压力传感技术在微流控系统中的研究进展

卜倩倩, 胡伟频, 魏从从, 王 丹, 邱 云, 孙 晓

(北京京东方显示技术有限公司,北京 100176)

0 引 言

微流控系统是通过微通道(尺寸为数十到数百微米(μm))处理或操纵微小流体的微型系统,又被称为芯片实验室(lab on a chip)和微全分析系统(micro-total analytical system)。在微米尺寸的管道输送微量流体,通过控制和监测微通道内的流体流动,可以实现高密度集成微流芯片[1],功能材料[2,3],培养细胞和组织[4]等多种应用。压力传感可以实现微流体的精确监测和控制,是微流控系统的重要组成部分,在生物及医疗微流控应用中扮演着重要的角色。生物应用中,生物样本的聚集、分离,并转移到微流控系统的理想位置,均需要压力驱动[5],由于一般实验周期较长,实时监测压力可以很好地维护系统环境;在细胞行为研究中[6],准确的压力测量是施加机械力和监测意外事件发生的关键;心脏细胞培养则是利用外部压力传感器测量心脏细胞周围的压力,进而检测细胞形态学,收缩功能和基因表达的变化[7]。除生物应用外,压力传感在医疗微流控系统中也有着广泛的应用。如在眼压测试中的压力传感器可以实现青光眼检测[8,9];膀胱压力传感器[10]和心血管压力传感器[11]则被集成到人工晶体、支架或导管中,对各种临床参数进行24 h监测。在诸多微流控应用中,均需高性能的压力传感器,以实现预期的效果,因而,一个易于使用的压力测量平台非常有益于研究微尺度流动和实时监测实验室芯片的各种功能。常用的微流控芯片压力测量方案通常包括电学式与光学式两大类。

本文将对这两种类型的压力传感在微流控系统中的应用进行综述介绍,并对其发展趋势进行展望。

1 电学式压力传感

电学式压力传感器主要包括电容式[12～20]、电阻式[13,21～24]和压电薄膜式[25～27]3种传感类型。由于其测量方法与光学式压力传感相比更为简单,因而受到了广泛的关注与研究。电容式压力传感通过监测顶部和底层两个电极之间的间隙变化来监测信号变化,进而计算压力大小。电阻传感器则是通过测量膜偏转引起的电阻值变化来推算系统所受压力的大小。电学式压力传感器灵敏度高,空间分辨率好,且使用了阵列形式,因此,其在与微流控系统集成的方面很有应用前景。

1.1 电容式

电容式压力传感器的探测原理为:平行板电容器在压力下发生形变,而电容与上下电极板板距离成反比,因此,可根据电容变化来进行压力测试。

用于微流控系统的电容式压力传感器的主流技术是微机电系统(micro-electro-mechanical system,MEMS)技术，作为传感器微型化的热门技术,其具有体积小,质量好,成本低等优点。Habibi M等人[14]利用表面微机械加工法在玻璃基板上制作完成了电容式压力传感器阵列。该阵列由电平行的传感器单元组成,结构包括复合的SiO2-Cr-SiO2膜片和真空封闭的腔体,通过蚀刻铝牺牲层形成空腔。Sippola C B等人[15]提出了一种采用厚膜丝网印刷技术制作的陶瓷电容式压力传感器,由位于氧化铝基片上的底部电极和陶瓷膜片上的顶部电极组成。采用厚膜牺牲层创建腔体和膜片,制备的压力传感器灵敏度为9.2 fF/psi。Wang Q等人[16]采用硅融合键技术开发了一种触控式电容式压力传感器,其具有良好的线性度和过载保护功能。而Zhou M X等人[17]提出的带夹层结构的电容式压力传感器,采用三掩模过程和阳极键合,其传感器灵敏度为0.2 pF/kPa。

随着人们对高柔性可穿戴传感器的兴趣的迅速增加,许多应用领域,从人体健康监测到人造皮肤,应变和压力传感器等机械传感器已被广泛用于监测结构损坏,评估材料疲劳性能,并跟踪人体运动,这也进一步催生了柔性微流控压力传感器的发展。采用导电液体或金属离子与弹性体结合制作压力传感器近些年得到了广泛的研究[18～20]。柔性压力传感器使用弹性体和流体,在液体/固体之间的界面上创建一个可高度变形的纳米微电容器,以达到超高的灵敏度,相较于传统MEMS电容式压力传感器,其应用领域更为广泛。Yan J[21]制作了一种新型微流体电容式压力传感器,利用金属与离子液体介面的高单位面积电容,使不可预测的寄生电容、布朗噪声和电噪声最小化。与传统的小电容值电容式压力传感器不同,这种传感器通常需要芯片上的电路调节,因此,不必在传感器衬底上集成有源电路,即可实现数据的离散读出。其使用的室温离子液体是一种由阴离子和阳离子组成的湿稳定熔融盐,在室温下呈液态且导电,由于具有较大的电化学窗口,在电极和液体界面施加很大的电压仍可保持稳定状态,因而可提高传感器的电气信噪比(signal to noise ratio,SNR),制备的原型传感器的灵敏度为522.5 pF/mmHg。

1.2 电阻式

电阻式压力传感器随着“液态电子”概念引入而得到了快速发展。将“液态电子”,即导电液体嵌入弹性体微流道中,即可制作电阻式压力传感器。弹性体的变形会改变微通道的横截面积和长度,从而导致微流道内液体的电阻发生变化。所使用的弹性体多为聚二甲基硅氧烷(poly dimethylsiloxane,PDMS),可以很容易定义出微米级通道的压力测试能力。图1(a)为电阻式微流控压力传感器的结构模型,在两个弹性体薄膜的空隙内,填充导电液体。微柱阵列作为分离层,设置于两个可变形的薄膜中间。工作流体的选择以所需传感器的特性而定。当外部负载压力作用于薄膜之上,两个电极之间的微流体会发生变形,通过测试导电液体的电阻率变化即可探测到压力的大小。工作流体的筛选需仔细,以达到最佳阻抗变化和器件灵敏度。比如,低粘度流体有利于对外部刺激作出快速机械响应,具有低的迟滞效应,而低蒸汽压流体可以保证稳定的电导率和粘度不受环境因素(如湿度水平,工艺温度等)的持续影响。

基于液态金属的压力传感器在可穿戴电子、机器人技术、健康监测等领域有许多潜在的应用。Gao Y J等人[22]报道了一种基于嵌入式镓铟锡液态金属微通道的微流控电阻式压力传感器,其微流道宽度和高度均为70 μm;嵌入式等效惠斯通电桥由于可以产生切向和径向应变场,因而产生了0.083 5 kPa高敏感度输出电压的变化;此外,惠斯通电桥还提供了温度自动补偿功能,其温度允许操作范围为20～50 ℃。将其应用于PDMS腕带,能够实时进行脉冲监测;而一个带有多个嵌入式传感器的PDMS手套,在触摸或手持物体时,可以提供一个人手的全面触觉反馈。Li R Y[23]利用电阻式压力传感原理,制备了一种透明压力传感器薄膜,这种紧凑、柔性和透明封装的压力传感器可以实现0.45 kPa的超高分辨率,且响应时间在毫秒(ms)级别,比传统柔性传感器高至少1个数量级。另外,该传感器的制备过程与工业电容触摸屏和液晶显示器制造工艺兼容,进一步扩展了其应用范围。整个器件封装厚度为200 μm,光透过率大于80 %,具体的应用可以包括:表面拓扑学作图,动态血液压强监控等。Jung T[24]使用镓铟锡液态金属和电阻压力传感技术,利用软光刻技术将压力传感集成于微流控系统中,制备了一种基于薄膜的微流控压力传感器。测试结果表明该压力传感器可以对0～230 kPa的压力进行测试,各流体的粘度测量样品的剪切速率范围30～1 000/s。用商业粘度计对牛顿和非牛顿流体的结果进行评价,发现归一化差值分别为小于5.1 %和7.0 %。这种基于镓铟锡液态金属的电阻式压力传感器具有较高的线性度、重复性和稳定性,可以应用于各种微流体系统,用于长期监测。

1.3 压电薄膜式

常用于微流控系统的压电薄膜为高分子纳米复合材料。不同聚合物基材的选择可能会导致不同的压阻特性:硅橡胶质软,其掺杂的纳米复合材料的电阻随压力呈指数变化;聚酰亚胺由于涂覆工艺简单,易于制备,常作为薄膜式压力传感器的宿主材料,广泛应用于研究与生产过程中,特别是在微流控或实验室芯片领域。聚酰亚胺具有极优的化学、热和机械特性,但其良好的绝缘性能决定了其不适于直接应用于压电传感领域,可通过适当添加和分散导电因子至聚酰亚胺纳米材料中。常用的分散导电因子为碳纳米管,经碳纳米管修饰的聚酰亚胺纳米复合薄膜的导电率可以增加11个数量级以上。Gau C等人[25]提出了一种利用聚酰亚胺/CNT纳米复合材料作为压力传感器薄膜的新方法。以多壁碳纳米管为填料,采用原位聚合法制备的聚酰亚胺—碳纳米管(polyimide multi-wall nanotube,PI-MWNT)复合薄膜具有良好的线性压敏电阻特性。该传感器具有比多晶硅传感器更高的灵敏度,快速响应,且具有热稳定性,适用于大批量生产,可广泛应用于微流控系统或生物芯片中。利用PI-MWNT复合薄膜制备完成的传感器件截面图如图1(b)所示。具体的工艺流程为:首先,10 μm SU—8被旋转涂覆于基板,并图案化为压力传感隔膜。其上溅射铝金属层,并模塑成电路。金属层的使用是为了与PI-MWNTs形成欧姆接触。然后,40 μm厚SU—8层再次旋涂于衬底上,图案化为模具,以便PAA-MWNT溶液携带所需的MWNT进行填充。氮气环境下60 ℃干燥3 h,220 ℃固化3 h,形成PI-MWNT传感器。之后在其上旋转涂覆一层10μm的SU—8以覆盖 PI-MWNT传感器,50 μm SU—8再次涂覆以允许隔膜的压力运动。最后将硅片上的器件移动到低导热的耐热玻璃之上。

图1 二种电学式压力传感器结构

石墨烯是碳原子的二维蜂窝结构,具有优异的力学,电学和磁学特性。在外界应力下,单层石墨烯中碳原子间距增大,跃迁能量变低,从而导致电子费米速度减小,引起电导率变低,产生负的压电效应。而双层和多层的石墨烯在外界应力下不仅会拉长面内碳原子间距,石墨烯的层间距也会减小,从而导致层间碳原子跃迁能量增大,电导率增加。Inoue N等人[26]使用多层石墨烯薄片建立了一个无分支的微流控装置内联压力传感器,可作为传感元件将其转移至柔性微流控系统。此外,文献[12]报道了一种石墨烯压电薄膜,以实现全柔性应力传感器的制作。Jiao Y Y等人[27]将石墨烯、微流体金属和可伸缩弹性体引入微流控系统。将液态金属引入微流控系统中,可以实现器件内部的柔性配线,保证了整体结构设计的灵活性,降低传感器在石墨烯传感元件和金属线接触区域的压力相关机械故障的风险。开发的石墨烯型应变传感器可以实现弯曲结构的健康监测,以及跟踪人手腕的角度运动等功能。

2 光学式压力传感

光学式压力传感以其高灵敏度,稳定性好及与易于与微流控系统集成等优点而得到了广泛的研究,光学式压力传感包括利用波束偏转测量膜受力大小的光学杠杆类压力传感[28,29]、干涉传感[30～33]与流体界面成像传感[34～38]。

2.1 光学杠杆

光学杠杆是针对长度或位置差别很小的情况而进行的一种简单有效的测试方法，使用平行光源,通过对其被测表面变形引起的反射角变化进行测量比对，最早应用于原子力显微镜,对悬臂梁的微小运动进行检测[28]。将光学杠杆原理引入微流体系统进行压力测试,利用光学传感测量反射光的偏转,通过计算硅压力膜的变形量实现压力测量。图3为将光学杠杆应用于微流体系统的工作原理图。假设一个镜平面,在不施加压力的情况下,入射光的角度与反射光的角度相等。而在对膜施加压力后,膜层发生变形,固定的辐射源以相同的角度入射,入射光与反射光的角度会发生变化。图3展示了这种变形如何改变入射光和反射光的方向。假定光传感器与压力膜的距离很大,而反射角度的偏转很小,对于斜率很小的变化,激光沿传感器的位移变化几乎是线性的,这就意味着在给定的点上,光学传感器的输出随压力的施加呈线性变化。

图2 不施加压力与施加压力下,微流控系统中光传感器光路

Kohl M J等人[29]利用大量的蚀刻硅元件,将压力传感膜与微通道集成,并使用光学杠杆的方法进行了压力测试,薄膜的偏转由芯片外的光学系统检测。该传感器的灵敏度可以在微加工完成后进行调整,以允许在制备完成后进行传感器的器件优化。该系统已用于研究微通道的压降,并给出了实验结果的样本。研究表明,具有适当假设的标准模型能够准确地预测系统所受压力。

2.2 法布里—珀罗干涉

基于膜片的法布里—珀罗(Fabry-Pérot,FP)干涉型光纤压力传感器是一个典型的应用[30,31],在光纤的尖端制作一个微小的FP腔,通过重新反射的光束强度监测压力。常规的FP干涉仪由两个平行放置的玻璃板或石英板组成,为了提高其表面反射率,两块平面板的内表面镀有反射率极高的反射膜,同时,两块平面板需要精确地保持平行,平行度需达(1/20～1/100)光波长。同时在未镀膜表面形成1°～10°的小楔角,以避免其对镀膜表面反射光的干扰。可根据需要对两个平行板间距进行调节。FP干涉仪主要利用光的干涉测试微流道的变形量,进而确定压力大小。当入射波长确定时,两板之间的介质折射率也可以确定,当微流道管道受到压力发生变形时,两板间距发生变化,板间的折射角也相应发生变化,从而引起相位差的变化,导致干涉条纹强度即条纹亮暗发生变化。

F-T干涉型压力传感器为微流道压力的测定提供有效的方法。Wang W H等人[32]介绍了一种基于FP干涉原理的全硅微型光纤压力传感器。蚀刻的光纤尖端和硅薄膜片的端面形成了FP结构,对具有热氧化层的商业硅晶片进行蚀刻,制备出均匀的硅薄膜。薄膜被直接热粘合到光纤的端面,形成了法布里—珀罗腔。该压力传感器表现出良好的线性和滞后特性，并作为一种非侵入式压力传感器可以应用于各种类型微流控系统中。Song W Z等人[33]提出了一种基于成像方法测量液体压力的芯片级光射流干涉传感器,其剖面图如图2(a)所示。该芯片采用多层软光刻法制备而成,由一个气隙光学腔组成,光腔经由单色光照射,产生依赖于压力的干扰模式,通过对干涉图样的成像和分析来测量压力。另外,还采用了一种模式识别算法,大大简化了计算,提高了测量的可靠性。

2.3 压力敏感涂层

流动成像可以使流体(气体,液体)流动的物理过程可视化。对流动场进行作图在生物医学,化学和航天航空工业等许多工程领域是必要的。任何流量都可以由速度和压力场两个物理量定量化,颗粒成像速度(particle imaging velocity,PIV)测量是流动场速度测量的黄金标准。PIV跟踪示踪物颗粒,并为流体的速度场作图。但是这种方法不能提供有关全压力场的信息,而全压力场对于全面理解流体动力学是必须的。流体的压力作图,典型的方法是将集成压力传感器的微型探针放置于一些关键位置。但是这种方法具有侵入性,且需机械扫描整个系统,测试量很大。

压力敏感涂层(pressure sensitive paint,PSP)是一种基于发光分子和粘结剂分子的传感器,在测试过程中,发光分子的强度变化被记录下来,通过校准,转换成压力数据。图2(b)展示了PSP测试的原理图。粘结剂是聚合物或模型表面的多孔衬底,用来将PSP传感器贴覆于模型表面,以确保传感器可以在各种测试条件下使用。PSC传感器在特定波长的发光源下被激发,发光源可以为紫外,蓝色或绿色LED,取决于所选择的发光分子。在激发光作用下,PSP分子的能量水平上升至一个高能量状态,再通过辐射或非辐射过程回到基态。辐射过程发出比激发波长更长的光,这种现象叫做斯托克斯位移。在黑暗环境下进行测试,使用光学滤镜去除环境光,改善信噪比。而非辐射过程是氧淬灭,由氧分子与发光体之间的相互作用导致。氧淬灭会减小辐射过程所需的能量。因此辐射发光会随着环境中氧浓度的变化而变化。可以用Stern-Volmer方程校准压力和发光的变化Iref/I=A(T)+B(T)P/Pref，其中，I为测试到的发光强度,Iref为参考条件下测试到的发光强度。A和B为温度相关系数,通过实验标定获得。在获得A和B之后,可以应用Stern-Volmer方程将光强度转换成压力数据,实现压力传感功能。

图3 二种光学式压力传感器原理

为了将PSP传感器应用于微流控系统,需要开发新的涂覆过程,精确控制低膜厚下的涂层均一性,以替代传统大面积的压缩气体喷涂过程。典型的方法包括旋转涂覆与Langmuir-Blodgett(L-B)方法。旋转涂覆的用以制备微米级别的PSP传感器,L-B方法则是用于分子层厚度的薄膜制备。这两种涂覆方法提供的传感器厚度控制精度分别在微米(μm)和纳米(nm)尺寸。将PSP膜层旋转涂覆在玻璃基板之上,可以制备一个大约1 μm厚的薄膜,表面粗糙度约0.06 μm[34]。带有PSP传感器的玻璃片可以用作盖板玻璃,封装微流控器件。在植入微流控器件中,PSP传感器所选发光分子的尺寸约为1 nm。在Langmuir-Blodgett方法方面,Matsuda Y[35]利用两亲性发光体使用Langmuir-Blodgett方法制备了压力敏感分子薄膜PSMF。

PSP技术之于微流控系统具有极大的吸引力。PSP不仅可以快速制备涂层,且能提供具有较大空间分辨率的全球压力剖面。将PSP 应用于微流控系统测量流体和内部的压力近期已有大量的文献报道[36～38]。Hoera C[38]制备了第一个光学可读的集成微流控压力传感器,其工作原理基于通道内的发光传感器层。这种光学可读的微流体压力传感器具有高达9 mbar的灵敏度,5 Pa的工作范围。研究表明,该方法具有较高的灵活性、稳定性和重现性。除了压力测定之外,集成发光传感器还可以同时检测过程介质的温度和氧气含量。

3 结束语

微流控研究的重点是单一设备的各种功能的系统集成,而压力传感的功能集成在化学过程研究,生物细胞分析及医学应用等方面发挥这重要作用。电学式压力传感具有高灵敏度及高空间分辨率等优点,同时具有良好的测量精度。但是其工艺过程复杂,需要金属沉积和刻蚀等步骤;另外,这类传感器通常使用机械性能较差的材料,如硅,碳纤维等,从而导致传感器在受到弯折或撞击时发生损坏。因此,优化工艺步骤及探讨更为柔性的基底材料是应用于微流控的电学式压力传感的发展方向。光学传感器易于集成至微流控系统,且稳定性好。其缺点是需要大规模的仪器来获取图像,并进行复杂的分析以估算压力。因而开发高度集成的光路系统,如光波导,光敏器件的工艺集成灯,是光学式压力传感器的发展方向。