μFlow：用于微流控霍尔效应磁珠检测及参数化设计优化的计算平台

《Micromachines》：μFlow: A Computational Platform for Microfluidic Hall-Effect Magnetic Bead Detection with Parametric Design Optimization

　　

摘要

微流控霍尔效应生物传感器检测超顺磁性珠标签在微通道中流过薄膜霍尔元件旁的情况。设计一个这样的传感器耦合了珠磁化、杂散场分布、霍尔传输和通道流动，涉及 14 个参数，有限元求解器仅能以每种配置几分钟到几小时的速度探索这些参数。我们提出了一个用于此信号链的耦合分析 - 数值框架：具有体积分数修正的克劳修斯 - 莫索蒂珠磁化、点偶极子杂散场、体积平均霍尔电压、泊肃叶传输，以及约翰逊 - 奈奎斯特和胡格 1/f 噪声模型。该模型在从文献中汇编的 12 个传感器预设中进行了评估，涵盖石墨烯、III-V 族半导体、Si CMOS、铋和拓扑绝缘体；任何其他平台都可以从用户提供的传输参数中定义。以配套的 COMSOL Multiphysics 6.0 研究为基准，该框架在有利的珠传感器面积比下将霍尔电压复现误差控制在 4.8% 以内，并在非最佳几何形状下偏差为 22% 和 15%，与点偶极子近场极限一致 。遵循三条设计规则：传感器宽度与珠直径相当时的信噪比脊线 （恒压下载面积比 0.4–1.0，恒流下载 0.5–2.6），匹配报道的单珠几何形状；必须在明确的电气驱动约束下做出的材料选择；以及采样限制的速度窗口。预测信号与已发表的 InAs 和 Si CMOS 实验在数量级水平上一致。我们将该模型作为可自由访问、无需安装的浏览器实现发布，内置二维轴对称静磁场有限元 (FEM) 求解器，以映射偶极子近似失效的位置。