微流體驅動：壓力控制器與注射幫浦比較

微流體（Microfluidics）實驗的流量常低至 µL/min 甚至 nL/min，驅動方式直接影響流量穩定度與實驗再現性。本文比較壓力控制器（Pressure Controller）與注射幫浦（Syringe Pump）的原理與性能差異，並說明何時該選哪一種。

重點摘要

注射幫浦直接「推體積」，流量設定直覺，但步進馬達與系統彈性（compliance）會造成低流量脈動與很長的穩定時間。
壓力控制器以氣壓推動儲液瓶中的液體，壓力反應可達毫秒等級、幾乎無脈動，但流量取決於系統液阻。
在管路中加入流量感測器並以回授控制壓力，可兼得壓力驅動的穩定性與流量設定的直覺性。
液滴生成、細胞灌流、快速換液適合壓力驅動；精確注入固定體積、高黏度或高背壓流體則常用注射幫浦。

兩種驅動方式的原理

注射幫浦（Syringe Pump）：步進馬達帶動導螺桿推動針筒活塞，流量 = 針筒截面積 × 推進速度。流量由機構「強制」決定，與下游阻力大致無關。
壓力控制器（Pressure Controller，壓力驅動流）：以比例閥或壓電閥調節氣體壓力，加壓於密閉儲液瓶，把液體推入晶片。流量由壓差與液阻決定：Q = ΔP ÷ R_hyd。

注射幫浦為什麼在低流量會脈動、反應慢

步進脈動：馬達以離散步進前進，低速時每一步都會造成一次小壓力脈衝，再加上導螺桿間隙與機構摩擦，流量呈週期性波動。
系統彈性（Compliance）：塑膠針筒、矽膠管、PDMS 晶片與殘留氣泡都會被壓縮或膨脹，像電容一樣先「吸收」體積。系統的時間常數約為 τ = R_hyd × C，在高液阻、低流量條件下，達到穩定可能需要數分鐘甚至數小時。
改善方式：使用玻璃針筒、硬質管路（如 PEEK、PTFE）、較小容量的針筒，並排除氣泡，可縮短穩定時間，但無法完全消除步進造成的脈動。

液阻計算：需要多少壓力？

壓力驅動時，流量由液阻決定。常見流道的液阻近似公式：

圓管：R = 8μL / (πr⁴)
矩形流道（h 小於 w）：R ≈ 12μL / [w·h³·(1 − 0.63·h/w)]
μ：黏度　L：長度　r：半徑　w、h：流道寬與高

例：水（μ ≈ 1 mPa·s）流過寬 100 µm、高 50 µm、長 10 mm 的流道，液阻約 1.4×10¹³ Pa·s/m³。施加 100 mbar（10 kPa）時，流量約 0.71 µL/s，即約 43 µL/min。由公式可知液阻與流道高度的三次方（圓管為半徑的四次方）成反比，尺寸稍有誤差或微粒堵塞，流量就會明顯改變；實際系統還要加上管路與接頭的液阻。

性能比較表

比較項目	壓力控制器	注射幫浦
控制的物理量	壓力（流量由液阻決定）	體積位移（流量）
流量脈動	極低，無機械步進	低流量時明顯（步進脈動）
反應時間	壓力可在毫秒至數十毫秒內到位	受系統彈性影響，低流量時可能數分鐘以上
液量限制	依儲液瓶，可從數百 µL 到數百 mL 以上	受針筒容量限制，需換針筒或回填
阻力變化時	流量會改變，需流量感測器回授	流量維持，但壓力上升可能脹管或漏液
多通道與換液	易搭配切換閥做多液體切換	每通道需一支針筒，換液較麻煩
高黏度／高背壓	受最大輸出壓力限制	可提供較高推力
定量注入固定體積	需積分流量計算	直接設定體積，最直覺