面向微流控應用的3D打印流量傳感器

微流控系統的運行流速很低，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內形成高度有序的層流剖面，但也使利用傳統流量傳感系統監測流量變得極具挑戰。這些挑戰推動了各種面向極低流速測量的流量傳感器的開發。

據麥姆斯咨詢介紹，流量傳感器可以分為主動式和被動式兩類。主動式流量傳感器使用外部能量來測量流量。最常見的市售主動式流量傳感技術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流加熱原理，通常包含一個加熱元件和兩個溫度傳感器。加熱元件注入的熱量導致附近流體介質溫度上升，再由溫度傳感器測量。當介質流速提高，介質帶走的熱量增多，兩個溫度傳感器的溫度差將隨介質的流速變化而變化，根據溫度差與介質流速的比例關系，可得出流體的流量。

近年來，已開發出利用瞬態熱偏移方法的單元件熱流傳感器，其中金屬結構同時用作加熱元件和溫度傳感器。熱式流量傳感器沒有運動元件，因此不會對附近流體介質產生額外的機械應力（如剪切應力），這在處理機械敏感樣本（如人類血液）時很重要。不過，在系統中增加熱量可能會破壞樣品中的熱敏蛋白。另外，熱式流量傳感器能夠測量動態流速，但由于水性溶液的高比熱容，它們的響應時間可能會受到限制。

科里奧利流量傳感器的工作原理是科里奧利效應（Coriolis effect），意味著在旋轉系統中運動的質量會受到垂直于其運動方向和系統旋轉軸的力。科里奧利流量傳感器采用U形管，通過磁線圈以其諧振頻率振蕩。當液體運動穿過振蕩管時，它會受到與其質量流量成比例的科里奧利力。在管入口臂中感應的科里奧利力與在管出口臂中感應的力相反。從而導致管扭曲，然后通過連接到管上的靈敏運動傳感器進行測量。科里奧利流量傳感器高度精確，不受流體特性影響。不過，由于采用了振蕩管的執行器以及傳感器，它們可能相對比較昂貴。此外，管振蕩會對機械敏感細胞施加不必要的機械應力。

被動式流量傳感器不需要外部能量來測量流量。最常見的被動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量儲液器中收集的液體質量隨時間的波動來確定流量。這些傳感器可以非常精確，但是需要大尺寸設備，并且數據采集速率較低。

懸臂流量傳感器通過測量嵌入流體結構中懸臂的偏轉來獲取流量信息。懸臂的偏轉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行測量。懸臂流量傳感器響應速度快，但需要復雜且耗時的制造過程，并且可能容易結垢。

近期還開發了基于應變的流量傳感器，將柔性聚烯烴膜結合到微流控通道中。流體運動引起的壓力導致聚烯烴膜應變，改變了其電阻，基于該原理可以進行流量測量。

對于含有高密度懸浮顆粒或細胞的流體，粒子圖像測速技術（PIV）及激光多普勒測速技術（LDV）已被用于監測流量。PIV通過跟蹤微流控結構中的顆粒來測量流速，并廣泛用于流體可視化。高速相機結合連續波激光器可以測量高瞬態流量。盡管它具有高精度并能繪制3D流量場，但它需要昂貴的光學設備，包括配備相機和脈沖激光源的倒置顯微鏡。此外，分析數據的過程也很耗時。

LDV利用相干偏振激光束和光電探測器來測量運動顆粒散射光的頻移。其頻移由多普勒效應引起，與顆粒的速度成正比。這種方法也已用于通過流動氣泡或液滴產生的衍射光柵來測量無顆粒/細胞流體的流量。LDV能夠對流速進行局部和瞬時測量。然而，盡管已經嘗試將這項技術小型化，但它還是需要相當昂貴的光學設備。

3D打印技術的空前發展和全球廣泛應用，推動了其在分辨率、質量、油墨和耗材多樣性等方面的快速進步，并大幅降低了成本。這些進步使定制化微流控結構的快速原型設計成為可能。3D打印技術實現了構建復雜結構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打印技術預計將推動流量傳感器在微流控中的廣泛應用。

研究人員基于3D打印技術開發的流量傳感器，1）微流控管；2）兩個壓力傳感器；3）3D打印外殼；4）印刷電路板。

澳大利亞皇家墨爾本理工大學（RMIT University）開發了一種應用于微流控系統的流量傳感器。該流量傳感器利用了安裝在3D打印微流控管上的兩個微型商用壓力傳感器，基于兩個傳感器之間產生的粘性壓降來測量流量。通過改變微流控管直徑，可以調節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、壓電泵和壓力泵驅動的恒定及動態流量測量，并針對水、水-甘油溶液和人體血液對該流量傳感器進行了表征。憑借該傳感器的靈敏度，研究人員測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測手動移液管產生的瞬時流量。實驗證明，該流量傳感器結構緊湊、成本低、響應速度快，且沒有運動元件，能夠很容易地進行定制、連接和操作。這些特性使其在微流控系統中具有廣泛的應用前景。