专利名称：用于感测流体性质的方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于感测流体性质的方法和设备。具体地，本发明提供了在微流控(microfluidic)环境下各传感器的协作。
背景技术：
在单芯片上集成了一个或若干功能的器件具有许多应用，比如监测流体的性质或化学反应。被称为片上实验室器件(lab-on-chip device)的这类器件通常以极小的规模来结合多个半导体传感器和微流控通道。然而，存在对不同技术特别是CM0S/MEMS和微流控技术进行低成本集成的需要。尤其是由半导体工业驱使的规模经济更偏向基于不改变工业化生产过程的解决方案。由不同元件的各种各样的物理尺寸范围所造成的制约使得晶圆级集成对于低成本大批量生产而言代价高昂。例如，通常的片上实验室应用可能需要面积在I至IOmm2范围内的CMOS元件、面积在25至IOOmm2范围内的MEMS元件以及面积在200至2500mm2范围内的微流控元件。因此，对于CM0S/MEMS技术而言，以晶圆级集成这些元件将会是巨大浪费，因为公共的片上实验室面积是由将流体和外部系统衔接到该器件所需的面积来决定的。附图中的图1示出了具有使用可光学图案化的环氧树脂2进行封装的接合线10和晶片4的混合CMOS/微流控复合器件的截面图。通过将衬底I固定到载体衬底8来形成微流控腔室11。在对纤细的接合线进行线接合并此后需要将它们封装的过程中发生了问题。晶片级封装芯片通常需要将感光材料(比如某些环氧树脂和SU-8)沉积到被线接合到晶片(见附图中的图1)的复合组件(比如封装件或衬底)上并进行处理。常见的挑战是避免除了由旋涂过程中的离心力之外还由流体粘性引起的机械应力造成对精细的接合线的损坏。一种替代方式是通过牺牲材料(例如SU-8)来限定未暴露的(即化学灵敏的)区域，或者通过精确地定义一个框并随后使用可UV固化的环氧树脂来灌封框与封装件之间的区间。该技术往往被称为“坝填充”封装。商用化学传感器使用更复杂的工艺流程，其基于上述各技术与预制外壳的结合，以确保除了长期的稳定性之外还有稳健的隔离性。然而，这些都是非常费力的，并因此对于大批量生产而言非常昂贵。上述这些技术无论哪一种都具有以下两个根本性的局限:(i)在焊盘区域内部形成了不期望的井(通常200至300 μ m的深度)，以及(ii)由于这种相对较厚的封装构造，其顶表面不十分平整。这导致了在其上方覆盖微流控通道时的密封、粘合和对准方面的问题，其往往需要中间的平坦化步骤。已经提出了若干技术型的封装解决方案。然而，这些方案通常需要在晶圆级(即切成晶片之前)对CMOS器件进行预处理。倒装芯片封装方法可以提供稳健封装的平整的顶表面，然而芯片表面上方的“寄生井”的问题仍未克服。MIT/林肯实验室的基于多个绝缘体上硅(SOI)CMOS叠层的实验性3D CMOS工艺允许通过叠层的通孔，并且，由于硅位于绝缘衬底上，因此可以将焊盘置于衬底的下侧，而保持顶层平整以用于化学感测的目的。这也许对未来新兴技术提供了最具前景的解决方案(预计外形可达到摩尔定律的极限——从22nm缩小到IOnm时)。这由致力于解决3D CMOS的全部问题的IBM公司在其王牌期刊“IBM Journalof Research&Development”中得到了证实。然而,该技术多年来一直未能应用于商业,而且即便将其应用于商业时，预计仍会保持相对昂贵(与块状CMOS相比)，因而仍将局限于小众应用场合。一旦已封装好传感器，希望提供微流控通道将流体引入传感器。这些通道通常形成在与传感器衬底分开的衬底中。这两个衬底被相互对准并密封。随着半导体传感器以更精细的间距而日益变得更小，出现了将微流控通道与传感器对准方面的问题。不良的装配公差意味着存在这样的可能性通道之间的壁可能阻挡传感器，从而实际上可能不是在每个通道中都存在传感器。在大批量生产中，微流控对准公差可能比传感器的最小外形尺寸大100至1000倍。在一些应用中，可能希望使用ISFET传感器来监测许多流体腔室中的反应。希望将许多ISFET传感器排布在单个娃芯片上,而在每个传感器上方发生不同的反应。这意味着必须以如下方式来封装芯片的表面生成彼此为流体密封的多个腔室，以使得它们的化学成分不会相互混杂。为了提供传感器之间的密封性，期望的是流体通道/腔室的层将被安装在电子芯片的顶部。这可以采用光刻技术直接在芯片表面上构建或蚀刻，或者替代地可以通过各种手段构建为独立部分，并随后作为后续步骤将其附接到芯片上。无论哪种方式，由于流体通道/腔室必须与传感器对准，因此产生了明显的权衡。期望的是使传感器更接近地被间隔开，即具有更精细的间距，以使得尺寸最小，从而令硅芯片(以及流体元件)成本最小。然而，相反地又期望使传感器间隔得更开，从而生产流体元件并将它们与传感器对准更为容易。一般通过下述两种方式之一来对准衬底将一个衬底与另一衬底上的基准线(可能是物理突出)对准；或者，将每个衬底上的可视重叠标记进行对准。其意图在于，两个衬底被中心对准或法线对准，以使得腔室与传感器关于(多条)中心线对称地排列。这通常表明每个传感器的中心点与每个腔室的中心点对准。因此，相对于中心的对准公差通常是腔室的宽度减去传感器宽度，在该点之后，感测表面的一部分将不会暴露于腔室。对准公差可以表达为公差=±(Wc-Ws)/2 (I)其中Wc、Ws分别表不一个腔室的宽度和一个传感器的宽度。以下参考文献提供了片上实验室封装的
背景技术：
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本发明的一个目的是提供克服了上文讨论的现有技术的问题的设备和方法。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供了一种用于感测流体性质的器件，该器件包括:第一衬底，其上形成有传感器和无线发射器，所述传感器配置为在使用中与流体接触以便感测所述流体的性质，所述无线发射器用于经由无线数据链路来发送数据；以及第二衬底，其上形成有无线接收器，所述无线接收器用于接收由所述无线发射器经由所述无线数据链路发送的数据。所述第一衬底被安装到所述第二衬底上或被安装在所述第二衬底内。根据本发明的第二方面，提供了一种用于操作一个或多个传感器的方法，该方法包括步骤:提供流体以与传感器接触；使用变换器对传感器和发射器供电；使用传感器来感测流体的性质；以及使用发射器来无线地发送感测的数据或者经过处理的感测的数据。根据本发明的第三方面，提供了一种制造微流控传感器器件的方法，包括步骤:提供第一衬底，所述第一衬底限定了用于接收待感测的流体的一个微流控结构或多个微流控结构；提供包括了或附接了多种液控传感器(fluid sensor)的第二衬底，传感器的数量大于微流控结构的数量；以及将所述第一衬底和所述第二衬底安装在一起，使得至少一个传感器与所述一个微流控结构或所述多个微流控结构的每一个对准以便为所述一个微流控结构或所述多个微流控结构的每一个提供有效的传感器，并且使得一个或多个传感器不与任何微流控结构对准从而使一个或多个传感器是冗余的。根据本发明的第四方面，提供了一种器件，其包括第一衬底，其限定了用于接收待感测的流体的一个微流控结构或多个微流控结构；第二衬底，其包括了或附接了多种液控传感器，传感器的数量大于微流控结构的数量。所述第二衬底与所述第一衬底接触，使得至少一个传感器与所述一个微流控结构或所述多个微流控结构的每一个对准以便为所述一个微流控结构或所述多个微流控结构的每一个提供有效的传感器，并且使得一个或多个传感器不与任何微流控结构对准从而使一个或多个传感器是冗余的。根据本发明的第五方面，提供了一种配置器件的方法，其包括步骤(i)检测对应于第一传感器的第一信号；以及(ii)利用所述第一信号以及对至少一个微流控结构中的流体的性质的了解或对多个传感器之间的空间关系的了解来确定哪些传感器暴露于哪个微流控结构。根据本发明的第六方面，提供了一种用于配置器件的配置设备，所述配置设备包括(i)接收器，其用于检测对应于第一传感器的第一信号；以及(ii)确定装置，其用于利用对至少一个微流控结构中的流体的性质的了解或对多个传感器之间的空间关系的了解来确定哪些传感器暴露于哪个微流控结构。在所附的从属权利要求中阐述了优选实施例。
现在将参照附图仅以示例方式描述本发明的具体实施例，在附图中图1是公知的用于化学感测的CMOS封装方法；图2是衬底内嵌入了 CMOS传感器的微流控组件的截面图；图3示出使用光学(IR)通信提供数据传送的实施例；图4示出使用局部电感耦合提供数据传送的实施例；图5示出使用RFID技术提供数据传送的实施例；图6示出重叠了二维ISFET阵列的二维流体腔室阵列；以及图7示出重叠了一维ISFET阵列的一维流体腔室阵列。
具体实施例方式在一个实施例中，如图2所示，半导体传感器芯片13被衬底16的凹陷内的粘合剂15封装。这使得芯片的感测表面与腔室12共面。第二衬底14密封性地安装到衬底16，并且为待感测的流体提供了微流控通道。可以引导流体与芯片13的感测表面接触并被检测。可以通过集成到芯片中的适当的传感器来检测诸如温度、pH、化学性质、导流能力之类的性质。通过在CMOS芯片上提供适当的无线通信和变换器硬件，可以实施用于非接触式的能量和数据传送的方案。该芯片从而能够将信号无线地发送到位于附近的接收器。该信号包含与芯片状态或通过传感器得到的流体性质有关的数据。因此，本实施例提供了一种不使用任何接合线就能封装传感器芯片并将传感器芯片连接到器件且还能保持芯片顶表面平整的方法。
变换器是用于将能量从一种形式转换为另一种形式的器件。例如，一个电路可以接收入射的辐射能并将其转换为DC电能。通过这种方式可以无线地传输电力。无线通信是指不使用电导线(不像传统通信方法通常那样)而在两个或多个器件之间进行通信。可以通过对从发射器发出的信号进行激励或者对从发射器附近或发射器中通过的受激信号进行调制以产生新的信号，来提供无线通信的传输。该信号包含能够被接收器解释的编码数据或未编码数据。通信可以是双向的，在这种情况下每个器件都被配置成发送并接收信号(收发器)。第一器件可以产生能量突发脉冲序列(burst)以便(通过轮询或“ping”)请求来自第二器件的数据，使得第二器件随后传输数据。通过实施以下设计步骤，可以对片上实验室(LOC)组件应用无线方案: 将CMOS晶片安装到(载体)衬底的凹陷内，使得晶片的顶表面与(载体)衬底共面(见图2 )，该(载体)衬底可以是多层印刷电路板(PCB)。.将微流控衬底堆叠到载体衬底上。可以将它们设计为相同的尺寸(即长度和宽度)以形成2层组件(见图2)。.在CMOS芯片上提供通信子系统和变换器以便除了能够以片外方式传输数据之外还能够从外部源恢复电力和数据。 将适当的结构(例如PCB图案化天线或电感器)提供到(载体)衬底中或者提供到嵌入于载体衬底内的次小型表面安装(芯片)元件中(取决于所选择的无线技术)。.在晶片的下侧(感测表面的那一面)上提供接地板，其与衬底的接地板接触以便为晶片提供电接地。可以通过导电环氧树脂将触点接合在一起，导电环氧树脂还用来将晶片机械地耦接到衬底。这样的器件具有可靠、低成本以及组装方便的优点。无线传感器系统的布置减少了对线接合的需要，从而为大批量生产提供了相当大的成本方面的好处。除了与线接合处理有关的直接的成本节约以外，还节省了额外的处理步骤，例如接合线封装和表面平坦化步骤。由于接合线周围的密封剂通常是在浸入电解质中时首先劣化的部分，因此还提高了芯片的可靠性和稳定性。由于不需要用于接合或封装的空间，因此半导体芯片本身(其需要昂贵的材料和处理)可以比从前更小。该芯片可以与传感器和通信硬件一样小。对工艺流程的简化减少了对时间密集的高精度对准任务的需要。这意味着可以利用便宜的大批量生产技术(例如注塑成型和机器人装配)来制造各种元件。组件对准的问题减小了，因为无需将衬底完全对准就可以将传感器芯片直接置入微流控腔室(其物理地大于芯片本身)中。在衬底中可以形成许多腔室，在每个腔室内都布置有一个或多个芯片。此方法避免了(通过传统方法)封装后的晶片内形成寄生井。这除了由于固有的平整衬底而提供了稳健的衬底集成的手段以外，还简化了微流控通道的设计。图1标注了以下元件:1.微流控衬底2.密封剂3.(片上)焊盘4.晶片(即芯片) 5.硅衬底
6.电介质/钝化物7.寄生微流控井8.载体衬底(例如PCB)9.(载体衬底上的)焊盘10.接合线11.微流控通道图2标注了以下元件12.微流控通道13.晶片(即芯片)14.微流控衬底15.粘合剂/密封剂16.载体衬底(例如PCB)图3标注了以下元件17.载体衬底(例如PCB)18.光发射器32.光检测器33.反射器(例如内部连接金属片)34.硅衬底35.反射光路36.光调制器37.晶片(即芯片)图4标注了以下元件19.电感耦合20.载体衬底上的电感器21.片上电感器28.载体衬底(例如PCB)29.硅衬底30.电介质叠层/内部连接31.晶片(即芯片)图5标注了以下元件22.晶片(即芯片)23.片上天线24.硅衬底25.载体衬底上的天线26.载体衬底(例如PCB)27. RF 通信图3至图5示出了用于以无线方法代替物理线接合来实现(在CMOS晶片与衬底之间的)电力和数据传送的实施例。这些附图示出(图3)使用光发射器从下侧对器件供电并使用光电技术来调制反射的信号；(图4)片上电感器与PCB上的电感器之间的感生电力/数据的传送；以及(图5)使用RF无线技术。例如可以使用如下三种技术来实现无线电力/数据传送。光电传输光电子技术是对例如通过吸收并调制光能来提供能源、检测和控制光的电子器件的应用。通过在结合了适当光电元件的衬底内嵌入集成电路，就可以向集成电路(IC)传输电力并从其接收数据，只要集成电路(IC)内集成了适当的硬件。更具体地，除了用于传输传感器数据的光发射器或调制器外，还需要集成太阳能电池以获得光能。实现后者的一种方法是通过反向偏置pn结来调制自由载流子的吸收(见英国专利申请1001696.2)。图3示出了此方案。载体衬底(17)容纳了光发射器(18)、光检测器(32)和集成电路(37)。通过对设计为处在块硅(34)内的调制器(36)进行照射，可以通过调节调制器内的吸收来调制所得光束(35)。可以使用金属反射器(33)来将所得光束反射到IC的下侧。这额外地倍增了调制效果(将光调制了两次一入射路径一次和返回路径一次)。近场:近场无线传输技术在相当于(多个)器件的直径的距离范围内或者其直径的几倍的距离范围内工作，最高达所使用的波长的大约四分之一。近场传送一般是磁学的(感应式的)，但也可以发生电学(容性)能量传送。通过片上电感器与嵌入载体衬底内的图案化的电感器之间的电感耦合，可以对电力和数据中任一个进行无线传输。这在图4中示出。集成电路(31)结合了传感器、接口电子电路和集成电感器(21)。使用芯片内的适当几何形状的金属内部连接(30)来设计集成电感器。其与嵌入载体衬底(28)内的次级电感器(20)进行电感耦合(19)，该次级电感器
(20)被设计为比如使耦合效应最大化(例如，以最接近的方式、采用匹配的品质因子等)。集成电路(31)和载体衬底(28)还需要包括所有必要的部件以有助于通过标准电路拓扑来进行电力和数据的感应式传送。MMl :远场方法实现更大的范围，通常为好几公里长的范围，该距离范围远远大于(多个)器件的直径。通过电磁传播，可将信号从采用电力和数据远场(例如传统RF)传输的单个载体衬底内的多个集成电路发送出去。在每个集成电路(22 )内，除了标准RF收发器电路之外还包括集成天线(23 )。载体衬底(26 )包括内嵌的天线(25 )，通过从该衬底天线(25 )发送载波、在集成天线(23)上接收载波并对AC信号进行整流以获得DC电源的方式，可以由所有IC 一起共享该衬底天线(25)。通过实现片上RF发射器来将数据从独立芯片发送回载体。可通过使用标准RF通信技术(时分复用、频分复用等)来对(针对多个芯片的)多个通道进行复用。该系统还可使用针对电力和数据传输的共用天线组或使用分离的元件，从而来改善每个任务(即，电力传输和数据传输)的效率。通过流体传播:可以通过流体传输信号。众所周知,包括盐或任何其他有效电解质的水溶液担当了导电媒介，从而根据与电线相同的原理可以被用来发送信息。一种示例性的实施方式是使芯片具有与流体接触的组成电极(例如银/氯化银或其他手段)，使得芯片上的电路系统能够与流体的电位连接以及/或者反之亦然。与芯片通信的第二电子模块也可以具有与相同电解质接触的电极。任一个模块上的电极所驱动的任何电压或电压变化都将通过流体传导到另一模块，从而影响在接收器处测量的另一电极。通过这种方式，电压变化能够充当要在模块之间通过流体电位发送的模拟或数字信息的信号。对直接电极接触的一种替代方式是将芯片与流体电容耦合(例如，在芯片钝化物将芯片中的金属迹线与流体隔开而不直接接触流体的情况下)或者通过其他非接触式的手段。
此外，如果期望流体还用作稳定的DC偏压(如在电位测定法测量的情况下那样)，则可以将电路系统、电极和/或信号设计成使得仅在不会干扰DC偏压的特定频率范围内影响流体的电位。一般地，电极与流体之间或者驱动电路与电极之间在至少一个频带上具有非零阻抗耦合是确保驱动电路能够影响流体的电位而不会完全排除其他源的影响的一种方式。这将使得双工通信或多个源的多路复用成为可能(例如，通过不同的频率范围或者用于多路复用RF信号的许多其他公知技术)。一个这样的实施方式可以是在驱动电路与参比电极之间串联一个电容器以用作高通滤波器，使得能够通过参比电极或系统中的任何其他模块来外部地设置DC电位(该系统相应地可以在其驱动电路中具有在一些频率处有非零源阻抗的低通滤波器，以使得能够在用于数据通信的相对较高的频率处驱动电解质的电位)。另一增进方式可以是使得芯片通过非零和非无限阻抗将驱动电路和接收电路两者都连接到其电极，使得发送和接收两种功能都可行。在不希望有驱动电路的影响时，可以使用三态缓冲器来进一步消除驱动电路的影响。上述实施例在以下几个方面与现有技术的无线器件不同·所有无线元器件都结合在单片集成电路(IC)中，而不是使用一个或多个分立元件(例如片外天线、电感器等)来实现。·集成电路(IC)不包含焊盘或接合线连接，而其他器件一个方面是无线的但其他方面仍依靠接合线，例如在芯片与用于供电的封装或与片外分立元件之间仍依靠接合线。·发射器和接收器在物理地连接的同时无线地进行通信。它们之间的距离也是预定的并且基本固定。使用无线技术的原因通常是因为发射器和接收器是物理分离的，并占据变化的或未知的位置。在一个实施例中，将流体引入器件的腔室中并使其与传感器表面接触。使用传感器来检测流体的性质或监测流体内的反应。该性质可以是温度或离子浓度。载体衬底可以恒定地对器件供电以及/或者等待接收到信号。芯片可以在执行信号处理之后传输当前传感器值。作为替代，衬底可以在期望对传感器芯片加电的时间传输电力。芯片可以立即发送信号或者一直等到接收到了对该信号的请求才发送信号。例如，可以存在监测独立的多个流体的若干传感器，并且该器件可以在预定时刻处对各个传感器进行轮询或Ping。电力发射器、信号发射器和信号接收器可以形成在同一衬底上或者分开地形成。例如，衬底可以像插装模块(cartridge ) —样被插入具有对传感器值进行接收、分析和显示的电路系统的离体器件(In Vitro Device)中。芯片优选地为包括(多个)传感器、变换器和发射器电路系统的单个片。因此，提供了一种在芯片与衬底之间没有电线的集成芯片。在一个优选实施例中，存在与PCB衬底物理接触并无线通信的芯片。该芯片具有·带有调谐电容器的接收线圈，以与发射线圈阻抗匹配并使品质因子最优。·异步整流器，以对接收线圈的输出进行整流来给出稳定的DC输出电压(1. 4V，具有O.1V的纹波)。·锁相环(PLL)形式的时钟恢复电路，其包括电压可控振荡器(VC0)、相位检测器和环路滤波器。这产生了与发射频率同步的时钟信号。· BPSK解调器，其使用前述片上恢复的时钟信号和接收线圈上的电压来产生解调后的位流。
PCB衬底具有以2.4GHz未授权频带中的60V峰-峰值驱动电压驱动的发射线圈。使用二进制相移键控(BPSK)将数据编码到该电压上，使得发送到芯片的驱动幅度恒定从而电力恒定。数据通过片上“接收”线圈到PCB “发射”线圈(即，不存在独立的多个线圈)从芯片发送到PCB。这是通过其中片上线圈所面对的负载发生了变化的负载变化键控(LSK)来完成的。这引起PCB线圈中的电流振荡变化，该变化能够被容易地测量和解调。在又一实施例中，通过创建数量比微流控结构本身的数量更大的ISFET阵列来将冗余建立到系统中，从而无需精确对准就可以将各微流控结构精确地间隔开。于是，在横向对准的宽公差内，该冗余确保了在装配期间每个微流控结构无论排列在何处，在适当位置处都将有至少一个可用的ISFET来测量该微流控结构。与微流控结构对准的ISFET被使用，而埋置在壁之下的ISFET则没有被使用。在一个实施例中，如图6中的a)所示，将传感器42的阵列安装到一个衬底，并且将包括微流控腔室41的阵列的第二衬底40与第一衬底对准并密封到第一衬底。密封防止了流体从一个腔室进入另一腔室。为了提供稳健的装配过程，存在比腔室更多的传感器，传感器被布置成使得两个衬底的相对失准仍能使在每个腔室中一个感测表面的至少一部分暴露于流体。从图6中的a)可以看出，腔室41a示出了每个腔室都与一整个传感器很好地对上的情况。然而，两个衬底可能在X和/或Y方向上相对失准，使得每个腔室(以虚线标注的腔室41b)与不同的传感器或者若干个部分传感器对准。衬底平面允许移动的量很大程度上取决于额外的传感器数量和传感器的间距。在图6的a)中，传感器间距等于在确保每个腔室与一整个传感器或若干个部分传感器对准的同时允许移动量最大的腔室宽度。这种布置适用于不要求整个感测表面暴露于流体以进行测量的传感器。对于要求将整个感测表面暴露于流体的传感器而言，期望的是减小传感器的间距。从图6中的b)可以看出，每个腔室至少与一整个传感器对准，并可能对上另外几个部分传感器。在这种布置下，一个腔室可能与4个整个的传感器对上，传感器间距布置成使得传感器间距加上一个传感器宽度小于或等于腔室宽度。除了对准公差以外，还可能会考虑腔室或传感器的制造公差。例如，腔室阵列可能不规则地间隔开或者具有不同的腔室宽度。当确定传感器布局时应当考虑这些公差的组合。特别是，对准公差将会影响所需的额外的传感器数量，并且制造公差将会影响所需的传感器间距。阵列可以是一维(见图7)或二维的(见图6)。在图7中，腔室是流体流经(以竖直箭头53表示)的通道的一部分。流体流垂直于传感器阵列。Y方向上的移动对传感器-腔室关系没有影响，X方向上的移动则使得额外的传感器造成传感器-腔室关系的改变。在图7所示的实施例中，宽度(51)为200 μ m且间距(54)为400 μ m的两个腔室与间距(52)为150 μ m的50 μ m宽的ISFET的线阵列相交。存在9个传感器，假定有7个传感器是额外的。各通道无需以比距离中心线±475μπι(允许950μπι的总横向移动)更优的方式来对准，从而确保一整个传感器暴露于每个腔室。这样的公差对于在每个腔室具有处于中心的单个传感器的通常的器件而言改善了很多，在通常的器件中，公差将会是±75 μ m。然而，通过调节参数，即使是精细的通道也能够通过甚至更低的精度来进行对准。对于公差的一般表达式由下式给出:Total_Tol=(Ns-1)*Ps_Ws_(Nc-1)*Pc+ffc(2)±Tol=土Total_Tol/2(3)其中:ffc,ffs:一个腔室的宽度，一个传感器的宽度Pc, Ps:腔室的间距，传感器的间距Ns, Ne:传感器的数量，腔室的数量Total_Tol, ±Tol:允许的总横向移动，每个方向上与中心线之间的对准公差一个优势在于，该技术消除了高传感器密度与组件简化度之间的竞争性质所造成的相互影响，从而可以采用精细间距的传感器和腔室来使芯片成本最小化，而无需昂贵、精密尺度的装配和对准。具体实施例可以包括以下性质中的一个或多个:
.相邻传感器表面之间的横向间隔距离小于该方向上的腔室宽度；.传感器数量比腔室数量大，优选地大10%或多2个；.传感器数量比腔室数量大，优选地大50%或多5个；.传感器数量比腔室数量大，优选地大100%或多10个；.至少有一个传感器的至少一部分暴露于每个腔室，并且至少有一个传感器没有整个暴露于任一腔室；.腔室的宽度大于或等于传感器的间距；.传感器的间距小于腔室的间距；.腔室的间距是传感器的间距的两倍；.传感器的间距小于腔室的宽度加传感器的宽度.传感器布局的总宽度大于腔室布局的宽度 在取决于超过腔室数量的传感器数量的预定公差内将一个衬底与另一衬底对准在装配之后，起初可能不知道哪些传感器被第二衬底覆盖而哪些传感器被暴露以及暴露于哪个腔室。类似地，起初可能不知道哪个无线传感器与衬底上的哪个接收器配对以及位于哪个腔室内。在采用受控条件进行的用以看出哪些传感器测量值与其余的测量值不同的标定步骤期间，上述布置就会被得知。例如，暴露的温度传感器将会检测腔室中的流体的温度，而被阻挡的传感器将会检测衬底的温度。可以将受控的温度引导到衬底或者一个或多个腔室内以凸显传感器测量值的不同。为了选择有效ISFET，可以改变流体电解质的电位或成分，并观察哪些ISFET发生反应。那些反应没有超过预定阈值的ISFET被认为没有暴露于流体。在一个实施例中，若干无线传感器与衬底中的一个远场收发器通信，而每个腔室中的每个传感器的身份是未知的。改变每个腔室中的流体性质，以使得每个腔室中的流体不会都具有相同的性质。例如，可以将每个腔室中的加热器一次只打开一个，或者可以在各腔室之间建立温度梯度。作为替代，暴露于流体的电极可以提供待检测的参考电压。衬底收发器从特定的传感器请求信号。可以对每个传感器重复这一操作。对各传感器的信号进行相互比较，或者将各传感器的信号与每个腔室流体的性质进行比较，以确定哪些传感器与哪些腔室对准。一些传感器布置会不需要受控条件。例如，一些传感器会按照它们是暴露于腔室还是暴露于第二衬底而输出不同的信号。在另一实施例中，根据已知的传感器图案(或衬底接收器图案)和腔室图案的几何形状来确定传感器与腔室之间的关系。优选的是，首先观察阵列中最外面的传感器的信号，逐渐向内移动，以检测哪一个是第一个暴露于腔室的传感器的信号。例如，在图6的a)中，看起来有效的最左下方的传感器被确定为与最左下方的腔室对准，此后，剩下的关系变得明显。与已知的有效传感器相距一个腔室间距的传感器很可能也是有效的。在超过一个传感器与一个腔室对准的情况中，来自邻近传感器的数个有效信号将会认定腔室的位置。可以使用传感器测量值来计算平均值，检测故障传感器，或者提供测量值冗余。暴露于一个腔室的多个传感器还可以提供时空映像(spatio-temporal imagery)。可以使用软件或硬件来执行上述标定步骤。标定的结果可以存储在查找表中以便识别有效传感器及其位置以用于未来的信号处理。这些步骤可以作为装配步骤来执行，或者在片上实验室的初始操作期间执行。在上面的讨论中，通过提供用于容纳流体的腔室来将流体暴露于传感器。本领域普通技术人员将会理解，其他微流控结构也可以提供用于将流体暴露于传感器的适当形式，比如用于将流体引导经过传感器的通道、用于保存流体的井，或者甚至仅是用于接住通过表面张力保持的液滴的衬底。术语“微流控”一般上是指对几何形体局限在小尺度一通常为亚毫米尺度-上的流体的操作。应当理解的是，本文所述的并在所附附图中示出的各特征可以单独地结合，或者可以适当地与其他特征组合。例如，可以结合不同的用于供给电力并传输信号的技术来建立无线感测系统。
权利要求
1.一种用于感测流体性质的器件，所述器件包括: 第一衬底，其上形成有传感器和无线发射器，所述传感器配置为在使用中与流体接触以便感测所述流体的性质，所述无线发射器用于经由无线数据链路来发送数据；以及 第二衬底，其上形成有无线接收器，所述无线接收器用于接收由所述无线发射器经由所述无线数据链路发送的数据， 其中所述第一衬底被安装到所述第二衬底上或被安装在所述第二衬底内。
2.根据权利要求1所述的器件，所述第一衬底包括变换器，所述变换器用于变换接收到的电磁辐射以提供电能用于为所述第一衬底的各元件供电。
3.根据权利要求1或2所述的器件，优选地使用粘合剂来将所述第一衬底接合到所述第二衬底。
4.根据前述权利要求中任一项所述的器件，其中所述第一衬底是包括多个集成电路的半导体晶片，这些集成电路至少部分地提供了所述传感器和所述无线发射器。
5.根据前述权利要求中任一项所述的器件，其中所述第二衬底包括多层印刷电路板。
6.根据前述权利要求中任一项所述的器件，其中不存在将所述第一衬底连接到所述第二衬底的接合线。
7.根据前述权利要求中任一项所述的器件，其中所述第一衬底还在其上形成有无线接收器，所述无线接收器用于接收由形成于所述第二衬底上的发射器发送的数据。
8.根据前述权利要求中任一项所述的器件，其中所述无线数据链路是使用以下传输方式之一来提供的:远场传输、近场传输、光电传输、或者利用由与所述第一衬底集成的电极调制的电压通过所述流体进行的传输。
9.根据前述权利要求中任一项所述的器件，还包括微流控结构，所述微流控结构用于将所述流体置于所述传感器的感测表面上。
10.根据权利要求9所述的器件，其中由接合到所述第一衬底和所述第二衬底中的一个或二者的第三衬底来形成所述微流控结构。
11.根据权利要求1至8中任一项所述的器件，还包括多个所述第一衬底和多个微流控结构，所述微流控结构用于将所述流体置于每个传感器的感测表面上，每个第一衬底布置成与所述第二衬底上的所述接收器无线通信。
12.—种对前述权利要求中任一项所述的器件进行操作的方法，包括如下步骤: 提供流体以与所述传感器接触； 使用所述传感器来感测所述流体的性质；以及 使用所述发射器来无线地发送感测的数据或者经过处理的感测的数据。
13.根据权利要求12所述的方法，还包括步骤:将微量的流体样本放置到包括所述微流控结构的衬底。
14.根据权利要求12或13所述的方法，其中所述数据是实质上被连续地发送的。
15.根据权利要求12或13所述的方法，还包括步骤:在所述第一衬底处接收请求信号，并且响应于所述请求信号从所述第一衬底发送数据。
16.根据权利要求15所述的方法，其中所述请求信号识别所述数据、第一衬底、和/或发出对数据的请求的传感器。
17.—种制造微流控传感器器件的方法，包括如下步骤:提供第一衬底，所述第一衬底限定了用于接收待感测的流体的一个微流控结构或多个微流控结构； 提供第二衬底，所述第二衬底包括了或附接了多种液控传感器，传感器的数量大于微流控结构的数量；以及 将所述第一衬底和所述第二衬底安装在一起，使得至少一个传感器与所述一个微流控结构或所述多个微流控结构的每一个对准以便为所述一个微流控结构或所述多个微流控结构的每一个提供有效的传感器，并且使得一个或多个传感器不与任何微流控结构对准从而使一个或多个传感器是冗余的。
18.根据权利要求18所述的方法，其中，所述第一衬底与所述第二衬底之间的相对于中心对准位置失准了等于一个传感器间距的量而仍然使得至少一个传感器排列在所述一个微流控结构或所述多个微流控结构的每一个内。
19.根据权利要求17或18所述的方法，其中所述第一衬底与所述第二衬底之间失准了大于或等于一个通道间距的量而仍然使得至少一个传感器排列在所述一个微流控结构或所述多个微流控结构的每一个内。
20.一种器件，包括:第一衬底，其限定了用于接收待感测的流体的一个微流控结构或多个微流控结构；第二衬底，其包括了或附接了多种液控传感器，传感器的数量大于微流控结构的数量，其中所述第二衬底与所述第一衬底接触，使得至少一个传感器与所述一个微流控结构或所述多个微流控结构的每一个对准以便为所述一个微流控结构或所述多个微流控结构的每一个提供有效的传 感器，并且使得一个或多个传感器不与任何微流控结构对准从而使一个或多个传感器是冗余的。
21.根据权利要求20所述的器件，其中相邻传感器之间的距离小于所述一个微流控结构或所述多个微流控结构的每一个的宽度。
22.根据权利要求20或21所述的器件，其中传感器的空间密度大于微流控结构的空间山/又ο
23.根据权利要求20至22中任一项所述的器件，其中所述传感器布置为传感器阵列，并且所述多个微流控结构布置为微流控结构阵列。
24.根据权利要求23所述的器件，其中所述传感器阵列的宽度比所述微流控结构阵列的宽度宽。
25.根据权利要求23或24所述的器件，其中所述微流控结构阵列的间距至少是所述传感器阵列的间距的两倍。
26.根据权利要求23所述的器件，其中所述传感器阵列的间距小于所述微流控结构的览度。
27.一种配置权利要求11或20至26中任一项所述的器件的方法，包括如下步骤: (i)检测对应于第一传感器的第一信号；以及 ( )利用所述第一信号以及对至少一个微流控结构中的流体的性质的了解或对多个传感器之间的空间关系的了解来确定哪些传感器暴露于哪个微流控结构。
28.根据权利要求27所述的方法，在步骤(ii)之前还包括步骤:通过将所述第一信号与预定值比较或与对应于第二传感器的第二信号比较来处理所述第一信号。
29.根据权利要求27或28所述的方法，还包括步骤:改变一个或多个微流控结构中的流体的性质。
30.根据权利要求29所述的方法，其中对于每个微流控结构中的流体，一次只改变一个微流控结构中的流体的性质。
31.根据权利要求27至30中任一项所述的方法，还包括针对多个传感器执行步骤(i)和(ii)。
32.根据权利要求31所述的方法，其中首先对处于传感器阵列的端部位置上的传感器执行步骤(i)和(ii)，然后对逐渐向内布置的传感器重复步骤(i)和(ii)。
33.根据权利要求27至32中任一项所述的方法，还包括步骤:确定哪些传感器没有暴露于微流控结构。
34.根据权利要求27至33中任一项所述的方法，还包括步骤:作为步骤(ii)的结果，产生用于识别哪些传感器对应于哪些微流控结构的查找表。
35.一种用于对权利要求11或20至26中任一项所述的器件进行配置的配置设备，所述配置设备包括: 接收器，其用于检 测对应于第一传感器的第一信号；以及 确定装置，其用于利用对至少一个微流控结构中的流体的性质的了解或对多个传感器之间的空间关系的了解来确定哪些传感器暴露于哪个微流控结构。
36.根据权利要求35所述的配置设备，还包括改变装置，其用于改变至少一个微流控结构中的流体的性质。
37.根据权利要求35或36所述的配置设备，还包括用于存储步骤(ii)的结果的存储器。
38.根据前述任一项权利要求所述的方法或设备，其中所述流体是待监控的或待检测的生物样本或化学样本。
全文摘要
一种用于感测流体性质的器件，包括第一衬底，其上形成有传感器和无线发射器，所述传感器配置为在使用中与流体接触以便感测所述流体的性质，所述无线发射器用于经由无线数据链路来发送数据；以及第二衬底，其上形成有无线接收器，所述无线接收器用于接收由所述无线发射器经由所述无线数据链路发送的数据。所述第一衬底被安装到所述第二衬底上或被安装在所述第二衬底内。附加地或替代地，所述器件包括限定了用于接收待感测流体的一个或多个微流控结构的第一衬底以及包括或附接了多种液控传感器的第二衬底，传感器的数量大于微流控结构的数量。第二衬底与第一衬底接触，以使得至少一个传感器与所述一个微流控结构或所述多个微流控结构的每一个对准，从而为所述一个微流控结构或所述多个微流控结构的每一个提供有效的传感器，并且使得一个或多个传感器不与任何微流控结构对准从而使一个或多个传感器是冗余的。
文档编号G01N27/414GK103080737SQ201080068466
公开日2013年5月1日 申请日期2010年8月6日 优先权日2010年8月6日
发明者蒂莫西·G·康斯坦迪努, 萨姆·里德, 潘泰利斯·乔治乌 申请人:Dna电子有限公司