上海維立勝衡傳感器有限公司
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閱讀：79發(fā)布時(shí)間：2025-2-27
澳大利亞墨爾本理工大學(xué)（RMIT University）開發(fā)了一種應(yīng)用于微流控系統(tǒng)的流量傳感器。該流量傳感器利用了安裝在3D打印微流控管上的兩個(gè)微型商用壓力傳感器，基于兩個(gè)傳感器之間產(chǎn)生的粘性壓降來測(cè)量流量。通過改變微流控管直徑，可以調(diào)節(jié)流量傳感器的工作范圍。研究人員證明該流量傳感器適用于由注射器、壓電泵和壓力泵驅(qū)動(dòng)的恒定及動(dòng)態(tài)流量測(cè)量，并針對(duì)水、水-甘油溶液和人體血液對(duì)該流量傳感器進(jìn)行了表征。憑借該傳感器的靈敏度，研究人員測(cè)量了人體血液在生理和室溫下的粘度。研究人員還展示了利用該流量傳感器監(jiān)測(cè)手動(dòng)移液管產(chǎn)生的瞬時(shí)流量。實(shí)驗(yàn)證明，該流量傳感器結(jié)構(gòu)緊湊、成本低、響應(yīng)速度快，且沒有運(yùn)動(dòng)元件，能夠很容易地進(jìn)行定制、連接和操作。這些特性使其在微流控系統(tǒng)中具有廣泛的應(yīng)用前景。
微流控系統(tǒng)的運(yùn)行流速很低，通常小于1毫升/分鐘。雖然這一特性顯著減少了生物樣品和試劑的消耗量，并且有助于在微流控系統(tǒng)內(nèi)形成高度有序的層流剖面，但也使利用傳統(tǒng)流量傳感系統(tǒng)監(jiān)測(cè)流量變得挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)推動(dòng)了各種面向極低流速測(cè)量的流量傳感器的開發(fā)。
流量傳感器可以分為主動(dòng)式和被動(dòng)式兩類。主動(dòng)式流量傳感器使用外部能量來測(cè)量流量。見的市售主動(dòng)式流量傳感技術(shù)包括熱式流量傳感器和科里奧利流量傳感器。熱式流傳感器基于對(duì)流加熱原理，通常包含一個(gè)加熱元件和兩個(gè)溫度傳感器。加熱元件注入的熱量導(dǎo)致附近流體介質(zhì)溫度上升，再由溫度傳感器測(cè)量。當(dāng)介質(zhì)流速提高，介質(zhì)帶走的熱量增多，兩個(gè)溫度傳感器的溫度差將隨介質(zhì)的流速變化而變化，根據(jù)溫度差與介質(zhì)流速的比例關(guān)系，可得出流體的流量。
近年來，已開發(fā)出利用瞬態(tài)熱偏移方法的單元件熱流傳感器，其中金屬結(jié)構(gòu)同時(shí)用作加熱元件和溫度傳感器。熱式流量傳感器沒有運(yùn)動(dòng)元件，因此不會(huì)對(duì)附近流體介質(zhì)產(chǎn)生額外的機(jī)械應(yīng)力（如剪切應(yīng)力），這在處理機(jī)械敏感樣本（如人類血液）時(shí)很重要。不過，在系統(tǒng)中增加熱量可能會(huì)破壞樣品中的熱敏蛋白。另外，熱式流量傳感器能夠測(cè)量動(dòng)態(tài)流速，但由于水性溶液的高比熱容，它們的響應(yīng)時(shí)間可能會(huì)受到限制。
被動(dòng)式流量傳感器不需要外部能量來測(cè)量流量。見的被動(dòng)式流量傳感器包括基于重力和懸臂的流量傳感器。重力流量傳感器通過測(cè)量?jī)?chǔ)液器中收集的液體質(zhì)量隨時(shí)間的波動(dòng)來確定流量。這些傳感器可以非常精確，但是需要大尺寸設(shè)備，并且數(shù)據(jù)采集速率較低。
懸臂流量傳感器通過測(cè)量嵌入流體結(jié)構(gòu)中懸臂的偏轉(zhuǎn)來獲取流量信息。懸臂的偏轉(zhuǎn)由與流量成比例的粘性阻力引起，通常利用連接懸臂底部的壓電電阻器進(jìn)行測(cè)量。懸臂流量傳感器響應(yīng)速度快，但需要復(fù)雜且耗時(shí)的制造過程，并且可能容易結(jié)垢。
近期還開發(fā)了基于應(yīng)變的流量傳感器，將柔性聚烯烴膜結(jié)合到微流控通道中。流體運(yùn)動(dòng)引起的壓力導(dǎo)致聚烯烴膜應(yīng)變，改變了其電阻，基于該原理可以進(jìn)行流量測(cè)量。
對(duì)于含有高密度懸浮顆?；蚣?xì)胞的流體，粒子圖像測(cè)速技術(shù)（PIV）及激光多普勒測(cè)速技術(shù)（LDV）已被用于監(jiān)測(cè)流量。PIV通過跟蹤微流控結(jié)構(gòu)中的顆粒來測(cè)量流速，并廣泛用于流體可視化。高速相機(jī)結(jié)合連續(xù)波激光器可以測(cè)量高瞬態(tài)流量。盡管它具有高精度并能繪制3D流量場(chǎng)，但它需要昂貴的光學(xué)設(shè)備，包括配備相機(jī)和脈沖激光源的倒置顯微鏡。此外，分析數(shù)據(jù)的過程也很耗時(shí)。
LDV利用相干偏振激光束和光電探測(cè)器來測(cè)量運(yùn)動(dòng)顆粒散射光的頻移。其頻移由多普勒效應(yīng)引起，與顆粒的速度成正比。這種方法也已用于通過流動(dòng)氣泡或液滴產(chǎn)生的衍射光柵來測(cè)量無顆粒/細(xì)胞流體的流量。LDV能夠?qū)α魉龠M(jìn)行局部和瞬時(shí)測(cè)量。然而，盡管已經(jīng)嘗試將這項(xiàng)技術(shù)小型化，但它還是需要相當(dāng)昂貴的光學(xué)設(shè)備。
3D打印技術(shù)的發(fā)展和廣泛應(yīng)用，推動(dòng)了其在分辨率、質(zhì)量、油墨和耗材多樣性等方面的快速進(jìn)步，并大幅降低了成本。這些進(jìn)步使定制化微流控結(jié)構(gòu)的快速原型設(shè)計(jì)成為可能。3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)了構(gòu)建復(fù)雜結(jié)構(gòu)的高精度和三維自由度，有助于制造或集成市售傳感器以提供流量傳感功能。3D打印技術(shù)預(yù)計(jì)將推動(dòng)流量傳感器在微流控中的廣泛應(yīng)用。
該研究成果已經(jīng)以“A 3D printed flow sensor for microfluidic applications”為題發(fā)表于Sensors and Actuators:A.Physical期刊。論文鏈接https://doi.org/10.1016/j.sna.2023.114686
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