基于气压驱动的微流体流量调节装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种气压驱动的微流体流量调节装置，属于微流体领域。
【背景技术】
[0002]目前，在微流体系统中，注射泵是最常用的流量调节元件。虽然注射泵工作原理简单、价格便宜，但是注射泵调节流量存在诸多缺点。I)流量调节精度低:注射泵采用步进电机驱动，工作时存在机械振动，引起微流道流量的周期性脉动，尤其在小流量调节时，流量脉动幅值较大。2)流量动态响应速度慢:注射泵的流量调节速度受注射器容积大小的影响，当微流道流量变化时，需要经过几十秒甚至几百米的时间，注射泵才能实现稳定的流量输出。3)无流量反馈，实际流量与设定流量不一致:注射泵设定流量后，通过选取注射器的直径来计算步进电机的速度，但是，由步进电机和丝杠组成的机械传动系统存在机械加工及传动误差，实际输出流量与设定流量一致性较差。此外，气压泵也开始应用于微流体系统，实现液体流量的供给与调节。但是，气压泵采用常规的气动电磁阀组作为外部控制元件，结构复杂、体积大，与微流体装置难以集成。
【发明内容】
[0003]本发明目的是为了解决微流体系统中，采用注射泵调节流量存在流量调节精度低、动态响应速度慢以及实际流量无法测量的问题，提供了一种基于气压驱动的微流体流量调节装置。
[0004]本发明所述基于气压驱动的微流体流量调节装置，它包括供气气源、减压阀、压力传感器、液体容器、阀门、流量计、微阀、液体微流道和微处理器；减压阀的气体入口与供气气源的压缩空气出口连通；减压阀的气体出口与液体容器的气体入口连通，液体容器的液体出口与阀门的入口连通，阀门的出口通过流量计与液体微流道的入口连通；微阀设置在液体微流道的上表面；
[0005]压力传感器检测减压阀的出口气体压力，压力传感器的气体压力信号输出端与微处理器的供气压力信号输入端相连；流量计采集实际液体流量信号，流量计的实际液体流量信号输出端与微处理器的实际液体流量信号输入端相连；微处理器的流量控制指令信号输出端与微阀的流量控制指令信号输入端相连。
[0006]本发明的优点:1)流量调节精度高，采用气压驱动得到稳定的压力输出，由流量传感器测量实际流量并与设定流量比较，由微处理器输出信号改变微阀的工作状态，实现流量的闭环控制。2)无周期性流量脉动，由于采用气压驱动，输出压力调定后，流量保持稳定，同时，由微阀改变微流道的过流面积，可以实现流量连续变化。3)流量动态调节特性好，采用微阀作为执行元件，其动态响应速度快，微流道的流量变化并达到稳定状态所需的时间较短(< Is)，能够实现流量的快速调节。4)集成度较高，将微阀与液体微流道集成为一体，减少了外部元件数量，简化了外部装置结构的复杂性，系统的集成度较高。
【附图说明】
[0007]图1是本发明所述基于气压驱动的微流体流量调节装置的原理框图；
[0008]图2是实施方式二流量闭环控制的控制框图；
[0009]图3是实施方式三流量闭环控制的控制框图；
[0010]图4是具体实施例中压电驱动微阀的工作原理图。
【具体实施方式】
[0011]【具体实施方式】一:下面结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述基于气压驱动的微流体流量调节装置，它包括供气气源1、减压阀2、压力传感器3、液体容器4、阀门5、流量计6、微阀7、液体微流道8和微处理器9 ;减压阀2的气体入口与供气气源I的压缩空气出口连通；减压阀2的气体出口与液体容器4的气体入口连通，液体容器4的液体出口与阀门5的入口连通，阀门5的出口通过流量计6与液体微流道8的入口连通；微阀7嵌在液体微流道8中；
[0012]压力传感器3检测减压阀2的出口气体压力，压力传感器3的气体压力信号输出端与微处理器9的供气压力信号输入端相连；流量计6采集实际液体流量信号，流量计6的实际液体流量信号输出端与微处理器9的实际液体流量信号输入端相连；微处理器9的流量控制指令信号输出端与微阀7的流量控制指令信号输入端相连。
[0013]工作原理:本实施方式由减压阀2调定液体微流道8外部供气压力，通过微阀7动作改变液体微流道8的过流面积，调节液体微流道8的液体流量。外部气源经过减压阀2进入盛有液体的封闭的液体容器4，通过手动调节减压阀2的开度并由压力传感器3测量，达到所需的供气压力。然后，打开阀门5，封闭的液体容器4的液体在气压的推动下，进入液体微流道8，同时，微阀7开始工作，流量计6测量实际流量并反馈，通过比较实际流量与设定流量，微处理器9输出控制信号改变微阀7的工作状态，实现液体微流道8的液体流量调
-K-T。
[0014]本实施方式能够用于微流体芯片驱动、微量药物注射及液滴微流控系统等领域，具有较高的流量调节精度和较快的流量调节速度，流量调节精度高于0.5%，流量动态响应时间小于Is。
[0015]供气气源I的供气压力大小为O?2bar，液体微流道8的流量调节范围为0.0001 ?0.5ml/min。
[0016]【具体实施方式】二:下面结合图2说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，微处理器9的流量控制指令信号的形成过程为:微处理器9根据给定流量信号Qtl和流量计6采集的实际液体流量信号(^的差值形成流量控制指令信号U vo微处理器9给出流量控制指令信号改变微阀7的工作状态，进而改变液体微流道8的过流截面，使得实际液体流量信号(^与给定流量信号Q ο趋于保持一致，实现流量的闭环控制。
[0017]【具体实施方式】三:下面结合图3说明本实施方式，本实施方式对实施方式一或二作进一步说明，它还包括PID控制器10，给定流量信号Qtl和流量计6采集的实际液体流量信号(^的差值经PID控制器10调节，再由微处理器9形成流量控制指令信号U vo 二者的差值经过PID微处理器处理后再给出流量控制指令信号Uv,提高流量的调节精度和动态响应速度，满足不同微流体装置的流量调节需要。
[0018]【具体实施方式】四:本实施方式对实施方式一至三任一实施方式作进一步说明，微阀7和液体微流道8集成为一体件。本实施方式这种设置能精确、快速的调节液体流量。
[0019]【具体实施方式】五:本实施方式对实施方式一至三任一实施方式作进一步说明，微阀7的驱动方式为压电驱动、气压驱动或电机驱动。
[0020]【具体实施方式】六:下面结合图1至图4给出一个具体实施例，以压电驱动微阀为例，采用压电位移致动器作为执行元件7-1，由驱动电源输入电压实现压电位移致动器的伸缩，压电位移致动器挤压PDMS薄膜7-2，使其产生弹性变形，改变液体微流道8的过流面积，调节液体流量。
【主权项】
1.基于气压驱动的微流体流量调节装置，其特征在于，它包括供气气源(1)、减压阀(2)、压力传感器(3)、液体容器(4)、阀门(5)、流量计(6)、微阀(7)、液体微流道(8)和微处理器(9);减压阀⑵的气体入口与供气气源⑴的压缩空气出口连通；减压阀⑵的气体出口与液体容器⑷的气体入口连通，液体容器⑷的液体出口与阀门(5)的入口连通，阀门(5)的出口通过流量计(6)与液体微流道(8)的入口连通；微阀(7)设置在液体微流道(8)的上表面； 压力传感器(3)检测减压阀(2)的出口气体压力，压力传感器(3)的气体压力信号输出端与微处理器(9)的供气压力信号输入端相连；流量计(6)采集实际液体流量信号，流量计(6)的实际液体流量信号输出端与微处理器(9)的实际液体流量信号输入端相连；微处理器(9)的流量控制指令信号输出端与微阀(7)的流量控制指令信号输入端相连。
2.根据权利要求1所述基于气压驱动的微流体流量调节装置，其特征在于，微处理器(9)的流量控制指令信号的形成过程为:微处理器(9)根据给定流量信号Qtl和流量计(6)采集的实际液体流量信号(^的差值形成流量控制指令信号U v。
3.根据权利要求2所述基于气压驱动的微流体流量调节装置，其特征在于，它还包括PID控制器(10)，给定流量信号Qtl和流量计(6)采集的实际液体流量信号Q 7的差值经PID控制器(10)调节，再由微处理器(9)形成流量控制指令信号Uv。
4.根据权利要求1所述基于气压驱动的微流体流量调节装置，其特征在于，微阀(7)和液体微流道(8)集成为一体件。
5.根据权利要求1所述基于气压驱动的微流体流量调节装置，其特征在于，微阀(7)的驱动方式为压电驱动、气压驱动或电机驱动。
6.根据权利要求1所述基于气压驱动的微流体流量调节装置，其特征在于，供气气源(I)的供气压力大小为O?2bar，液体微流道⑶的流量调节范围为0.0001?0.5ml/min。
【专利摘要】基于气压驱动的微流体流量调节装置，属于微流体领域，本发明为解决微流体系统中，采用注射泵调节流量存在流量调节精度低、动态响应速度慢以及实际流量无法测量的问题。本发明采用气压驱动方式，供气气源提供压缩空气，通过减压阀调定出口压力，得到稳定的供气压力并由压力传感器测量压力大小，液体容器的液体在气压推动下，经过阀门、流量计进入液体微流道，由流量计测得实际液体流量并反馈给微处理器，微处理器输出控制信号改变微阀的工作状态，调节液体微流道的液体流量，实现流量的闭环控制，进一步可以采用PID控制算法，提高流量的调节精度和动态响应速度，能够精确、快速调节微流道的液体流量。
【IPC分类】F17D3-01, F17D1-14, F17D3-18
【公开号】CN104696706
【申请号】CN201510027999
【发明人】李松晶, 曾文, 佟志忠, 黄其涛
【申请人】哈尔滨工业大学
【公开日】2015年6月10日
【申请日】2015年1月20日