Micro flow meter/微型流量计

微型流量计（也写作微流量计）是一种用于测量极小流体流量的仪器，尤其适用于微流控和微型化流体处理系统。^{[ 1 ]}根据其工作原理，它可以测量体积流量、质量流量、局部流体速度或通过物理量推断流量。微加工技术使得将加热器、温度检测器、机械结构、电气元件和信号处理组件集成到微通道内部或紧邻微通道的位置成为可能，从而使流量传感装置的尺寸和内部流体体积比传统工业流量计小得多。^{[ 2 ]}

微型流量计广泛应用于芯片实验室系统、分析化学、生物医学仪器、输液监测和精密流体控制等领域。^{[ 3 ]}在许多设计中，传感元件是微流控器件本身的组成部分，而不是作为单独的仪器连接；例如，导电柔性膜已被证明可作为集成在微流控系统中的压力和流量传感结构。^{[ 4 ]}因此，该术语描述的是一类仪器，而不是单一的测量技术。

微型流量计可根据将流体运动转换为可测量信号的物理相互作用进行分类。^{[ 5 ]}重要的传感方法包括热式、机械式、压阻式、科里奥利式、光学式、电磁式、压力式以及近年来兴起的压电式。它们的性能不仅取决于换能机制，还取决于通道几何形状、流体性质、热边界条件以及传感器的校准方法。

热式微型流量计利用流体运动带来的热量传递原理。^{[ 6 ]}微型电阻元件被加热，并监测由此产生的温度场、电阻或所需的加热功率。微机械热传感器通常分为热线式或热膜式、量热式和热飞行时间式三种结构，^{[ 7 ]}每种模式侧重于对流、温度和流量之间的不同关系。

在量热传感器中，加热器通常位于上游和下游温度敏感元件之间。在零流量时，温度场近似对称；而流体运动会将热量向下游传递，从而产生可测量的温差。恒功率运行模式测量由此产生的加热器温度，而恒温运行模式则通过调节电功率来维持预设温度。例如，一种用于药物注射监测的小型化铂加热器装置，在0.5–2.5 g/h的测试流量范围内，其不确定度约为2.36 ± 0.80% 。 ^{[ 8 ]}这类系统的优势在于，其传感结构无需包含任何机械运动部件。

热飞行时间传感技术利用的是瞬态温度场而非纯粹的稳态温度场。^{[ 9 ]}沿流动路径产生并检测短暂的热扰动；其传播特性取决于流体速度。该技术除了提供传统的流量输出外，还能提供速度和流体特性信息。^{[ 10 ]}但随着速度降低，热扩散的影响会越来越大。因此，传感器间距、脉冲持续时间、加热器尺寸和隔热性能都会影响可用的测量范围。

集成还可以改变灵敏度和鲁棒性之间的权衡。一种无膜硅基玻璃热传感器已被证实，其热阻元件与微通道隔离，从而减少了传感结构与潜在腐蚀性液体的直接接触。该结构的实验测试表明，在2 至 30 μL/min 的流速范围内，相对流量误差小于 5% ，响应时间小于 1 秒。^{[ 11 ]}

机械式微型流量计通过测量流体运动产生的力或压力来确定流量。柔性悬臂梁、隔膜或梁在流体动力载荷作用下会发生弯曲，然后通过光学、电容或电学方法检测其位移。早期的一种MEMS实现方案使用了一个带有铂压阻器的独立式微型悬臂梁；气流的变化会使悬臂梁发生偏转，从而改变其电阻。^{[ 12 ]}

一种相关方法允许液体在悬浮结构内部流动。Mohammadamini及其同事制造了一种包含内部微通道的弯曲PDMS悬臂梁，并测量了液体流过该悬臂梁时的垂直位移。 ^{[ 13 ]}该装置的实验运行流速范围为100至1000 μL/min，据报道其满量程精度约为±1.39%。^{[ 14 ]}机械流量传感器避免了人为加热样品，这在处理温度敏感液体或生物材料时尤为有利。

悬臂梁的几何形状也可以进行设计，以提高其对微小瞬态变化的灵敏度，而不仅仅是对平均流速的灵敏度。含有孔径的微加工悬臂梁结构已被证明可用于在线监测微流控通道中的波动，悬臂梁的响应会随着施加的液体流速的变化而变化。^{[ 15 ]}

压阻式微型流量传感器将机械应力转换为电阻变化。流体可以直接作用于柔性传感元件，也可以在可变形膜两侧产生压差。由于电阻也会随温度变化，因此实际设计可能需要补偿温度引起的漂移。

导电弹性膜提供了一种实现方式，其中压力引起的形变会改变膜本身的电阻。这种结构可以由导电聚合物复合材料制成，并集成到相对简单的微流控几何结构中，从而在已知通道水力特性的情况下，将压力信息转换为流量信息。^{[ 16 ]}

微型科里奥利流量计通过检测振荡流体输送结构中产生的科里奥利力来测量质量流量。^{[ 17 ]}与通过测量体积和假定密度推导质量流量不同，该流量计的传感响应直接与输送的质量相关。小型化通常需要一个悬浮的微通道或管道，驱动其振动，并在不同位置检测与流量相关的运动。

一种基于MEMS的紧凑型科里奥利仪器报告称，其水的满量程流量为1 g/h ，零点稳定性为2 mg/h，液体和气体测量的精度均约为读数的0.5%。^{[ 18 ]}然而，在如此小的尺度下，振动结构的动力学特性成为测量系统的重要组成部分。谐振微通道周围的空气会引入阻尼；实验和理论研究表明，降低环境压力可以显著提高谐振器的品质因数。^{[ 19 ]}

振动流管可与不同的读出技术相结合。电容式检测在微机械器件中较为常见，而后来的镀镍微型科里奥利流量计则采用发光二极管（LED）和光电晶体管来光学观察流管的运动。^{[ 20 ]}这表明科里奥利原理和位移读出机制可以相对独立地进行设计。

通道制造工艺限制了水力阻力和测量范围。增大微通道横截面积可以降低压降，但会改变谐振器的机械性能。湿法刻蚀硅科里奥利传感器报道了一种大幅增大的悬浮通道，在 1 bar 压降下，其水流量范围可达约 50 g/h，这展示了一种将 MEMS 科里奥利技术扩展到超低流量操作之外的途径。^{[ 21 ]}

光学微型流量计将与流量相关的物理变化转换为光学信号。^{[ 22 ]}可观测的物理量包括干涉条纹、荧光分布、共振波长、折射率以及被光学探测的机械元件的位移。由于光学元件并非总是需要与液体进行电接触，因此这种技术对于电敏感或化学隔离的系统具有吸引力。

一种光流控结构将微文丘里管结构与法布里-珀罗干涉仪相结合。流动产生的压力变化会使光学传感结构变形，并改变干涉图样；基于此原理的实验装置证明了可以检测纳升/分钟量级的流量变化。^{[ 23 ]}

在流速显著降低的情况下，荧光传输可用作计量信号。由包括美国国家标准与技术研究院在内的研究人员开发的一种光流控方法，测量了亚纳升/分钟级别的流速，并将其应用于低流量控制器的校准。^{[ 24 ]}在这些尺度下，扩散和光物理过程可以成为测量模型的一部分，而不仅仅是次要效应。

光学共振提供了另一种传感途径。一种包含向列相液晶的嵌套毛细管已被用作回音壁模式流量计：流经内毛细管的气流冷却谐振器，改变液晶的折射率，从而改变其光学共振频率。^{[ 25 ]}因此，所报道的装置将热致折射率变化转换为光谱分辨的流量信号。

电磁传感可以将电子读出系统与流动的物质分离。^{[ 26 ]}在一种非接触式微波微流体流量传感器中，微通道内产生的压力使位于微波谐振器上方的薄聚合物层发生形变。这种形变改变了谐振器的电磁环境，从而无需将传统电极直接放置在液体路径中即可推断流量。^{[ 27 ]}

这种结构适用于不希望发生污染、与样品发生电相互作用或读出电子器件直接暴露于流体的情况。^{[ 28 ]}然而，其测量响应取决于可变形层的机械性能和几何形状以及电磁谐振器。

压力降和流量通过通道的水力阻力相关联，前提是流体状态和通道特性得到充分表征。^{[ 29 ]}因此，测量一个或多个位置的压力可以间接测量流量。

已展示了一种用于同时测量微通道压力和流量的光流控膜干涉仪。在该系统中，压力使柔性膜发生形变，并通过干涉法测量该形变，从而提供空间压力信息，进而可以评估相应的流体行为。^{[ 30 ]}

压电式微型流量传感器利用流体运动产生的形变或振动来产生电响应。^{[ 31 ]}与电阻式或光学传感器不同，某些压电结构能够通过机械激励产生自身的传感信号，因此传感元件几乎不需要或完全不需要外部电源。

2026 年报道的一种自供电微流控压电传感器采用柔性压电结构监测低流速金属离子溶液，并证明了其检测能力可从约3 μL/min开始。^{[ 32 ]}此类装置代表了一种新兴类别，而不是热系统或科里奥利系统的成熟通用替代品，其适用性很大程度上取决于流体、通道和机械激励条件。

微型流量计的性能通常用多个参数来描述，而不仅仅是流量范围。^{[ 33 ]}这些参数包括灵敏度、分辨率、准确度、重复性、零点稳定性、响应时间、压降和动态范围。这些参数的相对重要性取决于应用；例如，用于检测泵快速脉动的传感器可能更注重时间响应，而用于计量传递的仪器则可能更重视不确定度和长期零点稳定性。

小型化并非必然提升所有性能指标。极小的通道会增加水力阻力，表面相互作用变得愈发重要，而滞留气泡产生的信号相对于流体总体积而言可能过大。此外，热学仪器还依赖于热导率和热容等特性，而机械传感器则可能受到模量变化、蠕变和结构漂移的影响。

微型流量计需要使用参考流量或质量流量标准进行校准。^{[ 34 ]}在低液体流速下，可以通过测量特定时间段内的累积质量并校正蒸发、流体密度和环境干扰等影响来进行重量法校准。在临床输液应用中，精确重量法测量所需的准备工作是研究小型化流量传感器作为便携式校准工具的原因之一。^{[ 35 ]}

当流量接近纳升/分钟级别时，由于累积液体量极小，校准难度显著增加。^{[ 36 ]}较长的平均间隔可以提高质量分辨率，但会降低时间信息；而较短的测量间隔则更容易受到泵脉动、蒸发和检测器噪声的影响。因此，流量计的标称精度只有在结合校准量程、流体、环境条件和不确定性模型的情况下才有意义。

没有一种微型流量计技术能够为所有微尺度流动提供最佳性能。^{[ 37 ]}热式传感器结构紧凑、灵敏度高，但可能受流体热特性影响，并可能引入局部加热。机械式和压阻式装置避免了主动加热，但可能出现材料漂移，并且需要仔细的机械校准。科里奥利流量计可直接提供质量流量信息，但需要可控振动和高度工程化的悬挂结构。光学方法可以达到极低的测量范围，但可能需要激光器、探测器或对对准敏感的元件。^{[ 38 ]}

压降是另一个实际的限制因素。随着通道尺寸的减小，通过给定体积流量所需的液压阻力会急剧增加。增大通道尺寸可以降低这种阻力，但可能会降低传感器灵敏度或增加器件的整体尺寸。因此，微型流量计的选择通常需要在测量范围、精度、响应时间、压降、样品兼容性、制造复杂性和成本之间进行权衡。