阅读说明：本技术 一种用于微全分析系统芯片集成化进样系统及进样方法 (Chip integrated sample injection system and method for micro total analysis system ) 是由 张贺 杨爽 揣荣岩 李新 张英杰 于 2020-06-04 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种用于微全分析系统芯片的集成化进样系统,包括进样控制模块、机械支撑模块和进样连接模块,进样连接模块和进样控制模块通过机械支撑模块支撑,所述进样连接模块包括有微全分析系统芯片和进液装置,进液装置的出液口与微全分析系统预留的进液口连接,所述进样控制模块包括有能够控制进液装置进液的动力装置。本系统可进一步提高芯片的实时性检测能力,有利于芯片应用领域的拓展和商品化进程。(The invention relates to an integrated sample feeding system for a micro total analysis system chip, which comprises a sample feeding control module, a mechanical support module and a sample feeding connection module, wherein the sample feeding connection module and the sample feeding control module are supported by the mechanical support module, the sample feeding connection module comprises a micro total analysis system chip and a liquid inlet device, a liquid outlet of the liquid inlet device is connected with a liquid inlet reserved in the micro total analysis system, and the sample feeding control module comprises a power device capable of controlling liquid inlet of the liquid inlet device. The system can further improve the real-time detection capability of the chip, and is beneficial to the expansion of the application field of the chip and the commercialization process.)

一种用于微全分析系统芯片集成化进样系统及进样方法

技术领域

本发明属于微机电系统（Micro-electro Mechanical Systems, MEMS）领域，特别是涉及一种用于微全分析系统芯片的集成化进样系统及进样方法。

背景技术

微全分析系统芯片是利用MEMS技术在体积有限的基底材料上制作定制设计的微结构，以实现痕量试样的快速检测。微全分析系统体积小、功能多，可以将通常在实验室内完成的进样、混合、提纯等分析步骤高度集成，是化学、流体力学、微电子学等多学科的交叉结合的产物，也是便携式、智能化检测的重要发展方向。目前，微全分析系统芯片已经成为分子水平上进行生命科学、药学、化学和化学工程研究的重要平台之一。随着研究及应用领域的不断扩大，特别是为揭示分子间、细胞间的内部相互作用，芯片结构的特征尺度也已经进一步缩小到亚微米甚至是纳米级，这对流体的驱动与控制提出了更艰巨的挑战。

目前，在微全分析系统芯片上应用最为广泛的电渗驱动方式，虽能够为微纳流体提供稳定精确的驱动力，但其驱动电压高达150-200V/cm，如此大的驱动电压不仅会造成驱动电极过热而生成气泡，也需要体积庞大的线性电源作为保障，并不适应系统小型化与便携化的大趋势；磁力驱动方式虽然在生化无损检测方面具备独有的优势，但能够驱动的流体种类不多，使得芯片的应用范围受限；离心力驱动方式则是将整个芯片无差别的暴漏在离心力的作用下，导致不需要大驱动力的片上功能模块受到影响。

本发明所采用的微量注射式驱动方式属于压力驱动的一种，目前已经应用于临床医疗、生化试验等需要对微流体进行准确、定时、定量灌注或抽取的场合。不过现有的商品化微量注射泵，并未面向微全分析系统芯片这一具有广阔前景的新兴应用领域提供定制化的设计，因此无法适应芯片小型化、集成化和便携式检测的需求。

发明内容

发明目的

本发明提供一种用于微全分析系统芯片的集成化进样系统，本系统可解决目前微全分析系统芯片进样装置体积大、组装繁琐、便携性不高等方面存在的问题。

技术方案

一种用于微全分析系统芯片的集成化进样系统，包括进样控制模块、机械支撑模块和进样连接模块，进样连接模块和进样控制模块通过机械支撑模块支撑，所述进样连接模块包括有微全分析系统芯片和进液装置，进液装置的出液口与微全分析系统预留的进液口连接，所述进样控制模块包括有能够控制进液装置进液的动力装置。

所述动力装置为步进电机，步进电机的步进电机转轴连接有驱动丝杠，驱动丝杠螺纹配合有丝杠螺母，丝杠螺母与滑动支撑臂固定在一起，滑动支撑臂与进液装置的推进进液部件连接在一起。

所述进液装置为注射器，注射器包括有注射器外壳和作为推进进液部件的注射器活塞，注射器外壳与机械支撑模块固定在一起，注射器外壳的出液口连接微全分析系统芯片上预留的进液口。

所述微全分析系统芯片位于微全分析系统芯片卡具内，微全分析系统芯片卡具包括有微全分析系统芯片卡具底座和卡具盖板，卡具盖板将微全分析系统芯片加压固定在微全分析系统芯片卡具底座内，出液口胶塞穿过微全分析系统芯片卡具盖板上的卡具通孔与微全分析系统芯片的出液口相连，进液胶塞穿过微全分析系统芯片卡具底座的卡具通孔与微全分析系统芯片上预留的进液口相连。

所述机械支撑模块包括有底座和多个支撑臂，支撑臂包括有固定支撑臂和滑动支撑臂，滑动支撑臂能够在底座上滑动，固定支撑臂固定有微全分析系统芯片、注射器外壳和步进电机。

所述滑动支撑臂包括挤压固定块和支撑固定块，挤压固定块和支撑固定块通过螺栓e连接在一起，挤压固定块和支撑固定块之间设有用于放置注射器活塞的注射器卡活塞孔。

所述注射器卡活塞孔有多个卡接部位。

所述进样控制模块还包括有电机接口、液晶显示屏、电机驱动电路、按键、电源模块和嵌入式处理器，电源模块包括芯片电源和电机电源并设有电源接口，进样控制模块的嵌入式处理器连接有按键，嵌入式处理器还连接有液晶显示屏，嵌入式处理器连接有电机驱动电路，电机驱动电路通过电机接口连接步进电机，电机电源连接电机驱动电路，芯片电源连接液晶显示屏和嵌入式处理器。

所述液晶显示屏、电机驱动电路、电源模块和嵌入式处理器密封于保护壳中，电源接口、电机接口和按键设置于保护壳外。

一种微全分析系统芯片的集成化进样方法：进样控制模块的嵌入式处理器通过按键接收外部指令，并在液晶显示屏上将这些指令显示出来；电机驱动电路依据经嵌入式处理器分析后的外部指令通过电机接口及电机引线控制步进电机完成相应的操作；当步进电机转轴转动时，带动与其相连的驱动丝杠也随之转动，转动的驱动丝杠通过丝杠螺母带动滑动支撑臂缓慢移动，此时与滑动支撑臂固定在一起的注射器活塞也将随着一起缓慢移动；注射器活塞推动注射器外壳内的试样进入微全分析系统芯片，从而实现微全分析系统芯片的进样。

优点及效果

本发明提供了一种用于微全分析系统芯片的集成化进样系统，诣在为经定制化设计后具有统一标准的微全分析系统芯片提供高效、稳定的流体驱动及控制；可以为多功能、多用途的微全分析系统芯片提供高精度、响应快、体积小的进样、冲洗及换样等操作。本系统集成有可视化操作界面，可以设定进样体积、速度等参数，并根据用户需要提供多路进样功能。此外，本系统集成有标准化的微全分析系统芯片卡具和进、出液接口，为用户快速检测提供了便利条件。本发明可进一步提高芯片的实时性检测能力，有利于芯片应用领域的拓展和商品化进程。

附图说明

图1、用于微全分析系统芯片的集成化进样系统的组成框图；

图2、进样控制模块结构示意图；

图3、进样控制模块电路连接示意图；

图4、底座结构图；

图5、固定支撑臂a；

图6、固定支撑臂b；

图7、滑动支撑臂；

图8、固定支撑臂c；

图9、固定支撑臂d；

图10、变径套管结构；

图11、丝杠螺母结构；

图12、微全分析系统芯片卡具结构；

图13、用于微全分析系统芯片的集成化进样系统的装配侧视图；

图14、用于微全分析系统芯片的集成化进样系统的装配俯视图；

图15、变径套管装配图；

图16、丝杠螺母装配图；

图17、微全分析系统芯片卡具装配图。

附图标记为：1.保护壳、101.电源接口、102.电机接口、103.液晶显示屏、104.电机驱动电路、105.按键、106.电源、107.嵌入式处理器、2.步进电机、201.电机引线、202.步进电机转轴、203.转轴固定孔、301.固定支撑臂a、302.固定支撑臂b、303.滑动支撑臂、304.固定支撑臂c、305.固定支撑臂d、401.螺栓a、402.螺栓b、403.螺栓c、404.螺栓d、405.螺栓e、406.螺栓f、407.螺栓g、5.变径套管、501.转轴固定孔、502.丝杠固定孔、6.丝杠螺母、601.丝杠螺孔、602.螺母固定孔、603.固定片、7.驱动丝杠、701.丝杠固定孔、8.底座、801.底固定孔、802.侧固定孔、901.出液口胶塞、902.进液口胶塞、10.软管、11.微全分析系统芯片卡具、1101.微全分析系统芯片卡具盖板、1102.微全分析系统芯片卡具底座、1103.卡具通孔、12. 微全分析系统芯片、1301.注射器外壳、1302.注射器活塞、3011.保护壳固定孔、3012.电机固定孔、3013.转轴-丝杠通孔、3014.侧-底固定孔、3021.底-底固定孔、3031.挤压固定块、3032.支撑固定块、3033.螺栓e通孔、3034.注射器卡活塞孔、3035.丝杠螺母通孔、3036.丝杠螺母固定通孔、3041.卡具固定孔、3042.注射器固定孔、3043.连接-固定孔、4061.卡具螺栓、4062.卡具螺母。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进行进一步详细地说明，本发明所述的技术特征或连接关系没有进行详细描述的部分均为采用的现有技术。

如图13、图14、图15、图16和图17所示，一种用于微全分析系统芯片的集成化进样系统，包括进样控制模块、机械支撑模块和进样连接模块，进样连接模块和进样控制模块通过机械支撑模块支撑，所述进样连接模块包括有微全分析系统芯片12和进液装置，进液装置的出液口与微全分析系统预留的进液口连接，所述进样控制模块包括有能够控制进液装置进液的动力装置。动力装置为步进电机2，步进电机2的步进电机转轴202通过螺栓g 407固定的变径套管5连接有驱动丝杠7，驱动丝杠7螺纹配合有丝杠螺母6，丝杠螺母6与滑动支撑臂303固定在一起，滑动支撑臂303与进液装置的推进进液部件连接在一起。滑动支撑臂303包括挤压固定块3031和支撑固定块3032，挤压固定块3031的顶部有2个用于顶丝螺栓405穿过的顶丝螺栓通孔3033，挤压固定块3031和支撑固定块3032通过螺栓e405连接在一起，挤压固定块3031和支撑固定块3032之间设有用于放置注射器活塞1302的注射器卡活塞孔3034。进液装置为注射器，注射器包括有注射器外壳1301和作为推进进液部件的注射器活塞1302，注射器外壳1301与机械支撑模块固定在一起，注射器外壳1301的出液口连接软管10的一端，软管10的另一端连接有进液胶塞902，进液胶塞902的另一端与微全分析系统芯片12上预留的进液口连接。如图14，进样控制模块还包括有电机接口102、液晶显示屏103、电机驱动电路104、按键105、电源模块106和嵌入式处理器107，电源模块106包括芯片电源1061和电机电源1062并设有电源接口101，进样控制模块的嵌入式处理器107连接有按键105，进而接收外部指令，嵌入式处理器107还连接有液晶显示屏103，在液晶显示屏103上将这些指令显示出来；嵌入式处理器107连接有电机驱动电路104，电机驱动电路104通过电机接口102连接步进电机2，电机电源1062连接电机驱动电路104，芯片电源1061连接液晶显示屏103和嵌入式处理器107。微全分析系统芯片12位于微全分析系统芯片卡具11内，微全分析系统芯片卡具11包括有微全分析系统芯片卡具底座1102和卡具盖板1101，（如图12），卡具盖板1101将微全分析系统芯片12加压固定在微全分析系统芯片卡具底座1102内，出液口胶塞901穿过微全分析系统芯片卡具盖板1101上的卡具通孔1103与微全分析系统芯片12的出液口相连，进液胶塞902穿过微全分析系统芯片卡具底座1102的卡具通孔1103与微全分析系统芯片12上预留的进液口相连。

图4、7、13中，机械支撑模块包括有底座8和多个支撑臂，支撑臂包括有固定支撑臂和滑动支撑臂303，滑动支撑臂303能够在底座8上滑动，固定支撑臂固定有微全分析系统芯片12、注射器外壳1301和步进电机2。优选的，注射器卡活塞孔3034有多个卡接部位。液晶显示屏103、电机驱动电路104、电源模块106和嵌入式处理器107密封于保护壳1中，保护壳1优选为有机玻璃材料，电源接口101、电机接口102和按键105设置于保护壳1外。

一种微全分析系统芯片的集成化进样方法，进样控制模块的嵌入式处理器107通过按键105接收外部指令，并在液晶显示屏103上将这些指令显示出来；电机驱动电路104依据经嵌入式处理器107分析后的外部指令通过电机接口102及电机引线201控制步进电机2完成相应的操作；图10中，当步进电机转轴202转动时，通过变径套管5带动与其相连的驱动丝杠7也随之转动（见图13），转动的驱动丝杠7通过丝杠螺母6带动滑动支撑臂303缓慢移动（见图7/13），此时与滑动支撑臂303固定在一起的注射器活塞1302也将随着一起缓慢移动；注射器活塞1302推动注射器外壳1301内的试样经软管10和进液口胶塞902进入微全分析系统芯片12，从而实现微全分析系统芯片的进样，完成分析检测的试样经出液口胶塞901排出。

如图1所示，为用于微全分析系统芯片的集成化进样系统的组成框图。用于微全分析系统芯片的集成化进样系统主要由：进样控制模块、机械支撑模块和进样连接模块三部分组成。其中进样控制模块主要包括：液晶显示屏103、电机驱动电路104、按键105、电源106、嵌入式处理器107和步进电机2；其中机械支撑模块主要包括：底座8、支撑臂（固定支撑臂a 301、固定支撑臂b 302、滑动支撑臂303、固定支撑臂c 304和固定支撑臂d 305、变径套管5、丝杠7和螺栓（螺栓a 401、螺栓b 402、螺栓c 403、螺栓d 404、螺栓e 405、螺栓f 406和螺栓g 407）；其中进样连接模块主要包括：微全分析系统芯片12、微全分析系统芯片卡具11、胶塞（出液口胶塞901和进液口胶塞902）、软管10和注射器（注射器外壳1301和注射器活塞1302）。

如图2所示，进样控制模块中的液晶显示屏103、电机驱动电路104、电源模块106和嵌入式处理器107被密封在有机玻璃保护壳1中，仅通过经防水处理的电源接口101、电机接口102和按键105与外部进行接触，以避免检测过程中遇水短路。

如图3所示，进样控制模块中的电源模块106由芯片电源1061和电机电源1062两部分组成，并能够通过电源接口101与外部电源连接；其中芯片电源1061将外部电源的输入电压转换为3.3V的直流电压，并通过VCC3.3和GND管脚分别与液晶显示屏103和嵌入式处理器107的VCC3.3和GND管脚连接，为液晶显示屏1602和嵌入式处理器107的芯片提供电源电压；电机电源1062将外部电源的输入电压转换为12V的直流电压，并通过电机接口102将电机电源1062的VCC12和GND管脚与步进电机2的VCC12和GND管脚连接并与电机驱动104连接，电机电源1062为步进电机2提供电源电压；嵌入式处理器107通过P1.5、P1.6、P1.7、P2.0、P2.1、P2.2、P2.3、P2.4、P2.5、P2.6和P2.7管脚与液晶显示屏103相对应的P14、P13、P12、P11、P10、P9、P8、P7、P6、P5和P4管脚相连，为液晶显示屏103提供显示驱动及显示内容；嵌入式处理器107通过P1.2、P1.3和P1.4管脚与电机驱动电路104的P14、P15和P20管脚相连，为电机驱动电路104提供驱动控制信号；嵌入式处理器107的P0.6、P0.7、P1.0、P1.1、P3.1、P3.2、P3.3和P3.4管脚连接有Risym6*6*5的按键105；电机驱动电路104将来自嵌入式处理器107的驱动控制信号转换为步进电机可识别的信号格式后，通过电机接口102将P23、P24、P32、P33、P34、P35、P43和P44管脚与步进电机2的1ch OUTA、2ch OUTA、1ch OUTB和2ch OUTB管脚连接，实现对步进电机2的驱动控制。步进电机引线201即为步进电机2与电机接口102连接的引线。

依据经嵌入式处理器107分析后的外部指令通过电机接口102及电机引线201控制步进电机2完成相应的操作；当步进电机转轴202转动时，通过变径套管5与其相连的驱动丝杠7也随之转动，转动的驱动丝杠7通过丝杠螺母6带动滑动支撑臂303缓慢移动，此时固定在注射器活塞卡孔3034上的注射器活塞1302也将随着一起缓慢移动，从而实现微全分析系统芯片12的进样。

如图4所示，机械支撑模块中的底座8上设有用于支撑臂固定的4个底固定孔801、4个侧固定孔802。

如图5所示，机械支撑模块中的固定支撑臂a 301顶部有2个用于保护壳1固定的保护壳固定孔3011；侧面有4个用于步进电机2固定的电机固定孔3012，有1个用于步进电机转轴202及驱动丝杠7支撑的转轴-丝杠通孔3013，有2个用于与底座8连接固定的侧-底固定孔3014。

如图6所示，机械支撑模块中的固定支撑臂b 302顶部有2个用于有机玻璃保护壳1固定的保护壳固定孔3011；侧面有4个用于步进电机2固定的电机固定孔3012，有1个用于步进电机转轴202及驱动丝杠7支撑的转轴-丝杠通孔3013；底面有2个用于与底座8连接固定的底-底固定孔3021。

如图7所示，机械支撑模块中的滑动支撑臂303由挤压固定块3031和支撑固定块3032两部分组成。其中挤压固定块3031的顶部有2个用于螺栓e 405穿过的螺栓e通孔3033；支撑固定块3032的顶部有1个用于放置注射器活塞1302的注射器卡活塞孔3034，侧面有1个用于丝杠螺母6安装的丝杠螺母通孔3035和2个用于丝杠螺母6固定的丝杠螺母固定通孔3036。

如图8所示，机械支撑模块中的固定支撑臂c 304顶部有2个用于微全分析系统芯片卡具底座1102固定的卡具固定孔3041；侧面有4个用于固定支撑臂c 304与固定支撑臂d305连接固定的连接-固定孔3043，有1个用于步进电机转轴202及驱动丝杠7支撑的转轴-丝杠通孔3013，有1个用于支撑注射器外壳1301的注射器固定孔3042；底面有2个用于与底座8连接固定的底-底固定孔3021。

如图9所示，机械支撑模块中的固定支撑臂d 305顶部有2个用于微全分析系统芯片卡具底座1102固定的卡具固定孔3041；侧面有4个用于固定支撑臂c 304与固定支撑臂d305连接固定的连接-固定孔3043，有1个用于步进电机转轴202及驱动丝杠7支撑的转轴-丝杠通孔3013，有2个用于与底座8连接固定的侧-底固定孔3014。

如图10所示，变径套管5为中空变径的圆柱体，在其直径较小的一端有用于步进电机转轴202安装的转轴固定孔501，在其直径较大的一端有用于固定驱动丝杠7安装的丝杠固定孔502。

如图11所示，丝杠螺母6的一端为椭圆形的固定片603，另一端为圆形的丝杠螺孔601，在固定片603上有2个用于丝杠螺母6固定的螺母固定孔602。

如图12所示，微全分析系统芯片卡具11由微全分析系统芯片卡具盖片1101和微全分析系统芯片卡具底座11022个部分组成。在微全分析系统芯片卡具盖片1101和微全分析系统芯片卡具底座1102上均匀排列有用于芯片加压、卡具固定安装和进出液口安装的卡具通孔1103。

如图15和图16所示，驱动丝杠7设有用于与变径套管5固定的丝杠固定孔701，步进电机转轴设有与变径套管5固定的转轴固定孔203。

如图17所示，微全分析系统卡具底座1102通过迷你螺栓a 401与固定支撑臂c 304和固定支撑臂d 305相连；进液胶塞902一端穿过微全分析系统芯片卡具底座1102上的通孔1103与微全分析系统芯片12上预留的进液口连接；出液口胶塞901穿过微全分析系统芯片卡具盖板1101上的卡具通孔1103与微全分析系统芯片12的出液口相连。

固定支撑臂c 304和固定支撑臂d 305通过穿过其二者的螺栓b 402加强固定；固定支撑臂a 301、固定支撑臂b 302、固定支撑臂c 304和固定支撑臂d 305通过螺栓c 403与底座8固定连接；丝杠螺母6和支撑固定块3032通过螺栓d 404连接固定；螺栓e 405穿过挤压固定块3031和支撑固定块3032将其二者连接在一起；螺栓f 406穿过微全分析系统芯片卡具盖板1101与微全分析系统芯片卡具底座1102上未被微全分析系统芯片12阻挡的卡具通孔1103，随后与卡具螺母4062拧紧，为芯片的密闭性提供加压固定；变径套管5和驱动丝杠7通过螺栓g 407固定，变径套管5和步进电机转轴202通过螺栓g 407固定。

本发明的设计原理如下：

本发明选用C8051F310芯片作为嵌入式处理器。C8051F310芯片共有32个引脚，属于一种小型、外型的微控制器，集成了运算速度可达25MIPS的8051CPU、16KB的Flash存储器、液晶驱动电路及多个I/O引脚。

本实施方式内选用AMS1117 和LM2596作为芯片电源和电机电源的核心芯片。AMS1117是一款正电压输出低压差的三端线性稳压电路芯片，分为可调版和多种固定电压版两大类。AMS1117在输出1A电流时，其输入与输出电压差的典型值为1.8V，最小压差保证不超过1.3V，并随负载电流的减小而逐渐降低。AMS1117内部还集成了过热保护和限流电路，可进一步确定芯片和电源系统的稳定性。本发明选用的是输出电压为3.3V的固定电压版本，为嵌入式处理器、液晶显示屏、电机驱动等电路供电。LM2596是一款开关电压调节器，具有出色的线性度和负载调节特性，芯片内部还集成有频率补偿和固定频率发生器，开关频率可达150KHz，并具有自我保护功能。本发明选用的是12V输出的固定输出版本作为步进电机及其驱动电路供电。

本发明选用LV8731作为电机驱动电路的核心芯片。LV8731是一款双通道的H桥驱动芯片，额定工作电压范围为9-32V，输出电流峰值为2.5A。LV8731内置了PWMV电流控制的步进电机驱动单元，该单元可工作在DCM和STM两种模式下，并具有输出短路保护和异常状态警告功能。本发明选用的是工作电压为12V输出的固定输出版本为步进电机提供驱动信号。

本发明选用1602型字符液晶显示屏作为显示芯片。1602型字符液晶显示屏是专门用于字母数字和符号显示的点阵式LCD显示屏，可实现2行、每行16字符的显示。其具体的管脚说明见表1。

表1：1602型字符液晶显示屏管脚说明

本发明选用YH42BYGH60型步进电机作为驱动控制的核心器件。步进电动机(又称脉冲电机)是将脉冲信号作为控制信号，使电信号转化为动量的电机。当输入脉冲时，他向前迈出一步，由于这种特殊的操作形式，使其不同于快速旋转的常规电动机，可以实现更高的精度控制。本发明选用YH42BYGH60型步进电机其具体技术指标详见表2：

表2：YH42BYGH60型步进电机性能参数表

本发明以上述芯片作为进样控制模块的核心器件，按照图3中所示的连接方式实现步进电机的驱动控制功能，结合附图说明中机械支撑模块和进样连接模块的具体装配，实现用于微全分析系统芯片的集成化进样。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。