生物體內(nèi)許多液體環(huán)境，例如細(xì)胞內(nèi)液、細(xì)胞外液以及微流控系統(tǒng)對于生物體的各種行為都是至關(guān)重要的，在生物研究和健康檢測中檢測這些體液的壓力非常有必要。在檢測中，與間接測量相比較，直接測量具有更加精準(zhǔn)的優(yōu)勢。目前，用于測量液體壓力的傳感器普遍采用基于硅以及薄膜結(jié)構(gòu)的MEMS技術(shù)以及封裝技術(shù)，這種器件結(jié)構(gòu)以及加工工藝導(dǎo)致封裝后的整體器件一般在厘米級，難以運用于一些極限尺寸環(huán)境且成本較高，例如一個加有壓力傳感器的一次性導(dǎo)絲售價在1000美金以上。針對這些問題，許多研究致力于柔性的植入以及穿戴器件，不過微米尺度的液體壓力傳感器仍有待開發(fā)且具有挑戰(zhàn)性。
針對柔性液體壓力傳感器，劉景全教授團隊利用利用一種特定的微米尺度下的毛細(xì)現(xiàn)象設(shè)計并加工了一種柔性的無需封裝的基于微氣泡的液體壓力傳感器。該液體壓力傳感器在結(jié)構(gòu)上包括前端的用于測量壓力的微腔體以及引線。與傳統(tǒng)的液體壓力傳感器不同的是，該液體壓力傳感器的敏感單元是自發(fā)形成的，在微腔體中設(shè)計有開口并且微腔體內(nèi)角一定，使得外部的液體在內(nèi)角毛細(xì)力的作用下能夠自發(fā)進入微腔體，在微腔體的內(nèi)部形成液體流以及微氣泡以傳遞外部的液體壓力，該液體流在此文中定義為內(nèi)角流（interior corner flow，ICF）。這個自發(fā)形成的氣液平衡元素即為液體壓力傳感器的敏感元件（corner rivulets-bubble， CRs-B）。
圖1 基于內(nèi)角流的微氣泡傳感器設(shè)計原理
該傳感器在微氣泡兩端設(shè)有電極，測量CR的阻抗值以反映外部液體壓力值的大小。當(dāng)外部液體壓力發(fā)生變化時，微腔體內(nèi)的氣泡長度和內(nèi)角流長度發(fā)生相應(yīng)的變化，測得兩端的阻抗值也會相應(yīng)發(fā)生變化。
在該傳感器的工藝研究中，一種簡易的低價的小角度犧牲層光刻工藝被提出，可加工出與傳統(tǒng)光刻角80度不同的26.4度的光刻角，以保證敏感單元的形成。另外，對氣泡的穩(wěn)定性、不同體液環(huán)境下的測試以及氣泡內(nèi)的氣體成分進行了相應(yīng)的研究。
圖2 基于微氣泡的液體壓力傳感器用于微流控系統(tǒng)
圖3 基于微氣泡的液體壓力傳感器用于貼附于導(dǎo)絲表面
另外，由于該氣泡壓力傳感器具有柔性，無需像目前市場上的壓力傳感器內(nèi)嵌于導(dǎo)絲內(nèi)，直接將柔性壓力傳感器貼附于導(dǎo)絲表面即可工作。傳感器貼附在微流控系統(tǒng)內(nèi)部以及導(dǎo)絲表面，在生理鹽水的環(huán)境下進行了測試，測試結(jié)果和理論結(jié)果吻合度非常高。
以上相關(guān)成果以“Ultraminiature and flexible sensor based on interior corner flow for direct pressure sensing in biofluids” 為名發(fā)表在Small上，通訊作者為上海交通大學(xué)劉景全教授，第一作者為畢業(yè)博士生唐龍軍，共同一作為博士生洪雯。
論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.201900950
