인쇄를 만드는 열가 소성 재료의 3 차원 미세 응용 프로그램에 대 한 피드백 제어와 주사기 펌프를 자동

요약

여기 선물이 미세 응용 프로그램에 사용 되는 압력 제어 주사기 펌프를 구성 하는 프로토콜. 이 주사기 펌프는 없애는 제조, 상용 하드웨어, 본문과 오픈 소스 전자에서 이루어집니다. 결과 시스템은 저가, 간단 하 게 구현할 빠른 미세 연구 수 있도록 잘 규제 유체 흐름을 제공 합니다.

초록

마이크로 생물, 화학, 및 물리 과학 연구에 중요 한 도구가 되고있다. 미세 실험의 한 중요 한 구성 요소는 안정적인 액체 처리 시스템의 정확 하 게는 입구 유량 또는 입구 압력. 여기, 우리는 주사기 펌프 시스템 제어 개발 하 고 미세 장치에 전달 입구 유체 압력을 조절. 이 시스템은 저가 재료 및 첨가제 제조 원리, 열가 소성 물질과 가능한 상용 부품의 3 차원 (3D) 인쇄를 활용 하 여 사용 하 여 설계 되었습니다. 이 시스템은 세 가지 주요 구성 요소 구성: 주사기 펌프, 압력 변환기 및 프로그래밍 가능한 마이크로컨트롤러. 이 문서 내에서 제조, 조립, 그리고 프로그래밍이 주사기 펌프 시스템에 대 한 프로토콜의 집합을 선발. 또한, 우리는 높은-충실도,이 시스템을 사용 하 여 입구 압력의 피드백 제어를 보여 주는 대표적인 결과 포함 했다. 우리 기대이 프로토콜 저가 주사기 펌프 시스템을 조작 하는 연구자 수 마이크로의 사용에 대 한 진입 장벽 낮추기에 생물 의학, 화학 및 재료 연구.

서론

미세 도구 되고있다 유용 과학자에 대 한 생물학과 화학 연구에. 낮은 볼륨 사용, 신속한 측정 기능, 및 잘 정의 된 흐름 프로필, 마이크로 게놈에서 견인을 얻고 있다 및 proteomic 연구, 높은 처리량 검열, 의료 진단, 나노기술, 및 단일 셀 분석^1,2,,34. 또한, 미세 장치 디자인의 유연성은 쉽게 교양된 세균성 식민지⁵spatiotemporal 역학 조사 등 기초 과학 연구를, 수 있습니다.

다양 한 유체 분사 시스템 미세 장치에 흐름을 정확 하 게 제공을 개발 되었습니다. 이러한 주입 시스템의 예로 연동 및 재순환 펌프⁶, 압력 컨트롤러 시스템⁷및 주사기 펌프⁸. 이러한 주입 시스템, 주사기 펌프를 포함 하 여 종종 비싼 정밀 설계 부품의 구성 됩니다. 이러한 시스템의 비용을 추가 출력 흐름에 압력의 폐쇄 루프 피드백 제어와 이러한 시스템을 보강 합니다. 응답, 우리는 이전 폐쇄 루프 피드백 제어를 사용 하 여 출력된 흐름 압력을 조절 하는 강력한, 낮은-비용 주사기 펌프 시스템을 개발 했다. 폐쇄 루프 압력 제어를 사용 하 여 고가의 정밀 엔지니어링 부품 폐지⁹입니다.

저렴 한 3D 인쇄 하드웨어와 관련 된 오픈 소스 소프트웨어에 중요 한 성장 조합이 했다 설계 및 미세 소자의 제조 분야¹⁰의 다양 한 연구자에 게 점점 더 액세스할 수 있습니다. 그러나,이 장치를 통해 드라이브 유체에 사용 되는 시스템 비싼 남아 있습니다. 저 비 유체 제어 시스템에 대 한이 필요를 해결 하기 위해 우리는 어셈블리 단계 수가 적은 요구는 실험실에서 연구자에 의해 날조 될 수 있다 디자인을 개발 했다. 그것의 저가 및 간단한 어셈블리에도 불구 하 고이 시스템 정확한 흐름 제어를 제공할 수 있고 상용, 폐쇄 루프 주사기 펌프 시스템, prohibitively 비싼 될 수 있는 대안을 제공 합니다.

여기, 우리 건설 및 폐쇄 제어 루프의 사용에 대 한 프로토콜을 제공 주사기 펌프 시스템 개발 (그림 1). 유체 처리 시스템은 이전 연구¹¹, 마이크로컨트롤러, 압 저항 형 압력 센서에 의해 영감 을된 실제 주사기 펌프의 구성 됩니다. 조립 하 고 비례-적분-미분 (PID) 컨트롤러와 프로그램, 시스템은 미세 장치에 잘 규제, 압력 제어 흐름을 제공 수 있습니다. 이 마이크로 사용 하 여 그들의 작품을 연구의 광범위 한 그룹의 사용 가능한 높은 비용 상용 제품을 저렴 하 고 유연한 대안을 제공 합니다.

프로토콜

1. 3D 인쇄 및 주사기 펌프

1. 준비 하 고 3D 인쇄는 펌프 부품
   1. 다운로드는. 이 문서의 추가 파일 에서 STL 디자인 파일입니다.
      참고: 6 있습니다. STL 파일, 제목 'JoVE_Syringe_Clamp_10mL_Size.stl', 'JoVE_Syringe_Platform.stl', 'JoVE_Syringe_Plunger_Connectors.stl', 'JoVE_Syringe_Pump_End_Stop.stl', 'JoVE_Syringe_Pump_Motor_Connector.stl', 그리고 ' JoVE_Syringe_Pump_Traveler_ Push.stl', 추가 파일. 이러한 파일은 주사기 펌프의 3 차원 인쇄 구성 요소에 해당합니다.
   2. 소프트웨어 패키지의 변환에 헌신에서 그들을 열어 인쇄에 대 한 이러한 파일을 준비 합니다. STL 모델 파일 실행 명령에 사용 되 고 3D 프린터를 설정 합니다. 적절 한 소프트웨어 사용 되는지 확인 되 고 일부 프린터 독점 소프트웨어를 필요 합니다 다른 사람에서 직접 인쇄할 수 있습니다 반면에. STL 파일입니다.
   3. 아크릴로 니트 릴 부 타 디 엔 스 티 렌 (ABS)는 높은-품질 3D 프린터 설정 하 여 플라스틱 구성 요소를 인쇄 합니다. 다른 일반적인 3D 인쇄 자료, polylactic 산 (PLA) 등 다른 열가 소성 탄성 체 사용 하는 경우 (예를 들어, 신축성, 항복 강도) 완성 된 기계적 성질은 ABS에 비해 있는지 확인 합니다.
   4. 3D 프린터의 인쇄 플랫폼에서 인쇄 된 부분을 분리 합니다. 완성 된 부품에서 인쇄 된 지원 구조를 제거 합니다.
      참고: 지원 구조는 변환 하는 데 사용 하는 프린터 전용 소프트웨어에 의해 설계 되었습니다 합니다. STL 모델 파일 실행 명령에는 3D 프린터에 대 한 설정합니다. 금액 및 지원 자료의 구조는 사용 하는 소프트웨어에 따라 달라질 수 있습니다.
   5. 샌드 페이퍼를 사용 하 여 어떤 거친 가장자리를 연마 하 여 인쇄 구성 요소를 부드럽게. 최상의 결과 얻으려면 약 220의 크기의 모래 사 포를 사용 합니다. 모든 구성 요소는 조립 전에 매끄러운 다는 것을 확인 하십시오.
   6. 모든 7 개 부품 인쇄 되었습니다 확인 하십시오.
      참고:이 부분 다음 선정 되었습니다: (I) 모터 커넥터, (II) 여행자 밀어, (III) 최종 중지, (IV) 주사기 플랫폼, (V) 주사기 클램프, (VI) 주사기 플런저 남성 커넥터 및 (VII) 주사기 플런저 암 커넥터. 각 구성 요소에 대 한 로마 숫자 그림 2A에서 불린다. 어셈블리에 대 한 기계 부품의 상세 목록 테이블의 자료에서 발견 된다.
2. 주사기 펌프 조립 (그림 2)
   1. 스테퍼 모터를 세트 나사와 모터 축 z 축 유연한 커플러를 사용 하 여 스레드 로드를 고정 시킵니다. 계속 하기 전에 확인 하십시오 회전 스테퍼 모터 샤프트 드라이브 미끄럼 없이 스레드 로드를.
   2. 모터 커넥터 위에 짝짓기 구멍으로 주사기 플랫폼의 연결 못을 단단히 눌러 주사기 플랫폼 모터 커넥터에 연결 합니다.
   3. 모터 커넥터를 통해 16 m m 나사 4 개를 체결 하 여 단계 1.2.1 단계 1.2.2에서에서 부분 조립된 부품을 연결 합니다.
   4. 여행자 푸시의 하단에 있는 구멍에 두 개의 선형 볼 베어링 및 0.8 m m 육각 너트를 삽입 합니다.
   5. 스레드 로드 여행자 푸시에 0.8 m m 육각 너트를 통해 모터 커넥터에 맞춥니다.
   6. 여행자 푸시와 모터 커넥터를 통해 두 개의 선형 샤프트를 삽입 합니다.
   7. 모터 커넥터 조각 6 각형 공간에 2 개의 육각 너트를 배치 하 고 두 16 m m 나사를 사용 하 여 연결을 이동에서 선형 샤프트를 보호 강화 하.
   8. 끝 정지의 중간 개통에 볼 베어링을 삽입 합니다.
   9. 끝 정지 단계 1.2.7에서에서 조립된 구성 요소와 연결 합니다.
   10. 끝의 6 각형 공간에 장소 2 육각 너트 조각, 중지 하 고 두 16 m m 나사를 사용 하 여 어셈블리에 결국 중지 부착 하 연결을 강화.
   11. 여행자 푸시 조각 2 개의 강철 잠금 너트 및 16 m m 나사 2 개를 사용 하 여 주사기 플런저 암 커넥터 부분을 연결 합니다.
   12. 10 mL 주사기를 펌프 위에 놓습니다. 플런저의 머리에 주사기 플런저 암 커넥터의 노치에 정렬 되 고 주사기 배럴의 상단 모터 커넥터의 슬롯에 고정을 확인 합니다.
   13. 주사기 플런저 암 커넥터에 주사기 플런저 남성 커넥터 부분을 삽입 합니다. 꽉 맞는 남성과 여성의 구성 요소, 장소에 플런저를 확보 사이 인지 확인 합니다.
   14. 두 개의 16 진수 견과류와 주사기 배럴 주사기 클램프의 슬롯에 고정 되도록 두 35 m m 나사를 사용 하 여 주사기 플랫폼에 주사기 클램프를 연결 합니다.

2. 미세 장치 준비

1. 포토 리소 그래피를 사용 하 여 마스터 금형 제작
   참고: 설계 및 미세 장치 제조에 대 한 마스터 금형의 제작 절차 이전 문학¹²에서 찾을 수 있습니다.
   1. 기본 컴퓨터 지원 설계 (CAD) 소프트웨어를 사용 하는 포토 마스크에 대 한 필요한 도면 만들고 유리 또는 석 영 플레이트에 인쇄 합니다.
      참고: 기타 자료 수 있습니다 허용 마스크 aligner 사용의 요구 사항에 따라. 이러한 포토의 인쇄는 일반적으로 제 3 자 공급 업체에서 완료 됩니다.
   2. 포토 리소 그래피 방법을 사용 하는 포토 마스크에서 마스터 몰드를 만들. 청정 실 환경에서이 절차를 수행 합니다.
   3. 조작된 마스터 금형 진공 desiccator에서 fluorosilane 증기에 노출.
      참고:이 프로세스 용이입니다 (PDMS)의 릴리스 마스터 몰드에서 미세 장치를 조작 하는 경우. 마스터 금형 치료, 비 커에 fluorosilane의 3 방울을 추가 하 고 비 커 진공 챔버에 배치 합니다.
   4. 1 분 가까이 대 한 진공 진공 챔버를 적용 하지만 마스터 형 fluorosilane의 증 착에 대 한 허용 하도록 30 분 동안 챔버. 안전 예방 조치로 서 증기 두건 위험한 fluorosilane 증기에 노출 제한 하에서이 절차를 수행 합니다.
2. PDMS 장치 조작
   1. 무게 무게 보트에서 PDMS 사전 폴리머. 최종 PDMS 장치의 원하는 두께, 다를 수 있지만 사전 폴리머의 30 g은 마스터 직경에서 100 m m의 형.
   2. 측정 하 고 1시 10분에 경화 에이전트 추가 사전 폴리머에 비율. 직경에서 100 m m의 마스터 형, 3 세대는 경화제의 추가.
   3. 일회용 주걱을 사용 하 여 손으로 적극적으로 사전 폴리머와 경화 에이전트를 믹스. 30 후 정기적으로 솔루션에 공기 방울을 구분 하는 s, 작은, 있다 확인, 사전 폴리머를 나타내는 및 경화 에이전트는 잘 혼합.
   4. 문화 접시에 마스터 몰드를 놓고 신중 하 게 마스터 몰드 위에 PDMS 혼합물을 부 어.
      참고: PDMS 장치의 원하는 두께 응용 프로그램에 따라 달라질 수 있습니다.
   5. 1 시간 없는 거품 혼합물 내에서 관찰 가능 개체는 확인에 대 한 진공 desiccator에 섞어 드 현재 어떤 거품 경우 진공 압력 신속 하 게 놓고 진공 상태를 다시 적용 하십시오. 혼합물이이 절차 후 적어도 10 분 동안 앉아서 수 있습니다.
   6. 90 ° c.에 오븐을 PDMS 혼합물을 이동 30 분 동안 치료 혼합물을 허용 한다.
   7. PDMS 마스터 몰드에서 제거 합니다. PDMS 면도날을 사용 하 여 원하는 크기에 잘라. 오염 물질에 대 한 PDMS 노출을 제한 하는 장갑을 착용 한다.
   8. 23 G 분배 바늘으로 입구 및 출구 포트 구멍을 펀치. 이 과정을 촉진, 금속 파일 또는 무뚝뚝한 끝을 선명 하 게 샌드 페이퍼와 함께 바늘을 파일. PDMS의 첨부 터 실린더 모든 펑크 후 바늘에서 제거 됩니다 확인 하십시오.
      참고: 서로 다른 크기와 바늘 펀치 구멍에 대 한 사용할 수 있습니다. 크기는 약간이 프로토콜의 3 단계에서 사용 하는 바늘 보다 더 큰 확인 하십시오.
   9. PDMS 필터링 된 이온된 수로 세척 하 고 건조 PDMS 0.2 µ m 필터 장착 된 공기 또는 질소 소스를 사용 하 여.
      참고: 정확한 압력은 중요 한, 그리고이 단계에 대 한 잘 작동 하는 건물의 중앙 시스템에서 가압된 가스 소스.
   10. 계면 활성 제, 분말된 세제 등으로 제 1 붕 규 산 염 커버 유리 기판 청소 하 고 0.2 µ m 필터 장착 가압된 공기 소스를 사용 하 여 그것을 건조. 그것을 철저 하 게 청소 커버 유리 소수 성 윤활제로 입힌 종종 하 고는 제대로 청소 하지 않으면 PDMS에 바인딩할 수 없습니다.
   11. 가볍게 어떤 잔여 먼지를 제거 하는 PDMS를 터치 하는 압력에 민감한 테이프를 사용 하 여. 되도록 성형된 기능 손상 되지, 테이프에 많은 양의 힘으로 누르지 마십시오.
   12. PDMS 장치 놓고 청소기 1 분 확인 플라즈마 클리너 상공에서 컬러에 대 한 산소 플라즈마로 청소 커버 유리는 밝은 자홍색 과정. PDMS 장치는 노출, 얼굴 위로, 플라즈마 성형된 기능 청소기 다는 것을 확인 하십시오.
   13. PDMS와 청소기 플라즈마에서 커버 유리 하 고 덮개 유리, 얼굴-다운, PDMS 장치에 놓습니다.
       참고:이 커버 유리와 거의 즉시 본드 PDMS 발생할 것입니다. 바인딩 표시 되지 않는 경우에, 부드럽게 덮개 유리 성형된 기능 없는 PDMS의 섹션에서 PDMS 누릅니다. 이 PDMS와 커버 글라스 사이에 긴밀 한 유대로 인해 한다.
   14. 적어도 12 h는 PDMS를 보장 하기 위한 90 ° c 오븐에서 PDMS 장치를 넣고 커버 유리는 잘 보 세.

3. 피드백 제어 주사기 펌프 시스템 어셈블리

1. 와이어 절연 및 차폐 면도칼을 사용 하 여 압력 센서의 전기 케이블에서의 길이의 적절 한 금액을 제거 합니다. 수 선을 원하는 길이로 위에 손상 되지 보장 하기 위해 절단 될 때 부드러운. 절연 및 차폐 제거 되 면, 남성 사각 커넥터에 와이어를 연결 합니다.
2. 이전 단계에 대 한 유사한 접근을 사용 하 여 스테퍼 모터의 리드에서 와이어 절연의 1-2 cm를 제거 하 고 남성 사각 커넥터에 와이어를 연결.
3. 압력 센서의 입구 쪽에 주사기 부착 압력 센서의 출구 쪽에 22 G 분배 바늘을 연결 합니다.
4. 22 G 분배 바늘 압력 센서에 연결 된 동안 0.51 cm 직경 튜브의 한쪽 끝을 밀어.
5. 미세 장치에 연결 될 수 있는 22 G 분배 바늘에 0.51 cm 직경 튜브의 다른 쪽 끝을 밀어. 미세 소자의 입구 포트에 바늘을 연결 합니다.
6. 22 G 바늘과 0.51 cm 직경 튜브, 유사한 입구 포트의 연결을 사용 하 여 폐기물 처리 저수지에 미세 소자의 출구 포트를 연결 합니다.
7. 그림 3의 다이어그램에 프로토타입 브레드보드에 전자 회로 조립 한다.
   참고:이 브레드보드 마이크로컨트롤러에 의해 모니터링할 압력 센서에서 신호를 조절 하는 역할. 다른 호환 마이크로컨트롤러 압력 센서 신호를 모니터링 하는 데 사용할 수 있습니다.
8. 스테퍼 모터 드라이버와 스테퍼 모터에서 와이어를 연결 합니다. 압력 센서 및 그림3에서 회로도 따라 브레드보드와 스테퍼 모터 드라이버에서 와이어를 연결 합니다. 압력 센서에서 노출된 전선은 색상으로 구분 하 고 다음과 같이 연결 한다: 레드 V +에 연결 해야 합니다, 블랙 V-에 연결 해야, 녹색 신호 +에 연결 해야 합니다 및 화이트 신호-에 연결 해야 합니다.
9. 브레드보드는 마이크로컨트롤러에 아날로그 입력 핀에서 출력 신호를 연결 합니다.
10. 스테퍼 모터 드라이버는 마이크로컨트롤러에 디지털 핀에서 로직 입력된 핀을 연결 합니다. 스테퍼 모터 드라이버에 단계 입력 표시 마이크로컨트롤러에 디지털 핀의 펄스 폭 변조 (PWM) 포트와 연결 되어 있는 ' ~' 기호.
11. 그림 3의 다이어그램에 따르면 브레드보드와 전원 공급 장치를 연결 합니다. 10 V 브레드보드와 스테퍼 모터 드라이버에 대 한 전원 공급 장치를 설정 합니다.

4. 압력 센서 교정

참고:이 문서에서 선택한 앰프에 따라, 이득을 계산 하는 수식을 G = 5 + (200 k/R_G) R_G = r 1과 G 증폭기 이득 =. 증폭기 이득 여기 약 606입니다. R1 사용 하는 저항을 변경 하 여이 값을 변경할 수 있습니다. 또한, 마이크로컨트롤러 보드의 로직 레벨 5 V 계측 10 V 구동으로 간단한 전압 분배자 회로, R2 및 R3, 더 이상 5 V 출력 신호를 보호 하는 데 사용 됩니다.

1. 다운로드 및 설치는 마이크로컨트롤러에 대 한 적절 한 통합된 개발 환경 (IDE).
2. 보조 파일에서 ' Pressure_Sensing.ino' 라는 컨트롤러 코드를 다운로드 합니다. 이 사용 하 여 코드 듀얼 압력 센서 로부터 압력 신호를 획득 하는 것입니다.
   참고:이 문서에 사용 된 마이크로컨트롤러와 컨트롤러 코드 마다 200 ms 스테퍼 모터 작용 압력 센서에서 아날로그 신호를 읽고는 10 비트 분해능 아날로그 입력된 핀을 포함. AnalogRead()의 브래킷에 있는 번호는 그림 3에서 압력 센서 회로에서 전압 분배자 회로에서 출력 신호에 연결 하는 아날로그 입력된 핀에 해당 합니다. 지연 변수에서 간격을 나타내는 신호를 다시 평가 하 고 출력 ms에 따라서.
3. 출장 콘센트와 함께 센서의 입구를 알려진된 압력을 적용 하 고 결과 출력 신호를 측정.
   참고: 압력 센서를 보정 하는 간단한 방법을 다양 한 높이에서 개최 하는 물으로 저수지를 사용 합니다. 검색 결과 중력 압력 압력 센서를 보정 하는 수 있게 됩니다.
4. X 축과 y-절편의 숫자 값을 y 축에 압력 신호 (V)에 교정 압력 적용 (Pa) 다이어그램을 플롯 합니다.
5. 추가 파일, 피드백 제어 시스템에 압력 값을 보정 하는 'Dual_Pump_PID_Control.ino' 코드에서 sensor1Offset 및 sensor2Offset 변수 같은 컨트롤러 코드에서 숫자 값이 적용 됩니다.

5. 미세 장치에서 이미지를 캡처

1. 마이크로 트리거 압력 측정 마이크로컨트롤러에 의해 이동 하 여 캡처한 이미지를 마이크로컨트롤러 직렬 인터페이스를 통해 오픈 소스 단일 보드 컴퓨터에 연결 합니다.
2. 단일 보드 컴퓨터는 stereomicroscope에 대 한 눈 조각 중 하나를 만든 카메라 모듈을 연결 합니다. 여기, 20 배 확대 미세 장치 이미지에 사용 됩니다.

6. 주사기 압력 펌프 제어

1. 오픈 소스 마이크로컨트롤러에 대 한 IDE를 엽니다. 마이크로컨트롤러의 IDE 라이브러리 디렉토리에 Timer.h¹³ 및 AccelStepper.h¹⁴ 라이브러리를 다운로드.
2. 보조 파일에서 ' Dual_Pump_PID_Control.ino' 라는 컨트롤러 코드를 다운로드 합니다. 이 코드는 두 개의 펌프와 피드백 제어 주사기 펌프 시스템을 제어 하는 데 사용 됩니다.
3. 실시 되는 실험 맞도록 컨트롤러 코드를 프로그램. 컨트롤 매개 변수 또는 원하는 응답과 실험의 기간에 맞게 타이밍 매개 변수를 수정 합니다. 컴파일하고 마이크로컨트롤러에 실험을 실행 하기 전에 코드를 업로드 합니다.
   참고: 컨트롤러 코드에서 setPoint1/2 값은 사용 압력 레벨을 변경 하 고 stepper1/2Out 값 펌프 속도 조정 하는 데 사용 됩니다. AccelStepper stepper1/2 열에서 마지막 두 값은 마이크로컨트롤러에 포트 번호에 해당합니다. MilliTiming 변수 압력 센서 로부터 아날로그 신호를 읽고의 주파수를 결정 하 고 printTiming 변수 지시 속도 및 압력 값 검사에 대 한 직렬 모니터 출력의 주파수. 모든 단위는에 양 maxError 변수 마이크로컨트롤러 보드의 논리 수준에서 결정 됩니다. 값 5는 여기이 프로토콜에서 마이크로컨트롤러는 5 V.
4. 주사기 펌프 시스템에 대 한 전원 공급 장치를 켭니다. 스테퍼 모터 전원 공급 장치에 대 한 10 V 전압을 설정 합니다.

7. 튜닝 PID 컨트롤러 매개 변수

참고: 이상적인 컨트롤러 매개 변수 값은 응용 프로그램 및 미세 장치 형상에 따라 달라질 수 있습니다. 예를 들어 대 한 장기 연구 (시간), 낮은 비례 상수 (Kp) 슛 응답 시간 비용을 최소화 하는 것이 좋습니다 있을 수 있습니다. 이러한 장단점 실험 조건 및 목표에 따라 달라 집니다.

1. 첫 번째 조정 비례 상수 (Kp) 단계 함수의 응답 시간을 개선 하 여 수동 접근을 사용 하 여 컨트롤러를 조정 합니다.
   참고: 비록 알고리즘 접근 수 사용된, 수동 튜닝 미세 응용 프로그램에 대 한 작품에에서 표시이 종이.
2. 다음, 적분 (기)와 오버 슛을 최소화 하 고 세트 포인트 안정성을 보장 하는 차동 (Kd) 매개 변수를 변경 합니다.
3. 추가 파일의 컨트롤러 코드에서 Kp, Ki, Kd 변수에 대 한 PID 값을 설정 합니다.

결과

여기, 선물이 프로토콜 피드백 제어 주사기의 건설에 대 한 펌프 시스템 미세 응용 프로그램에 대 한 그것의 잠재적인 사용을 보여 줍니다. 그림 1 주사기 펌프, 압력 센서, 미세 장치, 마이크로컨트롤러, 압력 센서 회로, 스테퍼 모터 드라이버의 연결 된 시스템을 보여 줍니다. 주사기 펌프 어셈블리에 대 한 자세한 콜아웃을 그림 2 에 표시 되 고 압력 감지 전자 회로도 그림 3에 표시 됩니다. 제어 매개 변수를 조정 하는 과정은 그림 4에 표시 됩니다. 마지막으로, 두 입구 Y 모양의 미세 장치에 입구 압력 제어의 대표적인 결과 그림 5에 표시 됩니다.

토론

여기, 우리는 폐쇄 루프 압력 제어와 주사기 펌프 시스템에 대 한 새로운 디자인을 제시. 이 압 저항 압력 센서와 오픈-소스 마이크로컨트롤러 3D 인쇄 주사기 펌프를 통합 하 여 달성 되었다. PID 컨트롤러를 사용 하 여 정확 하 게 입구 압력을 제어 하 고 동시에 세트 포인트에 대 한 안정성을 유지 하면서 빠른 응답 시간을 제공할 수 있었습니다.

미세 소자를 사용 하 여 많은 실험 정밀 유체 제어를 필요로 하 고 잘 특징이 층 유량 프로 파일을 악용. 안정 된 유량 프로 파일은 중요 한 시간적 및 공간 농도 기울기¹⁵ 를 탐구 하 고 더 분석¹⁶. 에 대 한 정밀 유체 보호구를 생성 하는 실험 등 고성능 응답을 유지 하기 위해 PID 컨트롤러를 사용 하 여이 프로토콜에서 설명 하는 시스템 흐름 규제 및 장기 안정성 같은 층 류 실험을 연구 하는 데 필요한 생산....

재료

이 논문에 사용된 재료 목록

이름	회사	카탈로그 번호	댓글
Arduino IDE	Arduino.org		Arduino Uno R3 제어 소프트웨어
헤더 커넥터, 2	Digi-Key	WM4000-ND
헤더 커넥터, 3	Digi-Key	WM4001-ND
헤더 커넥터, 4	Digi-Key	WM4002-ND
훅업 와이어, 22게이지, 검은색	Digi-Key	1528-1752-ND
훅업 와이어, 22게이지, 파란색	Digi-Key	1528-1757-ND
훅업 와이어, 22게이지, 빨간색	Digi-Key	1528-1750-ND
훅업 와이어, 22게이지, 흰색	Digi-Key	1528-1768-ND
훅업 와이어, 22게이지, 노란색	Digi-Key	1528-1751-ND
계측 증폭기	Texas Instruments	INA122P
마이크로 컨트롤러, Arduino Uno R3	Arduino.org	A000066
미니 브레드 기판	Amazon	B01IMS0II0
전원 공급 장치	BK Precision	1550
압력 센서	PendoTech	PRESS-S-000
직사각형 커넥터, 하우징	Digi-Key	WM2802-ND
직사각형 커넥터, 남성	Digi-Key	WM2565CT-ND
저항기, 10k 옴	Digi-Key	1135-1174-1-ND
저항기, 330 옴	Digi-Key	330ADCT-ND
스테퍼 모터 드라이버, EasyDriver	Digi-Key	1568-1108-ND
USB 2.0 케이블, A-Male to B-Male	Amazon	PC045
3D 프린트 재료, Z-ABS	Zortrax		다양한 색상이 사용 가능합니다
3D 프린터	Zortrax	M200	주사기 펌프 구성 요소를 인쇄합니다.
Ball Bearing, 17x6x6mm	Amazon	B008X18NWK
Hex Machine Screws, M3x16mm	아마존	B00W97MTII
헥스 머신 스크류, M3x35mm	아마존	B00W97N2UW
육각 너트, M3 0.5	아마존	B012U6PKMO
헥스 너트, M5	아마존	B012T3C8YQ
선반 라운드 로드	아마존	B00AUB73HW
선형 볼 베어링	아마존	B01IDKG1WO
리니어 플렉시블 커플러	아마존	B010MZ8SQU
스틸 로크 너트, M3 0.5	아마존	B000NBKLOQ
스테퍼 모터, NEMA-17, 1.8o/step	Digi-Key	1568-1105-ND
주사기, 10mL, Luer-Lok 팁	BD	309604
나사산 막대	아마존	B01MA5XREY
1H, 1H, 2H, 2H-Perfluorooctyltrichlorosilane	FisherScientific	AAL1660609
카메라 모듈	라즈베리 파이 재단	V2
소형 오븐	FisherScientific	PR305220G	베이킹 PDMS 프리 폴리머 혼합물 및 장치
디스펜싱 바늘, 22 게이지	McMaster-Carr	75165A682
디스펜싱 니들, 23 게이지	McMaster-Carr	75165A684
Fisherbrand 프리미엄 커버 안경	FisherScientific	12-548-5C
유리 문화 페트리 접시, 130x25mm	American Educational Products	7-1500-5
플라즈마 클리너	Harrick Plasma	PDC-32G	PDMS 장치로 커버 유리를 바인딩
Razor Blades	FisherScientific	7071A141
스카치 매직 테이프	아마존	B00RB1YAL6
싱글 보드 컴퓨터	라즈베리 파이 재단	라즈베리 파이 2 모델 B
스마트 주걱	FisherScientific	EW-06265-12
실가드 184 실리콘 엘라스토머 키트	FisherScientific	NC9644388
주사기 필터	Thermo Scientific	7252520
타이곤 튜빙	ColeParmer	EW-06419-01
진공 건조기	FisherScientific	08-594-15C	마스터 몰드의 PDMS 프리폴리머 혼합물 및 코팅 플루오로실란
탈기 계량 접시	FisherScientific	S67090A