本文選題：微流控芯片 + 微小流量系統(tǒng)��； 參考：《哈爾濱工業(yè)大學(xué)》2017年碩士論文

【摘要】：微流控技術(shù)將傳統(tǒng)化學(xué)或生物實驗室分析流程的進(jìn)樣、反應(yīng)、檢測等多個實驗步驟集成到一塊幾平方厘米大小的芯片上,在生物醫(yī)學(xué)檢測、化學(xué)分析等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。微流控技術(shù)的很多應(yīng)用領(lǐng)域需要提供微小流量,但目前市場上常見的能產(chǎn)生微小流量的注射泵和蠕動泵體積較大,穩(wěn)定時間長,流量脈動大且無法進(jìn)行閉環(huán)控制和數(shù)據(jù)的無線傳輸,為了提高裝置的集成化程度,縮短穩(wěn)定時間,本文提出了基于步進(jìn)電機(jī)的微量給水給藥閉環(huán)控制系統(tǒng),實現(xiàn)微小流量的穩(wěn)定輸出,可用于臨床醫(yī)學(xué)的藥物供給,植物精確灌溉,生物醫(yī)學(xué)檢測和化學(xué)分析的進(jìn)樣系統(tǒng)等。本文提出了電路等效方法來分析微量給水給藥系統(tǒng)的工作原理,建立了系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型,在推導(dǎo)微閥、微流控芯片的數(shù)學(xué)模型時基于能量法和虛位移原理得到了微流道變形量的計算公式,并推導(dǎo)了微閥氣體反作用力的計算公式。利用Matlab/Simulink對元件靜、動態(tài)特性和系統(tǒng)的開環(huán)特性進(jìn)行了仿真研究:得到了步進(jìn)電機(jī)的位移響應(yīng)特性,分析了微閥在不同氣源壓力時有無考慮流道變形的體積流量的差別以及微閥流量與氣源壓力和閥口開度的關(guān)系,同時分析了氣體壓力引起的流道變形對微流控芯片流量的影響及其體積流量與氣體壓力的關(guān)系,并分析了氣源壓力、微閥流道尺寸、可變?nèi)萸粌?nèi)氣室體積和微流控芯片流道尺寸等參數(shù)對微流控芯片內(nèi)體積流量和充液長度等系統(tǒng)開環(huán)特性的影響。本文比較了智能PID、PWM控制和Bang-Bang控制等控制方法對微量給水給藥系統(tǒng)流量的控制效果,分析了氣源壓力和外界干擾等對系統(tǒng)流量穩(wěn)定時間、超調(diào)量和控制精度的影響,在對比分析的基礎(chǔ)上決定采用單閥Bang-Bang控制對微流控芯片的流量進(jìn)行控制,研究了排氣微閥的閥口開度、不同流量設(shè)定值、氣源壓力和不同類型氣源干擾等因素對其流量控制效果的影響。本文完成了微流控芯片的制作與封裝,設(shè)計制作了微閥模塊和控制模塊等元件,搭建了實驗平臺,可同時獨(dú)立控制兩路微小流量的生成,測試了步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行特性和最高運(yùn)行頻率,測試了可變?nèi)萸粌?nèi)氣壓與閥口開度的關(guān)系,同時測試了微閥和微流控芯片的流量特性等元件性能并分析了實驗和仿真結(jié)果出現(xiàn)差別的原因,開展閉環(huán)控制實驗比較了三種控制方法的優(yōu)缺點,研究了Bang-Bang控制在氣源壓力變化時的控制效果,同時對無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞竭M(jìn)行了設(shè)計。
[Abstract]:Microfluidic technology integrates the sampling, reaction and detection of the traditional chemical or biological laboratory analysis process into a chip of several square centimeter size. It has a wide application prospect in the fields of biomedical detection, chemical analysis and other fields. The injection pump and peristaltic pump, which can produce small flow in the field, have large volume, long stable time, large flow pulsation and cannot carry out close loop control and wireless transmission of data. In order to improve the integration degree of the device and shorten the stable time, this paper presents a closed loop control system based on the step motor for micro water supply. The stable output of flow can be used in clinical medicine supply, plant precision irrigation, biomedical detection and chemical analysis. This paper proposes the circuit equivalent method to analyze the working principle of micro water supply system, establishes the dynamic mathematical model of the system, and derives the mathematical model of micro valve and microfluidic chip. Based on the energy method and the virtual displacement principle, the calculation formula for the deformation of the micro channel is obtained, and the calculation formula of the reaction force of the micro valve is derived. The static and dynamic characteristics of the components and the opening ring characteristics of the system are simulated with Matlab/Simulink. The response characteristics of the step motor are obtained, and the pressure of the micro valve in different gas sources is analyzed. There is no consideration of the difference in volume flow of the deformation of the flow channel, the relation between the flow of the valve and the pressure of the gas source and the opening of the valve, and the relationship between the flow of the microfluidic chip and the relationship between the volume flow and the pressure of the gas, and the pressure of the gas, the size of the micro valve channel and the variable volume chamber of the chamber are also analyzed. The influence of volume and microfluidic chip size on the open loop characteristics of the system, such as volume flow and liquid filling length in microfluidic chips. This paper compares the control effects of intelligent PID, PWM control and Bang-Bang control methods on the flow of micro water supply system, and analyzes the flow stability of the system by gas pressure and external interference. On the basis of the influence of fixed time, overshoot and control precision, the single valve Bang-Bang control is adopted to control the flow of microfluidic chips on the basis of comparative analysis. The influence of the opening degree of the valve opening, the set value of different flow rate, the pressure of the gas source and the interference of different types of gas sources on the flow control effect are studied. The microfluidic chip is made and packaged, the micro valve module and control module are designed, and the experimental platform is built. At the same time, the generation of two micro flow can be controlled independently, the running characteristic and the maximum operating frequency of the step motor are tested. The relationship between the air pressure of the variable volume and the opening of the valve mouth is tested, and the micro valve and the valve are tested at the same time. The flow characteristics of the microfluidic chip and other components are analyzed, and the reasons for the difference between the experimental and simulation results are analyzed. The advantages and disadvantages of the three control methods are compared with the closed loop control experiments. The control effect of the Bang-Bang control in the change of the gas source pressure is studied. At the same time, the mode of wireless data transmission is designed.
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TP273;TN492

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本文編號：2109679