林琳

（厦门海洋职业技术学院机电系，福建厦门361012）

微流量闭环控制系统的分析与研究

林琳

（厦门海洋职业技术学院机电系，福建厦门361012）

对微流量控制系统的组成、机理、国内外在该领域的研究状况以及系统的应用前景进行了简要介绍.而实现微流体的闭环控制是实现高精度试剂分配的重要发展趋势，鉴于压电泵在该领域的固有优势及缺陷，将微流量传感器与压电泵集成，进行流体的驱动、检测和控制一体化的设计，研制具有自检测与控制功能的高精度闭环控制微系统等方面均存在着一系列问题，需要继续研究.

微流体系统；闭环控制；压电泵；微流量传感器；脉冲驱动

0 引言

微流体控制系统是随着微机电系统（MEMS）的发展而迅速发展起来的研究领域.近年来，利用压电元件（压电片或压电叠堆）作为换能器进行流体传输的压电泵被广泛用于微流动系统的驱动部件中.目前，由于压电陶瓷脉动驱动的特点，使得压电泵分配试剂的精度不易控制，影响其在更高精度要求场合的应用.如何将压电泵与流量传感器一体化设计，实现微流体的闭环控制是实现高精度试剂分配的重要发展趋势[1].

1 微流量闭环控制系统的主要组成元件

1.1 压电泵

近年来，利用压电元件作为换能器进行流体传输的压电泵被广泛用于微流动系统的驱动部件中，它具有结构简单、低泄漏、驱动力大、体积小、重量轻、耗能低、响应时间短、无电磁干扰、无噪声等优点[2].

压电泵结构最早是由日本学者樽崎哲二提出来的，随后W.J.Spencer等人开发了利用压电陶瓷振动膜、压电叠堆型振子等驱动的多种改进形式.压电泵的出现推动了微量试剂操作技术的快速发展，通过提高压电泵性能，将10 μL量级体积的控释精度从10%提高到了5%，一定程度上缓解了当前特定领域中微量流体操作面临的精度难题.因此，以压电泵为核心，建立微流体控制系统成为学者们广泛关注的研究方向.图1是由台湾南方科技大学Yi-Chu Hsu等人研制的由电源、信号发生器、数字天平、台灯和压电微泵等组成血液输送系统.图2所示是由大阪科技大学的Kazuyoshi TSUCHIYA等人开发的由生物酶传感器、压电微泵和微针组成的血液葡萄糖含量检测自提取系统.国内在压电泵系统的研究方面还处于起步阶段，清华大学精密仪器系的刘兴占设计了一种用于微流量系统的微型泵，并将其成功的应用于化学分析.

1.2 压差式传感器

对微流体进行精确测量是微流体闭环控制系统中非常重要的内容，其微流量传感器测量精度可达μL-mL/min级、甚至nL/min级[3].目前，国内外研究的各种微流量检测传感器依据工作原理主要分为热式和非热式两大类，相关研究同样得到了广泛重视.

当前较为成熟的流量传感器仍是以传热原理为主，但热量在生物试剂处理过程中会造成试剂特性发生改变，不仅会影响高精度分配，还会对生物试剂中的生命物质带来影响.通过各种流量传感器性能的分析比较可见，压差式流量传感器在满足层流条件时对其它参数不敏感，电极与流体无接触、大流速时灵敏度很好、线性度好、流体温度变化小、无能量输入被测流体、工艺简单等特点，因此更适合在生物工程领域应用[4].目前国内哈尔滨工业大学在压差式流量传感器研制方面开展了探索性研究工作.

图1 小白鼠血液输送系统

图2 血液葡萄糖含量自监控系统

2 微流量闭环控制系统的建立机理

目前，由于压电陶瓷脉动驱动的特点，使得压电泵分配试剂的精度不易控制，影响其在更高精度要求场合的应用.

该闭环控制系统是将MEMS压差式流量传感器与压电泵采用一体化设计方式，利用整流通道联接两者的管路实现脉动流到层流的转换，同时考虑跨尺度流道设计、系统建模、高精度控制方法等关键技术，建立闭环微流体控释微系统，其结构示意如图3所示.

图3 集成式微量试剂控释微系统结构示意图

2.1 跨尺度流道内微流体的驱动与传输机理

压电微泵与压差式传感器的集成系统包含有毫米级的泵腔和微米级的压差管路.此时，尽管所输运的液体介质仍可作为不可压缩流体处理，且整个系统仍属于低Re数下的层流问题，但大尺度泵腔的微量弹性会极大地影响到微米级的管路系统的流动，造成驱动压力与测量流量之间的相位滞后，属于非稳态跨尺度并包含动边界的流体力学问题.因此必须研究这一特殊流体问题的机制，研究尺度、形变、动边界效应对微尺度流体传输性能的影响，在此基础上研究跨尺度下流体驱动与传输机理.

2.2 跨尺度微流道非定常脉动流整流机理与实现方法

压电微泵是脉冲驱动的，因此液体在管路中的压力会随着脉动幅值的变化而变化，因而流量的变化是非定常脉动形式.而对于压差式流量传感器来说，其检测精度取决于流量脉动频率与传感器自身响应之间的关系，尽管原则上可以通过提高传感器响应来实现更高精度检测，但受到加工手段和材料性能的限制，通过整流来削减流体的脉冲频率是可行的选择.因此，需要研究流体脉动以压力波形式在跨尺度管路系统内的传输机制，以及脉动压力对压电泵压电薄膜变形影响的流固耦合问题，并尝试在驱动单元与检测单元之间引入半波整流的单元，研究非定常脉动流整流机理与获得平稳出流的方法.在此基础上设计压电泵、传感器及整流单元的匹配结构，提高流量检测的精度.

2.3 高精度闭环控释微系统一体化建模

压差式流量传感器的引入以及压电泵驱动幅值的变化对整个系统的输出压力有较大影响，因而直接影响系统的动态特性和输出性能.因此，必须以微系统稳定输出与检测为目标，分析压电泵驱动幅值和频率、阀的响应频率、微流道中的压力损失以及传感器压降特性等各个关节之间的相互制约关系，建立系统内各环节的水力电阻、水力电感、水利电容动态响应模型；在此基础上，对整个系统的性能参数一体化建模，优化各环节的结构参数匹配，找到压电泵有效驱动幅值区间，为实现闭环控制奠定理论基础.

2.4 具有脉冲驱动、延时检测特点微流体控释微系统高精度实时调控机理及方法

压电泵具有非定常脉冲驱动的特点，而且流量传感器的输出是延时滞后的信号.要实现实时调控，必须分析微流体动态响应延时和非定常脉动流特点，以单个脉冲驱动为单元，找到有效驱动幅值与微流量检测精度之间的对应关系，在此基础上，综合考虑传输效率和精度要求，建立微流量动态预测与补偿模型，同时充分考虑压电振子迟滞、蠕变、非线性等对控释精度的影响，研究微流量的高精度实时调控方法.

2.5 高精度闭环控释微系统建立及实验研究

以上述理论分析为基础，优化设计压电振子、单向阀、泵内微流道、传感器微流道以用于削弱出流脉动的整流通道的形状结构和尺寸，同时考虑传感器与压电泵集成过程中的封装工艺，优化系统的整体结构布局，建立闭环控制微系统.以去离子水、缓冲液以及细胞保护液等典型生物试剂的微量控释为目标，开展实验研究.对控释微系统进行系能测试，分析控释系统的精度和稳定性，验证闭环控释系统的可行性，并在此基础上研究进一步提高控释精度的方法.

3 国内外研究现状和发展趋势

随着压电泵的应用领域不断扩展以及流量传感器的不断成熟，将压电泵与流量传感器联接构成流量监测与控制系统成为其发展的必然趋势[5].例如，瑞典将压电微泵与压阻传感器集成后做成类似的压电泵控制系统.美国提出了一种用于小卫星推进器的泵控流体系统，包括微泵、电极、压力传感器、毛细管推进器等.

通常，压电泵是以固定频率和幅值下的脉冲驱动方式实现试剂的驱动，因此其输出精度取决于每个脉冲输出的液体流量.现有的研究中，多数学者仅仅将流量传感器通过管路与微泵简单地连接，流量传感器的作用基本用于流量的监测，虽然起到了压电泵流量的控制的目的，但在精度要求更高的场合仍无法广泛应用.

因此，鉴于压电泵在该领域的固有优势及缺陷，如何将微流量传感器与压电泵集成，进行流体的驱动、检测和控制一体化的设计，来研制具有自检测与控制功能的高精度生物试剂压电控释微系统，实现微流体的闭环控制是实现高精度试剂分配的重要发展趋势.

4 微流量闭环控制系统的应用

生物试剂（各种脂类试剂、各种酶类试剂、各种添加剂还原剂等）是生命科学实验研究中不可或缺的实验材料.对具有不同特性的生物试剂进行高精度驱动、检测与控制操作是蛋白质结晶，药物筛选，基因测序、生物制造等研究领域不可或缺的实验手段[6].

目前，实现微量生物试剂高精度自动化处理仍以基于阀开关原理的非接触式分配技术为主.它采用电磁阀控制预压液体的分配，通过控制电磁阀开关时间以及压力大小来控制分配试剂的体积[7].由于这种分配方法需要高精度地控制系统压力和电磁阀反应时间，而且整个系统的管路长，无效体积大，在分配精度和效率方面都无法适应今后高精度高通量生物试剂分配的未来需求.

基于压电泵单个脉冲驱动幅值控制实现压电泵输出流量精度控制的思想，将压电泵与压差式流量传感器集成，来建立压电泵闭环控制微系统.在微系统的设计方面，综合考虑集成后的压力输出与流量控制的关系，优化设计压电泵与传感器之间的缓冲通道，解决跨尺度流道流体传输机理、闭环系统性能参数匹配模型、脉动流检测与控制模型以及高精度流量控制方法等关键技术，建立具有微量试剂输送与自检测功能的闭环控制微系统，最终实现微量试剂的准确、快速、稳定的处理.

5 结语

目前在实现微流体的闭环控制过程中仍有许多需要重点解决的关键问题，首先是解决面向压电泵脉动流动驱动特性层流化的跨尺度流道设计理论的问题；另外是解决具有非定常脉冲驱动、延时检测特点微流体控释微系统实时控制理论的问题.流量传感器的检测在空间上是滞后于压电泵驱动的，同时压电泵的驱动是非定常脉冲式的.这就要求传感器检测信号不仅仅要作为反馈信号，而且要作为预测信号，同时考虑压电驱动本身的控制模型，实现整个系统的实时控制.

[1]国家自然科学基金委员会工程与材料科学部机械工程科学技术编委会.机械工程科学技术前沿[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，张雪洪，胡洪波.生物工程单元操作实验[M].上海：上海交通大学出版社，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.

（责任编辑 李健飞）

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，黑龙江海伦人，讲师，主要从事智能机器、数控研究.