CN106933142A - 一种基于电润湿的微流控液滴定位系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于电润湿的微流控液滴定位系统，包括电润湿、微处理器、主控模块、液滴驱动模块、液滴定位模块和电源。一种基于电润湿的微流控液滴定位方法，包括步骤：系统将电润湿内待测液滴与位于所述液滴下方的疏水绝缘层视为串联在一起的电容；主控芯片发出命令至液滴驱动模块，所述液滴驱动模块驱动所述待测液滴移动；液滴定位模块采集所述液滴当前电容值，并确定所述液滴的相对位置；系统验证所述液滴是否位于目标位置。采用该高智能化和精确度的液滴运动定位反馈系统及方法，可以更加直观、直接的进行液滴的定位与控制，十分方便，且效率较高，有利于提高液滴移动的连续性和移动速度，广泛应用于数字微流控技术领域。

Description

一种基于电润湿的微流控液滴定位系统及方法
技术领域
本发明涉及数字微流控技术领域，具体为一种基于电润湿的微流控液滴定位系统及方法。
背景技术
介电润湿微流控是一种利用电场控制液体表面张力的方法，通过控制外加电压改变液滴与固体表面的湿润性，引起液滴内部压力差，进而驱动微液滴运动。
液滴微流控又称数字微流控，该技术具有样品消耗量少、反应快、传质传热效果好、无交叉污染等优点，是微流控技术的研究热点。经典的微流控芯片主要对连续流体进行操作，是通过微细加工技术将微流道、微泵、微阀、微储液器、微电极、检测元件、窗口和连接器等功能元器件像集成电路一样，集成在芯片材料上的微全分析系统。最近10年，基于介电湿润的数字微流控芯片成为了很多微流控研究机构的研究重点，并且取得了极大的进展。目前能被操控液滴的体积已达到微升甚至是纳升，从而可以在微尺度下对不同类型的液滴进行驱动控制。
对于基于介电湿润的数字微流控芯片的实验，确定液滴的当前位置和芯片实时状态是至关重要的。现有技术的介电湿润微流控的研究大都把重点放在液滴的驱动机理以及电极设计上，很少有相关液滴的定位反馈研究。最开始在2004年H.Ren等人使用一种环形振荡电路去实现高精度的液滴分配和定位。接下来，Gong等人提出基于改进的环形振荡电路的集成化的液滴定位反馈系统，把液滴的分配状态实时反馈到液滴发生器上。Shin等人发明了基于视觉反馈的控制系统，控制器通过检测液滴截面圆与驱动电极的相对位置达到锁定液滴位置的目的。但是该系统需要有高精度的视频处理系统，开销较大，成本较高。在2011年Shih等人发明了基于传感器的反馈控制系统，传感器用于检测EWOD芯片的交流电信号，然后与所施加的驱动电压信号进行比较以达到反馈控制的目的。但该技术对液滴的特性依赖性较大，通用性较差。
综上，因此该技术有必要进行改进。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种针对液滴当前的运动状态与位置的“芯片-液滴”等效电容模型，并根据此模型从电容值这个参数直观地了解到液滴当前运动状态与位置，进而驱动液滴运动的基于电润湿的微流控液滴定位系统及方法。
本发明所采用的技术方案是：
本发明提供一种基于电润湿的微流控液滴定位系统，包括电润湿、微处理器、主控模块、液滴驱动模块、液滴定位模块和电源，所述微处理器与主控模块连接，所述主控模块的输出端与液滴驱动模块的输入端连接，所述液滴驱动模块的输出端与电润湿的输入端连接，所述电润湿的输出端与所述液滴定位模块的输入端连接，所述液滴定位模块的输出端与主控模块的输入端连接，所述电源的输出端与主控模块的输入端连接。
作为该技术方案的改进，所述主控模块为型号为STM32的芯片。
作为该技术方案的改进，所述液滴驱动模块为型号为SSD1627的芯片。
作为该技术方案的改进，所述液滴定位模块包括数据采集芯片和数据处理芯片。
进一步地，所述数据采集芯片为Pcap01芯片。
进一步地，所述数据处理芯片为CycloneIV芯片。
另一方面，本发明还提供一种基于电润湿的微流控液滴定位方法，包括以下步骤：
系统将电润湿内待测液滴与位于所述液滴下方的疏水绝缘层视为串联在一起的电容；
主控芯片发出命令至液滴驱动模块，所述液滴驱动模块驱动所述待测液滴移动；
液滴定位模块采集所述液滴当前电容值，并确定所述液滴的相对位置；
系统验证所述液滴是否位于目标位置，若不是，则主控模块发出命令至液滴驱动模块，并驱动液滴移动，直到到达所述目标位置；若是，则主控模块发出命令至液滴驱动模块，并驱动液滴移动至下一目标位置。
本发明的有益效果是：本发明提出了一套基于系统“芯片-液滴”等效电容模型的液滴定位与反馈系统方案，建立了一个“芯片-液滴”等效电容模型，把液滴驱动系统与定位系统相结合，再通过当前芯片内部液滴与疏水层的实时状态反馈给驱动系统，这样，在数据支持下可以更准确地了解到液滴在EWOD芯片电极上的具体位置和大体分布的情况，而不单单通过肉眼观察。采用该高智能化和精确度的液滴运动定位反馈系统及方法，可以更加直观、直接的进行液滴的定位与控制，十分方便，且效率较高，有利于提高液滴移动的连续性和移动速度，具有实用性和一定的创新性。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：
图1是本发明一实施例的系统控制示意图；
图2是本发明一实施例的控制流程图；
图3是本发明一实施例的基于介电湿润的双极板微流控芯片结构图；
图4是本发明一实施例的“芯片-液滴”系统的等效电路示意图；
图5是本发明一实施例的等效电路图；
图6是本发明一实施例的液滴分布俯视图；
图7是本发明一实施例的实验数据图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
等效电容是EWOD芯片的一种本质电路属性。在参数固定的一个EWOD芯片内，每个驱动电极单元的电容值只与液滴和驱动电极的相对位置有关。本方案利用这种特性，通过采集EWOD芯片相邻的驱动电极上的等效电容比得到一个无量纲值。根据这个无量纲值，可以分析定位出液滴在两个驱动电极上的分布和位置。由此可检测它的电容值来体现出是否形成坏点，判断坏点的种类和坏点开口率的情况。而电容值的测量是依靠基于FPGA控制的Pcap01-AD的电容测量平台。
本方案提出一套基于系统等效电容模型的液滴定位与反馈系统。该模型与系统可以精确的检测到当前EWOD芯片内液滴的位置以及当前在驱动电极上的分布，同时将这些信息实时传输回驱动系统，驱动系统根据当前状态重新给确定的驱动电极加电。该一体化模型与系统，有利于提高液滴移动的连续性和移动速度，对数字微流控芯片的应用有着重要的辅助作用。
电子电路模型是分析和预测EWOD系统行为的一种有效方法，根据介电湿润的原理，电容性是EWOD芯片的本质电路属性，因此设计的双极板微流控芯片可以看作是一个等效电容系统。参照图4，对于一个最小驱动单元来说，EWOD芯片的等效电路主要有三个并联的电路系统组成。首先，下极板上的介电层和疏水层(本方案的芯片设计利用一个较厚的Teflon作为疏水介电层)构成一个等效电容，其次液滴直接接触的上下极板上的厌水层也能构成一个等效电容，但该等效电容值与前一个等效电容值相比，该等效电容值较大，因此，对于一个串联的等效电容系统来说，在上极板间疏水层所形成的等效电容的电压降可以忽略，而绝大部分的电压降都发生在下极板的等效电容之上。所以在EWOD芯片的电路系统中，液滴才是该系统等效电容的接地端。同时液滴周围介质构成一个电容。对于大多数的微流控液滴来说，液滴的导电性比固体电介质层和周围的电介质流体大几个数量级，后者的电阻性可以认为趋向于无穷。所以一般认为包含有液滴的部分就构成了相互平行的电容和电阻。这里要提到的是，液滴的左右两侧表面会形成一个有一定弧度球液面。这个球液面会改变驱动电极之间的电场，但相对于驱动电极与极板间距对电场改变量，球液面对电场的改变量较小，可以忽略。因此对于EWOD单个驱动电极来说，其电路等效电容可以表示为：
其中，C1表示该等效模型的电容，C2表示液滴的电容，C3表示疏水绝缘层电容。
参照图5，是简化的“芯片-液滴”系统的等效电路示意图，对于使用直流电压(DC)去驱动一个EWOD芯片的驱动电极时，液滴本身的电容可以忽略不计。该公式可以简化成
C1＝C3
按照理论模型，对于一个半径为R的微液滴来说，液滴在运动过程中的面积可以分为3个部分去描述计算如图6所示。这3个液滴区域面积可以通过以下的公式计算得出：
S1＝πr2-S2
S3＝πr2
因为以上公式带有多次方和三角函数，在实际应用的程序中会有产生大量的算术运算，所以我们把液滴的形状简化成一个矩形，即它们的面积可以简化成以下公式
S1＝(r-x)L
S2＝Lx
S3＝Lr
通过上述公式得出的面积，可以利用平行板电容公式进一步计算出这3个部分所对应的系统等效电容，如公式：
上面公式中的ε0表示真空的介电常数，εAF表示疏水绝缘层的介电常数。利用两个驱动电极的电容比即可得到一个求解x的方程。在本方案中，采用了一种基于系统等效电容模型的单边测量方法。设计方法示意图如图所示，通过测量两个相邻电极的总的等效电容，得到一个求解x的方程，最终确定了液滴当前的位置。
根据公式，可以求解得到以下一个方程
x2Lε0εAF-xrLε0εAF+C1rdAF＝0
上述公式中的C1表示当前状态两个相邻电极总的等效电容，通过测量这个等效电容值，即可求出当前时刻液滴在EWOD芯片电极上的具体位置和大体分布。
该单边测量方法有以下优点：1，减少驱动电极在PCB上的引线，从而增加了PCB布线空间。2.不需要光电继电器隔离，减少了器件开销，提高了系统驱动和定位的实时性。
该方案的具体实施为：
A.搭建测量系统
参照图1，是本发明一实施例的系统架构图。一种基于电润湿的微流控液滴定位系统，包括电润湿、微处理器、主控模块、液滴驱动模块、液滴定位模块和电源，所述微处理器与主控模块连接，所述主控模块的输出端与液滴驱动模块的输入端连接，所述液滴驱动模块的输出端与电润湿的输入端连接，所述电润湿的输出端与所述液滴定位模块的输入端连接，所述液滴定位模块的输出端与主控模块的输入端连接，所述电源的输出端与主控模块的输入端连接。
该系统包括ARM公司的STM芯片的STM32和SSD1627芯片。其中STM32芯片作为主控芯片，SSD1627芯片作为EWOD芯片的驱动芯片，两款芯片的通信方式为I2C通信。液滴定位模块包括德国ACAM公司的Pcap01芯片和ALTERA公司的FPGA芯片CycloneIV芯片。其中Pcap01芯片作为“芯片-液滴”等效电容的采集器，CycloneIV芯片作为对来自Pcap01芯片采集的电容值来进行数据处理，以确定液滴在EWOD芯片上的相对位置，该两款芯片的通信方式为SPI通信。CycloneIV芯片将处理后的数据(即液滴在EWOD芯片上的相对位置)通过SPI将数据反馈到主控芯片STM。
参照图2，是本发明一实施例的控制流程图。一种基于电润湿的微流控液滴定位方法，包括以下步骤：
系统将电润湿内待测液滴与位于所述液滴下方的疏水绝缘层视为串联在一起的电容；
主控芯片发出命令至液滴驱动模块，所述液滴驱动模块驱动所述待测液滴移动；
液滴定位模块采集所述液滴当前电容值，并确定所述液滴的相对位置；
系统验证所述液滴是否位于目标位置，若不是，则主控模块发出命令至液滴驱动模块，并驱动液滴移动，直到到达所述目标位置；若是，则主控模块发出命令至液滴驱动模块，并驱动液滴移动至下一目标位置。
参照图3-图5，作为一实施例，所采用的配置方案为：将电极分别标注为电极1、电极2、电极3，驱动电压为30V，液滴完全覆盖电极1，且在电极2占有0.5mm(其中球体的液滴直径为r＝4mm，电极宽度L＝3mm)，电容测量为时钟触发模式。实验目的是液滴从电极1完全移动到电极3上。主控芯片STM32通过I2C发送命令，使SSD1627给电极2上加30V电压，驱动液滴在EWOW芯片向电极3上移动，然后按照此配置，一块基于Pcap01芯片的传感器阵列上的每一个传感器可以同时采集3个驱动电极的数据，Pcap01芯片采集EWOD芯片上电极1与电极2之间的电容值，以及电极2与电极3之间的电容值，其液滴在电极2上的位置可有如下表格1中的实验数据可知，即当液滴在电极2上的数值为2mm时其等效电容值最大。对于一个复杂的EWOD芯片(一般30个驱动电极单元)，只需要10个Pcap01即可。测量时，将Pcap01芯片测量引脚分别连接电极1、电极2、电极3的引脚。
B.测量EWOD芯片上各电极的电容值
参照图4，为“芯片-液滴”系统的等效电路图。由所述公式确定液滴当前位置，x2Lε0εAF-xrLε0εAF+C1rdAF＝0。
(L是电极宽度，r是液滴直径，dAF是疏水绝缘层厚度，C1是“芯片-液滴”等效电容，x是液滴在电极2上的位置)。此时，液滴完全在电极1上有一个电容值，参照图7所示，当液滴位于电极1与电极2中间位置时，电容值最高，且当液滴在电极1与电极2的体积比为1∶9与9∶1，即(液滴在电极2上的位置为0.4mm与3.6mm)时，电容值一样，基于液滴的连续性，可按照电极1与电极2之间等效电容值与液滴的位置关系的原理，同时测量电极2与电极3之间的电容值，最终确定液滴的具体位置，并将数据反馈到主控芯片STM32后，由主控芯片STM32调节控制，使液滴完全移动到电极3上。通过测量其电容值，并分析其中的数据，可以找到电容值与x(液滴相对位置)之间的关系，数据如下：
1.选取一组电极(电极1、电极2)对电极间的电容值进行测量，其等效电容数值为：C1＝128.22pF；
2.根据求解公式：x2Lε0εAF-xrLε0εAF+C1rdAF＝0，(其中L＝3*10^3mm，ε0＝8.84*10^-12，εAF＝1.934，r＝4*10^-3m，dAF＝400*10^-9m)其数值为：x＝2mm；
现从实验数据中选取有代表性的液滴在电极1和电极2的位置以作说明：
表1
由上表可知，根据所建立的“芯片-液滴”等效电容模型得出电容值跟阻抗分析仪得出的电容值基本一致。
C.对测量的电容值进行处理
每测量一个等效的电容值后，FPGA芯片将数据通过串口传到计算机来进行后续处理。采用Processing搭建一个用户界面，在建立“芯片-液滴”等效电容模型的基础上进行数据处理，可明确知道所测量等效电容值和液滴移动距离x，并以此判断液滴在EWOD芯片上的具体位置和分布情况。
本发明提出的一套基于系统等效电容模型的液滴定位反馈系统方案，首创提出把液滴驱动系统与定位系统相结合，再通过当前芯片内部液滴与AF实时状态发送给微处理器，使得液滴在EWOD芯片电极上的具体位置和大体分布的情况可以在数据上更直观地体现出来。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (7)

1.一种基于电润湿的微流控液滴定位系统，其特征在于，包括电润湿、微处理器、主控模块、液滴驱动模块、液滴定位模块和电源，所述微处理器与主控模块连接，所述主控模块的输出端与液滴驱动模块的输入端连接，所述液滴驱动模块的输出端与电润湿的输入端连接，所述电润湿的输出端与所述液滴定位模块的输入端连接，所述液滴定位模块的输出端与主控模块的输入端连接，所述电源的输出端与主控模块的输入端连接。
2.根据权利要求1所述的基于电润湿的微流控液滴定位系统，其特征在于：所述主控模块为型号为STM32的芯片。
3.根据权利要求1或2所述的基于电润湿的微流控液滴定位系统，其特征在于：所述液滴驱动模块为型号为SSD1627的芯片。
4.根据权利要求3所述的基于电润湿的微流控液滴定位系统，其特征在于：所述液滴定位模块包括数据采集芯片和数据处理芯片。
5.根据权利要求4所述的基于电润湿的微流控液滴定位系统，其特征在于：所述数据采集芯片为Pcap01芯片。
6.根据权利要求4所述的基于电润湿的微流控液滴定位系统，其特征在于：所述数据处理芯片为CycloneⅣ芯片。
7.一种基于电润湿的微流控液滴定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
系统将电润湿内待测液滴与位于所述液滴下方的疏水绝缘层视为串联在一起的电容；
主控芯片发出命令至液滴驱动模块，所述液滴驱动模块驱动所述待测液滴移动；
液滴定位模块采集所述液滴当前电容值，并确定所述液滴的相对位置；
系统验证所述液滴是否位于目标位置，若不是，则主控模块发出命令至液滴驱动模块，并驱动液滴移动，直到到达所述目标位置；若是，则主控模块发出命令至液滴驱动模块，并驱动液滴移动至下一目标位置。
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