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上海交通大學劉景全教授課題組在可植入體液壓力傳感器上取得新進展
2019-09-14  來源:中國聚合物網

  生物體內許多液體環境,例如細胞內液、細胞外液以及微流控系統對于生物體的各種行為都是至關重要的,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的優勢。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構的MEMS技術以及封裝技術,這種器件結構以及加工工藝導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境且成本較高,例如一個加有壓力傳感器的一次性導絲售價在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且具有挑戰性。

  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現象設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構上包括前端的用于測量壓力的微腔體以及引線。與傳統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形成的,在微腔體中設計有開口并且微腔體內角一定,使得外部的液體在內角毛細力的作用下能夠自發進入微腔體,在微腔體的內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角流(interior corner flow,ICF)。這個自發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 基于內角流的微氣泡傳感器設計原理

  該傳感器在微氣泡兩端設有電極,測量CR的阻抗值以反映外部液體壓力值的大小。當外部液體壓力發生變化時,微腔體內的氣泡長度和內角流長度發生相應的變化,測得兩端的阻抗值也會相應發生變化。

  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,對氣泡的穩定性、不同體液環境下的測試以及氣泡內的氣體成分進行了相應的研究。

圖2 基于微氣泡的液體壓力傳感器用于微流控系統

圖3 基于微氣泡的液體壓力傳感器用于貼附于導絲表面

  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嵌于導絲內,直接將柔性壓力傳感器貼附于導絲表面即可工作。傳感器貼附在微流控系統內部以及導絲表面,在生理鹽水的環境下進行了測試,測試結果和理論結果吻合度非常高。

  以上相關成果以“Ultraminiature and flexible sensor based on interior corner flow for direct pressure sensing in biofluids” 為名發表在Small上,通訊作者為上海交通大學劉景全教授,第一作者為畢業博士生唐龍軍,共同一作為博士生洪雯

  論文鏈接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.201900950

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(責任編輯:xu)
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