CN103953532A - 微流体诱导电渗计量泵的流动控制方法 - Google Patents

Abstract

微流体诱导电渗计量泵的流动控制方法，属于计量泵技术领域。其特征在于微泵T形微管的垂直管道与平行管道交接处嵌入半边不同性质的圆柱形障碍物，T形微管中采用MEMS工艺设置热式薄膜型质量流量传感器，流量传感电路通过同相放大电路和单片机配合连接，单片机信号处理后通过LCD液晶显示，单片机通过电压反馈电路与微泵入口配合连接。上述微流体诱导电渗计量泵的流动控制方法，ICEOF的应用实现了微通道内，无阀高效驱动效果；采用MEMS工艺设置热式薄膜型质量流量传感器，实现微通道内，流量精确测量；设计合理外围流量计量和反馈控制电路，实现了微泵流量的可控性输出。

Description

微流体诱导电渗计量泵的流动控制方法

技术领域

本发明属于计量泵技术领域，具体为微流体诱导电渗计量泵的流动控制方法。

背景技术

自20世纪90年代，微全分析系统的概念被提出以来，微流体技术得到快速发展。近年来，随着微流体研究的逐渐深入，微流体芯片研究领域的重点转为微流体芯片的设计。微流体的流动是各个单元间检测试样运输的决定因素，因此，如何实现微流体的流动控制是微流体芯片设计的重点。而，良好的微泵的设计能够确保流体易于控制，提高这个检测过程的效率，故设计实现高效的微泵(Micro-pump)成为微流体研究的一个重要任务。目前的微流体微泵设计中，应用最为成功的驱动方式为电渗驱动(EOF)，但是电渗驱动依旧具有一定的不足，比如，为保证较小尺寸下良好的流体驱动效果，系统需承担很强的电场强度，导致焦耳热效应产生，影响电场和流场；可减弱焦耳热效应的交流外加电场，则会造成微泵平均驱动效果为零的后果；电渗驱动中壁面双电层的电位一般小于100mV，传输效果并不够优秀。

诱导电渗驱动(ICEOF)，其产生所基于的双电荷层为外加电场作用于可极化障碍物诱导极化而来，可通过各种人工的方式对双电层进行调控，可很好的规避电渗驱动中存在的诸多不足，有利于更高效的流体传输。此外，诱导电渗流驱动效果下的流速与外加电场之间呈非线性关系，因此可在相同外加电场情况下，获得相对电渗流驱动更好的驱动效果。到目前为止，由于各种原因，基于诱导电渗流(ICEOF)理论的微流控驱动装置的设计仍旧处于设计验证阶段，但其优越的性能已经让我们看到了其广阔的应用前景，因此研究诱导电渗流，并将其应用到微泵设计上，具有重要意义。微流体芯片作为一种微型化的分析仪器，在许多检定操作环节对于流量的控制具有较高的要求。

发明内容

针对现有技术中存在的上述问题，本发明的目的在于设计提供一种微流体诱导电渗计量泵的流动控制方法的技术方案，在充分利用诱导电渗驱动微泵的基础上，通过微尺度流量的计量和外围电路的反馈控制，实现微泵流量的可控性输出。

所述的微流体诱导电渗计量泵的流动控制方法，其特征在于包括微泵，微泵T形微管的垂直管道与平行管道交接处嵌入半边不同性质的圆柱形障碍物，在外加电场作用下诱导产生的电渗流实现流体驱动，T形微管中采用MEMS工艺设置热式薄膜型质量流量传感器，热式薄膜型质量流量传感器的加热电阻两侧各设置一个测温热敏电阻，流量传感电路通过同相放大电路和单片机配合连接，单片机信号处理后获得对应通道流量值通过LCD液晶显示，实现流量计量；单片机通过电压反馈电路与微泵入口配合连接，单片机通过DA通道调节输出与所需流量值相对应的反馈电压值，将该电压值反馈到T型微泵的入口处作为激励电压，实现输入电压值的实时反馈控制，进而对T型管道内的流场流速和流量控制，完成流量反馈控制。

所述的微流体诱导电渗计量泵的流动控制方法，其特征在于微泵的出口处流量为10mL/s-350mL/s，优选50mL/s-250mL/s，更优选100mL/s-200mL/s。

所述的微流体诱导电渗计量泵的流动控制方法，其特征在于热式薄膜型质量流量传感器通过流量传感电路获得与通道流量呈确定函数关系的电压信号，并通过同相放大电路和单片机中的DA通道进行信号处理，获得对应通道流量值。

所述的微流体诱导电渗计量泵的流动控制方法，其特征在于所述的单片机为MSP430单片机。

上述微流体诱导电渗计量泵的流动控制方法，通过设置T形高效微泵，ICEOF的应用，实现了微通道内，无阀高效驱动效果；采用MEMS工艺设置热式薄膜型质量流量传感器，将微电子、发热元件、测温元件集成在传感器芯片上，实现微通道内，流量精确测量；设计合理外围流量计量和反馈控制电路，实现了微泵流量的可控性输出，形成具有自动调节流量功能的微流体诱导电渗计量泵。

附图说明

图1为本发明的结构框图；

图2为不同电场强度下微泵出口处流量图；

图3 为热式薄膜质量流量传感器无气流通过时的原理图；

图4 为热式薄膜质量流量传感器有气流通过时的原理图；

图5 为流量传感电路的电路原理图；

图6为同相放大电路的电路原理图；

图7为电压反馈电路的电路原理图； 

图中：1-微泵、2-流量传感电路、3-同相放大电路、4-单片机、5-LCD液晶、6-电压反馈电路。

具体实施方式

以下结合说明书附图对本发明作进一步说明。

如图所示，微泵1T形微管的垂直管道与平行管道交接处嵌入半边不同性质的圆柱形障碍物，在外加电场作用下诱导产生的电渗流实现流体驱动，T形微管中采用MEMS工艺设置热式薄膜型质量流量传感器，热式薄膜型质量流量传感器的加热电阻两侧各设置一个测温热敏电阻，流量传感电路2通过同相放大电路3和单片机4配合连接，单片机4信号处理后获得对应通道流量值通过LCD液晶5显示，实现流量计量；单片机4通过电压反馈电路6与微泵1入口配合连接，单片机4通过DA通道调节输出与所需流量值相对应的反馈电压值，将该电压值反馈到T型微泵的入口处作为激励电压，实现输入电压值的实时反馈控制，进而对T型管道内的流场流速和流量控制，完成流量反馈控制。微泵1的出口处流量为10mL/s-350mL/s，优选50mL/s-250mL/s，更优选100mL/s-200mL/s。热式薄膜型质量流量传感器通过流量传感电路2获得与通道流量呈确定函数关系的电压信号，并通过同相放大电路3和单片机4中的DA通道进行信号处理，获得对应通道流量值。所述的单片机4为MSP430单片机。

所述的流量传感电路2包括电阻R1和R2并联接信号输入端，电阻R2的另一端接电阻RC的一端，电阻RC的另一端接GND，电阻R1的另一端接电阻RW的一端，电阻RW的另一端接GND,信号输入端接放大器AD620（2）的3脚，放大器AD620(2)的2脚接在电阻R1和电阻RW的公共端，放大器AD620(2)的1脚通过电阻R3与8脚相连放大器AD620(2)的5脚接电阻R5的一端，电阻R5的另一端接电容C1，然后接入AD,电容C1的另一端接GND,在电阻R2和电阻RC的公共端接入放大器AD620(1)的3脚，在电阻R1和电阻RW的公共端接放大器AD620(1)的2脚，放大器AD620(1)的1脚通过电阻R4与8脚相连，放大器放大器AD620(1)的5脚接电阻R5和电容C2，电阻R5的另一端接电容C2和U1的2脚，电容C2另一脚接电容C3，电容C3接U1的6脚，U1的3脚接地，电阻R7的一端接U1的6脚，另一端接U2的2脚,U2的3脚接地，电阻R8一端接VEW,另一端接电阻R9的一端和U2的2脚，电阻R9的另一端接U2的6脚，电容C4和电阻R9并联，两端分别接电阻R9的两端U3的3脚接U2的6脚，U3的2脚接输出VO，U3的6脚接电阻人R10的一端，电阻R10的另一端接三极管TIP122的基极，三极管TIP122的集电极接15v的电压，三极管TIP122的发射极接输出VO。

所述的同相放大电路3包括电阻R11一端接GND,另一端接放大器OP37的2脚，电阻R12的一端接放大器OP37的2脚，另一端接放大器OP37的6脚，放大器OP37的6脚接电压输出, 放大器OP37的3脚接输入，放大器OP37的4脚接GND, 放大器OP37的7脚接VCC。

所述的电压反馈电路6包括DAC5571的1脚接电压输出，DAC5571的2脚接GND，DAC5571的3脚接电压VCC, DAC5571的4脚接MSP430的P1.0口，DAC5571的5脚接MSP430的P1.1口， DAC5571的6脚接GND。

 

针对T型微泵1，以嵌入障碍物在外加电场作用下诱导产生的电渗流，实现流体驱动效果的增强；采用Fluent仿真，对T型微泵1的工作性能进行分析，给出数值模拟计算的数学模型。

假设所研究液体为黏性不可压缩的牛顿流体，则该算例中流场的动量方程可写作：

                                                                 (1)

其中，为流体密度，为速度矢量，为压力值，为流体粘度系数，为离子化合价，为电子电荷量，为离子浓度值，为双电层壁面电势，为外加电场电势，为玻尔兹曼常数，为绝对温度。

外加电场控制方程和双电层壁面电势控制方程分别如公式(2)及公式(3)所示：

                                              (2)

                                          (3)

                                        (4)

其中，为溶液局部体积净电荷密度，为真空介电常数，为电解液的相对介电系数，可定义为溶液介电常数。

为了对微泵工作性能做较为全面的评估，给定入口处边界条件为，且进出口压力值均为一个大气压值，且不存在滑移边界条件，经过合理设定数值模拟边界条件，编写合理CFD接口程序，对T型微泵1的驱动效果进行模拟；出口处流量的对比图，如图2所示，可以看到，在所施加的电场强度范围内，可获得的出口处流量驱动范围为1.241e-5 m3/s-3.482e-4 m3/s，即12.41mL/s-348mL/s，驱动效果良好。

整个微流体诱导电渗计量泵的流量计量部分，采用基于MEMS技术的热式薄膜型质量流量传感器，通过流量传感电路2获得与通道流量呈确定函数关系的电压信号U₁，并通过同相放大电路3和单片机4中的DA通道进行信号处理，获得对应通道流量值Q，并通过LCD液晶5显示，实现流量计量。

热式薄膜质量流量传感器，是利用热传导和热耗散的原理制作的，流体放热量或吸热量与流体的质量成正比；其结构上主要包括加热电阻和测温电阻。作为热源的加热器放置在管道中间，使被测流体温度升高。加热器两侧各放置一个测温热敏电阻器，用以检定加热器两侧温度变化，将热敏电阻与外接的两个固定电阻组成测量电桥。流体静止时，测量电桥处于平衡状态。流体流动时，沿管道轴向的温度场分布的对称性被扰动破坏，引起测温电阻器阻值的变化，进而造成电桥失去平衡，输出一个直流电压信号；其基本原理图如图3所示，其传感器电路如图4所示；给出微泵流量值与传感器输出电压值之间的关系，如公式(5)所示，可以看到微泵输出流量值与传感器输出电压值U₁之间呈确定函数关系。

                       (5)

流量的液晶显示部分，即基于公式(5)编写C语言编程，在单片机4的DA通道内实现电压信号与流量值的转换，并将其显示到LCD液晶5上。

流量反馈控制部分，则是结合微泵外加电压值与输出流量之间的关系，流量与传感器测量电压值之间的关系，通过单片机4的DA通道，调节输出与所需流量值相对应的反馈电压值；将该电压值反馈到T型微泵1的入口处作为激励电压，实现输入电压值的实时反馈控制，进而对T型管道内的流场流速和流量控制，完成本设计中关键的流量反馈控制。

Claims (4)

1. 微流体诱导电渗计量泵的流动控制方法，其特征在于包括微泵（1），微泵（1）T形微管的垂直管道与平行管道交接处嵌入半边不同性质的圆柱形障碍物，在外加电场作用下诱导产生的电渗流实现流体驱动，T形微管中采用MEMS工艺设置热式薄膜型质量流量传感器，热式薄膜型质量流量传感器的加热电阻两侧各设置一个测温热敏电阻，流量传感电路（2）通过同相放大电路（3）和单片机（4）配合连接，单片机（4）信号处理后获得对应通道流量值通过LCD液晶（5）显示，实现流量计量；单片机（4）通过电压反馈电路（6）与微泵（1）入口配合连接，单片机（4）通过DA通道调节输出与所需流量值相对应的反馈电压值，将该电压值反馈到T型微泵的入口处作为激励电压，实现输入电压值的实时反馈控制，进而对T型管道内的流场流速和流量控制，完成流量反馈控制。

2. 如权利要求1所述的微流体诱导电渗计量泵的流动控制方法，其特征在于微泵（1）的出口处流量为10mL/s-350mL/s，优选50mL/s-250mL/s，更优选100mL/s-200mL/s。

3. 如权利要求1所述的微流体诱导电渗计量泵的流动控制方法，其特征在于热式薄膜型质量流量传感器通过流量传感电路（2）获得与通道流量呈确定函数关系的电压信号，并通过同相放大电路（3）和单片机（4）中的DA通道进行信号处理，获得对应通道流量值。

4. 如权利要求1所述的微流体诱导电渗计量泵的流动控制方法，其特征在于所述的单片机（4）为MSP430单片机。