微流量传感器及其在压电泵闭环控制中的应用
发布时间：2021-01-20 19:22
在现有压电泵研制基础上,开发了一种基于压差原理的微流量传感器并将其集成到压电泵闭环控制系统中,实现了压电泵输出试剂体积精确闭环控制.通过理论计算,指出了传感器的设计原理和传感器芯片设计原则,进而完成了传感器的封装;为方便观察传感器检测的流量信号,设计了传感器信号的显示模块;通过实验实现了传感器信号的标定和性能的测试;最后搭建压电泵闭环控制系统,并引入了模糊P ID控制算法进行精确体积试剂分配控制,通过试剂分配测试实验表明,当期望分配体积100μL时该系统试剂分配偏差小于0.1μL,具有较好的精度.
【文章来源】：中北大学学报(自然科学版). 2010,31(03)北大核心
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
流量控制系统框图
Fig.2 Process sequences of the pressure/flow-sensor chip(100)晶向的双面抛光N型硅片,硅片初始厚度约为400μm.关键工艺流程步骤可总结如图2所示.具体的工艺流程描述如下:1)采用热氧化(湿氧)的方法,在硅片的双面生长厚度为0.5μm的二氧化硅(SiO2)薄膜,如图2(a).2)标准光刻和标准氧化层腐蚀形成压阻硼掺杂电阻图形.3)标准淡硼离子注入,在经过标准再分布或退火形成方块电阻率在270Ω压阻.4)第二次光刻和标准氧化层腐蚀形成欧姆接触区图形.如图2(b)所示.5)采用双掩膜工艺进行硅杯和通道的加工.如图2(c)～(g)所示.6)去胶清洗.7)标准光刻形成铝引线图形,并且湿法腐蚀铝.最后合金化形成铝引线.如图2(h)～(i)所示.8)清洗后硅片背面和玻璃键合.玻璃上面超声打孔.如图2(j)所示.2.2.2 传感器封装传感器封装结构设计截面示意如图3所示.设计时考虑封装的密封性和坚固性以及传感器整体尺寸的指标,传感器芯片和带有孔径1.8 mm的玻璃键合,形成流体通道和入口、出口两处压力检测腔.键合引线将芯片压阻连接到基底的PCB板焊盘上.使用有机玻璃罩保护传感器芯片和键合引线.传感器信号校准和标定电路板通过接插件与基底上的PCB板相连.封装完成的实物见图4.封装后传感器的直径Ф26 mm,厚度11 mm
4 ms内达到新的平稳值.由此可见传感器响应时间小于4 ms,具有较好的动态性能.接下来进行了传感器流量检测精度测试.图9所示是流量传感器检测精度测试系统原理图.试验中计算机控制注射泵的流速,显示模块显示流量传感器检测的流量.测试时将注射泵的流速设为25μL/s,多次采集传感器检测的流量值.然后,根据变异系数公式即可得到流量检测重复精度为0.65%(CV).由此可见,该流量传感器具有较高的响应速度和重复测量精度.3 压电泵闭环系统搭建及实验研究3.1 压电泵闭环系统的搭建在完成MEMS微流量传感器及其显示模块研制的基础上,搭建了如图10所示的压电泵流量闭环控制系统.系统主要由流量检测模块、计算机控制模块、计算机通讯模块、压电陶瓷驱动模块、压电泵等部分组成.计算机控制模块采用上位机实现闭环控制算法及人机交互界面的编程.计算机通讯模块通过并口实现计算机对压电陶瓷驱动模块的控制;通过PCI9111数据采集卡实现对流量检测模块流速信号的采集.压电陶瓷驱动模块根据计算机输出的电压信号实现压电泵不同频率和幅值的驱动电压输出.压电泵是系统的执行机构,通过压电膜振动实现一定体积试剂的分配.流量检测模块完成对压电泵输出流速的实时检测.3.2 压电泵闭环控制性能实验压电泵中压电膜片在电场的作用下通过弯曲振动从而驱动液体流动,其输出瞬时流速也和压电泵驱动电压一样呈正弦周期实时变化.压电泵平均输出流速不仅受管路尺寸和状态影响
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于MEMS的压电泵及其研究进展[J]. 何秀华,张睿,蒋权英. 排灌机械. 2007(04)
[2]一种压电式精密输液微泵的试验研究[J]. 刘国君,程光明,杨志刚. 光学精密工程. 2006(04)
[3]微流控芯片技术在生命科学研究中的应用[J]. 王立凯,冯喜增. 化学进展. 2005(03)
[4]压电泵的现状与发展[J]. 阚君武,杨志刚,程光明. 光学精密工程. 2002(06)
本文编号：2989633
【文章来源】：中北大学学报(自然科学版). 2010,31(03)北大核心
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
流量控制系统框图
Fig.2 Process sequences of the pressure/flow-sensor chip(100)晶向的双面抛光N型硅片,硅片初始厚度约为400μm.关键工艺流程步骤可总结如图2所示.具体的工艺流程描述如下:1)采用热氧化(湿氧)的方法,在硅片的双面生长厚度为0.5μm的二氧化硅(SiO2)薄膜,如图2(a).2)标准光刻和标准氧化层腐蚀形成压阻硼掺杂电阻图形.3)标准淡硼离子注入,在经过标准再分布或退火形成方块电阻率在270Ω压阻.4)第二次光刻和标准氧化层腐蚀形成欧姆接触区图形.如图2(b)所示.5)采用双掩膜工艺进行硅杯和通道的加工.如图2(c)～(g)所示.6)去胶清洗.7)标准光刻形成铝引线图形,并且湿法腐蚀铝.最后合金化形成铝引线.如图2(h)～(i)所示.8)清洗后硅片背面和玻璃键合.玻璃上面超声打孔.如图2(j)所示.2.2.2 传感器封装传感器封装结构设计截面示意如图3所示.设计时考虑封装的密封性和坚固性以及传感器整体尺寸的指标,传感器芯片和带有孔径1.8 mm的玻璃键合,形成流体通道和入口、出口两处压力检测腔.键合引线将芯片压阻连接到基底的PCB板焊盘上.使用有机玻璃罩保护传感器芯片和键合引线.传感器信号校准和标定电路板通过接插件与基底上的PCB板相连.封装完成的实物见图4.封装后传感器的直径Ф26 mm,厚度11 mm
4 ms内达到新的平稳值.由此可见传感器响应时间小于4 ms,具有较好的动态性能.接下来进行了传感器流量检测精度测试.图9所示是流量传感器检测精度测试系统原理图.试验中计算机控制注射泵的流速,显示模块显示流量传感器检测的流量.测试时将注射泵的流速设为25μL/s,多次采集传感器检测的流量值.然后,根据变异系数公式即可得到流量检测重复精度为0.65%(CV).由此可见,该流量传感器具有较高的响应速度和重复测量精度.3 压电泵闭环系统搭建及实验研究3.1 压电泵闭环系统的搭建在完成MEMS微流量传感器及其显示模块研制的基础上,搭建了如图10所示的压电泵流量闭环控制系统.系统主要由流量检测模块、计算机控制模块、计算机通讯模块、压电陶瓷驱动模块、压电泵等部分组成.计算机控制模块采用上位机实现闭环控制算法及人机交互界面的编程.计算机通讯模块通过并口实现计算机对压电陶瓷驱动模块的控制;通过PCI9111数据采集卡实现对流量检测模块流速信号的采集.压电陶瓷驱动模块根据计算机输出的电压信号实现压电泵不同频率和幅值的驱动电压输出.压电泵是系统的执行机构,通过压电膜振动实现一定体积试剂的分配.流量检测模块完成对压电泵输出流速的实时检测.3.2 压电泵闭环控制性能实验压电泵中压电膜片在电场的作用下通过弯曲振动从而驱动液体流动,其输出瞬时流速也和压电泵驱动电压一样呈正弦周期实时变化.压电泵平均输出流速不仅受管路尺寸和状态影响
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于MEMS的压电泵及其研究进展[J]. 何秀华,张睿,蒋权英. 排灌机械. 2007(04)
[2]一种压电式精密输液微泵的试验研究[J]. 刘国君,程光明,杨志刚. 光学精密工程. 2006(04)
[3]微流控芯片技术在生命科学研究中的应用[J]. 王立凯,冯喜增. 化学进展. 2005(03)
[4]压电泵的现状与发展[J]. 阚君武,杨志刚,程光明. 光学精密工程. 2002(06)
本文编号：2989633
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