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基于微傳感器的測試裝置制造方法
【專利摘要】提供一種流體測試帶，包括在基材表面上形成的微傳感器(如，微懸臂)和在基材表面上形成的試劑沉積位點，該試劑沉積位點可操作地控制試劑沉積物的大小和位置。還提供一種形成流體測試帶的方法，包括在基材表面上形成微傳感器并且在基材表面上形成試劑沉積位點，該試劑沉積位點可操作地控制試劑沉積物的大小和位置。優(yōu)選地，試劑沉積位點包括由一個或多個溝槽以及在表面材料中的任選的圍欄環(huán)繞的中心島部分。還提供用于實施測試帶制造方法的裝置和計算機可讀介質(zhì)。
【專利說明】基于微傳感器的測試裝置 發(fā)明領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及用于遏制在基于微傳感器的測試帶上的試劑化學(xué)品的表面圖案結(jié)構(gòu) 的集成。
[0002] 發(fā)明背景
[0003] 在醫(yī)療保健、工業(yè)測試和類似的領(lǐng)域中，很多化學(xué)和生物反應(yīng)被用來提供診斷或 其他測試功能。為了提供所發(fā)生的反應(yīng)的一個或多個參數(shù)的精確的檢測，這些診斷測試通 常包括以受控的方式將一種或多種試劑引入到待測的流體（或彼此引入）。這樣的診斷測 試的示例包括免疫測定法、凝血試驗和類似測試。
[0004] 化學(xué)或生物診斷測試的一個特別示例是基于微傳感器的測試帶，其中包括微傳感 器的測試帶可以被浸在待測的流體里，或可以包括圍繞該微傳感器的測試反應(yīng)室來遏制試 劑和待測流體，其中該測試反應(yīng)室充滿了被測流體和一種或多種試劑。該測試帶試劑可以 在制造期間被沉積到測試帶表面上，然后在使用前經(jīng)與被測流體接觸被活化或活化被測流 體。
[0005] 在這樣的測試帶傳感器中，相對于測試微傳感器，諸如在微傳感器上或接近微傳 感器，且相對于生物或化學(xué)樣品的流動控制試劑的放置是特別有用的。通常，該放置必須以 高精度進行（例如，偏差〈25微米）。
[0006] 其中試劑在制造測試帶的期間沉積，準(zhǔn)備經(jīng)與被測流體或類似物接觸而活化，它 對減少形成測試帶所需的處理步驟的數(shù)量是有利的，此后這些測試帶可以數(shù)以百萬計地制 造。而且，為確保結(jié)果的一致性，測試帶的制造也應(yīng)該是一致的。這對基于微傳感器的測試 帶是特別的情況，因為試劑沉積的公差可以是非常精密的。
[0007] 發(fā)明概述
[0008] 本發(fā)明的實施方案提供一種流體測試帶，包括在基材表面上形成的微傳感器和在 基材表面上形成的試劑沉積位點，該試劑沉積位點可操作地控制試劑沉積物的大小和位 置。流體測試帶是本文用于包含地描述包括微傳感器和放置試劑的一部分的位置的單片集 成測試傳感器模塊的術(shù)語。它們可以包括測試室或類似物，以允許基于微傳感器的流體測 試帶遏制在試劑和/或微傳感器附近和在試劑和/或微傳感器附近進行測試。它們可以是 可重復(fù)使用的或僅一次性使用的，并且可以與相應(yīng)的電子讀數(shù)裝置一起使用，流體測試帶 可以插入到電子讀數(shù)裝置中用于使用測試帶獲取讀數(shù)。
[0009] 在一個（或多個）傳感器附近可以提供不只一個沉積位點，例如其中多個傳感器 操作，各自具有不同的試劑，或其中單一的傳感器操作，具有多種試劑。根據(jù)反應(yīng)的需求，每 個沉積位點可以在或不在單獨的室或通道中。
[0010] 可選擇地，沉積位點包括中心島部分，其由不存在的表面材料的一部分環(huán)狀圍繞。 換言之，沉積位點可以包括中心島部分，其通過至少一個溝槽（moat)來環(huán)狀圍繞。
[0011] 可選擇地，試劑沉積位點可以鄰近微傳感器和/或以對微傳感器的操作有利的預(yù) 先確定的形狀來形成。
[0012] 可選擇地，一個或多個沉積位點的預(yù)先確定的形狀可以包括可操作地包圍微傳感 器的至少一部分或單獨的微傳感器的形狀。
[0013] 可選擇地，微傳感器可以包括微懸臂，并且預(yù)先確定的形狀包括包圍微傳感器的 靈敏部分的一部分，諸如基于微懸臂的微傳感器的自由端的一部分。
[0014] 可選擇地，不存在的表面材料的一部分可以包括溝槽。
[0015] 可選擇地，流體測試帶還包括至少一個圍欄（fence)，其中圍欄包括環(huán)狀圍繞不存 在的表面材料的一部分的表面材料的一部分。
[0016] 可選擇地，所述至少一個圍欄可以包括多個溝槽和圍欄，溝槽和圍欄每個的數(shù)目 在1到3的范圍內(nèi)。
[0017] 可選擇地，所述至少一個溝槽可以包括在一個和三個之間的溝槽，并且所述至少 一個圍欄可以包括在一個和三個之間的圍欄。
[0018] 可選擇地，微傳感器是至少一個基于微懸臂的傳感器，其可操作地檢測被測流體 由于被測流體與沉積在沉積位點中的一種或多種試劑之間的反應(yīng)而引起的變化。
[0019] 可選擇地，試劑沉積位點可以包括固定的面積，諸如在100微米和600微米之間 寬。任何溝槽和/或圍欄可以構(gòu)成多達總沉積位點面積的40%。
[0020] 沉積位點可以取決于以下的一種或多種來形成：表面材料的接觸角；沉積的試劑 流體的體積；表面材料的親水性；表面材料的疏水性；表面材料的表面能；表面材料的表面 處理。
[0021] 所述至少一個溝槽可以包括不存在的表面材料的一部分。圍欄和溝槽的數(shù)量可以 是不等的。最外的環(huán)的構(gòu)造可以包括溝槽。中心島部分可以包括厚度與其余基材基本上相 似的表面材料的預(yù)先確定的區(qū)域。溝槽可以包括除去表面材料的（環(huán)狀）區(qū)域，其中本文 的"環(huán)狀"可以表示"圍繞的"（實際的形狀可以是任意的，而不是圓形或任何其他規(guī)則包圍 的形狀，諸如橢圓形和類似形狀。）。圍欄可以包括未除去的表面材料的環(huán)狀區(qū)域。
[0022] 可選擇地，沉積位點可以通過將基材蝕刻、流動成型或沖壓以形成中心島部分和 至少一個溝槽或不存在的表面材料的部分來形成。沉積位點還可以由上述制造方法的組合 來形成。沉積位點可以同樣被稱為圖案或圖案結(jié)構(gòu)。
[0023] 還提供一種形成流體測試帶的方法，包括在基材表面上形成微傳感器并且在基材 表面上形成試劑沉積位點，該試劑沉積位點可操作地控制試劑沉積物的大小和位置。
[0024] 還提供一種被設(shè)置成實施任何所描述的方法的測試帶制造裝置，以及提供一種包 括指令的計算機可讀介質(zhì)，當(dāng)所述指令由處理器執(zhí)行時使處理器實施任何所描述的方法。
[0025] 該方法還包括在形成沉積位點之前或之后對基材表面應(yīng)用表面處理，該表面處理 可操作地加強沉積位點的操作。
[0026] 參考下文描述的實施方案，本發(fā)明的這些或其他方面將是明顯的且被說明。
[0027] 本發(fā)明的實施方案提供在諸如聚合物的基材上放置試劑的改善的方法。
[0028] 附圖簡要說明
[0029] 參考附圖，僅經(jīng)由實施例來描述本發(fā)明的進一步細節(jié)、方面和實施方案。在附圖 中，相同的附圖標(biāo)記被用來標(biāo)識相同或功能相似的元件。圖中的元件為了簡單且清楚被圖 示，且不一定按比例繪制的。
[0030] 圖1包括顯不在具有產(chǎn)生不同接觸角的不同表面處理的聚合物表面材料上小的、 相同體積的（例如試劑）沉積物的沉積面積的變化的示例的顯微鏡圖像；
[0031] 圖2繪制圖1中的沉積面積對接觸角的變化；
[0032] 圖3包括顯示對在鄰近測試帶的微傳感器的未改變的聚合物表面材料上相同體 積的沉積物的沉積位置和面積的變化的示例的顯微鏡圖像；
[0033] 圖4顯示測量的凝血酶原時間（PT)對試劑沉積物的面積的變化；
[0034] 圖5顯示如圖4相同的PT時間，但通過沉積寬度而不是面積相比較；
[0035] 圖6顯不鄰近基于微懸臂的微傳感器的、沉積在未改變的聚合物表面材料上的、 用于凝血試驗的干燥的試劑的兩個示例的位置和面積，該微傳感器包括其中毛細通道被放 置越過單獨的微傳感器的指示；
[0036] 圖7顯示根據(jù)本發(fā)明的示例實施方案的用于改善試劑的沉積的準(zhǔn)確度和一致性 的表面材料的構(gòu)造（例如，圖案結(jié)構(gòu)）；
[0037] 圖8顯示根據(jù)本發(fā)明的示例實施方案的表面材料圖案結(jié)構(gòu)的效果，其中左側(cè)圖是 根據(jù)本發(fā)明圖案化的，并且右側(cè)圖示是基本的孔結(jié)構(gòu)；
[0038] 圖9顯示根據(jù)本發(fā)明的表面材料的構(gòu)造的可替代的實施方案；
[0039] 圖10顯示沉積前和沉積后根據(jù)本發(fā)明的表面材料的構(gòu)造的另一個示例實施方 案；
[0040] 圖11顯示根據(jù)本發(fā)明的表面材料的構(gòu)造的又一示例實施方案。
[0041] 優(yōu)選實施方案的詳細描述
[0042] 因為本發(fā)明的所示實施方案可以在大多數(shù)情況下使用本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的部 件和方法來實施，為了不混淆或轉(zhuǎn)移本發(fā)明的教導(dǎo)，將不會在比被認為對本發(fā)明的基本概 念的理解和認識是必要的任何更大的程度上解釋細節(jié)。
[0043] 本發(fā)明的實施方案提供用于遏制在基于微傳感器的測試帶上的試劑化學(xué)品的表 面圖案結(jié)構(gòu)的構(gòu)造，特別地提供當(dāng)測試帶和微傳感器是單片集成時的示例。所提供的遏制 通過在沉積期間對于一系列的親水性或疏水性表面、相對濕度和溫度（即動態(tài)接觸角，因 為隨著液滴開始在表面上展開，溫度驅(qū)使邊緣處的液滴蒸發(fā)，所以溫度越高，蒸發(fā)越快并且 結(jié)果是（干燥的）液滴的較小面積。這實際上如同在表面材料上的接觸角的變化，該接觸 角的變化產(chǎn)生在制造測試帶布置的環(huán)境中干燥的試劑的面積變化），提供各試劑的高度可 重復(fù)的位置、形狀和表面積，給出使用根據(jù)本發(fā)明的實施方案的流體測試帶進行臨床測試 的準(zhǔn)確度和精確度的改善。
[0044] 因此，本發(fā)明的實施方案可以減輕如表面缺陷、制造試劑液滴分配定向準(zhǔn)確度的 變化和類似的這樣的事情的存在或影響。所提供的遏制還可以通過允許試劑準(zhǔn)確的更高體 積的沉積，對測試帶制備過程的速度和產(chǎn)率給出改善，因此否定試劑的多個較低體積/層 沉積的需求。此外，圖案結(jié)構(gòu)的構(gòu)造能夠連同熱板使用以加熱基材材料來從而增加沉積的 試劑的干燥速度，因此允許更高的體積在給定的時間幀內(nèi)被分配。
[0045] 圖案結(jié)構(gòu)還可以被用來引導(dǎo)試劑進入到不能位于另外的區(qū)域。例如，在使用具有 一個或多個懸臂狀的傳感器的測試帶以測量反應(yīng)的進度和/或最終結(jié)果的情況下，圍繞懸 臂傳感器或沿著懸臂的通道可以不覆蓋和/或粘著在懸臂下到達。
[0046] 圖案結(jié)構(gòu)還可以有利地提供用于控制在沉積物的內(nèi)部的試劑固體粒子的位置的 基線。這是因為在表面上展開的液滴中，大多數(shù)的固體粒子被驅(qū)使到邊緣（給出所謂的"咖 啡環(huán)"沉積物的構(gòu)造）。然而，通過提供遏制液滴，這也提供控制固體粒子被驅(qū)使的范圍。而 且，本發(fā)明的實施方案可以提供在這樣的條件下的另一個優(yōu)點，因為控制沉積的范圍可以 通過回流的流體沉積物防止固體粒子的部分被留下。其中沉積物是生物制劑，留在保護外 殼外部的固體粒子可能具有相比于保持在保護外殼內(nèi)部的固體粒子的低的壽命穩(wěn)定性，例 如，該保護外殼遏制糖類以保持壽命穩(wěn)定性。此外，如果沉積的固體粒子包括能夠變型的固 體粒子（例如蛋白質(zhì)），當(dāng)其未被該保護外殼（即，"保護殼"）完全密封時，將它們保持在保 護外殼內(nèi)能夠在流體沉積干燥之前或之后確保它們的完整。
[0047] 為了控制多個參數(shù)，可能需要控制涉及的一種或多種試劑的沉積，這可能極大地 影響在測試帶中使用的反應(yīng)。這些參數(shù)可以包括：所使用的表面材料或處理的類型、表面處 理的位置、表面積和表面均勻性。這些參數(shù)通常結(jié)合在一起并且一個變化易于產(chǎn)生其他變 化。通過創(chuàng)造圖案化的沉積位點，有可能通過減少此互相依賴并且獲得關(guān)于不同參數(shù)單獨 的更大的控制來改善測試的一致性。
[0048] 為了理解改善的化學(xué)沉積位點的需要，理解沉積到表面上的流體的行為是重要 的。由不同材料制成的表面通常具有不同的表面能，并且因此分配在表面上的試劑對于相 同量的分配的試劑流體顯現(xiàn)不同的接觸角和不同的橫向的液滴大小。在相同的材料上具有 一系列不同的表面能也是可能的，例如通過使用不同的表面處理或改變表面處理參數(shù)。 [0049] 沉積在表面材料上的流體的小液滴采用的形式取決于流體沉積在其上的表面材 料的表面能、流體與環(huán)境的性質(zhì)。表面能可以使用接觸角測量進行評估，其中親水性或疏水 性表面分別給出小于或大于90度的接觸角。
[0050] 為說明這點，在具有不同接觸角的四個表面上制造化學(xué)品的沉積物。得到的沉積 物的顯微鏡圖像在圖1中顯示，其中看到的圖像是沉積在經(jīng)歷不同表面處理的四個聚合物 表面上的具有相同斑點體積的化學(xué)品的3X3斑點陣列。具體地是，顯示：具有6°接觸角 的示例110 ;具有24°接觸角的示例120 ;具有30°接觸角的示例130 ;具有56°接觸角的 示例140。可以看出，對于任何給出的化學(xué)試劑，隨著表面材料上的接觸角減小，所得的液滴 的直徑增加，即液滴散布成更大的面積且更扁平的液滴。
[0051] 圖1中液滴沉積物的形狀和大小的顯著的變化顯示出對形成沉積位點的方法的 需要，該方法能夠幫助控制在具有不同接觸角的表面上沉積的化學(xué)品的面積的變化，并且 已發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生適當(dāng)形成的沉積位點提供了此問題的解決方案。沉積位點的特定構(gòu)造可以根據(jù) 多個外部參數(shù)改變，如下文更詳細的描述。圖2顯示了在沉積物直徑對聚合物表面上的接 觸角的圖上所繪制的從圖1中提取的數(shù)據(jù)。
[0052] 本發(fā)明的示例涉及一種基于微傳感器的凝血試驗以測量血液樣品（即，血液是被 測流體）的凝血酶原時間（PT)。該示例可以由在基材（例如，模）上形成的、位于或?qū)⑽?于毛細管通道中的微機械測試傳感器（包括一個或多個傳感器元件）組成。試劑可以鄰近 一個或多個傳感器元件來直接沉積并干燥，以使得血液沿著毛細管流動使接近微傳感器的 試劑溶解，進行對血液樣品的測試。在此示例中，試劑需要依據(jù)體積、面積和相對于毛細管 和微傳感器的位置來控制以給出測試的高度精確性。沉積的試劑的位置和面積可能取決于 多個因素，包括：沉積物液體（即，試劑）處理裝置的能力（例如，液滴體積分配的準(zhǔn)確度， 液滴分配方向的準(zhǔn)確度，以及類似的能力）；試劑沉積在其上的表面材料的親水性/疏水性 (其可以被測量為水接觸角（WCA));以及動態(tài)接觸角（其是液滴由于環(huán)境溫度和濕度以及 類似原因的蒸發(fā)程度）。這些要素可能是相當(dāng)易變的，例如，液體處理裝置的噴嘴可以具有 來自噴嘴的任意飛行路徑（在設(shè)備的給定規(guī)范中）或額外的不準(zhǔn)確可能由于噴嘴尖頭的老 化和污染而發(fā)生。而且，微傳感器在其上形成的基材的親水性或表面能可以由于表面改性 而改變/引起變化，并且可以呈一定范圍的值（例如，WCA在5到60之間），這取決于表面材 料或隨后的表面材料處理（例如，應(yīng)用具有不同表面特性的非常薄的覆蓋層，或類似處理） 的化學(xué)鍵、厚度和穩(wěn)定性。
[0053] 在根據(jù)本發(fā)明的實施方案的微傳感器測試帶的以下示例中，微傳感器是微機械 的、基于懸臂的傳感器，其中該懸臂具有被測流體（例如，血）之內(nèi)操作的自由端，并且試劑 鄰近該自由端被沉積，將被混入到接近于測試傳感器的被測流體中。這樣的測試傳感器的 示例是如在W02005/054817公開的雙壓電晶片懸臂微傳感器。然而，本發(fā)明不限于傳感器 的特定形式。反而，它適用于單片集成有一種或多種試劑的沉積位置的微傳感器的所有形 式。
[0054] 圖3顯示這樣的基于微懸臂的測試帶的四個示例，其中試劑303鄰近微傳感器 (未不出）被沉積在表面材料301上，其中在傳感器和表面材料301之間具有微小的間隙 304。四個沉積物顯示位置和表面積的大的以及細微的差異，其中NF表示沉積物對準(zhǔn)的點 (即，在NF處沉積物液滴是"被瞄準(zhǔn)的"）。此圖包括顯示了引起測試結(jié)果變化的具有相同 體積的試劑化學(xué)品沉積物的位置和表面積兩者的變化的顯微鏡圖像，并且甚至這些高度可 變的試劑沉積物僅通過導(dǎo)致非常慢的制造過程的多層沉積獲得。
[0055] 圖4顯示高度變化的測量的用于INR(國際標(biāo)準(zhǔn)化比率）2. 2血液樣品的重復(fù)測試 的凝血酶原時間（PT)對使用沒有任何表面材料構(gòu)造的微傳感器測試帶的試劑沉積物的面 積。
[0056] 圖5顯示相同的結(jié)果，但使用沉積寬度代替沉積面積相比較。
[0057] 兩個圖顯示PT時間的大的變化，其分別取決于沉積位點面積和寬度的變化，即， 這些圖形顯示控制沉積位點大小的重要性，并因此顯示本發(fā)明的實施方案的重要性。例 如，如果所有PT結(jié)果被用來計算測試的變動系數(shù)百分比（％CV)，所得的值為14.4%。在 視覺上，能夠看出由于平均PT時間在兩個顯著的總體樣本（401/402 ;501/502)的中心，并 且因此不代表數(shù)據(jù)。然而，如果結(jié)果通過試劑面積和寬度來選擇，其中試劑沉積位點面積 >100000個像素，那么％ CV等于3. 1 %，這顯示在通道內(nèi)的試劑幾何結(jié)構(gòu)的變化產(chǎn)生了測定 的不精確。
[0058] 對于凝固測試的特殊用途的情況，為了創(chuàng)造成功的凝固測試，在試劑應(yīng)沉積在其 上的表面材料上提供受控的低接觸角是有利的。這改善了穿過測試帶上的表面材料的沉積 的試劑化學(xué)品溶液和其他流體的最初位置和流動。如在圖2中清楚地看到，在低接觸角時， 接觸角的小變化能夠?qū)е鲁练e直徑并且因此試劑表面積的較大變化。對于在基于微傳感器 的測試帶上的試劑化學(xué)品的情況，控制其上沉積有試劑化學(xué)品的表面積是有利的，因為其 可以反過來控制如何將試劑釋放到總測試帶試劑室中的被測流體中。如果不獨立控制試劑 的位置和體積，并且因此不獨立控制被沉積的體積和所得沉積物的表面積，測試帶將不太 一致和精確的。而且，試劑沉積物的表面積可能受沉積的試劑的體積影響。
[0059] 圖6顯不沉積在鄰近基于微懸臂的微傳感器405的未改變的表面材料301上的用 于凝血試驗測定的干燥的試劑303的兩個示例的位置和面積，該微傳感器405在微傳感器 和有關(guān)的沉積位點304之間具有間隙，該微傳感器405包括毛細通道被放置越過相應(yīng)的微 傳感器的指示406以形成最終的測試帶裝置。在這兩種情況下，試劑使用相同的液體分配 方法被沉積，并且是相同的試劑組成和體積。又一次，能夠看到試劑沉積物是高度可變的。 因此，此圖清楚地顯示試劑沉積位點相對于微懸臂傳感器405的位置，即鄰近微懸臂的末 端，該微懸臂可操作地順利掃過大量的被測流體，隨后拉起由線406指示的區(qū)域中的毛細 管。能夠看到被測流體借助微懸臂傳感器405的運動，將與沉積在沉積位點上的試劑混合。 雖然微懸臂式傳感器被示出，但本發(fā)明并不限于此。
[0060] 沉積物的表面積和位置變化的控制在某種程度上能夠通過減慢制造過程和接受 測試帶較差的產(chǎn)量來實現(xiàn)。這通過每通過一次沉積設(shè)備僅在每個測試帶上沉積非常少量的 試劑，并且通過多次通過沉積頭積累所需求的試劑的總量。然而，控制水平是低的，并且顯 著地增加了生產(chǎn)成本和時間。
[0061] 如果化學(xué)品沉積物的位置是不正確的，大量沉積的化學(xué)品將距離實際需要到的地 方太遠而不能影響測試-即，化學(xué)品沉積物的位置接近流體通道，流體通道可操作地引導(dǎo) 被測流體（與試劑結(jié)合）到在測試室中的實際的傳感器。通過減少距離流體通道太遠的化 學(xué)品的面積，能夠看到沉積物的不準(zhǔn)確的位置也將導(dǎo)致化學(xué)品的體積和表面積兩者的可變 性。
[0062] 同時，試劑的表面積和體積的變化是測試可變性的來源，因為表面積影響化學(xué)品 能夠被吸收到被測流體中的速度，并且在一個區(qū)域沉積的化學(xué)品的體積還影響在被測流體 中的化學(xué)品的吸收率和最終濃度。
[0063] 試劑沉積的準(zhǔn)確度、均勻性和速度可以通過使用適當(dāng)圖案化的沉積位點改善。因 此，本發(fā)明的示例性實施方案通過提供沉積位點來提供一種現(xiàn)有技術(shù)中上文描述的問題的 解決方案，該沉積位點包括被至少一種溝槽同心地圍繞的材料的島，該溝槽界定島的形狀。 優(yōu)選地，取決于試劑化學(xué)品、體積、可利用的表面材料沉積面積以及類似物，還提供同心圍 繞第一圍欄的溝槽和/或圍欄。溝槽和圍欄的總數(shù)量可以在1和5之間，優(yōu)選地在1和3 之間，并且溝槽有可能比圍欄多或少，或反之亦然。溝槽和圍欄的數(shù)量，以及它們的形狀和 尺寸根據(jù)不同的設(shè)計改變，并且對特定試劑化學(xué)品的它們的性能和表面材料的類型/性質(zhì) 在下文中詳細描述。
[0064] 將化學(xué)品沉積物保持在指定位置的最初的選擇是將孔放在測試帶表面材料中然 后用于遏制沉積的化學(xué)品。這樣的構(gòu)造的示例在圖8中顯示（在右邊）。然而，對于親水表 面材料，發(fā)現(xiàn)其對遏制試劑化學(xué)品不起作用，如所示。在圖8的示例中，表面材料的親水性 意味著當(dāng)化學(xué)品到達孔的邊緣，它不停止流動，同時它繼續(xù)積極有利地傳遍傳感器的表面 材料。
[0065] 圖7顯示用于改善根據(jù)本發(fā)明的示例實施方案的試劑的沉積的準(zhǔn)確度和一致性 的改變的表面材料的構(gòu)造，即，圖案化的沉積位點。在此實施方案中，沉積位點的構(gòu)造包括 被多個"圍欄"和"溝槽"圍繞的中心圓形"島"，其中"島"是保留在原處的表面材料的區(qū) 域，"圍欄"是保留在原處的表面材料的環(huán)形圈，以及"溝槽"是表面材料被除去（諸如通過 蝕刻、沖壓或類似方法）的環(huán)形圈，其中"溝槽"在"島"和"圍欄"之間，或不同的"圍欄"之 間。該構(gòu)造的其他規(guī)模也被設(shè)想。在此示例中，表面材料是聚合物，但是本發(fā)明不限于任何 特定的表面材料。其他沉積位點的構(gòu)造取決于特定用途的情況也被設(shè)想，如將在下文中詳 細地描述。例如，如果接觸角是上述預(yù)期的范圍或分配的體積低于預(yù)期的范圍，不具有圍欄 結(jié)構(gòu)的單一的島和溝槽能夠被使用。
[0066] 圍欄可以至少部分地被蝕刻以產(chǎn)生相對于原始基材高度更低的高度。該圖案還可 以在光可定義的聚合物中創(chuàng)造的或模制的或機械加工的。
[0067] 圖8顯示相比于簡單的孔沉積位點的構(gòu)造（在右側(cè)），根據(jù)本發(fā)明的示例實施方案 的表面材料沉積位點的構(gòu)造（包括具有圍繞的溝槽和圍欄的島，在圖的左側(cè)）的效果。使 用的表面材料是親水的（通過應(yīng)用適當(dāng)?shù)谋砻嫣幚恚⑶以噭┝黧w是以基于水的。相同量 的流體被用于兩種情況中。能夠看到島和溝槽的沉積位點的構(gòu)造遏制試劑，而簡單的孔構(gòu) 造未遏制試劑。
[0068] 圖9顯示使用多個溝槽/圍欄結(jié)構(gòu)以遏制試劑流體沉積物的好處。特別地，該圖圖 示如何將流體沉積物可以緊緊地遏制，即使其由于非理想的條件破壞一個或多個溝槽/圍 欄邊界。例如，如果表面材料的接觸角稍稍低于預(yù)期的有用的范圍，這可能是有用的，因為 試劑的位置還被保持而面積的變化是最小的。在左側(cè)的圖910中，多個溝槽/圍欄圖案化 的沉積位點（具有中心島、三個溝槽和三個圍欄，全部呈矩形的但彎曲角的形狀）在島930 的邊緣處遏制化學(xué)品沉積物，并且因此本身不需要外部的溝槽和圍欄。
[0069] 然而，在右側(cè)圖920中，沉積位點的相同設(shè)計的圖像被顯示，其中相似的化學(xué)品沉 積物溢出中心島，但是然后被多個溝槽/圍欄結(jié)構(gòu)中的一個溝槽或圍欄904結(jié)構(gòu)所遏制。 在這種情況下，如果島和單一的溝槽被使用，沉積物最有可能沒有被遏制。這樣的條件可能 由于試劑流體的體積在某一臨界值之上，表面污染橋接島和第一圍欄結(jié)構(gòu)或類似物，有瑕 疵的制造或其他不理想的使用條件而發(fā)生。因此，多個溝槽/圍欄的圖案化的沉積位點的 冗余是有用的，特別地因為形成島、溝槽和圍欄的方法通常是蝕刻或沖壓過程，所以不會有 對超過傳感器芯片的額外的占地面積的冗余的額外的制造費用。于是，通過使用包括至少 一個島和溝槽的適當(dāng)?shù)膱D案化沉積位點，大多數(shù)測試帶可以快速制造，但還伴有適當(dāng)?shù)某?積準(zhǔn)確度。溝槽和圍欄的數(shù)量與表面材料的WCA(例如，如果WCA低于某一數(shù)字，然后單一 的溝槽是足夠的，但是如果它高于另一個數(shù)字，然后更多的溝槽/圍欄是適當(dāng)?shù)模┖?或沉 積的試劑（更）高的體積（無論是絕對的還是每滴沉積液滴/每次通過沉積頭的）有關(guān)。 換言之，如果WCA低于對于期望的體積有用的遏制的范圍，然后多個溝槽/圍欄結(jié)構(gòu)具有優(yōu) 勢。
[0070] 觀察到特別的設(shè)計在此描述的成功或失敗不是二元問題這一點是重要的。很多設(shè) 計能夠遏制沉積物的特別指定的化學(xué)品，但是可能在充分高于預(yù)期體積的化學(xué)品沉積物下 或隨著可以用于制造遏制試劑沉積的數(shù)以百萬計的測試帶的方法的充分可靠性無法完成。 于是，沉積位點的大小和圍繞圍欄和溝槽的數(shù)量可以根據(jù)特別的使用情況（例如，試劑類 型，試劑沉積體積，期望的沉積表面積和類似情況）來改變。因此，當(dāng)在小面積上沉積更小 的體積，單一的島能夠足以捕獲全部的沉積物。然而，隨著更多沉積體積被需求，如所需要 的可以增加溝槽和圍欄。安全邊緣可以通過可能被嚴格要求的更多的溝槽/圍欄提供。而 且，在許多使用情況下，為了限制例如全部的單片集成微傳感器測試帶系統(tǒng)的總面積，用于 沉積試劑的、靠近/鄰近微傳感器提供的面積可能是有限的和/或固定的。在這些情況下， 另一些溝槽和/或圍欄的增加不得不減少可用于中心"島"的面積，即，增加溝槽和/或圍 欄"消耗"沉積位點的島中心的面積。在這些條件下，已發(fā)現(xiàn)溝槽/圍欄的面積相比于沉積 位點的面積的百分比總體上增加，溝槽/圍欄的效率可能降低。因此，已發(fā)現(xiàn)將溝槽/圍欄 保持在沉積位點總面積的10%和40%之間是有利的。
[0071] 如示例，其中總的沉積位點構(gòu)造是在300到600微米寬之間，并且所使用的特別的 制造方法允許構(gòu)造具有10微米的最小限定的大小，單一的溝槽和圍欄可以使用總沉積位 點面積的10%到20 %，兩個溝槽/圍欄可以使用20 %到35%并且三個溝槽/圍欄可以使 用總沉積位點面積的30%到45%。改變所使用的制造方法，以使得更小的（或?qū)嶋H上更大 的）最小限定的幾何尺寸的應(yīng)用可以改變由單獨的圍欄和溝槽占據(jù)的總沉積位點面積的 百分比。更小的工藝幾何體通常增加制造成本，而使用更大的工藝幾何體能夠較低成本。當(dāng) 生產(chǎn)根據(jù)本發(fā)明的實施方案的數(shù)以百萬計的測試帶時，制造成本可能是重要的因素，圍欄/ 溝槽的數(shù)量可以被改變以解釋例如，使用更低成本的工藝幾何體。
[0072] 圖10顯示本發(fā)明的另一個優(yōu)勢，即在任何隨機的位置形成任何隨機的形狀的沉 積位點，因此改善基于微傳感器的測試帶整體的性能的能力。這是因為優(yōu)化試劑放置位置 和構(gòu)造以例如，增加在微傳感器附近的試劑和被測流體之間的相互作用的速率現(xiàn)在是可能 的。在圖10顯示的示例中，使用單一的島，因為它足以保持試劑以所使用的沉積體積沉積， 然而溝槽/圍欄可以被用于不同情形下，諸如更高的沉積體積、更低的WCA等。左側(cè)圖顯示 在沉積發(fā)生前沉積位點502,而右側(cè)圖為沉積后，顯示沉積的試劑303均勻地沉積在本發(fā)明 的不規(guī)則形狀的沉積位點構(gòu)造上。
[0073] 在圖10中顯示的示例中，其使用基于微懸臂405的傳感器，該基于微懸臂405的 傳感器在其末端1001處具有"最靈敏的"部分，沉積位點502(包括單一的島和界定島的溝 槽）被成形以使得沉積位點包圍微懸臂的末端。從而試劑圍繞該末端，因此當(dāng)被測流體進 入在傳感器之上的毛細管時，它與在懸臂的最靈敏的部分，末端1001周圍的所有側(cè)上的試 劑接觸，并且加強此最靈敏的區(qū)域周圍的反應(yīng)，并且改善反應(yīng)時間和類似情況。
[0074] 圖11顯示用于單一的微懸臂測試帶的設(shè)計中的沉積位點的設(shè)計的進一步選擇。 它們同樣可以被用于其他的微傳感器類型/構(gòu)造。設(shè)計1到5是分別具有三個溝槽和兩個 圍欄的多溝槽/圍欄設(shè)計。再次，由此圖中可以看到可以使用不同形狀的整體的沉積位點 (即，島和各自的溝槽/圍欄）。例如，設(shè)計1是圓滑的矩形，設(shè)計2是圓滑的正方形，設(shè)計 3是更加圓滑的正方形，設(shè)計4是長形的圓形，設(shè)計5是圓形。設(shè)計6包括僅兩個溝槽和一 個圍欄。
[0075] 許多方法可用來在基材上創(chuàng)造圖案，但是使用光刻印刷、沖壓和等離子蝕刻的微 加工是形成島和一個或多個溝槽（圍欄）的所有特別的可復(fù)制的方法。它們還特別適用于 由單片集成傳感器和沉積位點形成的測試傳感器帶的大量制造。制造該設(shè)計的替代方法可 以包括，但不限于：光可定義的聚合物、聚合物的激光蝕刻、聚合物印跡/沖壓、微機械和等 同的方法。
[0076] 本發(fā)明的示例實施方案包括形成測試帶的方法和所得的測試帶本身，該測試帶可 以提供以下益處：
[0077] 均勻性-圖案化的沉積位點迫使沉積體積（試劑的或其他流體的）進入到界定的 區(qū)域。沉積的區(qū)域均勻性因此被控制，而不管從測試帶到測試帶的表面親水性或疏水性，和 /或在使用或制造期間周圍環(huán)境的相對濕度的變化。這意味著從測試帶到測試帶，沉積的化 學(xué)品被正確地并準(zhǔn)確地放置，并且在區(qū)域中幾乎相同，以使得它可以在相似的時間尺度下 并以相同的濃度更加可重復(fù)地被吸收到被測流體中。
[0078] 位置-圖案結(jié)構(gòu)鎖定沉積的化學(xué)品進入到界限分明的位置的位置，這在使用用于 遏制例如，被引入到被測流體中的試劑的沉積位點的微流體系統(tǒng)中是特別有利的，以使得 測試帶能夠檢測被測流體-試劑反應(yīng)的不同參數(shù)，該反應(yīng)可能至少部分受限于試劑進入到 被測流體中的擴散速度。減少試劑化學(xué)品沉積物的位置的變化可以減少在各自的測試帶上 形成的傳感器對緊鄰的物理變化的響應(yīng)時間的變化。沉積的化學(xué)品位置的減少的變化確保 與被測流體接觸的化學(xué)品的有效量的更低的變化，其中被測流體通過與微傳感器基材對齊 的第二組件被引導(dǎo)。
[0079] 形狀-表面圖案結(jié)構(gòu)能夠被創(chuàng)造以故意引導(dǎo)沉積的化學(xué)品進入到預(yù)先確定的形 狀中（這對所使用的測試是有利的）和/或進入到通過單獨沉積無法獲得的被限制的區(qū) 域，例如，如圖10中看到的包圍的形狀，其能夠提高基于微懸臂的微傳感器的靈敏的區(qū)域 周圍的反應(yīng)強度。
[0080] 單片架構(gòu)-其中被用在測試帶上的特別的傳感器可以至少部分地由如測試帶相 同的基材材料形成（例如，當(dāng)使用由具有不同的膨脹系數(shù)的聚合物形成的一個或多個微懸 臂傳感器時，其通過熱基致動器被激活并且使用運動傳感器，諸如壓阻或壓電材料檢測所 得的運動），該圖案結(jié)構(gòu)可以在相同材料中/上并且作為如用來形成傳感器的相同方法的 一部分進行，因此顯著地降低復(fù)雜性并消除額外的生產(chǎn)問題和費用。相同效果也可以在為 了創(chuàng)造圖案化沉積位點而特定添加的材料層中達到，但是單片溶液的簡單性使得它更有利 于在相同方法中生產(chǎn)測試傳感器和沉積位點兩者。
[0081] 表面處理-上述描述的沉積位點圖案結(jié)構(gòu)可以在測試帶基材材料，諸如聚合物上 進行，該聚合物適用于表面處理以得到它的多種親水的或疏水的表面性質(zhì)。圖案化沉積位 點可以防止依賴通常會被看作在非圖案化的表面上的沉積物的大小和均勻性的變化的表 面處理確定（試劑）沉積物的最終表面積。這是說，本發(fā)明的示例實施方案允許待使用的 測試帶基材材料的任何類型的表面處理（或表面處理的可變性），同時還提供均勻的沉積 面積。圖案化沉積位點的面積可以被選擇以最適應(yīng)期望被看作的表面材料的接觸角的相關(guān) 范圍、待使用的沉積的試劑/流體的體積、或因此被使用的特定的表面處理。
[0082] 生產(chǎn)效率-圖案化沉積位點可以確保在傳感器測試帶上的（試劑）化學(xué)品沉積物 能夠快速進行，并且甚至用具有沉積的較低準(zhǔn)確度的試劑化學(xué)品流體沉積設(shè)備進行（即， 用來創(chuàng)造測試帶的流體沉積設(shè)備不需要太準(zhǔn)確，因為沉積位點控制最終結(jié)果的形狀）。與沒 有根據(jù)本發(fā)明的示例實施例的沉積位點構(gòu)造相比，根據(jù)本發(fā)明的示例實施例的沉積位點構(gòu) 造能夠更加容忍與所期望的位置的中心的沉積化學(xué)品的偏差。
[0083] 通過將濕的化學(xué)品的受控的沉積物提供到平坦的表面上，創(chuàng)造例如，具有在微流 體環(huán)境中適當(dāng)準(zhǔn)確地沉積的化學(xué)品的、具有形成在其上的功能性流體傳感器（例如，MEMS 式懸臂流體探針）的改善的傳感器測試芯片是可能的。這是因為這樣的微流體傳感器測試 芯片的完整的功能性系統(tǒng)的性能可以高度取決于（試劑）化學(xué)品沉積物，并且除了它的化 學(xué)組成之外，物理方面（大小、位置、面積）的控制可能在獲得可重復(fù)的結(jié)果中是關(guān)鍵的。 [0084] 多個沉積位點能夠被用來允許，例如多個流體鄰近（一個或多個）傳感器被沉積 在單獨的、但緊密間隔的沉積位點上，因此允許在被測流體充滿微傳感器測試帶后化學(xué)品 的混合發(fā)生。這可能對化學(xué)品是特別有利的，其中直到測試開始為止對防止組分混合是有 利的。
[0085] 此外，隨著另一個帶狀元件的添加，具有多個沉積位點的多個傳感器稍后被分成 單獨的室。
[0086] 雖然，前文已在用于微流體測試傳感器的試劑沉積方面進行描述，但它也被用于 流體要求準(zhǔn)確沉積在基材上的任何其他條件中。
[0087] 在測試帶上形成沉積位點所描述的方法也可以實施為計算機程序，該計算機程序 用于在控制測試帶的制造過程的計算機系統(tǒng)上運行，至少包括可執(zhí)行的代碼部分，當(dāng)運行 可編程的生產(chǎn)控制裝置，諸如測試傳感器生產(chǎn)設(shè)備時，該可執(zhí)行的代碼部分用于執(zhí)行根據(jù) 本發(fā)明的實施方案的任一方法的步驟。
[0088] 計算機程序可以由一系列可執(zhí)行的指示，諸如特定應(yīng)用程序和/或操作系統(tǒng)構(gòu) 成。該計算機程序可以例如包括以下的一種或多種：子程序、函數(shù)、程序、對象方法、對象實 現(xiàn)、可執(zhí)行應(yīng)用程序、支程序、小服務(wù)程序、源代碼、目標(biāo)代碼、共享庫/動態(tài)加載庫和/或用 于在適當(dāng)?shù)挠嬎銠C系統(tǒng)上執(zhí)行的設(shè)計指令的其他序列。
[0089] 計算機程序可以被內(nèi)部存儲在計算機可讀存儲介質(zhì)上或經(jīng)由計算機可讀傳輸介 質(zhì)傳送到計算機系統(tǒng)。全部或部分計算機程序可以被永久地，可移除地或遠程地提供在計 算機可讀介質(zhì)上，該計算機可讀介質(zhì)結(jié)合于可編程裝置，諸如信息處理系統(tǒng)。計算機可讀 介質(zhì)可以包括，例如并且不限于以下的任何一種或多種：包括磁盤和磁帶存儲介質(zhì)的磁存 儲介質(zhì)；光存儲介質(zhì)，諸如光盤介質(zhì)（例如，CD-ROM、CD-R、藍光等）數(shù)字視頻盤存儲介質(zhì) (DVD、DVD-R、DVD-RW等）或高密度光介質(zhì)（例如，藍光等）；非易失性存儲器的存儲介質(zhì)， 其包括基于半導(dǎo)體的存儲器單元，諸如閃存存儲器、EEPROM、EPROM、ROM ;鐵磁數(shù)字存儲器； MRAM ;易失性存儲介質(zhì)，其包括寄存器、緩沖器或高速緩存、主存儲器、RAM、DRAM、DDR RAM 等；以及數(shù)據(jù)傳輸介質(zhì)，其包括計算機網(wǎng)絡(luò)、點對點通信設(shè)備、和載波傳輸介質(zhì)以及類似物。 本發(fā)明的實施方案不限于所使用的計算機可讀介質(zhì)的形式。
[0090] 在前面的說明書中，參照本發(fā)明的實施方案的具體示例，已描述本發(fā)明。然而，將 明顯的，在不脫離如在所附的權(quán)利要求中闡明的本發(fā)明的更寬范圍內(nèi)，可以在其中做出各 種修改和改變。
[0091] 又例如，示例或其部分，可以以物理電路的軟件或代碼表示或轉(zhuǎn)換成諸如在任何 合適類型的硬件描述語言中的物理電路的邏輯表示的軟件或代碼表示來實施，其用于在控 制制造具有受控沉積位點的測試帶或類似物中使用。
[0092] 然而，其他的修改、變型和替換也是可能的。因此，說明書和附圖被認為是說明性 的而非限制性的意義。
[0093] 除非另有說明，如矛盾的或物理學(xué)或其他的實施方案防止這樣的組合，下列權(quán)利 要求的特征可以以任何合適的和有利的安排被整合到一起。這就是說，特征的組合不受列 出的特定權(quán)利要求的形式，特別地從屬權(quán)利要求的形式所限制。
【權(quán)利要求】
1. 一種流體測試帶，包括： 微傳感器，其在基材表面上形成；以及 試劑沉積位點，其在所述基材表面上形成，其可操作地控制試劑沉積物的大小和位置。
2. 如權(quán)利要求1所述的流體測試帶，其中所述沉積位點包括中心島部分，所述中心島 部分由不存在的表面材料的一部分環(huán)狀圍繞。
3. 如權(quán)利要求1或2所述的流體測試帶，其中所述試劑沉積位點鄰近所述微傳感器形 成。
4. 如任一前述權(quán)利要求所述的流體測試帶，其中所述試劑沉積位點以對所述微傳感器 的操作有利的預(yù)先確定的形狀形成。
5. 如權(quán)利要求4所述的流體測試帶，其中所述預(yù)先確定的形狀包括可操作地包圍所述 微傳感器的至少一部分的形狀。
6. 如權(quán)利要求4或5所述的流體測試帶，其中所述微傳感器包括微懸臂，并且所述預(yù)先 確定的形狀包括包圍所述微懸臂的靈敏端的一部分。
7. 如任一前述權(quán)利要求所述的流體測試帶，其中不存在的表面材料的一部分包括溝 槽。
8. 如任一前述權(quán)利要求所述的流體測試帶，還包括至少一個圍欄，其中圍欄包括環(huán)狀 圍繞不存在的表面材料的一部分的所述表面材料的一部分。
9. 如權(quán)利要求8所述的流體測試帶，其中所述至少一個圍欄包括多個溝槽和圍欄，所 述多個溝槽和圍欄每個的數(shù)目在1到3的范圍內(nèi)。
10. 如權(quán)利要求2所述的流體測試帶，其中所述至少一個溝槽包括在一個和三個之間 的溝槽，并且所述至少一個圍欄包括在一個和三個之間的圍欄。
11. 如任一前述權(quán)利要求所述的流體測試帶，其中所述微傳感器是至少一種基于微懸 臂的傳感器，其可操作地檢測被測流體由于所述被測流體與沉積在所述沉積位點中的一種 或多種試劑之間的反應(yīng)而引起的變化。
12. 如任一前述權(quán)利要求所述的流體測試帶，其中所述試劑沉積位點包括固定的面積。
13. 如權(quán)利要求12所述的流體測試帶，其中任何溝槽和/或圍欄構(gòu)成多達總沉積面積 的 40%。
14. 如任一前述權(quán)利要求所述的流體測試帶，其中所述沉積位點取決于以下的一種或 多種來形成： 所述表面材料的接觸角； 沉積的試劑流體的體積； 所述表面材料的親水性； 所述表面材料的疏水性； 所述表面材料的表面能； 所述表面材料的表面處理。
15. 如任一前述權(quán)利要求所述的流體測試帶，還包括在一個或多個微傳感器附近的多 個沉積位點。
16. -種形成流體測試帶的方法，包括： 在基材表面上形成微傳感器；并且 在所述基材表面上形成試劑沉積位點，所述試劑沉積位點可操作地控制試劑沉積物的 大小和位置。
17. 如權(quán)利要求15所述的方法，還包括形成所述沉積位點以具有由不存在的表面材料 的一部分環(huán)狀圍繞的中心島部分。
18. 如權(quán)利要求15或16所述的方法，還包括形成鄰近所述微傳感器的所述試劑沉積位 點。
19. 如權(quán)利要求15至17中任一項所述的方法，還包括以有利于所述微傳感器對特定測 試的響應(yīng)的預(yù)先確定的形狀形成所述試劑沉積位點。
20. 如權(quán)利要求18所述的方法，其中所述預(yù)先確定的形狀包括可操作地包圍所述微傳 感器的至少一部分的形狀。
21. 如權(quán)利要求18或19所述的方法，其中所述微傳感器包括微懸臂，并且所述預(yù)先確 定的形狀包括包圍所述微懸臂的靈敏端的一部分。
22. 如任一前述權(quán)利要求所述的方法，其中不存在的表面材料的一部分包括溝槽。
23. 如任一前述權(quán)利要求所述的方法，還包括形成至少一個圍欄，其中圍欄包括環(huán)狀圍 繞不存在的表面材料的一部分的所述表面材料的一部分。
24. 如權(quán)利要求22所述的方法，其中所述至少一個圍欄包括多個溝槽和圍欄，所述多 個溝槽和圍欄每個的數(shù)目在1到3的范圍內(nèi)。
25. 如權(quán)利要求16所述的方法，其中所述至少一個溝槽包括在一個和三個之間的溝 槽，并且所述至少一個圍欄包括在一個和三個之間的圍欄。
26. 如任一前述權(quán)利要求所述的方法，其中所述微傳感器是至少一種基于微懸臂的傳 感器，其可操作地檢測被測流體由于所述被測流體與沉積在所述沉積位點上和遏制在所述 沉積位點中的一種或多種試劑之間的反應(yīng)而引起的變化。
27. 如任一前述權(quán)利要求所述的方法，其中所述試劑沉積位點包括固定的面積。
28. 如權(quán)利要求26所述的方法，其中任何溝槽和/或圍欄的總面積構(gòu)成總沉積面積的 10%和40%之間。
29. 如任一前述權(quán)利要求所述的流體測試帶，其中所述沉積位點取決于以下的一種或 多種來形成： 所述表面材料的接觸角； 沉積的試劑流體的體積； 所述表面材料的親水性； 所述表面材料的疏水性； 所述表面材料的表面能； 所述表面材料的表面處理。
30. -種被設(shè)置成實施方法權(quán)利要求15至28中任一項的測試帶制造裝置。
31. -種計算機可讀介質(zhì)，包括指令，當(dāng)所述指令由處理器執(zhí)行時使所述處理器實施方 法權(quán)利要求15至28中任一項所述的方法。
【文檔編號】G01N33/543GK104160275SQ201380009684
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2013年2月15日 優(yōu)先權(quán)日:2012年2月16日
【發(fā)明者】羅伯特·伊博森, V·賈科夫, 理查德·杜恩 申請人:麥克羅威斯克有限公司