芯片級載氣流速流向傳感器及其檢測控制系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了芯片級載氣流速流向傳感器，包括檢測腔、微加熱器、電流檢測器、溫度檢測器、流向檢測器、半導體制冷片及分布在檢測腔腔體上的進/出氣接口；所述檢測腔用于為載氣流速流向判別提供檢測空間；所述微加熱器用于實現(xiàn)檢測腔體內溫度小范圍精準控制；所述半導體制冷片用于實現(xiàn)檢測腔體內溫度大范圍快速控制，以實現(xiàn)檢測腔內溫度快速恒定；所述電流檢測器用于實現(xiàn)微加熱器電流檢測，以實現(xiàn)載氣流速的快速測定；所述流向檢測器，用于實現(xiàn)傳感器腔內載氣流向的辨識；所述溫度檢測器用于實現(xiàn)檢測腔內溫度實時檢測，作為檢測腔內恒溫控制依據(jù)。本發(fā)明解決了原子熒光在線聯(lián)用一體化集成檢測痕量元素所需載氣超低流速的測量以及流向判別等技術問題。
【專利說明】芯片級載氣流速流向傳感器及其檢測控制系統(tǒng)
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及微機電系統(tǒng)、低速氣體流動檢測以及可編程片上系統(tǒng)領域，具體設計一種適合微流控芯片一原子熒光在線聯(lián)用的芯片級低速載氣流速流向傳感器及其檢測、控制系統(tǒng)。
【背景技術】
[0002]以微機電系統(tǒng)(MEMS)的微細加工技術為基礎發(fā)展的微流控芯片因其具有高集成度、高效、快速、微量等優(yōu)點在生物分析、食品分析、化學分析和環(huán)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(tǒng)(Miniaturized TotalAnalysis Systems,uTAS)的一種核心技術,微流控芯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)相結合用于各種分析檢測。
[0003]近年來，針對于微流控芯片的在線聯(lián)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)、基質輔助激光解吸電離(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(xiàn)階段許多成功地進行復雜微流控操作的器件都采用玻璃做為材料，難以方便地加工高集成度的ESI噴嘴，多通道的微型ESI噴嘴只能通過微制造技術在硅或塑料進行加工；南開大學化學學院分析科學研究中心李峰等選擇XGY-1011A型非色散原子熒光光度計，針對芯片的集成化特點以及便于聯(lián)用，拋棄了 XGY-1011A原來的進樣系統(tǒng)，通過直接在芯片上蝕刻了一條補充液通道，優(yōu)化了芯片設計、芯片-原子熒光接口、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)對芯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(xiàn)微芯片電泳-原子熒光檢測的聯(lián)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(xiàn)真正意義上實現(xiàn)“芯片實驗室”。
[0004]為此，以微流控芯片技術為基礎，深入開展芯片電泳分離、芯片上在線聯(lián)用技術的研究，對于進一步研究微流控芯片技術在生物、化學分析等領域的應用具有十分重要的意義。實現(xiàn)微流控芯片——原子熒光在線聯(lián)用一體化集成實現(xiàn)痕量元素(如硒)快速檢測的一個關鍵因素就是如何有效地實現(xiàn)載氣小劑量的有效控制，載氣低速流速測量，這將直接關系到后續(xù)痕量元素能否有效檢測。如載氣流速低可能導致氫化物釋放不完全或原子化效率低，從而使信號強度較弱，不能起到載氣的作用。但如果載氣流速過高，則會產生稀釋效應，同樣造成信號強度減弱。針對于芯片級原子熒光在線聯(lián)用分析系統(tǒng)而言，載氣流速相對于傳統(tǒng)流速而言非常低，不能用常規(guī)的流量計進行測量。因此，為了滿足微流控芯片——原子熒光在線聯(lián)用檢測需要，契合微型全分析系統(tǒng)要求自動化、集成化、便攜化的特點，如何設計適合微流控芯片——原子熒光在線聯(lián)用的芯片級低速載氣流速流向傳感器及其檢測、控制系統(tǒng)成為微流控芯片——原子熒光在線聯(lián)用技術成為可能的關鍵所在。
【發(fā)明內容】
[0005]有鑒于此，本發(fā)明的目的在于有效解決基于微流控芯片——原子熒光在線聯(lián)用一體化集成檢測痕量元素(如硒)所需載氣超低流速的測量以及流向判別等關鍵技術問題，提供一種基于片上可編程系統(tǒng)技術構建芯片級載氣流速流向傳感器及其檢測、控制系統(tǒng)。
[0006]本發(fā)明的目的之一是通過以下技術方案來實現(xiàn)的，芯片級載氣流速流向傳感器，包括檢測腔、微加熱器、電流檢測器、溫度檢測器、電流檢測器、流向檢測器、半導體制冷片及分布在檢測腔腔體上的進/出氣接口；
[0007]所述檢測腔用于為載氣流速流向判別提供檢測空間；
[0008]所述微加熱器，用于實現(xiàn)檢測腔體內溫度小范圍精準控制；
[0009]所述半導體制冷片，用于實現(xiàn)檢測腔體內溫度大范圍快速控制，以實現(xiàn)檢測腔內溫度快速恒定；
[0010]所述電流檢測器，用于實現(xiàn)微加熱器電流檢測，以實現(xiàn)載氣流速的快速測定；
[0011]所述流向檢測器，用于實現(xiàn)傳感器腔內載氣流向的辨識；
[0012]所述溫度檢測器，用于實現(xiàn)檢測腔內溫度實時檢測，作為檢測腔內恒溫控制依據(jù)。
[0013]進一步，所述進/出氣接口包括設置在檢測腔一側的第一進/出氣接口、設置在檢測腔另一側的第二進/出氣接口和第三進/出氣接口，所述微加熱器包括第一微加熱器和第二微加熱器，所述流向檢測器包括第一流向檢測器和第二流向檢測器，所述溫度檢測器、第一流向檢測器與第二流向檢測器設置在雙層薄膜PCB頂層，電流檢測器與第一微加熱器、第二微加熱器設置在雙層薄膜PCB底層；所述第一流向檢測器、第一微加熱器、溫度檢測器、第二微加熱器和第二流向檢測器沿氣體流向方向依次分布在雙層薄膜PCB上；所述半導體制冷片設置于雙層薄膜PCB的下表面。
[0014]進一步，還包括設置在半導體制冷片下表面的散熱層。
[0015]本發(fā)明的目的之二是通過以下技術方案來實現(xiàn)的，一種芯片級載氣流速流向檢測、控制系統(tǒng)，包括芯片級載氣流速流向傳感器、接口電路和控制模塊；
[0016]所述芯片級載氣流速流向傳感器連接在減壓后的載氣管道與接芯片級氣液分離器的氣體管道之間實現(xiàn)低速載氣流速測量及流向判別；
[0017]所述接口電路連接于芯片級載氣流速流向傳感器與控制模塊之間，用于實現(xiàn)芯片級載氣流速流向傳感器與控制模塊之間檢測及控制信號的放大、濾波以及傳輸?shù)龋瑥亩鴮崿F(xiàn)芯片級載氣流速流向傳感器檢測腔體內微加熱器加熱控制、微加熱器PWM工作電流檢測、檢測腔內溫度實時檢測、流向檢測器輸出信號辨識；
[0018]所述控制模塊，用于產生芯片級載氣流速流向傳感器實現(xiàn)控溫、流速測量、流向判別以及載氣管道流量控制所需的各種控制信號。
[0019]進一步，所述芯片級載氣流速流向傳感器包括檢測腔、微加熱器、電流檢測器、溫度檢測器、流向檢測器、半導體制冷片及分布在檢測腔腔體上的進/出氣接口 ；
[0020]所述檢測腔，用于為載氣流速流向判別提供檢測空間；
[0021]所述微加熱器，用于實現(xiàn)檢測腔體內溫度小范圍精準控制；
[0022]所述半導體制冷片，用于實現(xiàn)檢測腔體內溫度大范圍快速控制，以實現(xiàn)檢測腔內溫度快速恒定；
[0023]所述電流檢測器，用于實現(xiàn)微加熱器電流檢測，以實現(xiàn)載氣流速的快速測定；
[0024]所述流向檢測器，用于實現(xiàn)傳感器腔內載氣流向的辨識；
[0025]所述溫度檢測器，用于實現(xiàn)檢測腔內溫度實時檢測，作為檢測腔內恒溫控制依據(jù)。
[0026]進一步，所述控制模塊包括PWM控制器、流向判別控制器、溫度數(shù)據(jù)采集控制器、PWM電流檢測控制器、電動氣閥及電機驅動控制器、紅外處理控制器、Flash控制器、Keyboard控制器、LCD控制器和N1SII軟核處理器；
[0027]所述PWM控制器，用于芯片級載氣流速流向傳感器微加熱器的溫度精準控制；
[0028]所述流向判別控制器，用于檢測腔內流速判別；
[0029]所述溫度數(shù)據(jù)采集控制器，用于檢測腔內溫度實時采集；
[0030]所述PWM電流檢測控制器，用于檢測腔內流速測量；
[0031]所述電動氣閥及電機驅動控制器，用于電動氣閥、減壓閥以及微型電動抽氣泵的有序控制；
[0032]所述紅外處理控制器，用于紅外遙控數(shù)據(jù)處理；
[0033]所述Flash控制器，用于控制集成系統(tǒng)中數(shù)據(jù)和應用程序的存儲；
[0034]所述Keyboard控制器，用于實現(xiàn)集成系統(tǒng)中鍵盤輸入驅動控制；
[0035]所述LCD控制器，用于實現(xiàn)集成系統(tǒng)中液晶顯示驅動的控制；
[0036]所述N1SII軟核處理器，用于實現(xiàn)集成系統(tǒng)各模塊的智能控制。
[0037]進一步，所述接口電路包括電動氣閥與電機驅動控制電路、流向判別電路、流速測量電路、溫度采集電路、溫度控制電路、模擬電子開關及ADC電路、恒流與恒壓源電路；
[0038]所述電動氣閥與電機驅動控制電路用于實現(xiàn)系統(tǒng)中氣體管道開/關實現(xiàn)、載氣鋼瓶輸出載氣流出量實現(xiàn)、流速控制以及微型電動抽氣泵控制；
[0039]所述流向判別電路用于判別載氣流向；
[0040]所述流速測量電路用于實現(xiàn)微加熱器PWM工作電流檢測，在檢測腔內恒溫時，依據(jù)工作微加熱器PWM工作電流可計算出載氣流速；
[0041]所述溫度采集電路用于實時檢測傳感器檢測腔內溫度；
[0042]所述溫度控制電路用于輸出維持檢測腔內溫度恒定所需的PWM波形，通過對半導體制冷片、微加熱器加電時間控制，以實現(xiàn)檢測腔內溫度快速、精準控溫；
[0043]所述模擬電子開關及ADC電路用于實現(xiàn)采集信號模擬切換以及模擬信號到數(shù)字信號的轉換；
[0044]所述恒流與恒壓源電路用于溫度實時采集、流向判別提供精準的恒流源及恒壓源。
[0045]進一步，所述電動氣閥與電機驅動控制電路包括電動氣閥群驅動電路、減壓電機驅動電路和微型電動抽氣泵驅動電路；
[0046]所述電動氣閥群驅動電路驅動電動氣閥，實現(xiàn)系統(tǒng)氣體管道內氣體的進、排氣有序控制；
[0047]所述減壓電機驅動電路驅動電機，用于實現(xiàn)載氣輸出量的精準控制；
[0048]所述微型電動抽氣泵驅動電路驅動微型電動抽氣泵，用于排空檢測腔內空氣。
[0049]進一步，所述流向判別電路包括橋式電路、放大電路、低通濾波電路；
[0050]所述橋式電路，通過流向檢測器與電阻構成橋式電路，檢測出因載氣流動造成電橋不平衡的輸出信號，以實現(xiàn)載氣流向判別；
[0051]所述放大電路，用于放大電橋的輸出信號；
[0052]所述濾波電路，用于濾除放大后電橋的輸出信號的雜波干擾。
[0053]進一步，所述流速測量電路包括雙電壓跟隨器、電流監(jiān)測電路、放大電路、RMS至DC轉換電路，用于實現(xiàn)檢測腔內載氣流速測量；
[0054]所述雙電壓跟隨器，連接在電流檢測器兩輸出端口與電流監(jiān)測電路之間，起隔離作用，防止前后級相互干擾；
[0055]所述電流監(jiān)測電路，用于實現(xiàn)電流監(jiān)測，使輸出電壓正比于監(jiān)測電流；
[0056]所述放大電路，用于放大電流監(jiān)測電路輸出的電壓信號；
[0057]所述RMS至DC轉換電路，用于實現(xiàn)PWM工作電流轉換為直流信號。
[0058]有益技術效果:本發(fā)明針對特定芯片級流速流向傳感器(為微流控芯片——原子熒光在線聯(lián)用一體化集成而設計的載氣流速測量及流向判別傳感器)，基于恒溫型熱線風速測量原理，雙閉環(huán)控溫原理實現(xiàn)載氣流速測量以及檢測腔內溫度快速恒定。它包括芯片級載氣流速流向傳感器、芯片級載氣流速流向傳感器檢測、控制接口電路以及基于SOPC技術芯片級載氣流速流向傳感器的檢測、控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)架構靈活、升級換代容易、控制方式便捷、具有功耗低、靈敏度高的檢測與控制集成系統(tǒng)；采用SOPC技術實現(xiàn)檢測、控制系統(tǒng)架構能解決采用傳統(tǒng)的系統(tǒng)設計方法系統(tǒng)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(tǒng)的構造、縮短從概念到實現(xiàn)的距離。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0059]圖1為基于芯片級載氣流速流向傳感器的檢測、控制系統(tǒng)結構示意圖；
[0060]圖2為芯片級載氣流速流向傳感器結構示意圖；
[0061]圖3為電動氣閥群及電機驅動控制原理示意圖；
[0062]圖4為流向判別電路示意圖；
[0063]圖5為流速測量電路示意圖；
[0064]圖6為溫度采集電路示意圖；
[0065]其中，載氣流速流向傳感器1、流速測量電路2、溫度采集電路3、流向判別電路4、恒流、恒壓源電路5、模擬電子開關及ADC電路6、散熱器驅動電路7、電動氣閥與電機驅動控制電路8、鍵盤輸入電路9、紅外接收電路10、紅外遙控器11、PWM電流檢測控制器12、散熱控制器13、電動氣閥及電機驅動控制器14、鍵盤輸入控制器15、紅外處理控制器16、溫度數(shù)據(jù)采集控制器17、溫度智能控制器18、N10S II 19、流向判別控制器20、PWM控制器21、IXD控制器22、SDRAM控制器23、Flash控制器24、溫度控制電路25、IXD顯示26、SDRAM 27、Flash 28、芯片氣液分離器接口 29、檢測腔30、第一加熱器電極引腳31-1、第二加熱器電極引腳31-2、溫度檢測器電極引腳32、經減壓后的載氣管道33、第一流向檢測器34-1、第二流向檢測器34-2、第一微加熱器35-1、第二微加熱器35-2、第一流向檢測電極引腳36_1、第二流向檢測電極引腳36-1、第一電流檢測電極引腳37-1、第二電流檢測電極引腳37-2、電流檢測器38、溫度檢測器39、雙層薄膜PCB底層40、第一進/出氣接口 42、PDMS腔體外壁43、第三進/出氣接口 44、第二進/出氣接口 45、雙層薄膜PCB頂層46、半導體制冷片47、散熱器48、載氣鋼瓶50、微型電動抽氣泵51、電動氣閥52、減壓閥53、芯片氣液分離器54。
【具體實施方式】
[0066]以下將結合附圖，對本發(fā)明的優(yōu)選實施例進行詳細的描述；應當理解，優(yōu)選實施例僅為了說明本發(fā)明，而不是為了限制本發(fā)明的保護范圍。
[0067]實施例一
[0068]圖2示出了芯片級載氣流速流向傳感器結構圖；如圖所示，芯片級載氣流速流向傳感器1，其特征在于:包括檢測腔30、微加熱器35-1、35-2，電流檢測器38、溫度檢測器39、流向檢測器34-1、34-2，半導體制冷片47及分布在檢測腔30腔體上的進/出氣接口 43、44,45 ;所述檢測腔30用于為載氣流速流向判別提供檢測空間；所述微加熱器35-1、35-2，用于實現(xiàn)檢測腔體內溫度小范圍精準控制；所述半導體制冷片47，用于實現(xiàn)檢測腔體內溫度大范圍快速控制，以實現(xiàn)檢測腔內溫度快速恒定；所述電流檢測器38，用于實現(xiàn)微加熱器電流檢測，以實現(xiàn)載氣流速的快速測定；所述流向檢測器34-1、34-2，用于實現(xiàn)傳感器腔內載氣流向的辨識；所述溫度檢測器39，用于實現(xiàn)檢測腔內溫度實時檢測，作為檢測腔內恒溫控制依據(jù)。
[0069]所述進/出氣接口包括設置在檢測腔一側的第一進/出氣接口 43、設置在檢測腔另一側的第二進/出氣接口 45和第三進/出氣接口 44，所述微加熱器包括第一微加熱器35-1和第二微加熱器35-2，所述流向檢測器包括第一流向檢測器34-1和第二流向檢測器34-2，所述溫度檢測器39、第一流向檢測器34-1與第二流向檢測器34_2設置在雙層薄膜PCB頂層46,電流檢測器38與第一微加熱器35-1、第二微加熱器35_2設置在雙層薄膜PCB底層40 ;所述第一流向檢測器34-1、第一微加熱器35-1、溫度檢測器39、第二微加熱器35-2和第二流向檢測器34-2沿氣體流向方向依次分布在雙層薄膜PCB上；所述半導體制冷片47設置于雙層薄膜PCB的下表面；所述半導體制冷片47下表面還設置有散熱層48 ；雙層薄膜PCB底層40與半導體制冷片47采用導熱絕緣硅膠粘接在一起，散熱器48緊貼半導體制冷片47。
[0070]在本實施例中，加熱器及電流檢測器(位于底層)銅線寬度為1mm，銅層厚度35um，線間距為Imm ;溫度檢測器(位于頂層)與底層微加熱器應上下嚴格對應；流向檢測器(位于頂層)分布于溫度檢測器兩側，其銅線寬度為0.1mm，銅層厚度35um，線間距為0.1mm ;所述檢測腔采用聚二甲基娃氧燒(polydimethylsiloxane, PDMS)整體燒注而成,其腔體空間為28_X10_X2mm。
[0071]所述第一微加熱器35-1的一端設置有第一電流檢測電極37-1,另一端設置有第一加熱電極31-1 ;所述第二微加熱器的一端設置有第二電流檢測電極37-2、另一端設置有第二加熱電極31-2 ;所述電流檢測器38設連接在第一電流檢測電極37-1與第二電流檢測電極37-2之間。
[0072]實施例二
[0073]本發(fā)明還提供一種芯片級載氣流速流向檢測控制系統(tǒng)，如圖1所示，芯片級載氣流速流向檢測控制系統(tǒng)包括芯片級載氣流速流向傳感器1、接口電路Jl和控制模塊；
[0074]所述芯片級載氣流速流向傳感器連接在減壓后的載氣管道與接芯片級氣液分離器的氣體管道之間實現(xiàn)低速載氣流速測量及流向判別；
[0075]所述接口電路Jl連接于芯片級載氣流速流向傳感器與控制模塊之間，用于實現(xiàn)芯片級載氣流速流向傳感器與控制模塊之間檢測及控制信號的放大、濾波以及傳輸?shù)龋瑥亩鴮崿F(xiàn)芯片級載氣流速流向傳感器檢測腔體內微加熱器單元加熱控制、微加熱器PWM工作電流檢測、檢測腔內溫度實時檢測、流向檢測器輸出信號辨識；
[0076]所述控制模塊，用于產生芯片級載氣流速流向傳感器實現(xiàn)控溫、流速測量、流向判別以及載氣管道流量控制所需的各種控制信號；如用于控制電動氣閥52及電機驅動控制電路實現(xiàn)電動氣閥有序控制、減壓閥電機精準控制(實現(xiàn)載氣量精準調節(jié))以及檢測腔內空氣的排出；如控制CD4051模擬電子開關實現(xiàn)流向判別信號、溫度信號、微加熱器工作電流的有序采集控制；輸出PWM控溫波形，實現(xiàn)檢測腔內溫度的精準控溫等。
[0077]所述芯片級載氣流速流向傳感器如圖2所示。
[0078]所述控制模塊包括PWM控制器21、流向判別控制器20、溫度數(shù)據(jù)采集控制器17、PWM電流檢測控制器12、散熱控制器13、電動氣閥及電機驅動控制器14、紅外處理控制器16、Flash控制器24、Keyboard控制器15、LCD控制器22和N1SII軟核處理器19 ；
[0079]所述PWM控制器21，用于芯片級載氣流速流向傳感器微加熱器的溫度精準控制；
[0080]所述流向判別控制器20，用于檢測腔內流速判別；
[0081]所述溫度數(shù)據(jù)采集控制器17，用于檢測腔內溫度實時采集；
[0082]所述PWM電流檢測控制器12，用于檢測腔內流速測量；
[0083]所述散熱控制器13，輔助維持檢測腔內溫度恒定；
[0084]所述電動氣閥及電機驅動控制器14，用于電動氣閥、減壓閥以及微型電動抽氣泵51的有序控制；
[0085]所述紅外處理控制器16，用于紅外遙控數(shù)據(jù)處理；
[0086]所述Flash控制28器24，用于控制集成系統(tǒng)中數(shù)據(jù)和應用程序的存儲；
[0087]所述Keyboard控制器15，用于實現(xiàn)集成系統(tǒng)中鍵盤輸入驅動控制；
[0088]所述IXD控制器22，用于實現(xiàn)集成系統(tǒng)中液晶顯示驅動的控制；
[0089]所述N1SII軟核處理器19，用于實現(xiàn)集成系統(tǒng)各模塊的智能控制；
[0090]所述SDRAM控制器23，用于控制集成系統(tǒng)中數(shù)據(jù)緩存存儲器進行同步；
[0091]所述溫度智能控制器18，通過智能溫度控溫算法(如模糊PID控溫算法)控制輸出PWM波形實現(xiàn)對半導體制冷片、微加熱器加電時間控制，以實現(xiàn)檢測腔內溫度快速、精準控溫；
[0092]所述PWM電流檢測控制器12、散熱控制器13、電動氣閥及電機驅動控制器14、鍵盤輸入控制器15、紅外處理控制器16、溫度數(shù)據(jù)采集控制器17、溫度智能控制器18、N1S II19、流向判別器20、PWM控制器21、IXD控制器22、SDRAM控制器23、Flash控制器24通過SOPC技術封裝在單一 FPGA芯片中。
[0093]所述接口電路包括電動氣閥與電機驅動控制電路8、流向判別電路4、流速測量電路2、溫度采集電路3、溫度控制電路25、模擬電子開關及ADC電路6、恒流與恒壓源電路5 ;
[0094]所述電動氣閥與電機驅動控制電路與電動氣閥及電機驅動控制器連接，用于實現(xiàn)系統(tǒng)中氣體管道開/關實現(xiàn)、載氣鋼瓶50輸出載氣流出量實現(xiàn)、流速控制以及微型電動抽氣泵控制；如圖3所示，所述電動氣閥與電機驅動控制電路包括電動氣閥群驅動電路、減壓電機驅動電路和微型電動抽氣泵驅動電路；所述電動氣閥群驅動電路驅動電動氣閥，實現(xiàn)系統(tǒng)氣體管道內氣體的進、排氣有序控制；所述減壓電機驅動電路驅動電機，用于實現(xiàn)載氣輸出量的精準控制；所述微型電動抽氣泵驅動電路驅動微型電動抽氣泵，用于排空檢測腔內空氣。所述電動氣閥群及電機驅動電路包括ULN2003A構成的電動氣閥群驅動電路、38D05固態(tài)繼電器構成的減壓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，用于打開/關閉相應進/出氣管道上的電動氣閥，實現(xiàn)電動氣閥的有序控制；所述38D05固態(tài)繼電器構成的減壓電機驅動電路以及微型電動抽氣泵電機驅動電路，用于減壓閥精準控制，調節(jié)載氣流量大小以及微型電動抽氣泵的控制。
[0095]所述流向判別電路4連接于模擬電子開關及ADC電路與流向檢測器之間，用于判別載氣流向；如圖4中的虛線框所示，所述流向判別電路4包括橋式電路、放大電路、低通濾波電路；所述橋式電路，通過流向檢測器與電阻構成橋式電路，檢測出因載氣流動造成電橋不平衡的輸出信號，以實現(xiàn)載氣流向判別；所述放大電路，用于放大電橋的輸出信號；所述濾波電路，用于濾除放大后電橋的輸出信號的雜波干擾。
[0096]所述流速測量電路2連接于模擬電子開關及ADC電路與微加熱器之間，用于實現(xiàn)微加熱器PWM工作電流檢測，在檢測腔內恒溫時，依據(jù)工作微加熱器PWM工作電流可計算出載氣流速；如圖5中的虛線框所示，所述流速測量電路2包括雙電壓跟隨器、電流監(jiān)測電路、放大電路、RMS至DC轉換電路，用于實現(xiàn)檢測腔內載氣流速測量；所述雙電壓跟隨器，連接在電流檢測器兩輸出端口與電流監(jiān)測電路之間，起隔離作用，防止前后級相互干擾；所述電流監(jiān)測電路，用于實現(xiàn)電流監(jiān)測，使輸出電壓正比于監(jiān)測電流；所述放大電路，用于放大電流監(jiān)測電路輸出的電壓信號；所述RMS至DC轉換電路，用于實現(xiàn)PWM工作電流轉換為直流信號。
[0097]所述溫度采集電路3，連接于模擬電子開關及ADC電路與溫度檢測器之間，用于實時檢測傳感器檢測腔內溫度；如圖6中的虛線框所示，所述溫度采集電路3，用于實現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)放大、濾波等功能，包括電壓跟隨器、AD620構成的第一級放大電路、0P07構成的第二級放大電路、0P07構成的有源低通濾波電路。
[0098]所述溫度控制電路25，輸入端與PWM控制器連接，輸出端分別與半導體制冷片和微加熱器連接，用于輸出維持檢測腔內溫度恒定所需的PWM波形，通過對半導體制冷片、微加熱器加電時間控制，以實現(xiàn)檢測腔內溫度快速、精準控溫；
[0099]所述模擬電子開關及ADC電路17，輸入端分別與流向判別電路、溫度采集電路、流速測量電路連接，輸出端分別與流向判別控制器、溫度數(shù)據(jù)采集控制器、PWM電流檢測控制器連接，用于實現(xiàn)采集信號模擬切換以及模擬信號到數(shù)字信號的轉換；
[0100]所述恒流與恒壓源電路5用于溫度實時采集、流向判別提供精準的恒流源及恒壓源。
[0101]所述接口電路還包括與紅外處理控制器連接的紅外接收電路10、與鍵盤輸入控制器連接的鍵盤輸入電路9、連接于散熱控制器與散熱器之間的散熱器驅動電路7、與Flash控制器連接的Flash28、與SDRAM控制器連接的SDRAM27、與IXD控制器連接的IXD顯示器26。
[0102]工作前，芯片級載氣流速流向傳感器流向檢測器34-2、34_1分別分布在接經減壓后的載氣管道33 —側、接芯片氣液分離器29 —側，關閉第一進/出氣接口 42、第二進/出氣接口 45電動氣閥管道，打開第三進/出氣接口 44電動氣閥管道，并啟動微型電動抽氣泵將流速流向檢測腔內空氣排盡，而后關閉第三進/出氣接口 44電動氣閥管道以及微型電動抽氣泵。工作時，首先通過溫度智能控制器控制半導體制冷片快速升至設定溫度附近，隨后采用微加熱器動態(tài)小范圍控溫，使檢測腔內溫度恒溫在設定溫度，然后控制打開第一進/出氣接口 42、第二進/出氣接口 45電動氣閥管道，采用流向檢測器判別載氣流向、采用電流檢測器檢測出微加熱器工作電流(工作時，檢測腔內恒定在設定溫度)，通過微加熱器工作電流從而換算出載氣流速，實現(xiàn)低速載氣流速測定及流向判別。
[0103]本發(fā)明能夠有效解決基于微流控芯片——原子熒光在線聯(lián)用一體化集成檢測痕量元素(如硒)所需載氣超低流速的測量以及流向判別等關鍵技術問題，也適用于其它小流量氣體檢測。
[0104]以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例，并不用于限制本發(fā)明，顯然，本領域的技術人員可以對本發(fā)明進行各種改動和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。這樣，倘若本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權利要求及其等同技術的范圍之內，則本發(fā)明也意圖包含這些改動和變型在內。
【權利要求】
1.芯片級載氣流速流向傳感器，其特征在于:包括檢測腔(30)、微加熱器(35-1、35-2)、電流檢測器(38)、溫度檢測器(39)、流向檢測器(34_1、34_2)、半導體制冷片(47)及分布在檢測腔腔體上的進/出氣接口(43、44、45)； 所述檢測腔用于為載氣流速流向判別提供檢測空間； 所述微加熱器，用于實現(xiàn)檢測腔體內溫度小范圍精準控制； 所述半導體制冷片，用于實現(xiàn)檢測腔體內溫度大范圍快速控制，以實現(xiàn)檢測腔內溫度快速恒定； 所述電流檢測器，用于實現(xiàn)微加熱器電流檢測，以實現(xiàn)載氣流速的快速測定； 所述流向檢測器，用于實現(xiàn)傳感器腔內載氣流向的辨識； 所述溫度檢測器，用于實現(xiàn)檢測腔內溫度實時檢測，作為檢測腔內恒溫控制依據(jù)。
2.根據(jù)權利要求1所述的芯片級載氣流速流向傳感器，其特征在于:所述進/出氣接口包括設置在檢測腔一側的第一進/出氣接口(43)、設置在檢測腔另一側的第二進/出氣接口(45)和第三進/出氣接口(44)，所述微加熱器包括第一微加熱器(35-1)和第二微加熱器(35-2)，所述流向檢測器包括第一流向檢測器(34-1)和第二流向檢測器(34-2)，所述溫度檢測器(39)、第一流向檢測器與第二流向檢測器設置在雙層薄膜PCB頂層，電流檢測器與第一微加熱器、第二微加熱器設置在雙層薄膜PCB底層；所述第一流向檢測器、第一微加熱器、溫度檢測器、第二微加熱器和第二流向檢測器沿氣體流向方向依次分布在雙層薄膜PCB上；所述半導體制冷片設置于雙層薄膜PCB的下表面。
3.根據(jù)權利要求2所述的芯片級載氣流速流向傳感器，其特征在于:還包括設置在半導體制冷片(47)下表面的散熱層(48)。
4.一種芯片級載氣流速流向檢測控制系統(tǒng)，其特征在于:包括芯片級載氣流速流向傳感器、接口電路和控制模塊； 所述芯片級載氣流速流向傳感器連接在減壓后的載氣管道與接芯片級氣液分離器的氣體管道之間實現(xiàn)低速載氣流速測量及流向判別； 所述接口電路連接于芯片級載氣流速流向傳感器與控制模塊之間，用于實現(xiàn)芯片級載氣流速流向傳感器與控制模塊之間檢測及控制信號的放大、濾波以及傳輸?shù)龋瑥亩鴮崿F(xiàn)芯片級載氣流速流向傳感器檢測腔體內微加熱器單元加熱控制、微加熱器PWM工作電流檢測、檢測腔內溫度實時檢測、流向檢測器輸出信號辨識； 所述控制模塊，用于產生芯片級載氣流速流向傳感器實現(xiàn)控溫、流速測量、流向判別以及載氣管道流量控制所需的各種控制信號。
5.根據(jù)權利要求4所述的芯片級載氣流速流向檢測控制系統(tǒng)，其特征在于:包括檢測腔(30)、微加熱器(35-1、35-2)、電流檢測器(38)、溫度檢測器(39)、流向檢測器(34-1,34-2)、半導體制冷片(47)及分布在檢測腔腔體上的進/出氣接口(43、44、45)； 所述檢測腔用于為載氣流速流向判別提供檢測空間； 所述微加熱器，用于實現(xiàn)檢測腔體內溫度小范圍精準控制； 所述半導體制冷片，用于實現(xiàn)檢測腔體內溫度大范圍快速控制，以實現(xiàn)檢測腔內溫度快速恒定； 所述電流檢測器，用于實現(xiàn)微加熱器電流檢測，以實現(xiàn)載氣流速的快速測定； 所述流向檢測器，用于實現(xiàn)傳感器腔內載氣流向的辨識； 所述溫度檢測器，用于實現(xiàn)檢測腔內溫度實時檢測，作為檢測腔內恒溫控制依據(jù)。
6.根據(jù)權利要求4所述的芯片級載氣流速流向檢測控制系統(tǒng)，其特征在于:所述控制模塊包括PWM控制器、流向判別控制器、溫度數(shù)據(jù)采集控制器、PWM電流檢測控制器、電動氣閥及電機驅動控制器、紅外處理控制器、Flash控制器、Keyboard控制器、IXD控制器和N10SII軟核處理器； 所述PWM控制器，用于芯片級載氣流速流向傳感器微加熱器的溫度精準控制； 所述流向判別控制器，用于檢測腔內流速判別； 所述溫度數(shù)據(jù)采集控制器，用于檢測腔內溫度實時采集； 所述PWM電流檢測控制器，用于檢測腔內流速測量； 所述電動氣閥及電機驅動控制器，用于電動氣閥、減壓閥以及微型電動抽氣泵的有序控制； 所述紅外處理控制器，用于紅外遙控數(shù)據(jù)處理； 所述Flash控制器，用于控制集成系統(tǒng)中數(shù)據(jù)和應用程序的存儲； 所述Keyboard控制器，用于實現(xiàn)集成系統(tǒng)中鍵盤輸入驅動控制； 所述LCD控制器，用于實現(xiàn)集成系統(tǒng)中液晶顯示驅動的控制； 所述N10SII軟核處理器，用于實現(xiàn)集成系統(tǒng)各模塊的智能控制。
7.根據(jù)權利要求4所述的芯片級載氣流速流向檢測控制系統(tǒng)，其特征在于:所述接口電路包括電動氣閥與電機驅動控制電路、流向判別電路、流速測量電路、溫度采集電路、溫度控制電路、模擬電子開關及ADC電路、恒流與恒壓源電路； 所述電動氣閥與電機驅動控制電路用于實現(xiàn)系統(tǒng)中氣體管道開/關實現(xiàn)、載氣鋼瓶輸出載氣流出量實現(xiàn)、流速控制以及微型電動抽氣泵控制； 所述流向判別電路用于判別載氣流向； 所述流速測量電路用于實現(xiàn)微加熱器PWM工作電流檢測，在檢測腔內恒溫時，依據(jù)工作微加熱器PWM工作電流可計算出載氣流速； 所述溫度采集電路用于實時檢測傳感器檢測腔內溫度； 所述溫度控制電路用于輸出維持檢測腔內溫度恒定所需的PWM波形，通過對半導體制冷片、微加熱器加電時間控制，以實現(xiàn)檢測腔內溫度快速、精準控溫； 所述模擬電子開關及ADC電路用于實現(xiàn)采集信號模擬切換以及模擬信號到數(shù)字信號的轉換； 所述恒流與恒壓源電路用于溫度實時采集、流向判別提供精準的恒流源及恒壓源。
8.根據(jù)權利要求7所述的芯片級載氣流速流向檢測控制系統(tǒng)，其特征在于:所述電動氣閥與電機驅動控制電路包括電動氣閥群驅動電路、減壓電機驅動電路和微型電動抽氣泵驅動電路； 所述電動氣閥群驅動電路驅動電動氣閥，實現(xiàn)系統(tǒng)氣體管道內氣體的進、排氣有序控制； 所述減壓電機驅動電路驅動電機，用于實現(xiàn)載氣輸出量的精準控制； 所述微型電動抽氣泵驅動電路驅動微型電動抽氣泵，用于排空檢測腔內空氣。
9.根據(jù)權利要求7所述的芯片級載氣流速流向檢測控制系統(tǒng)，其特征在于:所述流向判別電路包括橋式電路、放大電路、低通濾波電路； 所述橋式電路，通過流向檢測器與電阻構成橋式電路，檢測出因載氣流動造成電橋不平衡的輸出信號，以實現(xiàn)載氣流向判別； 所述放大電路，用于放大電橋的輸出信號； 所述濾波電路，用于濾除放大后電橋的輸出信號的雜波干擾。
10.根據(jù)權利要求7所述的芯片級載氣流速流向檢測控制系統(tǒng)，其特征在于:所述流速測量電路包括雙電壓跟隨器、電流監(jiān)測電路、放大電路、RMS至DC轉換電路，用于實現(xiàn)檢測腔內載氣流速測量； 所述雙電壓跟隨器，連接在電流檢測器兩輸出端口與電流監(jiān)測電路之間，起隔離作用，防止前后級相互干擾； 所述電流監(jiān)測電路，用于實現(xiàn)電流監(jiān)測，使輸出電壓正比于監(jiān)測電流； 所述放大電路，用于放大電流監(jiān)測電路輸出的電壓信號； 所述RMS至DC轉換電路，用于實現(xiàn)PWM工作電流轉換為直流信號。
【文檔編號】G01P5/08GK104267210SQ201410424299
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2014年8月26日 優(yōu)先權日:2014年8月26日
【發(fā)明者】廖紅華, 郭黎, 周大寨, 吳長坤, 方芳, 廖宇, 秦偉軒 申請人:湖北民族學院