微流控芯片压力驱动进样系统中高精度流量调节的级联控制解决方案

微流控芯片压力驱动进样系统中高精度流量调节的级联控制解决方案

Cascade Control Solution of Ultra-High Precision Flow Regulation In Microfluidic Chip Air-Driven Sampling System

摘要：针对微流控芯片压力驱动进样系统中压力和流量的高精度控制，本文提出了国产化替代解决方案。解决方案采用了积木式结构，便于快速搭建起气压驱动进样系统。解决方案的核心是采用了串级控制模式，结合高精度的传感器、电气比例阀和PID控制器，通过压力和流量的双闭环PID控制回路可实现微流控芯片内液体流量的高精度控制。另外，解决方案具有强大的拓展功能，可进行手动、自动、程序和周期控制，同时也具备芯片的温度控制功能。

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1. 问题的提出

微流控芯片是将成百上千的微流道集成于以平方厘米为单位的芯片上，以实现样本的制备、分离、筛选、检测等功能，其特点在于可以用极少量的检测样本有效地完成各类检测，可取代常规的生化实验平台。微流控芯片中的微流道内径非常细小，可以实现低至1微米的空间细胞操作精度，因此在向微流道中进样时，对于流量的控制要求非常高。

目前的微流控进样系统，主要是一些国外进口产品，如法国FLUENT公司基于传统的压力控制元件生产的MFCS-EZ流体驱动－精密压力控制器性能比较优良，达到稳定的时间可低至100ms，压力稳定误差小于0.1%，但价格昂贵；美国ELVEFLOW公司基于压电效应设计的OB1 MK3压力控制器性能更加优异，达到稳定的时间可低至35ms，压力稳定误差小于0.01%，但其功耗较高，售价更为昂贵。

为了实现对微流控芯片内微流体压力和流量的高精度自动控制，特别是为了实现国产化替代，本文提出了一种压力和流量的串级控制解决方案。

2. 压力驱动的微流量精密控制工作原理

微流控芯片中气压驱动进样系统的工作原理非常简单，如图1所示，即采用可调气压作为驱动力，控制一个装有液体的封闭容器中的气体压力实现液体驱动，控制液体向微流控芯片进行充注。

图1 压力驱动进样系统工作原理图

充液过程中随着流阻的变化，负载也在不断改变，为保证流经微流控芯片液体流量的恒定在设定值，对应的驱动压力也应随时进行调节。

在微流控芯片气压驱动进样系统中，针对不同的应用场景和要求，目前国外产品普遍采用了两种控制技术，一种是对驱动压力进行控制的开环控制技术，另一种是同时对压力和流量进行控制的闭环控制技术。

如图2所示，在仅对驱动气压进行控制的进样系统中，是在进气端口增加了一个压力调节器。此压力调节器中集成了压力传感器、阀门和PID控制器，通过对高压气源的减压控制，由此用来精密调节和控制密闭容器上部的气体压力。

图2 微流控芯片进样系统纯压力控制工作原理图

从图2可以看出，这种纯压力控制方式尽管可以调节微流控芯片内液体的流量，但无法获知具体流量是多少，这样一种开环控制形式更无法对液体流量进行高精度控制。

为实现对微流控芯片内液体流量的精密控制，在上述开环控制形式的基础上，通过增加液体流量计和PID控制器，与压力调节器组成一个闭环控制回路，如图3所示。在此闭环控制回路中，PID控制器检测流量传感器信号并与设定值进行比较，通过PID控制算法计算后向压力调节器输出控制信号，压力调节器对进气气压进行调节，最终使微流控芯片内的液体流量在设定值处恒定。

图3 微流控芯片进样系统压力和流量同时控制工作原理图

从图3可以看出，这种压力和流量同时控制的工作原理采用了一个非常典型的PID串级控制（级联控制）结构，即压力调节器作为压力控制的PID辅助控制回路，同时压力调节器作为执行器与流量传感器和PID控制器构成PID主控制回路。这种PID串级控制结构常用于高精度控制领域中，所以采用这种串级控制方法可以实现微流体压力驱动进样系统流量的高精度调节和控制。需要说明的是流量传感器可以布置在微流控芯片的进口端或出口端，具体可以根据微流控芯片的具体结构来进行选择。

3. 解决方案

从上述微流控芯片压力驱动进样系统的串级控制工作原理可知，采用串级控制方式在理论上可实现流量的高精度控制，而要实现这种高精度控制，还需要相应的硬件配置提供保证。为此，本解决方案提出的硬件系统结构如图4所示。

图4 微流控芯片进样系统压力和流量串级控制系统结构示意图

在图4所示的系统中，为实现高精度的压力和流量控制，解决方案中的关键部件配置如下：

（1）流量传感器：需根据流量的范围和控制精度需要选择合适的流量传感器，目前市场上有多种国内外的液体流量传感器可供选择。同时要求传感器具有相应的模拟量信号输出。

（2）压力调节器：压力调节器可选择电气比例阀，同样需要根据压力调节范围选择相应的型号。另外尽可能采用高精度和高速电气比例阀，特别是更快速度的压电式电气比例阀。

（3）超高精度PID控制器：在测量精度和控制精度都满足要求的前提下，主回路PID控制器精度将最终决定流量控制精度，如果PID控制器精度不够，则无法发挥传感器和压力调节器的精度优势。为了，本解决方案选择了超高精度的PID控制器，其具有24位AD、16位DA和采用双精度浮点运行的0.01%最小输出百分比。另外，此控制器具有PID参数自整定功能，并带有标准MODBUS通讯协议的RS485接口，可方便与上位计算机连接。

通过上述高精度器件的配置，可很方便的搭建起微流控气压驱动进样系统并实现高精度的压力和流量控制。另外，采用超高精度PID控制器的高级功能，还可实现以下拓展功能：

（1）采用自带的计算机软件，可通过上位计算机直接进行界面操作，无需再进行编程。

（2）采用远程设定点功能，可实现手动旋钮调节方式的压力和流量控制。

（3）同样采用远程设定点功能以及外置一个周期信号发生器，可对压力和流量按照设定周期和幅度进行周期性变化。

（4）采用正反向控制功能以及外置一个TEC半导体制冷模组，可实现对微流控芯片的加热和制冷控制。

4. 总结

综上所述，通过此解决方案模块式结构以及高精度器件的配置，可灵活和快速搭建起微流控芯片进样系统，并可在很高的精度上实现微流控芯片压力驱动进样系统中的压力和流量控制。

另外，依此解决方案所搭建的压力和流量控制系统还具有强大的拓展功能，可满足各种微流控芯片气压驱动进样系统的使用，完全可以替代进口产品，同时也为后续多通道微流控压力驱动进样系统的国产化替代奠定的技术基础。

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