微流控芯片進樣用多通道正負壓力控制器的解決方案

在微流控芯片進樣、化學反應進樣和長時間藥物注射領域，都需要能提供正負氣壓可精密控制的壓力控制器。本文特別針對微流控芯片進樣對多通道壓力控制器的技術要求，提出了相應的解決方案，并詳細介紹了方案中多通道氣路結構、控制方法、氣體流量調節(jié)閥、壓力傳感器和PID控制器等內容和技術指標。通過此解決方案，完全能夠滿足各種微流體控制對多通道壓力控制器的要求。

一、背景介紹

在微流控芯片進樣、化學反應進樣和長時間藥物注射領域，都需要能提供正負氣壓可精密控制的多通道壓力控制器，并且通過氣體壓力來控制流體的流量或流速。圖1所示為這種壓力控制器在微流控芯片進樣中的典型應用。

圖1 多通道壓力控制器在微流控芯片進樣中的典型應用

 在微流控芯片進樣中，要求壓力控制器需具備以下幾方面的功能：

（1）多通道，每個通道可獨立控制和操作。

（2）每個通道都可按照編程設定輸出相應的正負壓力。

（3）正負壓力控制范圍：絕對壓力1Pa~0.5MPa（表壓-101kPa~0.6MPa）。

（4）壓力控制精度：0.1%~1%。

針對上述微流控芯片進樣對壓力控制器要求，本文提出了相應的解決方案，并詳細介紹了方案中多通道氣路結構、控制方法、氣體流量調節(jié)閥、壓力傳感器和PID控制器等內容和技術指標。通過此解決方案，完全能夠滿足各種微流體控制對多通道壓力控制器的要求。

二、解決方案

本文所提出的解決方案是實現在1Pa~0.7MPa絕對壓力范圍內的精密控制，控制精度極限可達到0.1%。即提供一個可控氣壓源解決方案，采用雙向控制模式的動態(tài)平衡法，結合高精度步進電機和微小流量電動針閥、高精度壓力傳感器和多通道PID控制器，氣壓源可進行高精度的各種真空壓力的可編程輸出，同時也可用于控制不同的流體流量。

本文所涉及的解決方案，主要針對用于微流控芯片進樣用多通道正負壓力控制器，這主要是因為微流控芯片所用壓力基本在一個標準大氣壓附近變化，相應的多通道壓力控制器相對比較簡單。而對于更低壓力，如氣壓小于1kPa絕對壓力的多通道控制，要實現精密控制則整個壓力控制器將十分復雜。微流控芯片進樣用多通道壓力控制器工作原理如圖2所示。

圖2 微流控芯片進樣用多通道壓力控制器工作原理圖

 微流控芯片進樣用多通道壓力控制器的工作原理為：

（1）多通道壓力控制包括多個控制通道，每個控制通道包括正壓氣源、進氣調節(jié)閥、出氣調節(jié)閥、抽氣泵和PID控制器單元。其中的正壓氣源和抽氣泵提供足夠的負壓和正壓能力，并且可以多通道公用。同樣，多通道壓力控制器也公用一個進氣調節(jié)閥。需要注意的是，由于微流控進樣所需的負壓氣壓值較大并接近一個標準大氣壓，對于微流控芯片進樣的壓力控制，只需固定進氣調節(jié)閥的開度，近靠調節(jié)出氣閥開度極可實現正負壓的精密控制，因此可以公用一個進氣調節(jié)閥。如果要進行較低負壓氣壓值（較高真空度）的精密控制，配置恰恰相反，每一通道配置的進氣閥進行調節(jié)，但可以公用一個抽氣閥。

（2）精密壓力控制原理基于密閉空腔進氣和出氣的動態(tài)平衡法。多通道壓力控制器的每一個通道都是典型閉環(huán)控制回路，其中PID控制器的每一通道采集相應通道的真空壓力傳感器信號并與此通道的設定值進行比較，然后調節(jié)相應通道的進氣和抽氣調節(jié)閥開度，最終使此通道傳感器測量值與設定值相等而實現該通道真空壓力的準確控制。

（3）為了覆蓋負壓到正壓的所要求的真空壓力范圍，需要配置一個測試量程覆蓋要求范圍內的高精度絕對壓力傳感器，如果一個壓力傳感器無法覆蓋全量程，則需要增加壓力傳感器數量來分段覆蓋。采用絕對壓力傳感器的優(yōu)勢是不受各地大氣氣壓變化的影響，無需采取氣壓修正，更能保證測試的準確性和重復性。

（4）絕對壓力傳感器對應所覆蓋的真空壓力范圍輸出數值從小到大變化的直流模擬信號（如0~10VDC）。此模擬信號輸入給PID控制器，由PID控制器調節(jié)進氣閥和排氣閥的開度而實現壓力精確控制。

（5）當控制是從負壓到正壓進行變化時，一開始的進氣調節(jié)閥開度（進氣流量）要遠小于抽氣調節(jié)閥開度（抽氣流量），通過自動調節(jié)進出氣流量達到不同的平衡狀態(tài)來實現不同的負壓控制，最終進氣調節(jié)閥開度逐漸要遠大于抽氣調節(jié)閥開度，由此實現負壓到正壓范圍內一系列設定點或斜線的連續(xù)精密控制。對于從正壓到負壓的變化控制，上述過程正好相反。

三、方案具體內容

解決方案中所涉及的正負壓力控制器的具體結構如圖3所示，主要包括正壓氣源、電動針閥、密閉空腔、壓力傳感器、高精度PID控制器和抽氣泵。

圖3 微流控芯片進樣用多通道正負壓力控制器結構示意圖

 在圖3所示的正負壓力控制器中，每個通道都對應一密閉空腔，每個密閉空腔上的外接接口作為此通道的壓力輸出口。密閉空腔左右安裝兩個NCNV系列的步進電機驅動的微型電動針閥，電動針閥本身就是正負壓兩用調節(jié)閥，其絕對真空壓力范圍為0.0001mbar~7bar，最大流量為40mL/min，步進電機單步長為12.7微米，完全能滿足小空腔的正負壓精密控制。由此，壓力控制器中的每個通道可實現正負壓任意設定點的精確控制，也可以從正壓到負壓的壓力線性變化控制，也可以從負壓到正壓的壓力線性變化控制。

微流控芯片進樣過程中一般要求微小正負壓控制，要求是在標準大氣壓附近的真空壓力精確控制，如控制精度為±0.5%甚至更小，一般都需要采用調節(jié)抽氣閥的雙向動態(tài)模式，即通過控制器使得進氣口處電動針閥的開度基本不變，同時根據PID算法來調節(jié)排氣口處的電動針閥開度。由于進氣閥的開度基本處于固定狀態(tài)，使得微流控芯片進樣所用的多通道壓力控制器可以公用一個調節(jié)進氣流量的電動針閥。另外，所有通道都需要具備抽氣功能，抽速也是一固定值，因此多通道壓力控制器也可以公用一個抽氣泵。

在微流控芯片進樣過程中壓力控制，除了上述恒定進氣流量調節(jié)抽氣流量的控制方法之外，決定壓力控制精度的因素還有壓力傳感器、PID控制器和電動針閥的精度。本方案中的PID控制器采用的是24位AD和16位的DA，電動針閥則是高精度步進電機，因此本解決方案的測試精度主要取決于壓力傳感器精度，一般至少要選擇0.1%精度的壓力傳感器。

在微流控芯片進樣過程中，往往會要求密閉容器在正負壓范圍內進行多次往復變化和按照設定曲線進行控制，因此本方案采用了可存儲多個編輯程序的PID控制器，每個設定程度是一條多個折線段構成的曲線，由此可實現正負壓往復變化的自動程序控制。

在本文所述的解決方案中，為實現正負壓的精密控制，如圖3所示，針對負壓的形成配置了抽氣泵。抽氣泵相當于一個負壓源，但采用真空發(fā)生器同樣可以達到負壓源的效果，負壓源采用真空發(fā)生器的優(yōu)點是整個系統只需配備一個正壓氣源，減少了整個系統的造價、體積和重量，真空發(fā)生器連接正壓氣源即可達到相同的抽氣效果。

四、總結

本文所述解決方案，完全可以實現微流控芯片進樣系統中壓力的任意設定點和連續(xù)程序形式的精密控制，并且可以達到很高的控制精度和速度，全程自動化。

本方案除了自動精密控制之外，另外一個特點是系統簡單，正負壓控制范圍也可以比較寬泛，整個系統小巧和集成化，便于形成小型化的檢測儀器。

本文解決方案的技術成熟度很高，方案中所涉及的電動針閥和PID控制器，都是目前特有的標準產品，其他的壓力傳感器、抽氣泵、真空發(fā)生器和正壓氣源等也是目前市場上常見的標準產品。