專利名稱：流體探針的制作方法
流體探針本發(fā)明涉及一種用于流體性質(zhì)測定的探針，并且涉及這種探針的制造和使用方法。盡管未限制，但是該探針適于測定流體諸如血液的粘度的相對變化。使用微觀撓性機械結(jié)構(gòu)例如微懸臂的傳感器是已知的。微懸臂是其中可以將在微觀微懸臂的機械性質(zhì)上的變化用于檢測微懸臂的環(huán)境中的變化的裝置。微懸臂由材料例如硅，氮化硅，玻璃或金屬制成，典型使用微加工技術(shù)。例如，US6，575，020描述了集成在微-液體操作系統(tǒng)(micro-liquid handling system)中的各種微懸臂，以及如何將這樣的微-液體操作系統(tǒng)用于監(jiān)測這樣的系統(tǒng)中的流體的物理的，化學(xué)的以及生物的性質(zhì)。描述了該裝置包括三角形微-懸臂構(gòu)造的各種構(gòu)造，在所述三角形構(gòu)造中，將壓敏電阻器放置在兩個臂的每一個上，從而使得能夠檢測扭矩以及微懸臂的垂直偏轉(zhuǎn)。典型的微懸臂配置的一個缺點在于，懸臂由相對剛性的材料形成，從而限制了傳感器的偏轉(zhuǎn)范圍(以及因此的電壓靈敏度)。作為WO 2005/054817公布的國際專利申請?zhí)朠CT/GB2004/005079，描述了許多用于通過使用撓性元件檢測流體性質(zhì)的裝置的不同實施方案。該撓性元件可以由具有不同熱膨脹系數(shù)的兩個層形成。可以將加熱器結(jié)合到撓性元件中，使得該元件從第一構(gòu)造運動到第二構(gòu)造。當移除熱量時，則元件可以松弛回第一構(gòu)造?？梢詫⑦m當?shù)膲好綦娮璨牧嫌糜跍y定元件的偏轉(zhuǎn)程度或比率。由于可以通過這種撓性元件得到的相對大量的偏轉(zhuǎn)，因此該元件允許了對隨著時間的過去的粘度變化進行相對準確的測量。本發(fā)明的實施方案的一個目的是解決本文所提到的或其它方面的現(xiàn)有技術(shù)的一個或多個問題。本發(fā)明的具體實施方案的一個目的是提供一種提高的靈敏度的流體探針。在第一方面中，本發(fā)明提供了一種用于檢測流體性質(zhì)的裝置，所述裝置包括主體區(qū)；第一撓性元件和第二撓性元件，每一個撓性元件具有第一末端和第二末端，所述第一末端固定地位于所述主體區(qū)上，并且每一個撓性元件可以通過該元件的彎曲而從至少第一相應(yīng)構(gòu)造運動到第二相應(yīng)構(gòu)造；所述第一撓性元件包括配置用于使撓性元件在第一構(gòu)造和第二構(gòu)造之間運動的驅(qū)動部；所述第二撓性元件包括用于傳感撓性元件的運動的集成運動傳感器，并且其中在遠離所述主體區(qū)的位置，將所述第一撓性元件聯(lián)接到所述第二撓性元件， 并且僅所述第一撓性元件的驅(qū)動部可操作用于使第一和第二撓性元件運動。由于第一和第二撓性元件相互聯(lián)接，因此一個或多個第一撓性元件的運動導(dǎo)致第一和第二撓性元件兩者的運動。這使得第二撓性元件中的一個或多個傳感器可以更加準確地測定一個或多個第二撓性元件的運動，從而可以增加在測定其中使撓性元件運動的流體的性質(zhì)上的準確度和/或靈敏度。由于相關(guān)的一個或多個驅(qū)動器部分和一個或多個傳感器部分位于不同的撓性元件中，因此歸因于由一個或多個驅(qū)動器部分產(chǎn)生的影響一個或多個傳感器的噪聲的降低，引起此增加的靈敏度。此噪聲可以采取熱噪聲或電噪聲的形式。所述撓性元件的每一個可以基本上相互平行地縱向延伸。每一個撓性元件可以通過所述元件在各自彎曲面的彎曲而從所述第一構(gòu)造運動到所述第二構(gòu)造，并且在基本上垂直于彎曲面的方向上，該元件可以經(jīng)由在第一和第二元件之間延伸的聯(lián)接構(gòu)件聯(lián)接在一起。
所述聯(lián)接構(gòu)件可以由基本上剛性的材料形成。所述聯(lián)接構(gòu)件可以被連接到第一和第二撓性元件的第二末端。所述聯(lián)接構(gòu)件可以在遠離第一和第二撓性元件的面上延伸。可以將該聯(lián)接構(gòu)件成型，從而當撓性構(gòu)件在所述第一和第二構(gòu)造之間運動時，所述聯(lián)接構(gòu)件充當槳葉。該裝置可以包括至少兩個所述第一撓性元件，所述第二撓性元件位于所述兩個第一撓性元件之間。所述第一撓性元件可以經(jīng)由熱絕緣材料聯(lián)接到所述第二撓性元件。所述第一撓性元件可以在多個位置聯(lián)接到所述第二撓性元件。所述第一和第二撓性元件可以縱向延伸，第一撓性元件沿所述元件的全部長度聯(lián)接到所述第二撓性元件。所述第一撓性元件的驅(qū)動部可以包括具有不同熱膨脹系數(shù)的至少兩層的層壓材料；加熱元件，其用于加熱撓性元件，以引起所述元件的彎曲。該層壓材料的第一層可以包括聚合物，并且該層壓材料的第二層可以包括金屬。該層壓材料的第一層可以包括聚合物，并且該層壓材料的第二層可以包括聚合物。所述層可以具有小于IOOGPa的楊氏模量以及大于10-6/K的在室溫的熱膨脹系數(shù)?？梢詫λ鲞\動傳感器進行配置，使得運動傳感器的電性質(zhì)由于所述第二撓性元件的運動而變化。所述運動傳感器可以包括壓敏電阻元件，配置所述壓敏電阻元件使得該壓敏電阻元件的電阻在第二撓性元件彎曲時變化。所述壓敏電阻元件可以包括鎳鉻合金，鉻，銅和鉻銅合金的至少一種。所述壓敏電阻元件可以包括A1N(氮化鋁)，PZT，多晶硅，導(dǎo)電聚合物的至少一種。撓性元件從第一末端至第二末端的長度可以在100至ΙΟΟΟμπι的范圍內(nèi)。所述第一構(gòu)造中的第二撓性元件的第二末端與所述第二構(gòu)造中的第二撓性元件的第二末端之間的距離可以在20至650 μ m的范圍內(nèi)。該裝置還可以包括電子電路，所述電子電路被聯(lián)接到第一撓性元件，并且被配置成對于驅(qū)動器部分提供信號，用于將第一撓性元件從第一構(gòu)造運動到第二構(gòu)造；并且被聯(lián)接到第二撓性元件的運動傳感器，并且被配置成提供輸出信號，所述輸出信號指示由所述運動傳感器傳感的運動。在第二方面中，本發(fā)明提供了一種制造用于檢測流體性質(zhì)的裝置的方法，所述方法包括提供主體區(qū)；提供第一撓性元件和第二撓性元件，每一個撓性元件具有第一末端和第二末端，所述第一末端固定地位于所述主體區(qū)上，每一個撓性元件可以通過所述元件的彎曲而從至少第一相應(yīng)構(gòu)造運動到第二相應(yīng)構(gòu)造，所述第一撓性元件包括配置成使撓性元件在第一構(gòu)造和第二構(gòu)造之間運動的驅(qū)動部，并且所述第二撓性元件包括用于傳感撓性元件運動的集成運動傳感器；在遠離所述主體區(qū)的位置，用在撓性元件之間延伸的聯(lián)接器 (coupling)形成第一撓性元件和第二元件；并且僅將第一撓性元件的驅(qū)動部配置成可操作的以使第一和第二撓性元件運動。
該方法還可以包括提供金屬層的步驟，所述金屬層被配置用于在撓性元件的圖案形成(patterning)期間起蝕刻停止層的作用，并且允許撓性元件從周圍結(jié)構(gòu)的隨后釋放。該金屬可以是鉻。該金屬可以是鈦。該方法還可以包括形成包括至少一種導(dǎo)電材料的每一個撓性元件，并且由非導(dǎo)電材料形成聯(lián)接器的步驟。在第三方面中，本發(fā)明提供了一種使用固定地位于主體區(qū)上的一個末端，并且在遠離所述主體區(qū)的位置聯(lián)接在一起的第一和第二撓性元件測定流體性質(zhì)的方法，所述方法包括驅(qū)動第一撓性元件從第一構(gòu)造彎曲到第二構(gòu)造，并且由于被聯(lián)接到第一撓性元件，第二撓性元件從相應(yīng)的第一構(gòu)造運動到第二相應(yīng)構(gòu)造；傳感第二撓性元件的運動；并且通過處理所傳感的運動，測定流體的至少一種性質(zhì)。該方法可以包括驅(qū)動所述第一撓性元件，以使其以小于IOHz的頻率在第一和第二構(gòu)造之間運動?？梢则?qū)動所述第一撓性元件從第一構(gòu)造運動到第二構(gòu)造，使得第一撓性元件的末端移動至少100 μ m。在第四方面中，本發(fā)明提供了用于檢測流體性質(zhì)的裝置，基本上通過參考附圖如本文中所描述裝置。在第五方面中，本發(fā)明提供了一種使用至少兩個撓性元件來測量流體性質(zhì)的方法，基本上通過參考附圖如本文中所描述。在第六方面中，本發(fā)明提供了一種制造基本上通過參考附圖如本文中所描述的裝置的方法。通過參考附圖，僅通過實施例，現(xiàn)在將描述本發(fā)明的優(yōu)選實施方案，其中圖IA和IB顯示分別以第一構(gòu)造和第二構(gòu)造的根據(jù)本發(fā)明的實施方案的裝置的透視圖；圖2顯示圖IA和IB中圖解的裝置的示意性俯視圖，以及在沿該裝置的長度的不同位置處的兩個側(cè)視圖；圖3圖解第一和第二撓性元件之間的區(qū)域的三種不同構(gòu)造，顯示該區(qū)域如何采用空隙，部分填充的或完全填充的形式的俯視圖；圖4A，B和C圖解根據(jù)本發(fā)明的實施方案的裝置中的傳感器分別在空氣，水和硅油中的不同響應(yīng)；圖5A-5Q圖解根據(jù)本發(fā)明的實施方案的制造方法。

圖1A，IB和2圖解了根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施方案的用于檢測流體性質(zhì)的裝置100。裝置100包括聯(lián)接到主體區(qū)110的三個撓性元件。在此具體實施方案中，每一個撓性元件102，104，106是主體區(qū)110的主要部分并且從主體區(qū)110延伸。每一個撓性元件的第一末端聯(lián)接到主體區(qū)110。遠離所述第一末端的每一個撓性元件的第二末端相對主體區(qū)自由運動。每一個撓性元件是具有矩形表面積的條 (bar)，該矩形的長邊從主體區(qū)110延伸。在此具體實施方案中，每一個撓性元件102，104， 106包括至少兩層108a，108b的層壓材料。每一個層的材料具有不同的熱膨脹系數(shù)(CTE)。 所述層可以由不同的材料形成。備選地，在處理不同的層中材料(例如，壓制和/或聯(lián)接到撓性元件中的另外材料)，使得所述層顯示不同的熱膨脹系數(shù)的情況下，所述層的每一層可以由相同的材料形成。例如，材料在不同方向上的應(yīng)力分布可以導(dǎo)致具有方向依賴性的熱膨脹系數(shù)。因而，如果不同的層由相同的材料形成，但是不同的層在不同方向上加壓力，則該不同的層將有效地具有不同的熱膨脹系數(shù)。在加熱的應(yīng)用下，對于相同的升溫，一層將比另一層膨脹得更多，因此被加熱的撓性元件將在具有較低熱膨脹系數(shù)的材料的方向上彎曲。在冷卻時，對于相同的降溫，一層將比另一層收縮程度更大，因此，撓性元件然后將在具有較大膨脹系數(shù)的材料的方向上彎曲。相應(yīng)的加熱元件112位于撓性元件102，106之上或之內(nèi)。撓性元件102，106被安置在撓性元件104的任一側(cè)。撓性元件的每一個縱向延伸并且平行。電接觸墊114可以將來自電信號發(fā)生器的電信號施加到每一個加熱元件112。典型地，每一個撓性元件102，106 將具有類似的尺寸，并且由類似的材料形成。因而，將同樣的信號施加到加熱元件112的每一個，從而保證兩個橫桿(beam) 102，106偏轉(zhuǎn)相同的程度。三個橫桿102，104，106的每一個具有基本上相同的長度。聯(lián)接構(gòu)件120連接到撓性元件102，104，106的自由末端的每一個(即，遠離主體區(qū)110的撓性元件的末端)。聯(lián)接構(gòu)件優(yōu)選由相對剛性的材料形成。優(yōu)選地，聯(lián)接構(gòu)件由熱絕緣材料形成。在使用中，聯(lián)接構(gòu)件(以及撓性元件)將被浸入到流體中。優(yōu)選地，聯(lián)接構(gòu)件的材料充當比流體更好的熱絕緣體。在附圖中所圖解的具體實施方案中，聯(lián)接構(gòu)件120被成型為平面元件，在遠離元件 102，104，106的平面上延伸。聯(lián)接構(gòu)件120具有與撓性元件102，104，106相同的厚度。當利用該裝置時，此形狀允許聯(lián)接構(gòu)件120充當槳葉，從而抵抗撓性元件在被測量的流體中的擺動，并且因而允許了對用于各種(或隨著時間而變化的)流體中的測量的信號的處理 (tailoring)(共振，衰減等)。運動傳感器116位于中心撓性元件104之上或之內(nèi)。運動傳感器116沿撓性元件的全部長度延伸(但是不限于此區(qū)域，并且可以稍微延伸到聯(lián)接構(gòu)件中，以便傳感在撓性元件-聯(lián)接構(gòu)件界面的應(yīng)變)。配置運動傳感器用于提供指示撓性元件104的運動(即，彎曲的程度)的信號。在此具體實施方案中，運動傳感器116采取壓敏電阻材料的形式。壓敏電阻材料是其電阻在其上施加機械應(yīng)變時而變化的材料。壓敏電阻材料可以是鉬，金或鋁。然而，更優(yōu)選地，形成運動傳感器116的壓敏電阻材料為鎳鉻合金或鉻-銅合金。這種材料是優(yōu)選的，因為與鉬，金和鋁相比，它們對溫度的變化較不敏感，因而運動傳感器將較少受熱噪聲影響。電接觸墊118被聯(lián)接到形成運動傳感器116的壓敏電阻材料的電軌道的任一末端。在使用中，利用電阻-測量裝置來測量作為時間的函數(shù)的通過墊118的電阻的變化，從而提供指示撓性元件104的運動速率的信號。圖1A，IB和2圖解了，撓性元件102，104，106被預(yù)定固定寬度的間隙122從鄰近的撓性元件分開，并且僅聯(lián)接構(gòu)件120與撓性元件聯(lián)接在一起。圖3圖解了可以在撓性元件之間的位置122使用的三個備選實施方案。首先，撓性元件102，104，106之間的區(qū)域122 可以采取空隙(即，填充有撓性元件浸入其中的流體，包括液體或空氣)的形式。應(yīng)當理解，盡管由于周圍撓性元件的條形，所示區(qū)域122通常為矩形，但是在其它實施方案中，區(qū)域122可以具有任何形狀，例如圓形，橢圓形，菱形，正方形或任意形狀。備選地，如122’所示，該區(qū)域可以部分地由另一種材料填充(圓表示穿過該區(qū)域的殘留的空隙/空氣間隙，并且對周圍環(huán)境敞開)。延伸通過區(qū)域122’的孔可以如圖3中所示為圓形，或可以是任意的其它形狀。備選地，如122”所示，該區(qū)域可以完全由材料填充。如果區(qū)域122完全由材料填充(從而充當槳葉)，那么優(yōu)選的是，該材料具有與撓性元件的材料類似的機械性質(zhì)。如果需要，可以通過形成槳葉的結(jié)構(gòu)層的厚度進一步調(diào)節(jié)槳葉的剛性，使得該材料將撓曲到與撓性元件相似的程度，或保持相對堅固。位于撓性構(gòu)件之間(即，在122’或122”中)的材料可以充當另外的聯(lián)接構(gòu)件，或可以代替聯(lián)接構(gòu)件120。優(yōu)選地，根據(jù)撓性元件的驅(qū)動部的特征，該材料是絕緣材料，例如熱絕緣材料和/或電絕緣材料。例如，當通過加熱元件112 的運行引起上述裝置的驅(qū)動時，那么優(yōu)選的是，在元件之間延伸(例如，在間隙122中，或形成聯(lián)接構(gòu)件120)的任何材料包含熱絕緣體。優(yōu)選地，與撓性元件相比，該材料即使不是更好的熱絕緣體，也至少起同樣好的熱絕緣體的作用。在使用中，撓性元件102，104，106(以及起槳葉作用的聯(lián)接構(gòu)件120)被浸入流體中。對撓性構(gòu)件102，106施加驅(qū)動信號。該驅(qū)動信號采取施加到加熱元件軌道112(經(jīng)由電接觸墊114)的電信號的形式。熱量由于軌道112中的電阻而消散，這引起撓性元件102， 106的溫度升高。因而，由于各自的熱膨脹系數(shù)的差別，層壓材料的一個層108a將以比另一層108b更大的速率膨脹。圖IA顯示了撓性元件在不施加熱信號時的彎曲位置。當施加熱信號時，撓性元件102，106(但是沒有104)被嵌入其中的軌道112加熱，導(dǎo)致?lián)闲栽臉?gòu)造上的變化，即元件彎曲。由于具有不同熱膨脹系數(shù)的層的該具體配置，在此具體實施方案中，撓性元件102，106將彎曲到圖IB中所示的位置，S卩，元件彎曲并且變得更直/更線性 (較不彎曲)。優(yōu)選地，撓性元件102，106的末端(聯(lián)接構(gòu)件120附著于該末端)運動通過的距離在20至650 μ m的范圍內(nèi)，第二末端優(yōu)選運動至少100 μ m。由于撓性元件的自由 (第二)末端(即沒有聯(lián)接到主體區(qū)110的末端)聯(lián)接在一起，因此撓性元件102，106的運動還引起被動撓性元件104的相應(yīng)運動/彎曲。在彎曲中，撓性元件104在壓敏電阻元件116上誘導(dǎo)導(dǎo)致壓敏電阻元件116的電阻變化的應(yīng)變。因此，運動傳感器116的電阻表示了傳感元件104的運動。此電阻可以通過包括但不限于惠斯通電橋的任意的電阻測量裝置或電路測量。關(guān)于對于加熱元件112的給定的輸入信號，撓性元件102，104，106將運動(或偏轉(zhuǎn))預(yù)定量。如果熱信號是重復(fù)的，例如正弦信號或一串矩形脈沖，那么撓性元件在被加熱時將繼續(xù)彎曲，并且在不(或較少)施加熱時，將朝向它的平衡位置松弛。因而，可以使撓性元件102，106(并且因此的撓性元件104)擺動。備選地，單個的驅(qū)動脈沖(即通過大的或短的電脈沖誘導(dǎo)的一次轟擊(shot)或‘階梯函數(shù)激發(fā)’)可以促使撓性元件產(chǎn)生‘振鈴 (ringing) ’響應(yīng)(例如，參見圖4A-C)。如果施加與撓性元件的運動相對的阻尼力，諸如如果撓性元件正在運動通過粘性介質(zhì)，則撓性元件的偏轉(zhuǎn)程度和偏轉(zhuǎn)的變化速率將受影響。 因而，偏轉(zhuǎn)振幅和/或與用于驅(qū)動撓性元件102，106的信號相比的偏轉(zhuǎn)的變化(或相)的比率的測量用于檢測和測定其中浸有撓性元件的流體的粘度。通過參考而結(jié)合在此的W02005/054817描述了如何進行這樣的粘度測量(以及其它性質(zhì)或流體的測量)。使用這里所述的裝置可以進行類似的測量。因而，可以對來自運動傳感器(的電阻上的變化)的信號進行處理，以測定指示流體的至少一種性質(zhì)的值。這可以例如通過測定撓性元件104的運動變化速率，通過監(jiān)測信號隨時間的變化并且從運動的變化速率測定指示流體粘度的值來進行。備選地，可以對撓性元件的偏轉(zhuǎn)振幅，撓性元件的共振頻率或“振鈴”(其與施加的熱信號成比例)進行處理，以測定指示撓性元件浸入其中的流體的粘度的值。例如，圖4A，4B和4C顯示了在已經(jīng)施加了單個熱脈沖以使撓性元件從它們的靜止位置偏轉(zhuǎn)以后(圖IA中所示)，不同流體(分別是，空氣，水和硅油)中作為時間的函數(shù)的運動傳感器的電阻變化。可以看出，介質(zhì)越粘，撓性元件經(jīng)歷的阻尼效應(yīng)越顯
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者O優(yōu)選地，該裝置用于測量流體中隨時間的粘度變化。例如，可以測量作為時間函數(shù)的血液粘度變化，例如在血液凝結(jié)時，可以以預(yù)定的間隔進行測量，以測定血液粘度/隨時間的血液粘度的相對變化。優(yōu)選地，要從其測量性質(zhì)的流體的體積為1微升的數(shù)量級，例如多達5微升，或更優(yōu)選地，在0. 5和3微升之間。優(yōu)選地，該裝置配置用于測量適于血液測量的粘度范圍，例如IcP-IOOOCP的粘度范圍。由于驅(qū)動部提供在與運動傳感器分開的元件中，因此運動傳感器較少受到由撓性元件的驅(qū)動所引起的噪聲的影響。因而，可以提高傳感器的準確度。此外，提供起槳葉或槳 (oar)的作用而成型的聯(lián)接構(gòu)件120增加了粘度對撓性元件運動的影響，從而允許了靈敏度的提高。應(yīng)當理解，以上實施方案僅通過實施例得以描述，并且各種備選方案對于技術(shù)人員將是顯然的，同時落入后附權(quán)利要求的范圍內(nèi)。例如，盡管在以上實施方案中，驅(qū)動兩個撓性元件102，106運動，并且利用單個的撓性元件測定運動，但是應(yīng)當理解，可以使用備選構(gòu)造。例如，可以實施單個的驅(qū)動器撓性元件和單個的運動傳感器撓性元件。備選地，可以實施任意數(shù)量的運動傳感器撓性元件和驅(qū)動器元件，例如，可以將該元件形成為陣列。在優(yōu)選的實施方案中，僅驅(qū)動器撓性元件102，106包含配置用于引起撓性元件偏轉(zhuǎn)的驅(qū)動部，并且僅傳感器撓性元件104包含運動傳感器。然而，應(yīng)當理解，撓性元件中的任何一個可以包含運動傳感器和驅(qū)動部兩者。例如，W02005/054817中所述的兩個撓性元件可以被聯(lián)接在一起，并且根據(jù)本發(fā)明的實施方案操作。具體地，僅驅(qū)動撓性元件中的一個撓性元件運動(引起它聯(lián)接到的另一個撓性元件的相應(yīng)運動)，僅將另一個撓性元件用于傳感運動。在以上實施方案中，作為平面構(gòu)件，已經(jīng)圖解了聯(lián)接構(gòu)件120。在備選實施方案中， 聯(lián)接構(gòu)件可以采取被沖孔的槳葉或板(Plate)的形式，以改變所關(guān)注的流體中的流體曳力和/或剪切。例如，可以在聯(lián)接構(gòu)件中提供穿孔，以便增強被監(jiān)測的流體的凝結(jié)，從而可以測量在相對短時期內(nèi)的流體粘度變化。這種聯(lián)接構(gòu)件將特別適于監(jiān)測血液隨著時間的過去的粘度變化。應(yīng)當理解，同樣地，可以在聯(lián)接構(gòu)件中提供孔，從而影響化學(xué)的和/或物理的反應(yīng)。如果將撓性元件用于監(jiān)測含有離散粒子或小滴/膠體粒子的流體，那么可以提供具有下列尺寸中的任何一種的任意孔與粒子類似的尺寸，比粒子大得多，或在尺寸上比粒子小得多。例如，如果要監(jiān)測膠體懸浮液的發(fā)展，那么可以提供孔的尺寸，使其一般為與懸浮液中的中間粒子類似的尺寸；較小的膠體粒子將通過孔，同時較大的粒子不會通過孔，并且類似尺寸的粒子可以保持截留在孔中。因而，在隨著時間監(jiān)測撓性元件運動時，這種系統(tǒng)可以提供關(guān)于膠體懸浮液的發(fā)展的更多信息。同樣，應(yīng)當理解，可以將聯(lián)接構(gòu)件的其它構(gòu)造/形狀用于增強這種剪切或曳力效應(yīng)。聯(lián)接構(gòu)件的尺寸將直接影響雙壓電晶片構(gòu)造 (bimorph construction)的機械時間常數(shù)，并且因而改變與傳感器響應(yīng)有關(guān)的振幅和時間常數(shù)。典型地，聯(lián)接構(gòu)件將從撓性元件延伸出每一個撓性元件的長度的至少20%，并且更優(yōu)選50%的距離。典型地，從主體區(qū)至聯(lián)接構(gòu)件的撓性元件的長度在100和IOOOym之間。 盡管已經(jīng)將聯(lián)接構(gòu)件表示為從撓性元件的末端延伸的槳葉，但是在其它的實施方案中，聯(lián)接構(gòu)件可以采取在撓性元件之間延伸，例如延伸穿過撓性元件之間的區(qū)域122的一個或多個離散的構(gòu)件的形式。在以上實施方案中，已經(jīng)描述了聯(lián)接構(gòu)件由熱絕緣體形成，并且撓性元件被熱驅(qū)動。在其它的實施方案中，撓性元件可以經(jīng)由靜電力，磁力，或電驅(qū)動(例如，使用壓電材料)。在這樣的備選實施方案中，聯(lián)接構(gòu)件將由適當?shù)慕^緣材料形成，例如如果驅(qū)動是電的， 那么聯(lián)接構(gòu)件將由電絕緣材料形成。在以上實施方案中，使撓性元件運動的驅(qū)動是通過加熱引起的。然而，應(yīng)當理解， 可以使用其它的驅(qū)動系統(tǒng)。類似地，除利用壓敏電阻軌道以外，可以利用備選的運動傳感器。例如，取決于從壓電材料測量電信號，還是對壓電材料施加電信號，可以將壓電元件用作運動傳感器或驅(qū)動部。W02005/054817描述了各種傳感器，驅(qū)動器以及構(gòu)造的類型，其任何一種可以被用于本發(fā)明的不同實施方案。典型地，撓性元件將由包括一層聚合物(來自由聚酰亞胺，聚酰胺和丙烯酸類聚合物組成的組)或另一種類型的材料例如金，鋁，銅或二氧化硅的層壓材料形成。優(yōu)選地， 該材料是絕緣材料。層壓材料的另一層可以包括金屬，例如如上所述的金，鉬的鋁(aluminium of platinum)，并且最優(yōu)選是具有比第一層壓材料更高的剛度(楊氏模量)以及充分的彈性 (伸長率)的材料，以維持由第一層壓材料引起的形變(在20 μ m-650 μ m的區(qū)域中)。撓性元件102和106中的驅(qū)動部(加熱器)可以由任意的導(dǎo)電材料(例如，金屬或?qū)щ娋酆衔?制成，同時元件104中的傳感部應(yīng)當由具有充分的壓敏電阻或壓電(piezovoltaic)性質(zhì)的材料組制成。典型地，在上述實施方案中，傳感部由Au或Pt制成，但是還可以由導(dǎo)電聚合物制成，并且優(yōu)選由NiCr或CrCu合金制成。構(gòu)件102和106中的任何導(dǎo)電層或軌道優(yōu)選應(yīng)當不延伸到聯(lián)接器/聯(lián)接構(gòu)件120中。應(yīng)當理解，可以利用其它材料制造撓性元件，聯(lián)接構(gòu)件，以及位于相鄰的撓性元件之間的熱絕緣區(qū)域。表1和2說明了用于這樣的構(gòu)造的適合材料的性質(zhì)。如果區(qū)域122不另外由另一種材料填充，則作為可以填充撓性元件之間的區(qū)域122的流體的潛在熱性質(zhì)的實例，在表2中，列出了空氣，乙醇和水。在以上實施方案中，撓性元件102，104和106被描述為全部具有類似的層壓結(jié)構(gòu)。 然而，應(yīng)當理解，與運動撓性元件102，104相比，不同的材料可以用于形成不同的撓性元件，即，傳感器撓性元件可以由不同的材料形成，或具有不同的構(gòu)造。然而，希望的是，撓性元件各自具有類似的彈性程度(例如，楊氏模量)，從而在驅(qū)動運動撓性元件時，全部的撓性元件撓曲或彎曲到類似的程度。來自以下表1的用于構(gòu)件102，104和106的層壓材料的結(jié)構(gòu)材料的優(yōu)選組合為-i)聚酰亞胺-Au和ii)聚酰亞胺-聚酰亞胺，在聚酰亞胺-聚酰亞胺的情況中，使用兩種不同類型的具有大的CTE差別的聚酰亞胺，同時層壓材料的至少一個具有更加剛性的結(jié)構(gòu)(例如，楊氏模量> 5GPa)。另一種可能的組合是iii)聚酰亞胺-Al，可以由于Al的更高的CTE，具有較低的效率。由于聚酰亞胺的高的CTE和非常低的熱導(dǎo)率和熱容量(熱絕緣體)，因此它是優(yōu)選的。另一方面，金具有優(yōu)異的機械性質(zhì)(有彈性，并且與聚酰亞胺相比，具有剛性)和相對低的CTE。當需要撓性構(gòu)件的快速響應(yīng)時，更高的熱導(dǎo)率是理想的。如果選擇備選的驅(qū)動方法，則熱參數(shù)不太受關(guān)注。最后，聚酰亞胺(或任意合適的聚合物材料) 的仔細選擇可以在熱和機械上產(chǎn)生最佳性能?？赡艿膶訅翰牧辖M合包括Al-Si，Al-SiO2，聚酰亞胺-Si和聚酰亞胺-SiO2。表1 用于微制造方法的材料的對照表
權(quán)利要求
1.一種用于檢測流體性質(zhì)的裝置，所述裝置包括主體區(qū)；第一撓性元件和第二撓性元件，每一個撓性元件具有第一末端和第二末端，所述第一末端固定地位于所述主體區(qū)上，并且每一個撓性元件能夠通過該元件的彎曲而從至少第一相應(yīng)構(gòu)造運動到第二相應(yīng)構(gòu)造；所述第一撓性元件包括配置用于使所述撓性元件在所述第一構(gòu)造和所述第二構(gòu)造之間運動的驅(qū)動部；所述第二撓性元件包括用于傳感撓性元件的運動的集成運動傳感器，并且其中，在遠離所述主體區(qū)的位置，將所述第一撓性元件聯(lián)接到所述第二撓性元件，并且僅所述第一撓性元件的驅(qū)動部是可操作的以使所述第一和第二撓性元件運動；其中，將所述第一撓性元件的驅(qū)動部配置成通過磁力驅(qū)動或使用壓電材料電驅(qū)動。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中每一個撓性元件通過所述元件在各自的彎曲面的彎曲而從所述第一構(gòu)造運動到所述第二構(gòu)造，并且在基本上垂直于所述彎曲面的方向上， 所述元件經(jīng)由在所述第一和第二元件之間延伸的聯(lián)接構(gòu)件聯(lián)接在一起。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其中所述聯(lián)接構(gòu)件由基本上剛性的材料形成。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或權(quán)利要求3所述的裝置，其中所述聯(lián)接構(gòu)件被連接到所述第一和第二撓性元件的第二末端。
5.根據(jù)權(quán)利要求2或權(quán)利要求3所述的裝置，其中所述聯(lián)接構(gòu)件由合適的絕緣材料形成。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的裝置，其中所述聯(lián)接構(gòu)件在遠離所述第一和第二撓性元件的面上延伸。
7.根據(jù)權(quán)利要求3至6中任一項所述的裝置，其中將所述聯(lián)接構(gòu)件成型，以便當撓性構(gòu)件在所述第一和第二構(gòu)造之間運動時，所述聯(lián)接構(gòu)件充當槳葉。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的裝置，所述裝置包括至少兩個所述第一撓性元件，所述第二撓性元件位于所述兩個第一撓性元件之間。
9.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的裝置，其中所述第一撓性元件經(jīng)由熱絕緣材料聯(lián)接到所述第二撓性元件。
10.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的裝置，其中所述第一撓性元件在多個位置聯(lián)接到所述第二撓性元件。
全文摘要
本發(fā)明描述了一種用于測量流體性質(zhì)的流體探針，制造方法以及操作方法。所述裝置包括主體區(qū)，第一撓性元件和第二撓性元件。每一個撓性元件具有第一末端和第二末端，所述第一末端固定地位于主體區(qū)上。每一個撓性元件可以通過該元件的彎曲而從至少第一相應(yīng)構(gòu)造運動到第二相應(yīng)構(gòu)造。所述第一撓性元件包括配置用于使撓性元件在第一構(gòu)造和第二構(gòu)造之間運動的驅(qū)動部。所述第二撓性元件包括用于傳感撓性元件的運動的集成運動傳感器。在遠離所述主體區(qū)的位置，將所述第一撓性元件聯(lián)接到所述第二撓性元件。僅所述第一撓性元件的驅(qū)動部是可操作的以使所述第一和第二撓性元件運動。
文檔編號G01N11/16GK102269687SQ20111015358
公開日2011年12月7日 申請日期2007年3月14日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月16日
發(fā)明者埃賈茲·霍克, 弗拉迪斯拉夫·賈可夫, 理查德·約翰·鄧恩 申請人:麥克羅威斯克有限公司