Summary
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.
Abstract
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.
Introduction
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 분석1,2,,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.
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Protocol
1. 3D 인쇄 및 주사기 펌프
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준비 하 고 3D 인쇄는 펌프 부품
- 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. - 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.
- 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.
- 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. - 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.
- 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.
- 다운로드는. 이 문서의 추가 파일 에서 STL 디자인 파일입니다.
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주사기 펌프 조립 (그림 2)
- 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.
- 모터 커넥터 위에 짝짓기 구멍으로 주사기 플랫폼의 연결 못을 단단히 눌러 주사기 플랫폼 모터 커넥터에 연결 합니다.
- 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.
- 여행자 푸시의 하단에 있는 구멍에 두 개의 선형 볼 베어링 및 0.8 m m 육각 너트를 삽입 합니다.
- 스레드 로드 여행자 푸시에 0.8 m m 육각 너트를 통해 모터 커넥터에 맞춥니다.
- 여행자 푸시와 모터 커넥터를 통해 두 개의 선형 샤프트를 삽입 합니다.
- 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.
- 끝 정지의 중간 개통에 볼 베어링을 삽입 합니다.
- 끝 정지 단계 1.2.7에서에서 조립된 구성 요소와 연결 합니다.
- 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.
- 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.
- 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.
- 주사기 플런저 암 커넥터에 주사기 플런저 남성 커넥터 부분을 삽입 합니다. 꽉 맞는 남성과 여성의 구성 요소, 장소에 플런저를 확보 사이 인지 확인 합니다.
- 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
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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.- 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. - 포토 리소 그래피 방법을 사용 하는 포토 마스크에서 마스터 몰드를 만들. 청정 실 환경에서이 절차를 수행 합니다.
- 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. - 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.
- 기본 컴퓨터 지원 설계 (CAD) 소프트웨어를 사용 하는 포토 마스크에 대 한 필요한 도면 만들고 유리 또는 석 영 플레이트에 인쇄 합니다.
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PDMS 장치 조작
- 무게 무게 보트에서 PDMS 사전 폴리머. 최종 PDMS 장치의 원하는 두께, 다를 수 있지만 사전 폴리머의 30 g은 마스터 직경에서 100 m m의 형.
- 측정 하 고 1시 10분에 경화 에이전트 추가 사전 폴리머에 비율. 직경에서 100 m m의 마스터 형, 3 세대는 경화제의 추가.
- 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.
- 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. - 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.
- 90 ° c.에 오븐을 PDMS 혼합물을 이동 30 분 동안 치료 혼합물을 허용 한다.
- PDMS 마스터 몰드에서 제거 합니다. PDMS 면도날을 사용 하 여 원하는 크기에 잘라. 오염 물질에 대 한 PDMS 노출을 제한 하는 장갑을 착용 한다.
- 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. - 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. - 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.
- 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.
- 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.
- 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. - 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
- 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.
- 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.
- 압력 센서의 입구 쪽에 주사기 부착 압력 센서의 출구 쪽에 22 G 분배 바늘을 연결 합니다.
- 22 G 분배 바늘 압력 센서에 연결 된 동안 0.51 cm 직경 튜브의 한쪽 끝을 밀어.
- 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.
- 22 G 바늘과 0.51 cm 직경 튜브, 유사한 입구 포트의 연결을 사용 하 여 폐기물 처리 저수지에 미세 소자의 출구 포트를 연결 합니다.
- 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. - 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.
- 브레드보드는 마이크로컨트롤러에 아날로그 입력 핀에서 출력 신호를 연결 합니다.
- 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.
- 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/RG) RG = 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.
- 다운로드 및 설치는 마이크로컨트롤러에 대 한 적절 한 통합된 개발 환경 (IDE).
- 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. - 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. - X 축과 y-절편의 숫자 값을 y 축에 압력 신호 (V)에 교정 압력 적용 (Pa) 다이어그램을 플롯 합니다.
- 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
- 마이크로 트리거 압력 측정 마이크로컨트롤러에 의해 이동 하 여 캡처한 이미지를 마이크로컨트롤러 직렬 인터페이스를 통해 오픈 소스 단일 보드 컴퓨터에 연결 합니다.
- 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
- 오픈 소스 마이크로컨트롤러에 대 한 IDE를 엽니다. 마이크로컨트롤러의 IDE 라이브러리 디렉토리에 Timer.h13 및 AccelStepper.h14 라이브러리를 다운로드.
- 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.
- 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. - 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.
- 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. - 다음, 적분 (기)와 오버 슛을 최소화 하 고 세트 포인트 안정성을 보장 하는 차동 (Kd) 매개 변수를 변경 합니다.
- 추가 파일의 컨트롤러 코드에서 Kp, Ki, Kd 변수에 대 한 PID 값을 설정 합니다.
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Representative Results
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.
그림 1: 피드백 제어 주사기 펌프 시스템의 설치. 이 이미지는 주사기 펌프 시스템의 설정을 보여 줍니다. 주사기 주입에 대 한 솔루션을 포함 하 고 3D 인쇄 주사기 펌프에 의해 작동. 대답 으로 압 저항 형 압력 센서 b 연결 주사기 펌프와 C 미세 장치, 압력 장치에서 탐지 하 고 디 를 전기 신호로 변환 계측 증폭기 한번 액체 압력 센서 회로 튜브를 통해 전달 됩니다. E 압력 센서에서 신호를 읽을 오픈 소스 마이크로컨트롤러 보드는 다음 f. 필요한 신호를 전송 주사기 펌프의 작동을 제어 스테퍼 모터 드라이버. G. 전원 공급 장치 및 헤 노트북은 운영 시스템 프로그램 필요 합니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
그림 2: 3D 인쇄 주사기 펌프에 대 한 어셈블리 사진. 이 그림 1.2 프로토콜의 단계에서 절차에 해당 하는 사진과 함께 3D 인쇄 주사기 펌프 어셈블리에 대 한 단계별 지침을 보여 줍니다. A. 이 이미지는 주사기 펌프 어셈블리에 대 한 자료를 보여 줍니다. B. 이 이미지 스레드 로드 (단계 1.2.1)에 스테퍼 모터를 연결 하는 방법을 보여 줍니다. C. 이 이미지 어떻게 단계의 1.2.1 프로토콜의 부분에 연결 부분 프로토콜 (1.2.3 단계)의 단계 1.2.2에서에서 보여줍니다. D. 이 이미지는 여행자 푸시 조각 (1.2.5 단계)의 어셈블리를 보여 줍니다. E. 이 이미지 최종 중지를 연결 하는 방법을 보여 줍니다 (단계 1.2.10). F. 이 이미지 어떻게 주사기 플런저 암 커넥터 부분 조립된 부품 (1.2.11 단계)에 연결 되어 표시 됩니다. G. 이 이미지 조각의 주사기 플런저 남성 커넥터 (단계 1.2.13) 어셈블리를 보여 줍니다. H. 이 이미지 주사기 클램프를 연결 하는 방법을 보여 줍니다 (1.2.14 단계). 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
그림 3: 마이크로컨트롤러와 압력 센서 회로 대 한 그림. 회로 압력 센서의 신호 증폭 된 압력 측정 마이크로컨트롤러 보드를 수 있습니다. A. 이것은 회로 대 한 어셈블리 사진 이다. B. 이 그림 회로 보드 레이아웃을 보여 줍니다. 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. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
그림 4: 제어 매개 변수 튜닝. PID 컨트롤러 주사기 펌프 유체 압력을 조절 하는 데 사용 되는 비례 (Kp), 적분 (기), 및 차동 (Kd) 매개 변수를 수정 하 여 조정 될 수 있습니다. 여기, 우리가 어떻게 응답 시간을 줄이기 위해 도움이 될 것입니다 (Kp를 사용 하 여) 튜닝을 보여줍니다. 추가 튜닝 (를 사용 하 여 기 및 Kd) 설정치 안정성을 보장 하 고 슛을 줄이기 위해 도울 수 있다. 이 프로토콜에서 컨트롤러는 주로 수동 재판 및 오류 접근을 사용 하 여 조정 된. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
그림 5: 층 류 미세 장치에 대 한 입구 압력의 제어. Y 자 모양의 미세 장치가이 프로토콜의 2 단계에 자세히 설명 하는 절차에 따라 조작 이다. 장치는 2 개의 입구 포트와 1 개의 출구 포트를 갖추고 있습니다. 2 주사기 펌프 시스템 입구 압력 제어 조립 된다. 하나는 주사기의 파란색 염료와 로드 되 고 다른 물으로 로드 됩니다. A. 두 펌프에 의해 제공 하는 동일한 압력에서 발생 하는 유체 흐름의 이러한 이미지가이 프로토콜의 6 단계에서 자세한 방법을 사용 하 여 캡처됩니다. B. 이 그림 입구 압력 모니터링 방법과 그림 4에서 조정 된 PID 컨트롤러를 사용 하 여 제어를 보여 줍니다. 세트 포인트에 가까운 준수를 관찰할 수 있습니다. 짧은 (s) 및 더 긴 (h) 실험은 유사한 결과 설명 했다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
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Discussion
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.
그러나, 그것은 미세 장치 및 그들을 포함 하는 실험 미묘한 변화와 차이점을 인식 하는 것이 중요입니다. 예를 들어, 다른 미세 형상 (채널 폭과 높이) 다른 흐름 프로필 할 거 수 있습니다. 그 결과, PID 컨트롤러에 대 한 매개 변수를 적절 하 게 조정 해야 합니다. 또한, 일부 실험 압력 범위 꽉 규제를 해야 합니다. 이러한 경우에는, 압력 슛 허용 않을 수 있습니다. 따라서, PID 제어 매개 변수 오버 슛, 응답 시간을 희생 해 서 일반적으로 최소화 되도록 조정 해야 합니다.
때문에이 주사기 펌프 시스템의 저가 생산 연구원 미세 실험을 신속히 개발할 수 있어야 합니다. 3D 인쇄 주사기 펌프, 마이크로컨트롤러, 및 압력 센서 회로 대 한 예상된 비용 약 미국 $130입니다. 상업적으로 이용 가능한 대안, 달리와 같은 연동 재순환 펌프,이 주사기 펌프 시스템은 다양 한 실험실 사용에 적응 될 수 있는 유연 하 고 간단한 플랫폼을 제공 합니다. 비록 여기 다루지, 뱅 뱅 컨트롤러 등 간단 하 게 제어 전략, 장기 미세 연구에 대 한 사용할 수 있습니다. 또한, 주사기 펌프 시스템 제어 볼륨에 진공 압력을 적용할 사용할 수 있습니다.
PID 컨트롤러를 사용 하 여이 주사기 펌프 시스템의 한 가지 잠재적인 한계는 일정 한 전원 공급 장치에 대 한 의존도. PID 제어 방법 스테퍼 모터의 상수 energization 필요 합니다, 때문에 비교적 큰 전력 요구 사항이입니다. 반면, 뱅 뱅 컨트롤러는만 실질적으로 적은 전력을 사용 하 여 필요한 경우 스테퍼 모터 활력. 이 전원 요구 사항은 처음 세트 포인트 범위를 도달 하는 PID 컨트롤러를 구현 하 고 다음 드 활력 스테퍼 모터 코일 압력 값이 주어진된 설정 포인트 범위 내에서 일단 하이브리드 제어 구조를 개발 하 여 완화 될 수 있습니다. 또는, 간단한 뱅 뱅 컨트롤러 뿐만 아니라 사용할 수 있습니다.
또한,이 주사기 펌프 시스템 수 유연한 성능 및 제어 스테퍼 모터와 자체 주사기의 크기를 변경 하 여. 이전 실험에서 1 mL, 5 mL, 10 mL, 및 30 mL 주사기를 사용 했습니다. 물론, 각 주사기 펌프 약간 다른 PID 컨트롤러 매개 변수를 할 거 수 있습니다 하 고, 따라서, 필요 개별된 매개 변수 튜닝. 그러나, 이러한 유연성 주사기 펌프 시스템을 응용 프로그램의 범위에서 사용 될이 프로토콜에 설명 되어 있습니다.
Microdevice 실패의 공통 영역 효과적으로 커버 유리를 PDMS를 접착 하는 무 능력은 주목 한다. 미세 소자 제작에 대 한 바인딩이 유효 하지 않으면 플라즈마 청소기의 파워를 최적화 합니다. 또한, 어떤 윤활제 또는 커버 유리의 표면에 불순물은 PDMS와 가진 강한 유대를 위해 결합 전에 제거 되어야 합니다. 철저 하 게 세척 및 PDMS 구성 요소에서 모든 먼지를 제거는 PDMS와 유리 사이 좋은 물개를 형성 되도록 도와 야 한다.
여기 저가, 피드백 제어 주사기 펌프 시스템 연구원을 유연한 방식으로 안정성의 높은 학위를 가진 액체 프로 파일을 조작할 수 있습니다. 단순한 PID 제어 방법으로 압력 감지 모듈을 통합 하 여 시스템은 높은-성능 압력 기반 흐름 제어를 제공 수 있습니다. 이 도구는 마이크로 도구 사용에는 많은 연구 분야에 걸쳐 광범위 하 게 적용할 수 있습니다.
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Disclosures
저자는 공개 없다.
Acknowledgments
저자는 해군 연구 사무실에서에서 지원 N00014-17-12306 및 N00014-15-1-2502, 수상으로 과학적인 연구의 공군 사무실에서 수상 FA9550-13-1-0108 국립 과학 재단 보조금 번호 1709238을 인정 합니다.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Arduino IDE | Arduino.org | Arduino Uno R3 control software | |
| Header Connector, 2 Positions | Digi-Key | WM4000-ND | |
| Header Connector, 3 Positions | Digi-Key | WM4001-ND | |
| Header Connector, 4 Positions | Digi-Key | WM4002-ND | |
| Hook-up Wire, 22 Gauge, Black | Digi-Key | 1528-1752-ND | |
| Hook-up Wire, 22 Gauge, Blue | Digi-Key | 1528-1757-ND | |
| Hook-up Wire, 22 Gauge, Red | Digi-Key | 1528-1750-ND | |
| Hook-up Wire, 22 Gauge, White | Digi-Key | 1528-1768-ND | |
| Hook-up Wire, 22 Gauge, Yellow | Digi-Key | 1528-1751-ND | |
| Instrumentation Amplifier | Texas Instruments | INA122P | |
| Microcontroller, Arduino Uno R3 | Arduino.org | A000066 | |
| Mini Breadboard | Amazon | B01IMS0II0 | |
| Power Supply | BK Precision | 1550 | |
| Pressure Sensor | PendoTech | PRESS-S-000 | |
| Rectangular Connectors, Housings | Digi-Key | WM2802-ND | |
| Rectangular Connectors, Male | Digi-Key | WM2565CT-ND | |
| Resistors, 10k Ohm | Digi-Key | 1135-1174-1-ND | |
| Resistors, 330 Ohm | Digi-Key | 330ADCT-ND | |
| Stepper Motor Driver, EasyDriver | Digi-Key | 1568-1108-ND | |
| USB 2.0 Cable, A-Male to B-Male | Amazon | PC045 | |
| 3D Printed Material, Z-ABS | Zortrax | A variety of colors are available | |
| 3D Printer | Zortrax | M200 | Printing out the syringe pump components |
| Ball Bearing, 17x6x6mm | Amazon | B008X18NWK | |
| Hex Machine Screws, M3x16mm | Amazon | B00W97MTII | |
| Hex Machine Screws, M3x35mm | Amazon | B00W97N2UW | |
| Hex Nut, M3 0.5 | Amazon | B012U6PKMO | |
| Hex Nut, M5 | Amazon | B012T3C8YQ | |
| Lathe Round Rod | Amazon | B00AUB73HW | |
| Linear Ball Bearing | Amazon | B01IDKG1WO | |
| Linear Flexible Coupler | Amazon | B010MZ8SQU | |
| Steel Lock Nut, M3 0.5 | Amazon | B000NBKLOQ | |
| Stepper Motor, NEMA-17, 1.8o/step | Digi-Key | 1568-1105-ND | |
| Syringe, 10mL, Luer-Lok Tip | BD | 309604 | |
| Threaded Rod | Amazon | B01MA5XREY | |
| 1H,1H,2H,2H-Perfluorooctyltrichlorosilane | FisherScientific | AAL1660609 | |
| Camera Module | Raspberry Pi Foundation | V2 | |
| Compact Oven | FisherScientific | PR305220G | Baking PDMS pre-polymer mixture and the device |
| Dispensing Needle, 22 Gauge | McMaster-Carr | 75165A682 | |
| Dispensing Needle, 23 Gauge | McMaster-Carr | 75165A684 | |
| Fisherbrand Premium Cover Glasses | FisherScientific | 12-548-5C | |
| Glass Culture Petri Dish, 130x25mm | American Educational Products | 7-1500-5 | |
| Plasma Cleaner | Harrick Plasma | PDC-32G | Binding the cover glass with the PDMS device |
| Razor Blades | FisherScientific | 7071A141 | |
| Scotch Magic Tape | Amazon | B00RB1YAL6 | |
| Single-board Computer | Raspberry Pi Foundation | Raspberry Pi 2 model B | |
| Smart Spatula | FisherScientific | EW-06265-12 | |
| Sylgard 184 Silicone Elastomer Kit | FisherScientific | NC9644388 | |
| Syringe Filters | Thermo Scientific | 7252520 | |
| Tygon Tubing | ColeParmer | EW-06419-01 | |
| Vacuum Desiccator | FisherScientific | 08-594-15C | Degasing PDMS pre-polymer mixture and coating fluorosilane on the master mold |
| Weighing Dishes | FisherScientific | S67090A |
References
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