阅读说明：本技术 根据流体阻抗的流体性质确定 (Fluid property determination from fluid impedance ) 是由 E.马丁 D.E.安德森 J.M.加德纳 J.A.费恩 K.考夫曼 于 2018-01-24 设计创作，主要内容包括：在根据本公开的一个示例中,描述了一种流体分析系统。该流体分析系统包括流体管芯。该流体管芯包括：流体腔室,以容纳一定体积的待分析流体；以及设置在该流体腔室内的阻抗传感器。该阻抗传感器测量该流体腔室中的流体的阻抗。该流体分析系统还包括电耦接到该阻抗传感器的评估器装置。该评估器装置基于该阻抗来确定流体的至少一种性质。(In one example according to the present disclosure, a fluid analysis system is described. The fluid analysis system includes a fluid die. The fluid die includes: a fluid chamber to contain a volume of fluid to be analyzed; and an impedance sensor disposed within the fluid chamber. The impedance sensor measures an impedance of the fluid in the fluid chamber. The fluid analysis system also includes an evaluator device electrically coupled to the impedance sensor. The evaluator device determines at least one property of the fluid based on the impedance.)

根据流体阻抗的流体性质确定

背景技术

流体管芯是流体系统的部件。该流体管芯包括操纵流过该系统的流体的部件。例如，流体管芯包括流体腔室以容纳待处理的流体。在一些示例中，流体管芯包括致动器，以从流体管芯移动和/或喷射流体。例如，在生命科学应用中，生物流体可移动通过微流体系统。

具体实施方式

如本文所使用的流体管芯可描述可利用其对少量流体进行储存、泵送、混合、分析、喷射等的多种类型的整合装置。流体系统的一个这样的示例是用于实验室研究中的微流体系统，在那里可分析和处理生物流体。在另一个具体示例中，流体管芯是喷射管芯，例如见于打印机、增材制造分配器部件、数字滴定部件和/或其他这样的装置中的那些喷射管芯，利用这些装置可选择性地和可控地喷射和/或移动大量流体。

如上所述，在一些示例中，流体管芯不包括致动器。在其他示例中，流体管芯确实包括致动器。流体致动器可移动或喷射流体，或者可以是流体测量/分析系统的一部分。这样的致动器可以是喷射致动器或例如泵之类的非喷射致动器。

该流体管芯可以是微流体管芯。微流体管芯是具有足够小的尺寸（例如，纳米级尺度、微米级尺度、毫米级尺度等）的管芯，以有助于少量流体（例如，皮升级、纳升级、微升级、毫升级等）的输送。

流体致动器的示例包括基于压电膜的致动器、基于热电阻器的致动器、静电膜致动器、机械/冲击驱动的膜致动器、磁致伸缩驱动致动器或者可响应于电致动而引起流***移的其他这样的元件。流体管芯可包括多个流体致动器，其可被称为流体致动器阵列。

虽然这样的流体系统和管芯无疑已在精确流体输送和操纵领域取得了进步，但是另外的发展可能会进一步增加它们的实施方式。具体而言，除了移动/喷射流体之外，还可能期望知道微流体系统中的流体的性质。因此，本说明书描述了可基于流体的测得特性来确定流体的性质的分析系统和方法。具体而言，本说明书描述了一种流体分析系统。该流体分析系统包括例如保持流体的储存器、腔室或通道之类的特征。阻抗传感器被设置在该流体保持特征内，该传感器具有暴露于设置在该流体保持特征中的流体的感测表面。例如电流或电压之类的电刺激可被传送到该流体保持特征中的阻抗传感器。该阻抗传感器对该流体保持特征内的流体进行测量，该测量取决于所施加的电刺激。该测量结果被传递到控制器，以根据该测量结果来确定一种或多种流体性质。在具体示例中，该控制器确定阻抗的实数部分（也称为实部）和阻抗的虚数部分（也称为虚部）。通过分离该实数部分和虚数部分，可确定与流体的性质有关的附加信息。

具体而言，本说明书描述了一种流体分析系统。该流体分析系统包括流体管芯。该流体管芯包括：1）流体腔室，以容纳一定体积的待分析流体；以及2）设置在该流体腔室内的阻抗传感器。该阻抗传感器测量该流体腔室中的流体的阻抗。该流体分析系统还包括评估器装置，其电耦接到该阻抗传感器，以基于阻抗来确定流体的至少一种性质。

在另一个示例中，该流体分析系统包括流体管芯和评估器装置。在该示例中，该评估器装置确定阻抗的实数部分和阻抗的虚数部分。在该示例中，该系统还包括电刺激源，以将电刺激提供给该流体管芯的流体腔室中的阻抗传感器。

本说明书还描述了一种用于基于流体阻抗来确定流体性质的方法。根据该方法，至少一个电刺激被施加于流体管芯上的流体腔室中的阻抗传感器，并且描述该至少一个电刺激的数据被传递到评估器装置。阻抗传感器基于该电刺激来测量流体腔室中的流体的阻抗。根据该阻抗，来确定实数部分和虚数部分。流体的至少一种性质基于以下各项来确定：1）该阻抗的实数部分和该阻抗的虚数部分中的至少一者；以及2）描述该至少一个电刺激的数据。

在一个示例中，使用这样的流体管芯：1）允许微流体水平的流体性质检测；2）提供基于感测阻抗的虚数部分和/或实数部分的简单性质确定；3）具有成本效益，这是因为传感器材料简单且易于一起工作。

如本说明书和所附权利要求中所使用的，术语“致动器”是指致动喷射器和非喷射致动器。例如，作为致动器的喷射器操作以从流体喷射管芯喷射流体。作为非喷射致动器的示例的再循环泵使流体移动通过流体管芯内的流体槽、通道和路径。其他类型的非喷射致动器也是可能的。例如，非喷射致动器可产生蒸汽泡，其中，可分析该蒸汽泡的形成和破裂的动力学，以确定流体性质。

因此，如本说明书和所附权利要求中所使用的，术语“喷嘴”是指将流体分配到表面上的流体喷射管芯的单独的部件。该喷嘴至少包括喷射腔室、喷射器致动器和开口。

此外，如本说明书和所附权利要求中所使用的，术语“流体管芯”是指流体系统的部件，所述部件包括用于储存、移动和/或喷射流体的部件。流体管芯包括流体喷射管芯和非喷射流体管芯。

如本说明书和所附权利要求中所使用的，术语“若干”或类似语言意在被广泛地理解为包括1到无穷大的任何正数。

现在转向附图，图1是根据本文所述原理的一个示例的用于根据流体阻抗来确定流体性质的流体分析系统（100）的框图。该流体分析系统（100）可用于分析任何类型的流体的性质。例如，流体分析系统（100）可在生命科学应用中实施。因此，生物流体可通过流体分析系统（100）来分析和/或传递。作为具体示例，流体分析系统（100）可用于对特定样品流体中的细胞计数。虽然具体参考了在特定的生命科学应用中使用的流体分析系统（100），但是流体分析系统（100）也可在其他生命科学应用以及其他应用中使用。例如，流体分析系统（100）可用于流体喷射系统中，以分析从管芯喷射到特定表面上的例如墨之类的流体。

流体分析系统（100）包括流体管芯（102）。该流体管芯（102）是流体系统的一部分，该流体系统收容用于储存流体，喷射流体和/或沿各种路径输送流体的部件。例如，流体管芯（102）可包括通道、槽或用于移动流体的其他部件。在一些示例中，流体管芯（102）是微流体流体管芯（102）。也就是说，微流体管芯（102）上的通道、槽和储存器可处于微米或更小的尺度上，以便于输送少量的流体（例如，皮升级、纳升级、微升级、毫升级等）。

流体管芯（102）包括流体腔室（104），以容纳一定体积的待分析流体。流体腔室（104）可采取多种形式。这样的流体腔室（104）的一个具体示例是喷射腔室，流体在从流体管芯（102）喷射之前被容纳在那里。在另一个示例中，流体腔室（104）可以是流体行进通过的通道或导管。在又一个示例中，流体腔室（104）可以是容纳流体的储存器。

在一些示例中，形成在流体管芯（102）的基板中或基板上的流体腔室（104）包括流体致动器，以使流体在整个流体管芯（102）中移动或者从流体管芯（102）喷射流体。在一个示例中，该流体致动器可以是通过流体腔室（104）的开口喷射流体的喷射器。在另一个示例中，该流体致动器是流体泵，其在被激活时使流体在微流体通道内移位。这些流体致动器可依靠各种机构来喷射/移动流体。例如，喷射器可以是喷发电阻（firing resistor）或压电装置。

阻抗传感器（106）被设置在流体腔室（104）内。该阻抗传感器（106）测量驻留在流体腔室（104）内的流体的阻抗。也就是说，阻抗传感器（106）测量从喷射腔室喷射、容纳在储存器内或在流体通道中经过的流体的阻抗。

流体的阻抗是指该流体对交流电和/或直流电的抵抗。阻抗可通过如下方式来测量，即：对与流体接触的传感器施加电刺激，即电压或电流，并测量相对应的输出，即电流或电压。知道施加的电刺激和测得的输出后，可确定表示流体的阻抗的值。

不同的流体具有由这些流体的物理和/或化学性质定义的不同的阻抗。此外，基于不同的性质，相同的流体可具有不同的阻抗。例如，流体的温度可能会改变其阻抗。作为另一示例，流体内外来颗粒的存在可能会改变流体的阻抗。因此，知道流体的阻抗允许确定所分析流体的性质。

因此，流体分析系统（100）还包括电耦接到阻抗传感器（106）的评估器装置（108）。该评估器装置（108）接收来自阻抗传感器（106）的输出，并对其进行分析，以确定所分析流体的至少一种性质。也就是说，对于特定应用，评估器装置（108）可将测得的阻抗值映射到该流体的特定性质。可基于阻抗确定的流体性质的一个示例是流体温度。也就是说，阻抗可基于流体温度而波动，并且阻抗与温度之间的映射可允许评估器装置（108）基于测得的阻抗来确定流体温度。

作为另一个示例，可基于阻抗来确定流体的颗粒成分。也就是说，阻抗可基于流体内的颗粒物质或其他外物而波动，并且流体的阻抗与颗粒物质密度之间的映射可允许评估器装置（108）确定什么颗粒物质或其他外物以及以什么数量处于流体样品内。具体而言，流体内的盐可改变阻抗，并且阻抗的测量允许确定流体中是否存在盐以及以什么数量存在。

作为又一个示例，可基于阻抗来确定流体的流体成分。也就是说，不同的流体可具有不同的阻抗。例如，不同的生物样品流体可具有彼此不同的阻抗，这些阻抗全都可与打印流体的阻抗不同。因此，阻抗与不同流体之间的映射可允许评估器装置（108）区分在流体腔室（104）内找到的流体的成分。

作为又一个示例，可基于阻抗来确定流体粘度。也就是说，具有不同粘度的流体可具有不同的阻抗。因此，阻抗与不同流体粘度之间的映射可允许评估器装置（108）区分在流体腔室（104）内找到的特定流体的粘度。

虽然具体参考了特定的性质，但是可基于测得的阻抗来确定任何数量的流体性质。此外，虽然参考了一次确定单一性质，但是也可同时确定多种性质。例如，可基于单一阻抗测量结果来确定流体温度、颗粒浓度、流体成分和/或流体粘度。

在一个具体示例中，评估器装置（108）通过确定阻抗的实数部分和虚数部分来确定这样的性质。也就是说，不仅流体的总阻抗可基于不同的性质而改变，而且该阻抗的实数部分和虚数部分也可基于流体的不同性质而在不同程度上改变。因此，通过单独确定阻抗的实数部分和虚数部分，并且独立地或结合地使用每一者，提供了更多的数据，其中，可确定流体性质。附加的数据使得能够在特定的流体性质之间实现更大的区分。

阻抗的不同部分被不同地确定。也就是说，基于要感测阻抗的实数部分还是虚数部分，所施加的电刺激的特性是不同的。因此，评估器装置（108）可根据电刺激的特性来确定阻抗的实数部分和阻抗的虚数部分中的至少一者。在一些情况下，虽然使用分开的测量循环，但是评估器装置（108）可确定阻抗的两个部分，即，来自阻抗传感器的不同输出，该不同输出对应于不同的电刺激。

如图1中所描绘的，在一些示例中，评估器可被设置在管芯上。然而，在其他示例中，如下面图2中所描绘的，评估器装置（108）可被设置在流体管芯（102）自身之外，并且更具体而言，设置在流体管芯（102）的可能为硅的基板之外。

这样的流体分析系统（100）允许分析不同类型的流体，即使其性质得以确定，这是基于对其阻抗的简单测量，并且在某些情况下，基于其阻抗的实数部分和虚数部分。基于单一流体或多种流体的一种性质或多种性质之间的映射，可确定在流体腔室（104）内找到并且暴露于阻抗传感器（106）的流体的性质。

图2是根据本文所述原理的另一个示例的用于根据流体阻抗来确定流体性质的流体分析系统（100）的框图。在图2中所描绘的示例中，流体分析系统（100）包括流体管芯（102）、设置在该流体管芯（102）上的流体腔室（104）以及设置在该流体腔室（104）内的阻抗传感器（106）。在该示例中，如上所述，评估器装置（108）被描绘为处于流体管芯（102）之外。也就是说，评估器装置（108）可不设置在流体管芯（102）的硅基板上。

在该示例中，流体分析系统（100）包括电刺激源（210）。该电刺激源（210）将电刺激提供给流体管芯（102）上的流体腔室（104）中的阻抗传感器（106）。该电刺激被传递到阻抗传感器（106），使得阻抗传感器（106）可产生指示流体的阻抗的输出。

描述该电刺激的数据被传递到评估器装置（108），使得评估器装置（108）可确定阻抗。也就是说，评估器装置（108）使用已知的输入和已知的输出来确定流体对电流的电阻。

电刺激源（210）可具有不同的类型。例如，电刺激源（210）可以是在阻抗传感器（106）上强制施加电流的电流源。在该示例中，阻抗传感器（106）的输出是电压。在另一个示例中，电刺激源（210）是在阻抗传感器（106）上施加电压的电压源。在该示例中，阻抗传感器（106）的输出是电流。

电刺激源（210）可将不同类型的电刺激施加于阻抗传感器（106）。所施加的类型是基于待感测的阻抗的部分。例如，为了测量该阻抗的实数部分，给定电流源，可施加例如电流的电刺激，使得阻抗传感器（06）的任何电容被充电，从而仅留下基于纯电阻的电流。在该示例中，阻抗传感器（106）的输出已达到稳态。然后，可在持续施加电刺激的同时对该输出采样。

相比之下，为了测量虚阻抗或电容性阻抗，电刺激（例如，电流或电压）被强制施加于阻抗传感器（106）上持续已知的时间量，并且在预定时间段结束时对阻抗传感器（106）的输出采样。在测量阻抗的又一个示例中，可使用时变电刺激，使得可测量阻抗传感器（106）的幅度和相位响应。

图3是根据本文所述原理的一个示例的用于根据流体阻抗来确定流体性质的方法（300）的流程图。根据方法（300），至少一个电刺激被传递（框301）到流体管芯（图1，102）上的流体腔室（图1，104）中的阻抗传感器（图1，106）。

描述该至少一个电刺激的数据被传递（框302）到评估器装置（图1，108）。这样的数据可包括幅度、持续时间和频率以及将描述例如电压或电流之类的电刺激的其他数据片中的任何一者。

如上所述，可在知道输入电刺激和被介质修改的刺激版本的情况下确定流体的阻抗。因此，描述输入电刺激的数据被传递（框302）到评估器装置（图1，108），从而提供已知的输入。

然后，使用阻抗传感器（图1，106），测量（框303）流体腔室（图1，104）中的流体的阻抗。也就是说，形成阻抗传感器（图1，106）的导电板可进行反映阻抗的测量。

在一些示例中，所传递（框301）的电刺激基于阻抗的特定部分来选择。类似地，该通过阻抗传感器（图1，106）测量的值类似地基于该阻抗的特定部分。

例如，为了确定阻抗的实数部分，可传递（框301）直流电刺激，以施加于流体腔室（图1，104）中的阻抗传感器（图1，106），使得阻抗传感器（图1，106）的任何电容完全充电，并且阻抗传感器（图1，106）的输出已达到稳态。在该示例中，在施加电刺激的同时，对阻抗传感器（图1，106）的输出采样，并且该输出被传递到评估器装置（图1，108）。

相比之下，为了确定阻抗的电容性部分或虚数部分，时变电刺激可被传递（框301）到流体腔室（图1，104）中的阻抗传感器（图1，106），该时变电刺激具有预定的幅度并且持续预定时间段。在该示例中，在该预定时间段结束时，对阻抗传感器（图1，106）的输出采样，并且该输出被传递到评估器装置（图1，108）。

在一些示例中，测量阻抗的实数部分和阻抗的虚数部分可顺序地执行，使得可使用两条信息来确定流体的性质。也就是说，可传递（框301）用于测量阻抗的实数部分的第一电刺激并且测量（框303）阻抗。随后，可传递（框301）用于测量该阻抗的虚数部分的第二电刺激并且测量（框303）阻抗。在其他示例中，两个测量可一次执行。例如，可传递电流电刺激，并且在阻抗传感器（图1，106）充电期间测量虚数部分，并且随后，当达到稳态时，测量阻抗的实数部分。

利用测量（框303）的阻抗，可确定（框304）流体的至少一种性质。具体而言，可根据以下各项来确定所述至少一种性质：1）阻抗的实数部分、阻抗的虚数部分或两者；以及2）描述电刺激的数据。使用阻抗的实数部分和虚数部分两者可提供可确定流体性质的甚至更多标准。例如，可能是如下情况，即：两种流体可能具有相同的电阻性阻抗，但是可具有不同的电容性阻抗。总之，使用方法（300），施加电阻抗，测量所得阻抗，并且根据测得的阻抗来确定性质。

图4是根据本文所述原理的另一个示例的用于根据流体阻抗来确定流体性质的流体分析系统（100）的框图。在该示例中，该流体分析系统包括多个流体管芯（102）。每个流体管芯（102）具有多个流体腔室（104）和相对应的阻抗传感器（106）。利用多个阻抗传感器（106），可确定跨流体管芯（102）的性质的梯度。例如，流体内的温度或颗粒浓度可被表示为跨流体管芯（102）的长度的梯度。

在该示例中，流体分析系统（100）可具有多个评估器装置（108），其可处于或可不处于流体管芯（102）上。注意，这些部件中的每一者的数量可不同或相同。例如，在某些情况下，每个流体腔室（104）可具有其自己的评估器装置（108），使得流体腔室（104）和评估器装置（108）的数量相同。在另一个示例中，评估器装置（108）的数量小于流体腔室（104）的数量，使得多个阻抗传感器（106）将阻抗的测量结果输出到共享的评估器装置（108）。

在该示例中，流体分析系统（100）包括至少一个电刺激源（210）。图4描绘了设置在流体管芯（402）上的电刺激源（210），但在一些示例中，它可处于流体管芯（402）之外。在该示例中，多个评估器装置（108）可被耦接到电刺激源（210）。也就是说，共享的电刺激源（210）可将电刺激传递到多个阻抗传感器（106）。在该示例中，流体分析系统（100）包括开关网络，电刺激可通过该开关网络传递到期望的阻抗传感器（106）。该开关网络还将调节阻抗传感器的测量结果和描述电刺激的数据被传递到哪个评估器装置（108）。

在该示例中，流体分析系统还包括温度传感器（412），以测量流体管芯（102）的基板的温度。因此，温度传感器（412）可被设置在流体管芯（102）上或嵌入流体管芯（102）中。温度传感器（412）可采取各种形式。例如，温度传感器（412）可以是热感测电阻器（TSR），其跨越流体管芯（102）的长度并且获取基板的总温度。在该示例中，温度传感器（412）的数量小于流体腔室（104）的数量。

在另一个示例中，温度传感器（412）的数量可与流体腔室（104）的数量相同。例如，二极管热传感器可被放置在流体腔室（104）附近或流体腔室（104）中。换句话说，在该示例中，每个流体腔室（104）可具有独一无二的二极管温度传感器（412）。在另一个示例中，多个流体腔室（104）可与单个二极管温度传感器（412）配对。在该示例中，温度传感器（412）测量基板和/或流体的温度，并且来自阻抗传感器（106）的原始阻抗测量结果和通过温度传感器（412）测量的温度可用于更精确地识别流体的特性或性质。

在一些示例中，流体分析系统（100）包括数据库（414）。该数据库（414）包括阻抗的实数部分和虚数部分与所述至少一种性质之间的映射。在一些具体示例中，该映射可在阻抗的不同部分、即实数部分和虚数部分与所述至少一种性质之间。也就是说，一旦阻抗传感器（106）测量了特定的阻抗部分，无论其是实数部分还是虚数部分，就在数据库（414）中识别与这些测量结果有关的输出值，该数据库（414）使输出与流体的已知性质相关联。也就是说，数据库（414）可将阻抗的实数部分的不同值和/或阻抗的虚数部分的不同值和初始电刺激与流体的不同性质映射，或者映射到不同性质的不同值。因此，利用已知的初始电刺激和针对该电刺激的已知阻抗响应，评估器装置（108）可确定该特定流体的性质。

图5是根据本文所述原理的另一个示例的用于根据流体阻抗来确定流体性质的流体分析系统（100）的示图。如上所述，流体分析系统（100）包括流体腔室（104），待分析的流体被设置在其中。在流体腔室（104）内是阻抗传感器（106），该阻抗传感器（106）确定设置在该流体腔室（104）中的流体的阻抗。

此外，如上所述，电刺激源（210）将电刺激强制施加于阻抗传感器（106）上，无论该电刺激是电流还是电压。在该示例中，在感测到阻抗的情况下，阻抗传感器（106）的输出被传递到采样和保持电路（516），该采样和保持电路（516）捕获输出，无论其是电压还是电流，并且在指定的时间段内将其值保持在恒定的水平。然后，该采样的输出被传递到A/D转换器（518），该A/D转换器（518）将模拟输出转换成评估器装置（108）可用的信号。例如，该A/D转换器可将模拟值转换成数字字（digital word）。评估器装置（108）可使用该数字字以及描述电刺激的数据（523），以从数据库（图4，414）中识别流体的各种性质。评估器装置（108）的输出（522）指示该性质，该输出可被用于在其中使用流体分析系统（100）的应用内执行任何数量的操作。

在一些示例中，电刺激源（210）可由源控制信号（520）控制。该源控制信号激活电刺激源（210），以将电刺激传递到阻抗传感器（106）和评估器装置（108）。

此外，如上所述，描述电刺激的数据（523）被提供给评估器装置（108），使得可进行性质的确定。

如上所述，流体分析系统（100）感测由施加于阻抗传感器（106）的（相应地为电流或电压的）电刺激引起的输出电压（或电流）曲线的形状。当电压/电流上升时，可通过在特定时间进行测量来（部分地）感测输出电压或电流的形状。例如，流体分析系统（100）可用于确定墨的健康状况。在该示例中，好的流体在施加1mA的脉冲之后1uS在60℃下可具有2.5v的信号，并且在70℃下可具有2.8v的信号。也可使用附加的数据点。利用该数据，流体分析系统（100）可辨别出“好”墨与“坏”墨。换句话说，流体分析系统（100）不仅确定实阻抗和复阻抗，而且还通过在预定时间段后进行阻抗测量来确定对电刺激的瞬态响应。

图6是根据本文所述原理的另一个示例的用于根据流体阻抗来确定流体性质的流体分析系统（图1，100）的阻抗传感器（106）的侧视图。如所述，阻抗传感器（106）被设置在流体腔室（104）内。虽然图6描绘了处于流体腔室（104）的底表面上的阻抗传感器（106），但是阻抗传感器（106）可采取其他形状，例如柱形，并且可处于其他表面上，例如流体腔室（104）的侧壁上。

阻抗传感器（106）可被设置在钝化层（628）上，该钝化层（628）被设置在致动器（626）上，该致动器（626）被设置在流体管芯（图1，102）的基板（624）上。基板（624）是指其中形成有流体管芯（624）的各种部件的表面。基板（624）可包括各种层，包括其中设置有流体腔室（104）的硅层。

在结构上，阻抗传感器（106）可包括由诸如钽或铝之类的材料形成的单个导电层，该导电层可检测流体腔室（104）内的任何介质的阻抗。具体而言，每个阻抗传感器（106）测量流体腔室（104）内的介质的阻抗，如上所述，该阻抗测量可单独使用或与温度传感器（图4，412）结合使用，以确定流体腔室（104）内的流体的性质。

在一个示例中，使用这样的流体管芯：1）允许微流体水平的流体性质检测；2）提供基于感测阻抗的虚数部分和/或实数部分的简单性质确定；3）具有成本效益，这是因为传感器材料简单且易于一起工作。