微流控反馈控制系统三大元件——微流量传感器

微流传感器概述

微流量传感器是控制微流控系统中流体流量的另一个重要组件。微流传感器与控制回路中的微阀和微泵相辅相成。

先进微流体系统的功能取决于对流速的精确监测和控制，例如监测微流体生物反应器和片上器官装置中循环细胞培养基的流速。

流速直接影响生物反应器中培养细胞的流动剪切应力，以及向细胞输送氧气和营养物质的情况。对于此类应用，微流量传感器应具有强大的性能，可持续进行现场测量，并易于集成到微流控芯片中。

由于流量测量是测量技术的经典领域，其传感原理几乎涵盖了所有物理学领域。与其他微流体元件类似，设计微流量传感器的第一种方法也是遵循传统概念，这些概念很容易在大规模应用中找到。

由于几何尺寸小，微流传感器的最大优点是能耗低、设备占地面积小，并且能够测量非常小的流速，从纳升/分钟到微升/分钟不等。微流量传感器的性能取决于工作动态范围、灵敏度、响应时间、功耗、生物相容性和化学相容性等因素。

基本上所有的物理效应都与温度有关。由于热传递伴随着流体流动的质量传递，因此基于热原理的流量传感器最为常见。

热传感器广泛应用于检测领域，硅技术的发展也使得热式传感器更易于制造，基于硅技术已经开发出了很多代表性产品。

微流量传感器分为非热式和热式流量传感器。微机械加工的非热式或机械式流量传感器主要基于以下原理：微通道或微孔中的压差、阻力、升力、科里奥利力和电流体力学。

热式流量传感器可分为热膜/热丝传感器、热量计传感器和飞行时间传感器。每种类型又可按其热感应原理分为热阻式、热电容式、热电式和热释电式。

非热式流量传感器

压阻力流量传感器

压差、阻力、升力等非热式流量传感器工作原理基本相同，都是利用某些材料中的压阻效应来测量力或压力的装置。这些传感器通常由硅等柔性材料制成，包含压敏电阻——其电阻随机械变形而变化的元件。

当传感器受到外部施加力时，柔性材料会产生变形，导致传感器内部的压敏电阻器的电阻发生变化。这种电阻值的变化可以转换为相应的电信号，通过测量电信号的变化实现精确的力或压力测量，从而测量出流体的流速。

科里奥利流量传感器

在没有流体流经流量管时，流量管由安装在流量管端部的电磁驱动线圈驱动，其振幅小于1mm，频率约为80Hz，流体流入流量管时被强制接受流量管的上下垂直运动。

在流量管向上振动的半个周期内，流体反抗管子向上运动而对流量管施加一个向下的力；反之，流出流量管的流体对流量管施加一个向上的力以反抗管子向下运动而使其垂直动量减少。

这便导致流量管产生扭曲，在振动的另外半个周期，流量管向下振动，扭曲方向则相反，这一扭曲现象被称之为科里奥利(Coriolis)现象，即科氏力。

科氏力质量流量计的发明是科技界苦苦求索的结果，它不但具有准确性、重复性、稳定性，而且在流体通道内没有阻流元件和可动部件，因而其可靠性好，使用寿命长，还能测量高粘度流体和高压气体的流量。它的问世带来了流体测量技术的一次深刻变革，被誉为是21世纪的主流流量计。

电流体动力流量传感器

电流体动力学流量传感器其原理基于电流体动力学现象。这种传感器通过施加电场来控制流体，并利用流体的运动特性来确定流速。这类传感器通常包括电极和流体通道。

当电场作用于流体时，电场与流体中的电荷相互作用，从而导致流体运动。通过测量流体运动的参数，如速度或位移，传感器可以确定流体的流速。

此类传感器已经应用于多个领域，例如微流体系统中的生物样品流动监测、液体流速测量以及研究电场与流体相互作用的基本原理。

热流量传感器

机械传感器将流动能量直接转换为力和压力等机械变量。压敏电阻等传感器将机械变量转换为电信号。相比之下，热式流量传感器通过热传递将流量能间接转换为电信号。由于结构和电子原理简单，热传感器可以很容易地集成到微加工制造工艺中。

热流传感器通常由一个加热器和一个或多个温度传感器组成。通过测量加热功率或加热器温度并反馈到加热电流，可将加热器控制在两种模式下：恒定加热功率和恒定加热器温度。

通过测量加热功率、加热器温度、流体温度和热脉冲飞行时间来评估流速。热流量传感器的三种类型：热丝（热膜）型、热量计型和飞行时间型。

热丝（热膜）传感器

热丝传感器，也称为热膜传感器，是一种常用于测量流体流速的传感器。它利用热传感器件（通常是细长的热丝或热膜）来测量流体通过时的温度变化，从而推断流体的流速。

工作原理是，当流体流过热线传感器时，传感器的热丝或热膜受到流体的冷却作用，导致温度降低。根据流体流速的不同，冷却速率也会不同。通过测量传感器的温度变化，可以推断出流体的速度。

热线传感器通常用于测量气体或液体的流速，并广泛应用于工业流体流量测量、气体流量控制和液体流速监测等领域

热量计传感器

热量计传感器用于测量加热器周围温度分布的不对称性，这种温度分布受流体流量的调节。在零流动的情况下，温度曲线是对称的。当存在从右向左的流动时，温度场变得不对称。上下游的两个温度传感器可以测量这种不对称性，从而测量出流速。

飞行时间传感器

飞行时间传感器（TOF）是一种测量物体到传感器之间距离的技术。它通过发送光脉冲并测量光信号从传感器发送到目标并返回的时间来确定距离。TOF传感器通常使用激光或红外光源来发送光脉冲，并利用光接收器来接收返回的光信号。

工作原理是，传感器发送一个光脉冲，然后记录光脉冲发送和返回之间的时间差。由于光在真空中传播的速度是已知的，因此可以利用时间差来计算出信号传播的时间，从而确定物体到传感器的距离。

总结

微流量传感器与微阀和微泵一起构成了流体输送的反馈控制系统。由于微技术实现的大多数流量传感器都基于热原理，因此将微流量传感器分为非热型和热型两种。大多数非热式流量传感器基于流体流动引起的压力或力变化。这些流量传感器的设计可以简化为压力传感器或力传感器的设计。热式流量传感器又分为热膜/热丝传感器、热量计传感器和飞行时间传感器。所有这些类型都基于受热体与流体之间的热传递。热传感器的设计通常与温度传感器的设计有关。热阻效应、热电容效应、热电效应、热电子效应和热释电效应等物理现象可用于将温度或温差转换为电信号。热应力会改变机械结构的共振频率，因此也可用于探测温度。