CN105259934A - 无线遥控微量注射装置 - Google Patents

Abstract

无线遥控微量注射装置，属于微流控领域和医药注射领域，本发明为解决现有微小流量系统存在死体积、体积大、价格昂贵、制作工艺复杂、难以实现网络化和智能化的问题。本发明技术方案：气压源产生的压力气体进入h型流道，经微阀驱动单元调节后，气体进入液体发生装置的气体腔。气体腔压力增大后，待输送液体被迫向外挤出，进入线型流道，经流量传感器后向外界输出。流量传感器测得输出液体流量信号，传送至控制器作为系统闭环控制的反馈信号，进而实现对微阀驱动单元对于阀口的实时调节，保证系统液体的输出特性。无线通讯模块实现控制器与上位机的通讯，实现系统的无线遥控和无线监控。

Description

无线遥控微量注射装置

技术领域

本发明涉及一种无线遥控微量注射装置，属于微流控领域和医药注射领域。

背景技术

微小流量系统一般用于微量液体注射或输送，应用于医疗、生物化学分析、微流控芯片等领域。目前，市场上广泛应用的微小流量系统分为三类：蠕动泵式微小流量系统、注射泵式微小流量系统和压力式微小流量系统。蠕动泵式微小流量系统控制精度高，但是体积较大，实现原理复杂，大多无法同时独立产生多个流量输出。注射泵式微小流量系统性能可靠，控制精度高，但是体积大，同时其容腔内不可避免地存在死体积，不适用于超微量的试剂源与珍贵的试剂的输送。压力式微小流量系统兼有蠕动泵式微小流量系统和注射泵室的优点，又可避免被控液体浪费。另外，采用压力式流小流量系统能同时进行多通道的液体流量操作，并且由于气体压力的连续性可保证操作过程中各个通道中的液体达到相同的性质。但是常规的压力式微小流量系统成本较高，体积较大，难以实现微小流量系统的小型化，家庭化的发展趋势。同时，在德国大力发展《工业4.0》和我国提出《中国制造2025》计划之际，网络控制和智能化成为工业产品和技术的重要发展方向。微小流量系统的智能化和网络化，也是一种重要的发展方向。

发明内容

本发明的目的是为解决现有微小流量系统存在死体积、体积大、价格昂贵、制作工艺复杂、难以实现网络化和智能化的问题，本发明基于压力式微小流量系统和微流控芯片中的快速成形技术，结合无线控制技术，提出一种无线遥控微量注射装置。

本发明所述无线遥控微量注射装置，它包括液体发生装置、气压源、结构层和控制层；气压源为结构层提供气体；结构层和控制层可上下布局，通过四个支撑柱连接，液体发生装置设置在结构层和控制层之间；液体发生装置用于输出注射用液体；

所述结构层包括流道与基座封装模块、流道外接接头、微阀驱动单元、流量传感器和软管；流道与基座封装模块包括四个支撑柱安装孔、微流道、凹膜、平膜、流道基板；流道基板上表面设置有平膜，平膜上表面设置有凹膜，凹膜向上的凹槽中设置有线型流道和h型流道；流道外接接头包括二次出液接头、一次进气接头、泄气接头、出气接头、二次进气接头、一次出液接头和一次进液接头；微阀驱动单元包括第一微阀驱动部件和第二微阀驱动部件；软管包括第一软管、第二软管和第三软管；

所述控制层包括电路基板、控制电路和上位机；所述电路基板上有四个支撑柱安装孔、液体发生装置定位孔和控制电路，四个支撑柱安装孔和四个支撑柱安装孔用于上下配合安装四个支撑柱，液体发生装置定位孔用于与液体发生装置连接；所述控制电路包括控制器、驱动器、无线通讯模块和滤波电路模块；

液体发生装置包括塞子、进气管、壳体、出液管和待输送液体；壳体的上端用塞子密封，塞子插有出液管，出液管置于待输送液体中，待输送液体的液体平面高于出液管的底端且低于进气管的底端；出液管的上端口与一次出液接头相连通；

气压源和一次进气接头通过第一软管连接，出气接头和二次进气接头通过第二软管连接，一次出液接头和一次进液接头通过第三软管连接；第一微阀驱动部件设置于h型流道的旁路出口处，靠近泄气接头；第二微阀驱动部件设置于h型流道的主干入口处，靠近一次进气接头；流量传感器设置于线型流道的出口处，靠近二次出液接头；

h型流道中的介质为第一介质，线型流道中的介质为第二介质，液体发生装置中的盛装待输送液体上半部分为第一介质，下半部分为第二介质；

流量传感器采集线型流道的第二介质流量信号，流量传感器的第二介质流量信号输出端与滤波电路模块的第二介质流量信号输入端相连，滤波电路模块的第二介质流量信号输出端与控制器的第二介质流量信号输入端相连；控制器将第二介质流量信号通过无线通讯模块与上位机进行数据交互；

控制器根据采集的第二介质流量信号输出驱动指令，并通过驱动器分别发送到第一微阀驱动部件和第二微阀驱动部件的驱动指令输入端；第一微阀驱动部件和第二微阀驱动部件根据驱动指令调节h型流道中的第一介质流量或压力。

本发明的优点：1）常规的压力式微小流量系统中所采用的元件为常规尺寸的气压元件、气压管道、液体管道，体积大。而本发明中基于微流控芯片的原理，利用PDMS的快速成形技术制作微米级的气体流道和液体流道，流道的尺寸和结构形状可以自由设计。流道的尺寸越小，系统的控制精度越高。2）同时，无线遥控微量注射装置采用微流控芯片领域的微阀驱动部件，其结构简单，易于加工，成本低，产品整体体积大大减小，可进一步实现流量系统的产品化、集成化、家庭化。3）采用两个微阀协调控制实现输出高精度的压力气体输出，进而驱动液体定量流出，控制方法简单；3）将无线控制方法应用到微小流量系统中，有利于实现微小流量系统的智能化与网络化。

附图说明

图1是本发明所述无线遥控微量注射装置的系统集成结构示意图；

图2是流道层平面图；

图3是电路层平面图；

图4是系统原理图；

图5是图1中流道与基座封装模块1的前视图；

图6是液体发生装置的内部结构图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1至图6说明本实施方式，本实施方式所述无线遥控微量注射装置，它包括液体发生装置10、气压源11、结构层和控制层；气压源11为结构层提供气体；结构层和控制层可上下布局，通过四个支撑柱8连接，液体发生装置10设置在结构层和控制层之间；液体发生装置10用于输出注射用液体；

所述结构层包括流道与基座封装模块1、流道外接接头2、微阀驱动单元3、流量传感器4和软管9；流道与基座封装模块1包括四个支撑柱安装孔1-1、微流道1-2、凹膜1-3、平膜1-4、流道基板1-5；流道基板1-5上表面设置有平膜1-4，平膜1-4上表面设置有凹膜1-3，凹膜向上的凹槽中设置有线型流道1-2-1和h型流道1-2-2；流道外接接头2包括二次出液接头2-1、一次进气接头2-2、泄气接头2-3、出气接头2-4、二次进气接头2-5、一次出液接头2-6和一次进液接头2-7；微阀驱动单元3包括第一微阀驱动部件3-1和第二微阀驱动部件3-2；软管9包括第一软管9-1、第二软管9-2和第三软管9-3；

所述控制层包括电路基板5、控制电路6和上位机7；所述电路基板5上有四个支撑柱安装孔5-1、液体发生装置定位孔5-2和控制电路6，四个支撑柱安装孔1-1和四个支撑柱安装孔5-1用于上下配合安装四个支撑柱8，液体发生装置定位孔5-2用于与液体发生装置10连接；所述控制电路6包括控制器6-1、驱动器6-2、无线通讯模块6-3和滤波电路模块6-5；

液体发生装置10包括塞子10-1、进气管10-2、壳体10-3、出液管10-4和待输送液体10-5；壳体10-3的上端用塞子10-1密封，塞子10-1插有出液管10-4，出液管10-4置于待输送液体10-5中，待输送液体10-5的液体平面高于出液管10-4的底端且低于进气管10-2的底端；出液管10-4的上端口与一次出液接头2-6相连通；

气压源11和一次进气接头2-2通过第一软管9-1连接，出气接头2-4和二次进气接头2-5通过第二软管9-2连接，一次出液接头2-6和一次进液接头2-7通过第三软管9-3连接；第一微阀驱动部件3-1设置于h型流道1-2-2的旁路出口处，靠近泄气接头2-3；第二微阀驱动部件3-2设置于h型流道1-2-2的主干入口处，靠近一次进气接头2-2；流量传感器4设置于线型流道1-2-1的出口处，靠近二次出液接头2-1；

h型流道1-2-2中的介质为第一介质，线型流道1-2-1中的介质为第二介质，液体发生装置10中的盛装待输送液体10-5上半部分为第一介质，下半部分为第二介质；

流量传感器4采集线型流道1-2-1的第二介质流量信号，流量传感器4的第二介质流量信号输出端与滤波电路模块6-5的第二介质流量信号输入端相连，滤波电路模块6-5的第二介质流量信号输出端与控制器6-1的第二介质流量信号输入端相连；控制器6-1将第二介质流量信号通过无线通讯模块6-3与上位机7进行数据交互；

控制器6-1根据采集的第二介质流量信号输出驱动指令，并通过驱动器6-2分别发送到第一微阀驱动部件3-1和第二微阀驱动部件3-2的驱动指令输入端；第一微阀驱动部件3-1和第二微阀驱动部件3-2根据驱动指令调节h型流道1-2-2中的第一介质流量或压力。

以微量药品注射为例，说明介质的流动过程：压力气体由气压源11产生，依次通过第一软管9-1和一次进气接头2-2进入h型流道1-2-2，压力气体在流向出气接头2-4的过程中经第一微阀驱动部件3-1和第二微阀驱动部件3-2调节。经过调节后的压力气体依次通过出气接头2-4、软管9-2、二次进气接头2-5，后进入液体发生装置10。压力气体通过进气管10-2进入液体发生装置10的气体腔，并增大气体腔的压强，进而压迫液体发生装置10中所盛装液体10（药品）依次通过出液管10-4、一次出液接头2-6、软管9-2、一次进液接头2-7进入线型流道1-2-1，继而通过流量传感器4后以恒定的流量从二次出液接头2-1向外输出。二次出液接头2-1可接注射针管，即整个装置可以实现药品以恒定流量从注射针管输出。

以微量药品注射为例，说明系统控制回路：操作者在上位机7输入控制参数，通过无线方式将控制参数传送给控制电路6的无线通讯模块6-3，无线通讯模块6-3将控制参数传送至控制器6-1，经控制器6-1的算法处理后向驱动器6-2输出控制信号，驱动器6-2产生不同的驱动电压施加到第一微阀驱动部件3-1和第二微阀驱动部件3-2，进而实现对于第一微阀驱动部件3-1和第二微阀驱动部件3-2对应流道处的阀口开度。流量传感器4检测得线型流道1-2-1中药品的流量信号，流量信号通过滤波电路模块6-5传送到控制器6-1，作为控制器闭环控制算法的反馈信号，进而实现对于第一微阀驱动部件3-1和第二微阀驱动部件3-2对应流道处的阀口开度的调节。无线通讯模块6-3和上位机7通过无线网络相连，实现系统的无线控制（参数设定）和无线监控（实时“流量-时间”变化曲线）。

具体实施方式二：结合图6说明本实施方式，无线遥控微量注射装置中的待输送液体10-5可以是药物、营养物质、生物试剂、化学试剂或水。其它连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图1和图4说明本实施方式，无线遥控微量注射装置中的气压源11可以是微型气泵、气泵、空气压缩机或氮气罐。其它连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式四：结合图1说明本实施方式，无线遥控微量注射装置中的软管9的材料可以是聚四氟乙烯、硅胶。其它连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式五：结合图1说明本实施方式，无线遥控微量注射装置整体通过分层布局的连接方式，上下基板的支撑柱8可以是螺柱、螺丝和螺母固连，也可以使用相似形状的高分子树脂短管或矩形条状的甲基丙烯酸甲脂（PMMA）短管代替，并通过丙烯酸改性环氧胶或氰基丙烯酸乙酯通过胶粘的方式固连。其它连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式六：结合图3和图4说明本实施方式，本实施方式中控制器6-1的控制芯片可以是单片机、ARM、DSP或FPGA。其它连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式七：结合图3和图4说明本实施方式，本实施方式中控制器6-1的控制算法可以是PID、模糊控制、神经网络、模糊PID或模糊神经网络算法。其它连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式八：结合图2至图4说明本实施方式，本实施方式中所采用的第一微阀驱动部件3-1和第二微阀驱动部件3-2可以是机械式微阀驱动部件或非机械微阀驱动部件，体积小、控制简单，利于系统集成。阀3-1和阀3-2可使用不同的结构原理。其它连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式九：结合图3和图4说明本实施方式，本实施方式中所采用的无线通讯模块6-3可以是蓝牙模块、Zigbee模块、WIFI模块、GSM模块、GPRS模块。其它连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式十：结合图3和图4说明本实施方式，本实施方式中所采用的上位机7可以是手机、平板或电脑，对应配套不同的上位机软件。其它连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式十一：结合图5说明本实施方式，本实施方式的凹膜1-3、平膜1-4的材料为聚二甲基硅氧烷（PDMS）或聚甲基丙烯酸甲脂（PMMA）。其它连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式十二：结合图5说明本实施方式，本实施方式的基板1-5的材料为聚甲基丙烯酸甲脂（PMMA）、高分子树脂或玻璃，其厚度为1mm～10mm。上述材料加工工艺简单，透明度高，有利于整体的美观。其它连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式十三：结合图5说明本实施方式，本实施方式中的平膜1-4的厚度为0.25mm～6mm，凹膜薄1-3的厚度为0.25mm～6mm。平膜1-4和凹膜1-3的长度为10mm～60mm，平膜1-4和凹膜1-3的宽度为3mm～60mm。其它连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式十四：结合图2和图5说明本实施方式，本实施方式中的线型流道1-2-1、h型流道1-2-2的截面形状可以是长方形、半圆形或其他不规则的形状。当流道截面形状为长方形时，它的截面长度为0.05mm～1mm，截面高度为0.01mm～1mm。其它连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式十五：结合图3和图4说明本实施方式，本实施方式中上位机7的应用软件功能应包括：开始、中断、复位、工作状态显示、出液流量-时间实时曲线、实时流量值、系统流量设定值输入和确定、第一微阀驱动部件3-1和第二微阀驱动部件3-2对应阀口的独立控制（含全开、全闭和任意阀口开度控）。其它连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式十六：结合图3和图4说明本实施方式，本实施方式中控制电路6还包括拓展模块6-4，拓展模块6-4可以是显示屏、触摸屏、数码管、键盘或LED显示模块。其它连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式十七：结合图6说明本实施方式，本实施方式中的壳体10-3可以是高分子树脂、玻璃。其它连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式十八：结合图6说明本实施方式，本实施方式中的壳体10-3可以是圆柱体、长方体、末端为椭球的圆柱体、椭球体。以圆柱体为例，其直径为1mm～100mm，其高度为10mm～200mm。其它连接关系与具体实施方式一相同。

Claims (10)

1.无线遥控微量注射装置，其特征在于，它包括液体发生装置（10）、气压源（11）、结构层和控制层；气压源（11）为结构层提供气体；结构层和控制层可上下布局，通过四个支撑柱（8）连接，液体发生装置（10）设置在结构层和控制层之间；液体发生装置（10）用于输出注射用液体；

所述结构层包括流道与基座封装模块（1）、流道外接接头（2）、微阀驱动单元（3）、流量传感器（4）和软管（9）；流道与基座封装模块（1）包括四个支撑柱安装孔（1-1）、微流道（1-2）、凹膜（1-3）、平膜（1-4）、流道基板（1-5）；流道基板（1-5）上表面设置有平膜（1-4），平膜（1-4）上表面设置有凹膜（1-3），凹膜向上的凹槽中设置有线型流道（1-2-1）和h型流道（1-2-2）；流道外接接头（2）包括二次出液接头（2-1）、一次进气接头（2-2）、泄气接头（2-3）、出气接头（2-4）、二次进气接头（2-5）、一次出液接头（2-6）和一次进液接头（2-7）；微阀驱动单元（3）包括第一微阀驱动部件（3-1）和第二微阀驱动部件（3-2）；软管（9）包括第一软管（9-1）、第二软管（9-2）和第三软管（9-3）；

所述控制层包括电路基板（5）、控制电路（6）和上位机（7）；所述电路基板（5）上有四个支撑柱安装孔（5-1）、液体发生装置定位孔（5-2）和控制电路（6），四个支撑柱安装孔（1-1）和四个支撑柱安装孔（5-1）用于上下配合安装四个支撑柱（8），液体发生装置定位孔（5-2）用于与液体发生装置（10）连接；所述控制电路（6）包括控制器（6-1）、驱动器（6-2）、无线通讯模块（6-3）和滤波电路模块（6-5）；

液体发生装置（10）包括塞子（10-1）、进气管（10-2）、壳体（10-3）、出液管（10-4）和待输送液体（10-5）；壳体（10-3）的上端用塞子（10-1）密封，塞子（10-1）插有出液管（10-4），出液管（10-4）置于待输送液体（10-5）中，待输送液体（10-5）的液体平面高于出液管（10-4）的底端且低于进气管（10-2）的底端；出液管（10-4）的上端口与一次出液接头（2-6）相连通；

气压源（11）和一次进气接头（2-2）通过第一软管（9-1）连接，出气接头（2-4）和二次进气接头（2-5）通过第二软管（9-2）连接，一次出液接头（2-6）和一次进液接头（2-7）通过第三软管（9-3）连接；第一微阀驱动部件（3-1）设置于h型流道（1-2-2）的旁路出口处，靠近泄气接头（2-3）；第二微阀驱动部件（3-2）设置于h型流道（1-2-2）的主干入口处，靠近一次进气接头（2-2）；流量传感器（4）设置于线型流道（1-2-1）的出口处，靠近二次出液接头（2-1）；

h型流道（1-2-2）中的介质为第一介质，线型流道（1-2-1）中的介质为第二介质，液体发生装置（10）中的盛装待输送液体（10-5）上半部分为第一介质，下半部分为第二介质；

流量传感器（4）采集线型流道（1-2-1）的第二介质流量信号，流量传感器（4）的第二介质流量信号输出端与滤波电路模块（6-5）的第二介质流量信号输入端相连，滤波电路模块（6-5）的第二介质流量信号输出端与控制器（6-1）的第二介质流量信号输入端相连；控制器（6-1）将第二介质流量信号通过无线通讯模块（6-3）与上位机（7）进行数据交互；

控制器（6-1）根据采集的第二介质流量信号输出驱动指令，并通过驱动器（6-2）分别发送到第一微阀驱动部件（3-1）和第二微阀驱动部件（3-2）的驱动指令输入端；第一微阀驱动部件（3-1）和第二微阀驱动部件（3-2）根据驱动指令调节h型流道（1-2-2）中的第一介质流量或压力。

2.根据权利要求1所述无线遥控微量注射装置，其特征在于，待输送液体（10-5）为药物、营养物质、生物试剂、化学试剂或水；气压源（11）采用微型气泵、气泵、空气压缩机或氮气罐来实现；支撑柱（8）采用是螺柱、螺丝和螺母固连；或采用相似形状的高分子树脂短管或矩形条状的甲基丙烯酸甲脂（PMMA）短管代替，并通过丙烯酸改性环氧胶或氰基丙烯酸乙酯通过胶粘的方式固连。

3.根据权利要求1所述无线遥控微量注射装置，其特征在于，控制器（6-1）的控制芯片为单片机、ARM、DSP或FPGA；控制器（6-1）的控制算法为PID、模糊控制、神经网络、模糊PID或模糊神经网络算法。

4.根据权利要求1所述无线遥控微量注射装置，其特征在于，第一微阀驱动部件（3-1）和第二微阀驱动部件（3-2）采用机械式微阀驱动部件或非机械微阀驱动部件。

5.根据权利要求1所述无线遥控微量注射装置，其特征在于，无线通讯模块（6-3）采用蓝牙模块、Zigbee模块、WIFI模块、GSM模块或GPRS模块来实现；上位机（7）采用手机、平板或电脑来实现。

6.根据权利要求1所述无线遥控微量注射装置，其特征在于，凹膜（1-3）、平膜（1-4）的材料为聚二甲基硅氧烷（PDMS）或聚甲基丙烯酸甲脂（PMMA）；基板1-5的材料为聚甲基丙烯酸甲脂（PMMA）、高分子树脂或玻璃，其厚度为1mm～10mm；上述材料加工工艺简单，透明度高，有利于整体的美观。

7.根据权利要求6所述无线遥控微量注射装置，其特征在于，平膜（1-4）的厚度为0.25mm～6mm，凹膜薄1-3的厚度为0.25mm～6mm；平膜（1-4）和凹膜（1-3）的长度为10mm～60mm，平膜（1-4）和凹膜（1-3）的宽度为3mm～60mm。

8.根据权利要求1所述无线遥控微量注射装置，其特征在于，线型流道（1-2-1）、h型流道（1-2-2）的截面形状可以是长方形、半圆形或其他不规则的形状；当流道截面形状为长方形时，它的截面长度为0.05mm～1mm，截面高度为0.01mm～1mm。

9.根据权利要求1所述无线遥控微量注射装置，其特征在于，控制电路（6）还包括拓展模块6-4，拓展模块6-4为显示屏、触摸屏、数码管、键盘或LED显示模块。

10.根据权利要求1所述无线遥控微量注射装置，其特征在于，壳体（10-3）的材质为高分子树脂或玻璃；壳体（10-3）的形状为圆柱体、长方体、末端为椭球的圆柱体或椭球体。