CN107430018B - 微流体流动传感器 - Google Patents

微流体流动传感器 Download PDF

Info

Publication number
CN107430018B
CN107430018B CN201580075035.4A CN201580075035A CN107430018B CN 107430018 B CN107430018 B CN 107430018B CN 201580075035 A CN201580075035 A CN 201580075035A CN 107430018 B CN107430018 B CN 107430018B
Authority
CN
China
Prior art keywords
heat
generating resistor
microfluidic
resistor
flow
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
CN201580075035.4A
Other languages
English (en)
Other versions
CN107430018A (zh
Inventor
A·戈夫亚迪诺夫
E·D·托尔尼埃宁
P·科尔尼洛维奇
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hewlett Packard Development Co LP
Original Assignee
Hewlett Packard Development Co LP
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hewlett Packard Development Co LP filed Critical Hewlett Packard Development Co LP
Publication of CN107430018A publication Critical patent/CN107430018A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN107430018B publication Critical patent/CN107430018B/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/68—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using thermal effects
    • G01F1/684—Structural arrangements; Mounting of elements, e.g. in relation to fluid flow
    • G01F1/6845—Micromachined devices
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L3/00—Containers or dishes for laboratory use, e.g. laboratory glassware; Droppers
    • B01L3/50—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes
    • B01L3/502—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures
    • B01L3/5027—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip
    • B01L3/502746—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip characterised by the means for controlling flow resistance, e.g. flow controllers, baffles
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B41—PRINTING; LINING MACHINES; TYPEWRITERS; STAMPS
    • B41J—TYPEWRITERS; SELECTIVE PRINTING MECHANISMS, i.e. MECHANISMS PRINTING OTHERWISE THAN FROM A FORME; CORRECTION OF TYPOGRAPHICAL ERRORS
    • B41J2/00—Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed
    • B41J2/005—Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed characterised by bringing liquid or particles selectively into contact with a printing material
    • B41J2/01—Ink jet
    • B41J2/07—Ink jet characterised by jet control
    • B41J2/125—Sensors, e.g. deflection sensors
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B41—PRINTING; LINING MACHINES; TYPEWRITERS; STAMPS
    • B41J—TYPEWRITERS; SELECTIVE PRINTING MECHANISMS, i.e. MECHANISMS PRINTING OTHERWISE THAN FROM A FORME; CORRECTION OF TYPOGRAPHICAL ERRORS
    • B41J2/00—Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed
    • B41J2/005—Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed characterised by bringing liquid or particles selectively into contact with a printing material
    • B41J2/01—Ink jet
    • B41J2/17—Ink jet characterised by ink handling
    • B41J2/175—Ink supply systems ; Circuit parts therefor
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/68—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using thermal effects
    • G01F1/684—Structural arrangements; Mounting of elements, e.g. in relation to fluid flow
    • G01F1/688—Structural arrangements; Mounting of elements, e.g. in relation to fluid flow using a particular type of heating, cooling or sensing element
    • G01F1/69—Structural arrangements; Mounting of elements, e.g. in relation to fluid flow using a particular type of heating, cooling or sensing element of resistive type
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/68—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using thermal effects
    • G01F1/696—Circuits therefor, e.g. constant-current flow meters
    • G01F1/698—Feedback or rebalancing circuits, e.g. self heated constant temperature flowmeters
    • G01F1/6986—Feedback or rebalancing circuits, e.g. self heated constant temperature flowmeters with pulsed heating, e.g. dynamic methods
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2300/00—Additional constructional details
    • B01L2300/06—Auxiliary integrated devices, integrated components
    • B01L2300/0627—Sensor or part of a sensor is integrated
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2300/00—Additional constructional details
    • B01L2300/08—Geometry, shape and general structure
    • B01L2300/0887—Laminated structure
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2400/00—Moving or stopping fluids
    • B01L2400/08—Regulating or influencing the flow resistance
    • B01L2400/082—Active control of flow resistance, e.g. flow controllers

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Clinical Laboratory Science (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Hematology (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Dispersion Chemistry (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials Using Thermal Means (AREA)
  • Measuring Volume Flow (AREA)

Abstract

本发明公开了一种包括微流体通道和沿着微流体通道的流动传感器的设备。流动传感器包括用于连接到电流源的发热电阻器，分析式参数传感器和电子器件。所述发热电阻器具有响应于温度而变化的电阻。电参数传感器用于感测基于所述发热电阻器的电阻的所述发热电阻器的电参数。所述电子器件基于感测到的电参数确定流动。

Description

微流体流动传感器
背景技术
各种传感器可用于感测流体的流动。然而，这种传感器可能是大体积的、昂贵的且非常难以集成在芯片和微流体装置中。
附图说明
图1是示意性示出示例微流体流动感测系统的俯视图。
图2是用于感测微流体通道中的流体流动的示例方法的流程图。
图3是示意性示出另一示例微流体流动感测系统的俯视图。
图4是示意性示出另一示例微流体流动感测系统的俯视图。
图5是示意性示出另一示例微流体流动感测系统的俯视图。
图6是示意性出另一示例微流体流动感测系统的俯视图。
图7是示意性示出另一示例微流体流动感测系统的俯视图。
图8是示意性示出另一示例微流体流动感测系统的一部分的俯视图。
图9是沿线9-9截取的图8的微流体流动感测系统的截面图。
图10是示例微流体流动感测系统的示例微流体通道和发热电阻器的截面图。
图11是示例微流体流动感测系统的另一示例微流体通道和发热电阻器的截面图。
具体实施方式
图1示意性示出示例微流体流动感测系统20，微流体流动感测系统20包括感测通过微流体通道24的流体流动的微流体传感器22。如以下将描述的，流动传感器22有利于以紧凑且成本有效的方式感测流体流动。流动传感器22良好地适于集成到微流体装置中。
微流体通道24包括形成在基板26内或形成在基板26上的通路。微流体通道24具有宽度和高度，宽度和高度中的每一者为亚毫米(sub-millimeter)规格。在一种实施方式中，微流体通道24具有宽度和高度，该宽度和高度的每一个具有在5μm和200μm之间的尺寸且通常在5μm和50μm之间的尺寸。尽管微流体通道24被示出为线性的，但是微流体通道24可以具有弯曲的、蛇形的、分支的或其他的形状。
流动传感器22包括相对于微流体通道24集成到基板26中或集成到基板26上的装置。为了本公开内容的目的，术语“相对于芯片、基板或微流体通道‘集成’”意指装置或组件与芯片或基板整体形成，或者意指由于装置或组件被形成或制造在芯片或基板上的结构而使得装置或组件被构建至芯片或基板中或者作为芯片或基板的一部分，从而使得在不切割或切断芯片或基板的多个部分的情况下不能够将该装置或组件容易地分开。因为流动传感器22与基板26上的微流体通道24整体形成，所以可以避免流动传感器22与微流体通道24的单独连接。流动传感器22包括发热电阻器(HER)30、电参数传感器(EPS)32以及电子器件(E)34。
发热电阻器30包括如下结构：该结构包括一种或多种材料，该一种或多种材料的电阻使得当电流经过该结构时该结构产生或发出热量。发热电阻器30的电阻响应于温度而变化。如图1所示，发热电阻器30位于微流体通道24内并且待连接到电流源(ECS)38，电流源38将电流供给到发热电阻器30并且使电流循环通过发热电阻器30。在一种实施方式中，电流源38将直流(DC)供给到发热电阻器30。在一种实施方式中，电流源38将直流的时间间隔的脉冲供给发热电阻器30。在另一实施方式中，电流源38将交流(AC)的短脉冲供给到发热电阻器。通过使用交流或直流电流的脉冲可以在提高敏感度、噪声电阻和信噪比的同时降低电力消耗和传感器热冲击。
当液体或流体流过发热电阻器30时并且当电流经过发热电阻器30时，由发热电阻器产生的热量被流体流动带走。流体流动越强，从发热电阻器30带走的热量的速率越大。具体速率还可以取决于流体属性，诸如，密度、导电性和热容量。从发热电阻器30带走的热量的速率越大，发热电阻器30的温度越低。该较低温度可以进而影响发热电阻器30的电阻，进一步影响经过发热电阻器30的电流的速率。这样一来，发热电阻器30提供可以集成到微流体通道24中的简单结构，该简单结构产生热量并且响应于由流体流动带走的产生热量的速率而呈现变化的电阻。
电参数传感器32包括电连接或电耦合到发热电阻器30的电组件，以便感测基于发热电阻器30的电阻的发热电阻器30的电参数。在一种实施方式中，参数可以包括通过发热电阻器30的电压。在另一实施方式中，电参数可以包括流动通过发热电阻器30的电流。传感器32的示例包括但不限于场效应晶体管、热电偶、双极面结型晶体管或者其他P-N结型感测装置。电参数传感器32基于感测到的电参数输出电信号。该电信号被电子器件34使用以确定或估计在微流体通道24内通过发热电阻器30的流体流动。
电子器件34包括从电参数传感器32接收信号且利用该信号(以原始形式利用或者在该信号已经过电子器件34过滤、转换或处理之后利用)确定或估计在微流体通道24内通过发热电阻器30的流体流动的装置。在一种实施方式中，确定的或估计的流体流动额外地基于流体的取回的、感测到的或程序化的默认特性，诸如，流体的密度、导电性以及热容量。在一种实施方式中，电信号由模拟数字转换器转换，其中，电子器件34包括接收和利用数字信号的处理单元。在另一实施方式中，电子器件34基于模拟信号估计流体流动。
为了本申请的目的，术语“处理单元”将意指包括执行包含在存储器中的指令序列的硬件的当前开发或将来开发的处理单元。指令序列的执行使处理单元执行诸如产生控制信号的步骤。指令可以被加载于随机访问存储器(RAM)中以用于由来自只读存储器(ROM)、大容量存储器或者一些其他永久存储器的处理单元执行。在其他实施方式中，可以使用硬件连接的电路代替软件指令或者与软件指令组合以便实现所述功能。例如，电子器件34可以被设置为专用集成电路(ASICs)的一部分。除非另有明确说明，电子器件34不限于硬件电路和软件的任意具体组合，也不限于用于由处理单元执行的指令的任意特定源。
在一种实施方式中，电子器件包括存储预定的查阅表的存储器，该查阅表将来自传感器32的不同的电参数与不同的流体流率相关联。在该实施方式中，处理单元通过将来自传感器32的电参数信号与查阅表中的不同值进行比较来估计流体流率。在另一种实施方式中，电子器件34利用基于不同电参数信号的值作为公式的一部分来计算或估计流体流率。在估计通过发热电阻器30的微流体通道24内的电流流体流率时，电子器件34输出指示估计的流体流率的信号。
在一种实施方式中，流动传感器22被完全包含或集成在包含微流体通道24的基板26或电路芯片上。例如，在一种实施方式中，电参数传感器32和电子器件34的每一个被集成作为芯片或基板26的一部分，微流体通道24设置在该芯片或基板26中或设置在该芯片或基板26上。在一种实施方式中，电流源38进一步集成至芯片或基板26上，其中，电流源20包括用于电连接到电源的电接触垫。在又一实施方式中，流动传感器22的多个部分被分布在单独的基板或装置中。例如，在一种实施方式中，电参数传感器32和电子器件34中的一者或两者由电连接到基板26上的发热电阻器30的单独装置设置。
图2是用于感测或检测微流体通道内的流体流动的示例方法100的流程图。在一种实施方式中，通过上述系统20执行方法100。如方框102所示，流体移动通过微流体通道(诸如，微流体通道24)。如方框104所示，当流体经过微流体通道24时，电流源38通过位于通道24内的发热电阻器30传输电流。如方框106所示，电参数传感器32感测流过发热电阻器30的电流的变化。电流的变化可以被感测为通过发热电阻器30的电压的变化，或者可以被感测为通过发热电阻器30的电流动速率或安培数的变化。如方框108所示，基于从方框106中感测到的电流流动的变化(或者电阻的变化)，电子器件34确定或估计流体通过发热电阻器30经过微流体通道24的速率。在一种实施方式中，电子器件34被预校准。特别地，响应于通道24内的相邻或周围流体的温度的变化的发热电阻器30所经历的电阻变化受流体导热率和流体温度影响。这样一来，在某些情况下，在制造期间可能难以校准电子器件。在一些实施方式中，在使用与将循环通过通道24并且处于相似的温度的那些流体相似的流体的领域中校准电子器件34。可以通过确定和存储预定的流体流率和由电参数传感器32输出的特定信号之间的关系来执行该校准，该特定信号响应于发热电阻器30的电阻或者经过发热电阻器30的电流的变化。在一些实施方式中，在基板或芯片自身的被具体设计用于校准目的的单独区域上进行校准。图3示意性示出微流体流动感测系统220(微流体流动感测系统20的另一示例)。微流体流动感测系统220与微流体流动感测系统20相似，除了系统220被额外地示出为进一步包括流体相互作用组件(FIC)246和248。在所示的示例中，流体相互作用组件246、248被集成到相同的芯片基板26上，作为流动传感器22。因为流动传感器22利用发散热量并且具有响应于带走发散的热量的流体流动而变化的参数(电阻系数)的单个结构体，所以流动传感器22极其紧凑，从而有利于流动传感器22连同流体相互作用组件246、248在设置微流体通道24的相同芯片或基板26上的集成。
如示意性图示的，流体相互作用组件246、248包括与流过微流体通道24的流体相互作用的集成到基板26中或者集成在基板26上的组件。集成在芯片或基板26上的流体相互作用组件246、248的示例包括但不限于源于微流体通道24的微流体分支通道以及微流体泵(诸如，惯性泵、压电电阻流体泵、微流体阀、微流体多用混合器和点滴喷射器(诸如，与喷嘴相对的热喷墨电阻器或压电电阻隔膜))。尽管传感器22被示出为夹在流体相互作用组件246、248之间，但是在其他实施方式中，流体流动传感器22可以位于单个或多个流体相互作用组件246、248的上游或下游。在一些实施方式中，系统220可以包括单个流体相互作用组件246或248或者多于两个的流体相互作用组件。
惯性泵包括沿着通道24靠近于贮存器并且远离不同贮存器或流体相互作用组件定位的泵送装置。换句话说，惯性泵与贮存器隔开一定距离，该距离小于贮存器和另外的贮存器或流体相互作用组件之间的总流体路径的长度一半。惯性泵利用通道内的惯性和动量以产生流体流动，该通道与惯性泵连接的两个贮存器相比相对窄。为了本公开内容的目的，术语“惯性泵”表示在通道内在两个方向上初始驱动流体的泵送装置，该通道与惯性泵连接的贮存器相比相对窄，但是其中，泵送装置非对称地位于贮存器之间以使得最终结果是流体在朝向两个贮存器的最远处的方向上被驱动。
在一种实施方式中，惯性泵可以包括气泡喷射泵。气泡喷射泵是产生初始膨胀气泡以使相邻流体移动远离气泡或者驱动相邻流体远离气泡的泵。气泡喷射泵的一个示例包括微加热器，诸如，热喷墨(TIJ)泵。热喷墨泵使用电流经过的一个或多个电阻器。当电流经过一个或多个电阻器时由一个或多个电阻器产生的热量使靠近于电阻器的流体气化以产生气泡。当该气泡初始产生和膨胀时，该气泡初始驱动相邻的流体远离气泡。
在流体相互作用组件246、248中的一个包括泵的一种实施方式中，流动传感器22和泵以非同步的方式操作。换句话说，在形成流体相互作用组件246、248中的一个的泵当前没有泵送流体时，通过微流体通道24的流体流动被同时感测和估计。例如，在流体相互作用组件246、248包括热喷墨电阻器的实施方式中，该热喷墨电阻器被加热以产生蒸气气泡从而最终泵送流体，在热喷墨电阻器被加热的时间之外，执行在用于确定流体流动的发热电阻器30的电参数的感测中的通过发热电阻器30的电流的传输。在电流以交流或时间间隔的电脉冲的形式被供给到发热电阻器30的一种实施方式中，形成操作频率的该时间间隔的电脉冲与泵被致动的时间以及泵加热率是非同步的。在一种实施方式中，测量频率或者测量发热电阻器30的电参数所处的频率以及所产生的流率估计在下述频率下进行：该频率至少为形成流体相互作用组件246、248的泵被加热的频率的两倍，以便有助于在近零流动或者第二近峰值泵流动过程中的基准测量。在其他实施方式中，泵的中心可以被并行起动或同时起动。
在一种实施方式中，表示微流体通道24内的流体流动的当前速率的电子器件34的输出被控制器(C)251利用以便控制或改变流体相互作用组件246、248中的一个或多个的操作。例如，在一种实施方式中，由表示微流体通道24内的流体流动的电子器件34输出的信号被控制器251利用以便控制使流体移动通过微流体通道24的泵的操作时机。这样一来，系统220有助于关于以期望的速率泵送流体或者使流体通过微流体通道24的闭环反馈系统。在其他实施方式中，控制器251可以利用表示流体流率的来自电子器件34的信号以便控制微流体阀、点滴喷射器、微流体多用混合器等。
图4示出微流体流动感测系统320(系统20的另一示例实施方式)。微流体流动感测系统320与系统20类似，除了系统320被具体示出为包括流动传感器322，流动传感器322包括代替发热电阻器30的发热电阻器330。系统320的与系统20的元件或组件一致的那些其余元件或组件具有相同的附图标记。
发热电阻器330包括完全延伸跨过微流体通道24的一种或多种发热电阻材料的细长线。发热电阻器330具有高电阻温度系数(TCR)(正的或负的)，以便对温度刺激(1/开)产生高响应。在一种实施方式中，发热电阻器330具有至少1e-4 1/C的电阻温度系数(TCR)，(相对于温度变化的电阻的相对变化)。用于发热电阻器330的各种材料的电阻温度系数由公式R＝R(T_0)＝exp[TCR(T-T_0)]表示，其中，Ta-Al的电阻温度系数为-100ppm/C＝-1e-41/C，WSiN的电阻温度系数为-450ppm/C＝-4.5e-4 1/C；并且Al的电阻温度系数为4e-3 1/C。在一种实施方式中，发热和热感测电阻器330由铂制成并且由具有至少0.0035-0.00391/K的电阻温度系数。在其他实施方式中，由WSiN陶瓷金属制成的热感测电阻器330具有-0.00045 1/K的电阻温度系数。各种其他高热敏感材料可以用于发热和热感测元件330。半导体材料由于其高的负电阻温度系数(对于Si为-0.07 1/K)也可以用作热敏元件。
在一种实施方式中，发热电阻器330包括延伸跨过与微流体通道24的底板接触的端部的轨迹或丝线。在一种实施方式中，发热电阻器330被直接制造在或沉积在形成微流体通道24的底板的基板上。在一种实施方式中，发热电阻器330具有至少5比1的长宽比。在一种实施方式中，发热电阻器330包括具有在10和100欧姆/平方面积之间的片电阻的材料。在一种实施方式中，发热电阻器330包括如下的至少一种材料：所述材料包括但不限于铝、铂、铑、铜、镍、钽、钨、钌、镍铬、氮化铜、硅、多晶硅、锗、碳、石墨、石墨烯、氧化锡、氧化锌锡、氮化钽、氮化钛、氧化镁、氧化铷、氧化钒以及钨硅氮化物(WSixNy)。
图5示出微流体流动感测系统420(微流体流动感测系统20的另一示例实施方式)。系统420与系统320类似，除了发热电阻器330对角地延伸跨过微流体通道24。因为发热电阻器330对角地延伸跨过微流体通道24，所以发热电阻器330在通道24内具有更长的长度，从而增加了与流动通过电阻器330的流体接触的表面积的量。更大的表面积有利于更大的温度变化以及对应的更大的电阻变化，这是由于通道24内的电阻器330的更大的表面积使给定的流率可能从电阻器334带走更多的热量。
图5进一步示出可以用于使通道24内的发热电阻器330的长度加长的发热电阻器330的其他示例或构造以便进一步促进并且提高温度感测精度。例如，代替具有垂直地延伸跨过微流体通道24的发热电阻器，系统420可以包括具有锯齿形状的发热电阻器330’，具有方波形状的发热电阻器330”，或者具有通过通道24的弯曲或波形状的发热电阻器330”’。
图6示出微流体流动感测系统520(微流体流动感测系统20的另一示例)。微流体流动感测系统520与微流体流动感测系统320类似，除了系统520额外地包括第二发热电阻器530和第二参数传感器532。系统520额外地包括电子器件534以代替电子器件34，电子器件534在基于发热电阻器330、530两者的电参数的信号的基础上估计或确定流体流动。
发热电阻器530与发热电阻器330类似。与发热电阻器330相同，发热电阻器530被集成到基板26中，延伸跨过微流体通道24并且电连接或电耦合到与其相关联的电参数传感器532。发热电阻器530与发热电阻器330在沿着微流体通道24的纵向长度的方向上隔开。在一种实施方式中，发热电阻器530与感测电阻器330隔开10μm和1000μm之间且通常在50μm至100μm之间的距离d。如以下将描述的，额外的发热电阻器530有利于除了表示流动大小以外还表示流动方向的差分信号。加热元件和感测元件之间的距离在近距离处受热串扰(crosstalk)限制并且在远距离处受慢的传感器响应限制。
在一种实施方式中，发热电阻器530相对于发热电阻器330热隔离或热绝缘，使得除了通过流体的流动而传递的热量以外，从电阻器330、530中的一个到电阻器330、530中的另一个的热传递(诸如通过或跨过基板26)被减少。换句话说，通过基板26的固态热传导与通过流体流动的对流热传递隔离。例如，在一种实施方式中，在电阻器330、530之间和电阻器330、530周围延伸的基板26的部分由与基板26的其余材料相比具有较低的导热率程度的材料或材料的组合形成。例如，在一种实施方式中，除此以外将与电阻器330、530接触基板26的部分覆盖、加层或涂覆有氧化层537(以点画的方式表示)。这样一来，通过基板26从电阻器330、530中的一个到电阻器330、530中的另一个的热传递被减少以便有利于更高的感测精度。
在另一实施方式中，通过电流源38而使通过基板26的固态热传导与通过流体流动的对流热传递隔离，电流源38使电流以交流脉冲方式的模式通过电阻器330、530传输。例如，在一种实施方式中，通过电阻器330、530的电流传输设置有相对于彼此异相的时间间隔电脉冲，由此通过传感器32、532进行的电参数的感测也相对于彼此在时间上偏移。在这种实施方式中，使用交流脉冲进一步有利于较大的温度差分，从而产生较大的电阻变化，这使得传感器522的灵敏度被提高。
在一种实施方式中，0.1μs-10ms的电流脉冲以120kHz和10Hz之间且通常在1kHz和100kHz之间的频率通过晶体管330、530传输。在电阻器330、530由WSiN形成的一种实施方式中，电流以0.1mA和50mA之间的安培数以及48kHz和10Hz之间的频率被供给到各个电阻器。在电阻器330、530由Ta-Al合金形成的一种实施方式中，电流以0.1mA和500mA之间的安培数以及12kHz和1Hz之间的频率被供给到各个电阻器。在电阻器330、530由铂形成的一种实施方式中，电流以0.1mA和50mA之间的安培数以及0kHz和15kHz之间的频率被供给到各个电阻器。
电参数传感器532与电参数传感器32类似。电参数传感器532包括电连接或电耦合到发热电阻器530的电组件，以便感测基于发热电阻器530的电阻的发热电阻器530的电参数。在一种实施方式中，参数可以包括通过发热电阻器530的电压。在另一实施方式中，电参数可以包括流过发热电阻器530的电流。传感器532的示例包括但不限于场效应晶体管、热电偶、双极面结型晶体管或者其他P-N结型感测装置。电参数传感器532基于感测到的电参数输出电信号。这种电信号被电子器件534使用以确定在微流体通道24内通过发热电阻器530的流体流动。
电子器件534与上述电子器件34类似。电子器件534接收来自参数传感器32、532中的每一个的信号。基于该信号，电子器件534确定或估计在微流体通道24内通过电阻器330、530的流体流动的大小。另外，使用来自传感器32、532的信号，电子器件534进一步以下述模式操作：在该模式中，流体流动的方向被检测。通过对从传感器32、532以及与其相关联的电阻器330、530接收到的信号进行比较，电子器件534确定在微流体通道24内的流动方向。
图7示出微流体流动感测系统620(微流体流动感测系统20的另一示例实施方式)。微流体流动感测系统620与微流体流动感测系统520类似，除了发热电阻器330、530对角地延伸跨过微流体通道24以便增加将与流过微流体通道24的流体热连通或热接触的电阻器330、530的纵横比或表面积。热连通或热接触意指流过微流体通道24的流体通过直接接触或者通过由具有相对高的导热率水平的材料联接而充分靠近电阻器330、530，使得由电阻器330、530产生的热量被该流体流动吸收并带走，并且热量被吸收或带走的速率响应于流体流率。如上面关于微流体流动感测系统420描述的，发热电阻器330、530可以以其他方式(诸如，锯齿形、波形或方波形)延伸跨过微流体通道24，以便增加该电阻器330、530与微流体通道24内的流体流动热连通的程度。
图8和图9示出微流体流动感测系统720(微流体流动感测系统20的另一示例实施方式)。微流体流动感测系统720与微流体流动感测系统620类似，除了微流体流动感测系统720用两组发热电阻器722、724代替一对发热电阻器330、530以及与其相关联的电参数传感器32、532，每个组722、724包括独立的发热电阻器730A、730B、730C、730D和730E(共同称为发热电阻器730)以及与其相关联的电参数传感器732A、732B、732C、732D和732E。如图8所示，发热电阻器730被端对端(end-to-end)地设置并且与彼此隔开，以便对角地延伸跨过微流体通道24。在其他实施方式中，发热电阻器730可以以其他形状(诸如，图5中所示的形状)延伸跨过通道24。
图9是沿图8的线9-9截取的截面图，其中，通道24内的流体流动如点733所示朝向附图页面内。如图9所示，电阻器730中的每一个沿着微流体通道24的底板735定位并且由电流源38供给电流(上面描述的)。与发热电阻器330一样，发热电阻器730中的每一个响应于流过发热电阻器730的电流而产生并发散热量。与发热电阻器330一样，发热电阻器730中的每一个的电阻响应于温度而变化。通过发热电阻器730中的每一个的流体流动带走所产生的热量以便使特定的发热电阻器730的温度降低。
电参数传感器732与电参数传感器32类似。参数传感器732中的每一个包括电连接或电耦合到相关联的发热电阻器730的电组件，以便感测基于发热电阻器730的电阻的发热电阻器730的电参数。在一种实施方式中，参数可以包括通过发热电阻器730的电压。在另一实施方式中，电参数可以包括流过发热电阻器730的电流。传感器732的示例包括但不限于场效应晶体管、热电偶、双极面结型晶体管或者其他P-N结型感测装置。电参数传感器732基于感测到的电参数输出电信号。这种电信号被电子器件734使用以确定在微流体通道24内通过发热电阻器730的流体流动。
电子器件734与电子器件534和电子器件34类似。电子器件734从每个组722和724的电参数传感器732中的每一个接收信号。基于该信号，电子器件734通过比较来自组722和724的信号而确定流体流动的方向。基于来自每个组722和724的不同的电参数传感器732的信号的比较，基于每个组722和724的发热电阻器730的变化的特性或参数，电子器件734估计或确定跨过微流体通道24的宽度的流体流动中的差异。
图10和图11示出沿着通道24的底板的发热电阻器的热隔离或热绝缘的两个示例。图10示出形成或集成在基板826中并且支撑示例发热电阻器330的微流体通道824。基板826包括基部基板层840和热绝缘层842。基部基板层840位于层842和发热电阻器330下面。在一种实施方式中，基部层840进一步形成微流体通道824的侧部844。在一种实施方式中，基部基板层840由硅形成。
热绝缘层842包括在微流体通道824内形成在基部层840的上部的层材料。热绝缘层842的导热率小于基部层840的材料或多种材料的导热率。热绝缘层842的导热率小于发热电阻器330的导热率。热绝缘层842在发热电阻器330的相对侧延伸并且与发热电阻器330一起形成通道824的底板845。在一种实施方式中，热绝缘层842包括氧化层，诸如形成基部基板层840的材料的氧化物。热绝缘层842减少由发热电阻器330产生的热量至附近的发热电阻器(诸如，图7中所示的发热电阻器530)的热传导。
图11示出形成或集成在基板926中并且支撑示例发热电阻器330的微流体通道924。基板926包括基部基板层840、中间热绝缘层941和热绝缘层842。基部基板层840位于层941、842和发热电阻器330下面。在一种实施方式中，基部层840进一步形成微流体通道824的侧部844。在一种实施方式中，基部层840由硅形成。
中间热绝缘层941在基部层840上方延伸。热绝缘层941的热扩散率(导热率/热容量(cm2/s))小于在通道24内待循环的流体的热扩散率。在一种实施方式中，热绝缘层941的热扩散率小于基部层840的材料或多种材料的热扩散率。热绝缘层941的导热率和热扩散率小于发热电阻器330的导热率和热扩散率。热绝缘层941在发热电阻器330下方延伸。在一种实施方式中，热绝缘层941包括氧化层，诸如形成基部基板层840的材料的氧化物。在一种实施方式中，发热电阻器330可以被悬置为桥的一部分，其中，易受影响的热损失可能限于电端子。
热绝缘层842与基板826的热绝缘层842类似。热绝缘层842和基板926包括在微流体通道924内形成在中间热绝缘层941上的层材料。热绝缘层842的导热率小于在通道24内待确定的液体或流体的导热率。在一种实施方式中，热绝缘层842的导热率小于基部层840的材料或多种材料的导热率。热绝缘层842的导热率小于发热电阻器330的导热率。热绝缘层842在发热电阻器330的相对侧延伸。在一种实施方式中，热绝缘层842包括氧化层，诸如形成基部基板层840的材料的氧化物。热绝缘层842减少由发热电阻器330产生的热量至附近的发热电阻器(诸如，图7中所示的发热电阻器530)的热传导。
在一些实施方式中，在上面描述的每个微流体流动感测系统(微流体流动感测系统20、220、320、420、520和720)中采用图10和图11中所示的示例基板和发热电阻器。尽管在图4至图9中未示出，但是在一些实施中，微流体流动感测系统320、420、520、620和720中的每一个额外地包括上面关于图3所描述的流体相互作用组件246和248以及微流体流动检测系统220。尽管上面描述的微流体流动检测系统中的每一个被示出为包括沿着微流体通道的单个流动传感器，但是在其他实施方式中，可以使用诸如上面描述的多个微流体流动传感器以感测微流体通道24内的流体流动。
尽管已参照示例实施方式描述了本公开内容，但是本领域技术人员将认识到的是，在不脱离所要求保护的主题的精神和范围的情况下可以进行形式和细节上的改变。例如，尽管不同的示例实施方式可能已被描述为包括提供益处的特征，但是可想到的是，所述特征可以与在所述示例实施方式中或在其他替代实施方式中描述的另一特征互换或者替代地与另一特征组合。因为本公开内容的技术相对复杂，所以不是所有技术中的改变是可预知的。参考示例实施方式描述且在下列权利要求中阐述的本公开内容显然旨在尽可能的宽泛。例如，除另有具体说明，涉及单个特定元件的权利要求也包含多个该特定元件。

Claims (13)

1.一种微流体流动感测系统，包括：
微流体通道；以及
沿着所述微流体通道的流动传感器，所述流动传感器包括：
发热电阻器，所述发热电阻器用于连接到电流源，所述发热电阻器的电阻响应于温度而变化；
电参数传感器，所述电参数传感器用于感测基于所述发热电阻器的电阻的所述发热电阻器的电参数；
电子器件，所述电子器件基于感测到的电参数确定流动；
电子电路，所述电子电路用以传输时间间隔的电脉冲通过所述发热电阻器；以及
泵，
其中，所述时间间隔的电脉冲与所述泵产生的泵送动作不同步，使得所述时间间隔的电脉冲在所述泵没有泵送时被传输通过所述发热电阻器，并且
其中，测量所述发热电阻器的电参数所处的频率至少为所述泵被加热的频率的两倍。
2.根据权利要求1所述的微流体流动感测系统，其中，所述流动传感器进一步包括：
第二发热电阻器，所述第二发热电阻器的电阻响应于温度而变化；
第二传感器，所述第二传感器用于感测基于所述第二发热电阻器的电阻的所述第二发热电阻器的电参数。
3.根据权利要求1所述的微流体流动感测系统，进一步包括：
基板，所述基板支撑所述微流体通道和所述流动传感器；以及
流体相互作用组件，所述流体相互作用组件由所述基板支撑以便与由所述微流体通道引导的流体相互作用。
4.根据权利要求3所述的微流体流动感测系统，其中，所述流体相互作用组件从由下述内容组成的流体相互作用组件组中选择：源于所述微流体通道的微流体分支通道，微流体泵，微流体阀，微流体多用混合器，点滴喷射器，热喷墨电阻器以及喷嘴。
5.根据权利要求1所述的微流体流动感测系统，其中，所述发热电阻器在从由下述内容组成的路径组中选择的路径中延伸跨过所述微流体通道：对角路径、蛇形路径、波形路径、锯齿形路径以及方波路径。
6.根据权利要求1所述的微流体流动感测系统，进一步包括：
基板，所述基板位于所述发热电阻器的下面；以及
热绝缘层，所述热绝缘层位于所述基板和所述发热电阻器之间，所述热绝缘层的导热率小于或等于1-2.5W/m*℃。
7.根据权利要求6所述的微流体流动感测系统，进一步包括位于所述发热电阻器的相对侧上的第二热绝缘层，其中，所述发热电阻器的顶部被暴露于所述微流体通道内的流体，所述第二热绝缘层的导热率小于或等于0.3W/m*℃。
8.根据权利要求1所述的微流体流动感测系统，进一步包括：
基板，所述基板位于所述发热电阻器的下面；以及
热绝缘层，所述热绝缘层位于所述发热电阻器的相对侧上，其中，所述发热电阻器的顶部暴露于所述微流体通道内的流体，所述热绝缘层的热扩散率小于所述基板的热扩散率。
9.根据权利要求1所述的微流体流动感测系统，其中，所述发热电阻器包括从由下述内容组成的材料组中选择的至少一种材料：铝、铂、铑、铜、镍、钽、钨、钌、镍铬、氮化铜、硅、多晶硅、锗、碳、石墨、氧化锡、氧化锌锡、氮化钽、氮化钛、氧化镁、氧化铷、氧化钒以及钨硅氮化物(WSixNy)。
10.根据权利要求1所述的微流体流动感测系统，包括：
跨过微流体通道的隔开的发热电阻器阵列，所述阵列包括所述发热电阻器；以及
传感器，每个所述传感器感测所述发热电阻器之一的基于所述发热电阻器的电阻的电参数。
11.根据权利要求1所述的微流体流动感测系统，其中，所述发热电阻器具有至少为5比1的长宽比。
12.一种微流体流动感测方法，包括：
借助泵使流体移动通过微流体通道；
传输时间间隔的电脉冲通过在所述微流体通道内延伸的发热电阻器；
借助于电参数传感器感测通过所述发热电阻器的电流流动的变化，其中，所述变化与通过所述发热电阻器的流体流动从所述发热电阻器吸收热量的速率相对应；以及
基于感测到的通过所述发热电阻器的电流流动的变化而确定通过所述发热电阻器的流体的流率，
其中，所述时间间隔的电脉冲与所述泵产生的泵送动作不同步，使得所述时间间隔的电脉冲在所述泵没有泵送时被传输通过所述发热电阻器，并且
其中，测量所述发热电阻器的电参数所处的频率至少为所述泵被加热的频率的两倍。
13.一种包括含有指令的非暂时性计算机可读介质的设备，所述指令指引处理器以执行根据权利要求12所述的微流体流动感测方法。
CN201580075035.4A 2015-04-30 2015-04-30 微流体流动传感器 Expired - Fee Related CN107430018B (zh)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/US2015/028577 WO2016175843A1 (en) 2015-04-30 2015-04-30 Microfluidic flow sensor

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN107430018A CN107430018A (zh) 2017-12-01
CN107430018B true CN107430018B (zh) 2022-03-18

Family

ID=57198673

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201580075035.4A Expired - Fee Related CN107430018B (zh) 2015-04-30 2015-04-30 微流体流动传感器

Country Status (4)

Country Link
US (1) US10655994B2 (zh)
EP (1) EP3233498B1 (zh)
CN (1) CN107430018B (zh)
WO (1) WO2016175843A1 (zh)

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2019156711A1 (en) 2018-02-12 2019-08-15 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Devices to measure flow rates with movable elements
WO2019156686A1 (en) * 2018-02-12 2019-08-15 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Microfluidic flow sensor
US11680957B2 (en) 2018-02-12 2023-06-20 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Microfluidic flow sensor
US11230692B2 (en) 2018-03-27 2022-01-25 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Particle separation and analysis

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TW200418542A (en) * 2003-03-21 2004-10-01 Hewlett Packard Development Co Method and device for targeted epithelial delivery of medicinal and related agents
CN1900717A (zh) * 2006-03-01 2007-01-24 大连理工大学 基于硅杯结构的热分布式微流体流量传感器
CN1954196A (zh) * 2004-03-17 2007-04-25 麦克米伦公司 低流体流率的高精度测量和控制
CN101405076A (zh) * 2006-03-21 2009-04-08 皇家飞利浦电子股份有限公司 具有加热阵列的微电子装置
CN202811312U (zh) * 2011-05-09 2013-03-20 安捷伦科技有限公司 流体泵、分流器和流体分离装置

Family Cites Families (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3485381D1 (de) 1983-05-18 1992-02-06 Bronkhorst High Tech Bv Durchflussmessgeraet.
JPS61170618A (ja) * 1985-01-24 1986-08-01 Toyota Central Res & Dev Lab Inc 流速検出用半導体センサ
JP2000018989A (ja) 1998-06-30 2000-01-21 Hitachi Ltd レシオメトリック出力型発熱抵抗体式空気流量計
US6032527A (en) * 1998-07-01 2000-03-07 Memsys, Inc. Solid state microanemometer
JP3753057B2 (ja) 2001-12-04 2006-03-08 株式会社日立製作所 気体流量測定装置
US20040089357A1 (en) * 2002-06-21 2004-05-13 Christopher Dube Integrated electrofluidic system and method
JP3754678B2 (ja) * 2003-04-16 2006-03-15 株式会社フジキン 耐食金属製熱式質量流量センサとこれを用いた流体供給機器
KR100513102B1 (ko) * 2003-08-28 2005-09-07 재단법인서울대학교산학협력재단 교류 방식 유속 측정 장치 및 이에 사용되는 유속 데이터맵핑 방법
AU2003298273A1 (en) * 2003-11-05 2005-06-08 Agilent Technologies, Inc. Chromatography system
US7059186B2 (en) 2003-12-23 2006-06-13 Robert Bosch Gmbh Integrated flow sensor for measuring a fluid flow
US20090075129A1 (en) * 2004-12-27 2009-03-19 Integrated Sensing Systems, Inc. Microfluidic device and method of use
US7703336B2 (en) 2008-01-08 2010-04-27 Fluonic Inc. Multi-sensor mass flow meter along with method for accomplishing same
IL205614A0 (en) 2009-05-08 2010-11-30 Renalsense Ltd Device and method for monitoring renal function
US20110312751A1 (en) * 2010-06-17 2011-12-22 Geneasys Pty Ltd Microfluidic device for detection of mitochondrial dna via fluorescence modulated by hybridization
US9557344B2 (en) 2011-07-12 2017-01-31 The Hong Kong Polytechnic University Sensor for measuring flow speed of a fluid
FR2998365A1 (fr) 2012-11-19 2014-05-23 Eveon Dispositif de mesure de debit d'un fluide dans un canal, dispositif de transfert d'un fluide et procede de mesure de debit d'un fluide dans un canal

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TW200418542A (en) * 2003-03-21 2004-10-01 Hewlett Packard Development Co Method and device for targeted epithelial delivery of medicinal and related agents
CN1954196A (zh) * 2004-03-17 2007-04-25 麦克米伦公司 低流体流率的高精度测量和控制
CN1900717A (zh) * 2006-03-01 2007-01-24 大连理工大学 基于硅杯结构的热分布式微流体流量传感器
CN101405076A (zh) * 2006-03-21 2009-04-08 皇家飞利浦电子股份有限公司 具有加热阵列的微电子装置
CN202811312U (zh) * 2011-05-09 2013-03-20 安捷伦科技有限公司 流体泵、分流器和流体分离装置

Also Published As

Publication number Publication date
EP3233498A1 (en) 2017-10-25
US10655994B2 (en) 2020-05-19
CN107430018A (zh) 2017-12-01
EP3233498A4 (en) 2018-08-01
WO2016175843A1 (en) 2016-11-03
EP3233498B1 (en) 2019-06-26
US20180023987A1 (en) 2018-01-25

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11366000B2 (en) Fluid sensing
EP3446077B1 (en) Ink level sensor
CN107430018B (zh) 微流体流动传感器
JP2018531394A6 (ja) 液位の表示
CN107223202B (zh) 基于液滴喷射的流量传感器校准
WO2017184143A1 (en) Over-molded fluid level sensor and method of forming the same
JP6284655B2 (ja) 複数の流体スロットを有するプリントヘッド
US11009382B2 (en) Liquid level sensing
JP7472071B2 (ja) 液体粘度測定装置および液体粘度測定方法
JP2023169874A (ja) 流量感知デバイス

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20220318

CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee