多流体混合微流控制系统的研究

摘要

在近二十年里,随着生化领域对试剂微量输入输出的稳定性和精确度的要求越来越高,微流控制系统也随之迅速发展,其优点是节省试剂、分析速度快、功能全等。而在微流控制系统中,经常会遇到多种流体按不同比例混合的情况,其精度也是整个生化反应成败的关键。本文在对现有微流控制系统和微泵做了综述的基础上,本着设计可携带、微型化、精确度高的微流控制系统为目的,提出了以两种新型低压驱动薄膜式微泵为核心元件的多流体混合微流控制系统。其优点是驱动电压低、输出流量大、安全性高、流量控制精度高,在生物科学、化工分析、医学等领域有着广阔的应用前景。
　　 文中提出了两种新型微泵:电渗驱动薄膜微泵和ICPF驱动薄膜微泵。首先对电渗驱动和ICPF驱动原理进行理论分析,在此基础上设计了两种薄膜微泵,并在结构上做优化处理。针对电渗驱动器工作时电解水产生的气泡影响输出,并且消耗电渗液使得电渗驱动器不能长时间连续工作的问题,文中提出了利用燃料电池化合电解水时产生的氢气和氧气,防止此现象的发生,使得电渗液可以循环使用,保证了电渗驱动器可以长时间不问断工作。而对ICPF不能将全部电能转换成机械能的问题,设计了一种封闭式的驱动腔结构,这样就可以有效的将热气动力和机械力相结合,辅助ICPF驱动器驱动PDMS薄膜以达到更好的输出效果,提高了微泵的工作效率。在实验室利用微机械加工手段制作了两种微泵的样机,通过实验的方法找到两种微泵工作的最佳频率与最佳占空比,并且利用实践与理论相结合的方式找到影响微泵输出的主要因素。
　　 分析迟滞非线性系统的特点,根据比较目前描述迟滞非线性的动力学模型,选择了参数较少并方便控制的Bouc-Wen模型辨识PDMS薄膜微泵的迟滞非线性。先利用Hilbert变换判断PDMS薄膜微泵是否具有非线性特性,根据PDMS薄膜微泵的工作机理建立微泵的迟滞非线性模型,在此基础上利用修正的最小二乘法辨识迟滞模型的各个参数,为能精确控制输出流量提供结构精准的数学模型。
　　 搭建一个多流体混合闭环微流控制系统,在此系统中,以PDMS薄膜微泵为主要控制对象,它是一个模型结构已知,但参数存在不确定性和时变特性的被控对象。根据此特点选择模型参考自适应控制规律控制微泵的输出流量。与PID控制方法和神经网络控制方法相比较,模型参考自适应控制方法具有响应速度快、可以自动调节控制参数的优点,更加适合多流体混合微流控制系统。通过数字仿真和化学实验两种方式,验证此控制规律可以控制多流体混合微流控制系统精确输出并混合。
　　 通过以上的工作,可以证明以电渗驱动薄膜微泵和ICPF驱动薄膜微泵为核心控制元件的多流体混合微流控制系统,能稳定控制输出流量并精确混合,将在生化领域中扮演重要角色。