本发明一般涉及微流体领域，具体涉及配备有电极的微流体芯片，以对芯片中的液体(例如用于即时诊断的微流体)进行测量，以及相关的系统和流量监测方法。
微流体技术涉及小体积流体的行为、精确控制和操作，这些流体通常被限制在微米长度的通道和体积通常在亚毫升范围内。微流体的突出特点来源于液体在微米长度范围内显示的特殊行为。微流体中的液体流动通常是层流。通过制造横向尺寸在微米范围内的结构可以达到远低于1纳升的体积。大尺度限制的反应(通过反应物的扩散)可以加速。最后，平行的液体流可能被精确和可重复地控制，允许在液体/液体和液体/固体界面产生化学反应和梯度。
更详细地说，微流体中典型的流体体积范围为10-15l至10-4l，并且通过具有10-7m至10-4m的典型直径的通道(或微通道)传输、循环或更一般地移动。在微观尺度上，流体的行为可以不同于更大的宏观尺度，例如表面张力，粘性能量耗散和流体阻力可能成为流体流动的主要特征。例如，在微流体中，比较流体动量和粘度影响的雷诺数可能会降低到流动行为变成层流而非湍流的程度。
另外，在微观尺度上，由于在低雷诺数流动中没有湍流，所以流体不必如微尺度那样乱流混合，并且相邻流体之间的分子或小颗粒的界面运输通常通过扩散发生。因此，某些化学和物理流体性质(例如浓度，ph值，温度和剪切力)可能变得确定。这使得可以在单步和多步反应中获得更均匀的化学反应条件和更高等级的产物。
微流体装置通常指微制造装置，其用于泵送、取样、混合、分析和计量液体。大多数微流体装置是密封的并且具有用于通过它们泵入和排出液体的入口/出口。然而，一些微流体装置(例如所谓的“微流体探针”)可以扫描表面并将表面的选定区域上的液体定位，而不需要密封流路。
用于即时诊断的微流体装置是指非技术人员、患者附近或野外以及可能在家中使用的装置。现有的即时诊断设备通常需要将样品加载到设备上并等待预定的时间直到可以读取信号(通常是光学或荧光信号)。该信号来源于(生物)化学反应并涉及样品中分析物的浓度。这些反应需要时间并且很难实施，因为它们需要最佳时机、样品的流动条件和试剂在装置中的精确溶解。反应涉及脆弱的试剂如抗体。设备中可能会产生气泡，导致测试无效。另外，设备中的碎片可能会阻塞液体流动。在液体必须以平行流动路径分流的装置中，在相同的流速下可能不会发生填充，并且这会使测试偏差或无效。另外由于制造问题，一些测试失败。
此外，用于即时诊断的微流体装置通常是不透明的(以保护试剂免受光照)并且通常太小而不允许光流监测，这将需要体积庞大且昂贵的光学系统和/或先进的图像处理算法。
代替使用主动泵送装置，微流体装置是已知的，其使用毛细作用力来移动微流体装置内的液体样品。这使得该设备操作更简单并且更便宜，因为不需要集成泵或外部泵。但是，制造过程中的微粒、污染和其他问题可能会影响毛细管填充装置。
技术实现要素：
根据本发明的一个实施例，一种微流体芯片，其包括可用液体填充的微通道，所述微通道包括一对电极以及限定在所述电极之间的液体流动路径，其中每个所述电极在操作中沿着所述流动路径延伸并平行于填充微通道的液体的方向，以及电路，其连接到每个电极并且被配置为在操作中经由电极连续地测量连续填充流路的液体浸湿的电极的时间函数的电容。
根据本发明的另一个实施例，
附图说明
图1示出根据实施例的用于监测微流体芯片中的液体的方法的概略步骤的流程图；
图2是根据实施例的包括纵向电极和与其连接的电路的微流体芯片的俯视图，用于执行连续的电容测量；
图3示出了表示典型地经由该装置测量的电容的曲线
图2.突出显示芯片检测、液体检测和终点检测等可检测事件；
图4示出了根据实施例的系统中涉及的流量监测装置的分解图，其可以进一步包括移动装置。插图显示了微通道表面和液体前沿在毛细结构的格子上前进的细节；
图5是表示在实施例中电容测量中涉及的电容器的充电和放电期间的电压以及相关量的曲线图；
图6和图7分别示出了如在实施例中所涉及的用于利用微控制器和两个微通道测量电容的方法的示意图和相应的流程图；以及
图8表示根据实施例的装置测量的各种液体的电容曲线的图。
附图示出了涉及实施例的设备或其部分的简化表示。在附图中描绘的技术特征不一定按比例绘制。除非另有说明，附图中的相似或功能相似的元件已经被分配了相同的附图标记。
具体实施方式
如介绍中所概述的那样，用于即时诊断的微流体装置的填充是至关重要的；它有时会出错。这在最坏的情况下可能导致错误的诊断。在最好的情况下，填充设备失败需要用另一个设备重新进行测试。正如本发明人已经认识到的那样，当液体填充这种装置的微通道时能够连续监测液体将是有利的，以便在出现问题时尽快警告使用者。
如引言中进一步所述，一些微流体装置是已知的，其使用横跨微通道放置的电极，用于例如使用电容测量来检测电极附近的液体的存在。然而，可以认识到，散布几对电极以创建用于液体填充的检查点不足以精确地跟踪微流体装置的填充状态。事实上，填充的潜在失败点太多了；减少的一组电极甚至可能会引起误导，因为建议适当地进行填充，而在最后一对电极之后填充会失败。因为它也可以实现，所以乘以电极对的数量不是可行的选择，因为每个电极需要单独的接触垫。更多的垫需要更多的空间，并导致更大的设备。这样的设备最终会丧失便携性并且制造成本更高。
正如本发明人也已经意识到的那样，对监测分钟数量的液体的流量有更普遍的需求。事实上，微流体装置仅处理微升样品，这些装置中的流速可小至1纳升每秒或更少。因此，监测流量的高精度将是非常有利的，即使横向电极无法实现这一点。
在做出了上述观察之后，本发明人设计了依赖于连续电容测量的装置和系统，通过纵向电极，其中电极的电容随着它们被连续填充微通道的流动路径的液体而浸湿而改变。以下详细说明本发明的优选实施例。以下描述的结构如下。首先描述一般实施例和概述变体(第1节)。接下来的部分将介绍具体的实施方案和技术实施细节(第2节和第3节)。
参考图2和图4，首先描述本发明的一个方面，其涉及微流体芯片10。后者特别包括可以填充有液体5的微通道11(或微通道部分)。微通道11包括一对电极在电极21、22之间限定液体流动路径12。每个电极21、22沿着流动路径延伸并平行于液体的方向(在图2中垂直向上)，如后者在操作中填充微通道。
此外，提供连接到电极21、22中的每一个的(芯片上)电路。该电路可以特别地包括适当地连接到电极的电连接器41-44a，以将电信号传送到处理器单元，这将在后面描述。芯片上电路通常被配置为能够通过电极21、22连续测量连续填充流动路径12的液体浸湿的电极的时间函数的电容。
电极21,22是纵向电极。即，它们纵向延伸在电极21,22之间限定的流动路径12的每一侧上。“纵向”电极21,22在下文中指的是沿流动路径(与横向电极相反)延伸的电极，即平行于液体5在液体5填充流动路径时的方向，并且与通道的实际形状无关(其可以是直通道，如图2的示例中那样，或者不是)。使用纵向电极21,22允许在操作中连续监测液体5的进程，这继而允许相关反馈(例如指示)及时地提供给操作芯片10的用户，如下面详细讨论的。
“连续测量”意味着以通常介于1ms和1s之间的频率重复测量电容的变化。如稍后参照图5-7所解释的，频率取决于rc时间常数，在当前情况下，这可能导致1hz和1khz之间的测量频率，这取决于固定电阻和测量电容。考虑到如图2所示的芯片中液体流动通常较慢，每秒几次测量通常已经足以合理估计液体流量。
在如图2所示的实施例中，微流体芯片10实际上包括两个微通道11,11a，其中每个微通道包括一对电极21,22；21a，22a和液体流动路径限定在每对电极之间。在操作中，每对电极沿着流动路径并且平行于液体5的方向延伸。电路连接到每对电极，以便通过每对电极进行电容测量。
如果需要，相同的概念可以扩展到更独立的通道。使用多个通道可以平均测量值，从而获得更准确的测量结果。另外，使用多个通道允许进行多路复用测定，其中每个通道可以具有不同的流速，针对不同的分析物进行优化，其中可以单独监测每个通道。
但是，如图2或图4所示，通道的最大数量可以由芯片的电触点41-44a和外部监测模块100的处理元件102的端口来限制。
在实施例(未示出)中，取决于芯片区域和外部监测装置100所施加的限制，多达七个通道可以布置在同一芯片上；面积越大成本越高。
每个通道至少需要两个电极进行电容测量，这包括一个接地电极。尽管如此，在上面的例子中，可以为所有通道使用一个公共接地电极，并且为七个通道使用七个独立电极。请注意，对于非常导电的液体(如pbs)，一个通道中测量的电容可能会影响另一通道上的测量结果。但是，如果需要，可以对这种现象进行建模和补偿。
本实施例主要假定两个主微通道11,11a，没有任何偏见地。仍然，本芯片的特征基本上是关于通道(通道11)之一和其对应的电极21,22来描述的，另一通道12在其他方面类似于前者11。
在优选实施例中，每个电极21,22与流动路径并且在流动路径的旁边与平面内图案化。如可以认识到的那样，在平面内构图电极比在分离的表面(例如通道的顶部和底部表面)中的电极更容易制造。优选地，电极与流动路径表面12一起制造成水平面(或露出最小的露头)，以最小化液体流动的扰动。尽管如此，电极的平面内设计比夹层结构(顶部和底部电极)更不易干扰，因为液体5可“看见”更多的浸湿表面(即，电极之间的流动路径的表面和通道超出电极)，而不会遇到前一种情况下的边缘或拐角。
在变体中，电极可以在各向异性蚀刻(例如，si)通道的侧面上被图案化，使得纵向电极将形成与(底部)壁邻接的(锥形)壁，从而形成流动路径。在这种情况下，通道底部不需要放置任何电极(如果需要，可以提供额外的电极)或放置在顶部。
由于在液体-电极界面处的双电层，参见图4插图，所以测量的电容被认为基本上涉及双层电容，其中电极被提供在面内或锥形壁上。例如，在实践中发现基本上与电极的宽度w成比例，这与已知的事实相一致，已知的事实是双层电容已知可以与所涉及的面积成比例。不太重要的是，随着电极间间隙g增加，所测量的电容会发现稍微降低。根据本发明人进行的实验，双层电容贡献是最重要的。若干其他效应可能进一步影响所测量的电容，例如非线性恒定相元件和/或具有电荷转移电阻效应的复阻抗等。所涉及的影响取决于用于电极的液体和材料的类型。尽管如此，本发明人通常已经观察到通常在微流体中使用的电极的表面积和液体的测量电容之间的近似线性关系。
相应地，图4的插图中描绘的(简化的)电容模型示出了用于电容的两个双层组件cdl(其增加了电极的干电容cd)。根据之前的内容，电容测量受到电荷转移电阻rct以及样品(即液体)的电阻rs的轻微影响。与cdl串联的电阻rs比用于微流体应用的普通液体的cdl阻抗低得多，因此可以忽略。与电极表面和电解质之间的电化学电荷转移反应相关的rct可能影响通过外部电阻器充电时cdl上的电压降。然而，考虑到rct通常比外部电阻的电阻值高得多，这种影响可以忽略不计。
关于现在的尺寸：一方面，太小的电极宽度导致电容太小，导致失去精度。另一方面，太宽的电极影响毛细管流动，因为它们具有与芯片表面不同的水接触角，特别是流动路径(其典型地是sio2表面)。如后面所解释的，太宽的电极会进一步引起太高的电容值，这将过大地增加测量时间。
考虑到这些理由，电极的优选尺寸如下。在实施例中，每个电极21,22具有在10和500μm之间的宽度w。电极之间的间隙g在10和1000μm之间，并且优选大于电极的宽度w，以使对液体流动的扰动最小化。更优选地，每个电极21,22的宽度在30和160μm之间，而电极之间的间隙优选在40和520μm之间。对于宽毛细管泵(例如宽于5mm)，电极之间的间隙可以增加和/或多个纵向电极对可以被图案化以具有平均效应。
正如本发明人所认识到的，上述尺寸允许最精确地测量流速。用于电极的优选材料是pd。其他贵金属，如au，pt也可以使用。
每个微通道11,11a优选地构造成用于在其中推进液体5的无源毛细管泵。特别地，微通道11可以包括毛细结构32的格子，毛细结构32用作无源毛细管泵30,30a。如图所示，如图2和图4所示，电极21,22延伸穿过格子30。
格子不必具有平移对称性(即恒定格子参数)。相反，毛细结构32可以具有不同的格子参数，尤其是在电极21,22的高度上。例如，取决于所使用的液体、材料和尺寸，毛细结构的面密度可以局部地降低，以便为如果需要，电极或相反地增加以补偿由电极引起的流动扰动。
在毛细结构的变体中，流路的表面可能已经足够润湿以充当无源毛细管泵30，而根本不需要毛细结构。在所有情况下，由于便携性、简单性和成本的原因，无源毛细管泵是优选的。仍然，无源泵送装置的存在并不排除在注入和/或传播液体5时可能特别涉及的其他主动泵送和/或注入装置。在(不太优选的)替代方案中，液体可以只通过活动泵送手段移动。
在其它变体中，其他液体控制机构可集成在芯片上或微流体结构内部，诸如压电、磁性、电渗或电浸湿控制机构等。用于流量监测的电极然后可用作反馈以精确控制流量。这种液体控制机构可以用来抵抗毛细管压力以调节液体流量，例如减缓液体流动或为了更快的流动而支撑液体流动。
如果使用毛细管结构32的格子，则电极21,22优选地沿着格子的中间位置延伸穿过该格子，如图2所示。这允许在实际中最准确地外推到通道11的整个横截面的局部流量的测量，因为液体前沿受侧面/边缘效应(其中可能更容易形成堵塞或气泡)影响最小。这反过来又允许准确估计微通道中存在的液体体积。
在实施例中，所述电路包括电连接器41-44；41a-44a，它们位于芯片10的边缘处，如图2所示。芯片10可以进一步具有允许芯片10容易地插入监测装置100(图4)中的形状因子。作为电连接器41-44；41a-44a设置在芯片10的边缘处，它们允许在插入监视装置100时直接插入芯片10。
电连接器41-44；41a-44a优选地构造为平坦的接触垫，如图2中所假设的那样。理想情况下，接触垫也应遵守标准(例如，microsd卡等)以更好地与外围设备电接口。
在变型中，可以使用“弹簧针”弹簧承载触点，其比平坦触点垫要求更小的面积，以便在这种情况下可以增加更多的触点。弹簧针触点可以位于芯片上的任何位置，允许从例如芯片的主表面电连接插座。
现在更具体地参照图4，并且根据另一方面，本发明可以体现为微流体测量系统1。系统1包括如上所述的微流体芯片10。此外，它包括流量监测装置100。后者被构造成允许芯片10与其连接。例如，正如上面所看到的，由于适当配置的电连接器41-44；41a-44a，可以实现芯片10的直接插入，在芯片插入监视装置100中时。
为了人体工程学的原因，监测装置100的整体尺寸优选地小于20mm×60mm×160mm，并且更优选地小于10mm×30mm×80mm。在后一种情况下，装置100可以有利地装配在为显微镜载玻片设计的标准显微镜或荧光读取器下。
在实施例中，流量监测装置100还包括数据处理单元102，例如微控制器。微控制器的一个合适的例子是
数据处理单元102可以进一步包括模数转换器105。例如，adc可以位于如上所述的微控制器(“atmega32u4”)内部。adc被适当地连接到控制器102的总线以根据需要传送数据信号用于随后的操作。可能只需要一个物理adc，因为一个adc可能通过合适的编程和引脚连接而连接到不同的通道。在各种变型中，微控制器可能有多个adc，用于同时从不同通道进行模数转换。
数据处理单元102通常用低级计算机程序指令编程。有趣的是，如果所使用的语言足够低级，则模数转换器的时钟频率可以增加。例如，频率可以大于或等于1mhz，例如等于4mhz。伪码的一个例子在后面第3节给出。
需要考虑的另一个参数是位数。微控制器可以例如使用10位adc(或更一般地8至20位adc，或甚至更多)。所有这些参数都会影响电容测量的最终分辨率。但是，更高的频率和比特数量需要更多的功率。然而，由于这里考虑的应用不需要非常快速的测量，因此可以找到合理的折衷方案，以避免使用功耗要求较高的adc。
通过优化adc时钟频率，可以监视低至5pf的峰-峰值变化，这通常可以对应于流量监控的10μm分辨率，这取决于通道和电极21,22的尺寸以及液体在通道中前进的类型。
现在参照图3和图8：在实施例中，系统1中使用的流量监测装置100还包括数据处理单元102，该数据处理单元102被配置为监测超出电容本身的电容的斜率。如下所述，监测斜坡允许检测斜坡的变化，从而可以检测事件。此外，电容的斜率本身可解释为液体5的位置和/或体积，因为后者在操作中连续填充微通道。此外，测量斜率进一步使得表征液体成为可能，因为不同的液体具有不同的斜面标记，如图8所示。
如上所述，在实施例中，数据处理单元102可以被配置为在操作中监视电容的斜率的变化。然后，斜率的变化(包括突变)可以被解释为事件，例如，芯片检测、液体检测、终点检测(液体到达微通道的末端)等。这样的事件通常在该液体插入在微通道中之前或者之后，并且可用于辅助液体操作芯片。
所测量的电容的斜率的变化可以进一步用于检测芯片的问题或缺陷(例如堵塞，泄漏等)。
除了斜率的变化之外，斜率本身也可用于扣除流量信息，特别是在操作结束时，当通道完全被液体填充时。最终流量信息可以例如用于校准生物测定的结果。事实上，即使芯片正常工作，测量流量中可能存在芯片到芯片的变化(通常为5-10％的变化)。因此，如果测定的动力学是已知的(例如，因为它们事先已被表征)，则可以根据确切的流速来校准测定结果，从而可以补偿由流速变化引起的误差。
现在参考图2和3：在实施例中，电极21,22被适当地配置在微通道11,11a中，例如用于数据处理单元102能够检测来自电容斜率变化的事件。除填充问题之外，以下事件在操作中特别可检测到：(1)在将芯片10插入流量监测装置100中时检测芯片10；(2)检测进入微通道的液体5；和(4)检测到达微通道末端的液体5(终点检测)。正常流量计算方式(3)发生在图3中的步骤(2)和(4)之间。
为此目的，并且如图2所示，电极21,22基本上从通道部分11(11a)的一端到另一端在微通道部分11(或11a)中纵向延伸。电极可以进一步在通道部分的端部处急剧弯曲。如可以认识到的那样，从底端进入通道部分11(11a)或到达通道部分11(11a)的顶端的液体将相应地产生所测电容的跳变，这反过来允许相应的事件发生被检测到。可以设想其它电极的配置(例如，具有更平滑的弯曲，或只有一对电极弯曲等)，这仍然允许检测到所测量的电容的斜率的变化。特别地，在变体中，电极可以具有较宽或交叉的部分以提供液体位置的独特特征，例如毛细管泵端部的端点检测。
现在具体参照图4，在实施例中，测量系统1可以进一步包括一个或多个图形用户界面(gui)110、200。可以直接在监视设备100上和/或在单独的设备200上提供gui(例如，电脑或智能手机)。在所有情况下，gui都可连接到数据处理单元102。因此，单元102可以基于电容、电容的斜率以及经由一个或多个gui110、200向用户提供适当的反馈/或在测量电容的斜率中检测到的变化。
优选地，仅使用流量监测装置100的处理能力。在备选方案中，部分或全部处理可以离域化，例如，外包给伴随设备200或甚至远程服务器。可以在监测装置上提供显示器110，并且如果需要，可以在配套设备200的gui上镜像待显示在其上的信息。为此目的，后者200可以通过以下方式连接到流量监测装置100：硬连接或无线连接的方式。
除了视觉反馈之外，实施例还可以涉及用于警告的音频信号和/或振动。在测量期间，系统1(包括装置10和100)可能需要保持在封闭的室内或显微镜内，即与使用者隔离。将设备100连接到移动电话200或计算机使得可以远程警告用户(例如，电话可以振动或蜂鸣器108被激活)。在任何情况下，只要在液体流中发现问题，就可以启动警报。相应地，用户可以立即采取行动，例如，用户不需要等待填充完成并且可以立即进行更换缺陷芯片。
有关该芯片的其他功能，技术实施细节以及其他可能的制造工艺的考虑，请参见本节2。关于微控制器编程和电容测量的技术细节在第3节中给出。
接下来，如图1所示，并且根据另一方面，本发明可以体现为用于监测如上所述的微流体芯片10中的液体5的方法，参考图2-4。基本上，该方法围绕监测s25连续地填充芯片10的微通道。当电极被连续填充流体路径12的液体5浸湿时，通过测量电极的时间函数的电容来执行监测s25。电容测量信号从芯片10的电路提供。所得到的测量的例子在图3和8中示出。
如前所述，微通道11,11a可构造成用于在其中推进液体5的无源毛细管泵30,30a。如前所述，微通道优选地包括毛细结构32的格子，毛细结构32用作无源毛细管泵，其中电极21,22延伸穿过格子。
液体5可以被供应(s40)，例如通过使用移液管在微通道中引入，例如通过与每个通道11,11a流体连通的加载垫50(图2)。
一旦液体5被引入，无源毛细管泵30,30a就使供应的液体5自发地填充微通道11,11a。同时，基于来自芯片10的电路的测量信号，可以连续监测液体流s25。
由于如上所述的芯片10和器件100的优选设计，在所测量的电容中可以检测到小到5pf的峰-峰变化。当然，也可以检测到较大的变化，例如当引入液体时突然跳跃。低于5pf的峰-峰变化通常接近噪声水平，因此不需要考虑。
具体地，可以连续计算填充微通道11的液体5的位置和/或体积(s70)，同时监测(s25)电容值。优选地，电极21,22基本上沿着格子30,30a的中间延伸，这继而允许关于局部流量的测量外推到通道11,11a的整个横截面(并且因此如果需要，体积可以得到最准确的估计)。
流量可以明显地计算如下。例如，可以在例如t＝10s，c10之后的t秒内测量第一电容值c0，然后测量第二值c1，并且计算速率(c1-c0)/t。然后，为了从所测量的电容估计流速，需要知道引入的液体5的电特性。
可以考虑两种情况。在第一种情况下，用户知道正在处理何种类型的液体，因此可以在监测装置100中输入液体的电特性。否则，系统1可以例如直接从所测量的电容斜率配置液体属性。在变型中，系统1可以通过设置在加载垫50(图2)中的电极来测量液体的电特性。在其他变型中，可以在液体路径上的液体加载垫50之后的通道部分中提供电极。在其他变型中，可以提供没有连接到主流动路径但连接到加载垫的侧通道，以用于表征液体的电和流体特性。在所有情况下，都可以表征液体，从而推断液体的性质。然后，可以使用该信息来计算通道11,11a中的流量。
如前所述，微流体芯片10可以包括多个通道11,11a(例如，在图2的示例中为两个)。计算步骤(s70)可以相应地基于，例如，组合各个电容测量值的结果，即经由每个电极对21,22；21a，22a经由电路进行的测量。
连续监测(s25)可以进一步包括监测电容的斜率，使得能够检测电容的斜率的变化(s30，s50，s110)。通常，所有感兴趣的数据将被记录(s90)。具体地说，可以存储对应于检测到的改变的事件(s90)，例如图3中的事件(1)，(2)和(4)，以根据需要向用户提供相应的反馈。如果芯片包括片上液体控制机构(例如，基于磁性，压电，电渗，气动或电浸湿原理)或外部泵或离心系统，则反馈可用于精确调节流速。如进一步反映在图1中，本方法可以显著检测：在监测装置100中插入(塞入)芯片(s20，s30)；液体5已经进入(s50)微通道；并且液体5已经到达(s110)微通道11的一端。在步骤s90记录的数据不需要被存储在永久存储器中。
在实施例中，经由图形用户界面110，沿着该过程向用户提供视觉反馈(s35，s55，s130)，尽管可以使用其他信号(音频，通过蜂鸣器或振动)来代替视觉信号或补充视觉信号。一旦接通，设备100开始(s10)监测电容。在那里，在检测到(s30)用户已插入(s20)的芯片(这在电容中产生第一跳跃(1)，见图3)之前和之后，可以特别地提供反馈(s33，s35)。类似地，可以在检测到(s50)用户已经引入(s40)(其在电容中创建第二跳跃(2)，参见图3)液体之前和之后提供(s53，s55)反馈。另外，在计算步骤s70期间，可以提供(s73，s75，s77)其他反馈，通知(例如，用户)流体速度(例如，太慢(s73)、正常(s75)或太快(s77))，提示采取行动(s60)。
这里可以设想不同的场景。在完全无源的毛细管系统中，如果流量超出范围，用户(或机器人)可能会丢掉芯片。现在，如果流量在该范围内，迄今获得的数据可用于校准测定。如果例如使用片上或片外液体控制原理(例如，电渗，电浸湿，压电，气动或磁控制等)，则用户、设备(例如机器人或某些设备某种)或者系统本身可能控制流量并采取适当的行动。在另一个例子中，虽然有警告(s73，s77)，但用户可能决定给芯片一个机会，并等待一些额外的时间。事实上，由于泵的小缺陷并且流量恢复到正常值，可能已经触发了(s73，s77)的警告。用户(系统各自地)稍后可以决定(分别通知)暂时故障对于化验结果是否关键。
流体速度影响电容(3)及其斜率，见图3和8)。最后，如果根据步骤s70的计算，信道11,11a被发现(s110)是充满的(图3中的终点检测(4))，则可以向用户提供相应的反馈(s130)。在步骤s130提供的反馈可以例如提示用户终止测试，例如拔掉芯片10。在变体中，该反馈s130可以指示系统准备好化验测量，例如用于使用荧光阅读器检测分析物。
在实施例中启用的反馈过程允许整个过程的交互性。可以检测到事件(例如，检测到芯片(s30-s35))，提示(s35)进入下一个步骤s40(引入液体)并且依次引导下一个事件(检测到液体)的检测(s50-s50)，例如，对于需要多个移液步骤的应用，系统可以指导用户进行下一个移液步骤及其时间。此外可以连续向用户报告关于流量计算的信息(s73-s77)。
在进一步的实施方案中，多个微流体装置可以并行运行(例如，在临床实验室中)。在这种情况下，可以使用整个监测系统来代替单片监测设备，系统可以并行监测多个设备。当设备准备好进行测量时，监测系统可以提供反馈，例如“设备#1：流量正常；设备#1准备测量“。然后，用户(或自动化机器人手臂)可以将该设备插入自动阅读器。在这种情况下，读者不需要在液体(流动)填充阶段使用，在某些情况下可能持续30分钟或更长时间。因此，可以使用具有流量监测选项的数十个(例如，低成本)微流体装置，而只有一个(例如高端，昂贵)读取器。
在其他实施例中，可以提供附加类型的反馈。例如，系统可以被设计为警告用户测量已经太迟了，例如，因为用户不可用一段时间并且已经错过了中间警告，使得通道中的液体可能已经干燥并且结果不是有效了。事实上，如果液体在一段时间后在通道内(特别是在检测区域)干燥，那么这可能会改变结果。
已经参照附图简要描述了上述实施例，并且可以适应多种变型。可以设想上述特征的几种组合。示例在下面的章节中给出。
由于设置为与流动路径流体连通或在流动路径内提供的毛细管泵30,30a(其可以被认为是流动路径)，因此流动路径12,12a优选由毛细管驱动，并且导致毛细驱动流动。由于流路是亲水性的，因此流入流路的液体无论如何都必须浸湿亲水表面并在流路中前进。流动路径优选设置在可封闭的微通道中，例如在芯片的表面的顶部开槽或结构化，如稍后讨论的。流动路径是“亲水的”在于其由(至少)一个亲水表面限定。尽管如此，流动路径可以由几个表面限定，但并非所有这些表面都需要亲水性。流动路径的亲水性可以通过亲水表面和疏水表面的组合或通过具有各种亲水特性的表面来实现。
无源毛细管泵的使用允许创建更紧凑、自动化和高效的系统。优选地，提供非主动泵送(强制液体注射，通过液体泵送或离心的提取)，以实现更紧凑的表面。此外，微流体芯片优选地不包括与外部装置的任何液体连接，例如经由管道端口，而是仅设置有液体加载垫50。为了类似的紧凑性原因，芯片优选不包括其上的任何罐。
亲水表面限定在微流体微通道11,11a中，并且更确切地说通过通道的一个或多个内壁限定。该表面可以由sio2制成，通过热氧化(来自si晶片)，其允许获得高质量的sio2层。尽管如此，也可以使用低温沉积技术如溅射，蒸发来获得siox层。然而，siox表面可能具有较高的缺陷密度和针孔，这可能会降低应用中所寻求的电绝缘性能。在变体中，也可以设想si3n4氮化硅的低压化学气相沉积(lpcvd)或电介质层(例如al2o3等)的原子层沉积(ald)。ald允许获得高质量的介电层。然而，ald是一种昂贵的技术，厚层(例如50nm或更高)可能不可行。
可以采用依赖于各向异性硅蚀刻的制造方法来获得齐平电极表面21,22。即，暴露于液体的电极(沿着流动路径12纵向延伸)的表面可以被制造为平坦的，或者基本上水平，在流动路径中具有周围表面12。换句话说，电极优选地布置在通道中，以便集成在限定流动路径12的通道表面的表面厚度内，电极21、22的暴露表面基本上与周围表面12齐平。这意味着暴露的电极表面与周围表面之间的未对准相对于微通道的深度(优选低于或者甚至更低一至三个数量级)或者其中的液体5的典型厚度可以忽略不计。例如，已知的方法可以实现小于20nm甚至小于10nm的偏差，而通道深度通常在10-20μm之间。这使表面形貌最小化并因此有利于层流，这可有利于防止液体流入。最小化的表面形貌也有利于避免在通过液体初始填充流动路径期间钉住部位。这也减少了电极上的边缘缺陷，从而防止了边缘处的杂散电场。
在早期引发的变体中，电极可以在锥形侧壁上形成图案。
请注意，有可能将所有电极绘制在相同的掩模版图上，并通过相同的制造步骤同时进行图案化。
液体输入部50例如可以是液体加载垫50，其构造成用于将液体样本加载到流动路径中，但也可以是例如自身与液体加载垫或另一流动路径连通的微通道，或任何种类的液体入口(优选紧凑入口)。
电极与电接触垫的连接可能需要仔细设计，因为它可能会严重影响芯片的成本。就此而言，微流体芯片可以有利地包括与插座配合的电触点。该触点优选具有500μm的宽度和300μm的间距，即800μm的节距。插座应该允许小于200μm的机械对准以避免短路和错误的连接。例如，samecec的hsec8类型的边缘连接器具有800μm节距的触点，并允许精确的芯片到插座对齐。对于这个插座，4.5mm长的接触面积用于可靠的电气连接。或者，对于具有3mm长接触面积的芯片，可以使用用于microsd存储卡的插座(具有例如1.1mm间距的8个触点)。芯片的最终宽度可以设计为比插座开口宽度小100μm(每侧50μm小于插座开口，以便于放置而不会损坏插座或芯片)。芯片切割过程中芯片尺寸的变化预计在50μm以内。触点被放置在芯片的一侧上，优选地远离加载垫(例如相反侧)。只要芯片尺寸允许，触点的数量可以通过重复(恒定间距)来增加。通过共享接地电极可以减少触点的数量。而且，在导体或半导体(例如硅)电子器件的情况下，相同的插座允许电连接到芯片的背面。衬底被使用并且需要衬底偏置。在变型中，可以使用比弹簧接触片需要更小面积的“弹簧针”弹性负载触点。弹簧针触点可以位于芯片上的任何位置，允许从例如芯片的主表面电连接插座。
在一个优选实施例中，芯片尺寸为19.5×9.4mm2，并且包括加载垫，具有嵌入式电极的微通道、毛细管泵、通气孔、覆盖膜以及与卡边缘插座配合的电触点。硅衬底用于影响微加工过程以及si和sio2的有利特性，例如具有锥形侧壁轮廓的沟道蚀刻、用于毛细填充的sio2的亲水性、热和化学稳定性、机械坚固性、与许多sio2表面的相容性生物分子、以及明确和可靠的化学成分。
在制造过程中，使用tmah在硅中各向异性蚀刻沟道并通过热氧化进行电钝化。在对单层光刻胶进行保形涂覆和图案化之后，通过金属蒸发和剥离将电极图案化。在金属沉积之前，引入短的各向同性sio2蚀刻以辅助剥离并使电极凹陷。光刻参数经过优化，可在20μm深沟槽中实现至少5μm的最小特征尺寸。在切割和清洁步骤之后，将亲水性干膜覆盖层在45℃下层压以密封微流体结构。sem检测表明覆盖膜完全覆盖通道和毛细管泵。由于凹陷步骤，电极显示最小化的边缘缺陷和非常平坦的表面形貌。
在其他变型中，使用金属剥离或金属蚀刻工艺将电极图案化在具有sio2钝化层的平坦si表面上。然后使用添加工艺(例如su-8的光刻图案化或干膜抗蚀剂)对微流体结构进行图案化。尽管不是优选的，但也可以在覆盖基板(或膜)上图案化电极，然后使用芯片或晶片键合技术(例如，膜层压，阳极键合，直接键合，热塑性键合，粘合剂键合)将电极键合到携带微流体结构的基板等)。如果已经存在需要电极的芯片功能(例如，微加热器，用于介电泳或电浸湿的电极，或用于电流测量，电阻测量或电化学传感等的电极)，用于液体监测的电极可以与其他电极或一般的导电层一起构图。
本文描述的方法可以用于制造微流体装置，特别是基于晶片的芯片。所得到的芯片例如可以由制造商以原始晶片形式(即，作为具有多个未封装芯片的单个晶片)，作为裸芯片或以封装形式分配。在后一种情况下，芯片安装在单个芯片封装(如塑料载体)中或多芯片封装中。作为(a)中间产品或(b)中的任一种的一部分，即使应用于自主芯片，在任何情况下，芯片都可以与其他芯片或其他微流体元件(管端口，泵等)整合。
在实施例中，装置100包括容纳印刷电路板(pcb)103(图4)的3d打印外壳106。atmega32u4微控制器102连接在pcb103的下侧。微型usb接收器和插头104确保电源和通信。蜂鸣器108安装在pcb103的顶部以及芯片读取器插座107上，该芯片读取器插座107具有垫子以在插入到插座107中时提供与芯片10的电路的电连接。还提供了显示器110。所有电子组件都通过pcb103连接到微控制器102。
注意，设备100可以进一步包括(未示出)电池和蓝牙模块，其中usb端口可以用于对电池充电。但是，例如，如果电池和蓝牙模块位于pcb103下方，则占用面积可以不变。可以在pcb上提供用于无线连接的附加部件。
微控制器包括adc105，其优选以1至4mhz或更高的时钟频率工作。adc连续地测量电压值(“vout”，图5和6)，并且微控制器等待，直到该值达到vset(图5)的值。达到vset所需的时间取决于τ＝rc时间常数，根据固定电阻和测量电容c，在当前应用中，该时间常数通常在1ms和1s之间。例如，大电容使其更长达到vset。泵满时，最大电容值通常在10nf左右。然而，这个值可以取决于泵和电极的尺寸。将固定电阻设置为10mohm(兆欧姆)，可实现每秒至少几次测量，并进行五次平均。考虑到毛细管泵中的毛细管流速通常较慢，每秒几次测量就足以估计流速。如果电容变得太大，则一次平均测量可能需要几十秒，这对于测量的精度可能会有问题。在这种情况下，可以减小电极的宽度或固定电阻的电阻。
图5通常表示未知电容器的充放电循环。在图6和7中使用的缩写如下：
-数字1和2分别指代第一和第二通道(除了时间t0和t1，其指的是不同的时间，其值在操作期间被记录，如图5所示)；
-c表示电容器的未知电容，即包括微流体芯片10内部的电极21,22；
-rc和rdc分别指的是充电和放电电阻器，其在每种情况下都是具有已知值的物理电阻器，典型地为微流体芯片外部的电路板103上的几个mohms(对于rc)或几个kohms(对于rdc))；
-vin表示从微控制器施加到芯片10的电路的电压，以通过rc对未知电容器充电；
-vout是未知电容测量的电压；
-d1，d2，...，dn表示微控制器的数字引脚；
-a1，a2，...an是指微控制器的模拟引脚；
-mux代表多路复用器，通过适当的编程，微控制器可以通过该多路复用器选择要测量的引脚；
-如所述，adc表示模数转换器；
-内部vref是adc工作时在微控制器内部产生的参考电压；
-vset是电容器上电压的设定(阈值)值；
-comp.表示数字比较器；和
-alu是用于计算的算术逻辑单元。
adc的电容测量操作现在只针对一个微通道进行解释。如果微控制器具有多个adc，则可以依次测量多个通道(按重复顺序)或并行测量。
一种合适的技术是基于使用已知电阻器将电容器充电到设定值所需的时间来测量电容。首先，将d2(连接到放电电阻的数字引脚)设置为开路，使得从d1到d2没有直流电(图7中的步骤s701)。然后从d1施加(s702)电压以通过rc对电容器充电。取决于所使用的微控制器，电压电平可以是例如5,3.3,1.8或1.2v。这里假定值为5v。微控制器内部有一个自由运行的定时器，当vin被设置为5v时，计时器的值t0被登记(在缓冲器中)(s703)。然后，当电容器充电时，开始使用adc读取vout的值(s704)。adc每次产生(s704)一个值时，将该值与设定值(1v)进行比较(s705)。
读取比较操作需要非常快的周期。即，adc应该足够快以至不会错过设定值。如果读取比较操作太慢，它们会引起测量值的波动。当电容器非常小时，例如当毛细管流开始进入泵时，应特别避免这种情况。电容器的充电速度非常快，因此adc需要足够快地捕获电压值。出于这个原因，adc时钟频率可能需要增加以减少峰-峰值的变化。为此目的，可能需要低级指示。
当电容器的电压达到1v时(s705)，定时器的值被登记到另一个缓冲器(s706)。然后，将d1和d2设置为0v(接地)(s707)，以使电容器通过rdc放电至0v，并准备好进行下一次读取。在这里，rdc比rc小得多，所以它的放电速度要快得多，因为我们希望电容器能够尽快为下一次读取做好准备。
然后，alu根据已知参数(rc，vin，vout，后者在t1时等于vset，即停止操作时)和记录的定时器值(t0和t1)，计算(s708)电容值c。注意到
其中分子涉及测量量和分母涉及设定量。固定电阻rc可能具有制造公差，例如，1％，因此，上述公式可能需要针对rc的精确测量值进行校准。或者，可以使用可变电阻器(电位计)或晶体管来精确校准rc。也可以插入已知电容器而不是微流体芯片，并根据已知值校准公式。
实际上，结果不一定是电容器的确切值。相反，它应该仅仅被看作是随着液体位置的变化而增加的数量(因为后者填满了通道)。然而，优选地，系统可以被校准，使得所有制造的液体监测系统为相同的微流体芯片提供相同的值。否则，可能会有变化，主要是由于固定电阻的值。
在上述步骤中，vset设置为1v，以防止任何不需要的电化学(气泡形成，电极腐蚀等)。可以对同一个通道进行几次连续的测量；取平均值进一步降低噪音。
然后，可以为其他频道重复相同的过程。所有通道的计算步骤可以交错。
评论是按顺序的。如所述，优选地，电容器(同样电极)不应该经历可能导致电化学效应的电势。另外，测量应该最好是：
-快到足以监测液体的流动，当电容变大时这是需要特别关注的，这样充电需要更多时间；
-精确到足以检测小的变化，特别是在流量开始时，当c仍然很小时；和
-低功率足以使其可用于电池供电的移动应用。
可以使用其他技术来测量未知电容，其可以或多或少地适用于小/大电容。如有必要，可能会涉及使用自动量程(例如，自适应充电电阻)的更先进的测量技术。
根据最后的方面，本发明可以体现为如前所述的用于监测微流体测量系统1的微流体芯片10中的液体5的计算机程序产品。该计算机程序产品包括具有用其体现的程序指令的计算机可读存储介质，其中程序指令可由系统1的流量监测装置100的一个或多个处理元件(优选为微控制器102)执行以持续监测液体在操作中填充芯片的微通道。
正如在前一小节中所讨论的那样，最好使用低级程序指令，例如反映在图7中所使用的伪代码。
但是更一般地，计算机程序产品可以包括其上具有用于使处理器执行本发明的各方面的计算机可读程序指令的计算机可读存储介质(或多个介质)。
计算机可读存储介质可以是可以保留和存储供指令执行设备使用的指令的有形设备。计算机可读存储介质可以是例如但不限于电子存储设备。
这里使用的计算机可读存储介质不应被解释为暂时信号本身，诸如无线电波或其他自由传播的电磁波，通过波导或其他传输介质传播的电磁波(例如，穿过光纤电缆的光脉冲)或通过导线传输的电信号。
用于执行本发明的操作的计算机可读程序指令可以特别是汇编指令，机器指令或微码。计算机可读程序指令可以完全在设备100上或至少部分地在连接的设备200上执行。在实施例中，电子电路包括例如可编程逻辑电路，现场可编程门阵列(fpga)或可编程逻辑阵列(pla)可以通过利用计算机可读程序指令的状态信息来执行计算机可读程序指令以个性化电子电路，以执行本发明的各个方面。
这里参考流程图说明来描述本发明的各个方面。应该理解的是，流程图的每个框以及流程图中的框的组合可以通过计算机可读程序指令来实现。
这些计算机可读程序指令可以被提供给通用计算机，专用计算机或其他可编程数据处理装置的处理器以产生机器，使得经由计算机的处理器执行的指令或其他可编程数据处理设备，创建用于实现流程图中指定的功能/动作的装置。这些计算机可读程序指令还可以被存储在计算机可读存储介质中，该计算机可读存储介质可以指导计算机，可编程数据处理设备和/或其他设备以特定方式运行，使得其中存储有指令的计算机可读存储介质包括制造物品，其包括实现流程图中指定的功能/动作的各个方面的指令。
计算机可读程序指令还可以被加载到计算机，其他可编程数据处理装置或其他设备上以使得在计算机、其他可编程装置或其他设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的过程，例如在计算机、其他可编程装置或其他设备上执行的指令实现流程图中指定的功能/动作。
附图中的流程图图示了根据本发明的各种实施例的设备、系统，方法和计算机程序产品的可能实现的架构、功能和操作。就这一点而言，流程图中的每个块可以表示指令的模块，段或部分，其包括用于实现指定的逻辑功能的一个或多个可执行指令。在一些替代实施方式中，所提到的功能可以不按照附图中指出的顺序发生。例如，取决于所涉及的功能，连续示出的两个框实际上可以基本上同时执行，或者框有时可以以相反的顺序执行。还将注意到，流程图的每个方框以及方框的组合可以通过执行指定功能或动作或执行专用硬件和计算机指令的组合的基于专用硬件的系统来实现。
尽管已经参考有限数量的实施例、变型和附图描述了本发明，但是本领域技术人员将会理解，可以做出各种改变并且可以替换等同物而不脱离本发明的范围本发明。具体地，在给定的实施例，变型或附图中示出的特征(类似设备或类似方法的)可以与另一实施例，变型或附图中的另一特征组合或代替另一特征，而不脱离本发明的范围发明。因此可以相应地考虑关于任何上述实施例或变体描述的特征的各种组合，其仍然落入所附权利要求的范围内。另外，在不脱离本发明的范围的情况下，可以作出许多细微的修改以使特定的情况或材料适应本发明的教导。因此，本发明并不限于所公开的特定实施例，而是本发明将包括落入所附权利要求的范围内的所有实施例。另外，可以设想上面明确提到的许多其他变体。例如，本发明要求保护的微流体芯片可以制造成微流体探针。