专利名称：微流体装置及用于微流体装置的微管的制作方法
微流体装置及用于微流体装置的微管
相关申请的交叉引用
本申请要求2007年6月25日提交的美国临时申请No. 60/936，993和2007年6 月25日提交的美国临时申请No. 60/936，997的优先权，它们的内容通过引用而结合在本文中。
背景技术：
本发明大体涉及用于测量流体的性质的装置和方法。更具体地，本发明涉及配备 有流体流过其中的微通道和用于在流体流过微通道的同时确定该流体的性质的器件的微 流体装置。已使微流体装置适于在多种应用中感测流体的性质。微流体装置的实例包括 Coriolis质量流量传感器、密度传感器、燃料电池浓度计量器、化学浓度传感器、比重传感 器、温度传感器、输药装置和可采用微管(包括共振管和固定管)的其它装置。能够利用微 流体装置的流体输送装置、系统和方法受到了特别的关注，包括输药系统和燃料电池系统， 两者均需要能够精确地输送和监测小量流体的性质的装置。能够满足上述要求的机电式微流体装置的一个实例包括优选地为Tadigadapa 等人的共同转让的美国专利No. 6，477，901中公开的类型的基于Coriolis的流体感测 装置，该专利的涉及基于Coriolis的传感器的制造和操作的内容通过引用而结合在 本文中。不断追求这种技术的各种进步，如Sparks等人的共同转让的美国专利申请公 开No. 2007/0151335和No. 2007/0157739中所例示的，这两个专利申请公开的涉及基于 Coriolis的传感器的制造和操作的内容也通过引用而结合在本文中。利用这种装置，可精 确地测量流率和流体密度，以监测流过共振管内的微通道的流体的流体输送、化学浓度和 各种其它性质。管悬挂在基底上方，且该管通常为U形、Ω形或D形。位于管下方的基底上的 一个或多个驱动电极例如以电容的方式联接到管上，以便以电容的方式(以静电的方式) 在共振点处或附近驱动管，同时感测电极(例如，以电容、光学的方式等)对管相对于基底 的偏转进行感测，且提供反馈，以使得能够用适当的电路来控制由驱动电极诱发的振动频 率。由于有流体流过其微通道，管可在共振点处或附近由驱动电极振动，以使用Coriolis 力原理来确定流体的某些性质，例如流率和密度。特别地，当管在共振点处或附近由驱动电 极驱动时，感测电极感测管的扭转运动，其被称为Coriolis效应。管由于Coriolis效应而 在振动循环期间偏转的程度可与流过管的流体的质量流率相关联，而流体的密度与共振点 处的振动频率成比例。这种装置的显著优点包括这种装置可制造成非常小型化的尺度，及 其精确地分析非常小量的流体的能力。这些装置可为真空封装的，以通过减小空气阻尼效 应来进一步提高它们的性能。虽然已经证明了由Tadigadapa等人和Sparks等人教导的类型的传感器在其测量 流体性质的能力方面是非常准确的，但是能够处理上述问题的进一步的改进将是合乎需要 的。发明简要概述本发明提供了一种适于评定流体的一种或多种性质的微流体装置。该微流体装置利用构造成能够有多种不同的振动模式的微管，各种振动模式能够提升该装置的某些合乎 需要的性能或结构方面。根据本发明的一个优选方面，微流体装置包括这样一种结构该结构包括由基底 支承的基座，以及由基座支承以便与基底的表面分隔开且能够在垂直于基底的表面的平面 中振动的微管。微管具有围绕基座的周边部分、自基座支承周边部分的臂，以及至少具有第 一微通道部分和第二微通道部分的至少一个连续的内部微通道。第一微通道部分和第二微 通道部分中的各个限定了单独的流动路线，且各个流动路线起始于基座处，延续通过微管 的周边部分的一部分，并且返回到基座。第一微通道部分流体地(fluidically)连接到基 座内的入口端口上，而第二微通道部分流体地连接到基座内的出口端口上。提出了至少一 个驱动元件，以用于使微管振动，且提出了至少一个感测元件，以用于在利用驱动元件使微 管振动时感测微管的周边部分的偏转，且该感测元件适于响应于感测到的偏转产生输出。 微流体装置根据感测元件的输出来确定流体的性质。微流体装置的微管可构造成具有成流体串联或流体平行的多个微通道部分。此 夕卜，该多个微通道部分可限定在关于基座对称地设置的微管的回路内。这样，基座就由微管 有效地包围，从而使得实现这样的振动模式-其中微管回路或其部分可彼此同相或异相地 振动。可通过适当地选择振动模式中的一种来提升微流体装置的合乎需要的性能和/或结 构方面。根据以下详细描述将更好地理解本发明的其它目的和优点。 附图简述
图1是根据本发明的第一实施例的用于微流体装置的共振微管的俯视图。图2A、2B、3A和3B描绘了用于图1的微流体装置的三种不同的振动运行模式。图4是构造成用于安装图1的微管的基底的俯视图，该基底的表面配备有用于引 起、感测和控制微管的运动的驱动、感测和平衡电极。图5是根据本发明的第二实施例的用于微流体装置的共振微管的俯视图。图6A、6B和6C描绘了用于图5的微管的三种不同的振动运行模式。图7是构造成用于安装图5的装置的基底的俯视图，该基底的表面配备有用于引 起、感测和控制微管的运动的驱动、感测和平衡电极。图8是根据本发明的第三实施例的用于微流体装置的共振微管的俯视图。图9A、9B、9C和9D描绘了用于图8的微管的四种不同的振动运行模式。图10是构造成用于安装图8的装置的基底的俯视图，该基底的表面配备有用于引 起、感测和控制微管的运动的驱动、感测和平衡电极。
发明详细描述图1、5和8表示根据本发明的三个实施例的用于微流体装置的微管10，而图4、7 和10表示各自具有构造成用于将微管10中的对应的一个安装到其上的表面52的基底50。 在图中，使用一致的参考标号来指示功能等同的结构。
生产为具有微管10及其基底50的微流体装置的一般构造和运行类似 于Tadigadapa等人的美国专利No. 6，477/901和Sparks等人的美国专利申请公开 No. 2007/0151335与No. 2007/1057739的微流体装置，但进行了修改，以实现增强的或额 外的制造和运行特点和能力。另外，微流体装置及其微管10和基底50的制造过程可与 Tadigadapa等人和Sparks等人，以及共同转让的、Sparks的美国专利No. 6，647，778以及 Sparks等人的美国专利No. 7，351，603和No.7，381，628中所教导的那些过程大体相同，这 些专利的关于微管制造过程的内容通过引用而结合在本文中。微管10优选地由硅、掺杂硅 或其它半导体材料、石英、玻璃、陶瓷、金属(例如钛和钢合金)、塑料或复合材料经微机械 加工而成。如本文所用，微机械加工是用于通过对基底(例如硅片)进行体积蚀刻或者通 过表面薄膜蚀刻来形成非常小的元件的技术，其中表面薄膜蚀刻大体涉及将薄膜(例如多 晶硅或金属)沉积在基底表面上的牺牲层(例如氧化物层)上，且然后选择性地移除牺牲 层的一部分，以释放沉积的薄膜。微管10 (其被称为“微管”，以表示优选小于两毫米的微机 械加工尺寸)可完全由沉积在它们的基底50上的所选材料层制造而成，或者部分地通过对 基底50进行蚀刻来制造。基底50可由硅或其它半导体材料、石英、玻璃、陶瓷、金属或复合 材料形成。基底50 (它们的微管10附连在其上)形成可被称为微机电系统(MEMS)芯片的 芯片。MEMS芯片与相关联的控制和信号调节电路的适当封装会产生适于很多种应用的微 流体装置，这些应用包括但不限于流体输送、混合和感测应用，例如，输药系统、燃料电池系 统、药物和化学混合系统，以及各种其它系统。参看图1和4，图1的微管10构造成由居中定位的基座12支承在基底50 (图4) 的表面52上。基座12被表示为在俯视图中为大体X形，这对微管10及其基底50之间的 物理连接贡献额外的强度，但可预见其它形状。表面52由整个微管10下面的基底50中的 凹部54限定。与具有大体U形、C形、D形或Ω形构造的现有技术的微管相对比，图1的微 管10具有相对于基座12大体轴对称的形状，其中外环形周边区14通过四个径向臂16由 基座12支承。微管10限定了连续的微通道18，流体可通过微通道18从基座12流入微管10中， 然后流体在其离开微管10时返回到基座12。(使用术语“微通道”来表示优选小于两毫米 的微机械加工尺寸。)微通道18限定在周边区14及其各个支承臂16内，微通道18的四个 基本相同的部分位于可描述为微管10的象限回路20A、20B、20C和20D的回路中。微通道 18的、在各个相邻的回路20A、20B、20C和20D对中的部分由各个臂16内的间隔物22隔开， 间隔物22在各个臂16内产生两个单独的流动通道。另外，微通道18的、在各个回路20A-D 中的部分通过位于基座12内的流转向通道24流体地连接到微通道18的至少一个其它部 分上。通过微管10的流动路线在基座12中开始于位于基座12的支脚28中的入口端口 26。入口端口 26流体地联接到基底50 (图4)中的通路56上。然后，流通过基座支脚28内 的入口通道30进入第一回路20A内的微通道18，入口通道30将流转向到径向向外的方向， 通过由第一回路20A和第四回路20D共用的臂16，然后沿大体周边方向通过第一回路20A 的周边区14内的微通道18部分，且最后沿径向向内的方向通过由第一回路20A和第二回 路20B共用的臂16。然后流通过连接第一回路20A和第二回路20B内的微通道18部分的 流转向通道22进入第二回路20B，且之后该流以这样的方式延续通过微通道18-通过微管10的第二回路20B、第三回路20C，以及最后第四回路20D。通过微管10的流动路线在基座 12内结束于位于基座12的第二支脚34中的出口端口 32处。流通过基座支脚34内的出口 通道36从第四回路20D进入出口端口 32。出口端口 32流体地联接到基底50 (图4)中的 第二通路58上。微管10的入口端口 26和出口端口 32以及基底50的入口通路56和出口 通路58由微管10的周边部分14包围，并且因此位于微管10的周界内部，从而比现有技术 的微流体装置(其入口端口和出口端口位于微管回路的外部)节省空间。
可选择微管10的截面，以便为流体提供足够的流动能力，且使得对于有待用微流 体装置评价的计划流体有适当的振动参数。因为采用微机械加工技术来制造微管10，所以 微管10的大小可以非常小，例如约250ΦΠ12的截面积，更小和更大的微管也在本发明的范 围内。微管10的外宽(如跨过周边部分14的相对地设置的外周边缘所测得的)还可适于 被评价的特定流体和被测量的特定性质，其中直至约二十毫米的宽度适于许多应用。可通 过使微通道18内的拐角比所显示的更急剧或更平缓来进一步修改流体流动特征，其中更 平缓的拐角通常优选用于减少被截留的气泡和气泡成核。另外，可通过提供更多的入口端 口 26和出口端口 32以降低通过微通道18的压降来增大通过微管10的流率。例如，回路 20A-D对可共用一组入口端口 26和出口端口 32，或者各个单独的回路20A-D可配备有其自 身的入口端口 26和出口端口 32。如Tadigadapa等人所教导的，图1的微管10可在共振点处或附近振动，以使用 Coriolis力原理来确定流过微管10的流体的质量流率和密度。也可使用Coriolis力原 理来确定流过微管10的流体的体积流率、比重、化学浓度、粘度、润滑性和其它性质。如 Tadigadapa等人所教导的，由于中心基座12用作不动锚，微管10沿垂直于基底50的表面 52的方向优选在其共振频率处或附近振动。在微管10的回路20A-D中的振动循环的一半 向上移动期间，回路20A-D及其中的流体具有向上动量，且当流体流出回路20A-D时，流体 通过向上推微管10的、流体通过其而离开回路20A-D的臂16来阻止使其竖直运动减弱。 所产生的力使回路20A-D偏转，取决于参照图2A、2B、3A和3B所讨论的振动模式，这可使微 管10的一部分或整个微管10偏转或扭转。当微管10在其振动循环的后半部分期间向下 移动时，沿相反的方向发生偏转。这种反应称为Coriolis效应，微管10在振动循环期间由 于Coriolis效应而偏转的程度可与流过微管10的流体的质量流率相关联，同时流体的密 度与共振点处的振动频率成比例。除了微管10的微通道18内的流体密度之外，微管10的 共振频率还受其机械设计(形状、大小、构造和材料)的影响。对于具有图1所示的构造的 微管，共振频率将大体在约2kHz至约IOOkHz的范围中。优选地通过用于使微管10振动的 器件来调节振动幅度，下面参照基底50进行论述。因为图1的微管10不具有如在上述Tadigadapa等人、Sparks和Sparks等人的 专利文献中的情况下一样的简单的U形、C形、D形或Ω形构造，所以微管10能够有在现有 技术中不可能的振动模式。图2Α、2Β、3Α和3Β描绘了微管10的一些潜在共振模式。在图 2Α和2Β中，微管10由合适的驱动元件(见图4和所附的以下论述)振动，使得两个相邻 回路沿相同的方向且与另外两个相邻的回路相对地偏转。在图2Α中，回路20Α和20D彼此 同相，且与回路20Β和20C异相，而在图2Β中，回路20Α和20Β彼此同相，且与回路20C和 20D异相。通过驱动微管10的一侧来产生图2Α和2Β的“倾斜”模式，Coriolis效应会在 微管10的相对侧中产生运动，从而通过共振器的Q来放大传感器输出信号，并且通过所谓的Q倍乘(Q multiplication)大大提高传感器输出。 在图3A中，表示了微管10被驱动，从而使得所有的四个回路20A-D—致向上及向 下偏转，而图3B则将微管10显示为受驱动而振动，从而使得相对的象限对(例如20A和 20C)沿相同的方向偏转，但与其它相对的象限对(20B和20D)的偏转相对。振动的这些“扭 转”模式不能实现以上针对图2A和2B所述的Q倍乘效应，但可用于其它功能，例如频率或 增益监测或者驱动微管10。图4将基底50表示为具有这样的电极可通过该电极以电容的方式诱发、控制和 感测微管10的期望振动。在图4所示的实施例中，驱动电极60A-B分别在桥接第一回路 20A与第二回路20B以及第二回路20B与第三回路20C的微管10的两个周边部分14下面 位于基底50的表面52上，且感测电极62A-B分别在桥接第三回路20C与第四回路20D以 及第四回路20D与第一回路20A的微管10的两个周边部分14下面位于基底50的表面52 上。图4还将基底50表示为配备有额外的电极64A-B和66A-B，电极64A-B和66A-B位于 驱动电极60A-B和感测电极62A-B之间，而且在一个优选实施例中，用作平衡电极。如果 微管10由诸如掺杂硅的导电材料形成，则微管10可用作可以电容的方式联接到驱动电极 60A-B和感测电极62A-B上的电极，从而使得电极60A-B能够以静电的方式驱动微管10，并 且使电极62A-B能够以静电的方式感测微管10。但是，可预见到的是，微管10可由绝缘材 料形成，且形成于微管10上的单独的电极面向电极60A-B和62A-B，以便以静电的方式振动 和感测微管10。可通过对微管10的下表面和/或基底50的表面进行适当的微机械加工来 在微管10及其电极60A-B、62A-B、64A-B和66A-B之间建立电容间隙。较小的电容间隙对 应于所需要的较高的电容输出和较低的平衡电压。用于电容运行方案的高阻抗缓冲器/放 大器可建立在基底50中，或者位于相邻芯片或板构件上。备选的驱动技术对于微管10来说也是可行的，包括在微管10的上表面上使用压 电元件，以在微管10的平面中产生使微管10沿垂直于微管10的平面的方向弯曲的交变 力。另外其它备选方案是以磁、热、压阻、热、光学的方式或者通过另外的促动技术来驱动微 管10。感测电极62A-B感测微管10的与感测电极62A-B相邻的周边部分14相对于基底 50的偏转，以及对驱动电极60A-B提供反馈，以使得能够用任何适当的集成或远程微处理 器或微控制器(未显示)来控制振动频率。感测电极62A-B可以以电容、静电、磁、压电、压 阻、热、光学的方式或者以能够感测微管10的接近或运动的任何其它适当的方式来感测微 管10的接近或运动。此外，可由感测电极62A-B基于由电极62A-B感测到的微管10的周 边部分14的不同区之间的偏转幅度和/或相位差，来检测微管10的在振动循环期间由于 Coriolis效应而引起的偏转或扭转的程度。可在开环回路模式或闭环回路模式中使用微管10。开环回路运行将倾向于为非线 性式的，因此这不是优选的方法。利用感测电极和平衡电极62A-B、64A-B和66A-B，可以以 有点类似于环陀螺的方式来控制微管10的运动。在图1-4的实施例中，通过Coriolis效 应使用幅度而不是相位来感测质量流量。通过使用DC偏置和AC信号，使用驱动电极60A 来驱动振动的基本共振模式，且驱动电极60B用作闭环回路反馈。此回路的AC幅度是通过 微管10的流率。驱动电极60B在感测到流率的九十度回路中使感测电极62B无效。电极64A-B和66A-B可用作平衡电极，以补偿导致输出误差的误差和由于微管10上的处理差异造成的漂移、与封装相关的应力以及老化效应。例如，电极64A-B可用于过程 平衡(course balance)，而电极66A-B可用于平衡回路中。可在传感器芯片校准期间来设 置用电极64A-B进行的过程平衡。正交控制可用于电极66A-B的平衡回路，从而提供这种 感测系统的第三控制回路。平衡电压调节成以便使零度正交误差归零。感测电极62B也可 用于零度处的平衡正交信号。可改变图4中表示的平衡电极64A-B和66A-B的表面积，以 提高平衡能力。微管10上的偏置也可改变，例如增大，以使得能够平衡所制造的微管10的 较大百分比。 可对电极64A和/或66A应用正偏置，以及/或者可对电极64B和/或66B应用 负偏置，以补偿由于可在传感器输出中导致零流量偏移误差的制造或材料变化而存在于微 管10中的扭转。可将平衡控制回路结合到与装置相关联的微处理器/微控制器中，由此使 用感测电极62A-B的输出来随着温度和时间改变平衡电压，以补偿微管10的回路20A-D之 间的这种偏移差。此补偿可大大改进微流体装置的基本噪声基准，从而增强输出分辨率和 准确度。可用两步式过程来实现偏移补偿。在传感器校准期间，可通过调节平衡电极64A-B 和66A-B的偏置来使任何偏移误差或差异归零，以提供粗略平衡或补偿。然后可采用平衡 控制回路来执行对平衡电极64A-B和66A-B的偏置的任何进一步的调节，以完成补偿过程， 并且允许在微流体装置的运行期间进行校正。还可采用电极64A-B和66A-B来补偿由于两相状态(例如其中气泡、固体颗粒、乳 液相等存在于被评价的流体中)引起的阻尼。当检测到减小的增益或Q因数状态时，与该装 置相关联的微处理器/微控制器可将电极64A-B和66A-B操作为额外的驱动电极，以增大 微管10的振幅，意图移去和消除造成增大的阻尼状态的气泡、固态颗粒、乳液相或其它第 二相。另外，第二组电极64A-B和66A-B可与驱动电极60A-B —起或者代替驱动电极60A-B 而用作驱动电极，或者用作感测电极以补充感测电极62A-B。如果使用电极64A-B和66A-B 来进行感测，则任何一组感测电极62A-B和64A-B以及66A-B都可基于相位差和/或幅度 量度来操作。例如，取决于微管10的振动模式(例如图2A、2B、3A或3B)，幅度量度方法可 由其中Coriolis流效应最为明显的那些电极使用，而相位差方法则可由位于别处的剩余 电极使用。通过沿着基底50的边缘的结合垫68将输入信号和输出信号输送到电极60A-B、 62A-B、64A-B和66A-B，且优选地用适当的信号调节电路(未显示)将该输入信号和输出信 号传送到微处理器/微控制器。接地触头70显示为形成于与用于形成电极60A-B、62A-B、 64A-B和66A-B以及结合垫68的金属层相同的金属层中，且通过该接地触头70对管基座 12提供电接地，以使微管10或形成于微管10上的电极能够以电容的方式联接到驱动电极 60A-B上。图4将基底50表示为具有掺杂区72，该掺杂区72将接地触头70连接在一起， 以及允许具有包括用于在电极60A-B、62A-B、64A-B和66A-B及其结合垫68之间配线的电 阻跨桥74的双水平金属性能。为了监测温度，基底50表示为配备有温度感测元件76。感测元件76的适当构造 可利用用于形成电极60A-B、62A-B、64A-B和66A-B及其相关联的导电延展部(runner)的 类型一个或多个金属层。例如，根据已知实践，基于电阻的温度感测元件76可由钛、钯、镍 或其它金属或合金的薄膜金属层形成。对于温度感测元件76，可用信号调节电路来补偿可 归因于温度变化的微管10的机械性质和微管10中的流体的性质的变化。
类似于以上所述的Tadigadapa等人、Sparks和Sparks等人的专利文献的微流体 装置，生产为具有微管10及其基底50的MEMS芯片可由封盖晶片(capping wafer)(未显 示)封闭，以形成微流体装置封装。使用封盖晶片允许进行真空封装，真空封装会降低管振 动的空气阻尼。对于真空封装装置，存在多种封装和晶片级方法。这些包括焊接或熔接密 封封装，以及使用玻璃烧料、焊料、共晶合金、粘结剂和阳极结合的晶片结合。用于封盖晶片 的典型材料为硅，从而允许使用硅_硅结合技术，但是可预见到可使用多种其它材料，包括 金属和玻璃材料，玻璃材料包括硼硅酸盐玻璃(例如派热克斯玻璃(Pyrex))。此外，考虑到 微管10的将较低水平的声能传递到MEMS封装的能力，塑料成为用于本发明的另一种潜在 封装材料。微流体装置的控制电路，例如信号调节电路和微处理器或微控制器，可放置在封 盖晶片上。例如，这种电路可为放置在封盖晶片上的ASIC(特定用途集成电路)的形式，或 者封盖晶片可为可在其上制造电路的集成电路晶片。
在其中封盖晶片和基底50之间的结合是密封性的本发明的优选实施例中，所产 生的封罩被抽空，以使得能够在没有阻尼的情况下以高品质(Q)因数值高效地驱动微管 10。在这种实施例中，吸气材料优选地放置在封罩中，以协助降低和保持低的腔体压力。作 为密封封装的一个备选方案，微管10可封闭成使得可在需要时通过使用泵来抽吸真空。图5至10描绘了微管10及其对应的基底50的第二实施例和第三实施例(再次， 使用一致的参考标号来标识功能等同的结构)。由这些微管10及其基底50构成的微流体 装置的一般构造和运行类似于关于图1-4的实施例的那些。因而，以下论述将限于图5至 10中所示的、不同于图1至4的实施例的论述方面和特征。虽然图1至4的实施例使用了具有串联的四个流动回路的微通道18，图5至10的 两个实施例采用了平行的双流动回路，其中通过微通道18的流在入口端口 26处分开，以流 过回路20A和20B，然后在出口回路32处重新结合，其效应是要使通过微通道18的压降降 低大约一半。类似于图1至4的实施例，图5和8中所示的双回路微管10也具有高效使用 芯片空间的优点，从而使得实现较小的整体MEMS芯片大小。在图5中，基座12跨在两个回路20A和20B上，其中基座12的支脚28包含由回 路20A包围的入口端口 26，而基座12的支脚34包含由回路20B包围的出口端口 32。图5 的微管10具有关于横向于基座12的支脚28和34的轴线大体对称的形状。在图8中，基 座12在回路20A和20B之间，从而使得端口 26和32以及支脚28和34两者也在回路20A 和20B之间。图8的微管10也具有大体对称的形状，但对称轴线平行于基座12的支脚28 和34。图5和8的实施例与图1的实施例之间的其它显著的结构差异在于臂16和流间 隔物22的位置。图5在臂16内使用流间隔物22，以及在基座12内使用额外的间隔物22， 以隔开入口端口 26和出口端口 32。图8在基座12内使用流间隔物22，以最初使来自入口 端口 26的入口流分开，并且将分开的入口流引导到两个回路20A和20B，在流进入出口端口 28之前分开从回路20A和20B中返回的流，以及在基座12内分开入口流和出口流。在图8 中，基座12和回路20A及20B之间的支承臂16可比其它实施例中的支承臂更短，而且臂16 的伸出部17对各个回路20A和20B内的微管10的周边部分14提供额外的结构支承。流 体流动在臂16中发生，但不在伸出部17中发生。对于具有图5和8所示的构造的微管，共 振频率将大体在约2kHz至约IOOkHz的范围中。
图6A-C和9A-D分别描绘了可用适当的驱动元件诱发的图5和8的微管10的一 些潜在共振模式，例如图7和10所示以及下面论述的那些。在图6A和9A中，将微管10表 示为受驱动而使得回路20A和20B两者一致地向上及向下偏转，类似于关于微管10的第一 实施例在图3A中所显示的那样。在图6B和9B中，微管10振动，以实现“倾斜”模式，在该 模式中，回路20A和20B沿相对的方向偏转。在图6C和9C中，回路20A和20B被驱动，以 诱发“扭转”，其中回路20A和20B的对角地相对的拐角彼此同相，且与回路20B和20C的其 它对角地相对的拐角异相，类似于关于微管10的第一实施例在图3B中所显示的那样。最 后，图9D表示了另一振动模式，其中各个单独的回路20A和20B的拐角彼此同相，但是回路 20A和20B的对角地相对的拐角则彼此异相。通过在图6C和9C的扭转模式中驱动微管10，由于传递到基底50及其封装而损 失的声能非常少。关于现有技术的共振传感器，如果要将诸如塑料的低密度或低声速材料 用作基底材料，共振器的Q和增益会大体降低。因此，诸如不锈钢和玻璃的高密度、高质量 材料常常用于MEMS芯片。使用图6C和9C中的扭转驱动模式会降低从共振微管10和基底 50传递到MEMS封装的声能的量，从而降低夹持损失，以及允许使用相对于过去通常用于微 机械封装的那些材料具有较少性质的材料。例如，可预见的是，可使用塑料材料来代替硅、 玻璃或金属。图7和10分别描绘了驱动电极60A-B和感测电极62A-B的位置。可使用平衡电 极(例如图4中的64A-B和66A-B)，但没有显示这些平衡电极。如同之前的实施例一样，电 极60A-B和62A-B适于分别以静电和电容的方式驱动和感测微管10，但是可采用其它驱动 器件和感测器件，如参照图4所论述的。图10显示了包括额外的金属延展部，其限定了基 本包围驱动电极60A-B和感测电极62A-B的环78。环78可连接到微流体装置的输出放大 器的Vaa线上，以减小装置输出的噪声。 虽然已经根据某些实施例对本发明进行了描述，但显而易见的是，本领域技术人 员可采用其它形式。因此，本发明的范围仅受所附的权利要求书限制。
权利要求
一种用于确定流体的至少一种性质的微流体装置，所述装置包括基底(50)；包括由所述基底(50)支承的基座(12)和由所述基座(12)支承以便与所述基底(50)的表面(52)分隔开且能够在垂直于所述基底(50)的表面(52)的平面中振动的微管(10)的结构，所述微管(10)包括包围所述基座(12)的周边部分(14)、自所述基座(12)支承所述周边部分(14)的臂(16)，以及至少具有第一微通道部分和第二微通道部分(18)的至少一个连续的内部微通道(18)，所述第一微通道部分和第二微通道部分(18)中的各个微通道部分限定单独的流动路线，所述流动路线中的各个流动路线起始于所述基座(12)处，延续通过所述微管(10)的所述周边部分(14)的一部分，并且返回到所述基座(12)，所述第一微通道部分(18)流体地连接到所述基座(12)内的入口端口(26)上，且所述第二微通道部分(18)流体地连接到所述基座(12)内的出口端口(32)上；用于使所述微管(10)振动的驱动器件(60A-B)；以及用于在利用所述驱动器件(60A-B)使所述微管(10)振动时感测所述微管(10)的所述周边部分(14)的偏转且适于响应于所述感测到的偏转产生输出的感测器件(62A-B)；其中，所述微流体装置在所述流体流动通过所述微通道(18)时根据所述感测器件(62A-B)的所述输出来确定所述流体的性质。
2.根据权利要求1所述的微流体装置，其特征在于，所述第一微通道部分和第二微通 道部分(18)的所述流动路线在所述微管(10)内是串联的。
3.根据权利要求2所述的微流体装置，其特征在于，除了所述第一微通道部分和第二 微通道部分(18)之外，所述微通道(18)还具有第三微通道部分和第四微通道部分(18)，所 述第一、第二、第三和第四微通道部分(18)中的各个微通道部分限定了单独的流动路线， 且所述第一、第二、第三和第四微通道部分(18)的流动路线在所述微管(10)内是串联的。
4.根据权利要求3所述的微流体装置，其特征在于，所述第一、第二、第三和第四微通 道部分(18)在所述微管(10)的所述周边部分(14)和所述臂(16)内，且所述周边部分 (14)和所述臂(16)限定了围绕所述基座(12)轴对称地隔开的四个流体互连的微管回路 (20A-D)。
5.根据权利要求4所述的微流体装置，其特征在于，所述微流体装置进一步包括所述 臂(16)内的间隔物(22)，以便在所述臂(16)内流体地隔开所述第一、第二、第三和第四微 通道部分(18)。
6.根据权利要求5所述的微流体装置，其特征在于，所述微流体装置进一步包括所述 基座(12)内的器件(24)，以在所述流体串联地流动通过所述第一、第二、第三和第四微通 道部分(18)时，在离开所述臂(16)中的各个臂的流重新进入同一臂(16)之前，反转离开 所述臂(16)中的各个臂的所述流的方向。
7.根据权利要求4所述的微流体装置，其特征在于，所述流体通过所述微管回路 (20A-D)的第一微管回路(20A)进入所述微管(10)，并且通过紧邻所述第一微管回路(20A) 的所述微管回路(20A-D)的第四微管回路(20D)离开所述微管(10)。
8.根据权利要求4所述的微流体装置，其特征在于，所述基座(12)包括四个支脚(28， 34)，并且所述支脚(28，34)中的各个支脚延伸到所述四个微管回路(20A-D)其中之一中。
9.根据权利要求4所述的微流体装置，其特征在于，所述微管(10)振动，从而使得对角地相对的一对所述微管回路(20A，20C)彼此异相地偏转，且流动通过所述微通道(18)的所 述流体导致Coriolis效应，以在所述微管(10)中诱发运动，所述运动由所述微管(10)的 Q放大，以增大所述感测器件(62A-B)的输出。
10.根据权利要求1所述的微流体装置，其特征在于，所述第一微通道部分和第二微通 道部分(18)的所述流动路线是所述微管(10)内的平行的流动路线。
11.根据权利要求10所述的微流体装置，其特征在于，除了所述第一微通道部分和第 二微通道部分(18)之外，所述微通道(18)不包括微通道部分。
12.根据权利要求10所述的微流体装置，其特征在于，所述第一微通道部分和第二微 通道部分(18)在所述微管(10)的所述周边部分(14)和所述臂(16)内，且所述周边部分 (14)和所述臂(16)限定了关于所述基座(12)对称的两个流体互连的微管回路(20A-B)。
13.根据权利要求12所述的微流体装置，其特征在于，所述基座(12)包括分别包含所 述入口端口和出口端口(26，32)的第一支脚和第二支脚(28，34)，所述第一支脚和第二支 脚(28，34)中的各个支脚延伸到所述两个微管回路(20A-B)的对应的一个微管回路中，且 所述微管回路(20A-B)关于横向于所述基座(12)的支脚(28，34)的对称轴线对称。
14.根据权利要求13所述的微流体装置，其特征在于，所述微流体装置进一步包括所 述微管(10)的所述臂(16)内的间隔物(22)，以便在所述臂(16)内流体地隔开所述第一微 通道部分和第二微通道部分(18)。
15.根据权利要求13所述的微流体装置，其特征在于，所述微管(10)的所述臂(16)沿 着所述对称轴线延伸。
16.根据权利要求13所述的微流体装置，其特征在于，所述微管回路(20A-B)中的各个 微管回路限定第一拐角和第二拐角，所述微管(10)振动，从而使得对角地相对的第一对所 述拐角彼此同相地偏转，对角地相对的第二对所述拐角彼此同相地偏转，且所述对角地相 对的第一对和第二对彼此异相地偏转，从而使得从所述微管(10)传递到所述基底(50)的 声能减小。
17.根据权利要求12所述的微流体装置，其特征在于，所述基座(12)包括分别包含所 述入口端口和出口端口(26，32)的第一支脚和第二支脚(28，34)，所述第一支脚和第二支 脚(28，34)其中各个支脚在所述两个微管回路(20A-B)之间延伸，且所述微管回路(20A-B) 关于通过所述基座(12)的所述支脚(28，34)的对称轴线对称。
18.根据权利要求17所述的微流体装置，其特征在于，所述微流体装置进一步包括所 述微管(10)的所述臂(16)内的间隔物(22)，以便在所述臂(16)内流体地隔开所述第一微 通道部分和第二微通道部分(18)。
19.根据权利要求17所述的微流体装置，其特征在于，所述微管(10)的所述臂(16)横 向于所述对称轴线而延伸。
20.根据权利要求17所述的微流体装置，其特征在于，所述微管回路(20A-B)中的各个 微管回路限定了第一拐角和第二拐角，所述微管(10)振动，从而使得对角地相对的第一对 所述拐角彼此同相地偏转，对角地相对的第二对所述拐角彼此同相地偏转，且对角地相对 的所述第一对和第二对彼此异相地偏转，从而使得从所述微管(10)传递到所述基底(50) 的声能减小。
21.根据权利要求1所述的微流体装置，其特征在于，所述微流体装置进一步包括用于与所述驱动器件和感测器件(60A-B，62A-B)协作来平衡所述微管(10)的振动的额外的器 件(64A-B，66A-B)。
22.根据权利要求1所述的微流体装置，其特征在于，所述微流体装置安装在选自由化 学浓度传感器、燃料电池系统和药物输送系统组成的组的系统中。
23.根据权利要求1所述的微流体装置，其特征在于，所述驱动器件(60A，60B)包括用 于以静电、磁或压电的方式驱动所述微管(10)的至少一个器件。
24.根据权利要求1所述的微流体装置，其特征在于，所述驱动器件(60A，60B)包括在 所述基底(50)的所述表面(52)上且邻近所述微管(10)的所述周边部分(14)的至少一个 驱动电极(60A-B)。
25.根据权利要求1所述的微流体装置，其特征在于，所述感测器件(62A，62B)包括用 于以电容、磁或压电的方式感测所述微管(10)的至少一个器件。
26.根据权利要求1所述的微流体装置，其特征在于，所述感测器件(62A，62B)包括在 所述基底(50)的所述表面(52)上且邻近所述微管(10)的所述周边部分(14)的至少一个 感测电极(62A-B)。
27.根据权利要求1所述的微流体装置，其特征在于，所述微管(10)是由选自由硅、掺 杂硅和其它半导体材料、石英、玻璃材料、陶瓷材料、钛、钢和其它金属材料、塑料材料以及 复合材料组成的组的材料形成的微机械。
28.—种包括使用权利要求1所述的微流体装置来测量流体的至少一种性质的方法， 所述至少一种性质选自由所述流体的质量流率、密度、体积流率、比重和化学浓度组成的 组。
全文摘要
一种用于评定流体的性质的微流体装置。该装置利用能够具有用于提升装置的某些性能和/或结构方面的不同的振动模式的微管(10)。微管(10)由基座(12)支承，以便与基底表面(52)分隔开。微管(10)具有包围基座(12)的周边部分(14)、自基座(12)支承周边部分(14)的臂(16)，以及至少具有第一微通道部分和第二微通道部分(18)的连续的内部微通道(18)。各个微通道(18)限定单独的流动路线，且各个流动路线起始于基座(12)处，延续通过周边部分(14)的一部分，并且返回到基座(12)。第一微通道部分和第二微通道部分(18)分别流体地连接到基座(12)内的入口端口和出口端口(26，32)上。微管(10)的振动由驱动元件和感测元件(60A-B，62A-B)诱发及感测。流体性质根据感测元件(62A-B)的输出来确定。
文档编号G01F1/84GK101842668SQ200880105140
公开日2010年9月22日 申请日期2008年6月25日 优先权日2007年6月25日
发明者D·R·斯帕克斯, D·赖利, N·纳亚菲 申请人:集成感应系统公司