无膜微流控热流量传感器高精度 MEMS 集成式 MTFS-顶旭微控

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参考文献：俄罗斯莫斯科鲍曼莫斯科国立技术大学FMN实验室，俄罗斯莫斯科杜霍夫自动化研究所

1. 行业背景：微流控技术与流量控制的核心矛盾

在老龄化加剧与传染病频发的背景下，Lab-on-a-chip（LOC）与即时检测（POC）设备成为医疗诊断、基因组学分析的关键工具。这类设备依托微流控芯片实现纳升量级液体操控、单细胞分析及多步反应集成，而微流控芯片的精准运行，离不开对体积流量、采样体积等参数的高精度控制。当前主流的流量控制方案中，注射泵虽能直接调控流量，但存在响应慢、波动大的缺陷；蠕动泵操作便捷却精度低、脉动明显，难以满足3D 细胞培养芯片、器官芯片等高端应用的需求；即便搭配压力控制系统与独立流量传感器，外接导管引入的死体积也会远超 LOC 内部体积，彻底破坏微流控技术的微量操控优势。

此外，早期微流控器件多采用 PDMS 材料，虽可通过PDMS 浇筑器、PDMS 键合机快速制备PDMS 芯片，但 PDMS 的柔软性、温度敏感性及气体渗透性，会导致微流道截面积不稳定，无法长期可靠测量流量，且化学耐受性差，难以适配腐蚀性生物试剂。同时，传统流量传感器无法与MEMS 加工工艺兼容，无法集成到微流控芯片内部，进一步限制了 LOC 设备的小型化与便携化。这些矛盾，催生了对集成式、高兼容、高精度流量传感方案的迫切需求。

2. 核心创新：无膜微流控热流量传感器（MTFS）的设计突破

针对行业痛点，研究团队开发了一款可集成于硅 – 玻璃微流控芯片的无膜微流控热流量传感器（MTFS），其核心设计优势彻底解决了传统方案的短板。该传感器采用量热式工作模式，以恒定加热器温度为基准，通过补偿环境温度波动确保测量稳定性，关键创新点集中在结构与兼容性两方面。

在结构设计上，MTFS 摒弃了传统的膜式结构，将薄膜热阻传感元件（加热器 RH、上下游量热传感器 RU1/RU2、RD1/RD2 及参考温度传感器 RREF1/RREF2）制备于玻璃微流控芯片的外表面，不与微流道内液体直接接触。这种设计不仅避免了腐蚀性生物试剂对传感元件的损伤，还能承受更高工作压力，完美适配类器官芯片、生物样本分析等场景。芯片主体采用硅 – 玻璃键合结构，硅晶圆通过深硅刻蚀工艺加工出 400×50μm 的矩形微流道，搭配 150μm 厚硼硅玻璃晶圆（可减薄至 100μm 提升灵敏度），兼顾结构稳定性与热传导效率，为玻璃微流控芯片的精准流量测量提供支撑。

在兼容性方面，MTFS 的制备工艺完全兼容MEMS 加工流程，涵盖光刻、电子束蒸发镀膜、阳极键合等成熟技术，可在 4 英寸晶圆上批量生产，满足微流控代工的规模化需求。同时，传感器支持多通道集成，能根据微流控芯片定制需求，在单一芯片上设计多个独立 MTFS 单元，适配多通道器官芯片、高通量样本制备系统等复杂应用，大幅拓展了 LOC 设备的功能边界。

（a）MTFS工作原理示意图；（b）集成MTFS的硅玻璃微流控器件剖面图；（c）MTFS控制PCB示意图；（d）通过仿真获得的加热器附近玻璃外表面的温度场分布；（e）150μm厚玻璃晶圆的MTFS仿真结果：上游和下游量热传感器之间的温差曲线以及MTFS的灵敏度，确定量热传感器的坐标L；（f）确定满足“微流控”和“灵敏度”限制的通道尺寸。

3. 关键工艺：从仿真优化到晶圆级量产的全流程保障

MTFS 的高性能并非仅依赖设计创新，更得益于从仿真优化到制造工艺的全链条把控，每一步均围绕 “精度” 与 “规模化” 展开，兼容行业主流微纳加工平台。

在设计优化阶段，研究团队采用 COMSOL Multiphysics 软件构建 3D 热质传递模型，结合 MATLAB 数据处理，系统研究微流道尺寸（50×50μm 至 2000×200μm）、玻璃晶圆厚度对传感器性能的影响。仿真结果显示，当微流道截面积控制在 “微流控限制”（宽度≤500μm、深度≤80μm）与 “灵敏度限制”（灵敏度≥0.095℃/(μL/min)）之间时，400×50μm 的微流道可实现最佳平衡；若将玻璃厚度从 150μm 减薄至 100μm，灵敏度可提升 70%。同时，确定加热器与量热传感器的最佳间距为 250-500μm，在此范围内能最大化温度场不对称性，提升流量检测精度。

在制造环节，工艺流程分为三步：首先，通过光刻工艺在硅晶圆上制备 SU-8 光刻胶模具，搭配紫外光刻机（如 UV-KUB3）实现高精度图形化，为微流道加工奠定基础；其次，采用深硅刻蚀（DRIE）制作硅基微流道与通孔（TSV），并通过阳极键合将硅晶圆与玻璃晶圆封装，形成密闭微流控结构；最后，在玻璃表面通过电子束蒸发沉积镍（99.995% 纯度）作为热阻传感元件，再以二氧化硅（99.99% 纯度）作为钝化层，确保元件稳定性，后续通过微流控芯片打孔器加工流体接口，搭配 EPDM 密封环实现防漏连接。

值得注意的是，团队先通过PDMS 芯片原型验证技术可行性 —— 利用 PDMS 键合对准平台与 PDMS 烘箱完成 PDMS 芯片制备，测试基础流量传感逻辑，再转向硅 – 玻璃结构的量产工艺，既降低了研发风险，又为PDMS 芯片加工设备与硅基工艺的衔接提供了参考。

MTFS在PCB上布线的放大视图。（a）MTFS制造技术的主要步骤，包括在硅中制造微流体部分、在玻璃晶圆上制造传感部分以及器件组装；（b）其中一个经过测试的MTFS的显微照片；（c）带有MTFS的切割晶圆和一个

4. 性能验证：精度、响应与稳定性的全面突破

为验证 MTFS 的实际性能，研究团队搭建了包含参考传感器（科里奥利流量传感器 mini Cori-flow M120、热流量传感器 MFS-3）、气动控制系统（OB-1）、数据采集系统（DAQ6510）的实验平台，通过 LabVIEW 程序实现自动化校准与数据处理，测试结果全面超越传统方案。

在精度方面，MTFS 在 2-30μL/min 的流量范围内，相对误差小于 5%，绝对误差在 30μL/min 时小于 1μL/min，近零流量时小于 0.4μL/min，与科里奥利传感器（行业精度标杆）的测量结果高度吻合，完全满足微流控芯片检测、精准试剂稀释等场景的需求。在响应速度上，MTFS 的流量上升（0→90% 满量程）响应时间 T1 与下降（100%→10% 满量程）响应时间 T2，分别比传统热流量传感器缩短 9% 与 12%，且无超调现象 —— 传统科里奥利传感器虽响应更快，但流量阶跃后会出现 20% 以上的超调，而 MTFS 能实现亚秒级稳定响应，适合快速流量切换的应用（如色谱芯片、纳米乳液发生器）。

长期稳定性测试中，MTFS 连续运行数百小时后，性能无明显衰减，且因传感元件与液体隔离，可直接用于含蛋白质、酸碱试剂的生物样本测量，解决了传统传感器无法适配腐蚀性液体的难题。此外，团队开发的自动化校准算法，可通过 3-20 次全量程阶梯流量循环，在 12-40 分钟内完成单芯片校准，还支持多芯片同步校准，为微流控芯片量产提供效率保障。

（a）实验装置示意图；（b）参考传感器和MTFS的滤波数据；（c）MTFS校准曲线；（d）MTFS的绝对精度和（e）相对精度；（f）MTFS和两个参考传感器对阶梯式流量变化的响应。

5. 行业价值：赋能多领域微流控应用升级

MTFS 的出现，不仅填补了集成式微流控流量传感器的技术空白，更推动微流控芯片从 “功能实现” 向 “精准可控” 跨越，其应用场景已覆盖医疗、化工、科研等多个领域。在医疗诊断领域，MTFS 集成的Lab-on-a-chip设备可实现病原体快速检测、单细胞分析，搭配类器官微流控芯片能精准控制培养液流量，为个性化 medicine 提供稳定平台；在基因组学领域，高精度流量控制可保障核酸提取、PCR 扩增的试剂配比精度，提升测序效率；在石油化工领域，MTFS 可适配微流控纳米乳液发生器，实现原油破乳剂的微量精准注入。

从产业角度看，MTFS 兼容MEMS 代工与 4 英寸晶圆量产，可降低微流控芯片的集成成本，吸引更多器官芯片公司、微流控设备厂商布局高端 LOC 产品。未来，随着 MTFS 与化学传感、流量驱动元件的进一步集成，有望形成全功能便携式微流控系统，推动 “人体器官芯片”“芯片实验室” 等前沿技术从实验室走向临床应用，为微流控行业开辟新的增长空间。

对于企业与科研机构而言，MTFS 的技术路径也提供了明确参考：通过微流控芯片定制服务，可将该传感器集成到现有3D 细胞培养芯片、器官芯片加工平台中，无需大幅改造现有工艺；而微流控代工企业可依托成熟的 MEMS 加工流程，快速落地该技术，提升产品竞争力。

在当今生物医学研究领域，器官芯片/细胞培养芯片/类器官芯片技术正以惊人的速度推动着科学的边界。为了实现更真实、高效的生物实验，器官芯片/细胞培养芯片/类器官芯片加工设备成为不可或缺的关键元素。

顶旭微控推出了一系列的先进设备，包括桌面光刻机、匀胶机、显影机、PDMS浇筑器、PDMS脱泡器、烘箱、PDMS打孔器、PDMS切割器以及等离子键合机，它们的协同作用助力制备高质量的器官芯片/细胞培养芯片/类器官芯片，开启先进生物研究之旅，推动药物研发、疾病研究和个性化医学的发展。

器官芯片/细胞培养芯片/类器官芯片主要的材质是PDMS，全称为聚二甲基硅氧烷，是一种透明、有弹性、生物相容性较好的硅基弹性体，通常借助软光刻的方式进行加工。制备过程分为两个部分，一个是模具的制备，一个芯片的制备。