此，通道402的形状可以包括其它形状，例如弯曲形、蛇形、带拐角形、它们的结合等。而且，通道402不按任何特定的尺度或比例被示出。在装置上制造的通道402的宽度可以随在本公开的附图中示出的任意尺度或比例变化。通道中的箭头指示流体通过通道流动的示例方向。
入口408为通道402提供开口以接收流体。过滤器410被设置在入口408内。过滤器410阻止流体中具有特定尺寸(取决于过滤器410的尺寸)的颗粒进入通道402。入口408可以具有比通道402大的宽度和容积。
在示例中，传感器406被设置在邻近入口408的通道402内(例如比泵致动器404更靠近入口408)。在另一示例中，传感器406可以放置在入口408内。所述传感器406可以是使用已知半导体技术形成的阻抗传感器。当流体内的颗粒经过传感器406时，所述传感器406可以检测到阻抗改变。
泵致动器404设置在传感器406下游的通道402封闭端的附近。泵致动器404可以是流体惯性泵致动器，其可以使用广泛的各种结构来实施。例如泵致动器404可以是热敏电阻器，热敏电阻器产生蒸汽泡以在通道402内创建流体位移。发生位移的流体可以从喷嘴405喷出。致动器也可以被实施为压电元件(例如PZT)，其电致偏转在通道402内生成流体位移。由电气、磁和其他力激活的其它偏转膜元件也可以用于实施泵致动器404。
图5是根据示例实施方式的适于实施微流体传感器的微流体结构500的示意图。与图4的元件相同或相似的图5的元件在上面被详细描述。在图4的示例中，通过使用泵致动器404进行喷射来引起流动流体。在图5的目前示例中，通过使用泵致动器404进行再循环来引起流体流动。通道402包括位于通道402的与出口506相对的末端的入口504。过滤器502可以形成在入口504内，并且过滤器508可以设置在出口506内，以便过滤预期尺寸(基于过滤器尺寸)的颗粒。箭头表示通道402内的流体流动方向。代替喷射流体，通道402使流体再循环回到储液器。
图6是根据示例实施方式的适于实施微流体传感器的微流体结构600的示意图。图6的示例示出了交叉流结构，其可以将通道内不同尺寸的颗粒分开。在该示例中，结构600包括主通道604和副通道605。箭头示出从入口618到出口616的流体流动的示例方向。注意这一流体流动方向是示例性的，并且流体可以以相反方向流动。流体可以通过可选的网眼过滤器606从储液器进入主通道604。另外，虽然为了清楚而被省略，但过滤器可以设置在入口618和/或出口616内，如在以上结构中所描述的。泵致动器602设置在主通道604内邻近入口618处。副通道605包括入口609和出口611。过滤器608和614可以分别设置在入口609和出口611内。传感器610设置在副通道605内邻近入口609处。泵致动器612设置在副通道605内。
流体从入口618流动到主通道604内。泵致动器602引起流体流动到主通道604内。在副通道605的入口609，流体可以流动到副通道605，并且沿着主通道604继续。过滤器608和过滤器614可以设计为使得比主通道604中更小的颗粒流动到副通道605中。更小的颗粒在出口611处与主通道604内的流体再会和。泵致动器612引起流体流动到副通道605中。传感器610可以测量副通道605内的颗粒(例如阻抗感测)。
作为示例，微流体结构600已被示出和描述为具有两个通道(主和副)。应理解的是，微流体结构可以具有任意数量的通道。例如，微流体结构可以包括两个不同的副回路，其以流体方式耦合到主回路。在另一示例中，微流体结构可以包括一个回路，耦合到另一回路，耦合到另一回路，以此类推。微流体装置的不同配置可以被设计为具有任意数量的通道或回路。
在上面的描述中，阐述了许多细节以提供对本发明的理解。然而，本领域技术人员将理解的是，本发明可以在没有这些细节的情况下被实践。虽然本发明相对于有限数量的实施例被公开，但本领域技术人员将根据其认识到许多修改和变形。意图是所附权利要求涵盖落入本发明的真实精神和范围内的这样的修改和变形。

Claims (15)

1.一种微流体装置，包括：
通道；
流体入口，把流体从储液器传递到所述通道内；
传感器，设置在所述通道内；和
泵致动器，设置在所述通道内远离所述传感器，以引起流体流动到所述通道内。
2.根据权利要求1的微流体装置，进一步包括：
过滤器，设置在所述入口内以过滤来自流体的颗粒。
3.根据权利要求1的微流体装置，其中所述泵致动器从所述通道喷射流体以引起流体流动。
4.根据权利要求1的微流体装置，进一步包括：
出口，把流体从所述通道传递到所述储液器。
5.根据权利要求1的微流体装置，其中所述通道包括主通道和副通道，所述副通道具有与主通道流体连通的副入口和副出口，并且其中所述传感器设置在副通道内。
6.根据权利要求5的微流体装置，进一步包括：
过滤器，设置在副入口和副出口内。
7.一种微流体传感器装置，包括：
基底；
储液器；
电气接口；和
与所述储液器流体连通并且与电气接口电气连通的微流体结构，所述微流体结构具有通道、电气传感器、和泵致动器，泵致动器引起流体通过电气传感器流动到通道内。
8.根据权利要求7的微流体传感器装置，其中所述电气传感器是阻抗传感器，用于在流体中的颗粒流动通过通道时检测阻抗改变。
9.根据权利要求7的微流体传感器装置，其中所述泵致动器通过从通道喷射流体来在通道中引起流体流动。
10.根据权利要求7的微流体传感器装置，其中所述泵致动器通过将流体再循环回到储液器来在通道中引起流体流动。
11.根据权利要求7的微流体传感器装置，其中所述通道包括主通道和副通道，所述副通道与主通道流体连通。
12.一种诊断传感器系统，包括：
传感器装置模块，具有储液器、微流体装置和电气接口，所述微流体装置与储液器流体连通，并且与电气接口电气连通；和
电子控制器模块，可拆卸地耦合到所述传感器装置模块，所述电子控制器模块包括电子控制器，电子控制器通过电气接口与微流体装置电气连通。
13.根据权利要求12的诊断传感器系统，其中所述电子控制器包括到主控装置的接口。
14.根据权利要求12的诊断传感器系统，其中所述微流体装置包括通道、设置在通道内的阻抗传感器和设置在通道内的泵致动器，泵致动器用来引起流体流动到通道内。
15.根据权利要求14的诊断传感器系统，其中所述通道包括主通道和副通道，所述副通道与主通道流体连通。
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