CN108021041A - 一种数字式微流控芯片液滴驱动控制系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种数字式微流控芯片液滴驱动控制系统，包括人机界面、控制器、继电器控制板、驱动电源板和芯片；所述人机界面、控制器、继电器控制板、驱动电源板顺序连接，继电器控制板与芯片连接；方法包括人机界面接收芯片的控制参数；控制器将控制参数转换为电平信号发送至继电器控制板；驱动电源板给继电器控制板提供驱动电压；继电器控制板根据电平信号将驱动电压供给芯片上的电极。本发明通过人机界面调用液滴路径规划文档，并在液滴移动执行时实时地监控电极通电的状态。

Description

一种数字式微流控芯片液滴驱动控制系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及计算机科学及微流控芯片技术，特别提供了一种集成式数字微流控芯片液滴自动驱动系统及其控制方法。

背景技术

微流控芯片实验室是指把生物和化学等领域中所涉及的样品制备、分离、检测等基本操作单元集成到一块几平方厘米的芯片上，用以完成不同的微量生物及化学样品相互作用或反应过程，并对其产物进行分离、分析的一种技术。在微流控芯片上，液滴可以为水相或有机相，具有作为反应单元的功能。芯片通过承载不同样品液滴间的相互融合、分裂、再输运、再融合，可以实现微量生物、化学样品间的相互作用与化学反应。

数字式微流控芯片由“三明治”结构，即工作电极(下极板)、共地电极(上极板)和夹在以上两个极板间的液滴组成。工作电极由被介电材料和疏水材料覆盖的一定数量并可独立通电的电极组成，介电材料起到电气绝缘作用，并在电极通电时提供电润湿力和介电泳力。共地电极由透明导电材料，如镀导电氧化铟锡玻璃等构成。上极板和下极板表面均涂覆有超疏水材料，如特氟龙等。

对数字液滴实现输运、融合与分裂等操控，可以通过控制系统来完成。在不通电的情况下，数字式微流控芯片电极的表面无法润湿。而利用电润湿和介电泳现象，仅通过工作电极上的独立电极引脚施加一定的电压，即可使被通电的独立电极表面发生润湿，从而达到驱动液滴的目的。对工作电极施加液滴驱动电压通断的启停和幅值的时序控制，决定了液滴是否能够按照操作者规划的路线自动地完成移动、融合和分裂等操作。

而目前的数字式微流控芯片驱动系统中，尚未见对液滴路径进行预先规划和操控监控的综合控制系统。

发明内容

本发明目的是提供一种数字微流控芯片液滴驱动系统，以PC机为上位机，通过软件生成驱动液滴的数字信号代码，将该信号传输至控制器，以控制数字微流控芯片的引脚上驱动电压的通断，达到对液滴输运进行操控的目的。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种数字式微流控芯片液滴驱动控制系统，其特征在于包括人机界面、控制器、继电器控制板、驱动电源板和芯片；所述人机界面、控制器、继电器控制板、驱动电源板顺序连接，继电器控制板与芯片连接；

所述人机界面，用于接收芯片的控制参数；

控制器，用于将控制参数转换为电平信号发送至继电器控制板；

驱动电源板，用于给继电器控制板提供驱动电压；

继电器控制板，用于根据电平信号将驱动电压供给芯片上的电极。

所述继电器控制板包括多个继电器电路；继电器电路包括继电器和三极管；继电器的线圈一端与电源连接，另一端与三极管的集电极连接，线圈并联有二极管；继电器的一组常开触点的一个触点用于输入继电器控制板的驱动电压，另一个触点用于连接芯片上的一个电极；三极管发射极接地，基极通过电阻与控制器连接。

所述芯片包括：上极板、下极板和PCI插槽；所述上极板和下极板均为PCB板；所述上极板、下极板的边缘设有金手指引脚，插入PCI插槽；PCI插槽与继电器控制板连接。

所述上极板的左右两端由导电胶带缠绕构成上、下极板之间的间隔。

所述下极板上表面设有多个排列的电极，每个电极的引线通过通孔由下极板下表面引出，通过金手指引脚与继电器控制板连接。

一种数字式微流控芯片液滴驱动控制方法，包括以下步骤：

人机界面接收芯片的控制参数；

控制器将控制参数转换为电平信号发送至继电器控制板；驱动电源板给继电器控制板提供驱动电压；

继电器控制板根据电平信号将驱动电压供给芯片上的电极。

所述控制参数包括电极序号、单步运行时间和间隔停歇时间。

所述控制器将控制参数转换为电平信号发送至继电器控制板包括以下步骤：

控制器将用户所选的电极序号以及该电极运行需要的单步运行时间和间隔停歇时间保存；

运行时，发出高电平给继电器控制板用于选通所选电极。

所述继电器控制板根据电平信号将驱动电压供给芯片上的电极包括以下步骤：

所述继电器控制板上所选电极的继电器电路收到控制器发来的高电平后，该继电器电路中的三极管的发射极和集电极导通，继电器常开触点闭合使对应的电极通电，驱动电极上的液滴。

本发明具有以下有益效果及优点：

1.本发明通过人机界面设计液滴移动路径，选择电极的通电、断电和时长，通过继电器控制板控制所选电极加电的通断，驱动液滴向目标电极移动，可根据液滴的具体操控情况调整目标电极的通电时间，达到精确控制液滴移动状态的目的。

2.本发明通过人机界面调用液滴路径规划文档，并在液滴移动执行时实时地监控电极通电的状态。

3.在实际操作中，首先通过软件界面对液滴路径规划，即或电极通电电压的启停和幅值的时序，进行预先设定和文档存储，在执行液滴操控时对该设定进行调用并实时地对电极的通电状态进行监控，将极大地方便操作者对液滴，特别是中高通量液滴的管控。

附图说明

图1a为基于双层PCB结构的PCI数字微流控芯片各部组成平面示意图一；

图1b为基于双层PCB结构的PCI数字微流控芯片各部组成平面示意图二；

图1c为基于双层PCB结构的PCI数字微流控芯片各部组成平面示意图三；

其中，1为上极板，2为连接器，3为下极板；1-1为粘贴在上极板上的极板间隔，2-1为连接器中的芯片插槽，2-2为连接器中的金手指，3-1和3-2为芯片上的引脚；

图2为基于双层PCB结构的PCI引脚数字微流控芯片的细节示意图；

图3a为基于双层PCB结构的PCI引脚数字微流控芯片的组件示意图一；

图3b为基于双层PCB结构的PCI引脚数字微流控芯片的组件示意图二；

图3c为基于双层PCB结构的PCI引脚数字微流控芯片的组件示意图三；

其中，4为适配器，4-1为双排针插槽；

图4为数字微流控芯片液滴驱动系统结构原理图；

图5为驱动电源电路原理图；

图6为继电器控制板原理图；

图7a为机箱的左视图；

图7b为机箱的主视图；

图7c为前后和底俯视图；

图8a为芯片夹具设计图的左视图；

图8b为芯片夹具设计图的示意图；

图8c为芯片夹片固定芯片示意图；

图9为防喷溅挡板示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。

本发明涉及一种对数字式微流控芯片上的液滴进行驱动电压通断开关和时间自动控制的集成式系统。该驱动系统的软件部分由电极通电人机界面及用于液滴驱动的代码编译软件构成。该驱动系统的硬件部分包括控制器、电磁继电器控制板、驱动电源板、芯片夹具、防喷溅挡板等组件，并集成在便于各组件装载与拆卸的透明机箱中。以上述软硬件为基础，本发明提供了对数字芯片液滴驱动的自动控制。

一种数字式微流控芯片液滴驱动系统，主要包括：

对2-96个电极进行并行独立通电、断电控制的软件部分；

对2-96个电极进行并行独立通电、断电控制的硬件部分。

软件可以(1)编译电极的通电组合和时序，并预先录入液滴输运代码文档中；(2)在进行液滴驱动时，系统调用预先存储的所述文档，按照文档代码中的电极加电组合与时序，多步(或单步)及并行地控制施加在芯片引脚上驱动电压的通断开关和时间，并提供对电极所施通电压的通断状态和时间的实时监控。

数字式微流控芯片液滴驱动系统的硬件部分，主要包括以下组成部分：

对数字液滴芯片上2-96个电极的并行独立通电、断电的控制设备，主要包括控制器和控制电路继电器板；

驱动电压生成电路板；

固定数字芯片以便于实验和观测的芯片夹具；

以个人计算机(Personal Computer，下称PC)为上位机，数字液滴驱动软件在上位机上运行。

本发明中的数字微流控芯片液滴驱动系统由软件和硬件部分构成。

人机操作界面提供了对电极驱动电压通断开关和时间的设定功能。操作者可以通过所述人机操作界面，选取存储液滴驱动代码信息的文档路径，点击界面上的多个(或单个)电极，输入液滴驱动“单步运行时间”和单步“间隔停歇时间”。在各步通电时序设定完成后，操作者可以点击“全部完成/结束”下的保存键，完成全部操作的通电时序设定。在此期间，后台软件自动编译液滴驱动代码。

人机操作界面，提供了对电极通电的自动化操作和状态监视功能。操作者可以通过人机界面调用存储液滴驱动代码信息的文档，将文档中的液滴驱动代码发至控制器。本发明提供的数字微流控芯片液滴驱动系统按照所述文档规定的通电电极、单步通电时间和通电间歇时间实现液滴驱动的自动运行。软件运行时，操作者还可以通过该界面实时监视各个电极的通断状态、通电时间和各步骤执行情况。

硬件部分包括PC机、控制器、信号发生器、驱动电压发生电源板、控制电路继电器板、芯片夹具和机箱。

如图4所示的数字微流控芯片液滴驱动系统的侧面示意图，包括系统的硬件组成、结构及信号连接描述；图1c为数字微流控芯片正面设计图。控制器接收到上位机发送来的液滴驱动电极编码后，将编码转换为并行的高电平，驱动继电器控制板上的继电器的开启，导通驱动电源板输出的驱动电压，并将其施加在芯片夹具上的芯片引脚上。

本发明提供的数字微流控芯片液滴驱动系统的硬件组成如图4所示，各硬件模块间连接方式及具体实现的描述如下：

驱动电源板模块(电路原理图见图5)，由信号发生器(图5中signal generator)输入正负方波脉冲信号，经变压器对电压幅值进行放大，经过瞬间抑制(TVS)二极管削波稳压以过滤放大电压脉冲中的尖峰等杂波，从而起到防止芯片击穿的作用。此外，通过一个拨盘开关可以对驱动电源的输出幅值进行选择，驱动电源的输出(图5中high voltage接口)为正负对称方波电压，与继电器控制板的驱动输入连通。该模块的电压输出幅值可通过拨盘开关从多个选择中任选一个。

继电器控制板(电路原理图见图6)上，软件发至控制器的驱动代码转为控制器的数字输出信号与三极管开关电路的基极连接。在控制器数字输出信号为高电平时，三极管的发射极和集电极置于导通状态，继电器闭合，导致数字芯片引脚与驱动电压处于接通状态，为数字芯片上的液滴运动提供电力；在控制器数字输出信号为低电平时，三极管的发射极和集电极处于截止状态，继电器处于开路状态，数字芯片引脚处于不通电状态，因此数字芯片上的液滴为静止状态。

机箱见图8a-8c，机箱壳体、芯片夹具、防喷溅挡板为透明亚克力材料制成。在机箱中从下到上依次承载驱动电源板、控制器、控制电路继电器板、防喷溅挡板、芯片夹具等部件。上述部件之间通过铜柱连接，并由铜柱固定在机箱的底板上。机箱壳体上的板(图7a-7c)可以沿合页处掀起、合上，上盖板和前后侧板可以打开，以便完成芯片夹具数字芯片的观测、组装及拆卸。同时，通过机箱上的后侧板和左侧板部有若干开孔，供机箱内电气模块与外部形成电气与信号连接、固定箱内开关等使用。此外，机箱上的前后侧板上还有若干散热小孔，供驱动电源板上的变压器(见图5)散热用。

芯片夹具(设计图见图8a-8c)的中央位置备有芯片槽，供装载数字芯片的下极板使用。夹具中有圆形过孔，供螺栓穿过，螺栓起到固定芯片夹片的作用。上下极板由间隔隔开，芯片夹片将上极板按压在芯片槽中的下极板和间隔之上，液滴的高度由间隔的高度决定。

防喷溅挡板(设计图见图9)起到分隔数字芯片和控制系统电气模块的作用，以防止液体样品与控制器接触，造成电气短路等事故发生。挡板左侧有部分挖空，供地线穿过挡板与芯片的上极板形成电气连接。

总之，本发明可以通过软件控制多个驱动电压通道，对数字式微流控芯片上的液滴运动进行实时操控，并将部件集成在一个便于组装、操作、观察和视频采集的透明机箱中，为构建多液滴输运管理系统提供了一种现实可行易于操作的自动化仪器。

本发明的芯片可以采用如下方案：

基于双层印刷电路板的PCI引脚数字微流控芯片，包括：上极板、下极板和PCI插槽；所述上极板和下极板均为PCB板；所述上极板、下极板的边缘设有金手指引脚，插入PCI插槽。

所述上极板的左右两端由导电胶带缠绕构成上、下极板之间的间隔。

所述下极板上表面设有多个排列的电极，每个电极的引线通过通孔由下极板下表面引出，与金手指引脚连接。

所述电极上滴有液滴，位于上极板、下极板之间形成液柱。

本发明提供了一种基于双层PCB的数字微流控芯片设计，芯片各部的平面结构示意图如图1a～图1c所示。在本发明的典型结构中，上极板①的左右两端由导电胶带1-1缠绕构成上下极板之间的间隔，并提供与地线间的电气连接；下极板②由具有标准PCI尺寸的金手指引脚3-1、引线和工作区电极3-2组成；下极板③的金手指引脚3-1对应PCI插槽2-1。图中上下两排各49个引脚，其中最右侧引脚为空连，也可提供地线的电气连接。下极板以双层PCB作为芯片的基材，将工作电极布置在芯片的顶层，相邻电极之间的间距为0.05mm至0.25mm,将引脚和引线布置在芯片的底层。如图2所示，PCB板底层的引线与顶层的电极之间通过通孔实现层间的电气连接。之后，利用气相沉积法将介电材料沉积在芯片的顶层，并采用匀胶法或浸没的方式将疏水剂涂覆在芯片的表面。

本发明还提供了一种的PCB板适配器④，如图3a～图3c所示，可将基于双层PCB的PCI数字微流控芯片与控制系统连接。控制系统中继电器控制板的单个继电器提供对芯片上单个电极驱动电场的开关控制。该适配器包括2个标准PCI插槽，2个50针2.54mm间距标准排针。所述双层PCB的PCI引脚数字微流控芯片③与一对PCI连接器②接驳后，该转角插槽与适配器④上的PCI插槽连接，后者与排针之间通过PCB板上的电路连接，排针与控制系统之间的电气连接由一对排线分别连接。

此外，在本发明中，一对具有单排PCI金手指的数字微流控芯片可以拓展到144个引脚，而一对双面PCI金手指可以拓展到288个引脚。

图1基于双层PCB结构的PCI数字微流控芯片各部组成平面示意图。1、2、3分别为连接器和下极板。其中1-1为粘贴在上极板上的极板间隔，2-1为连接器中的芯片插槽，2-2为连接器中的金手指，3-1和3-2为芯片上的引脚。图中方块表示电极，虚线为置于芯片反面的引线，实线为正面引线，圆圈为形成正反面电气连接的过孔。

图2基于双层PCB结构的PCI引脚数字微流控芯片的细节示意图。该芯片分为上下两层，图中电极布于PCB板的正面；引线(用虚线表示)布于PCB板的下层，通过贯穿上下层的金属通孔(图中黑色圆圈所示)与上层电极实现电气连接。为说明引线在该双层PCB板中的位置，背面有引线穿过的电极在图中用透明化黑色正方形表示，但实际芯片中的电极和板材为不透明；背面没有引线的电极用不透明黑色正方形表示。

图3a～图3c基于双层PCB结构的PCI引脚数字微流控芯片的组件示意图。(A)从上到下：上极板1、PCI连接器1②、下极板③、PCI连接器2②；(B)具有PCI插槽的PCB板适配器④。4-1为PCB板适配器上的一对双排针插槽，用于连接排线，并通过排线与控制系统形成电气连接。

1.将图3b中基于双面PCB结构的PCI芯片下极板③插入两侧对应的一对PCI连接器②的插槽2-1中，则下极板上的弯角金手指引脚3-1与插槽中的簧片一一对应。该对插槽作为芯片的连接器，为芯片与PCB板适配器提供电气连接；

2.装载芯片的PCI连接器②上的金手指2-2插入(B)PCB板适配器④上的PCI插槽4-1中；

3.将一滴或多滴液滴滴加在工作电极上；

4.将带有间隔的上极板覆盖在工作电极上，则液滴夹在上下极板之间形成扁平的液柱；

通过控制系统向与液滴的邻位电极相连的电气引脚施加液滴驱动电压，驱动液滴向邻位电极移动。

Claims (9)

1.一种数字式微流控芯片液滴驱动控制系统，其特征在于包括人机界面、控制器、继电器控制板、驱动电源板和芯片；所述人机界面、控制器、继电器控制板、驱动电源板顺序连接，继电器控制板与芯片连接；

所述人机界面，用于接收芯片的控制参数；

控制器，用于将控制参数转换为电平信号发送至继电器控制板；

驱动电源板，用于给继电器控制板提供驱动电压；

继电器控制板，用于根据电平信号将驱动电压供给芯片上的电极。

2.根据权利要求1所述的一种数字式微流控芯片液滴驱动控制系统，其特征在于所述继电器控制板包括多个继电器电路；继电器电路包括继电器和三极管；继电器的线圈一端与电源连接，另一端与三极管的集电极连接，线圈并联有二极管；继电器的一组常开触点的一个触点用于输入继电器控制板的驱动电压，另一个触点用于连接芯片上的一个电极；三极管发射极接地，基极通过电阻与控制器连接。

3.根据权利要求1所述的一种数字式微流控芯片液滴驱动控制系统，其特征在于所述芯片包括：上极板、下极板和PCI插槽；所述上极板和下极板均为PCB板；所述上极板、下极板的边缘设有金手指引脚，插入PCI插槽；PCI插槽与继电器控制板连接。

4.根据权利要求3所述的一种数字式微流控芯片液滴驱动控制系统，其特征在于所述上极板的左右两端由导电胶带缠绕构成上、下极板之间的间隔。

5.根据权利要求3所述的基于双层印刷电路板的PCI引脚数字微流控芯片，其特征在于所述下极板上表面设有多个排列的电极，每个电极的引线通过通孔由下极板下表面引出，通过金手指引脚与继电器控制板连接。

6.一种数字式微流控芯片液滴驱动控制方法，其特征在于包括以下步骤：

人机界面接收芯片的控制参数；

控制器将控制参数转换为电平信号发送至继电器控制板；驱动电源板给继电器控制板提供驱动电压；

继电器控制板根据电平信号将驱动电压供给芯片上的电极。

7.根据权利要求6所述的一种数字式微流控芯片液滴驱动控制方法，其特征在于所述控制参数包括电极序号、单步运行时间和间隔停歇时间。

8.根据权利要求6所述的一种数字式微流控芯片液滴驱动控制方法，其特征在于所述控制器将控制参数转换为电平信号发送至继电器控制板包括以下步骤：

控制器将用户所选的电极序号以及该电极运行需要的单步运行时间和间隔停歇时间保存；

运行时，发出高电平给继电器控制板用于选通所选电极。

9.根据权利要求6所述的一种数字式微流控芯片液滴驱动控制方法，其特征在于所述继电器控制板根据电平信号将驱动电压供给芯片上的电极包括以下步骤：

所述继电器控制板上所选电极的继电器电路收到控制器发来的高电平后，该继电器电路中的三极管的发射极和集电极导通，继电器常开触点闭合使对应的电极通电，驱动电极上的液滴。