CN100458376C - 可整合的流体流量和性状微传感器组件 - Google Patents

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Abstract

一种可整合的流体流量和性状微传感器组件被构造用以可操作地嵌入在实验室芯片系统中所使用的该种类型的微流筒中。所述组件为具有容纳在外壳中的微结构流量传感器从而得到结实的传感装置的结实的封装件。所述筒提供了通向所述组件的流动通路，所述流动通路引导流体通过所述流量传感器，并使流体返回所述筒的流动通路。所述流量传感器监测受控的流体流并发送表示该流量的信号。该组件结构提供了一种在多种不同的应用中可操作且准确的结实的传感器。

Description

可整合的流体流量和性状微传感器组件
本申请是于2000年9月7日提交的题为“由最佳材料制成的结实的流体流量和性状微传感器”的美国专利申请No.09/656,694的部分继续申请，美国专利申请No.09/656,694是于1998年12月7日提交的题为“坚固的流体流量和性状微传感器”的现为美国专利No.6,184,773的美国专利申请No.09/207,165和于1999年8月5日提交的美国专利申请No.09/368,621的部分继续申请，美国专利申请No.09/368,621是于1999年1月28日提交的美国专利申请No.09/239,125的部分继续申请，美国专利申请No.09/368,621和美国专利申请No.09/239,125均题为“微传感器外壳”。
技术领域
本发明主要涉及流体热传感器，例如以微结构形式并入结实的封装件中的流体流量传感器。为方便起见，术语“流量传感器”在下文中主要被用来表示这些热传感器。读者可意识到这些传感器可被用于测量一些基本的性质例如质量流量、温度、热导率和比热；并且通过强制对流或自然对流可产生热传递。本发明具体涉及利用微结构流量传感器性能的筒或组件。更具体而言，所使用的MicrobrickTM型或Microfill型传感器具有在结构上结实的并且能够在恶劣环境条件下进行工作的中央加热元件和周围的传感器阵列。这些MicrobrickTM型或Microfill型传感器包括通过晶片(through-the-wafer)的互连部，由此对环境损伤和污染具有极低的敏感性。所述传感器支承结构的材料具有适合应用所需要的热导率，由此产生更加有用的和多样的传感器，例如在恶劣环境条件下进行的一项或多项高敏感度或高质量流量的流体流量测量应用所需的传感器。
背景技术
例如Higashi等的美国专利5,401,155中所详细描述的开式微桥结构，由于所述微桥结构是防爆裂的，因此所述微桥结构非常适于进行纯净气体的测量，无论是在存在较大压力波动还是没有较大压力波动条件下。然而，由于微桥结构的敞开特性，蒸气中的冷凝物可不受控制地保留在微桥结构中，导致其热响应或输出产生不受控制的改变，从而使所述结构容易产生输出错误并具有较差的稳定性。
典型的微桥结构具有顶表面结合到头部(header)或衬底上的硅管芯导线，承载其它电导线和/或电子装置。通常，用于导线接头的这种导线为1密耳长的金导线。这种导线具有保持颗粒悬浮于流体中，保持液体冷凝物，增大所不希望的紊流和改变流动响应的倾向。由于其较薄，所以该导线在高质量流量环境例如高速流体流中以及在清洗完传感器后还易于受到损坏。
由于没有开口暴露于流体中，所以基于膜的传感器克服了微桥结构所存在的一些问题。更具体而言，不存在允许流体进入下层结构中的开口。然而，由于所述膜密封在隔离的大气空间之上并且受到由于应力信号误差而产生的差压，所以，基于膜的传感器在高压应用中是有限的。由于所述膜的物理结构，当差压(在所述膜的两侧上的)增加至超过100psi.(在具有高质量流量环境中非常有可能存在的压力级)时所述膜可变形或爆裂。在所述膜传感器的顶面上的加热/传感元件通常为结合到其它部件上的导线，从而存在在流动通路中的导线累积碎屑和在清洗过程中有可能断开等问题。
虽然可使用多种不同的材料制造流体流量传感器，但是材料的选择会明显地影响传感器的性能。构成传感器衬底的优选材料具有相对较低的热导率。这种低热导率是保持所述传感器的敏感度所需要的。具有相对较低的热导率，不同传感元件出现的所有加热/冷却效应主要是由感应到的流体所造成的。另一种选择是，保证热量不被过度地传递通过衬底而造成信号短路是重要的。
上面所讨论的微膜结构给出了一种设计途径，使在恶劣的环境(具有悬浮颗粒等的冷凝蒸气)中能够进行准确的热学测量。具体而言，刚刚在加热/传感元件下面的硅的质量大大减少或被除去，从而限制了潜在的热损失。然而即便是在这种结构中，材料的选择也是关键的，具有较低的热导率和适当的材料强度的依然是非常关键的。这种结构的缺点是其对差压(在其膜之上的)的敏感度导致在传感元件中产生应力并且造成不受控的输出信号损坏或误差。
除了以上所提到的热学特性外，非常希望的是整个流量传感器是具有化学惰性的、耐蚀的、高温稳定的、电绝缘的和生物相容的。明显的是，这些特性中的许多特性可通过适当选择材料而实现。此外，考虑到传感器的工作环境，这些所需特性是必要的。所选择的材料必须使传感器能够在恶劣的环境中进行工作。
因此，所希望的是开发一种不具有上述问题的流量传感器。具体而言，所述传感器不会受到在微桥下面累积的蒸气的影响，并且在加热和传感元件附近不具有暴露的结合导线。所希望的传感器在结构上是结实的并且由此能够在恶劣的环境中进行工作。此外，所希望的是开发一种不受信号短路影响的流量传感器，从而能够感应到具有高质量流量的空气流或液体流。为实现这一点，所需流量传感器包括结实的衬底或管芯，其具有相对较低的热导率、较高的高温稳定性、较强的电绝缘性、耐蚀性、化学惰性、和生物相容性。所述的结构设计使在高压条件下能够在较宽的范围内感应到流速和热学性质。此外，这种性能会在不利的环境中提供无故障操作。所希望的流量传感器和相关外壳还将静容量减至最小，并且提高成本效率、改进便携性和促进小型化。该传感器还适于通过附接到传感器上的预定的流动通道监测流量。
发明内容
本发明详细描述了一种包括具有MicrobrickTM型或Microfill型结构的微传感器管芯(每一个均具有在传感元件下面的大体上为实心的结构)和通过晶片的电互连部的微结构流量传感器。这种结构提供一种结实的传感器，所述传感器在许多不同的应用中，包括在恶劣环境中是能够进行工作的并且是准确的。
此外，为了得到结实的传感装置，所述微结构流量传感器可被整合到组件中。该组件为结实的封装件，可被构造使得其可被可操作地整合到实验室芯片系统中所使用的该种类型的微流筒中。在所述组件中的流量传感器监测在所述筒中的受控制的流体流并通过柔性电路传输表示该流量的信号。所述组件与所述筒的整合为较小装置提供了较大仪器才具有的优势。
所述传感器的特征在于加热器和传感器元件上覆的平的钝化顶面层，以提供适当的电绝缘。此外，具有通过晶片的互连部的管芯除去了如上所述的结合导线和其所附带的问题。为了耐受较宽范围的压力级并且能够在恶劣的环境中进行工作，所述管芯结构被构造得非常结实。所述管芯由具有非常低的热导率的材料制成，由此消除了存在所不希望的热信号短路(signal shorts)的可能性。例如，所述管芯可使用不同的玻璃材料、氧化铝或这些材料的组合制成。
所述管芯通过多种粘合剂被附接到具有相匹配的热膨胀系数(CTE)的衬底上。通过热压焊接、钎料凸点、导电粘合剂等形成电接触。所述通过衬底的电接触优选端接到所需的导电焊道(runs)中，用于附接到传感器中的其它电子装置上。这样使得易于与如下所述的其它装置相互连。
所述衬底还具有在与所述管芯的相配合表面处的钝化层，从而提供向所述管芯底部的流体阻挡层和回填密封，以防止到达背部接触点。在所述管芯的结构中可以使用二氧化硅和氮化硅层。本发明为使用者提供了在所有流体流应用中的无故障的和可靠的使用，并且易于进行制造和进行清洁维修。
进行高质量流量传感作业的能力大体上取决于传感器的物理特性。最重要的是，为了制造出能够在高质量流量的传感条件下进行工作的传感器，所述管芯衬底具有较低的热导率是必要的。通过将热导率降至最低，对传感器加热/冷却效应的干扰将被减至最小并且传感性能得到增强。具体而言，所述管芯衬底材料的特性将控制热传递的适当路径，避免热传递从加热器通过所述管芯衬底传至传感器。多种不同材料可提供这一特性。在历史上，微桥传感器芯片中已使用氮化硅而提供一定水平的热导率。虽然也易于进行生产，但是其易碎性阻碍了其在恶劣环境条件下的应用。
具有所需特性的更佳材料是玻璃。然而，玻璃由于不易进行微机加工，因而早期未被使用。也就是，使用玻璃难于形成所需的结构。另一种潜在的衬底材料是氧化铝，氧化铝被广泛应用在电子封装件中并且能够被机加工制成具有一些所需特性的衬底。然而，一个所不希望的特性是其高热导率，这将严重降低传感器芯片的敏感度。
最近在玻璃材料，包括感光玻璃和硼硅酸耐热玻璃方面的进展已经显示出：进行微机加工是可能的并且是极其有效的。因此，这种材料现在可提供用于经过微机加工的流量和性状传感器中的备用管芯衬底。本发明利用玻璃(感光玻璃、石英玻璃等)或氧化铝材料的特性，从而制造出具有最佳物理特性的流量和性状传感器。从而，将基于玻璃的传感器设置在MicrobrickTM型或Microfill型结构中使能够制造出用于传感流体性质或高质量流量流体流的，而不存在由压应力引发的错误信号的坚固的传感器。
由于最近在玻璃研究方面的进展，使用这种材料作为管芯衬底一般减少了所必需进行的结构机加工的量。更具体而言，现在可在大体上具有实心结构的MicrobrickTM型或Microfill型结构中制造出衬底。在这种类型的管芯衬底中，加热和传感元件被直接设置在衬底上并且在这些元件下面不需要进一步的加工和构造。因此，在传感元件下面的衬底本身是连续的，从而形成更加结实的传感器管芯。玻璃衬底材料的这些特性使得MicrobrickTM型结构被有效地用在恶劣的环境中。
另一种选择是，使用插塞型(Plug type)构造可实现相同的MicrobrickTM型结构。在该种途径中，衬底材料包括在加热和传感元件下面的孔或者延伸完全从其中穿过的开口。然后，该孔中被重新填入包括形成Microfill型结构(即填充有固体材料的微孔)的适当材料的填料或插塞物。该种衬底与适当的填料或插塞物的组合可有效地适应所述微传感器管芯的热学特性的需要。例如，所述衬底可基本上由氧化铝制成，并且包括玻璃插塞物。然后所述加热元件可被直接设置在该插塞元件上，由此提供所需要的热学特性。
Figure C0381697000121
述微结构流量传感器是可进行构造的，使得为了得到更加完备的传感装置，所述微结构流量传感器可被可操作地整合到流量传感器组件中。具体而言，流量传感器组件可包括被容纳在相配合的传感器外壳内的流量传感器。所述传感器外壳限定出密封的流动通道，所述流动通道引导流体穿过流量传感器，并且在流动通道的每一端设置流体入口和流体出口。所述传感器管芯测量流过密封的流动通道的试剂和其它流体的体积。由于所述密封的流动通道的构造是已公知的，因此其作为测量流动通道。
所述传感器外壳可包括两层：沟槽层和覆盖层。在沟槽层中的精密凹槽限定出流动通道，所述流动通道的一部分通过将覆盖层附接到所述沟槽层上而被封闭。覆盖层进一步限定出用于暴露出向其它装置发送信号的流量传感器的窗口。流量传感器被设置在沟槽层上，使得其传感表面也封闭流动通道的剩余部分，由此形成密封的测量流动通道。所述沟槽层和覆盖层可通过多种方式进行附接，包括将环氧层设置所述层之间以在其间形成密封的方法。在沟槽层中相当精密地成形出凹槽，使得最终形成的流动通道提供所需的流量控制。此外，流量传感器被容纳在沟槽层中并对齐，使得大体上布置其传感表面以提供对流过密封的流动通道的试剂和其它流体的精确测量。
所述流量传感器组件可被构造成多样的并且是结实的封装件，使得其可被可操作地嵌入到实验室芯片系统中所使用的该种类型的微流筒中。在所述组件中的传感器监测在所述筒中的受控制的流体流并包括用于传输表示该流量的信号的电连接器。
例如，所述流量传感器组件可使血细胞计数微型筒能够计数并对细胞，特别是血细胞进行分类。所述筒可接收血样并在所述筒内提供血细胞的流动通路。所述筒中的流动通路将细胞引入到传感器组件的流体入口，并且在测量流过传感器的血流速后接收来自流体出口的血细胞。所述血细胞计数微型筒可进一步具有多个传感器组件，每一个组件在所述筒的通路中的不同点处测量血和其它试剂的流速。
所述整合结构将较大的和较昂贵的仪器的性能带给较小的装置，并且具有许多优点。传感器组件和筒的尺寸的减小使成本降低并且使静容量流量减至最少。传感器组件和筒的这种小尺寸和轻重量的设计增强了其便携性和自容性的优点。此外，被嵌入到筒上的传感器组件可在另一只筒上重新使用，由此节省了每次使用后新传感器的费用，且同时受益于所述筒提供的功能和性能。然而根据所述筒的性能，在使用后可优选处理掉所述传感器组件和所述筒。
附图说明
以下，结合附图通过对本发明优选实施例进行描述可更加全面并且完整地理解本发明，其中：
图1是示出了微膜加热器和传感元件的微传感器管芯的顶视图；
图2是包括衬底结构的组装好的根据本发明所述的流体流量传感器的横断面视图；
图3是微传感器管芯和衬底的更详细视图；
图4是包括填料部分的另一种可选择的微传感器管芯结构的横断面视图；
图5是使用插塞物的另一种微传感器管芯结构的横断面视图；
图6是根据本发明所述的包括流量传感器和流量传感器外壳的流量传感器组件的分解视图；
图7是根据本发明所述的具有嵌入的流量传感器的微流筒的视图；
图8a是根据本发明所述的组装前的流量传感器组件的视图；和
图8b是根据本发明所述的组装后的流量传感器组件的视图。
具体实施方式
在对优选实施例的整个描述中，使用相似的附图标记表示相似的元件。
参见图1，流体流量传感器管芯21包括主体13。在主体13上中央加热元件19周围设有传感元件15，17，所有中央加热元件19均由适当的金属例如铂制成。该种类型的微观结构流体流量传感器的工作布置和理论对于本领域的技术人员来说是公知的，在此将不再进行详细说明。再一次为了方便，如上所述一般将该结构称作“流量传感器”。
参见图2，根据本发明所述的流量传感器可包括结合到衬底23上的具有相匹配的热膨胀系数(CTE)的微传感器管芯21。衬底23材料可包括氧化铝、富铝红柱石或具有适当热膨胀系数的已公知的印刷电路板材料。顶部环绕体或顶部环绕层25被设置在衬底23上以环绕微传感器管芯21，从而进一步使传感设备的顶表面平面化并提供最小的流体流阻力和颗粒或凝结物可进入的最小缝隙。顶部环绕体25可被实施为环氧层、预制坯，或任何适当构造和布置的用于上述目的的沉积层或结构层。衬底23、管芯21和顶部环绕体25之间的接合处可进一步进行密封或使用适当的环氧等使变平滑，以除去可能存在的存留的灰尘和蒸气。
如图所示，微传感器管芯21包括具有通孔的共同用作电气通路29的填充有导电材料优选金、铬/金合金，或铬/金/钯合金的主体13。如图所示通过互连方式的应用使流量传感器具有许多优点。具体而言，没有导线结合部从微传感器管芯21的上表面向上延伸出。因此，感应不到干扰流体流的结构。如所预期，这样就消除了紊流，同时避免在上特定的结合结构上产生应力。
再一次参见图2，衬底23包括由氧化铝、富铝红柱石或具有与微传感器管芯21相匹配的热膨胀系数的其它已公知材料制成的衬底主体55。在衬底结构23与微传感器管芯21紧密配合的顶面处设置有热压钎料凸点结合部51。
硅通常被认为是非常有效的微传感器主体材料，其原因在于使用周知的硅加工技术易于对硅进行机加工/处理。然而在一些应用中，例如具有非常高质量流量的流体流传感和高压应用中，作为微桥或微膜的这种硅支承的结构确实具有一些缺点。具体而言，若直接设置在硅上，硅的热绝缘特性限制了传感器的结构和工作特性。为了处理这些热学特性，基于硅的微传感器主体被构造在微膜形结构中，以便限制在加热器和传感元件下面的热质量(thermal mass)。明显地，这样基于硅的传感器的机械强度就受到限制。此外，这种微膜结构不适于高质量流量的传感应用，其原因在于其输出信号在达到高通量级前就饱和了。
为了有效地在恶劣的环境中进行工作，流量传感器在结构上必须结实。如上面所建议的，在接近100psi.条件下爆裂的膜结构并不具有制成结实的传感器所要求的结构特性。所需要的是一种足够结实以耐受由压力源(例如高压脉冲、超声清洗和水冲击)所产生的高压的传感器。为了感应到高质量流量流速，还有必要的是使衬底材料具有一定的热导率。若热导率太低(在有隔膜的情况下)，那么输出信号在中等流量(～1g/cm2s)条件下饱和；若热导率太高，那么输出信号就变得太小。某些玻璃材料(比硅)具有更好的热绝缘特性，从而增强了以上所述的微加工流量和性状传感器的传感能力。玻璃的使用还考虑到待使用的更加结实的物理结构。此外，传感元件将受到钝化层的保护，从而减弱它们对蒸气和液体的敏感度。这些不同的特性导致可在多种应用中使用的多种不同的传感器。此外，如下面所述，为基于玻璃的衬底的有效微机加工提供一些技术。
现在参见图3，图中更详细地示出了基于玻璃的空气流量或流体流量传感器的结构。将玻璃用作微传感器主体材料提供了多种能够增强所述传感器性能的特征。这些特征包括：(1)为通过晶片的接触自动电绝缘，(2)比硅具有更低的热导率，(3)就液体感应而论，承受压力脉冲所需的环境强度，和(4)使用结构上结实的传感器主体构造的能力。此外，基于硅的传感器符合对于化学惰性、耐蚀性和生物相容性的全部要求。
如上面所述，玻璃在各种接触件之间提供了内在的电绝缘。与基于硅的传感器相比，除非使用生长成略微绝缘的更加昂贵的硅晶片，所述电绝缘必须通过在衬底上加入二氧化硅层才能实现。明显地是，这样就去掉一层材料和一步必需的加工步骤。由于氧化物的生长这一步耗时并且在相当高的温度条件下进行，因此这是特别有利的。
现在参见图3，图中示出了根据本发明的基于玻璃的传感器管芯121的剖视图。虽然本发明中的传感器一般被称作基于玻璃的传感器，但是应该理解也可以使用具有合适物理特性的其它材料。例如具有合适结构的氧化铝可被用作用于形成传感器管芯121的基础材料。其它材料旨在落入本发明的范围和精神内。玻璃主体110被用作形成传感器管芯121的基础。在玻璃主体110上表面上是一层再一次用于钝化和结构功能的氮化硅(SixNy)112。在该钝化层112之上设有与上面所述相类似的并且为本领域的技术人员所周知的加热元件114和传感器116。又一次，这些加热和传感元件可由多种材料例如铂制成。覆盖该结构的整个上表面的是起到保护性钝化涂层作用的顶层118。顶层118一般为氮化硅(SixNy)。
与上述传感器相类似，玻璃主体110具有多条延伸贯穿的电气通路129。这些电气通路通常为在玻璃主体110中形成的并且提供与其背面120间的互连的孔。同样，这样允许与传感系统的其它元件的电器连接。参照下图4更充分地对这些电气通路129的制造进行说明。
在电气通路129内设置有导电连接材料131，所述导电连接材料提供与现实加热器114或传感器116的电连接。选择这些电连接件所使用的材料与玻璃主体110的热膨胀特性几乎相当。
再一次，衬底123被构造用于附接到微传感器管芯121的背面。衬底123包括由选择出的与玻璃衬底110的热学特性几乎相当的材料制成的衬底主体155。举例来说，衬底123可以是科瓦(kovar)封接玻璃、氧化铝、印制电路板等。在衬底主体155的顶表面上是釉层160，以及多个金属接触点170。在衬底主体155中还可设置各种通孔或通路180以提供与其它部件的适当电连接。
为了提供可使用的传感器，传感器管芯121被附接到衬底123上，使得所有合适的电连接件适当对齐。通过热压缩、或其它适当的附接机构例如焊球凸点或Z轴粘合剂易于实现这种附接。
如图可见，玻璃主体110基本上为固体块状材料。也就是，除设置用于与附接到传感器管芯121上的部件电气互联的现有电气通路129之外，在其中不存在其它开口或孔。最重要的是，刚好在加热器114和传感元件116下面的玻璃主体110区域基本上是实心的。如预期，这样提供了极其容易的制造结构并使所需加工步骤减至最少。由于所选定的用于主体110的材料的特性，可以有效地使用这种类型的结构。更具体而言，通过使用具有较低热导率的基于玻璃的材料，可制造出可使用的流体流量传感器。一般被称作MicrobrickTM型的这种类型的结构提供了非常结实和合乎环境要求的传感器。最重要的是，该种传感器能够承受高压力级而不会爆裂。
如上所述，玻璃主体110使用适当的材料使MicrobrickTM型结构成为可能。一般地说，当硅由于其具有较高的热导率被用作衬底材料时，该结构不会运转良好。因此在硅中，通过衬底材料本身非常容易形成传热通道，从而导致非常低的/信号输出。如上所述由于减小了传感元件116相对于加热器114的灵敏度，因此这对于任何流体流量传感器来说都是非常不希望的。
现在参见图4，图中示出了根据本发明的另一种可选的实施例。在该改进的微膜结构中，微传感器管芯221还是基于玻璃主体210。在如图3所示的实施例中，钝化层112被沉积到刚刚在玻璃主体210的上表面之上。在该钝化层之上设置加热器114和一对传感元件116。还包括在传感元件和其它所有合适的部件之间提供电气互连的顶表面互连部119。在这些元件(加热器114、传感元件116和互连部119)的顶部上涂覆有一层保护层118。
如图所示，玻璃主体210包括在加热器114和传感元件116下面的中央填料部分212。在该实施例中，填料部分212通过在加热器114和传感元件116之间提供热绝缘而进一步增强了微传感器管芯221的工作。如上所述，选作玻璃主体210的玻璃材料具有许多优势并且比硅具有更佳的绝缘性。然而，玻璃如几乎所有材料一样具有一定的导热特性。通过在填料部分212中使用一种导热性好于玻璃的材料从而进一步减小了上述过渡加热效应(transit heating effect)。因此，紧邻加热器115和传感元件115的整体结构具有非常低的热导率。因此，大大增强了传感器在具有高质量流量的流体流条件下的灵敏度。
现在参见图5，图中示出了微传感器管芯321的另一种结构。在该种特定结构中，微传感器管芯321以被构造成与图4中所示的玻璃主体210有些相似的主体310为基础。然而，在该实例中，主体310可由包括玻璃或硅或氧化铝的其它种材料制成。为了进一步适应微传感器管芯321的热学特性，使用一种经过适当构造的插塞物312。插塞物312沿完全或整个主体310延伸并选择具有所需热学特性的材料制成。如图可见，加热器114和传感元件116直接被构造在插塞物312之上。例如，主体310可由氧化铝构造成形，而插塞物312可由适当的玻璃材料构造成形。在这一方面，在加热器114和传感元件116下面保持一实心结构，而再一次对所述热学特性进行严格控制。
如图5所示的结构特别适用于当氧化铝或硅被用作主体材料的情况。如所周知，使用周知的方法易于将氧化铝机加工并制造成适当的结构。此外，氧化铝甚至比玻璃或硅还具有更强的化学惰性。因此，在一些应用中单独使用氧化铝是具有优势的。此外，由于更加耐热，因此氧化铝可被用在更高温度的应用中。如上面所述，使用适当的插塞材料，可获得所需的热导率，从而导致热传感器具有所需的工作特性。其它材料可相类似地使用这种插塞或微填充(microfill)方法以适当地“调节”或适应所述传感器的特性。
现在参见图6，图中示出了根据本发明的流量传感器组件400的分解视图。流量传感器组件400包括微结构流量传感器410和设置使得流量传感器410被容纳在传感器外壳420内的流量传感器外壳420。虽然根据本发明的外壳主要由塑料或玻璃材料构成，应理解也可以使用具有适当物理特性的其它材料。传感器外壳420限定出流入口430和流出口440，分别为流量传感器外壳420提供了流体入口和排出口。流量传感器外壳420还具有密封的流动通道450，所述流动通道450连接流入口430和流出口440，并通过流量传感器410。
流量传感器外壳420中包含两层；沟槽层460和覆盖层470。在沟槽层460中的精密凹槽限定出密封的流动通道450并且大体上被所述外壳的覆盖层470所封闭。覆盖层470限定出暴露出一部分流动通道450的外壳窗口490。流量传感器410被设置在沟槽层460上，使得其传感表面封闭流动通道450的暴露部分，由此密封在沟槽层460和覆盖层470之间的流动通道450和流量传感器410。进入流入口430的流体流过密封的流动通道450，通过流量传感器410上面，并通过流出口440排出传感器组件。在沟槽层460中相当精密地成形出凹槽，从而提供所需的流量控制。外壳窗口490暴露出流量传感器410，使得传感器可向其它装置发送信号。
流量传感器组件400是结实的封装件，其适于可操作地嵌入到其它系统，例如在芯片实验室系统中所使用的该种类型的微流筒550中，如图7所示。该种集成结构将较大的和较昂贵的仪器的性能带给较小的装置，例如微流筒550。该组件的优选实施例提供约3毫米-6毫米大小的组件宽度和约6毫米-25毫米大小的组件长度。组件400中的流量传感器410监测微流筒550中流体的可控流动并且包括用于发射表示该流量的电信号的电连接器。该电连接器可通过现有技术中已公知的柔性电路或陶瓷电路板来实施，用于向微流筒或其它装置提供电信号。另一种选择是，通向微流筒550上的电气连接部的直接在传感器410上的电路轨迹可发射电信号。一旦电信号被发射到传感器410的边缘，该信号就通过弹簧针阵列、直接插入式连接器或其它适当的装置传播至微流筒550或其它装置。
虽然在上述实施例中所描述的传感器组件400是一个被嵌入筒550中的单一实体，但是在另一可选实施例中，传感器外壳420被固定地并入所述筒中，而流量传感器410被嵌入到外壳420中。在本发明的后一实施例中，外壳420是所述筒的稳固的插入部分，并且流量传感器410可被嵌入到外壳420中并可从外壳420中拆除。这种多用途的“即插即用”型结构允许在所述筒中和所述筒外流量传感器的直接对换，同时保持外壳420为所述筒550的一部分。尽管不受以下尺寸的限制，但是该种“即插即用”型结构的优选实施例中的传感器410的宽度约为1.6毫米-4毫米；长度约为1.6毫米-5毫米。
在本发明的一种实施方式中，流量传感器组件400可被可操作地嵌入到需要用于测量血细胞数的流道测量计的血细胞计数微型筒(micro-cytometry cartridge)中。所述筒550可接收血样并在所述筒内提供血细胞的流动通路520。所述筒中的流动通路520将细胞引入到传感器组件400的流入口430中用于计量。血细胞流过穿过流量传感器410的密封的流动通道450并通过流出口440从传感器组件400中排出回到所述筒的流动通路520中。传感器组件400的流量传感器410监测血细胞的流动，并且传感器组件400的电连接器发出表示所计量的血细胞特性的信号。在已使用血细胞计数微型筒后，可拆去传感器组件400而使用另一个筒，同时该最初的筒被处理掉。
可采用多种方法加工以产生传感器组件400。一种方法主要是使用环氧类物质将流量传感器410附接到覆盖层470上，由此稳固地设置流量传感器。流量传感器的精确设置保证所述传感器容纳在两个外壳层之间并对齐，使得其传感表面大体上被布置用于提供对流过流动通道450的试剂和其它流体的精确计量。为了保持绝对不会阻碍或破坏流体流的流动通道450，传感器组件的形成确保环氧不会逸入流动通道450中。如图6所示，密封凹进部480在沟槽层460中形成，用于如上所述的密封用环氧。如图8a所示，多个环氧排出装置530被设置在密封凹进部480的底部以排出密封凹进部480中过多的环氧和气泡。
此外，环氧层510围绕基本上为沟槽层460和覆盖层470的外周界，如图8a所示。环氧层510的内周界大体上沿流动通道450和外壳窗490的样式，如图8a所示。此外，沟槽层460、覆盖层470和环氧层510具有贯穿其中的导孔500。导孔500被钻孔穿过这些层，使得所述孔的对齐得到覆盖层460和环氧层510相对于沟槽层460的所需定位。
传感器组件400的上述特征简化了形成该组件的方法。根据该方法，密封凹进部480中充填有环氧类物质，使得该物质大体上与沟槽层460的表面相齐平，由此将有可能逸入流动通道450中并破坏所需的流动通道形态的过多的环氧类物质减至最少。沟槽层460容纳流量传感器410，在其间形成密封。密封凹进部480中过多的环氧和气泡通过环氧排出装置530被排出。环氧层510与沟槽层460对齐并被附接到其上，使得环氧层510不覆盖流动通道450。利用用于准确定位的导孔500，覆盖层470和沟槽层460相互接触，在其间形成密封。所得到的组件在其中提供了嵌入到微流筒上的密封的测量流动通道，如图8b所示。
本领域的技术人员应理解：本发明具有许多优点且所述优选实施例中的详细结构对多个问题给出了多种解决方案。应该认识到：当特定元件的独特优点不为所选定的传感器应用所需时，所述优选实施例中的各种结构可具有可进行替换的对应物。

Claims (55)

1、一种用于监测流体流的传感器组件，所述传感器组件整合到板卡组件中，所述传感器组件包括：
具有响应流体流的传感表面的传感器管芯，所述传感器管芯产生表示流体流量的信号，所述传感器管芯还具有用于传输所产生的电信号的多个电接触点；
容纳所述传感器管芯并同时暴露所述所述传感器管芯的所述电接触点的传感器外壳，所述传感器外壳具有流体入口、流体出口，以及设置在流体入口和流体出口之间的流动通道，所述流动通道被构造用以引导流体通过所述传感表面，其中所述传感器外壳包括沟槽部分和覆盖部分，所述流动通道由所述沟槽部分中的凹槽形成，其通过附接所述覆盖部分而被封闭，所述覆盖部分包括贯穿于其中的开口，以暴露传感器管芯的所述电接触点；和
用于使相关系统使用所述电信号而电连接至电接触点的多个连接器。
2、根据权利要求1所述的传感器组件，其中所述传感器外壳由塑料物质制成。
3、根据权利要求1所述的传感器组件，其中所述传感器外壳由玻璃物质制成。
4、根据权利要求1所述的传感器组件，其中所述沟槽部分和所述覆盖部分是平面的。
5、根据权利要求4所述的传感器组件，其中所述传感器管芯被附接到所述沟槽部分和所述覆盖部分上，使得所述传感表面进一步封闭所述流动通道的一部分。
6、根据权利要求5所述的传感器组件，其中所述开口用于接收所述传感器管芯。
7、根据权利要求1所述的传感器组件，其中所述传感器外壳由陶瓷物质制成。
8、根据权利要求1所述的传感器组件，其中所述传感器管芯产生表示所述流体热导率的信号。
9、根据权利要求1所述的传感器组件，其中所述传感器管芯产生表示所述流体比热的信号。
10、根据权利要求1所述的传感器组件，其中所述多个连接器包括柔性电路。
11、根据权利要求1所述的传感器组件，其中所述多个连接器包括陶瓷电路板。
12、根据权利要求1所述的传感器组件，其中所述多个连接器包括在板卡组件上的用于向所述板卡组件的边缘传输电信号的多条电路迹线。
13、根据权利要求12所述的传感器组件，其中所述电信号通过弹簧针阵列而从所述板卡组件的边缘传播至相关系统。
14、根据权利要求12所述的传感器组件，其中所述电信号通过板卡边缘连接器而从所述板卡组件的边缘传播至相关系统。
15、一种用于监测流体流的传感器组件，所述传感器组件整合到筒中，所述传感器组件包括：
在其正面上限定出流动通道的沟槽外壳层；
覆盖外壳层，所述覆盖外壳层具有第一面和相对的第二面，和在所述第一面和相对的第二面之间延伸的窗口，所述覆盖外壳层的第一面邻近所述沟槽外壳层的正面，二者之间存在密封件，所述覆盖外壳层封闭所述流动通道的第一部分；和
具有响应流体流的传感表面和一相对表面的传感器管芯，所述传感器管芯被布置在所述覆盖外壳层中，使得所述传感表面邻近和封闭所述流动通道的第二部分，由此所述流动通道中的流体被引导通过所述传感器管芯的传感表面，传感器管芯的至少部分相对表面和所述覆盖外壳层的窗口对齐，使得传感器管芯的至少一部分相对表面通过窗口暴露。
16、根据权利要求15所述的传感器组件，进一步包括在所述沟槽外壳层和所述覆盖外壳层之间的用于在其间形成密封的粘合剂层。
17、根据权利要求15所述的传感器组件，其中所述传感器管芯能产生表示所述流体流量的电信号。
18、根据权利要求15所述的传感器组件，其中所述传感器管芯能产生表示所述流体热导率的电信号。
19、根据权利要求15所述的传感器组件，其中所述传感器管芯能产生表示所述流体比热的电信号。
20、根据权利要求17所述的传感器组件，其中所述传感器管芯的背面包括多个用于传输所产生的电信号的电接触点，所述传感器管芯的背面与所述传感器管芯的传感表面相对。
21、根据权利要求20所述的传感器组件，其中多个连接器被电连接到所述电接触点上，所述多个连接器包括柔性电路。
22、根据权利要求20所述的传感器组件，其中多个连接器被电连接到所述电接触点上，所述多个连接器包括陶瓷电路板。
23、根据权利要求20所述的传感器组件，其中多个连接器被电连接到所述电接触点上，所述多个连接器包括在所述筒上的用于向所述筒的边缘传输电信号的多条电路迹线。
24、根据权利要求23所述的传感器组件，其中所述电信号通过弹簧针阵列而从所述筒的边缘传播至外部系统。
25、根据权利要求23所述的传感器组件，其中所述电信号通过板卡边缘连接器而从所述筒的边缘传播至外部系统。
26、根据权利要求15所述的传感器组件，其中所述沟槽外壳层限定出流体入口，所述流体入口从其背面通过所述沟槽外壳层延伸至所述流动通道；和流体出口，所述流体出口从其背面通过所述沟槽外壳层延伸至所述流动通道，所述流体入口和流体出口被设置在所述流动通道的相对端。
27、根据权利要求15所述的传感器组件，其中所述沟槽外壳层和所述覆盖外壳层由塑料物质制成。
28、根据权利要求15所述的传感器组件，其中所述沟槽外壳层和所述覆盖外壳层由玻璃物质制成。
29、根据权利要求15所述的传感器组件，其中所述沟槽外壳层和所述覆盖外壳层由陶瓷物质制成。
30、一种用于制成用于监测流体流的传感器组件的方法，所述传感器组件整合到板卡组件中，所述方法包括：
向沟槽外壳层引入环氧类物质，使得所述环氧类物质被容纳在由其正面上的所述沟槽外壳层所限定出的密封凹进部中，其中所述环氧类物质被引入直至其与所述沟槽外壳层的正面相齐平；
将流量传感器定位在所述沟槽外壳层的正面上，使得所述流量传感器的一第一表面与所述环氧类物质相接触，从而在其间形成密封，所述流量传感器还包括与第一表面相对的一第二表面；
将环氧层附加到所述沟槽外壳层的正面上，使得所述环氧层围绕由其正面上的所述沟槽外壳层所限定出的流动通道；
将覆盖外壳层定位在所述沟槽外壳层的正面上，使得所述环氧层在其间形成密封，所述覆盖外壳层与至少一部分所述流量传感器的第一表面相结合而封闭所述流动通道，所述覆盖外壳层包括贯穿于其中的窗口，以暴露流量传感器的第二表面的至少一部分。
31、根据权利要求30所述的方法，其中被钻孔穿过所述沟槽外壳层和所述覆盖外壳层的导孔被用于在所述沟槽外壳层上精确定位所述覆盖外壳层。
32、根据权利要求31所述的方法，其中被钻孔穿过所述沟槽外壳层和所述环氧层的导孔被用于精确地将所述环氧层附加到所述沟槽外壳层上。
33、根据权利要求30所述的方法，其中所述沟槽外壳层限定出环氧排放通路，所述环氧排放通路从所述密封凹进部穿过所述沟槽外壳层延伸至所述沟槽外壳层的背面，使得当所述流量传感器被定位在所述沟槽外壳层上时，过多的环氧类物质可通过所述环氧排放通路排出。
34、根据权利要求30所述的方法，其中所述沟槽外壳层和所述覆盖外壳层由塑料物质制成。
35、根据权利要求30所述的方法，其中所述沟槽外壳层和所述覆盖外壳层由玻璃物质制成。
36、根据权利要求30所述的方法，其中所述沟槽外壳层和所述覆盖外壳层由陶瓷物质制成。
37、一种用于监测流体流的传感器系统，所述系统包括：
含有流体的筒；
可操作地连接到所述筒上的传感器组件，所述传感器组件包括具有响应流体流并产生表示流体流量的电信号的正面的传感器管芯、连接所述传感器组件与所述筒并支承所述传感器管芯的外壳、和用于传输来自所述传感器管芯的电信号的多个电接触点，所述外壳包括覆盖外壳层和沟槽外壳层以及两者之间的密封件，所述覆盖外壳层具有贯穿于其中的窗口，以暴露所述传感器管芯的背面的至少一部分，其中布置所述传感器组件以接收来自所述筒的流体，引导流体通过所述传感器管芯的正面，并使所述流体返回所述筒，所述传感器组件还能从所述筒上拆除；和
用于允许从所述传感器组件外部使用所述电信号而可操作地连接至电接触点的多个电连接器。
38、根据权利要求37所述的传感器系统，其中所述多个电连接器允许相关系统使用所述电信号。
39、根据权利要求38所述的传感器系统，其中多个电连接器包括沿所述传感器组件用于向所述传感器系统的边缘传输电信号的多条电路迹线。
40、根据权利要求39所述的传感器系统，其中所述电信号通过弹簧针阵列而从所述传感器系统的边缘传播至相关系统。
41、根据权利要求39所述的传感器系统，其中所述电信号通过板卡边缘连接器而从所述传感器系统的边缘传播至相关系统。
42、根据权利要求37所述的传感器系统，其中所述多个电连接器包括柔性电路。
43、根据权利要求37所述的传感器系统，其中所述多个电连接器包括陶瓷电路板。
44、根据权利要求37所述的传感器系统，其中所述电信号表示所述流体的热导率。
45、根据权利要求37所述的传感器系统，其中所述电信号表示所述流体的比热。
46、根据权利要求37所述的传感器系统，其中所述传感器管芯可从所述外壳上拆下来，使得所述外壳保持连接到所述筒上。
47、根据权利要求37所述的传感器系统，其中所述外壳由塑料物质制成。
48、根据权利要求37所述的传感器系统，其中所述外壳由玻璃物质制成。
49、根据权利要求37所述的传感器系统，其中所述外壳由陶瓷物质制成。
50、一种用于监测流体流的传感器系统，所述系统包括：
含有流体的筒；和
可操作地嵌入到所述筒上的流量传感器，所述流量传感器包括响应流体流的一传感表面和与所述传感表面相对的背面，所述背面带有一个或多个电接触点，所述流量传感器还包括将所述流量传感器连接到所述筒的外壳，所述外壳包括覆盖外壳层和沟槽外壳层以及两者之间的密封件，所述覆盖外壳层具有贯穿于其中的窗口，以暴露所述流量传感器的背面的一个或多个电接触点，其中布置所述流量传感器以接收来自所述筒的流体，引导流体通过所述传感表面，并使流体返回所述筒。
51、根据权利要求50所述的传感器系统，其中所述流量传感器产生表示流体流量的电信号。
52、根据权利要求51所述的传感器系统，其中所述流量传感器产生表示流体热导率的电信号。
53、根据权利要求51所述的传感器系统，其中所述流量传感器产生表示流体比热的电信号。
54、根据权利要求51所述的传感器系统，其中所述流量传感器包括用于发送来自所述流量传感器的电信号的多个电接触点。
55、根据权利要求50所述的传感器系统，其中所述流量传感器可从所述筒上拆除。
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