摘要：在微流控芯片进样、化学反应进样和长期药物注射领域，需要能够精确控制正负气压的压力控制器。本文特别提出了微流控芯片采样对多通道压力控制器的技术要求，并详细介绍了多通道气路结构、控制方法、气流调节阀、压力传感器和PID内容和技术指标，如控制器。通过这种解决方案，可以完全满足各种微流体控制对多通道压力控制器的要求。
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一、背景介绍
在微流控芯片采样、化学反应采样和长期药物注射领域，需要能够提供正负压力精确控制的多通道压力控制器，并通过气体压力控制流体的流量或流量。图1显示了该压力控制器在微流控芯片采样中的典型应用。
在微流控芯片进样中，压力控制器需要具备以下功能：
(1)多通道，各通道可独立控制和操作。
(2)每个通道可根据编程设置输出相应的正负压力。
(3)正负压力控制范围:绝对压力1Pa~0.5MPa（表压-101kPa~0.6MPa）。
(4)压力控制精度:0.1%~1%。
本文提出了相应的解决方案，详细介绍了多通道气路结构、控制方法、气流调节阀、压力传感器和PID控制器等内容和技术指标。通过此解决方案，完全能够满足各种微流体控制对多通道压力控制器的要求。
二、解决方案
本文提出的解决方案是在1中实现的Pa~0.7MPa精确控制在绝对压力范围内，控制精度极限可达0.1%。也就是说，结合高精度步进电机和微流量电针阀、高精度压力传感器和多通道，提供可控气压源解决方案PID气压源可以进行各种高精度真空压力的可编程输出，也可以用来控制不同的流体流量。
本文涉及的解决方案主要用于微流控芯片的多通道正负压力控制器，主要是因为微流控芯片的压力基本上在标准大气压附近变化，相应的多通道压力控制器相对简单。对于较低的压力，如气压小于1kPa绝对压力的多通道控制，要实现精密控制则整个压力控制器将十分复杂。多通道压力控制器的工作原理如图2所示。
多通道压力控制器对微流控芯片进样的工作原理如下：
(1)多通道压力控制包括正压气源、进气调节阀、出气调节阀、抽气泵和PID控制器单元。正压气源和泵提供足够的负压和正压能力，可通过多通道使用。同样，多通道压力控制器也使用进气调节阀。需要注意的是，由于微流控进气所需的负压气压值较大，接近标准大气压，微流控芯片进气压力控制只需固定进气调节阀的开度，近距离调节出气阀的开度可以实现正负压的精确控制，因此可以使用进气调节阀。如果要精确控制低负压气压值(高真空度)，配置恰恰相反。每个通道配置的进气阀可以调整，但可以使用抽气阀。
(2)基于封闭空腔进气和出气的动态平衡法，精密压力控制原理。多通道压力控制器的每个通道都是典型的闭环控制电路，其中PID控制器的每个通道收集相应通道的真空压力传感器信号，比较该通道的设定值进行比较，然后调整相应通道的进气和抽气调节阀的开度，最终使该通道的测量值等于设定值，实现该通道真空压力的准确控制。
（3）为了覆盖负压到正压的所要求的真空压力范围，需要配置一个测试量程覆盖要求范围内的高精度绝对压力传感器，如果一个压力传感器无法覆盖全量程，则需要增加压力传感器数量来分段覆盖。采用绝对压力传感器的优势是不受各地大气气压变化的影响，无需采取气压修正，更能保证测试的准确性和重复性。
(4)直流模拟信号(如0)绝对压力传感器对应的真空压力范围输出值从小到大变化(如~10VDC）。输入此模拟信号PID控制器，由PID控制器调整进气阀和排气阀的开度，实现精确的压力控制。
（5）当控制从负压变为正压时，初始进气调节阀开度（进气流量）远小于抽气调节阀开度（抽气流量），实现不同负压控制，最终进气调节阀开度态，实现不同的负压控制，最终进气调节阀开度远大于抽气调节阀开度，实现负压到正压范围内一系列设定点或斜线的连续精确控制。从正压到负压的变化控制正好相反。
三、方案的具体内容
正负压力控制器的具体结构如图3所示，主要包括正压气源、电针阀、封闭腔、压力传感器、高精度PID控制器和泵。
在图3所示的正负压力控制器中，每个通道对应一个封闭的空腔，每个封闭空腔上的外接口作为该通道的压力输出口。左右安装两个封闭的空腔。NCNV由一系列步进电机驱动的微型电动针阀是正负压调节阀，绝对真空压力范围为0.0001mbar~7bar，最大流量为40mL/min，步进电机单步长12.7微米，能完全满足小空腔正负压的精确控制。因此，压力控制器中的每个通道都可以准确控制正负压的任何设定点，从正压到负压的压力线性变化控制，从负压到正压的压力线性变化控制。
微流控芯片一般需要微正负压控制，如果控制精度为±0.5%甚至更小，通常需要调整抽气阀的双向动态模式，即通过控制器使进气口电针阀的开度基本不变，同时根据PID调节排气口电针阀开度的算法。由于进气阀的开度基本处于固定状态，使得微流控芯片进样所用的多通道压力控制器可以公用一个调节进气流量的电动针阀。此外，所有通道都需要具有泵送功能，泵送速度也是一个固定值，因此多通道压力控制器也可以使用泵。
除上述恒定进气流量调节抽气流量的控制方法外，决定压力控制精度的因素还包括压力传感器，PID控制器和电针阀的精度。本方案中的PID控制器采用24位AD和16位的DA，电针阀是一种高精度步进电机，因此该解决方案的测试精度主要取决于压力传感器的精度，通常至少为0.压力传感器精度为1%。
在微流控芯片进样过程中，密封容器往往需要在正负压范围内多次往复变化，并根据设定的曲线进行控制。因此，该方案采用可存储多个编辑程序PID控制器，每个设定程度都是由多个折线段组成的曲线，从而实现正负压往复变化的自动程序控制。
在本文中提到的解决方案中，为了实现正负压的精确控制，如图3所示，为负压的形成配置了泵。泵相当于负压源，但真空发生器也可以达到负压源的效果。真空发生器的优点是，整个系统只需要配备一个正压气源，降低了整个系统的成本、体积和重量。真空发生器可以通过连接正压气源来达到相同的泵送效果。
四、总结
本文所述解决方案，完全可以实现微流控芯片进样系统中压力的任意设定点和连续程序形式的精密控制，并且可以达到很高的控制精度和速度，全程自动化。
本方案除了自动精密控制之外，另外一个特点是系统简单，正负压控制范围也可以比较宽泛，整个系统小巧和集成化，便于形成小型化的检测仪器。
本文解决方案的技术成熟度很高，方案中所涉及的电动针阀和PID控制器，都是目前特有的标准产品，其他的压力传感器、抽气泵、真空发生器和正压气源等也是目前市场上常见的标准产品。
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