CN110597328A - 一种基于液晶温控微阀的流量协同控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于液晶温控微阀流量协同控制系统，包括微通道、基底、液晶、温度控制元件、温度传感器、压力传感器和控制芯片；微通道设置于基底上方；液晶设置于微通道内并可沿通道方向流动；温度控制元件和温度传感器设置于垂直液晶流向的两侧微通道壁内；压力传感器设置于微通道入口和各分支出口处；温度控制元件、温度传感器、压力传感器均连接到控制芯片上。本发明通过非均匀温度场下液晶非对称流动特性实现了样品的径流调节，从而控制不同反应器或检测器的进样量，显著地增强了化学反应或生物检测的对比效果；此外通过温度和压力的协同反馈调节，在微阀的各出口获得精确、稳定的分流比并实现较短的响应时间。

Description

一种基于液晶温控微阀的流量协同控制系统

技术领域

本发明属于微阀技术领域，具体涉及一种基于液晶温控微阀的流量协同控制系统。

背景技术

微流控芯片又称之为芯片实验室(Lab-on-a-Chip)，其主要通过对微小槽道内流体的操 控，在芯片中实现进样、稀释、混合、反应、分离、分析和检测等实验室功能。微流控芯片 具有微型化、集成化和便携化等优势，能够将分析实验室的各种功能最大限度地集成到尺寸 很小的芯片上，因而在生物、医药、材料和化学化工等众多领域具有较强的适用性和广阔的 应用前景。

微流控芯片的功能是对微小槽道内流体进行可靠操控，从而完成生物化学分析及反应所 需的各项操作。微阀在微流控芯片中起径流调节和开/关转换等作用，是微流控芯片驱动控制 系统中的核心控制元件，其发展水平是衡量微流控芯片技术的重要指标之一。

申请号为201710859316.X的发明专利公开了一种微流控芯片检测控制系统，涉及微流控 技术领域，解决了现有技术中的微流控芯片检测控制系统的检测通量低、可拓展性差的技术 问题。该微流控芯片检测控制系统包括微流控芯片单元和加热检测单元。其中，微流控芯片 单元包括多个用于提取扩增核酸，得到待检测样本的微流控芯片，微流控芯片上开设有卡槽 和卡柱，第n个微流控芯片的卡槽与第n+1个微流控芯片的卡柱相互卡接阵列设置；加热检测 单元用于对多个待检测样本依次进行检测，得到与多个待检测样本一一对应的检测结果。

但是类似该发明的控制系统存在控制方式简单、控制精度低、检测结果误差大、响应时 间长、容易受外界干扰和调节分流比不方便等缺点，并且不能即时快速启停，不能根据目标 分流比实现温度-压力协同反馈调节。

发明内容

有鉴于此，本发明为了解决现有技术中的微阀存在控制精度低、误差大、响应时间长、 容易受外界干扰和调节分流比不方便等问题。提供一种基于液晶温控微阀的流量协同控制系 统，该温控微阀通过非均匀温度场下液晶非对称流动特性实现了样品的径流调节，从而控制 不同反应器或检测器的进样量，显著地增强了化学反应或生物检测的对比效果，极大地减少 了实验和检测的工作量及相关成本。同时通过温度和压力的协同反馈调节，可以精确地调整 微通道两侧壁面之间的温差、控制微阀入口和各分支出口的压差，获得微阀各出口处精确及 稳定的分流比和实现快速响应。

为达到上述目的，本发明提供一种基于液晶温控微阀的流量协同控制系统，包括微通道、 基底、液晶、温度控制元件、温度传感器、压力传感器和控制芯片；所述微通道设置于基底 上方；所述液晶设置于微通道内并可沿通道方向流动；所述温度控制元件包括加热元件和制 冷元件，温度控制元件设置于垂直液晶流向的两侧微通道壁内；所述温度传感器设置于垂直 液晶流向的两侧微通道壁内；所述压力传感器设置于微通道入口和各分支出口处；所述温度 控制元件、温度传感器、压力传感器均连接到控制芯片上。

优选的，温度传感器、压力传感器、温度控制元件和控制芯片形成闭环控制系统，所述 控制芯片将设定的目标分流比计算得到目标温差和目标压差，所述温度传感器将采集到的微 通道壁温差与控制芯片设定的目标温差进行比对，所述压力传感器将采集到的入口与各分支 出口的压差与控制芯片设定的目标压差进行比对，协同控制温度控制元件工作，进而通过控 制温差来调节各出口压差。

优选的，所述温度传感器为热电偶。

优选的，所述加热元件为电热丝，所述制冷元件为制冷片。

优选的，微通道壁由PDMS材料制成。

优选的，基底由玻璃材料制成。

优选的，所述液晶为向列型液晶。

优选的，电热丝和制冷片均为分块式独立受控的结构。

优选的，电热丝和制冷片的功率能连续调节。

本发明的有益效果在于：

1、本发明所公开的基于液晶温控微阀的流量协同控制系统中，温度传感器、压力传感器、 温度控制元件和控制芯片形成闭环控制系统，控制芯片通过输入的目标分流比计算出目标温 差和压差，温度传感器将采集到的微通道壁两侧温差与控制芯片中设置的目标温差进行比对， 压力传感器将采集到的微通道入口和各出口压差与控制芯片中设置的目标压差进行比对，根 据比对结果来调节温度控制元件的工作功率，使得微通道两侧的温度差达到目标温差，达到 目标温差后即可在各出口获得目标流量差、在入口和各出口间达到目标压差，进而获得稳定 的分流比，实现快速的响应、稳定的径流调节和精确的微阀控制。即使微阀受到外界扰动影 响，实际的温差或压差改变导致分流比偏离设定值，温度或压力传感器将该变化传输至控制 芯片，由控制芯片调节温度控制元件工作功率，使分流比回到设定值。

2、本发明所公开的基于液晶温控微阀的流量协同控制系统中，温度传感器、压力传感器、 温度控制元件和控制芯片形成闭环控制系统。在微通道中达到目标温差、压差和分流比之后， 即使微通道或管路受到外界温度、压力扰动的影响导致微通道内实际温差、压差和分流比发 生突变，也可以通过温度传感器和压力传感器实时监测到对应的温差和压差突变并反馈到控 制芯片，通过闭环控制系统调节温度控制元件的工作功率，使微阀自动调节回原定的目标温 差、压差、分流比，实现快速的响应、稳定的径流调节和精确的微阀控制。

3、本发明所公开的基于液晶温控微阀的流量协同控制系统，结构简单，加工难度低，仅 需要液晶材料、微通道和提供温差的电热丝和制冷片即可构造微阀，并且通过控制芯片引入 了闭环控制系统，可以自动调节并稳定微通道内的温差、压差和微阀的分流比，实现快速的 响应、稳定的径流调节和精确的微阀控制。

4、本发明所公开的基于液晶温控微阀的流量协同控制系统，液晶温控微阀通过非均匀温 度场下液晶非对称流动特性实现样品的径流调节，从而控制不同反应器或检测器的进样量， 显著地增强了化学反应或生物检测的对比效果，同时也极大地减少了实验和检测的工作量及 相关成本，容易实现对反应物的精确控制，液晶流动变化对温差的动态响应性能好。

5、本发明所公开的基于液晶温控微阀的流量协同控制系统，成本较低，成本主要集中在 液晶材料上，在市场上容易购买到多种液晶且价格较低。本流量协同控制系统使用条件广泛， 只需要微通道两侧较小的温差即可驱动微阀。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为实施例一基于液晶温控微阀的流量协同控制系统示意图；

图2为实施例二基于液晶温控微阀的流量协同控制系统闭环控制流程图；

图3为实施例二基于液晶温控微阀的流量协同控制系统响应过程图；

图4为实施例三基于液晶温控微阀的流量协同控制系统示意图。

附图中标记如下：微通道1、基底2、电热丝3、微通道壁4、制冷片5、热电偶6、入口7、出口8、压力传感器9、控制芯片10。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

实施例一

如图1所示的一种基于液晶温控微阀的流量协同控制系统，包括微通道1、设置在微通 道两侧的微通道壁4、设置在微通道1下方的基底2、设置于微通道1内并可沿通道方向流动 的液晶、分别设置在微通道壁中的电热丝3、制冷片5及热电偶6、压力传感器9和控制芯片10。微通道壁4由PDMS材料制成，基底2由玻璃材料制成。电热丝3和制冷片5的功率能连续调节。热电偶6分别设置在放置电热丝和制冷片的微通道壁内，压力传感器9分别设置在微通道入口7及各出口8处，热电偶6、压力传感器9、电热丝3和制冷片5均连接到控制 芯片10上。热电偶6将采集到的微通道壁温差传递至控制芯片10、压力传感器9将采集到 的微通道入口和各出口压差传递至控制芯片10，通过控制芯片10的分析比对，控制电热丝3 和制冷片5工作。

需要强调的是，两侧微通道壁都同时设置了电热丝3和制冷片5，图中为清晰起见，仅 表示了一侧的加热丝和另一侧的制冷片。

该流量协同控制系统使用时，控制芯片根据所设定的目标分流比计算出目标温差和压差， 调控温度控制元件达到升高电热丝一侧微通道壁的温度或者降低另一侧微通道壁的温度的效 果，微通道两侧的微通道壁存在温度差，形成垂直于流向的温度梯度，在水平温度梯度作用 下，微通道中的液晶流动速度从高温区域到低温区域发生变化，相应地微通道内左右两侧流 量也会不同。微通道中的液晶流动速度从高温区域到低温区域会产生突变，即通过非均匀温 度场下液晶非对称流动特性实现样品的径流调节。

微通道壁上的电热丝可对电热丝一侧的微通道壁加热，使得该侧的液晶温度升高，微通 道壁上的制冷片可对制冷片一侧的微通道壁制冷，使得该侧的液晶温度降低，进而使得垂直 液晶流向两侧的液晶温差增大，精确的触发温控微阀的控制特性。

这种通过控制芯片调节温度控制元件的方式具有快速启停微阀的功能。向列型液晶存在 一个相变温度，使用大功率电热丝将液晶加热到相变温度之上，可使液晶迅速变为各向同相， 在这种状态下的液晶不具有晶体的各向异性，其流速不会因温差存在而产生明显的分布不均， 如此即可使微阀快速丧失控制流量的作用；反之如果使用大功率制冷片将液晶冷却到相变温 度之下，液晶会恢复到向列相，同时速度随温差存在而分布不均匀的特性也会恢复，此时作 为温控微阀的功能恢复。在实现这种功能时，控制芯片的控制逻辑示例如下表所示：

注：T₁和T₂为两侧壁面温度，T_c为液晶由向列相变为各向同相的相变温度，Q₁和Q₂为两分支出口的流量， H₁和H₂代表两侧壁面电热丝，C₁和C₂代表两侧壁面制冷片。

实施例二

将热电偶6、压力传感器9、电热丝3、制冷片5和控制芯片10构建成如图2所示的闭环控制系统，控制芯片可独立采集各热电偶6的温度信号和各压力传感器9的压力信号，并分别独立控制电热丝3和制冷片5。热电偶6将采集到的微通道壁温差传递至控制芯片10、压力传感器9将采集到的微通道入口和各出口压差传递至控制芯片10，通过控制芯片10的分析比对，控制电热丝3和制冷片5工作。

该闭环控制系统为一随动控制系统，任何扰动量或初始值都可以视为一个或多个单位阶 跃给定值输入的叠加。随动控制系统在单位阶跃给定值输入下的响应过程如图3所示，其中 横轴t为时间，纵轴c(t)为被控量。超调量σ_p表征瞬态响应过程中系统输出偏离给定值输入 的最大值，其定义为

式中c(∞)表示被控量新的稳态值，c(t_p)为响应的第一个峰值。系统响应过程达到不再超出 稳态值的容许误差范围±Δ(通常取Δ＝5％)所需的最小时间，即

|c(t)-c(∞)|≤Δ,t≥t_s

其中的t_s，被称为调节时间。系统响应过程终了时的残余偏差，即系统输出稳态值c(∞)与给 定值的输入值之差，被称为稳态误差e_ss。

对于随动控制系统，主要以超调量σ_p、调节时间t_s和稳态误差e_ss这三项指标来评价其稳、 快、准的特性，而对快、准要求较高。除此之外，上升时间t_r和峰值时间t_p也可以作为衡量 系统性能的辅助指标。

使用时，首先在控制芯片上设定目标分流比，控制芯片将根据目标分流比计算目标温差、 目标压差，并开启温度控制元件。温度传感器、压力传感器、温度控制元件和控制芯片形成 闭环控制系统，温度传感器和压力传感器将采集到的微通道两侧的温度及入口和各出口的压 力输入控制芯片，并与计算得到的目标温差、目标压差进行比对，根据比对结果来调节温度 控制元件的工作功率，使得微通道内达到目标温差、目标压差，最终获得目标分流比。同时 通过引入闭环控制系统，有效减弱了外部温度、压力扰动对微通道两侧温度的影响，可自动 调节并稳定微通道内的温差、压差和微阀分流比，实现快速的响应、稳定的径流调节和精确 的微阀控制。存在温度或压力扰动的情况下，控制芯片的控制逻辑示例如下表所示：

注：P_o1和P_o2为两分支出口压力。示例中入口压力P_i不变，仅使用H₁和C₂调节。

实施例三

如图4，所述电热丝3和制冷片5均为分块式独立受控的结构，分块式的电热丝3和制 冷片5每一个小区块均与控制芯片10连接，即可分块/分段式控制加热和制冷，以便根据实 际情况和需求分区域分阶段投入温度控制元件，更加精确、更加容易地控制温差调节过程。 例如，微阀生效时优先投入电热丝，但由于壁面温度最高不能超过液晶相变温度，因此投入 电热丝到热电偶提示接近相变温度时，如果想进一步增大微阀开度即增大分流比，则需开始 投入制冷片加大温差；如果外界的环境温度本身存在梯度，为了维持微通道内沿流动方向的 温差稳定，需要根据实际环境温度情况，沿流动方向分别调节每个区域的温差。分阶段投入 温度控制元件的情况下，控制芯片的控制逻辑示例如下表所示：

注：示例中仅使用H₁和C₂调节。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述 优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和 细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (7)

1.一种基于液晶温控微阀流量协同控制系统，其特征在于：包括微通道、基底、液晶、温度控制元件、温度传感器、压力传感器和控制芯片；所述微通道设置于基底上方；所述液晶设置于微通道内并可沿通道方向流动；所述温度控制元件包括加热元件和制冷元件，温度控制元件设置于垂直液晶流向的两侧微通道壁内；所述温度传感器设置于垂直液晶流向的两侧微通道壁内；所述压力传感器设置于微通道入口和各分支出口处；所述温度控制元件、温度传感器、压力传感器均连接到控制芯片上。

2.根据权利要求1所述的流量协同控制系统，其特征在于：所述加热元件为电热丝，所述制冷元件为制冷片。

3.根据权利要求1所述的流量协同控制系统，其特征在于：温度传感器、压力传感器、温度控制元件和控制芯片形成闭环控制系统，所述控制芯片将设定的目标分流比计算得到目标温差和目标压差，所述温度传感器将采集到的微通道壁温差与控制芯片设定的目标温差进行比对，所述压力传感器将采集到的入口与各分支出口的压差与控制芯片设定的目标压差进行比对，协同控制温度控制元件工作。

4.根据权利要求1所述的流量协同控制系统，其特征在于：所述微通道壁由PDMS材料制成。

5.根据权利要求1所述的流量协同控制系统，其特征在于：所述基底由玻璃材料制成。

6.根据权利要求1所述的流量协同控制系统，其特征在于：所述温度控制元件均可为分块式独立受控的结构。

7.根据权利要求1所述的流量协同控制系统，其特征在于：所述温度控制元件的功率能连续调节。