基于DC-MIKE Actuator精密扫描平台

　　1　引　　言

　　生物芯片是指通过微缩技术将生物学研究中诸多不连续的分析过程集成于玻璃片、硅片等固相载体上,使这些分析过程连续化、集约化、微型化和高度信息化。生物芯片按构建方式可以分为矩阵式(microarray)和微流控芯片(microfluidic chip)等。矩阵式芯片是将大量靶基因或寡核苷酸片段有序地、高密度地排列在玻璃等固相载体上而构成的。生物芯片可广泛应用于药物筛选、新药开发、疾病诊断和环境保护等。

　　生物芯片读取仪是矩阵式生物芯片的扫读装置。CCD型生物芯片读取仪基本原理是以CCD为光电转换器件,通过匹配相应滤光片的镜头捕获芯片上某一特定区域(Δx×Δy)受激后发出的荧光图像,而精密扫描平台(X-Y工作台),则带动芯片协调运动以完成整个扫描过程。图像采集卡将CCD捕获的信号转变成数字信号,再由计算机处理将这些位元图像“拼接”成一幅完整的扫描图像。

　　2　精密扫描平台

　　精密扫描平台是生物芯片检测仪的重要组成部分,其精度直接影响扫描图像的质量。本文涉及的生物芯片检测仪CCD镜头在放大倍数为0.75时其视野为8.7mm×11.7mm;放大倍数为5.2时其视野为1.2mm×1.6mm,而CCD芯片尺寸为10.2mm×10.2mm。综合考虑其他干扰因素,X、Y平台单向、单步最大步长为1mm,单向、单步位置精度为±2.5μm。

　　X、Y轴行程为10mm×10mm。整个扫描平台由结构相同的X轴平台与Y轴平台组装而成。在不装配电机时尺寸为60mm×60mm×40mm。以X轴为例,扫描平台由上、下压板抱住直线轴承并与挡块相连接组成滑台;两根导柱由压条固定构成导向机构;预紧弹簧消除运动间隙;DC-MIKEActuator作为主驱动机构。由于直流电机、编码器、减速器、滚珠丝杠、连轴器等都集成到DC-MIKE Actua-tor中,结构得以大大简化。

　　DC-MIKE Actuator是由德国PI公司出品的直流“直线”电机。直流是指其驱动电机为直流电机;“直线”是指驱动器轴端输出为直线运动。选用的DC-MIKE Actuator相应技术指标如表1。

　　DC-MIKE Actuator实际上是将驱动电机、编码器、齿轮减速器、丝杠与导向组件高度集成的精密驱动机构。其主要特点是结构紧凑、单向运动精度高,非常适合作为扫描平台的驱动部件。将编码器分辨率转换为轴端直线分辨率:

　　1000×0.5/(60×141)≈0.0592μm/Counts。

　　3　扫描平台的控制与驱动

　　扫描平台的控制属于半闭环位置控制。整个控制与驱动系统由单片机(AT89C51)、LM629、LMD18245等核心部件构成,如图2。LM629与LMD18245、DC-MIKE Actuator(直流电机+编码器)等构成闭环控制系统。上位主控计算机运行的扫描仪控制主程序以VB编写,负责协调整个扫描过程,分解扫描动作和图像采集与处理。分解后的扫描动作指令通过串口传给下位单片机,并由单片机转发给LM629,而后单片机实时监控LM629的运行状况并根据状态即时将反馈信息传给上位计算机。其中PID算法由硬件芯片(LM629)实现,工作可靠、稳定。