微流控芯片進樣用多通道正負(fù)壓力控制器的解決方案

在微流控芯片進樣、化學(xué)反應(yīng)進樣和長時間藥物注射領(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

在微流控芯片進樣、化學(xué)反應(yīng)進樣和長時間藥物注射領(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樣中的典型應(yīng)用

 在微流控芯片進樣中，要求壓力控制器需具備以下幾方面的功能：

（1）多通道，每個通道可獨立控制和操作。

（2）每個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，控制精度極限可達到0.1%。即提供一個可控氣壓源解決方案，采用雙向控制模式的動態(tài)平衡法，結(jié)合高精度步進電機和微小流量電動針閥、高精度壓力傳感器和多通道PID控制器，氣壓源可進行高精度的各種真空壓力的可編程輸出，同時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樣用多通道正負(fù)壓力控制器，這主要是因為微流控芯片所用壓力基本在一個標(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，要實現(xiàn)精密控制則整個壓力控制器將十分復(fù)雜。微流控芯片進樣用多通道壓力控制器工作原理如圖2所示。

圖2 微流控芯片進樣用多通道壓力控制器工作原理圖

 微流控芯片進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控制通道，每個控制通道包括正壓氣源、進氣調(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進氣調(diào)節(jié)閥。需要注意的是，由于微流控進樣所需的負(fù)壓氣壓值較大并接近一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，對于微流控芯片進樣的壓力控制，只需固定進氣調(diào)節(jié)閥的開度，近靠調(diào)節(jié)出氣閥開度極可實現(xiàn)正負(fù)壓的精密控制，因此可以公用一個進氣調(diào)節(jié)閥。如果要進行較低負(fù)壓氣壓值（較高真空度）的精密控制，配置恰恰相反，每一通道配置的進氣閥進行調(diào)節(jié)，但可以公用一個抽氣閥。

（2）精密壓力控制原理基于密閉空腔進氣和出氣的動態(tài)平衡法。多通道壓力控制器的每一個通道都是典型閉環(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并與此通道的設(shè)定值進行比較，然后調(diào)節(jié)相應(yīng)通道的進氣和抽氣調(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（如0~10VDC）。此模擬信號輸入給PID控制器，由PID控制器調(diào)節(jié)進氣閥和排氣閥的開度而實現(xiàn)壓力精確控制。

（5）當(dāng)控制是從負(fù)壓到正壓進行變化時，一開始的進氣調(diào)節(jié)閥開度（進氣流量）要遠(yuǎn)小于抽氣調(diào)節(jié)閥開度（抽氣流量），通過自動調(diào)節(jié)進出氣流量達到不同的平衡狀態(tài)來實現(xiàn)不同的負(fù)壓控制，最終進氣調(diào)節(jié)閥開度逐漸要遠(yuǎn)大于抽氣調(diào)節(jié)閥開度，由此實現(xiàn)負(fù)壓到正壓范圍內(nèi)一系列設(shè)定點或斜線的連續(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，每個通道都對應(yīng)一密閉空腔，每個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NCNV系列的步進電機驅(qū)動的微型電動針閥，電動針閥本身就是正負(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，步進電機單步長為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通道可實現(xiàn)正負(fù)壓任意設(shè)定點的精確控制，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)抽氣閥的雙向動態(tài)模式，即通過控制器使得進氣口處電動針閥的開度基本不變，同時根據(jù)PID算法來調(diào)節(jié)排氣口處的電動針閥開度。由于進氣閥的開度基本處于固定狀態(tài)，使得微流控芯片進樣所用的多通道壓力控制器可以公用一個調(diào)節(jié)進氣流量的電動針閥。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抽氣泵。

在微流控芯片進樣過程中壓力控制，除了上述恒定進氣流量調(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，電動針閥則是高精度步進電機，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。

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

在本文所述的解決方案中，為實現(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)于一個負(fù)壓源，但采用真空發(fā)生器同樣可以達到負(fù)壓源的效果，負(fù)壓源采用真空發(fā)生器的優(yōu)點是整個系統(tǒng)只需配備一個正壓氣源，減少了整個系統(tǒng)的造價、體積和重量，真空發(fā)生器連接正壓氣源即可達到相同的抽氣效果。

四、總結(jié)

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

本方案除了自動精密控制之外，另外一個特點是系統(tǒng)簡單，正負(fù)壓控制范圍也可以比較寬泛，整個系統(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。