微流控芯片進(jìn)樣用多通道正負(fù)壓力控制器的解決方案

在微流控芯片進(jìn)樣、化學(xué)反應(yīng)進(jìn)樣和長時(shí)間藥物注射領(lǐng)域，都需要能提供正負(fù)氣壓可精密控制的壓力控制器。本文特別針對微流控芯片進(jìn)樣對多通道壓力控制器的技術(shù)要求，提出了相應(yīng)的解決方案，并詳細(xì)介紹了方案中多通道氣路結(jié)構(gòu)、控制方法、氣體流量調(diào)節(jié)閥、壓力傳感器和PID控制器等內(nèi)容和技術(shù)指標(biāo)。通過此解決方案，完全能夠滿足各種微流體控制對多通道壓力控制器的要求。

一、背景介紹

在微流控芯片進(jìn)樣、化學(xué)反應(yīng)進(jìn)樣和長時(shí)間藥物注射領(lǐng)域，都需要能提供正負(fù)氣壓可精密控制的多通道壓力控制器，并且通過氣體壓力來控制流體的流量或流速。圖1所示為這種壓力控制器在微流控芯片進(jìn)樣中的典型應(yīng)用。

圖1 多通道壓力控制器在微流控芯片進(jìn)樣中的典型應(yīng)用

 在微流控芯片進(jìn)樣中，要求壓力控制器需具備以下幾方面的功能：

（1）多通道，每個(gè)通道可獨(dú)立控制和操作。

（2）每個(gè)通道都可按照編程設(shè)定輸出相應(yīng)的正負(fù)壓力。

（3）正負(fù)壓力控制范圍：絕對壓力1Pa~0.5MPa（表壓-101kPa~0.6MPa）。

（4）壓力控制精度：0.1%~1%。

針對上述微流控芯片進(jìn)樣對壓力控制器要求，本文提出了相應(yīng)的解決方案，并詳細(xì)介紹了方案中多通道氣路結(jié)構(gòu)、控制方法、氣體流量調(diào)節(jié)閥、壓力傳感器和PID控制器等內(nèi)容和技術(shù)指標(biāo)。通過此解決方案，完全能夠滿足各種微流體控制對多通道壓力控制器的要求。

二、解決方案

本文所提出的解決方案是實(shí)現(xiàn)在1Pa~0.7MPa絕對壓力范圍內(nèi)的精密控制，控制精度極限可達(dá)到0.1%。即提供一個(gè)可控氣壓源解決方案，采用雙向控制模式的動(dòng)態(tài)平衡法，結(jié)合高精度步進(jìn)電機(jī)和微小流量電動(dòng)針閥、高精度壓力傳感器和多通道PID控制器，氣壓源可進(jìn)行高精度的各種真空壓力的可編程輸出，同時(shí)也可用于控制不同的流體流量。

本文所涉及的解決方案，主要針對用于微流控芯片進(jìn)樣用多通道正負(fù)壓力控制器，這主要是因?yàn)槲⒘骺匦酒脡毫驹谝粋€(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓附近變化，相應(yīng)的多通道壓力控制器相對比較簡單。而對于更低壓力，如氣壓小于1kPa絕對壓力的多通道控制，要實(shí)現(xiàn)精密控制則整個(gè)壓力控制器將十分復(fù)雜。微流控芯片進(jìn)樣用多通道壓力控制器工作原理如圖2所示。

圖2 微流控芯片進(jìn)樣用多通道壓力控制器工作原理圖

 微流控芯片進(jìn)樣用多通道壓力控制器的工作原理為：

（1）多通道壓力控制包括多個(gè)控制通道，每個(gè)控制通道包括正壓氣源、進(jìn)氣調(diào)節(jié)閥、出氣調(diào)節(jié)閥、抽氣泵和PID控制器單元。其中的正壓氣源和抽氣泵提供足夠的負(fù)壓和正壓能力，并且可以多通道公用。同樣，多通道壓力控制器也公用一個(gè)進(jìn)氣調(diào)節(jié)閥。需要注意的是，由于微流控進(jìn)樣所需的負(fù)壓氣壓值較大并接近一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，對于微流控芯片進(jìn)樣的壓力控制，只需固定進(jìn)氣調(diào)節(jié)閥的開度，近靠調(diào)節(jié)出氣閥開度極可實(shí)現(xiàn)正負(fù)壓的精密控制，因此可以公用一個(gè)進(jìn)氣調(diào)節(jié)閥。如果要進(jìn)行較低負(fù)壓氣壓值（較高真空度）的精密控制，配置恰恰相反，每一通道配置的進(jìn)氣閥進(jìn)行調(diào)節(jié)，但可以公用一個(gè)抽氣閥。

（2）精密壓力控制原理基于密閉空腔進(jìn)氣和出氣的動(dòng)態(tài)平衡法。多通道壓力控制器的每一個(gè)通道都是典型閉環(huán)控制回路，其中PID控制器的每一通道采集相應(yīng)通道的真空壓力傳感器信號(hào)并與此通道的設(shè)定值進(jìn)行比較，然后調(diào)節(jié)相應(yīng)通道的進(jìn)氣和抽氣調(diào)節(jié)閥開度，最終使此通道傳感器測量值與設(shè)定值相等而實(shí)現(xiàn)該通道真空壓力的準(zhǔn)確控制。

（3）為了覆蓋負(fù)壓到正壓的所要求的真空壓力范圍，需要配置一個(gè)測試量程覆蓋要求范圍內(nèi)的高精度絕對壓力傳感器，如果一個(gè)壓力傳感器無法覆蓋全量程，則需要增加壓力傳感器數(shù)量來分段覆蓋。采用絕對壓力傳感器的優(yōu)勢是不受各地大氣氣壓變化的影響，無需采取氣壓修正，更能保證測試的準(zhǔn)確性和重復(fù)性。

（4）絕對壓力傳感器對應(yīng)所覆蓋的真空壓力范圍輸出數(shù)值從小到大變化的直流模擬信號(hào)（如0~10VDC）。此模擬信號(hào)輸入給PID控制器，由PID控制器調(diào)節(jié)進(jìn)氣閥和排氣閥的開度而實(shí)現(xiàn)壓力精確控制。

（5）當(dāng)控制是從負(fù)壓到正壓進(jìn)行變化時(shí)，一開始的進(jìn)氣調(diào)節(jié)閥開度（進(jìn)氣流量）要遠(yuǎn)小于抽氣調(diào)節(jié)閥開度（抽氣流量），通過自動(dòng)調(diào)節(jié)進(jìn)出氣流量達(dá)到不同的平衡狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)不同的負(fù)壓控制，最終進(jìn)氣調(diào)節(jié)閥開度逐漸要遠(yuǎn)大于抽氣調(diào)節(jié)閥開度，由此實(shí)現(xiàn)負(fù)壓到正壓范圍內(nèi)一系列設(shè)定點(diǎn)或斜線的連續(xù)精密控制。對于從正壓到負(fù)壓的變化控制，上述過程正好相反。

三、方案具體內(nèi)容

解決方案中所涉及的正負(fù)壓力控制器的具體結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要包括正壓氣源、電動(dòng)針閥、密閉空腔、壓力傳感器、高精度PID控制器和抽氣泵。

圖3 微流控芯片進(jìn)樣用多通道正負(fù)壓力控制器結(jié)構(gòu)示意圖

 在圖3所示的正負(fù)壓力控制器中，每個(gè)通道都對應(yīng)一密閉空腔，每個(gè)密閉空腔上的外接接口作為此通道的壓力輸出口。密閉空腔左右安裝兩個(gè)NCNV系列的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的微型電動(dòng)針閥，電動(dòng)針閥本身就是正負(fù)壓兩用調(diào)節(jié)閥，其絕對真空壓力范圍為0.0001mbar~7bar，最大流量為40mL/min，步進(jìn)電機(jī)單步長為12.7微米，完全能滿足小空腔的正負(fù)壓精密控制。由此，壓力控制器中的每個(gè)通道可實(shí)現(xiàn)正負(fù)壓任意設(shè)定點(diǎn)的精確控制，也可以從正壓到負(fù)壓的壓力線性變化控制，也可以從負(fù)壓到正壓的壓力線性變化控制。

微流控芯片進(jìn)樣過程中一般要求微小正負(fù)壓控制，要求是在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓附近的真空壓力精確控制，如控制精度為±0.5%甚至更小，一般都需要采用調(diào)節(jié)抽氣閥的雙向動(dòng)態(tài)模式，即通過控制器使得進(jìn)氣口處電動(dòng)針閥的開度基本不變，同時(shí)根據(jù)PID算法來調(diào)節(jié)排氣口處的電動(dòng)針閥開度。由于進(jìn)氣閥的開度基本處于固定狀態(tài)，使得微流控芯片進(jìn)樣所用的多通道壓力控制器可以公用一個(gè)調(diào)節(jié)進(jìn)氣流量的電動(dòng)針閥。另外，所有通道都需要具備抽氣功能，抽速也是一固定值，因此多通道壓力控制器也可以公用一個(gè)抽氣泵。

在微流控芯片進(jìn)樣過程中壓力控制，除了上述恒定進(jìn)氣流量調(diào)節(jié)抽氣流量的控制方法之外，決定壓力控制精度的因素還有壓力傳感器、PID控制器和電動(dòng)針閥的精度。本方案中的PID控制器采用的是24位AD和16位的DA，電動(dòng)針閥則是高精度步進(jìn)電機(jī)，因此本解決方案的測試精度主要取決于壓力傳感器精度，一般至少要選擇0.1%精度的壓力傳感器。

在微流控芯片進(jìn)樣過程中，往往會(huì)要求密閉容器在正負(fù)壓范圍內(nèi)進(jìn)行多次往復(fù)變化和按照設(shè)定曲線進(jìn)行控制，因此本方案采用了可存儲(chǔ)多個(gè)編輯程序的PID控制器，每個(gè)設(shè)定程度是一條多個(gè)折線段構(gòu)成的曲線，由此可實(shí)現(xiàn)正負(fù)壓往復(fù)變化的自動(dòng)程序控制。

在本文所述的解決方案中，為實(shí)現(xiàn)正負(fù)壓的精密控制，如圖3所示，針對負(fù)壓的形成配置了抽氣泵。抽氣泵相當(dāng)于一個(gè)負(fù)壓源，但采用真空發(fā)生器同樣可以達(dá)到負(fù)壓源的效果，負(fù)壓源采用真空發(fā)生器的優(yōu)點(diǎn)是整個(gè)系統(tǒng)只需配備一個(gè)正壓氣源，減少了整個(gè)系統(tǒng)的造價(jià)、體積和重量，真空發(fā)生器連接正壓氣源即可達(dá)到相同的抽氣效果。

四、總結(jié)

本文所述解決方案，完全可以實(shí)現(xiàn)微流控芯片進(jìn)樣系統(tǒng)中壓力的任意設(shè)定點(diǎn)和連續(xù)程序形式的精密控制，并且可以達(dá)到很高的控制精度和速度，全程自動(dòng)化。

本方案除了自動(dòng)精密控制之外，另外一個(gè)特點(diǎn)是系統(tǒng)簡單，正負(fù)壓控制范圍也可以比較寬泛，整個(gè)系統(tǒng)小巧和集成化，便于形成小型化的檢測儀器。

本文解決方案的技術(shù)成熟度很高，方案中所涉及的電動(dòng)針閥和PID控制器，都是目前特有的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，其他的壓力傳感器、抽氣泵、真空發(fā)生器和正壓氣源等也是目前市場上常見的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品。