微流量閉環(huán)控制系統(tǒng)的分析與研究

林琳

（廈門(mén)海洋職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電系，福建廈門(mén)361012）

微流量閉環(huán)控制系統(tǒng)的分析與研究

林琳

（廈門(mén)海洋職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電系，福建廈門(mén)361012）

對(duì)微流量控制系統(tǒng)的組成、機(jī)理、國(guó)內(nèi)外在該領(lǐng)域的研究狀況以及系統(tǒng)的應(yīng)用前景進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹.而實(shí)現(xiàn)微流體的閉環(huán)控制是實(shí)現(xiàn)高精度試劑分配的重要發(fā)展趨勢(shì)，鑒于壓電泵在該領(lǐng)域的固有優(yōu)勢(shì)及缺陷，將微流量傳感器與壓電泵集成，進(jìn)行流體的驅(qū)動(dòng)、檢測(cè)和控制一體化的設(shè)計(jì)，研制具有自檢測(cè)與控制功能的高精度閉環(huán)控制微系統(tǒng)等方面均存在著一系列問(wèn)題，需要繼續(xù)研究.

微流體系統(tǒng)；閉環(huán)控制；壓電泵；微流量傳感器；脈沖驅(qū)動(dòng)

0 引言

微流體控制系統(tǒng)是隨著微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）的發(fā)展而迅速發(fā)展起來(lái)的研究領(lǐng)域.近年來(lái)，利用壓電元件（壓電片或壓電疊堆）作為換能器進(jìn)行流體傳輸?shù)膲弘姳帽粡V泛用于微流動(dòng)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)部件中.目前，由于壓電陶瓷脈動(dòng)驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)，使得壓電泵分配試劑的精度不易控制，影響其在更高精度要求場(chǎng)合的應(yīng)用.如何將壓電泵與流量傳感器一體化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)微流體的閉環(huán)控制是實(shí)現(xiàn)高精度試劑分配的重要發(fā)展趨勢(shì)[1].

1 微流量閉環(huán)控制系統(tǒng)的主要組成元件

1.1 壓電泵

近年來(lái)，利用壓電元件作為換能器進(jìn)行流體傳輸?shù)膲弘姳帽粡V泛用于微流動(dòng)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)部件中，它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、低泄漏、驅(qū)動(dòng)力大、體積小、重量輕、耗能低、響應(yīng)時(shí)間短、無(wú)電磁干擾、無(wú)噪聲等優(yōu)點(diǎn)[2].

壓電泵結(jié)構(gòu)最早是由日本學(xué)者樽崎哲二提出來(lái)的，隨后W.J.Spencer等人開(kāi)發(fā)了利用壓電陶瓷振動(dòng)膜、壓電疊堆型振子等驅(qū)動(dòng)的多種改進(jìn)形式.壓電泵的出現(xiàn)推動(dòng)了微量試劑操作技術(shù)的快速發(fā)展，通過(guò)提高壓電泵性能，將10 μL量級(jí)體積的控釋精度從10%提高到了5%，一定程度上緩解了當(dāng)前特定領(lǐng)域中微量流體操作面臨的精度難題.因此，以壓電泵為核心，建立微流體控制系統(tǒng)成為學(xué)者們廣泛關(guān)注的研究方向.圖1是由臺(tái)灣南方科技大學(xué)Yi-Chu Hsu等人研制的由電源、信號(hào)發(fā)生器、數(shù)字天平、臺(tái)燈和壓電微泵等組成血液輸送系統(tǒng).圖2所示是由大阪科技大學(xué)的Kazuyoshi TSUCHIYA等人開(kāi)發(fā)的由生物酶?jìng)鞲衅?、壓電微泵和微針組成的血液葡萄糖含量檢測(cè)自提取系統(tǒng).國(guó)內(nèi)在壓電泵系統(tǒng)的研究方面還處于起步階段，清華大學(xué)精密儀器系的劉興占設(shè)計(jì)了一種用于微流量系統(tǒng)的微型泵，并將其成功的應(yīng)用于化學(xué)分析.

1.2 壓差式傳感器

對(duì)微流體進(jìn)行精確測(cè)量是微流體閉環(huán)控制系統(tǒng)中非常重要的內(nèi)容，其微流量傳感器測(cè)量精度可達(dá)μL-mL/min級(jí)、甚至nL/min級(jí)[3].目前，國(guó)內(nèi)外研究的各種微流量檢測(cè)傳感器依據(jù)工作原理主要分為熱式和非熱式兩大類(lèi)，相關(guān)研究同樣得到了廣泛重視.

當(dāng)前較為成熟的流量傳感器仍是以傳熱原理為主，但熱量在生物試劑處理過(guò)程中會(huì)造成試劑特性發(fā)生改變，不僅會(huì)影響高精度分配，還會(huì)對(duì)生物試劑中的生命物質(zhì)帶來(lái)影響.通過(guò)各種流量傳感器性能的分析比較可見(jiàn)，壓差式流量傳感器在滿足層流條件時(shí)對(duì)其它參數(shù)不敏感，電極與流體無(wú)接觸、大流速時(shí)靈敏度很好、線性度好、流體溫度變化小、無(wú)能量輸入被測(cè)流體、工藝簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，因此更適合在生物工程領(lǐng)域應(yīng)用[4].目前國(guó)內(nèi)哈爾濱工業(yè)大學(xué)在壓差式流量傳感器研制方面開(kāi)展了探索性研究工作.

圖1 小白鼠血液輸送系統(tǒng)

圖2 血液葡萄糖含量自監(jiān)控系統(tǒng)

2 微流量閉環(huán)控制系統(tǒng)的建立機(jī)理

目前，由于壓電陶瓷脈動(dòng)驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)，使得壓電泵分配試劑的精度不易控制，影響其在更高精度要求場(chǎng)合的應(yīng)用.

該閉環(huán)控制系統(tǒng)是將MEMS壓差式流量傳感器與壓電泵采用一體化設(shè)計(jì)方式，利用整流通道聯(lián)接兩者的管路實(shí)現(xiàn)脈動(dòng)流到層流的轉(zhuǎn)換，同時(shí)考慮跨尺度流道設(shè)計(jì)、系統(tǒng)建模、高精度控制方法等關(guān)鍵技術(shù)，建立閉環(huán)微流體控釋微系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)示意如圖3所示.

圖3 集成式微量試劑控釋微系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2.1 跨尺度流道內(nèi)微流體的驅(qū)動(dòng)與傳輸機(jī)理

壓電微泵與壓差式傳感器的集成系統(tǒng)包含有毫米級(jí)的泵腔和微米級(jí)的壓差管路.此時(shí)，盡管所輸運(yùn)的液體介質(zhì)仍可作為不可壓縮流體處理，且整個(gè)系統(tǒng)仍屬于低Re數(shù)下的層流問(wèn)題，但大尺度泵腔的微量彈性會(huì)極大地影響到微米級(jí)的管路系統(tǒng)的流動(dòng)，造成驅(qū)動(dòng)壓力與測(cè)量流量之間的相位滯后，屬于非穩(wěn)態(tài)跨尺度并包含動(dòng)邊界的流體力學(xué)問(wèn)題.因此必須研究這一特殊流體問(wèn)題的機(jī)制，研究尺度、形變、動(dòng)邊界效應(yīng)對(duì)微尺度流體傳輸性能的影響，在此基礎(chǔ)上研究跨尺度下流體驅(qū)動(dòng)與傳輸機(jī)理.

2.2 跨尺度微流道非定常脈動(dòng)流整流機(jī)理與實(shí)現(xiàn)方法

壓電微泵是脈沖驅(qū)動(dòng)的，因此液體在管路中的壓力會(huì)隨著脈動(dòng)幅值的變化而變化，因而流量的變化是非定常脈動(dòng)形式.而對(duì)于壓差式流量傳感器來(lái)說(shuō)，其檢測(cè)精度取決于流量脈動(dòng)頻率與傳感器自身響應(yīng)之間的關(guān)系，盡管原則上可以通過(guò)提高傳感器響應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)更高精度檢測(cè)，但受到加工手段和材料性能的限制，通過(guò)整流來(lái)削減流體的脈沖頻率是可行的選擇.因此，需要研究流體脈動(dòng)以壓力波形式在跨尺度管路系統(tǒng)內(nèi)的傳輸機(jī)制，以及脈動(dòng)壓力對(duì)壓電泵壓電薄膜變形影響的流固耦合問(wèn)題，并嘗試在驅(qū)動(dòng)單元與檢測(cè)單元之間引入半波整流的單元，研究非定常脈動(dòng)流整流機(jī)理與獲得平穩(wěn)出流的方法.在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)壓電泵、傳感器及整流單元的匹配結(jié)構(gòu)，提高流量檢測(cè)的精度.

2.3 高精度閉環(huán)控釋微系統(tǒng)一體化建模

壓差式流量傳感器的引入以及壓電泵驅(qū)動(dòng)幅值的變化對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的輸出壓力有較大影響，因而直接影響系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性和輸出性能.因此，必須以微系統(tǒng)穩(wěn)定輸出與檢測(cè)為目標(biāo)，分析壓電泵驅(qū)動(dòng)幅值和頻率、閥的響應(yīng)頻率、微流道中的壓力損失以及傳感器壓降特性等各個(gè)關(guān)節(jié)之間的相互制約關(guān)系，建立系統(tǒng)內(nèi)各環(huán)節(jié)的水力電阻、水力電感、水利電容動(dòng)態(tài)響應(yīng)模型；在此基礎(chǔ)上，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的性能參數(shù)一體化建模，優(yōu)化各環(huán)節(jié)的結(jié)構(gòu)參數(shù)匹配，找到壓電泵有效驅(qū)動(dòng)幅值區(qū)間，為實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制奠定理論基礎(chǔ).

2.4 具有脈沖驅(qū)動(dòng)、延時(shí)檢測(cè)特點(diǎn)微流體控釋微系統(tǒng)高精度實(shí)時(shí)調(diào)控機(jī)理及方法

壓電泵具有非定常脈沖驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)，而且流量傳感器的輸出是延時(shí)滯后的信號(hào).要實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)調(diào)控，必須分析微流體動(dòng)態(tài)響應(yīng)延時(shí)和非定常脈動(dòng)流特點(diǎn)，以單個(gè)脈沖驅(qū)動(dòng)為單元，找到有效驅(qū)動(dòng)幅值與微流量檢測(cè)精度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，在此基礎(chǔ)上，綜合考慮傳輸效率和精度要求，建立微流量動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)與補(bǔ)償模型，同時(shí)充分考慮壓電振子遲滯、蠕變、非線性等對(duì)控釋精度的影響，研究微流量的高精度實(shí)時(shí)調(diào)控方法.

2.5 高精度閉環(huán)控釋微系統(tǒng)建立及實(shí)驗(yàn)研究

以上述理論分析為基礎(chǔ)，優(yōu)化設(shè)計(jì)壓電振子、單向閥、泵內(nèi)微流道、傳感器微流道以用于削弱出流脈動(dòng)的整流通道的形狀結(jié)構(gòu)和尺寸，同時(shí)考慮傳感器與壓電泵集成過(guò)程中的封裝工藝，優(yōu)化系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)布局，建立閉環(huán)控制微系統(tǒng).以去離子水、緩沖液以及細(xì)胞保護(hù)液等典型生物試劑的微量控釋為目標(biāo)，開(kāi)展實(shí)驗(yàn)研究.對(duì)控釋微系統(tǒng)進(jìn)行系能測(cè)試，分析控釋系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性，驗(yàn)證閉環(huán)控釋系統(tǒng)的可行性，并在此基礎(chǔ)上研究進(jìn)一步提高控釋精度的方法.

3 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)

隨著壓電泵的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)展以及流量傳感器的不斷成熟，將壓電泵與流量傳感器聯(lián)接構(gòu)成流量監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)成為其發(fā)展的必然趨勢(shì)[5].例如，瑞典將壓電微泵與壓阻傳感器集成后做成類(lèi)似的壓電泵控制系統(tǒng).美國(guó)提出了一種用于小衛(wèi)星推進(jìn)器的泵控流體系統(tǒng)，包括微泵、電極、壓力傳感器、毛細(xì)管推進(jìn)器等.

通常，壓電泵是以固定頻率和幅值下的脈沖驅(qū)動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)試劑的驅(qū)動(dòng)，因此其輸出精度取決于每個(gè)脈沖輸出的液體流量.現(xiàn)有的研究中，多數(shù)學(xué)者僅僅將流量傳感器通過(guò)管路與微泵簡(jiǎn)單地連接，流量傳感器的作用基本用于流量的監(jiān)測(cè)，雖然起到了壓電泵流量的控制的目的，但在精度要求更高的場(chǎng)合仍無(wú)法廣泛應(yīng)用.

因此，鑒于壓電泵在該領(lǐng)域的固有優(yōu)勢(shì)及缺陷，如何將微流量傳感器與壓電泵集成，進(jìn)行流體的驅(qū)動(dòng)、檢測(cè)和控制一體化的設(shè)計(jì)，來(lái)研制具有自檢測(cè)與控制功能的高精度生物試劑壓電控釋微系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)微流體的閉環(huán)控制是實(shí)現(xiàn)高精度試劑分配的重要發(fā)展趨勢(shì).

4 微流量閉環(huán)控制系統(tǒng)的應(yīng)用

生物試劑（各種脂類(lèi)試劑、各種酶類(lèi)試劑、各種添加劑還原劑等）是生命科學(xué)實(shí)驗(yàn)研究中不可或缺的實(shí)驗(yàn)材料.對(duì)具有不同特性的生物試劑進(jìn)行高精度驅(qū)動(dòng)、檢測(cè)與控制操作是蛋白質(zhì)結(jié)晶，藥物篩選，基因測(cè)序、生物制造等研究領(lǐng)域不可或缺的實(shí)驗(yàn)手段[6].

目前，實(shí)現(xiàn)微量生物試劑高精度自動(dòng)化處理仍以基于閥開(kāi)關(guān)原理的非接觸式分配技術(shù)為主.它采用電磁閥控制預(yù)壓液體的分配，通過(guò)控制電磁閥開(kāi)關(guān)時(shí)間以及壓力大小來(lái)控制分配試劑的體積[7].由于這種分配方法需要高精度地控制系統(tǒng)壓力和電磁閥反應(yīng)時(shí)間，而且整個(gè)系統(tǒng)的管路長(zhǎng)，無(wú)效體積大，在分配精度和效率方面都無(wú)法適應(yīng)今后高精度高通量生物試劑分配的未來(lái)需求.

基于壓電泵單個(gè)脈沖驅(qū)動(dòng)幅值控制實(shí)現(xiàn)壓電泵輸出流量精度控制的思想，將壓電泵與壓差式流量傳感器集成，來(lái)建立壓電泵閉環(huán)控制微系統(tǒng).在微系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方面，綜合考慮集成后的壓力輸出與流量控制的關(guān)系，優(yōu)化設(shè)計(jì)壓電泵與傳感器之間的緩沖通道，解決跨尺度流道流體傳輸機(jī)理、閉環(huán)系統(tǒng)性能參數(shù)匹配模型、脈動(dòng)流檢測(cè)與控制模型以及高精度流量控制方法等關(guān)鍵技術(shù)，建立具有微量試劑輸送與自檢測(cè)功能的閉環(huán)控制微系統(tǒng)，最終實(shí)現(xiàn)微量試劑的準(zhǔn)確、快速、穩(wěn)定的處理.

5 結(jié)語(yǔ)

目前在實(shí)現(xiàn)微流體的閉環(huán)控制過(guò)程中仍有許多需要重點(diǎn)解決的關(guān)鍵問(wèn)題，首先是解決面向壓電泵脈動(dòng)流動(dòng)驅(qū)動(dòng)特性層流化的跨尺度流道設(shè)計(jì)理論的問(wèn)題；另外是解決具有非定常脈沖驅(qū)動(dòng)、延時(shí)檢測(cè)特點(diǎn)微流體控釋微系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制理論的問(wèn)題.流量傳感器的檢測(cè)在空間上是滯后于壓電泵驅(qū)動(dòng)的，同時(shí)壓電泵的驅(qū)動(dòng)是非定常脈沖式的.這就要求傳感器檢測(cè)信號(hào)不僅僅要作為反饋信號(hào)，而且要作為預(yù)測(cè)信號(hào)，同時(shí)考慮壓電驅(qū)動(dòng)本身的控制模型，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制.

[1]國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)工程與材料科學(xué)部機(jī)械工程科學(xué)技術(shù)編委會(huì).機(jī)械工程科學(xué)技術(shù)前沿[M].1996：113-128.

[2]BASHASH，S，Jalili，ROBUST N.Adaptive Control of Coupled Parallel Piezo-Flexural Nanopositioning Stages[J].IEEE/ASME Transactions on mechatronics.2009，14（1）：1-20.

[3]BHIKKAJI B，MOHEIMANI S O.Integral Resonant Control of a Piezoelectric Tube Actuator for Fast Nanoscale Positioning[J]. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics，2008，13（5）：530-537.

[4]唐涌濂，張雪洪，胡洪波.生物工程單元操作實(shí)驗(yàn)[M].上海：上海交通大學(xué)出版社，2004：35-60.

[5]Paolo Dario，Maria Chiara Carrozza，Antonella Benvenutoetal.Micro Systems in Biomedical Applications[J].J.Micromech.Microeng.，2000，10（2）：235-244.

[6]Zhou Yu，Bradley J.Fusing Force and Vkion Feedback for Micromanipulation.Proceedings of the 1998 IEEE，International Conference on Robotics&Automation[C].Leuven，Belgium；1998：1220-1225.

[7]KAFADERU.Similarity Relations in Electromagnetic Motors-Limitations and Consequences of the Design of Small DC Motors[C]. in Actuator 2004，9th International Conference on New Actuators，Bremen，Germany：2004.

（責(zé)任編輯 李健飛）

A Research of Micro Flow Closed-Loop Controlling System

LIN Lin
（Department of Mechatronics，Xiamen Ocean Vocational College，Xiamen,Fujian 361012，China）

In this paper，the composition，mechanism，research status and application prospect of micro flow control system are briefly introduced.The closed-loop control of micro fluid is an important trend in the development of high accuracy reagent distribution.In view of the inherent advantages and defects in the field of piezoelectric pump，a series of problems，such as high precision closed-loop control system，which has the characteristics of self testing and control,needs to be settled.

micro fluid system；closed-loop control；piezoelectric pump；micro flow sensor；pulse drive

TP391.8

：A

：1673-1972（2015）06-0016-04

2015-07-09

林琳（1976-），女，黑龍江海倫人，講師，主要從事智能機(jī)器、數(shù)控研究.