基于步进电机微阀的液滴微流控系统研究.pdf

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1、硕士学位论文基于步进电机微阀的液滴微流控系统研究RESEARCHOFDROPLETMICROFLUIDICSCONTROLSYSTEMBASEDONSTEPPERMOTORMICROVALVE吴海成哈尔滨工业大学2018年6月国内图书分类号：TH137.7学校代码：10213国际图书分类号：681.5.012密级：公开工学硕士学位论文基于步进电机微阀的液滴微流控系统研究硕士研究生：吴海成导师：李松晶教授申请学位：工学硕士学科：机械电子工程所在单位：机电工程学院答辩日期：2018年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TH137.7SchoolCode

2、:10213U.D.C.:681.5.012SecurityClassification:PublicDissertationfortheMasterDegreeinEngineeringRESEARCHOFDROPLETMICROFLUIDICSCONTROLSYSTEMBASEDONSTEPPERMOTORMICROVALVECandidate:WuHaichengSupervisor:ProfLiSongjingAssociateDegreeAppliedfor:MasterofEngineeringSpecialty:MechatronicsEngineeringAf

3、filiation:SchoolofMechatronicsEngineeringDateofDefence:June,2018Degree-Conferring-Institution:HarbinInstituteofTechnologyInstitution:n:哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要液滴微流控技术在生物医学、化工等领域有着广泛的应用，目前液滴生成装置大都基于常规尺寸的控制元件，如气动比例阀、注射泵等，扩大了液滴微流控系统的体积，缩小了其应用范围。为此，本文提出了基于步进电机微阀的液滴微流控系统，使用微阀代替常规阀组，具有微型的特点，且易于与微流控其他元件集

4、成，可用于生成稳定尺寸的液滴。本文提出的步进电机微阀的液滴微流控系统方案，通过控制液体的驱动压力实现液滴尺寸的调节功能。建立了液滴微流控系统的动态数学模型，对步进电机微阀的阀芯位移方程、微阀阀口流量方程及阀膜的受力平衡方程进行推导；对T型微流道中液滴的静/动态尺寸变化进行推导，利用液阻模型分析T型微流道中压力流量关系并得到压力驱动下液滴尺寸公式。利用Matlab/Simulink、有限元软件Fluent和Comsol等对系统重要元件步进电机微阀的静、动态特性和压力控制系统的开环特性进行仿真分析：获得步进电机微阀阀芯的运动特性和微阀的静态流量特性。本文提出了系统等效流阻模型，运

5、用线性化理论得到系统的传递函数，并比较分析了单阀与双阀控制的区别；分析了微阀流道尺寸、压力容腔体积等参数对系统压力开环特性的影响。同时分析了T型微流道在压力驱动下液滴生成的条件，对液滴的尺寸稳定性进行分析并提出提高液滴尺寸稳定性的方法。本文根据系统的开环特性设计了PID、Bang-Bang等控制算法，对系统进行闭环控制，通过仿真对比了两种方法的控制效果，并提出了压力控制的单阀与双阀控制策略，比较单/双阀控制的性能并提出了一种压力控制的最优方案。本文实现了液滴微流控系统实验平台的搭建，对系统重要元部件的加工制作方法进行设计与制作，如微阀芯片与T型微流道芯片的制作，并给出在实际操

6、作中的注意事项等。本文的液滴微流控系统可实现双通道的压力控制，两者相互独立，可单独或组合用于液滴的生成。在实验台的基础上对不同压力控制算法进行测试比较，测试单阀与双阀控制的实际效果，根据其表现用于液滴的生成实验。本文介绍了液滴生成的实验准备及实验流程，分析在压力驱动下液滴的生成过程，测试系统在压力阶跃响应下的液滴尺寸变化，并提出了基于图像处理的液滴尺寸计算方法，实现了液滴尺寸的实时监测。关键词：液滴；微流控系统；步进电机；微阀；压力驱动–I–哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractDropletmicrofluidictechnologyhasawiderangeofa

7、pplicationsinthefieldsofbiomedicine,chemicalengineeringandotherfields.Atpresent,dropletgenerationdevicesaremostlybasedonconventionalsizecontrolelements,suchaspneumaticproportionalvalves,syringepumps,etc,whichexpandsthevolumeofdropletmicrofluidicsystems,n