마이크로채널의 액체 유량 측정을 위한 부유형 고분자 미세유체 센서

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 2642(2022) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

본 연구에서는 100~1000 µl/min 범위 내에서 액체 유량을 모니터링하도록 미세유체 캔틸레버 유량 센서를 설계 및 제작했습니다. 영향력 있는 최적 매개변수를 결정하고 결과를 실험 데이터와 비교하기 위해 시스템 시뮬레이션도 수행되었습니다. 유량계는 6.9 × 0.5 × 0.6 mm3 크기의 곡선형 캔틸레버와 캔틸레버 빔 내부에 CO2 레이저로 조각된 마이크로채널로 구성되었습니다. 제조 물질은 폴리디메틸실록산이었다. 유량계의 성능을 테스트하기 위해 주사기 펌프를 사용하여 다양한 유량을 주입했습니다. 캔틸레버의 수직 변위는 디지털 현미경을 사용하여 각 유량에서 측정되었습니다. 결과에 따르면, 전체 크기 전체 장치 정확도는 최대 ± 1.39%였으며, 센서의 응답 시간은 6.3초로 측정되었습니다. 마이크로칩 감도는 측정된 유속 범위에서 0.126μm/(μl/min)였습니다. 센서는 허용 가능한 오류 값으로 여러 번 활용될 수도 있습니다. 구성된 마이크로칩에 의해 얻은 실험 데이터는 선형 추세(R2 = 0.995)를 가지며 시뮬레이션 결과와 좋은 일관성을 보였습니다. 또한, 실험 및 시뮬레이션 데이터에 따르면 초기 곡선형 캔틸레버 구조는 완전 직선형 캔틸레버 구조보다 굽힘 및 민감도 수준이 더 높았습니다.

최근 수십 년 동안 미세유체 기술은 다양한 응용 분야에서 널리 사용되었습니다. 이러한 종류의 센서는 적은 양의 시료를 사용할 수 있다는 점 때문에 물질, 입자 등 다양한 물체의 분리, 반응, 감지 등의 작업을 수행하는 데 유용한 장치로 관심을 끌고 있습니다. 이 기술은 또한 약물 전달, DNA/유전자 분석, 랩온어칩(LOC) 또는 장기온어칩, 마이크로반응기 및 마이크로 토탈을 통한 질병 진단과 같은 생물의학 응용 분야에도 사용되었습니다. 분석 시스템(μTAS)1. 이 기술은 가정 임신 검사, 바이러스 신속 검사(예: HIV, 단순 포진, 코로나19, A형, B형, C형 간염), 혈당 검출 등의 상용 제품에도 적용됩니다2,3.

특히 입자 분류 및 분리, 유동 세포 계측법, 유동 혼합, 화학 합성 및 중합효소 연쇄 반응(PCR)6과 같은 응용 분야에서는 흐름 변화가 제품 고장을 직접적으로 유발하기 때문에 미세 유체 시스템의 안정적인 액체 흐름이 중요합니다. . 코리올리스 질량 유량계와 정밀 주사기 펌프가 이러한 목적으로 자주 사용됩니다. 그러나 대량 크기, 높은 비용, 마이크로칩과의 복잡한 연결로 인해 제한이 있습니다7. 따라서 연구자들은 유량 센서를 소형화하기 위한 수단으로 MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems)를 제안했습니다. 낮은 전력 소비, 높은 정밀도, 짧은 응답 시간, 휴대성 및 비용 효율성으로 인해 MEMS 기반 유량 센서는 미세 유체 시스템1에 사용하기에 이상적입니다.

MEMS 유량 센서는 열적이거나 비열적입니다. 열 흐름 센서는 높은 감도로 인해 미세유체 시스템에 사용하기 위해 가장 상업적으로 이용 가능한 장치입니다3. Kim 등8은 마이크로채널 내부의 열 분포를 측정하기 위해 전극을 가열하고 감지하여 액체 유량을 결정했습니다. Zhao 등7은 열 자극에 의존하는 열 비행 시간 감지 마이크로칩을 개발했습니다. 열 확산율이 높기 때문에 마이크로 채널을 통한 열 손실은 살아있는 세포와 같은 특정 응용 분야에 위험할 수 있으며 이로 인해 센서가 부적절하게 반응할 수 있습니다9. 마이크로파 공진기의 전도도 변화에 따른 유량 측정4, 이온 전도도 변화를 측정하는 전기화학 센서9, 가스 버블을 추적자로 사용하는 마이크로 버블 이미지 속도계10, 마이크로/나노섬유11를 사용하는 광유체 유량계 등 비열 흐름 센서도 사용할 수 있습니다. 및 액적 생성 빈도를 전기적으로 감지하여 작동하는 디지털 볼륨 분배 시스템12.