專利名稱：用于微型流體處理系統(tǒng)的傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種包含有集成到微型腔室內(nèi)的例如微型懸臂梁、微型電橋或微型膜片等撓性微觀機(jī)械結(jié)構(gòu)的傳感器。特別地，本發(fā)明涉及一種用于測(cè)量所述腔室內(nèi)流體的生化特性的傳感器。
微型流體處理系統(tǒng)的一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)是可以受控方式將非常少量的流體引導(dǎo)到系統(tǒng)的不同部分中，從而在系統(tǒng)的這些部分中可使用不同的分析技術(shù)來確定流體特性。例如可使用光學(xué)檢測(cè)等外部分析技術(shù)?？墒褂锰幱谖⑿屯ǖ劳獠炕蚺c微型通道集成在一起的泵及閥系統(tǒng)來獲得受控液流。
微型懸臂梁是指通過測(cè)量微型懸臂梁機(jī)械特性的變化來檢測(cè)微型懸臂梁所處環(huán)境變化的裝置。微型懸臂梁通常尺寸為長(zhǎng)100微米數(shù)量級(jí)、寬10微米數(shù)量級(jí)、厚1微米數(shù)量級(jí)。微型懸臂梁是利用微型制造技術(shù)對(duì)例如硅、氮化硅、玻璃、金屬等材料加工制成的。機(jī)械特性的改變例如可以是在微型懸臂梁中應(yīng)力的生成，這是由于微型懸臂梁表面應(yīng)力的變化而引起的。應(yīng)力的形成也可能是由微型懸臂梁溫度改變所引發(fā)的雙態(tài)效應(yīng)引起的，由不同熱膨脹系數(shù)的兩種材料所制成的微型懸臂梁就會(huì)發(fā)生雙態(tài)效應(yīng)?？赏ㄟ^各種方式來檢測(cè)微型懸臂梁中所形成的應(yīng)力。通常應(yīng)力形成將引起微型懸臂梁發(fā)生變形。這些情況下，可通過檢測(cè)通過微型懸臂梁反射表面的激光束所發(fā)生的偏移來檢測(cè)微型懸臂梁所發(fā)生的變形。另一種檢測(cè)方式是檢測(cè)集成到微型懸臂梁上的壓敏電阻的電阻特性的改變，這種檢測(cè)方法的優(yōu)點(diǎn)是不依賴于微型懸臂梁的變形，也不需要到達(dá)微型懸臂梁的光學(xué)路徑。
共振頻率的改變是機(jī)械特性發(fā)生變化的另一個(gè)例子。由于有材料結(jié)合到了微型懸臂梁上而引起的微型懸臂梁質(zhì)量變化將會(huì)造成微型懸臂梁共振頻率發(fā)生改變。這可通過以接近微型懸臂梁共振頻率的頻率來激勵(lì)微型懸臂梁，并利用前述的用于檢測(cè)應(yīng)力形成的類似方法來檢測(cè)所造成的微型懸臂梁動(dòng)態(tài)彎曲幅度的變化。
利用微型懸臂梁的這些機(jī)械特性可檢測(cè)發(fā)生在微型懸臂梁表面上的氣相或液相的化學(xué)反應(yīng)。對(duì)于氣相試驗(yàn)而言，檢測(cè)可在氣室中進(jìn)行，可利用光學(xué)方法來檢測(cè)微型懸臂梁的彎曲情況。具有集成壓敏電阻式讀取器的微型懸臂梁已用于空氣的熱重量分析中。在外界情況下，以微型懸臂梁為基礎(chǔ)的檢測(cè)技術(shù)已被證明是非常靈敏的。已證明可檢測(cè)出低于0.5ng的質(zhì)量變化及低于約10-5℃的溫度變化。而且也可檢測(cè)出10-5N/m級(jí)的表面應(yīng)力的變化。對(duì)于液相試驗(yàn)而言，J.Chen(J.Chen，Ph.D thesis Simon Fraiser University(1995))已報(bào)道了用于檢測(cè)質(zhì)量變化的壓敏電阻式微型懸臂梁。在設(shè)置有微型懸臂梁的3水槽中可實(shí)施聚苯乙烯的檢測(cè)。通過振動(dòng)微型懸臂梁可監(jiān)測(cè)微型懸臂梁共振頻率及其質(zhì)量變化。通過集成的壓敏電阻式讀取器來監(jiān)測(cè)微型懸臂梁的變形。
于1999年7月29日公開的第W09938007號(hào)PCT專利申請(qǐng)中描述了一種利用設(shè)置在管中的微型懸臂梁來檢測(cè)液體中被分析物的系統(tǒng)。微型懸臂梁的彎曲是由微型懸臂梁一側(cè)上所發(fā)生的分子反應(yīng)所誘導(dǎo)的。然后通過激光在微型懸臂梁端部上的反射來檢測(cè)其變形情況。申請(qǐng)中的實(shí)施例包含有涂金微型懸臂梁上的自裝配單層(SAM’s)烷基膦的形成及低密度脂蛋白的部分可逆吸收。申請(qǐng)中也提到了檢測(cè)多種被分析物的可能性。并且還提出了一個(gè)用于產(chǎn)生參比信號(hào)的方案引發(fā)微型懸臂梁扭轉(zhuǎn)且從彎曲運(yùn)動(dòng)中識(shí)別出扭轉(zhuǎn)。為了避免引起微型懸臂梁發(fā)生微動(dòng)，建議采用低流速。這對(duì)于具有肉眼可見尺寸的流動(dòng)系統(tǒng)而言是顯而易見的。
已開發(fā)出在一開放通道的頂部設(shè)置有聚合物材料的微型懸臂梁陣列的產(chǎn)品(C.P.Lee et al.，Prooceeding of the μTAS’98workshop(1998)245-252；L.P.Lang et al.，Sensors and ActuatorsA 71(1998)144-149)。C.P.Lee等人指出對(duì)微型懸臂梁進(jìn)行改造便可使之用于原子力顯微技術(shù)(AFM)或近場(chǎng)掃描顯微技術(shù)(SNOM)的生化功能分析領(lǐng)域。因此，已提出的申請(qǐng)與表面成像有關(guān)。
作為傳感器用于液體中的微型懸臂梁市場(chǎng)上已有出售。D.R.Baselt等人(D.R.Baselt et al.，Proceedings of theIEEE.Vol.85 4(1997)672-679)已發(fā)表了關(guān)于作為生物傳感器在磁顆粒中使用的壓敏電阻式微型懸臂梁的報(bào)告。具有涂層的微型懸臂梁設(shè)置在要進(jìn)行檢測(cè)的液體腔室中。微型懸臂梁檢測(cè)出靜止于磁珠上的顆粒與微型懸臂梁表面上靜止顆粒之間的相互作用。如果磁珠與表面相結(jié)合，則應(yīng)用大磁場(chǎng)可引起微型懸臂梁的彎曲。
第5719324號(hào)美國專利中描述了一種以微型懸臂梁為基件的傳感器，其中可通過測(cè)量微型懸臂梁共振頻率的變化來檢測(cè)出微型懸臂梁質(zhì)量的變化。另外，還可監(jiān)測(cè)微型懸臂梁材料所發(fā)生的應(yīng)力變化來作為微型懸臂梁的形變。對(duì)于質(zhì)量檢測(cè)而言，壓敏電阻式激勵(lì)器使微型懸臂梁發(fā)生振動(dòng)，再利用光學(xué)讀取器來記錄下微型懸臂梁的變形情況。該專利還提到，質(zhì)量檢測(cè)原理也適用于在液體中所進(jìn)行的檢測(cè)。
前述各種系統(tǒng)的一個(gè)缺點(diǎn)是以微型懸臂梁為基礎(chǔ)的試驗(yàn)是在大的液體容器內(nèi)進(jìn)行的。這種大型液體容器系統(tǒng)的熱穩(wěn)定性是很難保證的。而且，在這種大型容器系統(tǒng)中所需化學(xué)制劑的量也是相當(dāng)大的。
前述各種系統(tǒng)還有一個(gè)缺點(diǎn)微型懸臂梁的變形是通過光學(xué)方法來檢測(cè)的。這樣做存在的缺點(diǎn)是難以獲得到達(dá)具體微型懸臂梁的光路，尤其是在多個(gè)微型懸臂梁間隔很近且液體不是透明的情況下會(huì)更加困難。
本發(fā)明的一個(gè)目的是將微型懸臂梁、微型電橋或微型膜片集成到封閉的微型液體處理系統(tǒng)中去，以提供用于監(jiān)測(cè)該系統(tǒng)中流體的物理、化學(xué)及生物特性的新型的檢測(cè)機(jī)理。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種具有集成讀取器的微型懸臂梁、微型電橋或微型膜片型傳感器。一個(gè)封閉的微型液體處理系統(tǒng)允許不同液體的層流不混合地流過通道，這將開辟新型的試驗(yàn)，且能降低與液體運(yùn)動(dòng)相關(guān)的噪音。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是采用下述方式提供可同時(shí)暴露在不同的化學(xué)環(huán)境中的相鄰或間隔很近的微型懸臂梁、微型電橋或微型膜片-將微型通道中的流體垂直地層分成兩股或多股支流，以便于在微型通道對(duì)側(cè)上設(shè)置的微型懸臂梁或微型膜片浸于不同的流體中，或者使微型懸臂梁、微型電橋或微型膜片暴露于兩種不同的流體中。
-將微型通道中的流體水平地進(jìn)行層分，以便于使凹置于微型通道的不同水平位置上的微型懸臂梁或微型電橋或者設(shè)置在通道頂部及底部上的微型膜片暴露在不同的液體中。
按照這種方式就可將由不同液體環(huán)境所激發(fā)的相鄰或間隔近的微型懸臂梁、微型電橋或微型膜片所發(fā)生的粘度、表面應(yīng)力、溫度或響應(yīng)特性的變化進(jìn)行對(duì)比。
利用所述的用于將相鄰或間隔近的微型懸臂梁、微型電橋或微型膜片浸沒在不同液體中的方法將不同的化學(xué)物質(zhì)涂敷在相鄰或間隔近的微型懸臂梁、微型電橋或微型膜片上。涂敷之后，可使用其他流體來沖刷微型通道以去掉殘余的涂敷材料，并將具有不同涂敷層的相鄰或間隔近的微型懸臂梁、微型電橋或微型膜片的反應(yīng)性能進(jìn)行對(duì)比。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一個(gè)以微型懸臂梁、微型電橋或微型膜片為基礎(chǔ)的傳感器，這樣可使液量最少化，以減少所使用的化學(xué)品數(shù)量，而且可獲得一個(gè)熱穩(wěn)定性一般較好的系統(tǒng)。
所述微米級(jí)尺寸意味著相互作用腔具有50-500微米(寬度及深度)范圍內(nèi)的尺寸。第一撓性元件可包含一個(gè)具有第一及第二端的微型懸臂梁，其中第一端與相互作用腔相連接。微型懸臂梁可具有矩形形狀，其寬約為50μm，長(zhǎng)約200μm，厚約1μm。
與第一撓性元件相關(guān)的機(jī)械參數(shù)可以為靜態(tài)或動(dòng)態(tài)參數(shù)。所述靜態(tài)意味著撓性元件可發(fā)生如彎曲等靜態(tài)變形。靜態(tài)變形通常是由撓性元件中的應(yīng)力變化所引起的。所述動(dòng)態(tài)意味著可在撓性元件的機(jī)械共振頻率處或共振頻率附近驅(qū)動(dòng)該撓性元件。在檢測(cè)液體中的物質(zhì)時(shí)，所述共振頻率可隨著撓性元件質(zhì)量變化而改變。
第一撓性元件還可包含一個(gè)具有第一及第二端的微型電橋，其中第一及第第端連接到了相互作用腔處。微型電橋的尺寸(寬、長(zhǎng)及厚)可與微型懸臂梁的尺寸相似。另外，第一撓性元件還可形成確定相互作用腔邊界的部分。這里所述邊界可以是相互作用腔的某一側(cè)壁。
用于檢測(cè)與第一撓性元件相關(guān)的機(jī)械參數(shù)的檢測(cè)裝置可以包含一個(gè)壓敏電阻式元件，該壓敏電阻式元件最好是第一撓性元件中的一個(gè)集成部分。壓敏電阻式元件最好形成一個(gè)例如惠斯通電橋等平衡式電橋。另外，檢測(cè)裝置可以包含一激光器、一個(gè)光學(xué)元件及一個(gè)位置光敏檢測(cè)器。
按照本發(fā)明第一方面所述的傳感器還可進(jìn)一步包含一個(gè)用于使撓性元件可相對(duì)于相互作用腔運(yùn)動(dòng)的激勵(lì)元件?？砂匆韵聨追N方式來組成該激勵(lì)元件包含壓敏電阻式元件、包含用于提供靜電感應(yīng)運(yùn)動(dòng)的元件、包含用于提供磁感應(yīng)運(yùn)動(dòng)的元件，或者包含用于提供熱感應(yīng)運(yùn)動(dòng)的元件。
處理裝置可由選自下組中所包含的材料制成金屬、玻璃、聚合物或例如硅等半導(dǎo)體材料。
第一撓性元件表面上所附著的物質(zhì)可選自下組中所述成份金屬、聚合物、生化分子或微型生化結(jié)構(gòu)。所述生化分子及微型生化結(jié)構(gòu)包含酶、DNA、細(xì)胞及蛋白質(zhì)。
按照本發(fā)明第一方面所述傳感器可還包含一個(gè)第二撓性元件，該第二撓性元件至少部分地位于相互作用腔內(nèi)，以便于該第二撓性元件至少部分暴露在液體中。該傳感器可還包含用于檢測(cè)與第二撓性元件相關(guān)的機(jī)械參數(shù)的裝置。所述檢測(cè)裝置可以包含一個(gè)與第二撓性元件集成在一起的壓敏電阻式元件。該壓敏電阻式元件可以形成一個(gè)類似惠斯通電橋的平衡式電橋。
第二撓性元件可用作第一撓性元件的參比元件，因而適于通過檢測(cè)裝置而產(chǎn)生一個(gè)參比信號(hào)。
本發(fā)明的第二方面涉及一種用于檢測(cè)液體中所存在物質(zhì)的傳感器，所述傳感器包含-用于處理液體的裝置，所述處理裝置包含一個(gè)相互作用腔、一個(gè)入口和一個(gè)出口；-具有一表面的第一撓性元件，所述表面上涂敷有一種物質(zhì)，其中涂敷有物質(zhì)的表面至少部分地位于相互作用腔中，以便使至少部分物質(zhì)暴露在液體中，-用于檢測(cè)與第一撓性元件相關(guān)的機(jī)械參數(shù)的裝置，所述機(jī)械參數(shù)與液體中所包含的物質(zhì)相關(guān)，其中檢測(cè)裝置形成第一撓性元件中的一個(gè)集成部分。
可按前述方法來構(gòu)造第一撓性元件、檢測(cè)裝置、激勵(lì)器。相互作用腔可以是微米級(jí)尺寸，也就是其尺寸可以在50-500μm范圍內(nèi)。
處理裝置可由選自下組中所包含的材料制成金屬、玻璃、聚合物或例如硅等半導(dǎo)體材料。第一撓性元件表面上所附著的物質(zhì)可選自下組中所述成份金屬、聚合物、生化分子或微型生化結(jié)構(gòu)。所述生化分子及微型生化結(jié)構(gòu)包含酶、DNA、細(xì)胞及蛋白質(zhì)。
為了獲得參比信號(hào)，按照本發(fā)明第二方面所述的傳感器還可包含-一個(gè)第二撓性元件，該第二撓性元件至少部分地位于相互作用腔內(nèi)，以便于該第二撓性元件至少部分暴露在液體中，以及-用于檢測(cè)與第二撓性元件相關(guān)的機(jī)械參數(shù)的裝置。
這里所述檢測(cè)裝置也可包含一壓敏電阻式元件，所述壓敏電阻式元件是集成在第二撓性元件中的一個(gè)部分，其中壓敏電阻式元件可組成類似惠斯通電橋的平衡式電橋。
本發(fā)明的第三方面涉及一個(gè)用于檢測(cè)液體中所存在物質(zhì)的傳感器，所述傳感器包含-用于處理液體的裝置，所述處理裝置包含一個(gè)相互作用腔、一個(gè)入口和一個(gè)出口；-具有一表面的第一撓性元件，所述表面上涂敷有一種物質(zhì)，其中涂敷有物質(zhì)的表面至少部分地位于相互作用腔中，以便使至少部分物質(zhì)暴露在液體中，并且其中第一撓性元件為處理裝置中的一個(gè)集成部分，以及-用于檢測(cè)與第一撓性元件相關(guān)的機(jī)械參數(shù)的裝置，所述機(jī)械參數(shù)與液體中所包含的物質(zhì)相關(guān)。
撓性元件作為處理的一個(gè)集成部分還意味著可先單獨(dú)制作撓性元件，然后再采用插座或撳鈕方式將其連接到處理裝置上。然后將處理和撓性元件封閉起來，以組成最后成形的傳感器的至少一部分。
同樣也可采用前述方式來制作第一撓性元件、檢測(cè)裝置及激勵(lì)器。用于制作處理裝置的合適材料及合適物質(zhì)也如前所述。
另外，用于檢測(cè)與第一撓性元件相關(guān)的機(jī)械參數(shù)的檢測(cè)裝置可包含激光、光學(xué)元件及一個(gè)位置光敏檢測(cè)器。
由至少部分設(shè)置在相互作用腔內(nèi)部，以便使其至少暴露在液體中的第二撓性元件可產(chǎn)生參比信號(hào)。參比信號(hào)本身可由一個(gè)用于檢測(cè)與第二撓性元件相關(guān)的機(jī)械參數(shù)的檢測(cè)裝置所產(chǎn)生。檢測(cè)裝置可以包含一個(gè)壓敏電阻式元件，所述壓敏電阻式元件為第二撓性元件中的一個(gè)集成部分，其中壓敏電阻式元件形成一個(gè)類似惠斯通電橋的平衡式電橋。
本發(fā)明的第四方面涉及一種用于檢測(cè)液體中所存在物質(zhì)的傳感器，所述傳感器包含-用于處理液體的裝置，所述處理裝置包含一個(gè)相互作用腔、一個(gè)入口和一個(gè)出口；-具有一表面的第一撓性元件，所述表面上涂敷有一種物質(zhì)，其中涂敷有物質(zhì)的表面至少部分地位于相互作用腔中，以便使至少部分物質(zhì)暴露在液體中，其中第一撓性元件為處理裝置中的一個(gè)構(gòu)成部分；-用于檢測(cè)與第一撓性元件相關(guān)的機(jī)械參數(shù)的裝置，所述機(jī)械參數(shù)與液體中所包含的物質(zhì)相關(guān)。
按照下述方式來理解所謂第一撓性元件為處理裝置的一個(gè)構(gòu)成部分的含義。處理裝置的制作過程包含許多步驟，其中一個(gè)或多個(gè)步驟將涉及到第一撓性元件的制作。在下面“本發(fā)明的詳細(xì)描述”中對(duì)此將有細(xì)致地?cái)⑹觥?br> 第一撓性元件、檢測(cè)裝置及激勵(lì)器也可按照前述方式來制作。用于制作處理裝置的合適材料及合適物質(zhì)也如前所述。
按照這方面所述，傳感器還包含-一個(gè)第二撓性元件，該第二撓性元件至少部分地位于相互作用腔內(nèi)，以便于該第二撓性元件至少部分暴露在液體中，以及-用于檢測(cè)與第二撓性元件相關(guān)的機(jī)械參數(shù)的裝置。
本發(fā)明的第五方面涉及一種用于檢測(cè)存在于液體中的第一及第二物質(zhì)的傳感器，所述傳感器包含-用于處理液體的裝置，所述處理裝置包含一個(gè)相互作用腔、一個(gè)入口和一個(gè)出口；-具有一表面的第一撓性元件，所述表面上涂敷有第一種物質(zhì)，其中涂敷有第一種物質(zhì)的表面至少部分地位于相互作用腔中以便使至少部分第一種物質(zhì)暴露在液體中；-具有一表面的第二撓性元件，所述表面上涂敷有第二種物質(zhì)，其中涂敷有第二物質(zhì)的表面至少部分地位于相互作用腔中，以便使至少部分第二物質(zhì)暴露在液體中，-用于檢測(cè)與第一撓性元件相關(guān)的第一機(jī)械參數(shù)的第一檢測(cè)裝置，所述第一機(jī)械參數(shù)與液體中所包含的第一種物質(zhì)相關(guān)，以及-用于檢測(cè)與第二撓性元件相關(guān)的第二機(jī)械參數(shù)的第二檢測(cè)裝置，所述第二機(jī)械參數(shù)與液體中所包含的第二種物質(zhì)相關(guān)。
第二及第二撓性元件可包含一個(gè)具有第一及第二端的微型懸臂梁，其中第一端與相互作用腔相連接。另外，第一及第二撓性元件也可包含一個(gè)具有第一及第二端的微型電橋，其中第一及第二端與相互作用腔相連接。最后，各個(gè)第一及第二撓性元件可形成確定出相互作用腔的邊界。所述邊界為相互作用腔的側(cè)壁。
檢測(cè)裝置可包含第一撓性元件中的各個(gè)集成部分的壓敏電阻式元件。檢測(cè)裝置也可包含激光器、光學(xué)元件及一個(gè)位置光敏檢測(cè)器。
傳感器還包含用于撓性元件的激勵(lì)器。這些激勵(lì)器可包含作為微型懸臂梁的各個(gè)集成部分的壓敏電阻式元件。也可應(yīng)用其他類型的激勵(lì)器。
處理裝置可由選自下組中所包含的材料制成金屬、玻璃、聚合物或例如硅等半導(dǎo)體材料。第一及第二撓性元件表面上所附著的物質(zhì)可選自下組中所述成份金屬、聚合物、生化分子或微型生化結(jié)構(gòu)。所述生化分子及微型生化結(jié)構(gòu)包含酶、DNA、細(xì)胞及蛋白質(zhì)。
在第六也就是最后一個(gè)方面中，本發(fā)明涉及一種用于檢測(cè)在運(yùn)動(dòng)的層流液體中所存在的第一及第二物質(zhì)的傳感器，在垂直于運(yùn)動(dòng)方向的剖視圖中所述層流液體包含第一及第二區(qū)域，所述傳感器包含-用于處理層流液體的裝置，所述處理裝置包含一個(gè)相互作用腔、一個(gè)入口及一個(gè)出口；-具有一表面的第一撓性元件，所述表面上涂敷有第一種物質(zhì)，其中涂敷有第一種物質(zhì)的表面至少部分地位于相互作用腔中，以便使至少部分第一種物質(zhì)暴露在層流液體的第一區(qū)域中，-具有一表面的第二撓性元件，所述表面上涂敷有第二種物質(zhì)，其中涂敷有第二物質(zhì)的表面至少部分地位于相互作用腔中，以便使至少部分第二物質(zhì)暴露在層流液體的第二區(qū)域中，-用于檢測(cè)與第一撓性元件相關(guān)的第一機(jī)械參數(shù)的第一檢測(cè)裝置，所述第一機(jī)械參數(shù)與液體的第一區(qū)域中所包含的第一種物質(zhì)相關(guān)，以及-用于檢測(cè)與第二撓性元件相關(guān)的第二機(jī)械參數(shù)的第二檢測(cè)裝置，所述第二機(jī)械參數(shù)與液體的第二區(qū)域中所包含的第二種物質(zhì)相關(guān)。
檢測(cè)運(yùn)動(dòng)的層流意味著在一個(gè)連續(xù)的液流中實(shí)施測(cè)量，或者是將液體引到腔內(nèi)，然后在檢測(cè)時(shí)暫地使之停止流動(dòng)。在檢測(cè)完后，再將液體引導(dǎo)離開腔室。
用于檢測(cè)與第一及第二撓性元件相關(guān)的機(jī)械參數(shù)的檢測(cè)裝置可包含作為撓性元件的集成部分的壓敏電阻式元件?；蛘撸糜跈z測(cè)與第一及第二撓性元件相關(guān)的機(jī)械參數(shù)的檢測(cè)裝置可包含激光器、光學(xué)元件及一個(gè)位置光敏檢測(cè)器。
而且，激勵(lì)器可用于移動(dòng)與處理裝置相關(guān)的撓性元件的移動(dòng)部分。這些激勵(lì)器可包含壓敏電阻式元件，所述壓敏電阻式元件是撓性元件中的集成部分。
在這方面中，處理裝置可由選自下組中所包含的材料制成金屬、玻璃、聚合物或例如硅等半導(dǎo)體材料。撓性元件表面上所附著的物質(zhì)見前述內(nèi)容。
本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是壓敏電阻器是集成元件且用于檢測(cè)撓性元件的變形。
本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是多個(gè)撓性元件可被緊密集成在一個(gè)微型系統(tǒng)中，以便于一個(gè)撓性元件用作另一個(gè)元件的參比元件，或者是將附近的撓性元件浸沒在液流的不同層流中，以便于使一個(gè)層流作為另一個(gè)層流的參比。
本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是本發(fā)明中所提供的傳感器可用于液量最小化的情況，從而減少了化學(xué)劑的使用，而且可獲得熱穩(wěn)定性好的系統(tǒng)。
下面將結(jié)合附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，以對(duì)上述本發(fā)明的目的、優(yōu)點(diǎn)及特征有更清楚的認(rèn)識(shí)。
附圖2表示的是置于微型通道內(nèi)的具凹槽的微型懸臂梁。
附圖3表示的是惠斯通電橋中的兩個(gè)微型懸臂梁電阻器及兩個(gè)支持電阻器。
附圖4是在每個(gè)臂上各設(shè)置有一個(gè)壓敏電阻器的三角形微型懸臂梁的簡(jiǎn)圖。
附圖5是通道及微型懸臂梁的較低部分的加工序列簡(jiǎn)圖。
附圖6是已構(gòu)造出通道的較低部分的以微型懸臂梁為基礎(chǔ)的生化傳感器頂視圖。
附圖7是加工序列的剖面簡(jiǎn)圖，其中通道的下部由RIE確定，通道的上部使用一種感光聚合物來作為間隔層。
附圖8是加工序列的剖面簡(jiǎn)圖，其中通道的下部由濕法蝕刻確定，通道的上部使用一種感光聚合物來作為間隔層。
附圖9是通道上部的加工序列的剖面簡(jiǎn)圖。圖中利用了陽極結(jié)合技術(shù)來構(gòu)造通道。
附

圖10是以微型膜為基礎(chǔ)的生化傳感器的頂視圖，其中通道由感光聚合物制成。
附圖11表示的是暴露在不同的化學(xué)環(huán)境中的相隔的微型懸臂梁，其中(a)用于垂直層流，(b)用于水平層流，(c)中通過移動(dòng)微型懸臂梁來通過層流的不同層次。
附圖12表示的是使用一個(gè)微型懸臂梁來作為測(cè)量懸臂梁，同時(shí)使用另一個(gè)微型懸臂梁來作為參考懸臂梁。
附圖13表示的是利用兩層流的情況，其中一個(gè)作為測(cè)量流，同時(shí)另一個(gè)作為參考流。
附圖14表示的是用于測(cè)量具有聚合物涂層的微型懸臂梁中的乙醇擴(kuò)散的實(shí)驗(yàn)裝置。
附圖15表示的是微型懸臂梁對(duì)注入乙醇所產(chǎn)生響應(yīng)的時(shí)間函數(shù)。
發(fā)明詳述例如微型懸臂梁、微型電橋、微型膜片等微米級(jí)的機(jī)械結(jié)構(gòu)可以用作監(jiān)測(cè)從低溫、超高真空到周圍狀態(tài)及生理液體等環(huán)境范圍的十分靈敏的傳感器。特別是后者使其在生化應(yīng)用方面更有意義。
一般地，在微型懸臂梁、微型電橋或微型膜片等表面所發(fā)生的生化反應(yīng)可以造成溫度或表面張力的變化。可以通過在微型撓性的結(jié)構(gòu)上涂敷一層金屬來觀察溫度的改變。因此，撓性的傳感器會(huì)由于雙金屬效應(yīng)而產(chǎn)生應(yīng)力。另外，還可通過觀察微型撓性結(jié)構(gòu)的共振頻率的改變來監(jiān)測(cè)質(zhì)量載荷的變化。為了監(jiān)測(cè)微型撓性結(jié)構(gòu)表面的生化反應(yīng)，必須在部分微型撓性結(jié)構(gòu)上涂敷一層可與生物分子相互作用的‘檢測(cè)膜’。
對(duì)于在液體中所進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，使用沒有涂敷有檢測(cè)膜的撓性結(jié)構(gòu)來作為參考測(cè)量元件是很關(guān)鍵的。如果將有涂層和沒涂層的撓性結(jié)構(gòu)靠近放置在相同的環(huán)境中，就可使用參考測(cè)量件來抵消掉由采樣液體運(yùn)動(dòng)及熱漂移所產(chǎn)生的背景噪音。
通過將微型撓性結(jié)構(gòu)中所產(chǎn)生的應(yīng)力或微型撓性結(jié)構(gòu)的共振頻率來作為時(shí)間的函數(shù)，就可以研究表面處理的動(dòng)力學(xué)特性。一種非常有前景的應(yīng)用就是使用一系列微型撓性結(jié)構(gòu)來檢測(cè)同時(shí)出現(xiàn)的幾種不同的分子。
通常利用一種外部光學(xué)系統(tǒng)通過檢測(cè)機(jī)械特性的改變就可檢測(cè)出微型撓性結(jié)構(gòu)的偏轉(zhuǎn)。然而對(duì)于一系列微型撓性結(jié)構(gòu)而言，這種類型的讀取將變得非常復(fù)雜而且在液體中的操作甚至?xí)永щy。另外，這種讀取取決于微型撓性結(jié)構(gòu)的可測(cè)量偏轉(zhuǎn)。因此，對(duì)于陣列式的、液體中的應(yīng)用而言，在微型撓性結(jié)構(gòu)上再集成一個(gè)讀取結(jié)構(gòu)是較好的。而且，一個(gè)集成的壓敏電阻式傳感器將使得能夠直接測(cè)量微型撓性結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力。目前還幾乎沒有在通常為液體環(huán)境的生物系統(tǒng)上進(jìn)行過實(shí)驗(yàn)，帶有集成讀取元件的微型撓性結(jié)構(gòu)也幾乎沒有應(yīng)用過。直到現(xiàn)在所實(shí)施的大部分以微型懸臂梁為基礎(chǔ)的實(shí)驗(yàn)已使用了為原子力顯微鏡應(yīng)用所開發(fā)的微型懸臂梁。這種微型懸臂梁沒有必要優(yōu)選為專為生化傳感而設(shè)計(jì)。
這種以微型撓性結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的傳感器特別是在生化分析領(lǐng)域具有極大的應(yīng)用潛力。這種檢測(cè)技術(shù)可以用來構(gòu)建更靈敏、更簡(jiǎn)單的生化檢測(cè)器，但由于微型機(jī)械結(jié)構(gòu)具有極高的機(jī)械敏感性，因此也應(yīng)該能夠進(jìn)行單個(gè)分子間作用的新型研究。
根據(jù)本發(fā)明，以微型撓性結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的生化傳感器被充分集成在一個(gè)適用于液流測(cè)量的微型通道中，優(yōu)選將這種裝置集成在一個(gè)微型液體處理系統(tǒng)中。
在本發(fā)明所述的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，這種傳感器包括1)一個(gè)制作在硅中的其中刻蝕出微型通道的支持體。每個(gè)通道的寬度為100-500μm，其深度為100μm級(jí)。通道的長(zhǎng)度為mm量級(jí)。
2)部分微型懸臂梁延伸跨過微型通道的寬度。微型懸臂梁與通道的側(cè)壁相連接。微型懸臂梁通常為矩形，寬約50μm，長(zhǎng)約200μm，厚約1μm。微型懸臂梁構(gòu)建在硅、氧化硅、氮化硅中。
3)一個(gè)用于測(cè)量微型懸臂梁機(jī)械特性的變化的集成檢測(cè)系統(tǒng)。為了形成用于準(zhǔn)確測(cè)量壓敏電阻器中電阻變化的惠斯通電橋，該系統(tǒng)優(yōu)選包含設(shè)置在相鄰微型懸臂梁上的壓敏電阻式元件，其中設(shè)置在支持體上的相鄰微型懸臂梁是用相似的電阻元件連接起來的。壓敏電阻器設(shè)置在微型懸臂梁和支持體的頂部，它們被完全封裝在例如氮化硅及氧化硅等電介質(zhì)中。
4)確保壓敏電阻式元件電接觸的電子導(dǎo)孔。電線設(shè)置在支持體頂部，其中電線材料為金屬或高摻雜硅。電線寬100μm，厚約1μm，長(zhǎng)度為mm級(jí)。
5)必須充分包裹住電線的間隔層，以避免液體進(jìn)入而造成電連接的短路。間隔層厚度為100μm，以便于在微型懸臂梁的上下形成清楚的液體在通道中自由流動(dòng)的范圍。覆蓋片構(gòu)建在一UV可固化聚合物中。
6)設(shè)置在間隔層頂部的覆蓋片。覆蓋片必須形成一通道的全密封層，該通道構(gòu)建在UV可固化聚合物中，且通過熱處理方法將其與間隔層連接起來。覆蓋片厚度約為100μm。
對(duì)于具體應(yīng)用而言，傳感器還可包含7)一個(gè)集成的激勵(lì)元件，該激勵(lì)元件可用于在其共振頻率驅(qū)動(dòng)微型懸臂梁，或者用于誘導(dǎo)微型懸臂梁發(fā)生靜態(tài)彎曲。微型懸臂梁是由電磁/靜電力或設(shè)置在微型懸臂梁上的集成壓電層或加熱元件所激勵(lì)的。對(duì)于電磁/靜電激勵(lì)而言，微型懸臂梁必須涂敷一層導(dǎo)電/磁材料，并可接受電磁場(chǎng)的外部激勵(lì)。
8)一個(gè)用于電化學(xué)測(cè)量的參比電極。電極必須與液體相接觸且可被插入通過覆蓋片。
其他實(shí)施例中可能涉及其他不同的材料。間隔層和覆蓋片可以構(gòu)建在與硅支持體相連接的玻璃中。微型懸臂梁和支持體可構(gòu)建在聚合材料中，可采用浮雕或注模法來形成通道。
其他實(shí)施例中還可能涉及不同的檢測(cè)技術(shù)例如通過覆蓋片或集成光學(xué)系統(tǒng)來進(jìn)行外部光學(xué)檢測(cè)，在所述系統(tǒng)中，微型懸臂梁的移動(dòng)可引起設(shè)置在微型懸臂梁上或其附近的光波導(dǎo)的傳導(dǎo)性能的改變。其他的集成檢測(cè)方法還有壓電法或電容法。對(duì)于微型懸臂梁偏移的壓電檢測(cè)方法來說，需在微型懸臂梁上設(shè)置一壓電膜，對(duì)于電容式測(cè)量法而言，需在微型懸臂梁上涂敷一層傳導(dǎo)膜，且在微型懸臂梁的下方或上方設(shè)置一反向電阻。
其他實(shí)施例還可能涉及設(shè)置具有凹槽的微型懸臂梁(附圖2)，這樣就不需要設(shè)置間隔層了，或者是可以省略掉覆蓋片而依靠毛細(xì)管流來引導(dǎo)液體通過通道。另外，有凹槽的微型懸臂梁可用來在液體中的不同高度實(shí)施測(cè)量。而且微型懸臂梁可設(shè)置成與液流方向垂直且微型懸臂梁可設(shè)置在通道的任一側(cè)上。
可在各個(gè)微型懸臂梁上各設(shè)置一個(gè)壓敏電阻式元件。通過連接惠斯通電橋中的設(shè)置在支持體上的兩個(gè)微型懸臂梁和兩個(gè)電阻器(見附圖3)就可實(shí)現(xiàn)常規(guī)的噪音消除方式。其中一個(gè)微型懸臂梁可作為參比懸臂梁，而另一個(gè)用來檢測(cè)具體的生化反應(yīng)。在液體中設(shè)置參比測(cè)量元件是很關(guān)鍵的，這是由于湍流及熱漂移會(huì)對(duì)測(cè)量產(chǎn)生很大的影響。
其他的實(shí)施例還可能涉及三角形的微型懸臂梁，其中在形成三角形微型懸臂梁的兩個(gè)臂上各設(shè)置一個(gè)壓敏電阻器(見附圖4)，這樣就可檢測(cè)出微型懸臂梁的轉(zhuǎn)矩及其垂直偏移量。
其它實(shí)施例中可能用微型電橋和微型膜片來代替微型懸臂梁。
在本發(fā)明的第二個(gè)實(shí)施例中，一個(gè)完整的微型懸臂梁、微型電橋或微型膜片傳感器系統(tǒng)包含在上述優(yōu)選實(shí)施例中所描述的微型結(jié)構(gòu)，還包括1)與微型懸臂梁、微型電橋或微型膜片系統(tǒng)連接的外部電連接元件，該元件用來給惠斯通電橋中的壓敏電阻式元件提供受控電壓，還可監(jiān)測(cè)壓敏電阻器的電輸出。
2)用來檢測(cè)由于微型懸臂梁彎曲而引起的壓敏電阻器改變的電壓源放大器及電壓計(jì)。
3)用來給用于激勵(lì)或響應(yīng)檢測(cè)的壓敏電阻器提供AC信號(hào)的AC電壓源。
4)用來將液體泵入和泵出微型通道的與微型通道相連接的外部液體連接元件。
制造充分集成在微型通道中的所述傳感器是利用微型機(jī)構(gòu)原理來制作的。這種技術(shù)可制造出微米級(jí)大小的產(chǎn)品，而且這種技術(shù)具有較高的再現(xiàn)性。對(duì)于制造微型電橋或微型懸臂梁傳感器而言，其制造原理是相同的，僅僅是具體設(shè)計(jì)不同而已。在下述例子中，所述電阻器是用多結(jié)晶硅制成的。如果利用一種硅絕緣晶片，那么使用單結(jié)晶硅所制成的電阻器也可呈現(xiàn)出較高的信噪比。
例1以微型懸臂梁為基礎(chǔ)的傳感器下面將描述以微型懸臂梁為基礎(chǔ)的傳感器的制作情況。微型懸臂梁包含5層，其中一層是壓敏電阻器。傳感器也可僅包含3層一層是壓敏電阻器，在用于封裝的電阻器的兩側(cè)上各有一層。
所用原材料是厚500μm單側(cè)拋光<100>的硅晶片。使用一厚100-1000nm的熱氧化物以形成一用于以后微型懸臂梁分離及通道刻蝕過程的刻蝕終止層。附圖5a-5l所示為制作過程簡(jiǎn)圖。一厚為300-800nm的低壓化學(xué)汽相沉積(LPCVD)多硅層沉積在氧化物頂部，接著是用于制作應(yīng)力補(bǔ)償微型懸臂梁(附圖5b-c所示)的厚500-1000nm的氧化物。
在氧化物頂部沉積有厚200-350nm的LPCVD多硅層。該層確定出了壓敏電阻式元件(壓敏電阻器)(見附圖5d)。在多硅中加入硼，其摻雜濃度約為3.1019cm-3。在這一摻雜水平可獲得高的計(jì)量因子(K＝30)和低的TCR(電阻溫度系數(shù))值。
在晶片頂部涂一光抗蝕層，這樣就使電阻器圖案由光刻法轉(zhuǎn)變成了光刻抗蝕物質(zhì)。然后利用反應(yīng)離子刻蝕法(RIE)在多硅中對(duì)電阻器進(jìn)行各向異性刻蝕以獲得確定尺寸的電阻器。
然后由第二光刻步驟來確定出微型懸臂梁和通道。接下來可通過以下兩種方法之一來刻蝕出氧化物/硅/氧化物層a)1.對(duì)頂氧化物層進(jìn)行氫氟酸(HF)刻蝕2.對(duì)硅進(jìn)行各向異性RIE刻蝕3.對(duì)底氧化物層進(jìn)行氫氟酸刻蝕或者b)1.對(duì)氧化物進(jìn)行各向異性RIE刻蝕2.對(duì)硅進(jìn)行各向異性RIE刻蝕3.對(duì)氧化物進(jìn)行各向異性RIE刻蝕為了在用KOH/RIE刻蝕通道時(shí)封裝電阻器及保護(hù)微型懸臂梁側(cè)壁，在電阻器的頂部生長(zhǎng)一層厚50-200nm的熱氧化物(見附圖5h)。之后沉積一層厚20-100nm的LPCVD氮化物以用它來作為刻蝕掩膜和擴(kuò)散屏障(見附圖5I)。
為了制作穿過氮化物/氧化物層的連接孔，在晶片頂部涂一層薄薄的抗蝕劑。通過光刻法就可使連接孔掩模轉(zhuǎn)變?yōu)榭刮g物。采用RIE對(duì)氮化物進(jìn)行刻蝕，而采用HF對(duì)氧化物進(jìn)行刻蝕。通道中的氮化物/氧化物也會(huì)被移去(參見附圖5j)。
利用垂直發(fā)射技術(shù)(lift-off technique)技術(shù)將通常為鉻/金或鋁的用于電連接的金屬沉積下來。這可通過在晶片頂部涂一薄層抗蝕劑來完成。利用光刻法還可將金屬線掩膜轉(zhuǎn)變成抗蝕劑。金屬被蒸發(fā)到晶片的頂部，最后利用丙酮來將抗蝕劑剝?nèi)ィ谥С纸Y(jié)構(gòu)頂部保留有金屬線(附圖5k)。
為了利用金屬來作為在微型懸臂梁上的固定層，利用垂直發(fā)射(lift-off)技術(shù)在微型懸臂梁的頂部沉積一金屬層(參見附圖5i)。通過第二垂直發(fā)射(lift-off)步驟來沉積微型懸臂梁金屬，并有可能使用除用于電連接之外的其他金屬及其他金屬厚度。為了使兩個(gè)微型懸臂梁盡可能相同，可在參比微型懸臂梁上也沉積一金屬層。
附圖6所示為制作到此的以微型懸臂梁為基礎(chǔ)的生化傳感器的頂視簡(jiǎn)圖。通道結(jié)構(gòu)的頂部涂有氮化物1，已刻蝕出的通道的側(cè)壁及其底部涂有硅2。微型懸臂梁上還涂有另一層用于固定分子3的金屬，微型懸臂梁還包含一集成的壓敏電阻器4。壓敏電阻器具有兩個(gè)與金屬線相連接的連接墊5。
為了將傳感器集成在一個(gè)封閉的通道中，就需要通道具有頂部?？筛鶕?jù)以下兩種不同的原理來制作通道的上部1.通過在確定出通道頂部側(cè)壁的聚合物中沉積一間隔層來制造通道。然后將一個(gè)覆蓋蓋子連接或膠接到聚合物上。
2.在與微型懸臂梁晶片相連接或膠接的玻璃或硅晶片中刻蝕出通道的上部。
下面將具體描述這兩種方法的制作過程可通過以下兩個(gè)制作步驟來完成上述第1種方法1a)用聚合間隔物來封閉活性離子刻蝕出的通道如附圖5m所示，在晶片的頂側(cè)涂一厚30-100μm的光敏聚合層。參見附圖7a，利用光刻法將間隔掩膜轉(zhuǎn)變?yōu)楣饷艟酆衔铩?br> 現(xiàn)在就可使用微型懸臂梁上的金屬及光敏聚合物作為刻蝕掩膜，利用各向同性RIE來刻蝕通道且使微型懸臂梁分離。通道深度在30-100μm之間(參見附圖7b)。
利用HF來對(duì)微型懸臂梁之下的氧化物進(jìn)行刻蝕，以形成一應(yīng)力補(bǔ)償?shù)奈⑿蛻冶哿?參見附圖7c)。
最后通過粘接或局部加熱光敏聚合物層的頂部來使由硅、派熱克斯玻璃(Pyrex)、聚合物或這些物質(zhì)的混合物組成的頂片與光敏聚合物相密封。熔融的聚合物將與頂片連接(參見附圖7d)。
1b)利用聚合間隔物來封閉KOH刻蝕形成的通道為了制作一個(gè)好處理的通道，在微型懸臂梁被確定出及微型懸臂梁金屬被沉積之后在KOH中對(duì)晶片進(jìn)行刻蝕。在這一過程中，金屬及微型懸臂梁上的氮化物用作刻蝕掩膜。參見附圖8a，當(dāng)微型懸臂梁被分離時(shí)KOH刻蝕也就完成了，這樣就形成了一個(gè)深度為30-100 μm的通道。
利用HF來對(duì)微型懸臂梁之下的氧化物進(jìn)行刻蝕，以形成一應(yīng)力補(bǔ)償?shù)奈⑿蛻冶哿?參見附圖8b)。
參見附圖8c，一厚度為30-100μm的聚合層被轉(zhuǎn)變成了晶片頂側(cè)，由此確定出了間隔層。
最后，通過粘接或局部加熱光敏聚合物層的頂部來使由硅、派熱克斯玻璃(Pyrex)、聚合物或這些物質(zhì)的混合物組成的頂片與光敏聚合物相密封。熔融的聚合物將與頂片連接(參見附圖8d)。
2)通過連接通道的頂部及底部來封閉通道為了制作一個(gè)好處理的通道，在微型懸臂梁金屬被沉積后在KOH中對(duì)晶片進(jìn)行刻蝕。在該過程中，金屬及氮化物作為蝕刻掩膜。參見附圖9a，當(dāng)微型懸臂梁被分離時(shí)，KOH刻蝕也就完成了，這樣就形成了一個(gè)厚度為30-100μm的通道。
利用HF來對(duì)微型懸臂梁之下的氧化物進(jìn)行刻蝕，以形成一應(yīng)力補(bǔ)償?shù)奈⑿蛻冶哿?參見附圖9b)。
在確定出通道頂部的500μm厚單側(cè)拋光<100>的硅晶片上沉積一厚20-200μm的LPCVD氮化物層(參見附圖9c)。
在晶片背側(cè)旋涂一薄層抗蝕劑，通過光刻法使之轉(zhuǎn)變成確定出用于連接金屬線孔的掩膜。通過RIE將構(gòu)圖轉(zhuǎn)移到氮化物上(附圖9d)。然后在KOH中刻蝕暴露的硅區(qū)域。當(dāng)所產(chǎn)生的微型膜片具有30-100μm的厚度時(shí)就終止KOH刻蝕(參見附圖9e)。
然后在確定出通道的晶片及掩膜前側(cè)旋涂上抗蝕劑，利用光刻法將用于連接金屬線的孔轉(zhuǎn)移到抗蝕劑上。通過RIE將構(gòu)圖轉(zhuǎn)移到氮化物上(附圖9f)。然后對(duì)通道及連接孔進(jìn)行刻蝕，直到將連接孔處的30-100μm的微型膜片刻蝕掉為止，這樣就形成了厚度為30-100μm的通道(附圖9g)。
在晶片前側(cè)上的2-10μm玻璃被蒸發(fā)掉以用于陽極結(jié)合過程(附圖9h)。最后，通過陽極結(jié)合將兩個(gè)晶片連接起來(附圖8i)。
為了制作出通道上部及連接孔，可以使用RIE而不使用KOH來進(jìn)行刻蝕。也可以使用派熱克斯玻璃晶片來代替硅晶片。對(duì)于派熱克斯玻璃晶片而言，使用HF來各向同性地刻蝕出通道及連接孔。
例2以微型膜片為基礎(chǔ)的傳感器為了在通道中制作以微型膜片為基礎(chǔ)的傳感器，同樣也采用微型機(jī)構(gòu)原理技術(shù)進(jìn)行制作。與微型懸臂梁或微型電橋傳感器相反，微型膜片通常設(shè)置在通道底部，這種設(shè)計(jì)可使其接觸背側(cè)的電阻器。然而在下面的例子中，電阻器將與通道的同側(cè)相接觸。
制作過程中的第一步(參見附圖5a-5f)與前述的微型懸臂梁或微型電橋傳感器制作步驟基本相同。
在使用RIE確定出電阻器后，電阻器被密封在50-200nm厚的熱氧化物中。此后再沉積出20-100nm厚的LPCVD氮化物，以用之來作為刻蝕掩膜及擴(kuò)散屏障(10a)。
為了制作穿過氮化物/氧化物層的連接孔，一薄層抗蝕劑被旋涂在晶片頂部。通過光刻法將連接孔掩膜轉(zhuǎn)移到抗蝕劑上。利用RIE來刻蝕氮化物，利用HF來刻蝕氧化物(附圖10b)。
利用垂直發(fā)射技術(shù)將通常為鉻/金或鋁的用于電連接的金屬沉積下來。這可通過在晶片頂部旋涂一薄層抗蝕劑來完成。利用光刻法還可將金屬線掩膜轉(zhuǎn)移到抗蝕劑上。金屬被蒸發(fā)到晶片的頂部，最后利用丙酮來將抗蝕劑剝?nèi)?，在支持結(jié)構(gòu)頂部保留有金屬線(附圖10c)。
為了利用金屬來作為在微型懸臂梁上的固定層，利用垂直發(fā)射(lift-off)技術(shù)在微型膜片的頂部沉積一金屬層(參見附圖10d)。通過第二垂直發(fā)射步驟來沉積微型膜片金屬，從而有可能使用除用于電連接之外的其他金屬及其他金屬厚度。
從背側(cè)利用KOH刻蝕來確定出微型膜片。首先，在晶片背側(cè)上旋涂一薄層抗蝕劑。將背側(cè)掩膜轉(zhuǎn)移到抗蝕劑上。此后在RIE中對(duì)氮化物/硅/氧化物夾層進(jìn)行刻蝕。然后在KOH中刻蝕晶片，在此氧化物將作為刻蝕終止物(附圖10e)。
然后利用HF刻蝕來去掉氧化物(10f)。
現(xiàn)在在微型膜片頂部制作通道。可采用以下兩種原理來制作1.通過在實(shí)際上確定出通道頂部側(cè)壁的聚合物中沉積間隔層來制作通道。然后將一個(gè)覆蓋蓋子連接或膠接到聚合物上。
2.在連接或膠接到微型懸臂梁晶片上的玻璃或硅晶片中刻蝕出通道的上部。
下面將描述這兩種制作過程1)聚合物中的間隔層在晶片頂側(cè)上旋涂一厚30-100μm的光敏聚合層。利用光刻法將間隔掩膜移到成光敏聚合物上(參見附圖10g)。
最后，通過粘接或局部加熱光敏聚合物層頂部來使由硅、派熱克斯玻璃、聚合物或這些物質(zhì)的混合物組成的頂片與光敏聚合物相密封。熔融的聚合物將與頂片連接(參見附圖10h)。
2)通過將頂部連接到基底來封閉通道這種制作方法與前述在通道中制作微型懸臂梁“通過將通道的頂部和底部連接起來以封閉通道”部分中所述的制作過程完全相同。
本發(fā)明的應(yīng)用下面將描述關(guān)于本發(fā)明不同應(yīng)用的幾個(gè)例子。當(dāng)然本發(fā)明的應(yīng)用并不限于在此所列的幾個(gè)例子。
層流相鄰或間隔非常近的微型懸臂梁可以同時(shí)暴露在幾種不同的化學(xué)環(huán)境中(參見附圖11)1)在微型通道中將液流垂直地分層成兩股或更多股支流，以便使安裝在微型通道對(duì)側(cè)上的微型懸臂梁浸沒在不同的液體中。
2)在微型通道中將液流水平地分層，以便使設(shè)置在微型通道的不同水平位置上的微型懸臂梁浸沒在不同的液體中。
3)將液流水平或垂直分層，通過激勵(lì)微型懸臂梁，使之移動(dòng)穿過不同的液體。
通過這種方式，可以將來自不同液體環(huán)境中的微型懸臂梁信號(hào)進(jìn)行對(duì)比。而且，還可使用這種技術(shù)在間隔近的微型懸臂梁上涂敷不同的化學(xué)物質(zhì)。下面將描述關(guān)于這兩方面的例子。
功能利用常規(guī)的易應(yīng)用于微型懸臂梁的靜止化學(xué)理論就可使微型懸臂梁發(fā)揮作用。然而對(duì)于微型通道中間隔近的微型懸臂梁而言，針對(duì)不同涂敷情況就需要采用新的技術(shù)。可通過下述的一種或多種技術(shù)來使間隔近的微型懸臂梁發(fā)揮作用。
1)在裝置的微型構(gòu)造中，可在微型懸臂梁上涂敷不同的與構(gòu)造過程相兼容的薄膜層。所述薄膜可以為金屬、硅及電介質(zhì)層。不同的薄膜可用于結(jié)合分子，確定的分子可與確定的薄膜相連接。
2)附著在微型懸臂梁表面上的分子可以與光激勵(lì)連接點(diǎn)進(jìn)行合成。然后通過將微型懸臂梁置于具有涂敷分子的液體溶液中，且使微型懸臂梁暴露于UV光下，從而使分子附著到微型懸臂梁表面上。UV光可誘導(dǎo)微型懸臂梁表面與分子之間產(chǎn)生連接。通過將不同的涂敷分子注入通道內(nèi)且分別穿過覆蓋片來對(duì)微型懸臂梁進(jìn)行照明的方式可在封閉之后的通道中實(shí)施涂敷。再利用激光對(duì)裝置進(jìn)行掃描就可在小的確定區(qū)域處涂敷上確定的涂層。在每次涂敷之間都應(yīng)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行清洗，再將新的涂敷溶液注入通道內(nèi)。
3)利用噴墨打印原理就可噴灑出小的液滴。這些系統(tǒng)可用于DNA芯片構(gòu)造?？墒褂眠@種液體噴灑系統(tǒng)在間隔近的微型懸臂梁上噴灑不同液滴。所噴灑液滴的直徑通常為100μm。這種涂敷技術(shù)必須在密封通道之前實(shí)施。
4)當(dāng)通道被密封時(shí)，可通過具有兩個(gè)或更多個(gè)分層的系統(tǒng)中的層流來對(duì)間隔近的微型懸臂梁進(jìn)行涂敷。這樣設(shè)置在通道不同高度處和/或不同側(cè)上的微型懸臂梁就被浸沒在不同的液體中了。在涂敷之后，可使其他液體流過微型通道以沖刷掉所殘余的涂敷材料。通過重復(fù)采用這種技術(shù)就可將不同層的涂敷材料附著到微型懸臂梁上。為了使分子僅與微型懸臂梁的一側(cè)相連，可采用光固定或預(yù)沉積薄膜來實(shí)現(xiàn)。
5)通過在微型通道中分層成兩個(gè)或多個(gè)支流且通過靜態(tài)彎曲以將微型懸臂梁置于某一支流中來實(shí)現(xiàn)選擇性涂敷。另外，使微型懸臂梁受控地通過分離的層流就可在微型懸臂梁上涂敷上例如戊二醛卵白生物素等多層材料。
6)通過電化學(xué)方法可在微型懸臂梁上有選擇并可撤消地涂敷上金屬蛋白等物質(zhì)。微型懸臂梁上的傳導(dǎo)層可用作工作電極。反向電極可以是系統(tǒng)中的一個(gè)集成部分。通常還希望包含一個(gè)用于處理所應(yīng)用電位的參比電極。
參比微型懸臂梁及參比測(cè)量為了使系統(tǒng)中的湍流及熱漂移效應(yīng)最小化，可采用一個(gè)參比微型懸臂梁。將參比微型懸臂梁置于靠近測(cè)量微型懸臂梁的地方且使之處于與測(cè)量懸臂梁相同的環(huán)境中，但參比微型懸臂梁上不需涂敷檢測(cè)膜?？稍趨⒈任⑿蛻冶哿荷贤糠罅硪环N不用作檢測(cè)劑的膜或可檢測(cè)其他物質(zhì)的膜。參見附圖12，通過從檢測(cè)信號(hào)中減去參比信號(hào)就可消掉大部分背景噪音。
對(duì)于大部分生化應(yīng)用而言，設(shè)置一個(gè)處于參比液體中的參比測(cè)量件是很重要的。它常常會(huì)增加/減小它所聯(lián)系的特定分子的濃度。對(duì)于這種相對(duì)測(cè)量而言，參比液體是必要的。如附圖13所示，設(shè)置在參比溶液中的微型懸臂梁應(yīng)與置于測(cè)量溶液中的測(cè)量微型懸臂梁相同。通過分層液流且使兩個(gè)支流平行流動(dòng)的方式就可使測(cè)量溶液和參比溶液可同時(shí)處在相同的通道中。設(shè)置在通道兩側(cè)上的微型懸臂梁將檢測(cè)出兩種不同液體中的反應(yīng)。通過移動(dòng)微型懸臂梁使之通過兩種液體就可實(shí)現(xiàn)被分析物及參比溶液中的準(zhǔn)同時(shí)測(cè)量。
附加層中的擴(kuò)散測(cè)量進(jìn)入微型懸臂梁檢測(cè)膜中的分子會(huì)引起該膜中應(yīng)力的改變，由此可造成微型懸臂梁的彎曲。例如，可觀察到在單元微型膜中存在著擴(kuò)散，也可發(fā)現(xiàn)由于電壓或者由于結(jié)合了另一種分子而引起的微型膜通道所發(fā)生的運(yùn)動(dòng)。
利用帶有壓敏電阻式讀取元件的微型懸臂梁實(shí)施了關(guān)于乙醇在聚合物中擴(kuò)散的初級(jí)試驗(yàn)。集成在惠斯通電橋中的一個(gè)或兩個(gè)微型懸臂梁涂敷有一種UV敏感抗蝕劑，當(dāng)其浸于乙醇中時(shí)將引起應(yīng)力的改變。附圖14表示出了置于一個(gè)小的開放式的液體容器7中的具有DI晶片的微型懸臂梁。注入液態(tài)乙醇8，來自惠斯通電橋的輸出電壓9作為時(shí)間的函數(shù)被記錄下來。來自惠斯通電橋的輸出電壓反映出了兩個(gè)微型懸臂梁變形之間的差值。
附圖15中表示出了微型懸臂梁對(duì)三種不同量乙醇的響應(yīng)情況。箭頭表示在靠近微型懸臂梁的水表面注入新乙醇的時(shí)間?？汕宄乜闯觯⑿蛻冶哿涸鯓恿⒓磳?duì)乙醇產(chǎn)生了響應(yīng)，隨著乙醇在水中稀釋和從表面蒸發(fā)掉信號(hào)減小。信號(hào)幅度反映出了所注入乙醇的量。這樣，乙醇擴(kuò)散進(jìn)入聚合物將引起聚合物中應(yīng)力的改變。這一過程是可逆的，當(dāng)乙醇離開膜片時(shí)，微型懸臂梁將返回到起始位置。可利用這一原理來構(gòu)建一種用于測(cè)量液體中乙醇濃度的傳感器。
也可利用微型懸臂梁的時(shí)間響應(yīng)來反映微型懸臂梁表面上的層形成過程的動(dòng)態(tài)特性，例如可反映出自組合單分子層的形成過程。
蛋白層的共形變化微型懸臂梁所吸收的蛋白質(zhì)的共形變化將會(huì)引起微型懸臂梁的共振頻率及應(yīng)力的變化。因此可能對(duì)由pH值、離子濃度及溫度等外部參數(shù)所引起的蛋白質(zhì)的共形變化進(jìn)行研究。例如，當(dāng)處于不同的pH值環(huán)境中時(shí)，金上所吸收的金屬蛋白天青蛋白就會(huì)發(fā)生共形變化。天青蛋白如何與金相結(jié)合，它們之間的結(jié)合隨著pH值發(fā)生變化會(huì)怎樣改變都還不很清楚。以微型懸臂梁為基礎(chǔ)的測(cè)量能提供其他一些關(guān)于結(jié)合特性的信息。許多活性酶的作用也會(huì)引起應(yīng)力變化。因此也可以對(duì)不同環(huán)境中的酶活性水平進(jìn)行研究。
基因檢測(cè)本發(fā)明的一種應(yīng)用是用于檢測(cè)多種與疾病相關(guān)的基因。采用前述的常規(guī)結(jié)合化學(xué)中的一種涂敷技術(shù)將來自與疾病相關(guān)基因的單股DNA結(jié)合到微型懸臂梁上。在置于一通道內(nèi)的間隔近的微型懸臂梁上可涂敷取自不同基因的DNA序列。然后，使包含有單股DNA的待處理血樣流過所述系統(tǒng)。如果在血樣包含有一種與疾病相關(guān)的基因，則它就會(huì)與附著到微型懸臂梁上的相應(yīng)DNA序列發(fā)生特定性結(jié)合。通過進(jìn)行熱處理就會(huì)將那些沒有發(fā)生特定性結(jié)合的DNA序列去掉。這種特定性結(jié)合將會(huì)引起微型懸臂梁的表面應(yīng)力及其共振發(fā)生變化，因此可以同時(shí)甄別出幾種基因。這種方法也可用于DNA排序。
抗原-抗體反應(yīng)用于甄別具體基因的想法可延伸到用于檢測(cè)不同的抗體。對(duì)于這種應(yīng)用，利用常規(guī)的結(jié)合化學(xué)在間隔近的微型懸臂梁上涂敷不同的抗體。抗體將與相應(yīng)抗原發(fā)生特定性結(jié)合，由此便可甄別出一血樣中的不同抗體。
電化學(xué)應(yīng)用微型懸臂梁上的傳導(dǎo)層及通道內(nèi)的參比電極可以在微型懸臂梁表面的涂層上實(shí)施電沉積及電化學(xué)反應(yīng)。例如，可以觀察出天青蛋白及酵母細(xì)胞色素C等金屬蛋白層中的應(yīng)力響應(yīng)于不同電位的變化，而且還可對(duì)氧化還原過程進(jìn)行監(jiān)測(cè)。也可以對(duì)可電沉積分子的吸收及釋放進(jìn)行觀察。
權(quán)利要求
1.一種用于檢測(cè)液體中所存在物質(zhì)的傳感器，所述傳感器包含-用于處理液體的裝置，所述處理裝置包含一個(gè)微米級(jí)的相互作用腔、一個(gè)入口及一個(gè)出口，-具有一表面的第一撓性元件，所述表面上涂敷有一種物質(zhì)，其中涂敷有物質(zhì)的表面至少部分地位于相互作用腔中，以便使至少部分物質(zhì)暴露在液體中，-用于檢測(cè)與第一撓性元件相關(guān)的機(jī)械參數(shù)的裝置，所述機(jī)械參數(shù)與液體中所包含的物質(zhì)相關(guān)。
2.如權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于第一撓性元件包含一個(gè)具有第一及第二端的微型懸臂梁，其中第一端與相互作用腔相連接。
3.如權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于第一撓性元件包含一個(gè)具有第一及第二端的微型電橋，其中第一端及第二端與相互作用腔相連接。
4.如權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于第一撓性元件形成確定相互作用腔的邊界的一部分。
5.如權(quán)利要求1-4中任一權(quán)利要求所述的傳感器，其特征在于用于檢測(cè)與第一撓性元件相關(guān)的機(jī)械參數(shù)的檢測(cè)裝置包含一個(gè)壓敏電阻式元件，所述壓敏電阻式元件是第一撓性元件中的一個(gè)集成部分。
6.如權(quán)利要求1-4中任一權(quán)利要求所述的傳感器，其特征在于用于檢測(cè)與第一撓性元件相關(guān)的機(jī)械參數(shù)的檢測(cè)裝置包含有激光器、一個(gè)光學(xué)元件及一個(gè)位置光敏檢測(cè)元件。
7.如權(quán)利要求6所述的傳感器，其特征在于所述壓敏電阻式元件組成例如惠斯通電橋等平衡式電橋的一部分。
8.如權(quán)利要求1所述的傳感器還包含一個(gè)用于使撓性元件相對(duì)于相互作用腔運(yùn)動(dòng)的激勵(lì)元件。
9.如權(quán)利要求8所述的傳感器，其特征在于所述激勵(lì)元件包含一個(gè)壓敏電阻式元件。
10.如權(quán)利要求8所述的傳感器，其特征在于所述激勵(lì)元件包含用于使撓性元件發(fā)生靜電感應(yīng)運(yùn)動(dòng)的元件。
11.如權(quán)利要求8所述的傳感器，其特征在于所述激勵(lì)元件包含用于使撓性元件發(fā)生磁感應(yīng)運(yùn)動(dòng)的元件。
12.如權(quán)利要求8所述的傳感器，其特征在于所述激勵(lì)元件包含用于使撓性元件發(fā)生熱感應(yīng)運(yùn)動(dòng)的元件。
13.如權(quán)利要求1-12中任一權(quán)利要求所述的傳感器，其特征在于處理裝置可由選自下組中所包含的材料制成金屬、玻璃、聚合物或例如硅等半導(dǎo)體材料。
14.如權(quán)利要求1-13中任一權(quán)利要求所述的傳感器，其特征在于第一撓性元件表面上所附著的物質(zhì)可選自下組中所述成份金屬、聚合物、生化分子或微型生化結(jié)構(gòu)。
15.如權(quán)利要求1-14中任一權(quán)利要求所述的傳感器還包含-一個(gè)第二撓性元件，所述第二撓性元件至少部分地位于相互作用腔內(nèi)，以便于該第二撓性元件至少部分暴露在液體中，以及-用于檢測(cè)與第二撓性元件相關(guān)的機(jī)械參數(shù)的裝置。
16.如權(quán)利要求15所述的傳感器，其特征在于所述檢測(cè)裝置包含一個(gè)與第二撓性元件集成在一起的壓敏電阻式元件，所述壓敏電阻式元件形成例如惠斯通電橋等平衡式電橋的一個(gè)部分。
17.一種用于檢測(cè)液體中所存在物質(zhì)的傳感器，所述傳感器包含-用于處理液體裝置，所述處理裝置包含一個(gè)相互作用腔、一個(gè)入口和一個(gè)出口，-具有一表面的第一撓性元件，所述表面上涂敷有一種物質(zhì)，其中涂敷有物質(zhì)的表面至少部分地位于相互作用腔中，以便使至少部分物質(zhì)暴露在液體中，-用于檢測(cè)與第一撓性元件相關(guān)的機(jī)械參數(shù)的裝置，所述機(jī)械參數(shù)與液體中所包含的物質(zhì)相關(guān)，其中檢測(cè)裝置是第一撓性元件中的一個(gè)集成部分。
18.如權(quán)利要求17所述的傳感器，其特征在于第一撓性元件包含一個(gè)具有第一及第二端的微型懸臂梁，其中第一端與相互作用腔相連接。
19.如權(quán)利要求17或18所述的傳感器，其特征在于用于檢測(cè)與第一撓性元件相關(guān)的機(jī)械參數(shù)的檢測(cè)裝置包含一個(gè)壓敏電阻式元件，
20.如權(quán)利要求19所述的傳感器，其特征在于所述壓敏電阻式元件組成例如惠斯通電橋等平衡式電橋的一部分。
21.如權(quán)利要求17-20任一權(quán)利要求所述的傳感器，其特征在于相互作用腔具有微米級(jí)的尺寸。
22.如權(quán)利要求18所述的傳感器，還包含一個(gè)用于使微型懸臂梁的第二端相對(duì)于相互作用腔運(yùn)動(dòng)的激勵(lì)元件。
23.如權(quán)利要求22所述的傳感器，其特征在于所述激勵(lì)元件包含一個(gè)壓敏電阻式元件，所述壓敏電阻式元件是微型懸臂梁的一個(gè)集成部分。
24.如權(quán)利要求17-23中任一權(quán)利要求所述的傳感器，其特征在于處理裝置可由選自下組中所包含的材料制成金屬、玻璃、聚合物或例如硅等半導(dǎo)體材料。
25.如權(quán)利要求17-24中任一權(quán)利要求所述的傳感器，其特征在于第一撓性元件表面上所附著的物質(zhì)可選自下組中所述成份金屬、聚合物、生化分子或微型生化結(jié)構(gòu)。
26.如權(quán)利要求17-25中任一權(quán)利要求所述的傳感器還包含-一個(gè)第二撓性元件，所述第二撓性元件至少部分地位于相互作用腔內(nèi)，以便于該第二撓性元件至少部分暴露在液體中，以及-用于檢測(cè)與第二撓性元件相關(guān)的機(jī)械參數(shù)的裝置。
27.如權(quán)利要求26所述的傳感器，其特征在于所述檢測(cè)裝置包含一個(gè)與第二撓性元件集成在一起的壓敏電阻式元件，所述壓敏電阻式元件形成例如惠斯通電橋等平衡式電橋的一個(gè)部分。
28.一種用于檢測(cè)液體中所存在物質(zhì)的傳感器，所述傳感器包含-用于處理液體的裝置，所述處理裝置包含一個(gè)相互作用腔、一個(gè)入口和一個(gè)出口，-具有一表面的第一撓性元件，所述表面上涂敷有一種物質(zhì)，其中涂敷有物質(zhì)的表面至少部分地位于相互作用腔中，以便使至少部分物質(zhì)暴露在液體中，其中第一撓性元件為處理裝置中的一個(gè)集成部分，-用于檢測(cè)與第一撓性元件相關(guān)的機(jī)械參數(shù)的裝置，所述機(jī)械參數(shù)與液體中所存在的物質(zhì)相關(guān)。
29.如權(quán)利要求18所述的傳感器，其特征在于第一撓性元件包含一個(gè)具有第一及第二端的微型懸臂梁，其中第一端與相互作用腔相連接。
30.如權(quán)利要求28或29所述的傳感器，其特征在于用于檢測(cè)與第一撓性元件相關(guān)的機(jī)械參數(shù)的檢測(cè)裝置包含一個(gè)壓敏電阻式元件，所述壓敏電阻元件是第一撓性元件的一個(gè)集成部分。
31.如權(quán)利要求30所述的傳感器，其特征在于所述壓敏電阻式元件組成例如惠斯通電橋等平衡式電橋的一部分。
32.如權(quán)利要求28或29所述的傳感器，其特征在于用于檢測(cè)與第一撓性元件相關(guān)的機(jī)械參數(shù)的檢測(cè)裝置包含有激光器、一個(gè)光學(xué)元件及一個(gè)位置光敏檢測(cè)元件。
33.如權(quán)利要求28所述的傳感器還包含一個(gè)用于使微型懸臂梁的第二端相對(duì)于相互作用腔運(yùn)動(dòng)的激勵(lì)元件。
34.如權(quán)利要求33所述的傳感器，其特征在于所述激勵(lì)元件包含一個(gè)壓敏電阻式元件，所述壓敏電阻式元件是微型懸臂梁的一個(gè)集成部分。
35.如權(quán)利要求28-34中任一權(quán)利要求所述的傳感器，其特征在于處理裝置可由選自下組中所包含的材料制成金屬、玻璃、聚合物或例如硅等半導(dǎo)體材料。
36.如權(quán)利要求28-35中任一權(quán)利要求所述的傳感器，其特征在于第一撓性元件表面上所附著的物質(zhì)可選自下組中所述成份金屬、聚合物、生化分子或微型生化結(jié)構(gòu)。
37.如權(quán)利要求28-36中任一權(quán)利要求所述傳感器還包含-一個(gè)第二撓性元件，所述第二撓性元件至少部分地位于相互作用腔內(nèi)，以便于該第二撓性元件至少部分暴露在液體中，以及-用于檢測(cè)與第二撓性元件相關(guān)的機(jī)械參數(shù)的裝置。
38.如權(quán)利要求37所述傳感器，其特征在于所述檢測(cè)裝置可以包含一個(gè)與第二撓性元件集成在一起的壓敏電阻式元件，所述壓敏電阻式元件形成例如惠斯通電橋等平衡式電橋的一個(gè)部分。
39.一種用于檢測(cè)液體中所存在物質(zhì)的傳感器，所述傳感器包含-用于處理液體的裝置，所述處理裝置包含一個(gè)相互作用腔、一個(gè)入口和一個(gè)出口，-具有一表面的第一撓性元件，所述表面上涂敷有一種物質(zhì)，其中涂敷有物質(zhì)的表面至少部分地位于相互作用腔中，以便使至少部分物質(zhì)暴露在液體中，其中第一撓性元件為處理裝置中的一個(gè)構(gòu)成部分，-用于檢測(cè)與第一撓性元件相關(guān)的機(jī)械參數(shù)的裝置，所述機(jī)械參數(shù)與液體中所包含的物質(zhì)相關(guān)。
40.如權(quán)利要求39所述的傳感器，其特征在于第一撓性元件包含一個(gè)具有第一及第二端的微型懸臂梁，其中第一端與相互作用腔相連接。
41.如權(quán)利要求39或40所述的傳感器，其特征在于用于檢測(cè)與第一撓性元件相關(guān)的機(jī)械參數(shù)的檢測(cè)裝置包含一個(gè)壓敏電阻式元件，所述壓敏電阻元件是第一撓性元件的一個(gè)集成部分。
42.如權(quán)利要求40所述的傳感器，還包含一個(gè)用于使微型懸臂梁的第二端相對(duì)于相互作用腔運(yùn)動(dòng)的激勵(lì)元件。
43.如權(quán)利要求39-42中任一權(quán)利要求所述的傳感器，其特征在于處理裝置可由選自下組中所包含的材料制成金屬、玻璃、聚合物或例如硅等半導(dǎo)體材料，其中相互作用腔的尺寸為微米級(jí)。
44.如權(quán)利要求39-43中任一權(quán)利要求所述的傳感器，其特征在于第一撓性元件表面上所附著的物質(zhì)可選自下組中所述成份金屬、聚合物、生化分子或微型生化結(jié)構(gòu)。
45.如權(quán)利要求39-44中任一權(quán)利要求所述的傳感器，還包含-一個(gè)第二撓性元件，所述第二撓性元件至少部分地位于相互作用腔內(nèi)，以便于該第二撓性元件至少部分暴露在液體中，以及-用于檢測(cè)與第二撓性元件相關(guān)的機(jī)械參數(shù)的裝置。
46.如權(quán)利要求45所述傳感器，其特征在于所述檢測(cè)裝置包含一個(gè)與第二撓性元件集成在一起的壓敏電阻式元件，所述壓敏電阻式元件形成例如惠斯通電橋等平衡式電橋的一個(gè)部分。
47.一種用于檢測(cè)存在于液體中的第一及第二物質(zhì)的傳感器，所述傳感器包含-用于處理液體的裝置，所述處理裝置包含一個(gè)相互作用腔、一個(gè)入口和一個(gè)出口，-具有一表面的第一撓性元件，所述表面上涂敷有第一種物質(zhì)，其中涂敷有第一種物質(zhì)的表面至少部分地位于相互作用腔中，以便使至少部分第一種物質(zhì)暴露在液體中，-具有一表面的第二撓性元件，所述表面上涂敷有第二種物質(zhì)，其中涂敷有第二物質(zhì)的表面至少部分地位于相互作用腔中，以便使至少部分第二物質(zhì)暴露在液體中，-用于檢測(cè)與第一撓性元件相關(guān)的第一機(jī)械參數(shù)的第一檢測(cè)裝置，所述第一機(jī)械參數(shù)與液體中所包含的第一種物質(zhì)相關(guān)，以及-用于檢測(cè)與第二撓性元件相關(guān)的第二機(jī)械參數(shù)的第二檢測(cè)裝置，所述第二機(jī)械參數(shù)與液體中所包含的第二種物質(zhì)相關(guān)。
48.如權(quán)利要求47所述的傳感器，其特征在于第一及第二撓性元件包含一個(gè)具有第一及第二端的微型懸臂梁，其中第一端與相互作用腔相連接。
49.如權(quán)利要求47所述的傳感器，其特征在于第一及第二撓性元件包含一個(gè)具有第一及第二端的微型電橋，其中第一及第二端與相互作用腔相連接。
50.如權(quán)利要求47所述的傳感器，其特征在于各個(gè)第一及第二撓性元件形成確定出相互作用腔的邊界。
51.如權(quán)利要求47-50中任一權(quán)利要求所述的傳感器，其特征在于所述檢測(cè)裝置包含一個(gè)集成在第一撓性元件中的壓敏電阻式元件。
52.如權(quán)利要求47-51中任一權(quán)利要求所述的傳感器，其特征在于所述檢測(cè)裝置包含一個(gè)集成在第二撓性元件中的壓敏電阻式元件。
53.如權(quán)利要求51或52所述的傳感器，其特征在于所述各個(gè)壓敏電阻式元件形成例如惠斯通電橋等平衡式電橋的一個(gè)部分。
54.如權(quán)利要求47所述的傳感器，其特征在于用于檢測(cè)與第一及第二撓性元件相關(guān)的第一及第二機(jī)械參數(shù)的檢測(cè)裝置分別包含有激光、光學(xué)元件及一個(gè)位置光敏檢測(cè)器。
55.如權(quán)利要求47所述的傳感器還包含用于使第一及第二撓性元件相對(duì)于相互作用腔運(yùn)動(dòng)的激勵(lì)器。
56.如權(quán)利要求55所述的傳感器，其特征在于所述激勵(lì)器包含作為微型懸臂梁集成部分的壓敏電阻式元件。
57.如權(quán)利要求55所述的傳感器，其特征在于所述激勵(lì)元件包含用于使微型懸臂梁第二端發(fā)生靜電感應(yīng)運(yùn)動(dòng)的元件。
58.如權(quán)利要求55所述的傳感器，其特征在于所述激勵(lì)元件包含用于使微型懸臂梁第二端發(fā)生磁感應(yīng)運(yùn)動(dòng)的元件。
59.如權(quán)利要求55所述的傳感器，其特征在于所述激勵(lì)元件包含用于使微型懸臂梁第二端發(fā)生熱感應(yīng)運(yùn)動(dòng)的元件。
60.如權(quán)利要求47-59中任一權(quán)利要求所述的傳感器，其特征在于處理裝置可由選自下組中所包含的材料制成金屬、玻璃、聚合物或例如硅等半導(dǎo)體材料。
61.如權(quán)利要求47-60中任一權(quán)利要求所述傳感器，其特征在于第一及第二撓性元件表面上所附著的物質(zhì)可選自下組中所述成份金屬、聚合物、生化分子或微型生化結(jié)構(gòu)。
62.一種用于檢測(cè)在運(yùn)動(dòng)的層流液體中所存在的第一及第二物質(zhì)的傳感器，在垂直于運(yùn)動(dòng)方向的剖面中，所述層流液體包含第一及第二區(qū)域，所述傳感器包含-用于處理層流液體的裝置，所述處理裝置包含一個(gè)相互作用腔、一個(gè)入口及一個(gè)出口，-具有一表面的第一撓性元件，所述表面上涂敷有第一種物質(zhì)，其中涂敷有第一種物質(zhì)的表面至少部分地位于相互作用腔中，以便使至少部分第一種物質(zhì)暴露在層流液體的第一區(qū)域中，-具有一表面的第二撓性元件，所述表面上涂敷有第二種物質(zhì)，其中涂敷有第二物質(zhì)的表面至少部分地位于相互作用腔中，以便使至少部分第二物質(zhì)暴露在層流液體的第二區(qū)域中，-用于檢測(cè)與第一撓性元件相關(guān)的第一機(jī)械參數(shù)的第一檢測(cè)裝置，所述第一機(jī)械參數(shù)與液體的第一區(qū)域中所包含的第一種物質(zhì)相關(guān)，以及-用于檢測(cè)與第二撓性元件相關(guān)的第二機(jī)械參數(shù)的第二檢測(cè)裝置，所述第二機(jī)械參數(shù)與液體的第二區(qū)域中所包含的第二種物質(zhì)相關(guān)。
63.如權(quán)利要求62所述的傳感器，其特征在于用于檢測(cè)與第一撓性元件相關(guān)的第一機(jī)械參數(shù)的檢測(cè)裝置包含作為第一撓性元件的集成部分的壓敏電阻式元件。
64.如權(quán)利要求63所述的傳感器，其特征在于用于檢測(cè)與第二撓性元件相關(guān)的第二機(jī)械參數(shù)的檢測(cè)裝置包含作為第二撓性元件的集成部分的壓敏電阻式元件。
65.如權(quán)利要求62所述的傳感器，其特征在于用于檢測(cè)與第一及第二撓性元件相關(guān)的第一及第二機(jī)械參數(shù)的檢測(cè)裝置包含激光、光學(xué)元件及一個(gè)位置光敏檢測(cè)器。
66.如權(quán)利要求62-65中任一權(quán)利要求所述的傳感器，還包含用于使第一撓性元件相對(duì)于處理裝置運(yùn)動(dòng)的第一激勵(lì)器。
67.如權(quán)利要求66所述的傳感器，其特征在于第一激勵(lì)器包含壓敏電阻式元件，所述壓敏電阻式元件是撓性元件中的集成部分。
68.如權(quán)利要求62-67中任一權(quán)利要求所述的傳感器，還包含用于使第二撓性元件相對(duì)于處理裝置運(yùn)動(dòng)的第二激勵(lì)器。
69.如權(quán)利要求68所述的傳感器，其特征在于第二激勵(lì)器包含壓敏電阻式元件，所述壓敏電阻式元件是第二撓性元件中的集成部分。
70.如權(quán)利要求62-69中任一權(quán)利要求所述的傳感器，其特征在于處理裝置可由選自下組中所包含的材料制成金屬、玻璃、聚合物或例如硅等半導(dǎo)體材料。
71.如權(quán)利要求62-70中任一權(quán)利要求所述的傳感器，其特征在于第一及第二撓性元件表面上所附著的物質(zhì)可選自下組中所述成份金屬、聚合物、生化分子或微型生化結(jié)構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于微型液體處理系統(tǒng)中的集成微型懸臂梁、微型電橋或微型膜片。這種微型液體處理系統(tǒng)提供了新型的用于檢測(cè)該系統(tǒng)中流體的物理、化學(xué)及生物特性的檢測(cè)機(jī)理。本發(fā)明還涉及具有集成讀取元件的微型懸臂梁、微型電橋或微型膜片型傳感器。這種結(jié)構(gòu)可使不同液體的層流不混合地流過通道,這將開發(fā)出新型的試驗(yàn)用具而且可降低與液體運(yùn)動(dòng)相關(guān)的噪音。本發(fā)明甚至還涉及包含有相鄰的或間隔很近的可同時(shí)暴露在不同的化學(xué)環(huán)境中的微型懸臂梁、微型電橋或微型膜片的傳感器。
文檔編號(hào)G01N35/00GK1360521SQ00809968
公開日2002年7月24日 申請(qǐng)日期2000年5月3日 優(yōu)先權(quán)日1999年5月3日
發(fā)明者哈辛·弗蘭斯瓦斯·德·錢莫伊·格雷, 托弗·瑪莉亞·亨里特·詹森紐斯, 雅各布·泰森, 安尼亞·博伊森 申請(qǐng)人:坎森有限公司