面向微流控应用的3D打印流量传感器

原创 MEMS 2023-12-20 00:01

微流控系统的运行流速很低，通常小于1毫升/分钟。虽然这一特性显著减少了生物样品和试剂的消耗量，并且有助于在微流控系统内形成高度有序的层流剖面，但也使利用传统流量传感系统监测流量变得极具挑战。这些挑战推动了各种面向极低流速测量的流量传感器的开发。

据麦姆斯咨询介绍，流量传感器可以分为主动式和被动式两类。主动式流量传感器使用外部能量来测量流量。最常见的市售主动式流量传感技术包括热式流量传感器和科里奥利流量传感器。热式流传感器基于对流加热原理，通常包含一个加热元件和两个温度传感器。加热元件注入的热量导致附近流体介质温度上升，再由温度传感器测量。当介质流速提高，介质带走的热量增多，两个温度传感器的温度差将随介质的流速变化而变化，根据温度差与介质流速的比例关系，可得出流体的流量。

近年来，已开发出利用瞬态热偏移方法的单元件热流传感器，其中金属结构同时用作加热元件和温度传感器。热式流量传感器没有运动元件，因此不会对附近流体介质产生额外的机械应力（如剪切应力），这在处理机械敏感样本（如人类血液）时很重要。不过，在系统中增加热量可能会破坏样品中的热敏蛋白。另外，热式流量传感器能够测量动态流速，但由于水性溶液的高比热容，它们的响应时间可能会受到限制。

科里奥利流量传感器的工作原理是科里奥利效应（Coriolis effect），意味着在旋转系统中运动的质量会受到垂直于其运动方向和系统旋转轴的力。科里奥利流量传感器采用U形管，通过磁线圈以其谐振频率振荡。当液体运动穿过振荡管时，它会受到与其质量流量成比例的科里奥利力。在管入口臂中感应的科里奥利力与在管出口臂中感应的力相反。从而导致管扭曲，然后通过连接到管上的灵敏运动传感器进行测量。科里奥利流量传感器高度精确，不受流体特性影响。不过，由于采用了振荡管的执行器以及传感器，它们可能相对比较昂贵。此外，管振荡会对机械敏感细胞施加不必要的机械应力。

被动式流量传感器不需要外部能量来测量流量。最常见的被动式流量传感器包括基于重力和悬臂的流量传感器。重力流量传感器通过测量储液器中收集的液体质量随时间的波动来确定流量。这些传感器可以非常精确，但是需要大尺寸设备，并且数据采集速率较低。

悬臂流量传感器通过测量嵌入流体结构中悬臂的偏转来获取流量信息。悬臂的偏转由与流量成比例的粘性阻力引起，通常利用连接悬臂底部的压电电阻器进行测量。悬臂流量传感器响应速度快，但需要复杂且耗时的制造过程，并且可能容易结垢。

近期还开发了基于应变的流量传感器，将柔性聚烯烃膜结合到微流控通道中。流体运动引起的压力导致聚烯烃膜应变，改变了其电阻，基于该原理可以进行流量测量。

对于含有高密度悬浮颗粒或细胞的流体，粒子图像测速技术（PIV）及激光多普勒测速技术（LDV）已被用于监测流量。PIV通过跟踪微流控结构中的颗粒来测量流速，并广泛用于流体可视化。高速相机结合连续波激光器可以测量高瞬态流量。尽管它具有高精度并能绘制3D流量场，但它需要昂贵的光学设备，包括配备相机和脉冲激光源的倒置显微镜。此外，分析数据的过程也很耗时。

LDV利用相干偏振激光束和光电探测器来测量运动颗粒散射光的频移。其频移由多普勒效应引起，与颗粒的速度成正比。这种方法也已用于通过流动气泡或液滴产生的衍射光栅来测量无颗粒/细胞流体的流量。LDV能够对流速进行局部和瞬时测量。然而，尽管已经尝试将这项技术小型化，但它还是需要相当昂贵的光学设备。

3D打印技术的空前发展和全球广泛应用，推动了其在分辨率、质量、油墨和耗材多样性等方面的快速进步，并大幅降低了成本。这些进步使定制化微流控结构的快速原型设计成为可能。3D打印技术实现了构建复杂结构的高精度和三维自由度，有助于制造或集成市售传感器以提供流量传感功能。3D打印技术预计将推动流量传感器在微流控中的广泛应用。

研究人员基于3D打印技术开发的流量传感器，1）微流控管；2）两个压力传感器；3）3D打印外壳；4）印刷电路板。

澳大利亚皇家墨尔本理工大学（RMIT University）开发了一种应用于微流控系统的流量传感器。该流量传感器利用了安装在3D打印微流控管上的两个微型商用压力传感器，基于两个传感器之间产生的粘性压降来测量流量。通过改变微流控管直径，可以调节流量传感器的工作范围。研究人员证明该流量传感器适用于由注射器、压电泵和压力泵驱动的恒定及动态流量测量，并针对水、水-甘油溶液和人体血液对该流量传感器进行了表征。凭借该传感器的灵敏度，研究人员测量了人体血液在生理和室温下的粘度。研究人员还展示了利用该流量传感器监测手动移液管产生的瞬时流量。实验证明，该流量传感器结构紧凑、成本低、响应速度快，且没有运动元件，能够很容易地进行定制、连接和操作。这些特性使其在微流控系统中具有广泛的应用前景。

流量传感器的制造过程：（a）PCB组件制造；（b）3D打印外壳和微流控结构；（c）在半圆形屏障上构建图案化微槽，以便于气泡的排出；（d）组装；（e）组装后的3D打印流量传感器。