【摘要】：在近二十年里,隨著生化領(lǐng)域?qū)υ噭┪⒘枯斎胼敵龅姆�(wěn)定性和精確度的要求越來越高,微流控制系統(tǒng)也隨之迅速發(fā)展,其優(yōu)點(diǎn)是節(jié)省試劑、分析速度快、功能全等。而在微流控制系統(tǒng)中,經(jīng)常會(huì)遇到多種流體按不同比例混合的情況,其精度也是整個(gè)生化反應(yīng)成敗的關(guān)鍵。本文在對(duì)現(xiàn)有微流控制系統(tǒng)和微泵做了綜述的基礎(chǔ)上,本著設(shè)計(jì)可攜帶、微型化、精確度高的微流控制系統(tǒng)為目的,提出了以兩種新型低壓驅(qū)動(dòng)薄膜式微泵為核心元件的多流體混合微流控制系統(tǒng)。其優(yōu)點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)電壓低、輸出流量大、安全性高、流量控制精度高,在生物科學(xué)、化工分析、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。 文中提出了兩種新型微泵：電滲驅(qū)動(dòng)薄膜微泵和ICPF驅(qū)動(dòng)薄膜微泵。首先對(duì)電滲驅(qū)動(dòng)和ICPF驅(qū)動(dòng)原理進(jìn)行理論分析,在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了兩種薄膜微泵,并在結(jié)構(gòu)上做優(yōu)化處理。針對(duì)電滲驅(qū)動(dòng)器工作時(shí)電解水產(chǎn)生的氣泡影響輸出,并且消耗電滲液使得電滲驅(qū)動(dòng)器不能長時(shí)間連續(xù)工作的問題,文中提出了利用燃料電池化合電解水時(shí)產(chǎn)生的氫氣和氧氣,防止此現(xiàn)象的發(fā)生,使得電滲液可以循環(huán)使用,保證了電滲驅(qū)動(dòng)器可以長時(shí)間不間斷工作。而對(duì)ICPF不能將全部電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的問題,設(shè)計(jì)了一種封閉式的驅(qū)動(dòng)腔結(jié)構(gòu),這樣就可以有效的將熱氣動(dòng)力和機(jī)械力相結(jié)合,輔助ICPF驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)PDMS薄膜以達(dá)到更好的輸出效果,提高了微泵的工作效率。在實(shí)驗(yàn)室利用微機(jī)械加工手段制作了兩種微泵的樣機(jī),通過實(shí)驗(yàn)的方法找到兩種微泵工作的最佳頻率與最佳占空比,并且利用實(shí)踐與理論相結(jié)合的方式找到影響微泵輸出的主要因素。 分析遲滯非線性系統(tǒng)的特點(diǎn),根據(jù)比較目前描述遲滯非線性的動(dòng)力學(xué)模型,選擇了參數(shù)較少并方便控制的Bouc-Wen模型辨識(shí)PDMS薄膜微泵的遲滯非線性。先利用Hilbert變換判斷PDMS薄膜微泵是否具有非線性特性,根據(jù)PDMS薄膜微泵的工作機(jī)理建立微泵的遲滯非線性模型,在此基礎(chǔ)上利用修正的最小二乘法辨識(shí)遲滯模型的各個(gè)參數(shù),為能精確控制輸出流量提供結(jié)構(gòu)精準(zhǔn)的數(shù)學(xué)模型。 搭建一個(gè)多流體混合閉環(huán)微流控制系統(tǒng),在此系統(tǒng)中,以PDMS薄膜微泵為主要控制對(duì)象,它是一個(gè)模型結(jié)構(gòu)已知,但參數(shù)存在不確定性和時(shí)變特性的被控對(duì)象。根據(jù)此特點(diǎn)選擇模型參考自適應(yīng)控制規(guī)律控制微泵的輸出流量。與PID控制方法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制方法相比較,模型參考自適應(yīng)控制方法具有響應(yīng)速度快、可以自動(dòng)調(diào)節(jié)控制參數(shù)的優(yōu)點(diǎn),更加適合多流體混合微流控制系統(tǒng)。通過數(shù)字仿真和化學(xué)實(shí)驗(yàn)兩種方式,驗(yàn)證此控制規(guī)律可以控制多流體混合微流控制系統(tǒng)精確輸出并混合。 通過以上的工作,可以證明以電滲驅(qū)動(dòng)薄膜微泵和ICPF驅(qū)動(dòng)薄膜微泵為核心控制元件的多流體混合微流控制系統(tǒng),能穩(wěn)定控制輸出流量并精確混合,將在生化領(lǐng)域中扮演重要角色。
【圖文】：

的迅速發(fā)展，微全分析系統(tǒng) (MiniaturizedTotalAnalysisSystems，林一TAS)已經(jīng)逐步的成為了化學(xué)分析、生物制造、生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境檢測(cè)、農(nóng)林業(yè)等領(lǐng)域中的重要的分析設(shè)備l‘」L6)。如圖1.1所示，微全分析系統(tǒng)是微分析系統(tǒng)的一個(gè)分支，微全分析系統(tǒng)又包括微流控芯片形式和非芯片形式兩種。而微流控制芯片因其高度集成化、高速性、方便攜帶等優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)成為各國科學(xué)家和學(xué)者們的研究重點(diǎn)。20世紀(jì)90年代，瑞士的Manz和Widmer首次提出了片TAs概念，該技術(shù)以分析化學(xué)為基礎(chǔ)，以微機(jī)電加工技術(shù)為手段，以微通道為基木結(jié)構(gòu)特征，把整個(gè)實(shí)驗(yàn)室的功能(采樣、稀釋、反應(yīng)、添加試劑、分離和檢測(cè)等)集成到一起，甚至集成到幾平方厘米(甚至更小)的芯片上，因此也叫做“芯片實(shí)驗(yàn)室”(Lab一on一a一chiP， LOC)

圖1.2微混合系統(tǒng)分類示意圖 Fig.1.2Classificationofthemieromixingsystem如圖1.2所示，目前的多流體混合系統(tǒng)有兩類。一類是主動(dòng)式微流量混合系統(tǒng)，它是采用一些外部激勵(lì)作用或者主動(dòng)控制方法，通過可移動(dòng)部件或者變化的梯度作用于流域中，進(jìn)而達(dá)到混合效果。其主要方法有:熱對(duì)流、超聲波、磁場(chǎng)促進(jìn)型、電場(chǎng)促進(jìn)型、攪拌型等，其優(yōu)點(diǎn)是輸入能量可調(diào)整、易于控制，缺點(diǎn)是需要額外的能量及其產(chǎn)生部件，，制作較為復(fù)雜、成本較高、難以整合到整個(gè)系統(tǒng)中;另一類是被動(dòng)式微
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工程大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2011
【分類號(hào)】：TH38

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2624469