微流體誘導電滲計量泵的流動控制方法
【專利摘要】微流體誘導電滲計量泵的流動控制方法，屬于計量泵【技術領域】。其特征在于微泵T形微管的垂直管道與平行管道交接處嵌入半邊不同性質的圓柱形障礙物，T形微管中采用MEMS工藝設置熱式薄膜型質量流量傳感器，流量傳感電路通過同相放大電路和單片機配合連接，單片機信號處理后通過LCD液晶顯示，單片機通過電壓反饋電路與微泵入口配合連接。上述微流體誘導電滲計量泵的流動控制方法，ICEOF的應用實現了微通道內，無閥高效驅動效果；采用MEMS工藝設置熱式薄膜型質量流量傳感器，實現微通道內，流量精確測量；設計合理外圍流量計量和反饋控制電路，實現了微泵流量的可控性輸出。
【專利說明】微流體誘導電滲計量泵的流動控制方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于計量泵【技術領域】，具體為微流體誘導電滲計量泵的流動控制方法。
【背景技術】
[0002]自20世紀90年代，微全分析系統的概念被提出以來，微流體技術得到快速發展。近年來，隨著微流體研究的逐漸深入，微流體芯片研究領域的重點轉為微流體芯片的設計。微流體的流動是各個單元間檢測試樣運輸的決定因素，因此，如何實現微流體的流動控制是微流體芯片設計的重點。而，良好的微泵的設計能夠確保流體易于控制，提高這個檢測過程的效率，故設計實現高效的微泵(Micro-pump)成為微流體研究的一個重要任務。目前的微流體微泵設計中，應用最為成功的驅動方式為電滲驅動(EOF)，但是電滲驅動依舊具有一定的不足，比如，為保證較小尺寸下良好的流體驅動效果，系統需承擔很強的電場強度，導致焦耳熱效應產生，影響電場和流場；可減弱焦耳熱效應的交流外加電場，則會造成微泵平均驅動效果為零的后果；電滲驅動中壁面雙電層的電位一般小于IOOmV,傳輸效果并不夠優秀。
[0003]誘導電滲驅動(ICEOF)，其產生所基于的雙電荷層為外加電場作用于可極化障礙物誘導極化而來，可通過各種人工的方式對雙電層進行調控，可很好的規避電滲驅動中存在的諸多不足，有利于更高效的流體傳輸。此外，誘導電滲流驅動效果下的流速與外加電場之間呈非線性關系，因此可在相同外加電場情況下，獲得相對電滲流驅動更好的驅動效果。到目前為止，由于各種原因，基于誘導電滲流(ICEOF)理論的微流控驅動裝置的設計仍舊處于設計驗證階段，但其優越的性能已經讓我們看到了其廣闊的應用前景，因此研究誘導電滲流，并將其應用到微泵設計上，具有重要意義。微流體芯片作為一種微型化的分析儀器，在許多檢定操作環節對于流量的控制具有較高的要求。
【發明內容】
[0004]針對現有技術中存在的上述問題，本發明的目的在于設計提供一種微流體誘導電滲計量泵的流動控制方法的技術方案，在充分利用誘導電滲驅動微泵的基礎上，通過微尺度流量的計量和外圍電路的反饋控制，實現微泵流量的可控性輸出。
[0005]所述的微流體誘導電滲計量泵的流動控制方法，其特征在于包括微泵，微泵T形微管的垂直管道與平行管道交接處嵌入半邊不同性質的圓柱形障礙物，在外加電場作用下誘導產生的電滲流實現流體驅動，T形微管中采用MEMS工藝設置熱式薄膜型質量流量傳感器，熱式薄膜型質量流量傳感器的加熱電阻兩側各設置一個測溫熱敏電阻，流量傳感電路通過同相放大電路和單片機配合連接，單片機信號處理后獲得對應通道流量值通過LCD液晶顯示，實現流量計量；單片機通過電壓反饋電路與微泵入口配合連接，單片機通過DA通道調節輸出與所需流量值相對應的反饋電壓值，將該電壓值反饋到T型微泵的入口處作為激勵電壓，實現輸入電壓值的實時反饋控制，進而對T型管道內的流場流速和流量控制，完成流量反饋控制。[0006]所述的微流體誘導電滲計量泵的流動控制方法，其特征在于微泵的出口處流量為10mL/s-350mL/s，優選 50mL/s_250mL/s，更優選 100mL/s_200mL/s。
[0007]所述的微流體誘導電滲計量泵的流動控制方法，其特征在于熱式薄膜型質量流量傳感器通過流量傳感電路獲得與通道流量呈確定函數關系的電壓信號，并通過同相放大電路和單片機中的DA通道進行信號處理，獲得對應通道流量值。
[0008]所述的微流體誘導電滲計量泵的流動控制方法，其特征在于所述的單片機為MSP430單片機。
[0009]上述微流體誘導電滲計量泵的流動控制方法，通過設置T形高效微泵，ICEOF的應用，實現了微通道內，無閥高效驅動效果；采用MEMS工藝設置熱式薄膜型質量流量傳感器，將微電子、發熱元件、測溫元件集成在傳感器芯片上，實現微通道內，流量精確測量；設計合理外圍流量計量和反饋控制電路，實現了微泵流量的可控性輸出，形成具有自動調節流量功能的微流體誘導電滲計量泵。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0010]圖1為本發明的結構框圖；
圖2為不同電場強度下微泵出口處流量圖；
圖3為熱式薄膜質量流量傳感器無氣流通過時的原理圖；
圖4為熱式薄膜質量流量傳感器有氣流通過時的原理圖；
圖5為流量傳感電路的電路原理圖；
圖6為同相放大電路的電路原理圖；
圖7為電壓反饋電路的電路原理圖；
圖中:1-微泵、2-流量傳感電路、3-同相放大電路、4-單片機、5-LCD液晶、6-電壓反饋電路。
【具體實施方式】
[0011]以下結合說明書附圖對本發明作進一步說明。
[0012]如圖所示，微泵IT形微管的垂直管道與平行管道交接處嵌入半邊不同性質的圓柱形障礙物，在外加電場作用下誘導產生的電滲流實現流體驅動，T形微管中采用MEMS工藝設置熱式薄膜型質量流量傳感器，熱式薄膜型質量流量傳感器的加熱電阻兩側各設置一個測溫熱敏電阻，流量傳感電路2通過同相放大電路3和單片機4配合連接，單片機4信號處理后獲得對應通道流量值通過LCD液晶5顯示，實現流量計量；單片機4通過電壓反饋電路6與微泵I入口配合連接，單片機4通過DA通道調節輸出與所需流量值相對應的反饋電壓值，將該電壓值反饋到T型微泵的入口處作為激勵電壓，實現輸入電壓值的實時反饋控制，進而對T型管道內的流場流速和流量控制，完成流量反饋控制。微泵I的出口處流量為 10mL/s-350mL/s,優選 50mL/s-250mL/s,更優選 100mL/s-200mL/s。熱式薄膜型質量流量傳感器通過流量傳感電路2獲得與通道流量呈確定函數關系的電壓信號，并通過同相放大電路3和單片機4中的DA通道進行信號處理，獲得對應通道流量值。所述的單片機4為MSP430單片機。
[0013]所述的流量傳感電路2包括電阻Rl和R2并聯接信號輸入端，電阻R2的另一端接電阻RC的一端，電阻RC的另一端接GND，電阻Rl的另一端接電阻RW的一端，電阻RW的另一端接GND，信號輸入端接放大器AD620 (2)的3腳，放大器AD620 (2)的2腳接在電阻Rl和電阻RW的公共端，放大器AD620 (2)的I腳通過電阻R3與8腳相連放大器AD620 (2)的5腳接電阻R5的一端，電阻R5的另一端接電容Cl，然后接入AD，電容Cl的另一端接GND，在電阻R2和電阻RC的公共端接入放大器AD620 (I)的3腳，在電阻Rl和電阻RW的公共端接放大器AD620(1)的2腳，放大器AD620(1)的I腳通過電阻R4與8腳相連，放大器放大器AD620(1)的5腳接電阻R5和電容C2，電阻R5的另一端接電容C2和Ul的2腳，電容C2另一腳接電容C3，電容C3接Ul的6腳，Ul的3腳接地，電阻R7的一端接Ul的6腳，另一端接U2的2腳，U2的3腳接地，電阻R8 —端接VEW，另一端接電阻R9的一端和U2的2腳，電阻R9的另一端接U2的6腳，電容C4和電阻R9并聯，兩端分別接電阻R9的兩端U3的3腳接U2的6腳，U3的2腳接輸出V0，U3的6腳接電阻人RlO的一端，電阻RlO的另一端接三極管TIP122的基極，三極管TIP122的集電極接15v的電壓，三極管TIP122的發射極接輸出VO。
[0014]所述的同相放大電路3包括電阻Rll —端接GND，另一端接放大器0P37的2腳，電阻R12的一端接放大器0P37的2腳，另一端接放大器0P37的6腳，放大器0P37的6腳接電壓輸出，放大器0P37的3腳接輸入，放大器0P37的4腳接GND，放大器0P37的7腳接 VCC。
[0015]所述的電壓反饋電路6包括DAC5571的I腳接電壓輸出，DAC5571的2腳接GND，DAC5571 的 3 腳接電壓 VCC, DAC5571 的 4 腳接 MSP430 的 Pl.0 口，DAC5571 的 5 腳接 MSP430的 P1.1 口，DAC5571 的 6 腳接 GND。
[0016]針對T型微泵1，以嵌入障礙物在外加電場作用下誘導產生的電滲流，實現流體驅動效果的增強；采用Fluent仿真，對T型微泵I的工作性能進行分析，給出數值模擬計算的數學模型。
[0017]假設所研究液體為黏性不可壓縮的牛頓流體，則該算例中流場的動量方程可寫作:
【權利要求】
1.微流體誘導電滲計量泵的流動控制方法，其特征在于包括微泵(I)，微泵(I)T形微管的垂直管道與平行管道交接處嵌入半邊不同性質的圓柱形障礙物，在外加電場作用下誘導產生的電滲流實現流體驅動，T形微管中采用MEMS工藝設置熱式薄膜型質量流量傳感器，熱式薄膜型質量流量傳感器的加熱電阻兩側各設置一個測溫熱敏電阻，流量傳感電路(2)通過同相放大電路(3)和單片機(4)配合連接，單片機(4)信號處理后獲得對應通道流量值通過IXD液晶(5)顯示，實現流量計量；單片機(4)通過電壓反饋電路(6)與微泵(I)入口配合連接，單片機(4)通過DA通道調節輸出與所需流量值相對應的反饋電壓值，將該電壓值反饋到T型微泵的入口處作為激勵電壓，實現輸入電壓值的實時反饋控制，進而對T型管道內的流場流速和流量控制，完成流量反饋控制。
2.如權利要求1所述的微流體誘導電滲計量泵的流動控制方法，其特征在于微泵(I)的出口處流量為 10mL/s-350mL/s，優選 50mL/s_250mL/s，更優選 100mL/s_200mL/s。
3.如權利要求1所述的微流體誘導電滲計量泵的流動控制方法，其特征在于熱式薄膜型質量流量傳感器通過流量傳感電路(2)獲得與通道流量呈確定函數關系的電壓信號，并通過同相放大電路(3)和單片機(4)中的DA通道進行信號處理，獲得對應通道流量值。
4.如權利要求1所述的微流體誘導電滲計量泵的流動控制方法，其特征在于所述的單片機(4)為MSP430單片機。
【文檔編號】F04B49/06GK103953532SQ201410183128
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2014年4月30日 優先權日:2014年4月30日
【發明者】張凱, 秘曉靜, 高巖峰, 盛冰瑩 申請人:中國計量學院