תלת מימדי הדפסה של חומרים תרמופלסטיים כדי ליצור אוטומטית משאבות מזרק עם בקרת משוב עבור יישומים Microfluidic

Summary

כאן אנו מציגים פרוטוקול לבנות משאבת מזרק לחץ מבוקר כדי לשמש microfluidic יישומים. זו משאבת מזרק עשוי גוף מתוצרת additively, בחומרה הניתנת לרכישה, אלקטרוניקה פתוח. מערכת המתקבלת היא בעלות נמוכה, פשוט לבנות, ומספק זרימת נוזל מוסדרים היטב כדי לאפשר מחקר microfluidic מהירה.

Abstract

מיקרופלואידיקה הפך כלי קריטי במחקר על פני ביולוגית, כימית, מדעים פיסיקליים. מרכיב חשוב אחד של ניסויים microfluidic הוא נוזל יציב טיפול המערכת מסוגל לספק באופן מדויק של כניסת קצב הזרימה או כניסת הלחץ. . הנה, פיתחנו מערכת משאבת מזרק היכולים לשלוט ומסר לווסת את כניסת הנוזלים הלחץ למכשיר microfluidic. מערכת זו תוכננה באמצעות חומרים נמוכים ועקרונות הייצור מוספים, מינוף תלת מימדי (3D) הדפסת חומרים תרמופלסטיים, רכיבי מדף במידת האפשר. מערכת זו מורכבת שלושה מרכיבים מרכזיים: מזרק משאבה מתמר לחץ, של מיקרו לתכנות. בתוך המאמר, אנחנו פירוט ערכה של פרוטוקולים בדיית, הרכבה של תכנות המערכת משאבת מזרק. יתר על כן, כללנו התוצאות נציג להפגין אמינות גבוהה, משוב שליטה על כניסת הלחץ באמצעות מערכת זו. אנו מצפים פרוטוקול זה יאפשר לחוקרים לפברק מערכות משאבת מזרק נמוכים, הנמכת המכשול ערך עבור השימוש מיקרופלואידיקה ב כימיה ביו, ולאחר מחקר בנושא החומרים.

Introduction

Microfluidic כלי שימושי עבור המדענים במחקר ביולוגי וכימי. ניצול בנפח נמוך, יכולות מדידה מהירה וכתוצאה הזרימה מוגדרים היטב פרופילים, מיקרופלואידיקה צברה אחיזה גנומית, מחקר פרוטיאומיה מבנית ההקרנה תפוקה גבוהה, אבחון רפואי, ננוטכנולוגיה, תא בודד ניתוח^1,2,3,4. יתר על כן, הגמישות של עיצוב המכשיר microfluidic מאפשר בקלות מחקר מדעי בסיסי, כגון חוקרים את הדינמיקה ייתכן של מושבות חיידקים בתרבית⁵.

סוגים רבים של מערכות הזרקת נוזל פותחו למסור במדויק זרימה למכשירים microfluidic. דוגמאות של מערכות הזרקה כאלה כוללים סחרור, משאבות recirculation⁶, מערכות לחץ-קונטרולר⁷ו משאבות מזרק⁸. אלו מערכות הזרקה, כולל משאבות מזרק, מורכבים לעיתים קרובות רכיבים יקרים דיוק מהונדסים. משלים את המערכות האלה עם לולאה סגורה משוב שליטה בלחץ הזרם פלט של מוסיף לעלות של מערכות אלו. בתגובה, קודם לכן פיתחנו מערכת משאבת מזרק חזקות, בעלות נמוכה המשתמשת בקרת לולאה סגורה משוב כדי לווסת את לחץ זרימת outputted. באמצעות בקרת לולאה סגורה לחץ, הצורך רכיבים יקרים דיוק מהונדסים הוא והפרתה⁹.

השילוב של חומרה 3D-הדפסה במחיר סביר, גידול ניכר בתוכנת קוד פתוח המשויך הפך את עיצוב, ייצור של microfluidic התקנים נגיש יותר ויותר חוקרים ממגוון רחב של דיסציפלינות¹⁰. עם זאת, המערכות נהגה נוזל נסיעה דרך מכשירים אלו נשארים יקר. כדי לטפל צורך זה עבור מערכת בקרת נוזלים נמוכים, פיתחנו לעיצוב יכול להיות מפוברק על ידי חוקרים במעבדה, המחייב רק מספר קטן של מכלול צעדים. למרות הרכבה שלה נמוכים וישירה, מערכת זו מספקים בקרת זרימה מדויק ומספק אלטרנטיבה למערכות משאבת מזרק זמינים מסחרית, לולאה סגורה, אשר ניתן לחדשו.

כאן, אנו מספקים פרוטוקולים בנייה ושימוש לולאה סגורה מבוקר מזרק משאבה המערכת שפיתחנו (איור 1). הנוזל טיפול מערכת מורכבת של משאבת מזרק הפיזי בהשראת המחקר הקודם של¹¹של מיקרו-בקר, חיישן לחץ piezoresistive. כאשר התאספו מתוכנת עם בקר (PID) פרופורציונלי-אינטגרל-נגזרת, המערכת היא מסוגלת לגרום זרימה מוסדר היטב, מונחה לחץ למכשירים microfluidic. זה מספק חלופה בעלות נמוכה וגמיש מוצרים מסחריים עלות גבוהה, הפעלת קבוצה רחבה יותר של החוקרים להשתמש מיקרופלואידיקה בעבודתם.

Protocol

1. מימד להדפסה והרכבה של משאבת מזרק

1. להכין, 3D-הדפסה המזרק משאבה רכיבים
   1. להוריד. STL עיצוב קבצים מתוך קבצי משלימה הנייר הזה.
      הערה: יש שש. קבצים STL, שכותרתו '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', ו ' JoVE_Syringe_Pump_Traveler_ Push.stl', משלימה קבצים. קבצים אלה תואמים הרכיבים מודפס 3D של המשאבה מזרק.
   2. להכין קבצים אלה להדפסה על-ידי פתיחתן בחבילת תוכנה מוקדש ההמרה של. STL דגם קבצים לסטים הוראות הפעלה של המדפסת-3D בשימוש. ודא כי התוכנה הנכונה משמש כמו מדפסות מסוימות ידרשו תוכנה קניינית, ואילו אחרים עשויים להיות מסוגלים להדפיס ישירות. קובץ STL.
   3. הדפס רכיבי פלסטיק באמצעות styrene טבעי בוטאדיאן (ABS) עם הגדרת מדפסות תלת-ממד באיכות גבוהה. אם חומרים נפוצים אחרים הדפסת תלת-ממד נמצאים בשימוש, כגון חומצה polylactic (PLA) או אחרים אלסטומרים תרמופלסטיים, ודא כי תכונות מכאניות סיים (למשל, גמישות, היפותזות חוזק) הם המקבילה ABS.
   4. לנתק את החלקים המודפס של פלטפורמת ההדפסה של 3D-המדפסת. הסר את מבנה התמיכה מודפסים החלקים המוגמר.
      הערה: המבנה התומך הוא תוכנן על ידי התוכנה המיוחדות למדפסת להשתמש כדי להמיר. לקבצים STL, מודל ההוראה הפעלה להגדיר עבור תלת-ממד-המדפסת. הסכום של המבנה של החומר תמיכה עשויות להשתנות בהתבסס על התוכנה ששימשה.
   5. להחליק את הרכיבים המודפס על-ידי מלטש מכל קצוות באמצעות נייר זכוכית. לקבלת תוצאות מיטביות, השתמש בנייר זכוכית עם חצץ בגודל של 220. ודא שכל הרכיבים פועלים חלקה לפני הרכבת.
   6. ודא כי כל חלקי שבע הודפסה.
      הערה: חלקים אלה קיבלו את שמם הבאים: (I) מחבר מנוע, (II) הנוסע, (III) סוף להפסיק, פלטפורמה מזרק (IV), קלאמפ מזרק (V), (VI) מזרק הבוכנה מחבר זכר וטעינה (VII) מזרק הבוכנה מחבר הנקבה. הספרה הרומית עבור כל אחד מהרכיבים נקראת איור2 א. רשימה מפורטת של החלקים להרכבת נמצא על השולחן של חומרים.
2. להרכיב את משאבת מזרק (איור 2)
   1. הדקי המנוע stepper אל מוט הברגה באמצעות מוט מנוע מצמד גמיש ציר z עם ערכת ברגים. לפני שתמשיך, ודא כי סיבוב הכוננים המנוע פיר stepper את רוד משורשרות ללא החלקה.
   2. להתחבר פלטפורמת מזרק המחבר מנוע בהקשת בחוזקה יתדות חיבור של הפלטפורמה מזרק לתוך החורים ההזדווגות על המחבר מוטוריים.
   3. לצרף את החלק שהורכב בשלב 1.2.1 עם החלק בשלב 1.2.2 מאת והידק את ארבעת הברגים 16 מ מ דרך המחבר מוטוריים.
   4. להוסיף שני כדורים ליניארי, אגוז hex 0.8 מ מ לתוך הפתחים ממוקם בתחתית לדחוף את הנוסע.
   5. יישר את רוד משורשרות במחבר מוטוריים דרך האגוז hex 0.8 מ מ בלדחוף את הנוסע.
   6. הכנס את שני המוטות לינארית דרך לדחוף את הנוסע, המחבר מוטוריים.
   7. מקום שני אגוזים הקסדצימאלי ברווחים משושה של היצירה מחבר מנוע, ולאחר מכן להשתמש שני הברגים 16 מ מ להדק את החיבורים, אבטחת המוטות ליניארי לנוע.
   8. הכנס את מיסב כדורי לתוך הפתח האמצעי של התחנה הסופית.
   9. להתחבר התחנה הסופית עם הרכיבים שהורכב מ שלב 1.2.7.
   10. המקום אגוזים הקסדצימאלי שני ברווחים משושה של הסוף לעצור את היצירה, ולאחר מכן השתמש שני הברגים 16 מ מ להידוק הקשרים להצמיד התחנה הסופית לאסיפה.
   11. לצרף את החתיכה מחבר הנקבה משאבת מזרק היצירה לדחוף הנוסע באמצעות שני אגוזים נעל פלדה ושני הברגים 16 מ מ.
   12. במקום מזרק 10 מ"ל על המשאבה. ודא ראש הבוכנה מיושר לתוך החריץ של היצירה מחבר הנקבה משאבת מזרק העליון של החבית המזרק הוא קבוע לתוך החריץ של המחבר מוטוריים.
   13. הכנס מזרק הבוכנה זכר מחבר היצירה למחבר נקבה משאבת מזרק. ודא כי יש התאמה. הדוקה בין הרכיבים זכר ונקבה, אבטחת הבוכנה במקום.
   14. לחבר את המלחציים מזרק פלטפורמת מזרק באמצעות שני אגוזים הקסדצימאלי שני הברגים 35 מ מ, הבטחת שהחבית המזרק הוא קבוע לתוך החריץ של המלחציים מזרק.

2. Microfluidic התקן הכנה

1. לפברק בתבניות בסיס באמצעות פוטוליתוגרפיה
   הערה: נוהל המפרט את עיצוב, ייצור של מאסטר ליציקות ייצור המכשיר microfluidic ניתן למצוא ספרות הקודם¹².
   1. שימוש בתוכנה תכנון המועדפת בעזרת מחשב (CAD), ליצור את השרטוטים הדרושים ל- photomask ולהדפיס אותו על צלחת זכוכית או קוורץ.
      הערה: חומרים אחרים עשוי להיות מקובל על פי דרישות של aligner המסכה בשימוש. ההדפסה של אלה photomasks הושלמה בדרך כלל על-ידי ספק חיצוני.
   2. להשתמש בשיטות פוטוליתוגרפיה ליצירת תבנית בסיס photomask. בצע הליך זה בסביבת חדר נקי.
   3. חושפים את העובש מאסטר מפוברק לגז fluorosilane ב desiccator ואקום.
      הערה: תהליך זה מקלה על שחרורו של polydimethylsiloxane (PDMS) מ כייר האב כאשר בדיית microfluidic התקנים. כדי להתייחס כייר מאסטר, להוסיף 3 טיפות fluorosilane גביע ולמקם את הספל בתוך תא ואקום.
   4. להחיל שואב אבק עבור 1 מינימלית קרוב תא ואקום אבל מאסטר העובש בבית הבליעה למשך 30 דקות לאפשר בתצהיר של fluorosilane. כאמצעי בטיחות, ביצוע הליך זה ברדס fume להגביל חשיפה לאדים מסוכנים fluorosilane.
2. לפברק מכשירים PDMS
   1. שוקלים הפולימר טרום PDMS בסירה השקילה. למרות העובי הרצוי של המכשיר PDMS הסופי עשוי להשתנות, 30 גרם של פולימר קדם עובד היטב עבור מאסטר עובש של 100 מ מ קוטר.
   2. למדוד ולהוסיף סוכן ריפוי ב- 1:10 יחס הפולימר מראש. תבנית בסיס של 100 מ מ קוטר, הוסיפו דור 3 של סוכן ריפוי.
   3. מערבבים היטב את הסוכן פולימר קדם, ריפוי ביד באמצעות מרית חד פעמיות. לאחר 30 s, בדוק כי שם הם קטנים, מופרדים בקביעות בועות אוויר בפתרון, המציינת את הפולימר קדם וריפוי סוכנים הם מעורבים היטב.
   4. למקם את העובש מאסטר צלחת תרבות, בזהירות שופכים את התערובת PDMS על גבי בסיס העובש.
      הערה: העובי הרצוי של המכשיר PDMS עשויים להשתנות בהתאם היישום שלה.
   5. דגה את התערובת, desiccator ואקום עבור מר 1 ודא כי אין בועות הן נצפות בתוך התערובת. אם יש בועות הנוכחי, לשחרר את הלחץ ואקום במהירות, ולאחר מכן החל מחדש ואקום. לאפשר את התערובת לשבת לפחות 10 דקות לאחר הליך זה.
   6. להעביר את התערובת PDMS תנור להגדיר ב- 90 ° C. לאפשר את התערובת לרפא למשך 30 דקות.
   7. הסר את PDMS כייר מאסטר. חותכים את PDMS הממדים הרצויים באמצעות סכין גילוח. ללבוש כפפות כדי להגביל את החשיפה PDMS מזהמים.
   8. מנקבים חורים עבור יציאות כניסת ולשקע עם מחט שחולק 23 גרם. כדי להקל על תהליך זה, קובץ המחט עם קובץ מתכת או נייר זכוכית כדי לחדד את הקצוות בוטה. ודא כי הצילינדר punctuated של PDMS הוסר מן המחט לאחר כל ניקוב.
      הערה: מחטים עם גדלים שונים יכול לשמש עבור ניקוב חורים. ודא הגודל מעט יותר גדול מאשר המחטים בשימוש בשלב 3 של פרוטוקול זה.
   9. רוחצים את PDMS עם מים מסוננים יונים את מילה נהדרת של PDMS שימוש במקור האוויר או חנקן מצויד במסנן 0.2 µm.
      הערה: הלחץ המדויקת אינה קריטית, מקור גז דחוס מהמערכת המרכזית של בניין עובד היטב עבור שלב זה.
   10. מצע כיסוי זכוכית בורוסיליקט מס ' 1 עם חומרים פעילי שטח, כמו חומר ניקוי אבקת, ונקי מילה נהדרת באמצעות מקור נשוף אוויר מצויד במסנן 0.2 µm. לנקותו ביסודיות כפי כיסוי זכוכית לעיתים קרובות מצופה חומר סיכה הידרופובי, אין אפשרות לאגד אל PDMS, אלא אם כן זה כראוי ינוקו.
   11. באמצעות הקלטת רגיש ללחץ, נוגעים בעדינות את PDMS כדי להסיר את כל האבק שיורית. כדי להבטיח שהתכונות עי לא נחשפו, אין להקיש עם כמויות גדולות של כוח על הקלטת.
   12. למקם את המכשיר PDMS, זכוכית מכסה נקי לתוך פלזמה חמצן המנקה מינימלית 1 ודא הצבע מן החדר נקי פלזמה מגנטה בהיר במהלך התהליך. ודא כי המכשיר PDMS יש תכונות עי שלו חשופה, פנים כלפי מעלה, ב הפלזמה מנקה.
   13. לקחת את PDMS ואת הזכוכית המכסה של פלזמה מנקה ולמקם את כיסוי הזכוכית, פנים כלפי מטה, לתוך ההתקן PDMS.
       הערה: זה יגרום הזכוכית המכסה, את PDMS להתחבר באופן כמעט מיידי. אם הכריכה אינה גלויה, לחץ בעדינות את הכוס לכסות PDMS בקטע של PDMS ללא תכונות מעוצבת. זה אמור לגרום מליטה להתרחש בין הזכוכית המכסה את PDMS.
   14. לשים את המכשיר PDMS בתנור ב 90 מעלות צלזיוס במשך לפחות 12 שעות על מנת להבטיח את PDMS, הזכוכית המכסה היטב bonded.

3. מכלול המערכת משאבת מזרק משוב מבוקר

1. להסיר את הכמות המתאימה של אורך הבידוד חוט ו מיגון של הכבל חשמל של חיישן הלחץ באמצעות סכין גילוח. להיות עדין בעת חיתוך כדי להבטיח שהחוטים לא נחשפו מעל לאורך הרצוי. פעם יוסרו הבידוד ו מיגון, חבר את החוטים למחברי מלבני זכר.
2. שימוש בגישה דומה לשלב הקודם, הסר 1-2 ס מ של חוט הבידוד מהפניות של מנוע stepper וחבר חוטי החשמל למחברים מלבני זכר.
3. מוספית המזרק לצד מפרץ צר של החיישן לחץ. להתחבר מחט שחולק 22 גרם לצד עודפים של החיישן לחץ.
4. להחליק קצה אחד של 0.51 ס"מ קוטר אבובים על המחט שחולק 22 גרם מחובר החיישן לחץ.
5. להחליק את הקצה השני של 0.51 ס"מ קוטר אבובים על מחט שחולק 22 גרם, יכולים להיות מחוברים למכשיר microfluidic. לחבר את המחט אל הנמל כניסת של המכשיר microfluidic.
6. התחבר יציאת עודפים של מכשיר microfluidic מאגר לסילוק פסולת באמצעות מחט 22 גרם 0.51 ס"מ קוטר אבובים, דומה לזה החיבור של היציאה כניסת.
7. להרכיב את המעגל האלקטרוני על קרש חיתוך שטנץ ללחם על פי הדיאגרמה באיור3.
   הערה: זו בממרח מגישה להתנות את אות חיישן הלחץ יהיה פיקוח על ידי מיקרו-בקר. בקרים תואם אחרים עשוי לשמש כדי לנטר את האות חיישן הלחץ.
8. חבר את החוטים מן המנוע stepper עם הנהג מנועים stepper. חבר את החוטים של חיישן הלחץ ואת הנהג מנועים stepper עם בממרח לפי התוכניות באיור3. החוטים חשוף חיישן הלחץ ומסומנות בצבעים, צריכים להיות מחוברים כדלקמן: אדום צריך להתחבר V +, שחור מומלץ להתחבר V-, ירוק מומלץ להתחבר אות +, לבן מומלץ להתחבר האות-.
9. לחבר את אות הפלט מ בממרח עם הפין קלט אנלוגי על מיקרו-בקר.
10. לחבר את הסיכות קלט של הלוגיקה של מנהל ההתקן מנועים stepper עם סיכות דיגיטלי מיקרו-בקר. שלב הקלט על הנהג מנועים stepper מקושר עם נמל רוחב מאופנן (PWM) הדופק של הפינים דיגיטלית מיקרו-בקר, מסומן על ידי ' ~' סימן.
11. לחבר את ספק הכוח בממרח על פי הדיאגרמה באיור3. הגדר את אספקת החשמל 10 V עבור בממרח והנהג מנועים stepper.

4. כיול חיישן לחץ

הערה: מבוסס על המגבר נבחר בעיתון הזה, הנוסחה כדי לחשב את הרווח הוא G = 5 + (200k/R_G) עם R_G = R1 ו- G = רווח מגבר. מגבר כאן הוא כ 606. ערך זה ניתן לשינוי על-ידי שינוי ההתנגדות המשמש עבור R1. בנוסף, רמת לוגיקה של הלוח מיקרו-בקר היא 5 V, מכשור הוא מופעל עם 10 V, מעגל פשוט מחלק מתח, R2, R3, משמש כדי להגן על האות הפלט אמור להיות לא יותר מ 5 V.

1. הורד והתקן את הסביבה המתאימה פיתוח משולבת (IDE) עבור מיקרו-בקר.
2. הורד את הקוד בקר שכותרתו 'Pressure_Sensing.ino' מקבצי משלים. השתמש באפשרות זו קוד הוא לרכוש את האות ללחץ של חיישני לחץ כפול.
   הערה: קוד מיקרו-בקר ובקר שמשמש בעיתון הזה כוללים סיכות קלט אנלוגי עם רזולוציה 10 סיביות אשר לקרוא האותות האנלוגיים חיישן הלחץ כל 200 ms כדי להניע את stepper מוטורס. המספר בכן analogRead() מקביל הסיכה קלט אנלוגי מחובר לאות פלט מן המעגל מחלק מתח במעגל חיישן הלחץ באיור3. המשתנה עיכוב מייצג את מרווח הזמן-אשר האות היא הילודה והפלט בהתאם, ב ms.
3. החל לחצים ידוע לים של החיישן עם השקע כתרים, למדוד את אות הפלט המתקבל.
   הערה: שיטה פשוטה כדי לכייל את חיישן הלחץ משתמשת מאגר מים שהתקיים בגבהים שונים. הלחץ שנוצר הכבידה זוהה יאפשר אחד לכייל את חיישן הלחץ.
4. להתוות את הדיאגרמה עם הלחץ כיול חלה (Pa) על ציר ה-x ואת הלחץ האות (V) על ציר-y כדי לקבל ערך מספרי של החיתוך-y.
5. להחיל את הערך המספרי הזה בקוד בקר, כגון sensor1Offset ו- sensor2Offset המשתנים בקוד 'Dual_Pump_PID_Control.ino' של קבצים משלימה, כדי לכייל את ערך הלחץ במערכת בקרת משוב.

5. לכידת תמונות מהתקן ה-Microfluidic

1. להתחבר עם מיקרו למחשב יחיד פנסיון פתוח באמצעות ממשק טורי כך התמונה שנתפסו על ידי המדידות לחץ גורמים מפעילים מיקרו-מחשב על ידי מיקרו.
2. להתחבר מודול המצלמה שנעשו במחשב יחיד פנסיון לאחד העין-פיסות stereomicroscope. כאן, 20 X הגדלה משמש לשיקוף המכשירים microfluidic.

6. שליטה בלחץ צנתרים

1. פתח את ה-IDE עבור מיקרו-בקר קוד פתוח. הורד את Timer.h¹³ של ספריות¹⁴ AccelStepper.h של מיקרו-בקר IDE הספריה בספריה.
2. הורד את הקוד בקר שכותרתו 'Dual_Pump_PID_Control.ino' מתוך קבצי משלימה. קוד זה משמש כדי לשלוט במערכת משאבת מזרק שבשליטת משוב עם שתי משאבות.
3. תוכנית הקוד בקר כך שיתאים להיות נערך. לשנות את הפרמטרים שליטה או את פרמטרי תזמון כדי להתאים את התגובה הרצויה והמשך של הניסוי. להדר ולהעלות את הקוד מיקרו-בקר לפני הפעלת הניסוי.
   הערה: בקוד בקר, setPoint1/2 ערכי משמשים כדי לשנות את רמת הלחץ, stepper1/2Out ערכי משמשים כדי לכוונן את מהירות המשאבה. לאחרונה שני הערכים בעמודה stepper1/2 AccelStepper תואמים מספר היציאה על מיקרו-בקר. המשתנה milliTiming מכתיבה את התדירות של קריאת האות האנלוגי של חיישני הלחץ ומכתיב המשתנה printTiming התדירות של פלט מהירות וערכי לחץ לצג טורי לבדיקה. כל היחידות הם גב' שהמשתנה maxError נקבע מרמת לוגיקה של הלוח מיקרו-בקר. ערך של 5 משמש כאן גם מיקרו-בקר ב פרוטוקול זה 5 V.
4. הפעל את אספקת החשמל עבור מערכת משאבות מזרק. הגדר את המתח 10 V עבור מנועים stepper הזרם.

7. כוונון הפרמטרים PID בבקר

הערה: ערכי פרמטר בקר אידיאלי עשוי להשתנות בהתאם ליישום ואת הגיאומטריה התקן microfluidic. לדוגמה, עבור לטווח ארוך לחקר (בשעות), נמוך יותר ביחס קבוע (Kp) עשוי להיות עדיף לצמצם להחטיא על חשבון זמן התגובה. יתרונות וחסרונות אלה תלויות ניסיוני תנאים ויעדים.

1. מנגינה של הבקר, באמצעות גישה ידנית, על-ידי התאמת הראשון הקבוע פרופורציונלית (Kp) כדי לשפר את זמן התגובה של פונקציית מדרגות.
   הערה: למרות גישות אלגוריתמית עשוי להיות ידני משומש, כוונון עבודות עבור היישומים microfluidic באיור הנייר הזה.
2. בשלב הבא, לשנות את-אינטגרל (Ki) והפרמטרים (Kd) דיפרנציאלית כדי למזער את להחטיא ולהבטיח את יציבות קבע-נקודה.
3. הגדר את ערכי PID עבור המשתנים Kp, קי, Kd בקוד בקר של קבצים משלימה.

תוצאות

כאן, אנו מציגים פרוטוקול עבור הבנייה של מזרק שבשליטת משוב משאבת המערכת ומדגימים ושימושיה הפוטנציאליים עבור יישומים microfluidic. איור 1 מציג את מערכת מחוברת משאבת מזרק, חיישן הלחץ, התקן microfluidic, מיקרו-בקר, מעגל חיישן הלחץ, ו stepper מנוע הנהג. נתונים היסטוריים והסברי...

Discussion

. הנה, הצגנו עיצוב חדש עבור מערכת משאבת מזרק עם בקרת לולאה סגורה לחץ. דבר זה הושג על-ידי שילוב של משאבת מזרק מודפס 3D עם חיישן הלחץ piezoresistive, מיקרו של קוד פתוח. על ידי העסקת בקר PID, הצלחנו לשלוט על הלחץ כניסת ולספק זמני תגובה מהירים תוך בו-זמנית שמירה על היציבות על נקודה ערכה בדיוק.

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