芯片级载气流速流向传感器及其检测控制系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了芯片级载气流速流向传感器，包括检测腔、微加热器、电流检测器、温度检测器、流向检测器、半导体制冷片及分布在检测腔腔体上的进/出气接口；所述检测腔用于为载气流速流向判别提供检测空间；所述微加热器用于实现检测腔体内温度小范围精准控制；所述半导体制冷片用于实现检测腔体内温度大范围快速控制，以实现检测腔内温度快速恒定；所述电流检测器用于实现微加热器电流检测，以实现载气流速的快速测定；所述流向检测器，用于实现传感器腔内载气流向的辨识；所述温度检测器用于实现检测腔内温度实时检测，作为检测腔内恒温控制依据。本发明解决了原子荧光在线联用一体化集成检测痕量元素所需载气超低流速的测量以及流向判别等技术问题。
【专利说明】芯片级载气流速流向传感器及其检测控制系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及微机电系统、低速气体流动检测以及可编程片上系统领域，具体设计一种适合微流控芯片一原子荧光在线联用的芯片级低速载气流速流向传感器及其检测、控制系统。
【背景技术】
[0002]以微机电系统(MEMS)的微细加工技术为基础发展的微流控芯片因其具有高集成度、高效、快速、微量等优点在生物分析、食品分析、化学分析和环境分析等领域得到了广泛的关注，已成为分析科学的研究前沿热点之一。作为微型全分析系统(Miniaturized TotalAnalysis Systems,uTAS)的一种核心技术,微流控芯片己经成功地与多种分析方法(如质谱检测、电化学检测和光学检测等)相结合用于各种分析检测。
[0003]近年来，针对于微流控芯片的在线联用技术研究主要集中在微流控器件与相关仪器的接口。如微流控器件和质谱仪(mass spectrometry, MS)之间的接口有电喷雾(Electrospray 1nizat1n, ESI)、基质辅助激光解吸电离(Matrix-Assisted LaserDesorpt1n 1nizat1n, MALDI)等不同形式。目前仍然存在许多需要改进的地方。如现阶段许多成功地进行复杂微流控操作的器件都采用玻璃做为材料，难以方便地加工高集成度的ESI喷嘴，多通道的微型ESI喷嘴只能通过微制造技术在硅或塑料进行加工；南开大学化学学院分析科学研究中心李峰等选择XGY-1011A型非色散原子荧光光度计，针对芯片的集成化特点以及便于联用，抛弃了 XGY-1011A原来的进样系统，通过直接在芯片上蚀刻了一条补充液通道，优化了芯片设计、芯片-原子荧光接口、气液分离器以及原子化器等，成功地消除了引入流体(补充液HC1、还原剂KBH4和氩气)对芯片电泳分离的不利影响，在不需对仪器结构进行改动的前提下实现微芯片电泳-原子荧光检测的联用；这种仅仅在微流控器件与检测仪器之间增加接口部件，很难实现真正意义上实现“芯片实验室”。
[0004]为此，以微流控芯片技术为基�。钊肟剐酒缬痉掷搿⑿酒显谙吡眉际醯难芯浚杂诮徊窖芯课⒘骺匦酒际踉谏�、化学分析等领域的应用具有十分重要的意义。实现微流控芯片——原子荧光在线联用一体化集成实现痕量元素(如硒)快速检测的一个关键因素就是如何有效地实现载气小剂量的有效控制，载气低速流速测量，这将直接关系到后续痕量元素能否有效检测。如载气流速低可能导致氢化物释放不完全或原子化效率低，从而使信号强度较弱，不能起到载气的作用。但如果载气流速过高，则会产生稀释效应，同样造成信号强度减弱。针对于芯片级原子荧光在线联用分析系统而言，载气流速相对于传统流速而言非常低，不能用常规的流量计进行测量。因此，为了满足微流控芯片——原子荧光在线联用检测需要，契合微型全分析系统要求自动化、集成化、便携化的特点，如何设计适合微流控芯片——原子荧光在线联用的芯片级低速载气流速流向传感器及其检测、控制系统成为微流控芯片——原子荧光在线联用技术成为可能的关键所在。
【发明内容】
[0005]有鉴于此，本发明的目的在于有效解决基于微流控芯片——原子荧光在线联用一体化集成检测痕量元素(如硒)所需载气超低流速的测量以及流向判别等关键技术问题，提供一种基于片上可编程系统技术构建芯片级载气流速流向传感器及其检测、控制系统。
[0006]本发明的目的之一是通过以下技术方案来实现的，芯片级载气流速流向传感器，包括检测腔、微加热器、电流检测器、温度检测器、电流检测器、流向检测器、半导体制冷片及分布在检测腔腔体上的进/出气接口；
[0007]所述检测腔用于为载气流速流向判别提供检测空间；
[0008]所述微加热器，用于实现检测腔体内温度小范围精准控制；
[0009]所述半导体制冷片，用于实现检测腔体内温度大范围快速控制，以实现检测腔内温度快速恒定；
[0010]所述电流检测器，用于实现微加热器电流检测，以实现载气流速的快速测定；
[0011]所述流向检测器，用于实现传感器腔内载气流向的辨识；
[0012]所述温度检测器，用于实现检测腔内温度实时检测，作为检测腔内恒温控制依据。
[0013]进一步，所述进/出气接口包括设置在检测腔一侧的第一进/出气接口、设置在检测腔另一侧的第二进/出气接口和第三进/出气接口，所述微加热器包括第一微加热器和第二微加热器，所述流向检测器包括第一流向检测器和第二流向检测器，所述温度检测器、第一流向检测器与第二流向检测器设置在双层薄膜PCB顶层，电流检测器与第一微加热器、第二微加热器设置在双层薄膜PCB底层；所述第一流向检测器、第一微加热器、温度检测器、第二微加热器和第二流向检测器沿气体流向方向依次分布在双层薄膜PCB上；所述半导体制冷片设置于双层薄膜PCB的下表面。
[0014]进一步，还包括设置在半导体制冷片下表面的散热层。
[0015]本发明的目的之二是通过以下技术方案来实现的，一种芯片级载气流速流向检测、控制系统，包括芯片级载气流速流向传感器、接口电路和控制模块；
[0016]所述芯片级载气流速流向传感器连接在减压后的载气管道与接芯片级气液分离器的气体管道之间实现低速载气流速测量及流向判别；
[0017]所述接口电路连接于芯片级载气流速流向传感器与控制�？橹洌糜谑迪中酒对仄魉倭飨虼衅饔肟刂颇？橹浼觳饧翱刂菩藕诺姆糯�、滤波以及传输等，从而实现芯片级载气流速流向传感器检测腔体内微加热器加热控制、微加热器PWM工作电流检测、检测腔内温度实时检测、流向检测器输出信号辨识；
[0018]所述控制�？椋糜诓酒对仄魉倭飨虼衅魇迪挚匚�、流速测量、流向判别以及载气管道流量控制所需的各种控制信号。
[0019]进一步，所述芯片级载气流速流向传感器包括检测腔、微加热器、电流检测器、温度检测器、流向检测器、半导体制冷片及分布在检测腔腔体上的进/出气接口 ；
[0020]所述检测腔，用于为载气流速流向判别提供检测空间；
[0021]所述微加热器，用于实现检测腔体内温度小范围精准控制；
[0022]所述半导体制冷片，用于实现检测腔体内温度大范围快速控制，以实现检测腔内温度快速恒定；
[0023]所述电流检测器，用于实现微加热器电流检测，以实现载气流速的快速测定；
[0024]所述流向检测器，用于实现传感器腔内载气流向的辨识；
[0025]所述温度检测器，用于实现检测腔内温度实时检测，作为检测腔内恒温控制依据。
[0026]进一步，所述控制�？榘≒WM控制器、流向判别控制器、温度数据采集控制器、PWM电流检测控制器、电动气阀及电机驱动控制器、红外处理控制器、Flash控制器、Keyboard控制器、LCD控制器和N1SII软核处理器；
[0027]所述PWM控制器，用于芯片级载气流速流向传感器微加热器的温度精准控制；
[0028]所述流向判别控制器，用于检测腔内流速判别；
[0029]所述温度数据采集控制器，用于检测腔内温度实时采集；
[0030]所述PWM电流检测控制器，用于检测腔内流速测量；
[0031]所述电动气阀及电机驱动控制器，用于电动气阀、减压阀以及微型电动抽气泵的有序控制；
[0032]所述红外处理控制器，用于红外�？厥荽恚�
[0033]所述Flash控制器，用于控制集成系统中数据和应用程序的存储；
[0034]所述Keyboard控制器，用于实现集成系统中键盘输入驱动控制；
[0035]所述LCD控制器，用于实现集成系统中液晶显示驱动的控制；
[0036]所述N1SII软核处理器，用于实现集成系统各�？榈闹悄芸刂�。
[0037]进一步，所述接口电路包括电动气阀与电机驱动控制电路、流向判别电路、流速测量电路、温度采集电路、温度控制电路、模拟电子开关及ADC电路、恒流与恒压源电路；
[0038]所述电动气阀与电机驱动控制电路用于实现系统中气体管道开/关实现、载气钢瓶输出载气流出量实现、流速控制以及微型电动抽气泵控制；
[0039]所述流向判别电路用于判别载气流向；
[0040]所述流速测量电路用于实现微加热器PWM工作电流检测，在检测腔内恒温时，依据工作微加热器PWM工作电流可计算出载气流速；
[0041]所述温度采集电路用于实时检测传感器检测腔内温度；
[0042]所述温度控制电路用于输出维持检测腔内温度恒定所需的PWM波形，通过对半导体制冷片、微加热器加电时间控制，以实现检测腔内温度快速、精准控温；
[0043]所述模拟电子开关及ADC电路用于实现采集信号模拟切换以及模拟信号到数字信号的转换；
[0044]所述恒流与恒压源电路用于温度实时采集、流向判别提供精准的恒流源及恒压源。
[0045]进一步，所述电动气阀与电机驱动控制电路包括电动气阀群驱动电路、减压电机驱动电路和微型电动抽气泵驱动电路；
[0046]所述电动气阀群驱动电路驱动电动气阀，实现系统气体管道内气体的进、排气有序控制；
[0047]所述减压电机驱动电路驱动电机，用于实现载气输出量的精准控制；
[0048]所述微型电动抽气泵驱动电路驱动微型电动抽气泵，用于排空检测腔内空气。
[0049]进一步，所述流向判别电路包括桥式电路、放大电路、低通滤波电路；
[0050]所述桥式电路，通过流向检测器与电阻构成桥式电路，检测出因载气流动造成电桥不平衡的输出信号，以实现载气流向判别；
[0051]所述放大电路，用于放大电桥的输出信号；
[0052]所述滤波电路，用于滤除放大后电桥的输出信号的杂波干扰。
[0053]进一步，所述流速测量电路包括双电压跟随器、电流监测电路、放大电路、RMS至DC转换电路，用于实现检测腔内载气流速测量；
[0054]所述双电压跟随器，连接在电流检测器两输出端口与电流监测电路之间，起隔离作用，防止前后级相互干扰；
[0055]所述电流监测电路，用于实现电流监测，使输出电压正比于监测电流；
[0056]所述放大电路，用于放大电流监测电路输出的电压信号；
[0057]所述RMS至DC转换电路，用于实现PWM工作电流转换为直流信号。
[0058]有益技术效果:本发明针对特定芯片级流速流向传感器(为微流控芯片——原子荧光在线联用一体化集成而设计的载气流速测量及流向判别传感器)，基于恒温型热线风速测量原理，双闭环控温原理实现载气流速测量以及检测腔内温度快速恒定。它包括芯片级载气流速流向传感器、芯片级载气流速流向传感器检测、控制接口电路以及基于SOPC技术芯片级载气流速流向传感器的检测、控制系统。该系统架构灵活、升级换代容易、控制方式便捷、具有功耗低、灵敏度高的检测与控制集成系统；采用SOPC技术实现检测、控制系统架构能解决采用传统的系统设计方法系统功能升级困难，维护性差以及设计的灵活性较低等问题，能有效地简化系统的构造、缩短从概念到实现的距离。
【专利附图】
【附图说明】
[0059]图1为基于芯片级载气流速流向传感器的检测、控制系统结构示意图；
[0060]图2为芯片级载气流速流向传感器结构示意图；
[0061]图3为电动气阀群及电机驱动控制原理示意图；
[0062]图4为流向判别电路示意图；
[0063]图5为流速测量电路示意图；
[0064]图6为温度采集电路示意图；
[0065]其中，载气流速流向传感器1、流速测量电路2、温度采集电路3、流向判别电路4、恒流、恒压源电路5、模拟电子开关及ADC电路6、散热器驱动电路7、电动气阀与电机驱动控制电路8、键盘输入电路9、红外接收电路10、红外�？仄�11、PWM电流检测控制器12、散热控制器13、电动气阀及电机驱动控制器14、键盘输入控制器15、红外处理控制器16、温度数据采集控制器17、温度智能控制器18、N10S II 19、流向判别控制器20、PWM控制器21、IXD控制器22、SDRAM控制器23、Flash控制器24、温度控制电路25、IXD显示26、SDRAM 27、Flash 28、芯片气液分离器接口 29、检测腔30、第一加热器电极引脚31-1、第二加热器电极引脚31-2、温度检测器电极引脚32、经减压后的载气管道33、第一流向检测器34-1、第二流向检测器34-2、第一微加热器35-1、第二微加热器35-2、第一流向检测电极引脚36_1、第二流向检测电极引脚36-1、第一电流检测电极引脚37-1、第二电流检测电极引脚37-2、电流检测器38、温度检测器39、双层薄膜PCB底层40、第一进/出气接口 42、PDMS腔体外壁43、第三进/出气接口 44、第二进/出气接口 45、双层薄膜PCB顶层46、半导体制冷片47、散热器48、载气钢瓶50、微型电动抽气泵51、电动气阀52、减压阀53、芯片气液分离器54。
【具体实施方式】
[0066]以下将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述；应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。
[0067]实施例一
[0068]图2示出了芯片级载气流速流向传感器结构图；如图所示，芯片级载气流速流向传感器1，其特征在于:包括检测腔30、微加热器35-1、35-2，电流检测器38、温度检测器39、流向检测器34-1、34-2，半导体制冷片47及分布在检测腔30腔体上的进/出气接口 43、44,45 ;所述检测腔30用于为载气流速流向判别提供检测空间；所述微加热器35-1、35-2，用于实现检测腔体内温度小范围精准控制；所述半导体制冷片47，用于实现检测腔体内温度大范围快速控制，以实现检测腔内温度快速恒定；所述电流检测器38，用于实现微加热器电流检测，以实现载气流速的快速测定；所述流向检测器34-1、34-2，用于实现传感器腔内载气流向的辨识；所述温度检测器39，用于实现检测腔内温度实时检测，作为检测腔内恒温控制依据。
[0069]所述进/出气接口包括设置在检测腔一侧的第一进/出气接口 43、设置在检测腔另一侧的第二进/出气接口 45和第三进/出气接口 44，所述微加热器包括第一微加热器35-1和第二微加热器35-2，所述流向检测器包括第一流向检测器34-1和第二流向检测器34-2，所述温度检测器39、第一流向检测器34-1与第二流向检测器34_2设置在双层薄膜PCB顶层46,电流检测器38与第一微加热器35-1、第二微加热器35_2设置在双层薄膜PCB底层40 ;所述第一流向检测器34-1、第一微加热器35-1、温度检测器39、第二微加热器35-2和第二流向检测器34-2沿气体流向方向依次分布在双层薄膜PCB上；所述半导体制冷片47设置于双层薄膜PCB的下表面；所述半导体制冷片47下表面还设置有散热层48 ；双层薄膜PCB底层40与半导体制冷片47采用导热绝缘硅胶粘接在一起，散热器48紧贴半导体制冷片47。
[0070]在本实施例中，加热器及电流检测器(位于底层)铜线宽度为1mm，铜层厚度35um，线间距为Imm ;温度检测器(位于顶层)与底层微加热器应上下严格对应；流向检测器(位于顶层)分布于温度检测器两侧，其铜线宽度为0.1mm，铜层厚度35um，线间距为0.1mm ;所述检测腔采用聚二甲基娃氧烧(polydimethylsiloxane, PDMS)整体烧注而成,其腔体空间为28_X10_X2mm。
[0071]所述第一微加热器35-1的一端设置有第一电流检测电极37-1,另一端设置有第一加热电极31-1 ;所述第二微加热器的一端设置有第二电流检测电极37-2、另一端设置有第二加热电极31-2 ;所述电流检测器38设连接在第一电流检测电极37-1与第二电流检测电极37-2之间。
[0072]实施例二
[0073]本发明还提供一种芯片级载气流速流向检测控制系统，如图1所示，芯片级载气流速流向检测控制系统包括芯片级载气流速流向传感器1、接口电路Jl和控制�？椋�
[0074]所述芯片级载气流速流向传感器连接在减压后的载气管道与接芯片级气液分离器的气体管道之间实现低速载气流速测量及流向判别；
[0075]所述接口电路Jl连接于芯片级载气流速流向传感器与控制�？橹洌糜谑迪中酒对仄魉倭飨虼衅饔肟刂颇？橹浼觳饧翱刂菩藕诺姆糯�、滤波以及传输等，从而实现芯片级载气流速流向传感器检测腔体内微加热器单元加热控制、微加热器PWM工作电流检测、检测腔内温度实时检测、流向检测器输出信号辨识；
[0076]所述控制�？椋糜诓酒对仄魉倭飨虼衅魇迪挚匚�、流速测量、流向判别以及载气管道流量控制所需的各种控制信号；如用于控制电动气阀52及电机驱动控制电路实现电动气阀有序控制、减压阀电机精准控制(实现载气量精准调节)以及检测腔内空气的排出；如控制CD4051模拟电子开关实现流向判别信号、温度信号、微加热器工作电流的有序采集控制；输出PWM控温波形，实现检测腔内温度的精准控温等。
[0077]所述芯片级载气流速流向传感器如图2所示。
[0078]所述控制模块包括PWM控制器21、流向判别控制器20、温度数据采集控制器17、PWM电流检测控制器12、散热控制器13、电动气阀及电机驱动控制器14、红外处理控制器16、Flash控制器24、Keyboard控制器15、LCD控制器22和N1SII软核处理器19 ；
[0079]所述PWM控制器21，用于芯片级载气流速流向传感器微加热器的温度精准控制；
[0080]所述流向判别控制器20，用于检测腔内流速判别；
[0081]所述温度数据采集控制器17，用于检测腔内温度实时采集；
[0082]所述PWM电流检测控制器12，用于检测腔内流速测量；
[0083]所述散热控制器13，辅助维持检测腔内温度恒定；
[0084]所述电动气阀及电机驱动控制器14，用于电动气阀、减压阀以及微型电动抽气泵51的有序控制；
[0085]所述红外处理控制器16，用于红外�？厥荽恚�
[0086]所述Flash控制28器24，用于控制集成系统中数据和应用程序的存储；
[0087]所述Keyboard控制器15，用于实现集成系统中键盘输入驱动控制；
[0088]所述IXD控制器22，用于实现集成系统中液晶显示驱动的控制；
[0089]所述N1SII软核处理器19，用于实现集成系统各�？榈闹悄芸刂疲�
[0090]所述SDRAM控制器23，用于控制集成系统中数据缓存存储器进行同步；
[0091]所述温度智能控制器18，通过智能温度控温算法(如�：齈ID控温算法)控制输出PWM波形实现对半导体制冷片、微加热器加电时间控制，以实现检测腔内温度快速、精准控温；
[0092]所述PWM电流检测控制器12、散热控制器13、电动气阀及电机驱动控制器14、键盘输入控制器15、红外处理控制器16、温度数据采集控制器17、温度智能控制器18、N1S II19、流向判别器20、PWM控制器21、IXD控制器22、SDRAM控制器23、Flash控制器24通过SOPC技术封装在单一 FPGA芯片中。
[0093]所述接口电路包括电动气阀与电机驱动控制电路8、流向判别电路4、流速测量电路2、温度采集电路3、温度控制电路25、模拟电子开关及ADC电路6、恒流与恒压源电路5 ;
[0094]所述电动气阀与电机驱动控制电路与电动气阀及电机驱动控制器连接，用于实现系统中气体管道开/关实现、载气钢瓶50输出载气流出量实现、流速控制以及微型电动抽气泵控制；如图3所示，所述电动气阀与电机驱动控制电路包括电动气阀群驱动电路、减压电机驱动电路和微型电动抽气泵驱动电路；所述电动气阀群驱动电路驱动电动气阀，实现系统气体管道内气体的进、排气有序控制；所述减压电机驱动电路驱动电机，用于实现载气输出量的精准控制；所述微型电动抽气泵驱动电路驱动微型电动抽气泵，用于排空检测腔内空气。所述电动气阀群及电机驱动电路包括ULN2003A构成的电动气阀群驱动电路、38D05固态继电器构成的减压电机驱动电路以及微型电动抽气泵电机驱动电路；所述ULN2003A构成的电动气阀群驱动电路，用于打开/关闭相应进/出气管道上的电动气阀，实现电动气阀的有序控制；所述38D05固态继电器构成的减压电机驱动电路以及微型电动抽气泵电机驱动电路，用于减压阀精准控制，调节载气流量大小以及微型电动抽气泵的控制。
[0095]所述流向判别电路4连接于模拟电子开关及ADC电路与流向检测器之间，用于判别载气流向；如图4中的虚线框所示，所述流向判别电路4包括桥式电路、放大电路、低通滤波电路；所述桥式电路，通过流向检测器与电阻构成桥式电路，检测出因载气流动造成电桥不平衡的输出信号，以实现载气流向判别；所述放大电路，用于放大电桥的输出信号；所述滤波电路，用于滤除放大后电桥的输出信号的杂波干扰。
[0096]所述流速测量电路2连接于模拟电子开关及ADC电路与微加热器之间，用于实现微加热器PWM工作电流检测，在检测腔内恒温时，依据工作微加热器PWM工作电流可计算出载气流速；如图5中的虚线框所示，所述流速测量电路2包括双电压跟随器、电流监测电路、放大电路、RMS至DC转换电路，用于实现检测腔内载气流速测量；所述双电压跟随器，连接在电流检测器两输出端口与电流监测电路之间，起隔离作用，防止前后级相互干扰；所述电流监测电路，用于实现电流监测，使输出电压正比于监测电流；所述放大电路，用于放大电流监测电路输出的电压信号；所述RMS至DC转换电路，用于实现PWM工作电流转换为直流信号。
[0097]所述温度采集电路3，连接于模拟电子开关及ADC电路与温度检测器之间，用于实时检测传感器检测腔内温度；如图6中的虚线框所示，所述温度采集电路3，用于实现温度数据放大、滤波等功能，包括电压跟随器、AD620构成的第一级放大电路、0P07构成的第二级放大电路、0P07构成的有源低通滤波电路。
[0098]所述温度控制电路25，输入端与PWM控制器连接，输出端分别与半导体制冷片和微加热器连接，用于输出维持检测腔内温度恒定所需的PWM波形，通过对半导体制冷片、微加热器加电时间控制，以实现检测腔内温度快速、精准控温；
[0099]所述模拟电子开关及ADC电路17，输入端分别与流向判别电路、温度采集电路、流速测量电路连接，输出端分别与流向判别控制器、温度数据采集控制器、PWM电流检测控制器连接，用于实现采集信号模拟切换以及模拟信号到数字信号的转换；
[0100]所述恒流与恒压源电路5用于温度实时采集、流向判别提供精准的恒流源及恒压源。
[0101]所述接口电路还包括与红外处理控制器连接的红外接收电路10、与键盘输入控制器连接的键盘输入电路9、连接于散热控制器与散热器之间的散热器驱动电路7、与Flash控制器连接的Flash28、与SDRAM控制器连接的SDRAM27、与IXD控制器连接的IXD显示器26。
[0102]工作前，芯片级载气流速流向传感器流向检测器34-2、34_1分别分布在接经减压后的载气管道33 —侧、接芯片气液分离器29 —侧，关闭第一进/出气接口 42、第二进/出气接口 45电动气阀管道，打开第三进/出气接口 44电动气阀管道，并启动微型电动抽气泵将流速流向检测腔内空气排�。蠊乇盏谌�/出气接口 44电动气阀管道以及微型电动抽气泵。工作时，首先通过温度智能控制器控制半导体制冷片快速升至设定温度附近，随后采用微加热器动态小范围控温，使检测腔内温度恒温在设定温度，然后控制打开第一进/出气接口 42、第二进/出气接口 45电动气阀管道，采用流向检测器判别载气流向、采用电流检测器检测出微加热器工作电流(工作时，检测腔内恒定在设定温度)，通过微加热器工作电流从而换算出载气流速，实现低速载气流速测定及流向判别。
[0103]本发明能够有效解决基于微流控芯片——原子荧光在线联用一体化集成检测痕量元素(如硒)所需载气超低流速的测量以及流向判别等关键技术问题，也适用于其它小流量气体检测。
[0104]以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
【权利要求】
1.芯片级载气流速流向传感器，其特征在于:包括检测腔(30)、微加热器(35-1、35-2)、电流检测器(38)、温度检测器(39)、流向检测器(34_1、34_2)、半导体制冷片(47)及分布在检测腔腔体上的进/出气接口(43、44、45)； 所述检测腔用于为载气流速流向判别提供检测空间； 所述微加热器，用于实现检测腔体内温度小范围精准控制； 所述半导体制冷片，用于实现检测腔体内温度大范围快速控制，以实现检测腔内温度快速恒定； 所述电流检测器，用于实现微加热器电流检测，以实现载气流速的快速测定； 所述流向检测器，用于实现传感器腔内载气流向的辨识； 所述温度检测器，用于实现检测腔内温度实时检测，作为检测腔内恒温控制依据。
2.根据权利要求1所述的芯片级载气流速流向传感器，其特征在于:所述进/出气接口包括设置在检测腔一侧的第一进/出气接口(43)、设置在检测腔另一侧的第二进/出气接口(45)和第三进/出气接口(44)，所述微加热器包括第一微加热器(35-1)和第二微加热器(35-2)，所述流向检测器包括第一流向检测器(34-1)和第二流向检测器(34-2)，所述温度检测器(39)、第一流向检测器与第二流向检测器设置在双层薄膜PCB顶层，电流检测器与第一微加热器、第二微加热器设置在双层薄膜PCB底层；所述第一流向检测器、第一微加热器、温度检测器、第二微加热器和第二流向检测器沿气体流向方向依次分布在双层薄膜PCB上；所述半导体制冷片设置于双层薄膜PCB的下表面。
3.根据权利要求2所述的芯片级载气流速流向传感器，其特征在于:还包括设置在半导体制冷片(47)下表面的散热层(48)。
4.一种芯片级载气流速流向检测控制系统，其特征在于:包括芯片级载气流速流向传感器、接口电路和控制�？椋� 所述芯片级载气流速流向传感器连接在减压后的载气管道与接芯片级气液分离器的气体管道之间实现低速载气流速测量及流向判别； 所述接口电路连接于芯片级载气流速流向传感器与控制�？橹洌糜谑迪中酒对仄魉倭飨虼衅饔肟刂颇？橹浼觳饧翱刂菩藕诺姆糯�、滤波以及传输等，从而实现芯片级载气流速流向传感器检测腔体内微加热器单元加热控制、微加热器PWM工作电流检测、检测腔内温度实时检测、流向检测器输出信号辨识； 所述控制�？椋糜诓酒对仄魉倭飨虼衅魇迪挚匚�、流速测量、流向判别以及载气管道流量控制所需的各种控制信号。
5.根据权利要求4所述的芯片级载气流速流向检测控制系统，其特征在于:包括检测腔(30)、微加热器(35-1、35-2)、电流检测器(38)、温度检测器(39)、流向检测器(34-1,34-2)、半导体制冷片(47)及分布在检测腔腔体上的进/出气接口(43、44、45)； 所述检测腔用于为载气流速流向判别提供检测空间； 所述微加热器，用于实现检测腔体内温度小范围精准控制； 所述半导体制冷片，用于实现检测腔体内温度大范围快速控制，以实现检测腔内温度快速恒定； 所述电流检测器，用于实现微加热器电流检测，以实现载气流速的快速测定； 所述流向检测器，用于实现传感器腔内载气流向的辨识； 所述温度检测器，用于实现检测腔内温度实时检测，作为检测腔内恒温控制依据。
6.根据权利要求4所述的芯片级载气流速流向检测控制系统，其特征在于:所述控制�？榘≒WM控制器、流向判别控制器、温度数据采集控制器、PWM电流检测控制器、电动气阀及电机驱动控制器、红外处理控制器、Flash控制器、Keyboard控制器、IXD控制器和N10SII软核处理器； 所述PWM控制器，用于芯片级载气流速流向传感器微加热器的温度精准控制； 所述流向判别控制器，用于检测腔内流速判别； 所述温度数据采集控制器，用于检测腔内温度实时采集； 所述PWM电流检测控制器，用于检测腔内流速测量； 所述电动气阀及电机驱动控制器，用于电动气阀、减压阀以及微型电动抽气泵的有序控制； 所述红外处理控制器，用于红外�？厥荽恚� 所述Flash控制器，用于控制集成系统中数据和应用程序的存储； 所述Keyboard控制器，用于实现集成系统中键盘输入驱动控制； 所述LCD控制器，用于实现集成系统中液晶显示驱动的控制； 所述N10SII软核处理器，用于实现集成系统各�？榈闹悄芸刂�。
7.根据权利要求4所述的芯片级载气流速流向检测控制系统，其特征在于:所述接口电路包括电动气阀与电机驱动控制电路、流向判别电路、流速测量电路、温度采集电路、温度控制电路、模拟电子开关及ADC电路、恒流与恒压源电路； 所述电动气阀与电机驱动控制电路用于实现系统中气体管道开/关实现、载气钢瓶输出载气流出量实现、流速控制以及微型电动抽气泵控制； 所述流向判别电路用于判别载气流向； 所述流速测量电路用于实现微加热器PWM工作电流检测，在检测腔内恒温时，依据工作微加热器PWM工作电流可计算出载气流速； 所述温度采集电路用于实时检测传感器检测腔内温度； 所述温度控制电路用于输出维持检测腔内温度恒定所需的PWM波形，通过对半导体制冷片、微加热器加电时间控制，以实现检测腔内温度快速、精准控温； 所述模拟电子开关及ADC电路用于实现采集信号模拟切换以及模拟信号到数字信号的转换； 所述恒流与恒压源电路用于温度实时采集、流向判别提供精准的恒流源及恒压源。
8.根据权利要求7所述的芯片级载气流速流向检测控制系统，其特征在于:所述电动气阀与电机驱动控制电路包括电动气阀群驱动电路、减压电机驱动电路和微型电动抽气泵驱动电路； 所述电动气阀群驱动电路驱动电动气阀，实现系统气体管道内气体的进、排气有序控制； 所述减压电机驱动电路驱动电机，用于实现载气输出量的精准控制； 所述微型电动抽气泵驱动电路驱动微型电动抽气泵，用于排空检测腔内空气。
9.根据权利要求7所述的芯片级载气流速流向检测控制系统，其特征在于:所述流向判别电路包括桥式电路、放大电路、低通滤波电路； 所述桥式电路，通过流向检测器与电阻构成桥式电路，检测出因载气流动造成电桥不平衡的输出信号，以实现载气流向判别； 所述放大电路，用于放大电桥的输出信号； 所述滤波电路，用于滤除放大后电桥的输出信号的杂波干扰。
10.根据权利要求7所述的芯片级载气流速流向检测控制系统，其特征在于:所述流速测量电路包括双电压跟随器、电流监测电路、放大电路、RMS至DC转换电路，用于实现检测腔内载气流速测量； 所述双电压跟随器，连接在电流检测器两输出端口与电流监测电路之间，起隔离作用，防止前后级相互干扰； 所述电流监测电路，用于实现电流监测，使输出电压正比于监测电流； 所述放大电路，用于放大电流监测电路输出的电压信号； 所述RMS至DC转换电路，用于实现PWM工作电流转换为直流信号。
【文档编号】G01P5/08GK104267210SQ201410424299
【公开日】2015年1月7日 申请日期:2014年8月26日 优先权日:2014年8月26日
【发明者】廖红华, 郭黎, 周大寨, 吴长坤, 方芳, 廖宇, 秦伟轩 申请人:湖北民族学院
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