晶片級氣液分離器及其控制系統的製作方法
2023-07-26 02:56:21 1
晶片級氣液分離器及其控制系統的製作方法
【專利摘要】本發明涉及一種晶片級氣液分離器及其控制系統，包括晶片級氣液分離器及其組件、控制接口電路以及基於FPGA+DSP的晶片級氣液分離器控制系統；其中，晶片級氣液分離器及組件用於實現微體積條件下的液-液流體體系微混合、微反應、氣-液分離；接口電路連接在晶片級氣液分離器控制系統和晶片級氣液分離器及組件之間；晶片級氣液分離器控制系統用於產生晶片級氣液分離器有效分離所需的各種控制信號、實時監測微反應溝道內氣液間隔形態，以實現最佳氣液分離效果。本發明提供的晶片級氣液分離器及其控制系統能夠實現用於痕量元素檢測的微流控晶片-原子螢光在線聯用系統中反應液的有效混合、反應，氣態產物富集以及氣液有效分離。
【專利說明】 晶片級氣液分離器及其控制系統
【技術領域】
[0001]本發明屬於微機電系統和微混合以及嵌入式系統領域,涉及一種晶片級氣液分離器及其控制系統。
【背景技術】
[0002]以微機電系統(MEMS)的微細加工技術為基礎發展的微流控晶片因其具有高集成度、高效、快速、微量等優點在生物分析、食品分析、化學分析和環境分析等領域得到了廣泛的關注，已成為分析科學的研究前沿熱點之一。作為微型全分析系統(Miniaturized TotalAnalysis Systems,uTAS)的一種核心技術,微流控晶片己經成功地與多種分析方法(如質譜檢測、電化學檢測和光學檢測等)相結合用於各種分析檢測。
[0003]近年來，針對於微流控晶片的在線聯用技術研究主要集中在微流控器件與相關儀器的接口。如微流控器件和質譜儀(mass spectrometry, MS)之間的接口有電噴霧(Electrospray 1nizat1n, ESI)、基質輔助雷射解吸電離(Matrix-Assisted LaserDesorpt1n 1nizat1n, MALDI)等不同形式。目前仍然存在許多需要改進的地方。如現階段許多成功地進行複雜微流控操作的器件都採用玻璃做為材料，難以方便地加工高集成度的ESI噴嘴，多通道的微型ESI噴嘴只能通過微製造技術在矽或塑料進行加工；南開大學化學學院分析科學研究中心李峰等選擇XGY-1011A型非色散原子螢光光度計，針對晶片的集成化特點以及便於聯用，拋棄了 XGY-1011A原來的進樣系統，通過直接在晶片上蝕刻了一條補充液通道，優化了晶片設計、晶片-原子螢光接口、氣液分離器以及原子化器等，成功地消除了引入流體(補充液HC1、還原劑KBH4和氬氣)對晶片電泳分離的不利影響，在不需對儀器結構進行改動的前提下實現微晶片電泳-原子螢光檢測的聯用；這種僅僅在微流控器件與檢測儀器之間增加接口部件，很難實現真正意義上實現「晶片實驗室」。
[0004]為此，以微流控晶片技術為基礎，深入開展晶片電泳分離、晶片上在線聯用技術的研究，對於進一步研究微流控晶片技術在生物、化學分析等領域的應用具有十分重要的意義。作為實現微流控晶片-原子螢光在線聯用一體化集成實現痕量元素(如硒)快速檢測的關鍵因素——晶片級氣液分離，直接決定著微流控晶片-原子螢光在線聯用一體化集成是否能夠實現真正意義上的「微型化」。目前，在微流控晶片中進行氣液分離的研究工作較少，其主要原因在於微體積條件下進行氣液操縱較困難，氣體的可壓縮性使得氣體的流速不穩定。此外，氣體的粘度比液體小2到3個數量級，也影響到流動的穩定性。儘管如此，晶片微體系中的氣液混和也還有許多優點。如晶片微體系條件下，氣液間接觸面高於常規體系氣液混和，加快了氣液平衡的速度、化學反應的速度。
[0005]因此，為滿足微流控晶片——原子螢光在線聯用檢測需要，契合微型全分析系統要求自動化、集成化、便攜化的特點，如何設計適合微流控晶片——原子螢光在線聯用的晶片級氣液分離器及其控制系統直接關係到微流控晶片——原子螢光在線聯用能否真正意義上實現一體化集成。
【發明內容】
[0006]有鑑於此，本發明的目的在於提供一種晶片級氣液分離器及其控制系統，有效解決了基於微流控晶片——原子螢光在線聯用一體化集成檢測痕量元素(如硒)所需氣液的有效分離、載氣流速的精準控制、反應液流速的精準控制等關鍵技術問題。
[0007]為達到上述目的，本發明提供如下技術方案:
[0008]本發明提供的晶片級氣液分離器及其控制系統，包括晶片級氣液分離器及其組件、控制接口電路以及基於FPGA+DSP的晶片級氣液分離器控制系統；
[0009]所述晶片級氣液分離器及其組件用於實現微體積條件下的液-液流體體系微混合、微反應、氣-液分離，實時監測環形微反應溝道內氣液間隔形態(如氣泡流、間隔流、環流)及氣液分離效果，以便控制系統動態調整載氣流速及反應混合液流速，以實現最佳氣液分離效果；
[0010]所述接口電路連接在晶片級氣液分離器控制系統和晶片級氣液分離器及其組件之間，用於對微量泵及微閥的驅動，以實現混合反應液流速控制；用於對微氣閥、液閥的驅動，實現氣液管道有序控制、載氣流速的控制；用於對微型抽氣泵的驅動，以實現氣液有效分離、保證反應混合物負壓進樣；用於對高清OEM相機模組的控制，以實現高清OEM相機模組的初始化、高速圖像採集；
[0011]所述晶片級氣液分離器控制系統，採用FPGA+DSP架構方式，用於產生晶片級氣液分離器有效分離所需的各種控制信號、實時監測微反應溝道內氣液間隔形態(如氣泡流、間隔流、環流)，動態調整載氣流速及反應混合液流速，以實現最佳氣液分離效果。
[0012]進一步，所述晶片級氣液分離器由聚二甲基娃氧燒(polydimethylsi1xane,PDMS)及透明載玻片製備而成，包括微混合單元、載氣接入單元、環形微反應單元、氣液分離單元以及氣液間隔形態監測單元；
[0013]所述微混合單元，還包括還原劑/試劑/樣品微儲液池；微混合單元用於實現還原齊U、試劑、樣品的有效混合，或者用於多通道經反應後的含氣態混合物富集，以提高待測氣態反應物(如SeH2)含量；其中還原劑/試劑/樣品微儲液池，用於實現還原劑、反應試劑、樣品溶液注入、貯藏；
[0014]所述載氣接入單元,包括載氣注入接口、載氣注入單元和載氣注入點；載氣接入單元用於載氣(如Ar)輸入，載氣流量的大小將影響產生的氣態反應物(如SeH2)的靈敏度，載氣流量過大，會稀釋氣態反應物從而降低靈敏度，載氣流量過小，會導致形成的氣態反應物無法迅速進入後續單元(如原子化器)；其中載氣注入接口，用於載氣注入；載氣注入單元，用於載氣通過，阻擋液體反向進入；載氣注入點與環形微反應單元的直行微溝道相切，有效保證載氣載帶作用；
[0015]所述環形微反應單元，用於實現還原劑、試劑、樣品的充分反應，同時便於載氣有效載帶經氣化後的樣品氣體；
[0016]所述氣液分離單元，還包括液體輸出口 ；氣液分離單元用於實現反應後氣態產物、液態產物的有效分離，即:利用虹吸效應，經反應後的液體被吸入毛細微溝道，而載帶氣態產物的載氣依然從微反應溝道溢出；其中液體輸出口，用於反應後的液態產物輸出；
[0017]所述氣液間隔形態監測單元，還包括氣體輸出口和氣液間隔形態監測視窗；氣液間隔形態監測單元用於監測經氣液分離單元前後微反應溝道氣液間隔形態及判彆氣液分離效果，即觀測氣液分離單元前微反應溝道氣液間隔形態、觀測氣液分離單元後是否還存在氣液共存現象。其中氣體輸出口，用於反應後的氣態產物輸出；氣液間隔形態監測視窗，用於觀測微溝道內氣液間隔形態以及氣液分離效果；
[0018]進一步，所述組件包括3個LED、2個梯度折射率透鏡、I片濾光片、透明載玻片、PDMS、1個高清OEM相機模塊以及由PMMA加工而成的固定支架；
[0019]所述LED，用於照明，便於高清OEM相機模塊能夠清晰採集氣液間隔形態監測單元內微溝道內氣液間態；
[0020]所述梯度折射率透鏡，用於晶片級氣液分離器與高清OEM相機模塊的耦合組裝、調整對準；
[0021]所述濾光片，用於濾除幹擾光信號，濾去某一定波長範圍內的光，起到單色器的作用，用以增強圖像效果；
[0022]所述透明載玻片、PDMS，用於製備晶片級氣液分離器；
[0023]所述高清OEM相機模塊，用於採集氣液間隔形態監測單元微反應溝道內氣液形態；
[0024]所述PMMA加工而成的固定支架，用於固定LED、晶片級氣液分離器、梯度折射率透鏡以及濾光片等。
[0025]進一步，所述控制接口電路包括LED驅動電路、微量泵及微閥驅動控制電路、微型抽氣泵控制電路以及高清OEM相機模塊控制電路；
[0026]所述LED驅動電路，用於實現LED驅動控制；
[0027]所述微量泵及微閥驅動控制電路，用於還原劑、試劑、樣品以及載氣注入量的精準控制，以及載氣(含經反應後的氣態反應物)的輸出控制；
[0028]所述微型抽氣泵控制電路，用於反應後的液態反應物的輸出控制；
[0029]所述高清OEM相機模塊控制電路，用於高清OEM相機模塊初始化、高速圖像信號採集以及各種控制信號的傳輸。
[0030]進一步，所述基於FPGA+DSP的晶片級氣液分離器控制系統包括FPGA系統、DSP系統以及雙口 RAM;
[0031]所述FPGA系統，用於實現晶片氣液分離器及其組件、高清OEM相機模塊的控制，實現高速圖像信號採集；
[0032]所述DSP系統，用於實現氣泡定位分析、氣液間隔形態判別以及氣液是否有效分離判別，對圖像數據進行處理；
[0033]所述雙口 RAM，用於實現FPGA系統、DSP系統之間高速數據傳輸，達到數據匹配作用。
[0034]進一步，所述基於FPGA+DSP的晶片級氣液分離器控制系統包括FPGA系統、DSP系統以及雙口 RAM;
[0035]所述FPGA系統，用於實現晶片氣液分離器及其組件、高清OEM相機模塊的控制，實現高速圖像信號採集；
[0036]所述DSP系統，用於實現氣泡定位分析、氣液間隔形態判別以及氣液是否有效分離判別等；
[0037]所述雙口 RAM，用於實現FPGA系統、DSP系統之間高速數據傳輸，達到數據匹配作用。
[0038]進一步，所述FPGA系統包括IIC IP Core配置模塊、LED驅動控制器、微量泵及微閥控制器、微型抽氣泵控制器、N1S II軟核處理器、高速圖像預處理模塊、相機模塊控制器、IXD顯示控制器、SDRAM控制器、Flash控制器、雙口 RAM控制器；
[0039]所述IIC IP Core配置模塊，用於實現高清OEM相機模塊初始化控制；
[0040]所述LED驅動控制器，用於LED加電順序控制、發光強度控制；
[0041]所述微量泵及微閥控制器，用於注入量的精準控制以及氣、液管道的有序控制；
[0042]所述微型抽氣泵控制器，用於實現微型抽氣泵的有序控制；
[0043]所述N1SII軟核處理器，用於實現FPGA系統各模塊的智能控制；
[0044]所述高速圖像預處理模塊，用於實現數據濾波、降噪以及圖像數據抽取處理；
[0045]所述相機模塊控制器，用於高清OEM相機模塊控制以及高速圖像數據採集；
[0046]所述SDRAM控制器，用於控制高速圖像數據存儲、數據緩存等；
[0047]所述Flash控制器，用於控制系統中數據和應用程式的存儲；
[0048]所述IXD顯示控制器，用於實現集成系統中液晶IXD顯示驅動的控制；
[0049]所述雙口 RAM控制器，用於雙口 RAM的控制。
[0050]進一步，所述晶片級氣液分離器控制系統還包括電動氣液閥群及電機驅動控制電路；
[0051]電動氣液閥群及電機驅動控制電路包括ULN2003A構成的電動氣液閥群驅動電路、微泵步進電機驅動電路以及微型電動抽氣泵電機驅動電路；
[0052]所述ULN2003A構成的電動氣閥群驅動電路，用於打開/關閉相應進/出氣管道上的電動氣閥/液閥，實現電動氣、液閥的有序控制；
[0053]所述微泵步進電機驅動電路以及微型電動抽氣泵電機驅動電路，用於還原劑、反應試劑、樣品溶液流量精準控制以及微型電動抽氣泵的控制。
[0054]進一步，所述IIC IP Core配置模塊、LED驅動控制器、微量泵及微閥控制器、N1SII軟核處理器、高速圖像預處理模塊、相機模塊控制器、IXD顯示控制器、SDRAM控制器、Flash控制器、雙口 RAM控制器通過SOPC技術封裝在單一 FPGA晶片中。
[0055]本發明的有益效果在於:本發明提供的晶片級氣液分離器及其控制系統，針對特定晶片級氣液分離器(為微流控晶片——原子螢光在線聯用一體化集成而設計的晶片級氣液分離器器)，利用MEMS技術製備晶片級氣液分離器、基於SOPC技術實現高清OEM相機模塊控制以及高速圖像數據採集、採用DSP技術實現高速圖像處理，如氣泡圖像定位分析、氣液分離效果判定。它包括晶片級氣液分離器及其組件、控制接口電路以及基於FPGA+DSP的晶片級氣液分離器控制系統。該系統架構靈活、升級換代容易、控制方式便捷、具有功耗低、靈敏度高；採用S0PC+DSP技術實現系統架構能解決採用傳統的系統設計方法系統功能升級困難，維護性差以及設計的靈活性較低等問題，能有效地簡化系統的構造、縮短從概念到實現的距離。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0056]為了使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合附圖對本發明作進一步的詳細描述，其中:
[0057]圖1為基於晶片級氣液分離器的控制系統結構示意圖；
[0058]圖2為晶片級氣液分離器的結構示意圖；
[0059]圖3為載氣接入單元、氣液分離單元、微混合單元、氣液間隔形態監測單元結構示意圖；
[0060]圖4為晶片級氣液分離器組件的結構示意圖；
[0061]圖5為晶片級氣液分離器及其控制系統氣液體管道拓撲示意圖；
[0062]其中，晶片及氣液分離器及其組件1、高清OEM相機模塊2、微型抽氣泵控制電路3、微量泵及微閥驅動控制電路4、LED驅動電路5、IIC IP Core配置模塊6、LED驅動控制器7、微量泵及微閥控制器8、微型抽氣泵控制器9、相機模塊控制器10、高速圖像預處理模塊11、N1S II軟核處理器12、IXD顯示控制器13、SDRAM控制器14、Flash控制器15、雙口 RAM控制器16、FPGA 17、DSP 18、高清OEM相機模塊控制電路19、梯度折射率透鏡 20、載玻片 21、濾光片 22、PDMS 23、PMMA 24、LED 25、LCD 顯示 26、JTAG 接口 X 227、EPCS4 28、Flash (512KX 16) 29、雙口 RAM 30、SDRAM(2MX 32) 31, Flash (256KX 32) 57、SDRAM(4MX16)58 ；
[0063]還原劑/試劑/樣品微儲液池32、微混合單元33、環形微反應單元34、氣液間隔形態監測單元35、載氣注入單元36、載氣注入點37、載氣注入接口 38、液體輸出口 39 ;氣液分離單元40、氣體輸出口 41、載氣接入單元42、載氣43、含氣態混合物的液態反應物44、經反應後的液體反應物45、具有一定氣液間隔形態的氣液混合物46、載氣及經反應後的氣態反應物47、還原劑/試劑/樣品反應液48、CM0S/CXD圖像傳感器49 ；
[0064]微泵固定支架50、微型載氣鋼瓶51、電動氣閥52、減壓閥53、原子化器54、電動液閥55、微型電動抽氣泵56。
【具體實施方式】
[0065]下面將結合附圖，對本發明的優選實施例進行詳細的描述。
[0066]圖1為基於晶片級氣液分離器的控制系統結構示意圖，圖2、圖3、圖4示出了晶片級氣液分離器及其組件結構示意圖，由圖2可知，晶片級氣液分離器由PDMS 24以及透明載玻片22採用MEMS工藝製備而成，在晶片及氣液分離器的上下採用PMMA 24加以固定，分別在晶片氣液分離器上、左、右放置3個LED 25，用於CM0S/CXD圖像傳感器49監測氣液間隔形態時照明，在晶片級氣液分離器的氣液間隔形態監測單元35正下方放置2個梯度折射率透鏡20及濾光片23，使CM0S/CXD圖像傳感器49能清晰地採集氣液間隔形態監測單元35內兩觀測溝道的氣液形態，CM0S/C⑶圖像傳感器49集成在高清OEM相機模組中；載氣43經在其注入接口 38輸出，經載氣蜿蜒型注入單元36在載氣注入點37注入環形微反應單元34，設計時，在載氣注入點37載氣側微溝道與環形微反應單元34的直行微溝道相切，且載氣測微溝道比環形微反應單元34微溝道要細。
[0067]圖5示出了晶片級氣液分離器及其控制系統氣液體管道拓撲示意圖，如圖所示，本發明提供的晶片級氣液分離器及其控制系統，包括晶片級氣液分離器及其組件、控制接口電路以及基於FPGA+DSP的晶片級氣液分離器控制系統。
[0068]晶片級氣液分離器及其組件用於實現微體積條件下的液-液流體體系微混合、微反應、氣-液分離，實時監測環形微反應溝道內氣液間隔形態(如氣泡流、間隔流、環流)及氣液分離效果，以便控制系統動態調整載氣流速及反應混合液流速，以實現最佳氣液分離效果。
[0069]晶片級氣液分離器由PDMS以及透明載玻片採用MEMS工藝製備而成，集成有還原劑/試劑/樣品微儲液池、微混合單元、環形微反應單元、氣液間隔形態監測單元、載氣注入單元、載氣注入點、載氣注入接口、液體輸出口 ；氣液分離單元、氣體輸出口等單元，通過PMMA固定LED、晶片級氣液分離器、梯度折射率透鏡、濾光片，並與高清OEM相機模塊一起組裝成晶片氣液分離器及其組件。
[0070]工作前，在N1S II軟核處理器的控制下，控制微泵、微氣閥、微液閥以及微型電動抽氣泵，保障晶片及氣液分離器內微溝道暢通；工作時，由微泵從還原劑/試劑/樣品儲液池32分別注入微泵從還原劑、反應試劑、樣品溶液，在微混合單元充分混合後，送入環形微反應單元，在載氣注入點注入載氣，經多圈充分混合、反應後，送入氣液分離單元，為保證氣液分離效果，在液體輸出口接微型電動抽氣泵，採用負壓方式保證分離效果，經氣液分離器後的氣體(混合有載氣、經反應後的氣態反應物)從氣體輸出口輸出，再送入原子化器進行原子譜分析。
[0071]所述接口電路連接在晶片級氣液分離器控制系統和晶片級氣液分離器及其組件之間，用於對微量泵及微閥的驅動，以實現混合反應液流速控制；用於對微氣閥的驅動，以實現載氣流速的控制；用於對微型抽氣泵的驅動，以實現氣-液混合物負壓進樣；用於對高清OEM相機模組的控制，以實現高清OEM相機模組的初始化、高速圖像採集。
[0072]所述晶片級氣液分離器控制系統，採用FPGA+DSP架構方式，用於產生晶片級氣液分離器有效分離所需的各種控制信號、實時監測微反應溝道內氣液間隔形態(如氣泡流、間隔流、環流)，動態調整載氣流速及反應混合液流速，以實現最佳氣液分離效果。
[0073]如圖2、圖3所示，晶片級氣液分離器及其組件I中的晶片級氣液分離器包括微混合單元33、載氣接入單元42、環形微反應單元34、氣液分離單元40以及氣液間隔形態監測單元35。其中，載氣43、含氣態混合物的液態反應物44、經反應後的液體反應物45、具有一定氣液間隔形態的氣液混合物46、載氣及經反應後的氣態反應物47。
[0074]微混合單元33，還包括還原劑/試劑/樣品微儲液池32 ;微混合單元用於實現還原劑、試劑、樣品的有效混合，或者用於多通道經反應後的含氣態混合物富集，以提高待測氣態反應物(如SeH2)含量；其中還原劑/試劑/樣品微儲液池，用於實現還原劑、反應試劑、樣品溶液注入、貯藏。
[0075]載氣接入單元42，包括載氣注入接口 38、載氣注入單元36和載氣注入點37 ;載氣接入單元用於載氣(如Ar)輸入，載氣流量的大小將影響產生的氣態反應物(如SeH2)的靈敏度，載氣流量過大，會稀釋氣態反應物從而降低靈敏度，載氣流量過小，會導致形成的氣態反應物無法迅速進入後續單元(如原子化器)；其中載氣注入接口，用於載氣注入；載氣注入單元，用於載氣通過，阻擋液體反向進入；載氣注入點與環形微反應單元的直行微溝道相切，有效保證載氣載帶作用。
[0076]環形微反應單元34，用於實現還原劑、試劑、樣品的充分反應，同時便於載氣有效載帶經氣化後的樣品氣體。
[0077]氣液分離單元40，還包括液體輸出口 41 ;氣液分離單元用於實現反應後氣態產物、液態產物的有效分離，即:利用虹吸效應，經反應後的液體被吸入毛細微溝道，而載帶氣態產物的載氣依然從微反應溝道溢出；其中液體輸出口，用於反應後的液態產物輸出。
[0078]氣液間隔形態監測單元35，還包括氣體輸出口 41和氣液間隔形態監測視窗48 ;氣液間隔形態監測單元用於監測經氣液分離單元前後微反應溝道氣液間隔形態及判彆氣液分離效果，即觀測氣液分離單元前微反應溝道氣液間隔形態、觀測氣液分離單元後是否還存在氣液共存現象；其中氣體輸出口，用於反應後的氣態產物輸出；氣液間隔形態監測視窗，用於觀測微溝道內氣液間隔形態以及氣液分離效果。
[0079]如圖4所示，晶片級氣液分離器及其組件I中的組件包括梯度折射率透鏡20、透明載玻片21、濾光片22、PDMS 23、PMMA 24、LED 25以及高清OEM相機模組2 (集成有CMOS/CXD圖像傳感器49)；
[0080]所述梯度折射率透鏡，用於晶片級氣液分離器與高清OEM相機模塊的耦合組裝、調整對準。
[0081]所述透明載玻片、PDMS，用於製備晶片級氣液分離器；
[0082]所述濾光片，用於濾去一定波長範圍內的光，起到單色器的作用，用以增強圖像效果，濾除幹擾光信號。
[0083]所述PMMA，用於製作支架，用於固定LED、晶片級氣液分離器、梯度折射率透鏡以及濾光片。
[0084]所述高清OEM相機模組，用於採集氣液間隔形態監測單元微反應溝道內氣液形態。
[0085]晶片級氣液分離器控制接口電路包括LED驅動電路5、微量泵及微閥驅動控制電路4、微型抽氣泵控制電路3、高清OEM相機模塊控制電路19。
[0086]所述LED驅動電路，用於實現LED驅動控制，用於照明氣液間隔形態監測視窗，便於高清OEM相機模塊採集到清晰的圖像。
[0087]所述微量泵及微閥驅動控制電路，用於還原劑、試劑、樣品以及載氣注入量的精準控制，以及載氣(含經反應後的氣態反應物)的輸出控制，實現氣、液管道的開/關有序控制。
[0088]所述微型抽氣泵控制電路，用於反應後的液態反應物的輸出控制。
[0089]所述高清OEM相機模塊控制電路，用於高清OEM相機模塊初始化、高速圖像信號採集以及各種控制信號的傳輸。
[0090]基於FPGA+DSP的晶片級氣液分離器控制系統包括FPGA系統17、DSP系統18以及雙口 RAM30。
[0091]所述FPGA系統，用於實現晶片氣液分離器及其組件、高清OEM相機模塊的控制，實現高速圖像信號採集。
[0092]所述DSP系統，用於圖像數據高速處理，實現氣泡定位分析、氣液間隔形態判別以及氣液是否有效分離判別。
[0093]所述雙口 RAM，用於實現FPGA系統、DSP系統之間高速數據傳輸，達到數據匹配作用。
[0094]FPGA系統包括IIC IP Core配置模塊6、LED驅動控制器7、微量泵及微閥控制器
8、微型抽氣泵控制器9、相機模塊控制器10、高速圖像預處理模塊11、N1S II軟核處理器12、IXD顯示控制器13、SDRAM控制器14、Flash控制器15、雙口 RAM控制器16、IXD顯示26、JTAG 接口 X 2 27、EPCS4 28,Flash (512KX 16) 29, SDRAM(2MX 32) 31,Flash (256KX 32) 57,SDRAM(4MX16)58。
[0095]所述IIC IP Core配置模塊，用於高清OEM相機模塊初始化配置。
[0096]所述LED驅動控制器，用於啟動/關閉LED以及對照明光亮的控制。
[0097]所述微量泵及微閥控制器，用於實現微泵、電動氣閥、液閥的有序控制。
[0098]所述微型抽氣泵控制器，用於實現微型抽氣泵的有序控制。
[0099]所述相機模塊控制器，用於高清OEM相機模塊控制以及高速圖像數據採集。
[0100]所述高速圖像預處理模塊，用於實現數據濾波、降噪以及圖像數據抽取等處理。
[0101]所述N1SII軟核處理器，用於實現FPGA系統各模塊的智能控制。
[0102]所述IXD控制器，用於實現集成系統中液晶IXD顯示驅動的控制。
[0103]所述SDRAM控制器，用於控制高速圖像數據存儲、數據緩存，FPGA系統中數據緩存存儲器——同步動態隨機存儲器(SDRAM)的控制。
[0104]所述Flash控制器，用於FPGA系統中數據、應用程式存儲的存儲器——Flash存儲器的控制。
[0105]所述雙口 RAM控制器，實現FPGA系統、DSP系統之間高速數據傳輸，達到數據匹配作用。
[0106]所述IIC IP Core配置模塊6、LED驅動控制器7、微量泵及微閥控制器8、微型抽氣泵控制器9、相機模塊控制器10、高速圖像預處理模塊1UN10S II軟核處理器12、IXD顯示控制器13、SDRAM控制器14、Flash控制器15、雙口 RAM控制器通過SOPC技術封裝在單一 FPGA晶片中。
[0107]晶片級氣液分離器控制系統還包括電動氣液閥群及電機驅動控制電路；電動氣液閥群及電機驅動控制電路包括ULN2003A構成的電動氣液閥群驅動電路、微泵步進電機驅動電路以及微型電動抽氣泵電機驅動電路。
[0108]ULN2003A構成的電動氣閥群驅動電路，用於打開/關閉相應進/出氣管道上的電動氣閥/液閥，實現電動氣、液閥的有序控制。
[0109]微泵步進電機驅動電路以及微型電動抽氣泵電機驅動電路，用於還原劑、反應試劑、樣品溶液流量精準控制以及微型電動抽氣泵的控制。
[0110]最後說明的是，以上優選實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制，儘管通過上述優選實施例已經對本發明進行了詳細的描述，但本領域技術人員應當理解，可以在形式上和細節上對其作出各種各樣的改變，而不偏離本發明權利要求書所限定的範圍。
【權利要求】
1.晶片級氣液分離器及其控制系統，其特徵在於:包括晶片級氣液分離器及其組件、控制接口電路以及基於FPGA+DSP的晶片級氣液分離器控制系統； 所述晶片級氣液分離器及其組件用於實現微體積條件下的液-液流體體系微混合、微反應、氣-液分離，實時監測環形微反應溝道內氣液間隔形態及氣液分離效果，使得控制系統能夠動態調整載氣流速及反應混合液流速； 所述接口電路連接在晶片級氣液分離器控制系統和晶片級氣液分離器及其組件之間，用於對微量泵及微閥的驅動，實現混合反應液流速控制；用於對微氣閥、液閥的驅動，實現氣液管道有序控制、載氣流速的控制；用於對微型抽氣泵的驅動，實現氣液分離、保證反應混合物負壓進樣；用於對高清OEM相機模組的控制，實現高清OEM相機模組的初始化、高速圖像採集； 所述晶片級氣液分離器控制系統，採用FPGA+DSP架構方式，用於產生晶片級氣液分離器有效分離所需的控制信號、實時監測微反應溝道內氣液間隔形態，動態調整載氣流速及反應混合液流速。
2.根據權利要求1所述的晶片級氣液分離器及其控制系統，其特徵在於:所述晶片級氣液分離器由聚二甲基矽氧烷及透明載玻片製備而成，包括微混合單元、載氣接入單元、環形微反應單元、氣液分離單元以及氣液間隔形態監測單元； 所述微混合單元，還包括還原劑/試劑/樣品微儲液池；微混合單元用於實現還原劑、試劑、樣品的混合，多通道經反應後的含氣態混合物富集，提高待測氣態反應物含量；其中還原劑/試劑/樣品微儲液池，用於實現還原劑、反應試劑、樣品溶液注入、貯藏； 所述載氣接入單元，包括載氣注入接口、載氣注入單元和載氣注入點；載氣接入單元用於載氣輸入；其中載氣注入接口，用於載氣注入；載氣注入單元，用於載氣通過，阻擋液體反向進入；載氣注入點與環形微反應單元的直行微溝道相切，保證載氣載帶作用； 所述環形微反應單元，用於實現還原劑、試劑、樣品的充分反應，同時便於載氣載帶經氣化後的樣品氣體； 所述氣液分離單元，還包括液體輸出口 ；氣液分離單元用於實現反應後氣態產物、液態產物的分離；其中液體輸出口，用於反應後的液態產物輸出； 所述氣液間隔形態監測單元，還包括氣體輸出口和氣液間隔形態監測視窗；氣液間隔形態監測單元用於監測經氣液分離單元前後微反應溝道氣液間隔形態及判彆氣液分離效果；其中氣體輸出口，用於反應後的氣態產物輸出；氣液間隔形態監測視窗，用於觀測微溝道內氣液間隔形態以及氣液分離效果。
3.根據權利要求1所述的晶片級氣液分離器及其控制系統，其特徵在於:所述組件包括3個LED、2個梯度折射率透鏡、I片濾光片、透明載玻片、PDMSU個高清OEM相機模塊以及由PMMA加工而成的固定支架； 所述LED，用於照明，便於高清OEM相機模塊能夠清晰採集氣液間隔形態監測單元內微溝道內氣液間態； 所述梯度折射率透鏡，用於晶片級氣液分離器與高清OEM相機模塊的耦合組裝、調整對準； 所述濾光片，用於濾除幹擾光信號； 所述透明載玻片、PDMS，用於製備晶片級氣液分離器； 所述高清OEM相機模塊，用於採集氣液間隔形態監測單元微反應溝道內氣液形態；所述PMMA加工而成的固定支架，用於固定LED、晶片級氣液分離器、梯度折射率透鏡以及濾光片。
4.根據權利要求1所述的晶片級氣液分離器及其控制系統，其特徵在於:所述控制接口電路包括LED驅動電路、微量泵及微閥驅動控制電路、微型抽氣泵控制電路以及高清OEM相機模塊控制電路； 所述LED驅動電路，用於實現LED驅動控制； 所述微量泵及微閥驅動控制電路，用於還原劑、試劑、樣品以及載氣注入量的精準控制，以及載氣的輸出控制； 所述微型抽氣泵控制電路，用於反應後的液態反應物的輸出控制； 所述高清OEM相機模塊控制電路，用於高清OEM相機模塊初始化、高速圖像信號採集以及各種控制信號的傳輸。
5.根據權利要求1所述的晶片級氣液分離器及其控制系統，其特徵在於:所述基於FPGA+DSP的晶片級氣液分離器控制系統包括FPGA系統、DSP系統以及雙口 RAM ； 所述FPGA系統，用於實現晶片氣液分離器及其組件、高清OEM相機模塊的控制，實現高速圖像信號採集； 所述DSP系統，用於實現氣泡定位分析、氣液間隔形態判別以及氣液是否有效分離判另O，對圖像數據進行處理； 所述雙口 RAM，用於實現FPGA系統、DSP系統之間高速數據傳輸，達到數據匹配作用。
6.根據權利要求5所述的晶片級氣液分離器及其控制系統，其特徵在於:所述FPGA系統包括IIC IP Core配置模塊、LED驅動控制器、微量泵及微閥控制器、微型抽氣泵控制器、N1S II軟核處理器、高速圖像預處理模塊、相機模塊控制器、IXD顯示控制器、SDRAM控制器、Flash控制器、雙口 RAM控制器； 所述IIC IP Core配置模塊，用於實現高清OEM相機模塊初始化控制； 所述LED驅動控制器，用於LED加電順序控制、發光強度控制； 所述微量泵及微閥控制器，用於實現微泵、電動氣閥、液閥的有序控制； 所述微型抽氣泵控制器，用於實現微型抽氣泵的有序控制； 所述N1SII軟核處理器，用於實現FPGA系統各模塊的智能控制； 所述高速圖像預處理模塊，用於實現數據濾波、降噪以及圖像數據抽取處理； 所述相機模塊控制器，用於高清OEM相機模塊控制以及高速圖像數據採集； 所述SDRAM控制器，用於控制高速圖像數據存儲、數據緩存； 所述Flash控制器，用於控制系統中數據和應用程式的存儲； 所述IXD顯示控制器，用於實現集成系統中液晶IXD顯示驅動的控制； 所述雙口 RAM控制器，用於雙口 RAM的控制。
7.根據權利要求5所述的晶片級氣液分離器及其控制系統，其特徵在於:所述晶片級氣液分離器控制系統還包括電動氣液閥群及電機驅動控制電路； 電動氣液閥群及電機驅動控制電路包括ULN2003A構成的電動氣液閥群驅動電路、微泵步進電機驅動電路以及微型電動抽氣泵電機驅動電路； 所述ULN2003A構成的電動氣閥群驅動電路，用於打開/關閉相應進/出氣管道上的電動氣閥/液閥，實現電動氣、液閥的有序控制； 所述微泵步進電機驅動電路以及微型電動抽氣泵電機驅動電路，用於還原劑、反應試劑、樣品溶液流量精準控制以及微型電動抽氣泵的控制。
8.根據權利要求6所述的晶片級氣液分離器及其控制系統，其特徵在於:所述IIC IPCore配置模塊、LED驅動控制器、微量泵及微閥控制器、微型抽氣泵控制器、N1S II軟核處理器、高速圖像預處理模塊、相機模塊控制器、IXD顯示控制器、SDRAM控制器、Flash控制器、雙口 RAM控制器通過SOPC技術封裝在單一 FPGA晶片中。
【文檔編號】B01L3/00GK104307583SQ201410619361
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年11月5日 優先權日:2014年11月5日
【發明者】廖紅華, 方芳, 廖宇, 張應團, 吳長坤, 袁海林, 吳少尉 申請人:湖北民族學院