上海交通大学刘景全教授课题组在可植入体液压力传感器上取得新进展-汶颢股份
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上海交通大学刘景全教授课题组在可植入体液压力传感器上取得新进展

生物体内许多液体环境,例如细胞内液、细胞外液以及微流控系统对于生物体的各种行为都是至关重要的,在生物研究和健康检测中检测这些体液的压力非常有必要。在检测中,与间接测量相比较,直接测量具有更加精准的优势。目前,用于测量液体压力的传感器普遍采用基于硅以及薄膜结构的MEMS技术以及封装技术,这种器件结构以及加工工艺导致封装后的整体器件一般在厘米级,难以运用于一些极限尺寸环境且成本较高,例如一个加有压力传感器的一次性导丝售价在1000美金以上。针对这些问题,许多研究致力于柔性的植入以及穿戴器件,不过微米尺度的液体压力传感器仍有待开发且具有挑战性。

针对柔性液体压力传感器,刘景全教授团队利用利用一种特定的微米尺度下的毛细现象设计并加工了一种柔性的无需封装的基于微气泡的液体压力传感器。该液体压力传感器在结构上包括前端的用于测量压力的微腔体以及引线。与传统的液体压力传感器不同的是,该液体压力传感器的敏感单元是自发形成的,在微腔体中设计有开口并且微腔体内角一定,使得外部的液体在内角毛细力的作用下能够自发进入微腔体,在微腔体的内部形成液体流以及微气泡以传递外部的液体压力,该液体流在此文中定义为内角流(interior corner flow,ICF)。这个自发形成的气液平衡元素即为液体压力传感器的敏感元件(corner rivulets-bubble, CRs-B)。

图1 基于内角流的微气泡传感器设计原理 

1 基于内角流的微气泡传感器设计原理

该传感器在微气泡两端设有电极,测量CR的阻抗值以反映外部液体压力值的大小。当外部液体压力发生变化时,微腔体内的气泡长度和内角流长度发生相应的变化,测得两端的阻抗值也会相应发生变化。

在该传感器的工艺研究中,一种简易的低价的小角度牺牲层光刻工艺被提出,可加工出与传统光刻角80度不同的26.4度的光刻角,以保证敏感单元的形成。另外,对气泡的稳定性、不同体液环境下的测试以及气泡内的气体成分进行了相应的研究。

图3 基于微气泡的液体压力传感器用于贴附于导丝表面 

3 基于微气泡的液体压力传感器用于贴附于导丝表面

另外,由于该气泡压力传感器具有柔性,无需像目前市场上的压力传感器内嵌于导丝内,直接将柔性压力传感器贴附于导丝表面即可工作。传感器贴附在微流控系统内部以及导丝表面,在生理盐水的环境下进行了测试,测试结果和理论结果吻合度非常高。

以上相关成果以“Ultraminiature and flexible sensor based on interior corner flow for direct pressure sensing in biofluids” 为名发表在Small上,通讯作者为上海交通大学刘景全教授,第一作者为毕业博士生唐龙军,共同一作为博士生洪雯

 

论文链接:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.201900950

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