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(shí)現(xiàn)了壓電泵輸出試劑體積精確閉環(huán)控制.通過理論計(jì)算,指出了傳感器的設(shè)計(jì)原理和傳感器芯片設(shè)計(jì)原則,進(jìn)而完成了傳感器的封裝;為方便觀察傳感器檢測(cè)的流量信號(hào),設(shè)計(jì)了傳感器信號(hào)的顯示模塊;通過實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了傳感器信號(hào)的標(biāo)定和性能的測(cè)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(jìn)行精確體積試劑分配控制,通過試劑分配測(cè)試實(shí)驗(yàn)表明,當(dāng)期望分配體積100μL時(shí)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(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)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(biāo)準(zhǔn)光刻和標(biāo)準(zhǔn)氧化層腐蝕形成壓阻硼摻雜電阻圖形.3)標(biāo)準(zhǔn)淡硼離子注入,在經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行硅杯和通道的加工.如圖2(c)～(g)所示.6)去膠清洗.7)標(biāo)準(zhǔn)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(jì)截面示意如圖3所示.設(shè)計(jì)時(shí)考慮封裝的密封性和堅(jiān)固性以及傳感器整體尺寸的指標(biāo),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(cè)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(jī)玻璃罩保護(hù)傳感器芯片和鍵合引線.傳感器信號(hào)校準(zhǔn)和標(biāo)定電路板通過接插件與基底上的PCB板相連.封裝完成的實(shí)物見圖4.封裝后傳感器的直徑Ф26 mm,厚度11 mm

4 ms內(nèi)達(dá)到新的平穩(wěn)值.由此可見傳感器響應(yīng)時(shí)間小于4 ms,具有較好的動(dòng)態(tài)性能.接下來進(jìn)行了傳感器流量檢測(cè)精度測(cè)試.圖9所示是流量傳感器檢測(cè)精度測(cè)試系統(tǒng)原理圖.試驗(yàn)中計(jì)算機(jī)控制注射泵的流速,顯示模塊顯示流量傳感器檢測(cè)的流量.測(cè)試時(shí)將注射泵的流速設(shè)為25μL/s,多次采集傳感器檢測(cè)的流量值.然后,根據(jù)變異系數(shù)公式即可得到流量檢測(cè)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(cè)量精度.3　壓電泵閉環(huán)系統(tǒng)搭建及實(shí)驗(yàn)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(cè)模塊、計(jì)算機(jī)控制模塊、計(jì)算機(jī)通訊模塊、壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)模塊、壓電泵等部分組成.計(jì)算機(jī)控制模塊采用上位機(jī)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制算法及人機(jī)交互界面的編程.計(jì)算機(jī)通訊模塊通過并口實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)對(duì)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)模塊的控制;通過PCI9111數(shù)據(jù)采集卡實(shí)現(xiàn)對(duì)流量檢測(cè)模塊流速信號(hào)的采集.壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)模塊根據(jù)計(jì)算機(jī)輸出的電壓信號(hào)實(shí)現(xiàn)壓電泵不同頻率和幅值的驅(qū)動(dòng)電壓輸出.壓電泵是系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu),通過壓電膜振動(dòng)實(shí)現(xiàn)一定體積試劑的分配.流量檢測(cè)模塊完成對(duì)壓電泵輸出流速的實(shí)時(shí)檢測(cè).3.2　壓電泵閉環(huán)控制性能實(shí)驗(yàn)壓電泵中壓電膜片在電場(chǎng)的作用下通過彎曲振動(dòng)從而驅(qū)動(dòng)液體流動(dòng),其輸出瞬時(shí)流速也和壓電泵驅(qū)動(dòng)電壓一樣呈正弦周期實(shí)時(shí)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(xiàn)】：
期刊論文
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本文編號(hào)：2989633