微流量傳感器及其在壓電泵閉環(huán)控制中的應(yīng)用
發(fā)布時間：2021-01-20 19:22
在現(xiàn)有壓電泵研制基礎(chǔ)上,開發(fā)了一種基于壓差原理的微流量傳感器并將其集成到壓電泵閉環(huán)控制系統(tǒng)中,實現(xiàn)了壓電泵輸出試劑體積精確閉環(huán)控制.通過理論計算,指出了傳感器的設(shè)計原理和傳感器芯片設(shè)計原則,進而完成了傳感器的封裝;為方便觀察傳感器檢測的流量信號,設(shè)計了傳感器信號的顯示模塊;通過實驗實現(xiàn)了傳感器信號的標定和性能的測試;最后搭建壓電泵閉環(huán)控制系統(tǒng),并引入了模糊P ID控制算法進行精確體積試劑分配控制,通過試劑分配測試實驗表明,當期望分配體積100μL時該系統(tǒng)試劑分配偏差小于0.1μL,具有較好的精度.
【文章來源】：中北大學學報(自然科學版). 2010,31(03)北大核心
【文章頁數(shù)】：7 頁
【部分圖文】：
流量控制系統(tǒng)框圖
Fig.2 Process sequences of the pressure/flow-sensor chip(100)晶向的雙面拋光N型硅片,硅片初始厚度約為400μm.關(guān)鍵工藝流程步驟可總結(jié)如圖2所示.具體的工藝流程描述如下:1)采用熱氧化(濕氧)的方法,在硅片的雙面生長厚度為0.5μm的二氧化硅(SiO2)薄膜,如圖2(a).2)標準光刻和標準氧化層腐蝕形成壓阻硼摻雜電阻圖形.3)標準淡硼離子注入,在經(jīng)過標準再分布或退火形成方塊電阻率在270Ω壓阻.4)第二次光刻和標準氧化層腐蝕形成歐姆接觸區(qū)圖形.如圖2(b)所示.5)采用雙掩膜工藝進行硅杯和通道的加工.如圖2(c)～(g)所示.6)去膠清洗.7)標準光刻形成鋁引線圖形,并且濕法腐蝕鋁.最后合金化形成鋁引線.如圖2(h)～(i)所示.8)清洗后硅片背面和玻璃鍵合.玻璃上面超聲打孔.如圖2(j)所示.2.2.2 傳感器封裝傳感器封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計截面示意如圖3所示.設(shè)計時考慮封裝的密封性和堅固性以及傳感器整體尺寸的指標,傳感器芯片和帶有孔徑1.8 mm的玻璃鍵合,形成流體通道和入口、出口兩處壓力檢測腔.鍵合引線將芯片壓阻連接到基底的PCB板焊盤上.使用有機玻璃罩保護傳感器芯片和鍵合引線.傳感器信號校準和標定電路板通過接插件與基底上的PCB板相連.封裝完成的實物見圖4.封裝后傳感器的直徑Ф26 mm,厚度11 mm
4 ms內(nèi)達到新的平穩(wěn)值.由此可見傳感器響應(yīng)時間小于4 ms,具有較好的動態(tài)性能.接下來進行了傳感器流量檢測精度測試.圖9所示是流量傳感器檢測精度測試系統(tǒng)原理圖.試驗中計算機控制注射泵的流速,顯示模塊顯示流量傳感器檢測的流量.測試時將注射泵的流速設(shè)為25μL/s,多次采集傳感器檢測的流量值.然后,根據(jù)變異系數(shù)公式即可得到流量檢測重復(fù)精度為0.65%(CV).由此可見,該流量傳感器具有較高的響應(yīng)速度和重復(fù)測量精度.3 壓電泵閉環(huán)系統(tǒng)搭建及實驗研究3.1 壓電泵閉環(huán)系統(tǒng)的搭建在完成MEMS微流量傳感器及其顯示模塊研制的基礎(chǔ)上,搭建了如圖10所示的壓電泵流量閉環(huán)控制系統(tǒng).系統(tǒng)主要由流量檢測模塊、計算機控制模塊、計算機通訊模塊、壓電陶瓷驅(qū)動模塊、壓電泵等部分組成.計算機控制模塊采用上位機實現(xiàn)閉環(huán)控制算法及人機交互界面的編程.計算機通訊模塊通過并口實現(xiàn)計算機對壓電陶瓷驅(qū)動模塊的控制;通過PCI9111數(shù)據(jù)采集卡實現(xiàn)對流量檢測模塊流速信號的采集.壓電陶瓷驅(qū)動模塊根據(jù)計算機輸出的電壓信號實現(xiàn)壓電泵不同頻率和幅值的驅(qū)動電壓輸出.壓電泵是系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu),通過壓電膜振動實現(xiàn)一定體積試劑的分配.流量檢測模塊完成對壓電泵輸出流速的實時檢測.3.2 壓電泵閉環(huán)控制性能實驗壓電泵中壓電膜片在電場的作用下通過彎曲振動從而驅(qū)動液體流動,其輸出瞬時流速也和壓電泵驅(qū)動電壓一樣呈正弦周期實時變化.壓電泵平均輸出流速不僅受管路尺寸和狀態(tài)影響
【參考文獻】：
期刊論文
[1]基于MEMS的壓電泵及其研究進展[J]. 何秀華,張睿,蔣權(quán)英. 排灌機械. 2007(04)
[2]一種壓電式精密輸液微泵的試驗研究[J]. 劉國君,程光明,楊志剛. 光學精密工程. 2006(04)
[3]微流控芯片技術(shù)在生命科學研究中的應(yīng)用[J]. 王立凱,馮喜增. 化學進展. 2005(03)
[4]壓電泵的現(xiàn)狀與發(fā)展[J]. 闞君武,楊志剛,程光明. 光學精密工程. 2002(06)
本文編號：2989633
【文章來源】：中北大學學報(自然科學版). 2010,31(03)北大核心
【文章頁數(shù)】：7 頁
【部分圖文】：
流量控制系統(tǒng)框圖
Fig.2 Process sequences of the pressure/flow-sensor chip(100)晶向的雙面拋光N型硅片,硅片初始厚度約為400μm.關(guān)鍵工藝流程步驟可總結(jié)如圖2所示.具體的工藝流程描述如下:1)采用熱氧化(濕氧)的方法,在硅片的雙面生長厚度為0.5μm的二氧化硅(SiO2)薄膜,如圖2(a).2)標準光刻和標準氧化層腐蝕形成壓阻硼摻雜電阻圖形.3)標準淡硼離子注入,在經(jīng)過標準再分布或退火形成方塊電阻率在270Ω壓阻.4)第二次光刻和標準氧化層腐蝕形成歐姆接觸區(qū)圖形.如圖2(b)所示.5)采用雙掩膜工藝進行硅杯和通道的加工.如圖2(c)～(g)所示.6)去膠清洗.7)標準光刻形成鋁引線圖形,并且濕法腐蝕鋁.最后合金化形成鋁引線.如圖2(h)～(i)所示.8)清洗后硅片背面和玻璃鍵合.玻璃上面超聲打孔.如圖2(j)所示.2.2.2 傳感器封裝傳感器封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計截面示意如圖3所示.設(shè)計時考慮封裝的密封性和堅固性以及傳感器整體尺寸的指標,傳感器芯片和帶有孔徑1.8 mm的玻璃鍵合,形成流體通道和入口、出口兩處壓力檢測腔.鍵合引線將芯片壓阻連接到基底的PCB板焊盤上.使用有機玻璃罩保護傳感器芯片和鍵合引線.傳感器信號校準和標定電路板通過接插件與基底上的PCB板相連.封裝完成的實物見圖4.封裝后傳感器的直徑Ф26 mm,厚度11 mm
4 ms內(nèi)達到新的平穩(wěn)值.由此可見傳感器響應(yīng)時間小于4 ms,具有較好的動態(tài)性能.接下來進行了傳感器流量檢測精度測試.圖9所示是流量傳感器檢測精度測試系統(tǒng)原理圖.試驗中計算機控制注射泵的流速,顯示模塊顯示流量傳感器檢測的流量.測試時將注射泵的流速設(shè)為25μL/s,多次采集傳感器檢測的流量值.然后,根據(jù)變異系數(shù)公式即可得到流量檢測重復(fù)精度為0.65%(CV).由此可見,該流量傳感器具有較高的響應(yīng)速度和重復(fù)測量精度.3 壓電泵閉環(huán)系統(tǒng)搭建及實驗研究3.1 壓電泵閉環(huán)系統(tǒng)的搭建在完成MEMS微流量傳感器及其顯示模塊研制的基礎(chǔ)上,搭建了如圖10所示的壓電泵流量閉環(huán)控制系統(tǒng).系統(tǒng)主要由流量檢測模塊、計算機控制模塊、計算機通訊模塊、壓電陶瓷驅(qū)動模塊、壓電泵等部分組成.計算機控制模塊采用上位機實現(xiàn)閉環(huán)控制算法及人機交互界面的編程.計算機通訊模塊通過并口實現(xiàn)計算機對壓電陶瓷驅(qū)動模塊的控制;通過PCI9111數(shù)據(jù)采集卡實現(xiàn)對流量檢測模塊流速信號的采集.壓電陶瓷驅(qū)動模塊根據(jù)計算機輸出的電壓信號實現(xiàn)壓電泵不同頻率和幅值的驅(qū)動電壓輸出.壓電泵是系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu),通過壓電膜振動實現(xiàn)一定體積試劑的分配.流量檢測模塊完成對壓電泵輸出流速的實時檢測.3.2 壓電泵閉環(huán)控制性能實驗壓電泵中壓電膜片在電場的作用下通過彎曲振動從而驅(qū)動液體流動,其輸出瞬時流速也和壓電泵驅(qū)動電壓一樣呈正弦周期實時變化.壓電泵平均輸出流速不僅受管路尺寸和狀態(tài)影響
【參考文獻】：
期刊論文
[1]基于MEMS的壓電泵及其研究進展[J]. 何秀華,張睿,蔣權(quán)英. 排灌機械. 2007(04)
[2]一種壓電式精密輸液微泵的試驗研究[J]. 劉國君,程光明,楊志剛. 光學精密工程. 2006(04)
[3]微流控芯片技術(shù)在生命科學研究中的應(yīng)用[J]. 王立凱,馮喜增. 化學進展. 2005(03)
[4]壓電泵的現(xiàn)狀與發(fā)展[J]. 闞君武,楊志剛,程光明. 光學精密工程. 2002(06)
本文編號：2989633
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