TW202143917A - 用於收集流體的微針和流體通道系統 - Google Patents

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Abstract

本發明揭示一種微針,其包含在基板上沿著一縱向軸線自一頂端至一底端延伸的一細長主體,其中該細長主體包含一上部部分及一下部部分。該下部部分包含延伸至一基板中之一內部毛細管孔洞。該細長主體之該上部部分具有一半封圍內部空隙空間,該內部空隙空間由至少三個主體側形成,其中兩個主體側在一尖銳邊緣處接合,且一第三主體側設置有自該細長主體之該下部部分延伸至該第三主體側之上部端的一開口狹縫。該細長主體之該頂端經組態為一斜面,以在該邊緣的頂部處產生一尖銳尖端,該斜面延伸至該第三主體側。該上部部分之該半封圍內部空隙空間通向該細長主體之該底端之該內部毛細管孔洞,且該細長主體之該底端連接至該基板。本發明揭示一種流體通道系統,其用於經由一流體通道將流體自複數個入口輸送至一流體收集區域。該流體通道系統包含入口通道、第一小滴形成結構、連接通道、第二小滴形成結構及一流體收集區域。

Description

用於收集流體的微針和流體通道系統
本發明大體而言係關於一種用於對體液進行取樣的微針和流體通道系統,以及一種包含至少一個微針和一流體通道系統的晶片。特定而言,本發明係關於至少一個微針,其設置在一基板上,具有一細長主體,該細長主體包含一內部毛細管孔洞,其中該細長主體之一頂端經組態為一斜面,以在邊緣之頂部處形成一尖銳尖端,且其中該斜面設置有自該毛細管孔洞延伸至一主體側及該斜面的一開口狹縫。本發明亦係關於一種用於經由一流體通道將流體自一微針毛細管孔洞輸送至一流體收集區域的流體通道系統,該流體通道系統包含複數個通道、一流體收集區域、一第一小滴形成結構,該第一小滴形成結構經配置以防止流體自一第一通道移動到任何其他第一通道,以及一第二小滴形成結構。本發明亦係關於一種用於經由至少一個微針和一流體通道系統收集流體的晶片。本發明亦係關於一種使用一微機電系統製造程序製造包含一至少一個微針和一流體通道的一晶片的方法。
存在許多方法以對體液進行取樣,例如,藉由使用標準皮下注射針。上述情形較麻煩,且存在經改良替代方法,諸如藉由使用空心微針。儘管微針存在許多應用領域,但絕大多數已公開的微針關於以各種形式進行的藥物遞送。
舉例而言,用於藥物遞送目的的微型化針陣列的概念可追溯到70年代的美國專利3,964,482。科學文獻中最早報道的微針中之一者為「矽基三維神經界面:皮質間電極陣列的製造程序」(IEEE生物醫學工程學報,1991年8月;38(8):758-68,坎貝耳等人)中之面外矽針陣列,其特徵為100根1.5 mm長的針在4.2 mm×4.2 mm面積上。最終,生物感測技術將在21世紀出現,而微電子學則將在20世紀下半葉出現。
積體電路(IC)對當今的日常生活產生巨大影響,且利用批量製造生物感測的相同微型化及成本效益具有將臨床診斷及健康監測自昂貴的實驗室移到小型手持消費者裝置的潛力。待量測分析物的取樣為生物感測的先決條件。科學論文中所描述之設計中之許多者目的為提取體液,諸如血液或間質液、ISF。不同的體液需要多種解決方案,例如,藉助使用血管系統中之自然「超壓」已證明成功提取血液,而通過擴散或其他機制在無欠壓的情況下成功提取ISF較罕見或甚至不存在。在本發明中,術語「欠壓(under-pressure)」及「次壓(sub-pressure)」用作等效物。
與取樣方法無關,必須以受控方式將樣品轉移至感測裝置。為了進一步改良使用並防止錯誤,上述情形可較佳地在積體單元中執行。
微流體系統適用於將在多個取樣位置(諸如微針)處取樣的體液輸送至所要位置。然而,大多數描述的微流體系統經組態以藉由完全填充流體通道輸送流體,且對於體液的極低流量可不能令人滿意。
為了以受控方式將具有有限體積的流體樣品自微針轉移至流體收集區域,需要合適的流體通道系統的設計。
本發明的目的為排除先前已知的微針及流體通道系統的上文所提及缺陷及缺點,並提供一種用於體液取樣的經改良解決方案。
為了改良流體(諸如ISF)的提取,可施加欠壓。然而,上述情形難以在所有情況下使用,諸如與自積體感測器收集讀數組合使用。已認識到需要延伸通過感測器總成的流體路徑。另外,為了以有限的取樣量進行操作並進一步改良流體的提取,需要經改良的微針及/或流體通道系統的設計以增加自中收集樣品的體積及/或進一步改良流體樣本如何轉移至流體收集區域。
本發明的目的為提供一種經改良的具有流體通道的微針,該流體通道允許容易地對諸如間質液、ISF的體液進行取樣。
本發明的另一目的為亦提供一種流體通道系統,其用於經由允許容易地對體液進行取樣的流體通道將流體自微針輸送至流體收集區域。
本發明的另一目的為亦提供一種晶片,其用於經由至少一個微針和允許容易地對體液進行取樣的流體通道系統收集流體。
本發明的另一目的為亦提供一種晶片,其用於經由至少一個微針和允許對極低流量之體液進行取樣的流體通道系統收集流體。本發明的另一目的為提供一種使用微機電系統的製造程序來製造包含至少一個微針和流體通道的晶片的方法。
如所附申請專利範圍中所界定,本發明的目的在設置在基板上之微針、流體通道系統、晶片及/或方法來實現的。
在第一態樣中,本發明係關於設置在基板上之微針。微針包含在基板上沿著縱向軸線自頂端至底端延伸的細長主體。細長主體包含上部部分及下部部分。細長主體之下部部分包含延伸至基板中之內部毛細管孔洞。該細長主體之該上部部分具有一半封圍內部空隙空間,該內部空隙空間由至少三個主體側形成,其中兩個主體側在一尖銳邊緣處接合,且一第三主體側設置有自該細長主體之該下部部分延伸至該第三主體側之上部端的一開口狹縫。
該細長主體之該頂端經組態為一斜面,以在該邊緣的頂部處產生一尖銳尖端,該斜面延伸至該第三主體側。細長主體之上部部分的半封圍內部空隙空間通向細長主體之底端之內部毛細管孔洞。該細長主體之該底端連接至該基板。
藉由給斜面提供開口,流體路徑在相對於微針之縱向方向垂直的方向上延伸至微針的邊緣。
上述情形具有以下優點:允許與微針接觸的流體更容易到達內部毛細管孔洞,從而允許經由微針輸送增加量的流體。此進一步具有以下優點:允許藉由微針輸送極低流量的體液,諸如沿著內部毛細管孔洞之一側或內角的流量。
在具體實例中,開口狹縫可位於扁平主體側的中心處。
上述情形具有以下優點:使扁平主體側處的組織中之流體更容易到達內部毛細管孔洞。插入至皮膚中之微針可使組織位移,藉以使壓抵扁平主體側之位移組織提供流體。
在具體實例中,開口狹縫可居中在扁平主體側處。舉例而言,居中可在主體側之絕對中心處,開口狹縫在主體側之中心上方延伸的開口狹縫的替代方案亦為可能的。
在具體實例中,開口狹縫可經定位偏離主體側之中心。
在具體實例中,自半封圍內部空隙空間延伸至第三主體側的至少一個表面可為彎曲的。
上述情形具有以下優點:使彎曲表面處之流體更容易到達內部毛細管孔洞。上述情形進一步具有以下優點:允許流體沿著彎曲表面之預定區域導引至內部毛細管孔洞。
在具體實例中,自半封圍內部空隙空間延伸至第三主體側的所有表面的至少一部分可為彎曲的。
在具體實例中,自半封圍內部空隙空間延伸至第三主體側的所有表面可藉由彎曲表面側連接。
在具體實例中,自半封圍內部空隙空間延伸至第三主體側的至少一個表面可藉由彎曲表面連接。
上述情形具有以下優點:允許彎曲表面處的流體更容易到達內部毛細管孔洞。上述情形進一步具有以下優點:允許流體較佳地經由彎曲表面之預定區域到達內部毛細管孔洞。
在具體實例中,細長主體可包含三個主體側。
上述情形具有以下優點:允許微針具有形成穿孔幾何形狀的兩個扁平主體側,且第三主體側包含開口狹縫且經組態以將流體導引至內部毛細管孔洞。
在具體實例中,細長主體可具有三個主體側。藉由上述情形,可設計出切割邊緣及較尖銳微針。
在具體實例中,細長主體可具有三角形或大致三角形的剖面。藉由上述情形,可設計出切割邊緣及較尖銳微針。
在具體實例中,微針之尖端形成在兩個主體側接合的位置處。
在具體實例中,兩個主體側可在尖銳邊緣處接合,藉由彎曲表面接合至第三主體側。
上述情形具有以下優點:允許彎曲表面經由第三主體側處之開口狹縫將流體導引至內部毛細管孔洞。
在具體實例中,微針可包含在微針之外表面上延伸的隆脊,其中隆脊在垂直於縱向軸線的方向上延伸。
上述情形具有以下優點:允許流體更容易地經由至少一個隆脊到達內部毛細管孔洞。上述情形進一步具有以下優點:允許穿透皮膚的微針保持組織遠離隆脊之間的凹槽,從而允許流體聚集在隆脊之間。
在具體實例中,上部部分可具有第一剖面面積,且下部部分可具有第二剖面面積,其中第二剖面面積可大於第一剖面面積。
與沿著整個細長主體具有第二剖面面積之微針相比,上述情形具有以下優點:允許微針以減少不適感穿透皮膚。上述情形進一步具有以下優點:在下部部分允許較大剖面,從而允許改良微針之結構完整性。
在具體實例中,微針可包含將上部部分及下部部分分開之分隔平面,其中該分隔平面之至少一部分不與基板平面平行。
在具體實例中,微針可包含將上部部分及下部部分開之分隔平面,其中該分隔平面不與基板平面平行。
上述情形具有以下優點:允許細長主體之上部部分包含切割邊緣及開口狹縫,其中切割邊緣及開口狹縫終止於距基板平面不同的距離處。上述情形進一步具有如下優點:允許細長主體的在分隔平面處的幾何形狀以期望方式使組織變形及/或經由開口狹縫將流體導引至內部毛細管孔洞。
在具體實例中,上部部分與下部部分之間的分隔平面可與斜面平行。
上述情形具有以下優點:允許簡化斜面及細長主體在分隔平面處之幾何形狀的製造。上述情形進一步具有以下優點:允許斜面穿透皮膚,且使細長主體的與分隔平面有關的部分隨後穿透皮膚平面,從而以類似的方式使組織變形,從而限制不適感及傷害。
在具體實例中,微針可包含將細長部分與基板連接的彎曲部分。
上述情形具有以下優點:允許細長部分的穩定性改良。
在具體實例中,延伸至第三主體側之斜面可藉助成角度部分與第三主體側連接。
在具體實例中,延伸至第三主體側之斜面可藉助彎曲部分與第三主體側連接。
在具體實例中,延伸至第三主體側之斜面可藉助突出凸耳與第三主體側連接。
在具體實例中,微針可整體形成在包含第一基板、第二基板及感測器的感測器總成之第一基板上。在同在申請中專利申請案SE1950886-0中揭示此類感測器總成,該專利申請案以引用方式併入本文中。第一基板包含至少一個界定流體路徑的毛細管孔洞。流體路徑自該第一基板之頂側穿過該第一基板延伸至底側上之流體通道。第二基板經佈置成與第一基板連接,且第一基板之流體通道與形成在第二基板中之第一金屬化通孔及第二金屬化通孔進行流體連通。從而使流體路徑延伸穿過第一金屬化通孔及第二金屬化通孔。該感測器包含第一電極及第二電極。第一電極及第二電極經配置在第二基板上,與第一基板之流體通道進行流體連通。第一電極與第一金屬化通孔電接觸,且第二電極與第二金屬化通孔電接觸。
在具體實例中,感測器總成可包含至少一個微針或複數個微針。
在具體實例中,第二基板可經配置與複數個微針相對之側上之第一基板、至少一個微針或複數個微針連接。
在具體實例中,第一電極可經成形為螺旋形,且第二電極可經成形為螺旋形,且其中第一電極及第二電極之螺旋形狀為嵌套的。
在具體實例中,感測器定位於第二基板的定向朝向第一基板之一側上。
在具體實例中,感測器可至少部分地定位於第二基板的定向朝向第一基板之一側上。
在具體實例中,感測器可至少部分地定位於通孔中。
在具體實例中,通孔可進一步包含可延伸穿過第二基板之信號路徑,且感測器可經配置為與信號路徑電連接。
在具體實例中,通孔可為空心的,從而提供第二基板之兩個相對側之間的流體連通。
在具體實例中,感測器可為電化學感測器。電化學感測器在所屬領域中為已知的。一種已知類型的電化學葡萄糖感測器為克拉克(Clark)生物感測器。此感測器基於氧電極上之葡萄糖氧化酶(GOx)薄層。讀數為在與基質葡萄糖發生酶促反應期間,GOx消耗的氧氣量。生物感測器(諸如克拉克型)的更詳細描述可在安東尼PF特納(Anthony PF Turner)的「生物感測器:感測及敏感性(Biosensors:sense and sensibility)」(《化學學會評論》,第42卷第8期,2013年4月21日,第3175至3648頁)中找到。所描述感測器可適於在本發明中使用。在此類具體實例中,感測器之至少一個電極塗覆有酶,諸如氧化還原酶。可用於本發明之酶為在氧為受體的電子施體上起作用的氧化還原酶。在國際生物化學與分子生物學聯盟的酶命名法中,此類酶通常被分類為EC 1.XXX基團。一種較佳的酶為葡萄糖氧化酶(EC 1.1.3.4),且另一種為葡萄糖脫氫酶(EC 1.1.1.47)。
在具體實例中,通孔之側可進一步包含具有指定表面能的物質。藉由上述情形,可藉由流體與特定表面能的相互作用來控制流體的流動特性。
在具體實例中,通孔之壁表面可進一步經製成疏水性的,諸如藉由塗覆有疏水物質。
在具體實例中,通孔之壁表面可進一步經製成親水性的,諸如藉由塗覆有親水物質。
在具體實例中,遠端中之毛細管孔洞之剖面面積可大於近端中之毛細管孔洞之剖面面積。
在具體實例中,流體通道可進一步包含減小的剖面面積,以便進一步增強流體通道中之流體流量。
術語剖面面積意指物件之剖面面積。剖面為物件與平面的相交點。在比較不同的剖面面積時,應理解,除非另有說明,相交平面為平行的。
在具體實例中,第一基板可進一步包含定位於與微針、至少一個微針或複數個微針相同側上之框架,其中框架至少部分地環繞第一基板上具有複數個微針的區域。
在具體實例中,框架在自基板延伸之方向上可具有等於或高於複數個微針之高度的高度。
在具體實例中,微針之毛細管孔洞之剖面面積可沿著縱向方向自遠端朝向近端逐漸減小。上述情形藉助於作用在毛細管孔洞中之流體上之毛細作用力來增強穿過毛細管孔洞之流體流量。
在具體實例中,毛細管孔洞之剖面(與縱向方向交叉)可進一步包含至少一個圓角。上述情形有助於毛細管孔洞的潤濕,此對流體流量具有積極作用。
在具體實例中,毛細管孔洞可具有三角形剖面。已證明,三角形剖面在毛細管孔洞中提供極其良好流體流量。在本申請案中之三角形剖面囊括具有實質上三角形形狀的剖面,亦即,具有凸形或凹形或筆直形狀的邊緣,具有尖角的拐角及具有鈍角的拐角以及圓角。
在具體實例中,毛細管孔洞可具有一剖面,該剖面包含沿著內壁的多個銳角及尖銳邊緣,從而形成例如多角星形多邊形、花瓣環、MEMS梳齒驅動結構、鋸齒結構、內擺線形狀、星形線形狀、雙角形狀或三尖瓣形狀。
在具體實例中,毛細管孔洞之壁可包含親水性表面,此增強毛細管孔洞中之流體流量。
在具體實例中,流體通道可經組態以向毛細管孔洞提供相對於大氣壓的欠壓,從而增強通過毛細管孔洞的流體流量。例如,可藉由連接至流體通道的注射器或真空泵產生欠壓。亦可用連接至流體通道的如在WO2019/020327 (以引用方式併入本文中)中所描述的抽吸施加裝置來產生欠壓。
在具體實例中,微針之細長主體可進一步包含在相對於縱向方向的徑向方向上延伸的側孔,其中該側孔與毛細管孔洞進行流體連通。上述情形具有降低毛細管孔洞中堵塞的風險的效應。
在具體實例中,第二基板可藉助於陽極/直接接合而可操作地連接至第一基板,此提供牢固且流體密封,而沒有用黏合劑堵塞流體通道的風險。
在具體實例中,可將包含一或多個根據本發明的微針的晶片併入至感測器總成中,諸如在同在申請中之申請案SE1950886-0(以引用方式併入本文中)中所描述的感測器總成。此晶片或感測器總成可進一步包含在量測裝置中。測量裝置可進一步包含抽吸裝置,諸如在WO2019/020327中揭示的抽吸裝置,其與晶片或感測器總成連接地配置在與一或複數個微針相對側且與微針的毛細管孔洞進行流體連通,從而通過微針和晶片及/或感測器總成的流體通道提供壓力差。
在具體實例中,整體地形成在第一基板上之一個或複數個微針可包含在基板上沿著縱向軸線自具有斜面之遠端延伸至近端的細長主體。細長主體可包含在其縱向上延伸的毛細管孔洞,且該毛細管孔洞界定流體路徑。近端可與基板整體地連接,且毛細管孔洞可與第一基板之流體通道進行流體連通。此外,遠端中之毛細管孔洞的剖面面積可大於近端中之毛細管孔洞的剖面面積。
斜面被稱為相對於毛細管孔洞之縱向軸線的傾斜表面。
在具體實例中,一個或複數個微針及/或第一基板可包含矽。
在具體實例中,一個或複數個微針及/或第一基板可包含大部分矽。
在具體實例中,一個或複數個微針及/或第一基板可由矽製成。
在具體實例中,上部部分之半封圍內部空隙空間之至少一側及細長主體之底端之內部毛細管孔洞之至少一側可形成連續表面。
在具體實例中,上部部分之半封圍內部空隙空間之至少兩側及細長主體之底端之內部毛細管孔洞之至少兩側可形成連續表面。
在具體實例中,上部部分之半封圍內部空隙空間之所有側面可與細長主體之底端之內部毛細管孔洞之側形成各別連續表面。
在具體實例中,細長主體之底端之毛細管孔洞可在至少一側上與細長主體之上部部分之內部空隙空間連續地合併。
在具體實例中,細長主體之底端之毛細管孔洞可在至少兩個毗鄰側上與細長主體之上部部分之內部空隙空間連續地合併。
在具體實例中,上部部分之內部空隙空間與底端之內部毛細管孔洞之間的開口可具有等於或類似於內部毛細管孔洞之面積的面積。
在具體實例中,上部部分之內部空隙空間與底端之內部毛細管孔洞之間的開口可與內部毛細管孔洞對準。
上部部分之內部空隙空間與底端之內部毛細管孔洞之間的開口例如可為對上部部分之內部空隙空間與底端之內部毛細管孔洞兩者係共同的區域,其中當沿著微針之縱向軸線方向觀察時,上部部分之內部空隙與底端之內部毛細管孔洞匯合。
在具體實例中,上部部分之半封圍內部空隙空間可為底端之內部毛細管孔洞的延續。
在具體實例中,內部毛細管孔洞可基本上筆直地延伸穿過基板。
在具體實例中,在基板之一側上之內部毛細管孔洞之大小可與在基板之相對側上之內部毛細管孔洞之大小相同。基板之一側上之內部毛細管孔洞之大小亦可在基板之另一側上之內部毛細管孔洞之大小的1%、5%、10%、25%、50%或100%之內。該大小可為直徑,但亦可為剖面面積。
在具體實例中,內部毛細管孔洞之剖面面積可在延伸穿過基板的同時線性增加。
在具體實例中,內部毛細管孔洞之側可為筆直的。
在具體實例中,內部毛細管孔洞之側可在延伸穿過基板時可為筆直的。
在具體實例中,內部毛細管孔洞可在與微針相對的一側上在與基板的邊界上形成邊緣。
在具體實例中,內部毛細管孔洞之剖面可為三角形、正方形、液滴形、星形或圓形。
在第二態樣中,本發明係關於一種用於經由流體通道將流體自複數個入口輸送至流體收集區域的流體通道系統,該流體通道系統包含流體收集區域及至少一個扇區。每一扇區包含第一區段及第二區段,其中在每一扇區中,第一區段包含至少兩個入口通道,每一入口通道連接入口及第二區段。在每一扇區中,第二區段經由連接通道連接第一區段之至少兩個入口通道及流體收集區域連接,其中在每一扇區中,至少兩個入口通道合併至連接通道中。
每一扇區包括在至少兩個入口通道之間的至少一個第一小滴形成結構。至少一個第一小滴形成結構經配置以藉由減小與空氣的流體界面面積來收集流體,並經由通道壁幾何形狀增大與通道壁接觸的流體界面面積,從而自一個入口通道朝向除該一個入口通道之外的另一入口通道移動。
每一連接通道包含第二小滴形成結構,其中第二小滴形成結構經配置在連接通道之端部處,該端向流體收集區域提供出口,且第二小滴形成結構經配置以收集自至少一個連接通道移動的流體。
流體通道至少由至少兩個入口通道及至少一個連接通道界定。
上述情形具有以下優點:允許自入口改良收集有限量之流體。上述情形進一步具有以下優點:允許藉由流體通道系統輸送體液之極低流量或偶發流量,諸如沿著流體通道之一側或內角的流量。
在具體實例中,至少一個第一小滴形成結構可經配置以將所收集流體朝向連接通道釋放。
在具體實例中,至少一個第一小滴形成結構可經配置以經由匯合結構朝向連接通道釋放所收集流體。匯合結構可例如為自連接通道的壁朝向小滴形成結構擠壓的通道壁。通道壁可具有曲率或不具有曲率。
在具體實例中,流體通道系統可進一步包含至少兩個扇區。
在具體實例中,流體通道系統可包含至少三個扇區。
上述情形具有以下優點:允許微針的增加數目個毛細管孔洞能夠連接至流體通道系統。上述情形進一步具有以下優點:限制用於將流體自微針毛細管孔洞輸送至流體收集區域的流體通道的體積及/或長度,從而限制保留在流體通道系統中之流體量。
在具體實例中,每一第一區段可經由連接通道將至少三個入口連接至流體收集區域。
上述情形具有以下優點:允許流體通道系統之入口數目增加。
在具體實例中,每一扇區可包含複數個第一區段,其中複數個第一區段中之每一者類似於第一區段。
在具體實例中,用於每一兩個入口通道的每一第一小滴形成結構可包含以小於180°,諸如小於120°、90°、45°、30°、15°或10°的角度接合的兩個毗鄰彎曲壁。
在具體實例中,至少一個第一小滴形成結構可包含在至少兩個入口之間的流體通道之壁的至少一部分上的表面經處理區域,其中該表面經處理區域經配置以將流體引導至流體收集區域。
上述情形具有以下優點:允許來自入口的流體的部分流量經導引至流體收集區域並經導引遠離另一入口。上述情形進一步具有以下優點:對於少量流體,限制保留在流體通道系統中之流體量,從而允許增加量的進入流體通道系統之少量流體到達流體收集區域。
在具體實例中,每一第二小滴形成結構可包含以小於180°,諸如小於120°、90°、45°、30°、15°或10°的角度接合的兩個毗鄰彎曲壁。
在具體實例中,至少一個第二小滴形成結構可包含在第二通道之壁處的表面經處理區域,該表面經處理區域經配置以保留流動朝向流體收集區域的流體。
此具有以下優點:允許流動朝向流體收集區域之流體在每一第二小滴形成結構處形成流體小滴,藉以可自流體收集區域接達並收集流體小滴。上述情形進一步具有以下優點:允許流體收集區域通向環境,並允許容易地接達由任何第二小滴形成結構形成的流體小滴,同時限制了流體與環境之間不期望的相互作用的量,諸如蒸發。
在具體實例中,至少一個第二小滴形成結構可包含化學物質,該化學物質經配置以與所收集流體相互作用並限制不期望的反應,諸如檸檬酸鹽與血液相互作用。與所收集流體相互作用的化學物質可包含在第二小滴形成結構處之表面層中。
在具體實例中,至少一個入口通道可包含連接入口及第一小滴形成結構的第一入口通道部分,其中第一入口通道部分幾何形狀包含以小於180°的角度接合的至少兩個毗鄰壁,其中入口通道部分縱向連接至入口。
藉由上述情形,可改良流體自入口穿過入口通道朝向小滴形成結構的轉移。流體之轉移可為間歇性且低量流、繞角流、Concus-Finn流以及部分及完全發展流。
在具體實例中,每一入口通道可包含連接入口及第一小滴形成結構的第一入口通道部分,其中第一入口通道部分幾何形狀包含以小於180°的角度接合的至少兩個毗鄰壁,其中入口通道部分縱向地連接至入口。
在具體實例中,入口可例如為孔洞或上游連接通道的一部分。
上述情形具有以下優點:允許流量沿著第一入口通道部分之預定側到達第一小滴形成結構。第一小滴形成結構可經配置以允許沿著第一入口通道部分之預定側或內角的流動穿過第一通道的包括第一小滴形成結構的區域,且經配置以限制沿著第一入口通道部分的其他側面或內角的流量。
在具體實例中,連接通道之剖面面積可自入口至流體收集區域減小。
在具體實例中,連接通道之寬度可自入口至流體收集區域減小。減小通道寬度可藉由光微影遮罩設計來完成。
在具體實例中,連接通道的深度可自入口至流體收集區域減小。減小通道深度可藉由光微影遮罩設計來完成。
在具體實例中,每一連接通道可具有漸縮的通道幾何形狀,該通道幾何形狀在自基板背面入口至流體收集區域的剖面面積中減小,此既藉由光微影遮罩設計減小通道寬度,且由於減少通道寬度的處理,減少通道深度。
上述情形具有以下優點:允許流體沿著連接通道之至少一側或內角流動,且允許流體小滴形成在流體收集區域處之端部處的第二小滴形成結構處。上述情形進一步具有以下優點:允許較低量的流體完全填充第二通道的在流體收集區域處的端部。
在具體實例中,流體收集區域進一步可包含出射端口,其中出射端口經配置以允許提取在流體收集區域中收集之流體。
上述情形具有以下優點:允許進入流體通道系統之流體隨時間聚集在第二小滴形成結構處,此後,在第二小滴形成結構處收集之流體可經由出射端口接達並自流體通道系統提取。上述情形進一步具有以下優點:允許經配置以提供主動流體流的裝置(諸如提供次壓的泵)經由出射端口與流體通道系統介接,並自流體通道系統主動輸送收集在第二小滴形成結構處的流體。
在具體實例中,通道之至少一部分可具有親水性內表面。
親水性表面亦可被稱為高能表面。
具有親水性內表面的部分可為任何一個入口通道、任何一個連接通道、複數個入口通道、複數個連接通道、所有入口通道、所有連接通道之一部分。該部分可進一步為一個扇區、複數個扇區或所有扇區之一部分。類似地,該部分可進一步為一個區段、複數個區段或所有區段之一部分。該部分可為收集區域、複數個收集區域或所有收集區域之一部分。
在具體實例中,通道之至少一側可具有親水性內表面。
在具體實例中,穿過流體通道系統之通道之至少一側可具有親水性內表面。
在具體實例中,通道之剖面通道壁之至少兩個毗鄰壁可具有親水性表面。
具有親水性內表面的通道壁可為任何一個入口通道、任何一個連接通道、複數個入口通道、複數個連接通道、所有入口通道、所有連接通道之一部分。通道壁可進一步為一個扇區、複數個扇區或所有扇區之一部分。類似地,通道壁可進一步為一個區段、複數個區段或所有區段之一部分。通道壁可為收集區域、複數個收集區域或所有收集區域之一部分。
藉由使至少兩個毗鄰壁具有親水性,可改良繞角流。
術語「繞角流」意指流體沿著或在至少兩個表面或壁之接合處形成的邊緣或拐角處流動。
藉由在通道中具有親水性內表面,可改良填充。從而可改良繞角流、中間流及完全發展流。在具體實例中,高能表面可包含接合至基板之背面的高能表面材料,因此覆蓋除出射端口上面外的流體系統。
在具體實例中,流體通道系統可進一步包含附接至具有通道系統之基板之蓋。蓋可經配置以操作作為流體系統上方之罩蓋。
在具體實例中,蓋或罩蓋可覆蓋基板之背面,因此覆蓋流體系統,除出射端口上面。
在具體實例中,蓋或罩蓋可包含高能表面材料。蓋或罩蓋可例如為玻璃。蓋或罩蓋可例如藉由接合或膠合附接至基板。
在具體實例中,蓋或罩蓋可包含覆蓋流體通道系統之至少一部分的高能材料。蓋或罩蓋可例如包含疏水材料,該疏水材料可在表面之部分(諸如覆蓋流體通道系統之表面)上處理為親水性。疏水材料可例如為塑膠,且親水性處理可例如為表面處理或添加親水性材料。蓋或罩蓋可例如藉由接合或膠合附接至基板。
在第三態樣中,本發明係關於一種用於經由至少一個微針收集流體的晶片。該晶片可包含至少一個根據任何本文中所描述的與其相關的具體實例之微針。至少一個微針整體地形成在共同基板之第一側上,其中每一近端與基板整體地形成,且每一毛細管孔洞與基板之第二側上之與其相關的根據任何本文中所描述具體實例的流體通道系統進行流體連通。晶片經配置以在微針與流體接觸時,將該流體藉由該微針和流體通道系統被動地輸送至流體收集區域。
上述情形具有以下優點:允許至少一個微針與流體接觸,以將流體流導引至內部毛細管孔洞中並經由流體通道系統導引至流體收集區域。上述情形進一步具有以下優點:允許極低流量的體液流進入微針並藉由流體通道系統輸送,諸如沿著內部毛細管孔洞及/或流體通道的一側及/或內角的流量。
在具體實例中,晶片之流體通道可包含方向改變,其中角度0小於90度。藉由避免流體通道的突彎,流體流量得以增強。
在具體實例中,晶片之流體通道之壁可包含方向改變,其中角度0小於90度。藉由避免流體通道之壁的突彎,流體流量得以增強。
在具體實例中,晶片可進一步包含基底基板,該基底基板包含與流體通道進行流體連通的流體端口,且在基底基板之背面開口。上述情形提供可連接至第二基板層、感測器元件或其他流體通道的取樣流體的存取點。
在具體實例中,流體端口可在端口的縱向上朝向基底基板或第二基板的背面包含增加面積。上述情形改良與其他流體通道(諸如管或注射器)的流體密封連接。
在具體實例中,基底基板可藉助於陽極/直接接合而可操作地連接至基板,上述情形提供牢固且流體密封,而無用黏合劑堵塞流體通道的風險。
在具體實例中,晶片上之至少一個微針可由邊緣環繞,該邊緣可與至少一個微針的遠端處於同一水平。上述情形具有以下效應:在與至少一個微針之遠端接合期間,受測對象的可拉伸材料,例如軟組織,經張緊。
在具體實例中,晶片上之至少一個微針可由邊緣環繞,該邊緣可高於至少一個微針之遠端。藉由上述情形,邊緣可比至少一個微針之遠端自第一基板延伸較遠。上述情形具有以下效應:在與至少一個微針之遠端接合期間,受測對象的可拉伸材料,例如軟組織,經張緊。
在具體實例中,出射端口可位於晶片之中心位置處。
在第四態樣中,本發明係關於一種使用一微機電系統製造程序製造包含一至少一個微針和一流體通道的一晶片的方法。該方法包含:在矽晶圓基板上生長犧牲氧化物層,用圖案化光阻劑遮蔽犧牲氧化物層,根據圖案化光阻劑移除犧牲氧化物層,使用深反應性離子蝕刻方法根據經移除犧牲氧化物層的圖案蝕刻矽晶圓,及藉由使用蝕刻劑移除剩餘的犧牲氧化物層。
在一個具體實例中,用於移除犧牲氧化物層的蝕刻劑可為液體蝕刻劑、電漿蝕刻劑或其組合。液體蝕刻劑可例如包含氫氟酸或緩衝氧化物蝕刻。
在一具體實例中,晶片可包含矽。
本發明基於所揭示見解。當仔細檢查時,很明顯,現有技術中需要對體液取樣的微針及/或流體通道系統進行改良設計。
圖1為根據本發明之具體實例的微針100的示意性立體圖,該微針具有沿著縱向軸線自頂端至底端延伸的細長主體110。細長主體包含上部部分120及下部部分130。細長主體110之上部部分120具有半封圍內部空隙空間140,該內部空隙空間由三個主體側形成,其中兩個主體側在尖銳邊緣處接合,且第三主體側設置有自細長主體110之下部部分130延伸至第三主體側之上部端的開口狹縫150。細長主體110之頂端經組態為斜面,以在邊緣的頂部處產生尖銳尖端,該斜面延伸至第三主體側。細長主體110之上部部分120之半封圍內部空隙空間140通向細長主體110之底端130之內部毛細管孔洞。細長主體110之下部部分130之內部毛細管孔洞延伸穿過微針100,且亦可延伸至可在其上設置微針100的基板。
圖2a為根據具體實例的沿微針200之縱向軸線的俯視圖。微針200具有半封圍內部空隙空間240,該內部空隙空間由三個主體側形成,其中兩個主體側在尖銳邊緣處接合,且第三主體側設置有開口狹縫250。此處,將細長主體之上部部分之半封圍內部空隙空間240說明為具有三角形剖面,且開口狹縫250位於扁平主體側的中心處。所示出開口狹縫250具有小於內部空隙空間240之寬度的寬度。
圖2b為根據具體實例的沿微針200之縱向軸線的俯視圖。微針200具有半封圍內部空隙空間240,該內部空隙空間由三個主體側形成,其中兩個主體側在尖銳邊緣處接合,且第三主體側設置有開口狹縫250。此處,將細長主體之上部部分之半封圍內部空隙空間240說明為具有三角形剖面及且開口狹縫250。所示出開口狹縫250具有大於內部空隙空間240之寬度的寬度。
圖2c為根據具體實例的沿微針200之縱向軸線的俯視圖。微針200具有半封圍內部空隙空間240,該內部空隙空間由三個主體側形成,其中兩個主體側在尖銳邊緣處接合,且第三主體側設置有開口狹縫250。此處,將細長主體之上部部分之半封圍內部空隙空間240說明為具有三角形剖面及且開口狹縫250。在本圖中,可看見下部部分230,此係因為上部部分220具有第一剖面面積,且下部部分230具有第二剖面面積,其中第二剖面面積大於第一剖面面積。藉由上述情形,下部部分230可延伸在上部部分220的外部。在本圖中,下部部分230以均勻方式延伸在上部部分220的外部。
圖2d為根據具體實例的沿微針200之縱向軸線的俯視圖。微針200具有半封圍內部空隙空間240,該內部空隙空間由三個主體側形成,其中兩個主體側在尖銳邊緣處接合,且第三主體側設置有開口狹縫250。此處,將細長主體之上部部分之半封圍內部空隙空間240說明為具有三角形剖面及且開口狹縫250。在本圖中,可看見下部部分230,此係因為上部部分220具有第一剖面面積,且下部部分230具有第二剖面面積,其中第二剖面面積大於第一剖面面積。藉由上述情形,下部部分230可延伸在上部部分220的外部。在本圖中,下部部分230在第三主體側上延伸在上部部分220的外側。
圖2e為根據具體實例的沿微針200之縱向軸線的俯視圖。微針200具有半封圍內部空隙空間240,該內部空隙空間由三個主體側形成,其中兩個主體側在尖銳邊緣處接合,且第三主體側設置有開口狹縫250,且兩個主體側藉由彎曲表面接合至第三主體側。此處,將細長主體之上部部分之半封圍內部空隙空間240說明為具有三角形剖面及且開口狹縫250。
在本圖中,自半封圍內部空隙空間240延伸至第三主體側的表面為彎曲的。在其他實例中,自半封圍內部空隙空間240延伸至第三主體側的所有表面的僅一部分或至少一個表面的一部分為彎曲的。
在本圖中,可看見下部部分230,此係因為上部部分220具有第一剖面面積,且下部部分230具有第二剖面面積,其中第二剖面面積大於第一剖面面積。藉由上述情形,下部部分230可延伸在上部部分220的外部。在本圖中,下部部分230以均勻方式延伸在上部部分220的外部。下部部分230之側在此藉由彎曲表面接合。在其他實例中,至少一個或複數個接頭可藉由彎曲表面製成,而其他接頭可在尖銳邊緣處接合。
除具有三角形剖面的所說明內部空隙空間外,其他形狀的內部空隙空間亦為可能的,諸如例如毛細管孔洞可具有一剖面,該剖面包含沿著內壁的多個銳角及尖銳邊緣,從而形成例如多角星形多邊形、花瓣環、MEMS梳齒驅動結構、鋸齒結構、內擺線形狀、星形線形狀、雙角形狀或三尖瓣形狀。
圖2f為根據具體實例的沿著微針200的縱向軸線示出的微針200的剖面。所說明微針200具有剖面形狀為圓形的毛細管孔洞260。半封圍內部空隙空間亦可具有圓形形狀。
內部邊緣亦可為具有凸形或凹形或直形的邊緣,具有銳角的拐角及具有鈍角的拐角以及圓角亦為可能的。
內部空隙空間及/或毛細管孔洞之壁亦可包含親水性表面,以增強在該空間或孔洞中之流體流量。
圖3a為根據本發明之具體實例的設置在基板上的微針300的示意性立體圖,該微針具有沿縱向軸線自頂端到底端延伸的細長主體310。細長主體包含上部部分320及下部部分330。細長主體310之上部部分320具有半封圍內部空隙空間340,該內部空隙空間由三個主體側形成,其中兩個主體側在尖銳邊緣處接合,且第三主體側設置有自細長主體310之下部部分330延伸至第三主體側之上部端的開口狹縫350。細長主體310之頂端經組態為斜面,以在邊緣之頂部產生尖銳尖端,該斜面延伸至第三主體側。細長主體310之上部部分320之半封圍內部空隙空間340通向細長主體310之底端330之內部毛細管孔洞。細長主體310之下部部分330之內部毛細管孔洞延伸穿過微針300,且亦可延伸至可在其上設置微針300的基板。
圖3b為根據本發明之具體實例的設置在基板上的微針300的示意性立體圖,該微針具有沿縱向軸線自頂端到底端延伸的細長主體310。細長主體包含上部部分320及下部部分330。細長主體310之上部部分320具有半封圍內部空隙空間340,該內部空隙空間由三個主體側形成,其中兩個主體側在尖銳邊緣處接合,且第三主體側設置有自細長主體310之下部部分330延伸至第三主體側之上部端的開口狹縫350。細長主體310之頂端經組態為斜面,以在邊緣之頂部產生尖銳尖端,該斜面延伸至第三主體側。細長主體310之上部部分320之半封圍內部空隙空間340通向細長主體310之底端330之內部毛細管孔洞。細長主體310之下部部分330之內部毛細管孔洞延伸穿過微針300,且亦可延伸至可在其上設置微針300的基板。在本圖中,可看見下部部分330,此係因為上部部分320具有第一剖面面積,且下部部分330具有第二剖面面積,其中第二剖面面積大於第一剖面面積。藉由上述情形,下部部分330可延伸在上部部分320的外部。在本圖中,下部部分330在第三主體側上延伸在上部部分320的外側。
圖3c為根據本發明之具體實例的設置在基板上的微針300的示意性立體圖,該微針具有沿縱向軸線自頂端到底端延伸的細長主體310。細長主體包含上部部分320及下部部分330。細長主體310之上部部分320具有半封圍內部空隙空間340,該內部空隙空間由三個主體側形成,其中兩個主體側在尖銳邊緣處接合,且第三主體側設置有自細長主體310之下部部分330延伸至第三主體側之上部端的開口狹縫350。兩個主體側藉由彎曲表面進一步接合至第三主體側,且自半封圍內部空隙空間延伸至第三主體側的表面為彎曲的。細長主體310之頂端經組態為斜面,以在邊緣之頂部產生尖銳尖端,該斜面延伸至第三主體側。細長主體310之上部部分320之半封圍內部空隙空間340通向細長主體310之底端330之內部毛細管孔洞。細長主體310之下部部分330之內部毛細管孔洞延伸穿過微針300,且亦可延伸至可在其上設置微針300的基板。
在本圖中,可看見下部部分330,此係因為上部部分220具有第一剖面面積,且下部部分330具有第二剖面面積,其中第二剖面面積大於第一剖面面積。藉由上述情形,下部部分330可延伸在上部部分320的外部。在本圖中,下部部分330在第三主體側上延伸在上部部分320的外側。上部部分320及下部部分330由分隔平面分隔。在該圖中,分隔平面之至少一部分不與基板平面平行。在其他實例中,分隔平面亦可為基本上與基板平行,分隔平面亦可與微針的斜面平行。
在本圖中,延伸至第三主體側之斜面藉助成角度部分與第三主體側連接。成角度部分例如可以與基板大致平行。延伸至第三主體側之斜面亦可藉助彎曲部分與第三主體側連接。
在另外實例中,細長主體可藉助彎曲部分與基板連接。
在另外實例中,微針亦可包含在微針之外表面上延伸的隆脊。隆脊可在垂直於微針之縱向軸線的方向上延伸。在額外具體實例中,隆脊可在與微針的縱向軸線平行的方向上延伸。在額外具體實例中,隆脊可經配置為與微針之縱向軸線一起延伸的螺旋形。
開口狹縫例如可位於諸如扁平主體側之主體側的中心處。開口狹縫亦可經定位於偏離主體側之中心的位置處。
自半封圍內部空隙空間延伸至第三主體側的至少一個表面或所有表面的至少一部分可為彎曲的。在一些實例中,自半封圍內部空隙空間延伸至第三主體側的至少一個或甚至所有表面可藉由彎曲表面側連接。
如所說明,細長主體可包含三個主體側。細長主體亦可實現為具有較多側,例如四個側或五個側。具有甚至較多側之額外實例為可能的,此等較多側可經均勻間隔或不對稱間隔。例如,具有偶數個側之細長主體為可行的,其中每隔一個側比其他側長。
細長主體之兩個主體側可在尖銳邊緣處接合,而在尖銳邊緣處接合的兩個主體側藉由彎曲表面接合至第三主體側。在尖銳邊緣處接合的主體側亦可藉由彎曲表面分別接合至第三主體側及第四主體側。
微針可包含在細長主體之外表面上延伸的隆脊,其中隆脊在垂直於縱向軸線的方向上延伸。
在包含複數個扇區的說明中,參考可經定位於變化扇區中之相應位置處。
在額外實例中,一個或複數個微針及/或第一基板可包含矽。一個或複數個微針及/或第一基板亦可包含大部分矽,或由矽製成。
在額外實例中,上部部分之半封圍內部空隙空間之至少一或兩側及細長主體之底端之內部毛細管孔洞之至少一側可形成連續表面。在其他實例中,上部部分之半封圍內部空隙空間之所有側面可與細長主體之底端之內部毛細管孔洞之側形成各別連續表面。
在額外實例中,細長主體之底端之毛細管孔洞可在至少一側上與細長主體之上部部分之內部空隙空間連續地合併。細長主體之底端之毛細管孔洞亦可在至少兩個毗鄰側上與細長主體之上部部分之內部空隙空間連續地合併。
在額外實例中,上部部分之內部空隙空間與底端之內部毛細管孔洞之間的開口可具有等於或類似於內部毛細管孔洞之面積的面積。上部部分之內部空隙空間與底端之內部毛細管孔洞之間的開口亦可與內部毛細管孔洞對準。
在額外實例中,上部部分之半封圍內部空隙空間可為底端之內部毛細管孔洞的延續。內部毛細管孔洞亦可基本上筆直地延伸穿過基板。在基板之一側上之內部毛細管孔洞之大小可與在基板之相對側上之內部毛細管孔洞之大小相同。基板之一側上之內部毛細管孔洞之大小亦可在基板之另一側上之內部毛細管孔洞之大小的1%、5%、10%、25%、50%或100%之內。該大小可為直徑,但亦可為剖面面積。
在額外實例中,內部毛細管孔洞之剖面面積可在延伸穿過基板的同時線性增加。內部毛細管孔洞之側亦可為筆直的或在延伸穿過基板時為筆直的。
在額外實例中,內部毛細管孔洞可在與微針相對的一側上在與基板的邊界上形成邊緣。
在額外實例中,內部毛細管孔洞之剖面可為三角形、正方形、液滴形、星形或圓形。
圖4為根據具體實例的自上方示出的流體通道系統400的示意圖。流體通道系統400經配置用於經由流體通道將流體自複數個入口442輸送至流體收集區域410。所說明流體通道系統400包含一個扇區430,其中扇區430包含第一區段440及第二區段450。
在扇區430中,第一區段440包含五個入口通道441,每一入口通道441連接入口442及第二區段450。在扇區430中,第二區段450經由連接通道451將第一區段440之五個入口通道441及流體收集區域410。在扇區430中,五個入口通道441合併至連接通道451中。
扇區430包含在五個入口通道441中之每一個之間的四個第一小滴形成結構431。四個第一小滴形成結構431經配置以藉由減小與空氣的流體界面面積來收集流體,並經由通道壁幾何形狀增大與通道壁的流體界面面積,從而自一個入口通道朝向除該一個入口通道之外的另一入口通道移動。
連接通道451包含第二小滴形成結構432。第二小滴形成結構432經配置在連接通道451之端部處,該端向流體收集區域410提供出口,且第二小滴形成結構432經配置以收集自連接通道451移動的流體。
圖5為根據具體實例的自上文示出的流體通道系統500的示意圖。流體通道系統500經配置用於經由流體通道將流體自複數個入口輸送至流體收集區域510。流體通道系統500包含至少一個扇區,其中每一扇區包含第一區段540及第二區段550。
在每一扇區中,第一區段540包含至少兩個入口通道541,每一入口通道541連接入口及第二區段550。在每一扇區中,第二區段550經由連接通道551連接第一區段540之至少兩個入口通道541及流體收集區域510。在每一扇區中,至少兩個入口通道541合併至連接通道551中。
每一扇區在至少兩個入口通道541之間包含至少一個第一小滴形成結構531。至少一個第一小滴形成結構531經配置以藉由減小與空氣的流體界面面積來收集流體,並經由通道壁幾何形狀增大與通道壁的流體界面面積,從而自一個入口通道朝向除該一個入口通道之外的另一入口通道移動。
每一連接通道551包含第二小滴形成結構532。第二小滴形成結構532經配置在連接通道551之端部處,該端向流體收集區域510提供出口,且第二小滴形成結構532經配置以收集自至少一個連接通道551移動的流體。
流體通道具有至少兩個入口通道541及至少一個連接通道551。在當前圖中,存在十個扇區。每一扇區設置有五個入口通道541,四個第一小滴形成結構531及一個連接通道551。
圖6a為根據具體實例的自上方示出的流體通道系統600的示意圖。流體通道系統600經配置用於經由流體通道將流體自複數個入口642輸送至流體收集區域610。流體通道系統600包含至少一個扇區,其中每一扇區包含第一區段640及第二區段650。
在每一扇區中,第一區段640包含至少兩個入口通道641,每一入口通道641連接入口642及第二區段650。在每一扇區中,第二區段650經由連接通道651連接第一區段640之至少兩個入口通道641及流體收集區域610。在每一扇區中,至少兩個入口通道641合併至連接通道651中。
每一扇區在至少兩個入口通道641之間包含至少一個第一小滴形成結構631。至少一個第一小滴形成結構631經配置以藉由減小與空氣的流體界面面積來收集流體,並經由通道壁幾何形狀增大與通道壁的流體界面面積,從而自一個入口通道朝向除該一個入口通道之外的另一入口通道移動。
每一連接通道651包含第二小滴形成結構。第二小滴形成結構經配置在連接通道651之端部處,該端向流體收集區域610提供出口,且第二小滴形成結構經配置以收集自至少一個連接通道651移動的流體。
流體通道具有至少兩個入口通道641及至少一個連接通道651。在當前圖中,存在十個扇區。每個扇區設有五個入口通道641,四個第一小滴形成結構631及一個連接通道651。
圖6b為根據類似於圖6a中存在的具體實例的具體實例以立體圖示出流體通道系統600的示意圖的一部分。
通道系統可進一步具有至少一個第一小滴形成結構,該第一小滴形成結構可經配置以將所收集流體朝朝向連接通道釋放。
此外,通道系統可經配置使得至少一個第一小滴形成結構經配置以經由匯合結構將所收集流體朝向連接通道釋放。匯合結構可例如為自連接通道的壁朝向小滴形成結構擠壓的通道壁。通道壁可具有曲率或不具有曲率。
通道系統可包含一個、兩個、至少兩個、至少三個、複數個或任何合適數目的扇區,諸如五個、六個、七個、八個、九個或十個。具有甚至更多扇區的設計亦為可能的。
第一區段亦可經由連接通道將三個或多於三個入口連接至流體收集區域。每一扇區可又包含複數個第一區段,其中複數個第一區段中之每一者類似於第一區段。用於每一兩個入口通道的第一小滴形成結構亦可經配置以包含以小於180°,諸如小於120°、90°、45°、30°、15°或10°的角度接合的兩個毗鄰彎曲壁。
第一小滴形成結構亦可包含在至少兩個入口之間的流體通道之壁的至少一部分上的表面經處理區域,其中該表面經處理區域經配置以將流體引導至流體收集區域。
第二小滴形成結構可進一步包含以小於180°,諸如小於120°、90°、45°、30°、15°或10°的角度接合的兩個毗鄰彎曲壁。第二小滴形成結構亦可包含在第二通道之壁處的表面經處理區域,該表面處理區域經配置以保留流動朝向流體收集區域的流體。第二小滴形成結構可進一步包含化學物質,該化學物質經配置以與所收集流體相互作用並限制不期望的反應,諸如檸檬酸鹽與血液相互作用。與所收集流體相互作用的化學物質可包含在第二小滴形成結構處之表面層中。
入口通道可進一步包含連接入口及第一小滴形成結構的第一入口通道部分,其中第一入口通道部分幾何形狀包含以小於180°的角度接合的至少兩個毗鄰壁,其中入口通道部分縱向地連接至入口。入口通道亦可包含連接入口及第一小滴形成結構的第一入口通道部分,其中第一入口通道部分幾何形狀包含以小於180°的角度接合的至少兩個毗鄰壁,其中入口通道部分縱向地連接至入口。入口可例如為孔洞或上游連接通道的一部分。
連接通道之剖面面積可自入口至流體收集區域減小。為了減小連接通道的剖面面積,連接通道之深度可自入口至流體收集區域減小,及/或連接通道的寬度可自入口至流體收集區域減小。連接通道亦可具有漸縮的通道幾何形狀,該通道幾何形狀在自基板背面入口至流體收集區域的剖面面積中減小。
流體收集區域進一步可經配置以包含出射端口,其中出射端口經配置以允許提取在流體收集區域中收集之流體。
通道系統中之通道或通道壁的至少一部分可具有親水性內表面。通道或通道壁的具有親水性內表面的部分可為任何一個入口通道、任何一個連接通道、複數個入口通道、複數個連接通道、所有入口通道、所有連接通道之一部分。該部分可進一步為一個扇區、複數個扇區或所有扇區之一部分。類似地,該部分可進一步為一個區段、複數個區段或所有區段之一部分。該部分可為收集區域、複數個收集區域或所有收集區域之一部分。舉例而言,通道的至少一側可具有親水性內表面,穿過流體通道系統之通道的至少一側可具有親水性內表面,及/或通道之剖面通道壁之至少兩個毗鄰壁可具有親水性表面。
流體通道系統可進一步包含附接至具有通道系統之基板之蓋。蓋可經配置以操作作為流體系統上方之罩蓋。蓋或罩蓋可覆蓋基板之背面,因此覆蓋流體系統,除出射端口上面。蓋或罩蓋亦可包含高能表面材料。蓋或罩蓋可例如為玻璃。蓋或罩蓋可例如藉由接合或膠合附接至基板。蓋或罩蓋亦可包括覆蓋流體通道系統的至少一部分的高能材料。蓋或罩蓋可例如包含疏水材料,該疏水材料可在表面之部分(諸如覆蓋流體通道系統之表面)上處理為親水性。疏水材料可例如為塑膠,且親水性處理可例如為表面處理或添加親水性材料。
圖7為用於經由至少一個微針收集流體的示意性晶片700的剖面圖。用複數個微針說明本圖。
晶片700具有整體地形成在共同基板710之第一側上之根據任何本文中所揭示具體實例的微針。微針720之每一近端與基板710整體地形成,且每一毛細管孔洞730與基板710之第二側上之根據任何本文中所揭示具體實例的流體通道系統750的入口740進行流體連通。
晶片700經配置以在微針720與流體接觸時藉由該微針720及流體通道系統750將該流體被動地輸送至流體收集區域。
圖8為使用微機電系統製造程序800製造晶片的方法的示意圖,該晶片包含根據任何本文中所揭示具體實例的至少一個微針及根據任何本文中所揭示具體實例的流體通道。
所說明製造程序包含以下步驟:在矽晶圓基板上生長810犧牲氧化物層,用圖案化光阻劑遮蔽820犧牲氧化物層,根據圖案化光阻劑移除830犧牲氧化物層,使用深反應性離子蝕刻方法根據經移除犧牲氧化物層的圖案蝕刻840矽晶圓,及藉由使用蝕刻劑移除850剩餘的犧牲氧化物層。
用於移除犧牲氧化物層的蝕刻劑可例如為液體蝕刻劑、電漿蝕刻劑或其組合。液體蝕刻劑可例如包含氫氟酸或緩衝氧化物蝕刻。
從而,微針、通道系統、晶片及製造程序允許與微針接觸的流體更容易到達內部毛細管孔洞,從而允許經由微針及用於輸送流體的通道系統輸送增加量的流體,可提供用於對體液進行取樣的經改良解決方案。
儘管已描述特定具體實例,但所屬技術領域中具有通常知識者將理解,在所附申請專利範圍中所界定的範圍內可設想各種修改及變更。
參考所揭示圖式將自下文對具體實例的詳細描述,將對本發明之上述以及其他特徵及優點有更透徹的理解,其中:
[圖1]為微針的示意性立體圖。
[圖2a]為根據具體實例的自上方示出的微針。
[圖2b]為根據具體實例的自上方示出的微針。
[圖2c]為根據具體實例的自上方示出的微針。
[圖2d]為根據具體實例的自上方示出的微針。
[圖2e]為根據具體實例的自上方示出的微針。
[圖2f]為根據具體實例的微針的剖面。
[圖3a]為微針的示意性立體圖。
[圖3b]為微針的示意性立體圖。
[圖3c]為微針的示意性立體圖。
[圖4]為自上方示出的流體通道系統的示意圖。
[圖5]為根據具體實例的自上方示出的流體通道系統的示意圖。
[圖6a]為根據具體實例的自上方示出的流體通道系統的示意圖。
[圖6b]為根據具體實例的流體通道系統的一部分的示意性立體圖。
[圖7]為示意性晶片的剖面圖。
[圖8]為製造晶片的方法的示意圖。

Claims (23)

  1. 一種微針(100、200、300、720),其被設置在一基板(300、710)上且包含: 一細長主體(110、210、310),其在該基板上沿著一縱向軸線自一頂端延伸至一底端,其中: 該細長主體包含一上部部分(120、220、320)及一下部部分(130、230、330); 該細長主體之該下部部分包含一內部毛細管孔洞(260、730),該內部毛細管孔洞延伸至該基板中; 該細長主體之該上部部分具有一半封圍內部空隙空間(140、240),該內部空隙空間由至少三個主體側形成,其中兩個主體側在一尖銳邊緣處接合,且一第三主體側設置有自該細長主體之該下部部分延伸至該第三主體側之上部端的一開口狹縫(150、250、350); 該細長主體之該頂端經組態為一斜面,以在該邊緣的頂部處產生一尖銳尖端,該斜面延伸至該第三主體側; 該細長主體之該上部部分之該半封圍內部空隙空間通向該細長主體之該底端之該內部毛細管孔洞;且 該細長主體之該底端連接至該基板。
  2. 如請求項1之微針,其中該開口狹縫位於一扁平主體側的中心處。
  3. 如請求項1或2之微針,其中自該半封圍內部空隙空間延伸至該第三主體側的至少一個表面為彎曲的。
  4. 如請求項3之微針,其中自該半封圍內部空隙空間延伸至該第三主體側的所有表面的至少一部分為彎曲的。
  5. 如請求項1至4中任一項之微針,其中該細長主體包含三個主體側。
  6. 如請求項5之微針,其中在一尖銳邊緣處接合的該兩個主體側藉由彎曲表面接合至一第三主體側。
  7. 如請求項1至6中任一項之微針,其進一步包含在該微針之一外表面上延伸的隆脊,其中該等隆脊在垂直於該縱向軸線的一方向上延伸。
  8. 如請求項1至7中任一項之微針,其中該上部部分具有一第一剖面面積,且該下部部分具有一第二剖面面積,其中該第二剖面面積大於該第一剖面面積。
  9. 如請求項1至8中任一項之微針,其進一步包含分隔該上部部分及該下部部分之一分隔平面,其中該分隔平面之至少一部分不與基板平面平行。
  10. 如請求項9之微針,其中該上部部分與該下部部分之間的該分隔平面與該斜面平行。
  11. 如請求項1至10中任一項之微針,其進一步包含將該細長部分與該基板連接的一彎曲部分。
  12. 一種用於經由一流體通道將流體自複數個入口(442、642、740)輸送至一流體收集區域(410、510、610)的流體通道系統(400、500、600、750),該流體通道系統包含該流體收集區域及至少一個扇區(430),其中每一扇區包含一第一區段(440、540、640)及一第二區段(450、550、650),其中在每一扇區中,該第一區段包含至少兩個入口通道(441、541、641),每一入口通道連接一入口及該第二區段,其中在每一扇區中,該第二區段經由一連接通道(451、551,651)連接該第一區段之該至少兩個入口通道及該流體收集區域,其中在每一扇區中,該至少兩個入口通道合併至該連接通道中;其中 每一扇區包含在該至少兩個入口通道之間的至少一個第一小滴形成結構(431、531、631),其中該至少一個第一小滴形成結構經配置以藉由減小與空氣的流體界面面積來收集流體,並經由通道壁幾何形狀增大與通道壁的流體界面面積,從而自一個入口通道朝向除該一個入口通道之外的另一入口通道移動; 每一連接通道包含一第二小滴形成結構(432、532),其中該第二小滴形成結構配置在該連接通道之端處,該端向該流體收集區域提供一出口,且該第二小滴形成結構經配置以收集自至少一個連接通道移動的流體;且 其中該流體通道至少由該至少兩個入口通道及該至少一個連接通道界定。
  13. 如請求項12之流體通道系統,其中該至少一個第一小滴形成結構經配置以將所收集流體朝向該連接通道釋放。
  14. 如請求項12或13之流體通道系統,其包含至少兩個扇區。
  15. 如請求項12至14中任一項之流體通道系統,其中每一第一區段經由該連接通道將至少三個入口連接至該流體收集區域。
  16. 如請求項12至15中任一項之流體通道系統,其中每兩個入口通道之間的每一第一小滴形成結構包含以小於180°,諸如小於120°、90°、45°、30°、15°或10°的一角度接合的兩個毗鄰彎曲壁。
  17. 如請求項12至16中任一項之流體通道系統,其中每一第二小滴形成結構包含以小於180°,例如小於120°、90°、45°、30°、15°或10°的一角度接合的兩個毗鄰彎曲壁。
  18. 如請求項12至17中任一項之流體通道系統,其中每一入口通道包含連接該入口及該第一小滴形成結構的一第一入口通道部分,其中第一入口通道部分幾何形狀包含以小於180°的一角度接合的至少兩個毗鄰壁,其中該入口通道部分縱向地連接至該入口。
  19. 如請求項12至18中任一項之流體通道系統,其中該連接通道之剖面面積自該等入口至該流體收集區域減小。
  20. 如請求項12至19中任一項之流體通道系統,其中該流體收集區域包含一出射端口,其中該出射端口經配置以允許提取在該流體收集區域中收集之流體。
  21. 如請求項12至20中任一項之流體通道系統,其中一通道的至少一部分具有一親水性內表面。
  22. 一種用於經由至少一個微針(720)收集流體的晶片(700),其包含: 至少一個如請求項1至11中任一項之微針,其整體地形成在一共同基板(710)之一第一側上,其中每一近端與該基板整體地形成,且每一毛細管孔洞(730)與該基板之一第二側上的一如請求項12至21中任一項之流體通道系統(750)之一入口(740)進行流體連通, 其中該晶片經配置以在一微針與流體接觸時,將該流體藉由該微針及該流體通道系統被動地輸送至一流體收集區域。
  23. 一種使用一微機電系統製造程序製造如請求項22之晶片的方法(800),該晶片包含至少一個微針及一流體通道,該方法包含: 在一矽晶圓基板上生長(810)一犧牲氧化物層; 用一經圖案化光阻劑遮蔽(820)該犧牲氧化物層; 根據該經圖案化光阻劑移除(830)該犧牲氧化物層; 使用一深反應性離子蝕刻方法根據該經移除犧牲氧化物層之圖案蝕刻(840)該矽晶圓; 藉由使用一蝕刻劑移除(850)該剩餘犧牲氧化物層。
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