不适用。
背景技术：
一些传统非机械微流体泵利用在流体运输通道内制作在衬底上的一系列泵加热元件来产生热蒸气泡。所述气泡通常是在成核部位(nucleationsite)处通过将流体的总体温度抬升到沸点或通过在不显著地抬升总体流体温度的条件下将流体的位于加热元件周围的一小部分超临界加热到高于沸点的温度而形成。通过将各泵加热元件的激活加以排序，流体流动得到控制。
使用热蒸气泡运输流体的传统微流体泵依赖于被动冷却来散失在所述热蒸气泡的形成期间产生的热量。热量散失速率取决于与泵加热元件及流体热连通的传统微流体泵组件(例如，衬底)的体积、表面积、及导热率。传统微流体泵被设计成具有旨在当以特定流体的典型利用水平在特定条件范围(例如，环境温度)内操作时充分地冷却所述微流体泵及流体的热量散失速率。然而，所设计的热量散失速率并不总是适宜于适应所遇到的变化条件(variationcondition)、利用方案(utilization)、及流体构成(fluidcomposition)。
如果被动冷却系统不足以散失所产生的热量，则流体的总体温度将随着操作的继续而随时间抬升。在许多情形中，将流体加热到高于特定温度会非期望地影响流体构成(例如，所述流体的浓度)或特性(例如，降低的速度)而使所述流体不适合于特定应用或以其他方式负面地影响所述流体的性能(例如，过喷(overspray)或粘着(adherence))且潜在地影响微流体泵。同时，设计成具有较高热量散失速率的被动冷却系统可能在特定条件中从微流体泵移除过多的热量而使流体无法达到最低操作温度，此也可能负面地影响所述流体的特性(例如，低的流动性)或性能(例如，不良的分散(dispersion)或凝聚(clumping))且潜在地影响微流体泵。正是出于这些及其他考虑才构想出本发明。
技术实现要素：
以下发明内容论述在本文中的详细说明及权利要求中所更充分地阐述的本发明的各种方面。以下发明内容并非旨在且不应用于将所主张发明限定于此种方面或要求本发明包括所有此种方面。
所述具有热控制的微流体泵利用使用超临界加热而产生的热蒸气泡使微观流体体积经过管道移动。经热控制的微流体泵制作在半导体衬底上且包括载送被所述微流体泵移动的流体的管道。沿通道的长度在衬底上制作有一系列间隔开的泵加热元件。泵加热元件是被迅速加热以使流体被超临界加热从而使得形成热蒸气泡的电阻式泵加热元件。通过将泵加热元件的激活恰当地加以排序，微流体泵影响流体的移动(例如，方向及流动速率)。
与泵加热元件进行通信的泵温度控制器将与微流体泵相关联的一个或多个温度与对应的温度限值进行比较且修改驱动所述泵加热元件的激发脉冲信号以将温度维持在旨在防止因过热(overheating)而对流体或所述微流体泵自身造成损害的选定操作范围内。泵温度控制器包括温度监测器及泵驱动器，所述泵驱动器驱动微流体泵的泵加热元件来激励流体经过管道。温度监测器测量与微流体泵相关联的一个或多个温度且产生与所测量泵温度和参考温度之间的差对应的输出信号。
泵驱动器产生向泵加热元件供应激活能量的激发脉冲信号。激发脉冲信号包括被期间泵加热元件不被激活的空闲周期隔开的用于激活加热元件的多组脉冲(即，泵循环)。泵驱动器响应于使得激发脉冲信号能够被修改的温度监测器的输出而通过控制激活哪些加热元件及多频繁地激活所述加热元件来对由微流体泵产生的热量提供控制。如果所测量温度超过选定最大温度值，则泵驱动器修改激发脉冲信号以减小被激活的加热元件的数目、各别加热元件的激活之间的时间、和/或泵循环之间的时间。
泵温度控制器可选地控制对衬底进行加热以将流体加温到选定操作温度的衬底加热器。衬底加热器包含一个或多个电阻式加热元件及衬底加热器驱动器。温度监测器及衬底加热器形成热反馈回路而使得所述衬底加热器驱动器能够对泵温度中的变化作出响应。在各种实施例中，衬底加热器驱动器包括脉宽调制电路，所述脉宽调制电路产生向衬底加热元件供应能量的输出信号且通过改变被发送到衬底加热元件的经调制信号的工作比(dutycycle)来调节热量。
附图说明
通过参照以下各图将更好地理解本发明的进一步特征、方面、及优点，其中未按比例绘制元件以更清楚地示出细节且其中在所有几个图中相同参考编号指示相同元件：
图1是示出根据本发明的具有热控制的微流体泵的各种方面的简化剖视图。
图2是示出本发明的微流体泵的泵温度控制器的各种方面的简化方块图。
图3a示出当微流体泵温度低于参考温度时产生的基本激发信号的实例。
图3b示出当泵温度超过参考温度时由激发信号产生器产生的经修改激发信号的各种方面。
图3c示出当微流体泵温度超过参考温度时由激发信号产生器产生的经修改激发信号的实例。
图4示出适合于制作在根据本发明的微流体泵的衬底上的温度传感器的实作方案。
具体实施方式
本文中阐述且在附图中示出一种具有热控制的微流体泵。所述微流体泵使用流体激励机构，所述流体激励机构利用使用超临界加热而产生的热蒸气泡使微观流体体积经过管道移动。所述微流体泵的各种方面包括使用泵温度控制器，所述泵温度控制器监测与所述微流体泵相关联的温度且减缓或暂停所述微流体泵的操作以降低热量产生速率而使得能够有额外的时间供热量被动地散失。控制微流体泵温度的上限会防止或减少所泵送的流体的过热，流体的过热会致使所述流体较不适合于或不适合于其所期望目的或对所述微流体泵造成损害。泵温度控制器的其他方面包括可选的衬底加热器，所述可选的衬底加热器帮助将流体温度抬升到用于实现所述流体和/或微流体泵的更好性能的选定操作范围。
图1是示出根据本发明的具有热控制的微流体泵的各种方面的简化剖视图。热控微流体泵100被优选地实作成微机电系统(micro-electro-mechanicalsystem，mems)，例如芯片实验室(1ab-on-a-chip，loc)装置，或其他微机械。更具体来说，热控微流体泵100制作在衬底102上。在衬底102中形成的通道104为流体提供行进路径。通道104的一些部分在一侧(例如，衬底的顶表面)上开放。在通道104上方通过不漏液密封体(fluid-tightseal)固定到衬底102的盖体106与通道104一起形成管道108。管道108界定载送被微流体泵100移动的流体的通道。管道108的每一端界定口(port)110a、110b，口110a、110b用作微流体泵100的入口或出口。在所示实施例中，所述口与可选连接件配合而使得微流体泵能够放置成直接与其他组件进行流体连通或通过流体供应线和/或流体分布线与所述其他组件进行流体连通。在其他实施例中，其他固定结构或装置(包括(但不限于)喷嘴及储液器(reservoir))可取代所述连接件来与微流体泵100进行整合，以实作用于精确递送对象流体的专用流体分配器(例如，受压流体分配装置)。
沿通道104的长度在衬底102上制作有一系列间隔开的泵加热元件112。泵加热元件112是有助于使温度迅速(例如，几近瞬时的)增大到足以使流体被超临界加热且使得形成热蒸气泡的具有小体积的电阻式泵加热元件112。通过将泵加热元件112的激活恰当地加以排序，微流体泵100影响流体的移动(例如，方向及流动速率)。
与泵加热元件112进行通信的泵温度控制器114将与微流体泵100相关联的一个或多个温度与对应的温度限值进行比较且修改驱动泵加热元件112的激发脉冲信号以将温度维持在旨在防止因过热而对流体或微流体泵100自身造成损害的选定操作范围内。包含当在微流体泵100中侦测到过热时主动地减小热量产生的能力使得通过减少或消除对所泵送流体造成的使所述流体的对于所期望目的而言的适合性降低的负面影响而提供显著的优点。
泵温度控制器114可选地控制衬底加热器116，衬底加热器116对衬底进行加热以将流体加温到选定操作温度。举例来说，衬底加热器116可用于将流体加热到使一个或多个选定流体特性(例如(但不限于)流动性、分散、或吸收)改善的温度。泵温度控制器114通过衬底加热器116来控制最低温度的能力会改善微流体泵在次最优条件中(例如当环境温度低于流体的适合操作温度时或在非现用周期之后开始变“冷”的情形中)的性能。最终，微流体泵100的所示实施例包括与最少盖体106热连通的可选热汇118以增大暴露表面积且因此增大被动散热速率。
图2是示出本发明的微流体泵的泵温度控制器的各种方面的简化方块图。泵温度控制器114包括温度监测器202及泵驱动器204，泵驱动器204驱动微流体泵100的泵加热元件112来激励流体经过管道108。
温度监测器202大体包括温度传感器206、泵温度限制器208、及比较电路210。温度传感器206测量与微流体泵100相关联的一个或多个温度且产生与微流体泵100的温度在量级上成比例的输出信号(例如，电流信号或电压信号)。在优选实施例中，温度传感器206的输出对应于上面制作有温度传感器206的衬底102的温度；然而，各种实施例可测量其他温度，例如流体温度。为方便起见，本文中使用用语“泵温度”来宽泛地包含由温度传感器206测量的与微流体泵100相关联的任何温度，包括(但不限于)衬底102或微流体泵100的其他组件的温度以及管道108中的流体的温度。在各种实施例中，温度传感器206被定位成与被测量泵温度tpump的微流体泵组件热连通。在图4中示出且结合图4来阐述适合于在泵温度控制器114中测量衬底温度的温度传感器206的一个实作方案。一般来说，所测量泵温度是平均温度值而非瞬时值或尖锐值(acutevalue)。
泵温度限制器208接收规定被用于评估所测量温度的参考温度的温度限值输入且将所述温度限值输入转化成可与温度传感器206的输出信号进行比较的兼容格式。一般来说，参考温度被选择成其中与流体的所期望用途或微流体泵的高效操作相关的流体特性受到负面影响的温度。举例来说，参考温度可为以下一种温度：当超过所述温度时流体速度降低到低于可接受水平或当超过所述温度时流体构成崩溃。在一些实施例中，温度限值输入是由外部装置(例如引导微流体泵100的操作的计算装置)产生。在其他实施例中，泵温度限制器包括用于配置选定温度限值的一个或多个输入装置。
泵温度限制器208的适合实作方案的实例包括用于对温度限值输入执行任何必要处理(例如，放大、过滤、转换、或调控)以产生适宜的信号来用于与由温度传感器206输出的信号进行比较的电路系统。因此，一些实施例可包含用于将经数字编码的温度限值接收到类比信号中以供比较电路系统或采样及保持电路系统存储温度限值信号的数字-类比转换器(digital-to-analogconvertor)。前述实例并非旨在约束泵温度限制器208的可用实作方案及替代方案的范围。尽管温度监测器202的优选实施例是实作在类比电路系统中，然而也可通过适宜的修改(例如，使用类比-数字转换器(analog-to-digitalconverter)等)来使用数字实作方案。
在各种实施例中，参考温度对应于最高温度限值tmax(即，温度顶值(temperatureceilingvalue)或上阈值)。在其他实施例中，除最高温度限值以外或作为最高温度限值的替代，可规定最低温度限值(即，温度底值(temperaturefloorvalue)或下阈值)或其他温度值(例如，目标温度或设定点)。在此种情形中，温度监测器202的实施例包括出于比较目的而在可用参考值之间进行切换的开关电路系统。
所示实施例中所示出的比较电路210的基本实作方案包括比较器，所述比较器接收类比温度限值及所测量温度信号且产生与所测量泵温度和参考温度之间的差对应的输出。更复杂的算术和/或逻辑决策电路系统(例如，数字逻辑电路、处理单元、或控制器)适合于实作比较电路210，在温度监测器202是以数字方式实作的情形中尤其如此。然而，许多适合的且更简单的类比实作方案的可用性使得不需要额外的设计复杂性。
泵温度控制器114的附加方面是在对衬底加热器116的控制中使用温度监测器202或至少温度传感器206。衬底加热器116包含一个或多个衬底加热元件212及衬底加热器驱动器214。如泵加热元件112一样，衬底加热元件212通常为电阻式泵加热元件112。然而，衬底加热器116主要关注于通过加热衬底102或与流体热连通的其他微流体泵组件来将总体流体温度增大到最低操作温度(即，最低温度限值)。尽管衬底加热元件212可具有与泵加热元件112相似的体积及表面积，然而衬底加热元件212可被制作成具有更大的体积以在比超临界加热所必需的时间周期长的时间周期内更均匀地保持热量。
最低操作温度对应于其中选定流体开始高效地流动或表现出旨在提高所述流体对于特定应用而言的适合性的其他所期望特性的温度。通过包含专用衬底加热器116，微流体泵110不需要持续地泵送流体来产生所期望热量。举例来说，衬底加热器116可进行操作以将流体预热且维持最低流体温度来实现高效泵操作。相似地，衬底加热器116提供额外热量以补偿当环境条件(例如，环境温度)超出正常设计的操作范围之外时出现的过量的热量损失。
温度监测器202与衬底加热器116一起形成热反馈回路而使得衬底加热器驱动器214对泵温度中的变化作出响应。在各种实施例中，衬底加热器驱动器214包括脉宽调制电路，所述脉宽调制电路产生向衬底加热元件212供应能量的输出信号。更具体来说，衬底加热器驱动器214的实施例通过改变被发送到衬底加热元件212的经调制信号的工作比来控制所供应能量。基本上，如果衬底加热器驱动器214确定泵温度过低(即，低于最低参考温度)，则增大工作比。相似地，如果泵温度超过最低参考温度，则衬底加热器驱动器214减小经调制信号的工作比。在泵温度与最低参考温度匹配时，不改变工作比。在各种实施例中，当泵温度超过最低参考温度时，衬底加热器驱动器214终止经调制信号的产生。
在各种实施例中，衬底加热器驱动器114与泵温度限制器208界接以接收参考温度信号，所述参考温度信号将通过开关构造而使用温度监测器202的比较电路210来与泵温度进行比较或使用衬底加热器驱动器114自身的与前面所述比较电路相似的比较电路来与泵温度进行比较。在一些实施例中，衬底加热器驱动器114直接接收或被预配置成具有用于确定适宜工作比的最低参考温度。
泵驱动器204包括与触发器产生器218进行通信的激发信号产生器216。激发信号产生器216还与泵加热元件112进行通信。使用从触发器产生器218接收的时脉信号，激发信号产生器216会产生向泵加热元件112供应激活能量的激发脉冲信号。适合用于触发器产生器218的装置或电路包括压控振荡器(voltagecontrolledoscillator)或相似的组件。压控振荡器使得能够实现振荡频率且因此实现激发脉冲信号的定时。在一些实施例中，温度监测器202的输出用于基于温差来直接影响振荡频率(例如，当泵温度大于最高温度限值时降低振荡器频率)。作为另外一种选择，激发信号产生器216响应于由外部装置提供的时脉信号或其他触发器来起始激发脉冲序列的产生和/或设定激发脉冲信号定时。
在各种实施例中，激发信号产生器216包括计算电路系统和/或逻辑电路系统，所述计算电路系统和/或逻辑电路系统处理温度监测器202的输出以判断是否应修改基本激发脉冲信号来减小因泵送操作而产生的热量且给予微流体泵100更多冷却下来的机会。一般来说，如果温度监测器202的输出指示泵温度过高(即，超过温度顶值)，则激发信号产生器216通过调处各别脉冲的脉宽或脉冲间隔、在某一时间周期内出现的脉冲数目、或几组脉冲之间的间隔时间中的一个或多个来减小在给定时间周期期间供应到泵加热元件112的能量。结合在图3a到图3c中示出的激发脉冲信号来论述激发信号产生器216的操作细节。
图3a示出当微流体泵温度低于温度限值时产生的基本激发信号的实例。基本激发信号包括与泵循环对应的排列成组的脉冲序列(即，激发脉冲序列)。在基本激发信号中，脉冲的数目等于在微流体泵的正常操作期间被激发的泵加热元件112的数目。脉冲的数目通常等于管道中的泵加热元件112的总数目；然而，脉冲的数目可小于管道中的泵加热元件112的总数目。在各种实施例中，脉宽被选择成提供加热元件所必需的能量以产生充分的热量来用于流体的超临界加热。在所述组内，脉冲间隔决定流动速率(即，多么快地产生热蒸气泡)。在各种实施例中，脉冲间隔相依于用于触发所述激发信号产生器的时脉循环。
激发脉冲序列的长度是脉宽与脉冲间隔之和乘以所述激发序列中的脉冲的数目。激发脉冲序列中的第一脉冲激活微流体泵中的第一加热元件。激发脉冲序列中的每一后续脉冲激活所述系列中的下一加热元件以形成迫使流体在所期望方向上移动的热蒸气泡。在激发脉冲序列结束时或当从所述序列中的第一激发脉冲经过的时间达到所述激发脉冲序列的长度时，泵循环进行重设以使所接收的下一激发脉冲将再一次激活第一加热元件。
激发脉冲序列通过期间不产生脉冲的空闲周期而隔开。空闲周期使得在泵循环期间产生的热量能够散失。然而，视各种因素(例如，操作条件(例如，环境温度或所泵送流体的特性)或使用(例如，大量使用))而定，空闲时间可能不足以在下一泵循环开始之前充足地散失由微流体泵在前一泵循环期间产生的热量。随着时间的演进，缺乏充足的冷却会潜在地使流体温度提高到对所述流体造成非期望效应的水平。
图3b示出当泵温度超过温度限值时由激发信号产生器产生的经修改激发信号的各种方面。如以上所论述，微流体泵的温度感知控制电路通过监测泵温度且在所述泵温度高于温度限值时调整激发信号以减小在被起始的泵循环期间产生的热量来解决生热问题。经修改激发信号的一个方面涉及减小激发脉冲序列中的脉冲数目。在各种实施例中，在泵温度高于温度限值时产生的激发脉冲序列具有比在基本激发脉冲序列中出现的脉冲少的脉冲。减小激发脉冲序列中的脉冲数目会减小在泵循环期间被激活的泵加热元件112的数目。激发脉冲序列的长度不改变。因此，泵循环保持一致，但在其中激发信号产生器发出经修改激发信号的每一泵循环期间产生的热量减小。在操作方面上，较少的激发脉冲会导致较低的流动速率和/或泵效率，此是对避免使流体过热而致使所述流体不适合使用的非期望效应的可接受折衷。
激发信号产生器的各种方面包括使用固定量或可变量和/或改变速率(即，递增和/或定时)和/或限值来减小每一泵循环的激发脉冲数目以降低泵温度的能力。举例来说，减小量可被固定成使得经修改激发脉冲序列中的脉冲数目比基本激发脉冲序列中的脉冲数目小一个。在另一实例中，改变速率可被固定成使得每一经修改激发脉冲序列中的脉冲数目比前一激发脉冲序列中的脉冲数目小一个。在各种实施例中，总减小量被限定成维持最低流动速率。举例来说，经修改激发序列中的脉冲数目可能不会被减小成小于基本激发脉冲序列中的脉冲数目的一半。
在一些实施例中，应用于经修改激发脉冲序列的激发脉冲减小量、改变速率、和/或其限值有条件地通过激发信号产生器基于选定准则(例如(但不限于)绝对泵温度、泵温度与温度限值之间的差)而在各个泵循环之间有所变化。举例来说，经修改激发脉冲序列中的激发脉冲数目可在其中泵温度处于高于温度限值的第一范围内的每一泵循环期间减小第一量(例如，一个脉冲)且在其中泵温度高于第一范围的上限值的每一泵循环期间减小更大的第二量(例如，两个脉冲)。或者，在另一实例中，经修改激发脉冲序列中的激发脉冲的数目可在泵温度处于高于温度限值的第一范围内时每第三泵循环减小一个且每一其中泵温度高于第一范围的上限值的泵循环减小一个。脉冲减小限值可相似地变化成例如使得能够随着泵温度与温度限值之间的差增大而实现更大的减小和/或改变速率。有条件的激发脉冲减小参数使得激发信号产生器能够针对由于过热而对流体造成非期望影响的风险来平衡泵操作特性。应知，利用有条件的激发脉冲减小参数可能需要更复杂的逻辑电路系统或者复制温度监测器202和/或泵驱动器204中的组件(例如，多个泵温度限制装置及比较器)。
图3c示出当泵温度超过温度限值时由激发信号产生器产生的经修改激发信号的又一些方面。在经修改激发信号的此实例中，当泵温度高于温度限值时，激发信号产生器使激发脉冲序列之间的空闲时间增加。增加空闲时间会降低激发脉冲序列的出现频率且给予额外的时间以在产生更多热量之前使在先前泵循环期间产生的热量散失。
图3b及图3c所示经修改激发脉冲信号不相互排斥。换句话说，激发信号产生器204可选地产生将每一激发脉冲序列中的脉冲数目的减小与空闲时间的增加进行组合的经修改激发脉冲信号。最终，激发信号产生器216的一些实施例可通过减小激发脉冲序列中的各别脉冲的工作比(例如，相对于电流脉冲间隔来减小脉宽或相对于电流脉宽来增大脉冲间隔)来限制在任意给定时间周期内产生的热量。再次，此种工作比修改可与激发脉冲序列中的脉冲数目的减小及空闲时间的增加中的一个或两者进行组合。
图4示出适合于与根据本发明的温控微流体泵一起使用的温度传感器的各种方面。一般来说，温度传感器206为制作在半导体衬底上的高敏感性双极结型晶体管温度传感器(high-sensitivitybipolarjunctiontransistortemperaturesensor)。在优选实施例中，温度传感器206制作在互补金属氧化物半导体(complementarymetaloxidesemiconductor，cmos)晶片衬底上。温度传感器206包括具有由供应电压vdd供应的高侧共源共栅负载(cascodeload)404的相同的衬底pnp双极结型晶体管402。共源共栅负载404包括连接到p沟道金属氧化物半导体(p-channelmetaloxidesemiconductor，pmos)共源共栅电流放大器408的n沟道金属氧化物半导体(n-channelmetaloxidesemiconductor，nmos)共源共栅电流镜406。pmos共源共栅电流放大器408通过由外部电压偏置电路(图中未示出)供应的电压vbias而偏置。由于温度传感器可具有多于一个稳定操作状态，因此连接到共源共栅负载404的启动电路(图中未示出)确保温度传感器206以所期望操作状态开启且防止可能当无电流流动时在启动时出现的非期望零电压边界条件状态。
衬底pnp双极结型晶体管402通过在一侧上使用单一晶体管402a且在另一侧上使用并联连接的一组n个晶体管402b或者通过制作具有不同射极区域的晶体管qa及qb而被配置成集电极电流比率为1：n的带隙温度传感器(bandgaptemperaturesensor)。带隙电压是单一晶体管402a的基极-射极电压(vbe)与并联晶体管402b的基极-射极电压的差。带隙电压与绝对温度成比例且出现在电阻器r两端。与衬底102的绝对温度成比例的电流it是经过所示出温度传感器的总电流：
其中k是玻尔兹曼常数(boltzmann’sconstant)，t是绝对温度(°k)，q是电子的电荷，r是电阻，且n是集电极电流比率。带隙温度传感器分支中的电流也与绝对温度成比例。
微流体泵并非限于图4所示温度传感器。温度传感器的所示实施例是可在不背离本发明的范围及精神的条件下使用的各种各样的二极管结式温度感测电路(diodejunctionbasedtemperaturesensingcircuit)的非限制实例。
已出于例示及说明的目的而呈现对本发明的实施例的前述说明。所述说明并非旨在为详尽的或旨在将本发明限定于所公开的精确形式。可根据以上教示内容来进行明显的润饰或变化。选取及阐述所述实施例是力求提供对本发明的原理及其实际应用的说明，且由此能够使所属领域中的普通技术人员在各种实施例中且与适合于所预期特定用途的各种修改方案一起使用本发明。所有此种润饰及变化当根据其所公正地、合法地、且公平地享有的广度来解释时处于由随附权利要求所确定的本发明的范围内。