微流控芯片鍵合溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

王曉初，張思華，李晶，周思杰

(1.廣東工業(yè)大學(xué)省部共建精密電子制造技術(shù)與裝備國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州 510006；2.廣東順德創(chuàng)新設(shè)計(jì)研究院，廣東佛山 528000)

0 前言

微流控芯片內(nèi)置各種集成的微裝置，廣泛應(yīng)用于細(xì)胞生化分析、疾病即時(shí)鑒定、液滴生成檢測、基因測序等方面。鍵合技術(shù)是微流控芯片制備過程中的關(guān)鍵技術(shù)，較為常用的鍵合方法有熱壓法、超聲波法。熱壓法通過改變溫度、壓力和時(shí)間完成鍵合。其中，溫度直接影響微流控芯片的質(zhì)量，如通道尺寸的均一性、通道表面張力。目前，微流控芯片鍵合技術(shù)的研究取得突破。價(jià)格低廉、加工成型簡單的各類聚合物正逐漸替代硅、玻璃等傳統(tǒng)材料。其中，一種較新的、具有優(yōu)異穩(wěn)定性的非晶性共聚高分子材料——環(huán)烯烴類共聚物(COC)正投入到生產(chǎn)中；文獻(xiàn)[6]中的熱壓鍵合設(shè)備使用可編程序控制器，其升溫速率為0.18 ℃/s，控溫精度達(dá)到±1 ℃。商業(yè)上，以蘇州汶灝科技為代表，開發(fā)了國內(nèi)首臺(tái)應(yīng)用于硬質(zhì)塑料芯片的熱壓鍵合設(shè)備WH-2000A。文中研究的材料為COC的微流控芯片，它的玻璃轉(zhuǎn)化溫度為75～85 ℃，熱壓鍵合工藝曲線如圖1所示。圖中：為室溫，為預(yù)熱溫度，為鍵合溫度，為保溫溫度。本文作者使用STM32單片機(jī)搭載FreeRTOS控制系統(tǒng)，控溫系統(tǒng)采用半導(dǎo)體制冷片(TEC)、熱敏電阻NTC作溫度傳感器以及模糊增量式PID控制算法。

圖1 工藝流程圖

1 總體方案

微流控芯片鍵合溫度控制系統(tǒng)組成如圖2所示。圖中，完成熱壓鍵合需先將具有微型孔道的蓋片和基片對準(zhǔn)貼合，上壓塊與金屬傳熱塊提供壓力；金屬傳熱塊提供溫度。當(dāng)工藝參數(shù)控制滿足材料特性，通過熱壓鍵合，基片和蓋片會(huì)在分子間作用力下形成微流控芯片。為保證加熱平臺(tái)的溫度均一性和傳熱效率，金屬傳熱塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用以下工藝：(1)金屬傳熱塊制作材料選擇鈹銅；(2)金屬傳熱塊表面處鍍錫防止氧化；(3)使用硅脂填充金屬傳熱塊和散熱片的縫隙，以減少熱阻；(4)6個(gè)NTC用螺紋鑲嵌在金屬傳熱塊內(nèi)部；(5)散熱是影響TEC性能的重要因素，選用鱗片式鋁管散熱器，底部加裝一進(jìn)一出大功率風(fēng)扇。

圖2 微流控芯片鍵合溫度控制系統(tǒng)組成

NTC電阻隨被采集溫度的變化而變化，使用轉(zhuǎn)換電路，將該電阻的變化轉(zhuǎn)換為電壓的變化，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)給單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)給定溫度控制要求及PID運(yùn)算，求得脈沖寬度調(diào)制(PWM)的輸出值，以控制TEC的功率輸出。同時(shí)，單片機(jī)驅(qū)動(dòng)氣缸和真空泵，使系統(tǒng)可以在真空的穩(wěn)定環(huán)境下進(jìn)行熱壓鍵合，但文中只論述溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。此外，由于傳熱金屬具有較大的時(shí)滯性，導(dǎo)致溫度控制響應(yīng)延遲，故數(shù)據(jù)采樣和控制頻率設(shè)置為10 Hz。

2 溫控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

圖3為溫控系統(tǒng)的硬件框圖。單片機(jī)選用Cortex系列的STM32F103VET6。溫度檢測模塊主要由溫度傳感器NTC、多通道溫度采集電路、放大電路、A/D轉(zhuǎn)換電路組成。A/D轉(zhuǎn)換電路將模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，再經(jīng)SPI接口傳送給單片機(jī)。

圖3 溫度控制系統(tǒng)框圖

數(shù)據(jù)處理主要是由單片機(jī)在軟件上完成數(shù)字濾波、數(shù)字信號(hào)到溫度數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。將處理后的數(shù)據(jù)傳給上位機(jī)，以得到實(shí)時(shí)的溫度信息。上位機(jī)通過串口傳入設(shè)定溫度等控制參數(shù)。單片機(jī)完成設(shè)定目標(biāo)溫度與當(dāng)前溫度的偏差值計(jì)算后，經(jīng)過PID控制，調(diào)整PWM控制信號(hào)。溫控執(zhí)行模塊由光耦隔離電路、半導(dǎo)體制冷片驅(qū)動(dòng)電路以及NTC組成。

2.1 溫度采集電路

用于溫度采集的熱敏電阻NTC的連接電路如圖4所示。NTC的標(biāo)稱阻值為50 kΩ、熱敏指數(shù)值為3 950；NTC3.0V為分壓電路提供3.0 V的模擬輸入電壓；MAX306芯片可以實(shí)現(xiàn)6通道數(shù)據(jù)的分時(shí)采集；電壓放大采用儀表放大器AD620。輸出電壓和熱敏電阻NTC的關(guān)系為

圖4 熱敏電阻NTC電路連接原理

(1)

式中：為熱敏可變電阻阻值；決定放大倍數(shù)；為分壓電阻。

2.2 A/D轉(zhuǎn)換電路

A/D轉(zhuǎn)換的模擬電壓的輸入范圍需要根據(jù)檢測的溫度變化范圍來確定，由于文中的微流控芯片的溫度控制范圍為25～135 ℃，經(jīng)過計(jì)算可得輸入模擬電壓的變化范圍為4.357～9.256 V。

A/D轉(zhuǎn)換原理如圖5所示。

圖5 A/D轉(zhuǎn)換原理

AD7663芯片是16位的A/D轉(zhuǎn)換器。ADR421芯片給A/D轉(zhuǎn)換器提供2.5 V的參考電壓，為模擬輸入電壓，MUC_AD_OUT為輸出的數(shù)字量。MCU_AD_SCK引腳置低，開始一次模數(shù)轉(zhuǎn)換；當(dāng)MCU_AD_BUS產(chǎn)生一個(gè)下降沿后模數(shù)轉(zhuǎn)換完成，數(shù)據(jù)通過MUC_AD_OUT發(fā)送給單片機(jī)。A/D轉(zhuǎn)換的計(jì)算式為

MCU_AD_OUT=65 536×10

(2)

2.3 半導(dǎo)體制冷片驅(qū)動(dòng)電路

如圖6所示，半導(dǎo)體制冷片以兩片串聯(lián)為一組，由H橋電路驅(qū)動(dòng)。通過改變驅(qū)動(dòng)電流的方向，可以改變半導(dǎo)體制冷片的加熱/制冷的工作模式。在CH1_H1、CH1_H2處輸入PWM信號(hào)，以控制半導(dǎo)體制冷片的輸出功率。CH1_L1、CH1_L2處輸入I/O信號(hào)，決定系統(tǒng)的工作模式。當(dāng)需要加熱時(shí)，驅(qū)動(dòng)電流方向?yàn)锳→C→D→F；當(dāng)需要制冷時(shí)，驅(qū)動(dòng)電流方向?yàn)锽→D→C→E。

圖6 H橋電路原理

3 控制軟件設(shè)計(jì)

采用FreeRTOS操作系統(tǒng)作為軟件的控制平臺(tái)?？刂栖浖鞒炭驁D如圖7所示。根據(jù)任務(wù)需求，控制軟件主要分為系統(tǒng)初始化和任務(wù)調(diào)度兩個(gè)主要部分。任務(wù)調(diào)度前需要設(shè)定任務(wù)的優(yōu)先級，主要任務(wù)是完成溫度數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理以及主循環(huán)等。控制任務(wù)是系統(tǒng)的核心，經(jīng)過增量式模糊PID控制算法控制PWM輸出。

圖7 控制軟件流程框圖

3.1 溫度數(shù)據(jù)數(shù)字濾波

針對采集的溫度數(shù)據(jù)存在高頻噪聲，采用巴特沃斯低通濾波器進(jìn)行高頻去噪。該濾波器的設(shè)計(jì)結(jié)果為

(3)

對比圖8與圖9的濾波效果，巴特沃斯低通濾波器濾波效果更好。

圖8 防脈沖干擾平均濾波 圖9 巴特沃斯低通濾波

3.2 溫控?cái)?shù)學(xué)模型

半導(dǎo)體制冷片在密封箱的溫控系統(tǒng)模型可以看作是半導(dǎo)體制冷片加熱制冷環(huán)節(jié)和溫度在金屬傳熱塊內(nèi)傳遞的串聯(lián)結(jié)構(gòu)。加熱環(huán)節(jié)通常為一階時(shí)滯系統(tǒng)；在傳遞環(huán)節(jié)，考慮到熱量從半導(dǎo)體加熱片傳遞至金屬傳熱塊表面存在一定的滯后，因此引入純延遲時(shí)間。在MATLAB中進(jìn)行最小二乘法擬合，系統(tǒng)的模型表達(dá)式為

(4)

輸入50%的PWM得到溫度測量數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)，趨勢如圖10所示，擬合效果良好。

圖10 擬合效果圖

3.3 模糊增量式PID控制算法

傳統(tǒng)增量式PID的表達(dá)式為

Δ()=×[()-(-1)]+×()+

×[()-2×(-1)+(+1)]

(5)

傳統(tǒng)的PID控制器由比例系數(shù)、積分系數(shù)、微分系數(shù)線性化組合而成。由于溫控系統(tǒng)為二階時(shí)滯模型，為了解決傳統(tǒng)PID控制器不能很好地控制非線性的被控對象，針對此溫控系統(tǒng)，在增量式PID的基礎(chǔ)上，引入模糊控制器對、、進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整。如圖11所示，模糊控制器是由輸入?yún)?shù)偏差||和偏差變化率||在各自不同范圍內(nèi)的組合，構(gòu)成了輸出Δ、Δ、Δ的模糊輸出規(guī)則表。首先，選取和的論域分別為[-6,6]、[-1,1]。對輸入數(shù)據(jù)的模糊化采用三角形隸屬度函數(shù)。將模糊化的結(jié)果代入模糊輸出規(guī)則表得到Δ、Δ、Δ的調(diào)整量；然后使用加權(quán)平均法將調(diào)整量進(jìn)行去模糊處理；最終得到:

圖11 模糊增量式PID控制結(jié)構(gòu)

(6)

式中：、、為初始時(shí)刻的整定值,分別為=4、=0.05、=0；比例因子為1。

在MATLAB里，設(shè)置目標(biāo)溫度為78 ℃，采樣周期設(shè)定為0.1 s。仿真結(jié)果如圖12所示，對比增量式PID, 模糊增量式PID在51.4 s收斂到設(shè)定溫度，不存在超調(diào)現(xiàn)象，收斂速率更快。

圖12 仿真效果對比

4 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

選取75、78、81 ℃三個(gè)溫度作為鍵合溫度，進(jìn)行三次鍵合試驗(yàn)，并對測量溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。鍵合試驗(yàn)溫度曲線如圖13所示，溫度性能參數(shù)如表1所示。

圖13 鍵合試驗(yàn)溫度曲線

表1 測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

5 結(jié)論

本文作者設(shè)計(jì)的微流控芯片溫控系統(tǒng)采用STM32主控芯片，從軟件著手提高了數(shù)據(jù)采樣精度，搭載多任務(wù)實(shí)時(shí)系統(tǒng)；采用模糊增量式PID；滿足了在鍵合溫度范圍內(nèi)的精準(zhǔn)控溫。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明：系統(tǒng)超調(diào)量在1 ℃以內(nèi),升溫平均速率為0.5 ℃/s以上,降溫速率為0.34 ℃/s，控溫精度為±0.3 ℃。