CN113996359A - 一种闭环控制数字微流控系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

一种闭环控制数字微流控系统及其控制方法，属于生化检测领域。本发明解决了现有数字微流控芯片进行液体驱动时存在实时监控和调整液滴移动稳定性差的问题。本发明每个数字微流控芯片的每个电极片均通过导线和第一继电器连接交流或直流电源，每个第一继电器的开关控制信号端连接驱动控制器的一个开关控制信号输出端；所述驱动控制器用于通过控制第一继电器的断开或闭合，对数字微流控芯片相对的电极对是否上电进行控制，电极对上电对液滴进行驱动。本发明适用于微流控芯片的控制。

Description

一种闭环控制数字微流控系统及其控制方法

技术领域

本发明属于生化检测领域，具体涉及一种数字微流控系统及其控制方法。

背景技术

数字微流控芯片，利用介电润湿技术对微量液滴进行操纵控制，实现传统实验室大型设备的检测功能。因其具有高通量、低耗液量，以及快速检测能力，在医疗检测领域具有广阔的发展前景。数字微流控利用介电润湿原理，通过在电极上施加电势，改变电极上方介电层与液滴之间的浸润性，从而改变液滴形状和位置。然而，目前的微流控芯片都采用开环控制方法，在按照固定频率依次在不同电极上施加电压。在理想情况下，液滴将按照施加电压的电极次序移动。然而，由于不同电极尺寸、电极间距、介电层厚度、介电层均匀程度都有所差异，可能导致液滴驱动不起来或者移动方向偏移。这样无法保证微流控芯片的可靠性，尤其当用于光电检测时候，芯片处于暗室，操作人员无法直接观察。因此，现有的芯片液体驱动时存在实时监控和调整液滴移动稳定性差的问题。

发明内容

本发明是为了解决现有数字微流控芯片进行液体驱动时存在实时监控和调整液滴移动稳定性差的问题，提出了一种闭环控制数字微流控系统及其控制方法。

本发明所述的一种闭环控制数字微流控系统，该系统包括：交流或直流电源、两片数字微流控芯片、检测控制器、驱动控制器、微处理器和显示器；

两个数字微流控芯片相对设置，且所述两个数字微流控芯片的电极片一一对应；

每个数字微流控芯片的每个电极片均通过导线和第一继电器连接交流或直流电源，每个第一继电器的开关控制信号端连接驱动控制器的一个开关控制信号输出端；

所述驱动控制器用于通过控制第一继电器的断开或闭合，对数字微流控芯片相对的电极对是否上电进行控制，电极对上电对液滴进行驱动；

驱动控制器5的控制信号输入端连接微处理器的驱动控制信号输出端，检测控制器的控制信号输入端连接微处理器的检测控制信号输出端，所述微处理器的液滴位置信号输入端连接检测控制器的检测信号输出端，检测控制器包括多个检测端，每个检测端均通过导线和第二继电器连接两个数字微流控芯片一对相对的电极片；

微处理器用于根据当前液滴位置和液滴的目标位置向驱动控制器发送驱动方向控制信号；

显示器的显示信号输入端连接微处理器的液滴位置信号输出端，用于对液滴位置显示。

进一步地，本发明中，检测控制器还用于根据本次驱动前液滴位置，对液滴一次驱动后的检测区域进行设置，并根据所述检测区域控制第二继电器断开或闭合。

进一步地，本发明中，检测区域为本次驱动前液滴位置对应的电极对及与该位置相邻且距离最近的8个电极对。

进一步地，本发明中，数字微流控芯片包括基板、电极片、介电层和疏水层；

基板的顶面覆有多个电极片，且所述多个电极片呈阵列布满基板顶面，所述基板的板体开有多个通孔，所述多个通孔与所述电极片一一对应；

所述基板的底面布设有多条导线，每条导线连接一个通孔；所述每条导线与一个电极片通过过孔工艺电气连接；

每个电极片的外侧覆盖有介电层，且所述介电层和基板上表面均覆盖有疏水层。

进一步地，本发明中，微处理器采用型号为STM32的芯片实现。

进一步地，本发明中，还包括报警系统，所述报警系统用于接收微处理器的芯片故障报警信号，并进行报警，所述微处理器还用于根据检测控制器输出的检测信号，判断驱动后液滴位置是否发生改变以及改变方向是否为临时目标方向，若x次驱动后液滴位置仍未发生改变，则向报警系统发送芯片故障报警信号，其中，3≤x≤5；若液滴连续y次出现移动方不是临时目标方向时，向报警系统发送芯片故障报警信号，其中，3≤y≤5。

一种闭环控制数字微流控系统的控制方法，该方法基于闭环控制数字微流控系统实现，具体包括：

步骤一、利用检测控制器检测未滴入液滴时两个数字微流控芯片上所有相对电极对之间的电容值，并对应记录为每对电极对的初始值；

步骤二、根据液滴当前位置，设定本次驱动后检测控制器的检测区域；同时根据液滴的最终目标位置，确定液滴本次驱动的临时目标电极对；

步骤三、控制临时目标电极对上电，时间t后，获取检测区域内每对电极对之间的电容值，并将获取的电极对的电容值与其对应的初始值作差，获取本次驱动后液滴的位置；

步骤四、根据步骤三获取的本次驱动后液滴位置与本次液滴驱动前位置，判断液滴是否移动，若是，执行步骤五，否则，增大临时目标电极对的驱动电压，返回执行步骤三，直至n次增大临时目标电极对的驱动电压后，液滴仍未移动，进行芯片故障报警；

步骤五、判断液滴是否移动至临时目标电极对，若是，则完成一次液滴驱动，否则，返回执行步骤二。

进一步地，本发明中，步骤一中，设定的本次驱动后检测控制器的检测区域为：

本次驱动前液滴位置对应的电极对及与该位置相邻且距离最近的8个电极对。

进一步地，本发明中，步骤二中，所述液滴本次驱动临时目标电极对为：与液滴当前位置相邻，且位于目标位置方向的电极对。

进一步地，本发明中，时间t的范围为0.5秒至30秒。

本发明提出一种基于电容检测的闭环控制数字微流控系统，能够实现液滴微流体的实时准确操控以及对运行状态的监控和报警。设计包含系统构成，芯片结构以及检测算法三个方面。传统微流控的系统结构没有检测控制器件以及反馈控制功能。本发明系统通过检测控制器的反馈信号，来控制交流或直流电源、驱动控制器以及显示和报警系统，形成闭环控制，提升了对液滴操控的准确性，以及系统运行的可靠性。芯片结构设计中，与传统不同，提出顶板与底板皆采用阵列式电极形态，通过检测对应上下电极之间电容值，实现液滴位置的检测。电容检测具有高灵敏度和高稳定性的特点，不会因温度等环境产生检测信号的漂移。在检测算法上，本发明采用区域式检测方法，根据前一时刻液滴位置选择特定区域电极对进行电容检测，相对于全电极检测，本发明的检测算法能够极大减少检测量，实现更加快速地检测液滴位置以及驱动状态，及时上报系统问题。在驱动过程中，本发明结合电容检测结果，动态调整驱动电压，解决由于加工误差、介电材料均匀性等原因导致局部位置液滴移动受阻问题，提升液滴操控的可靠性。

附图说明

图1是两片数字微流控芯片驱动液滴的示意图；

图2是本发明所述闭环控制数字微流控系统电气原理框图；

图3是数字微流控芯片的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

具体实施方式一：下面结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述一种闭环控制数字微流控系统，

该系统包括：交流或直流电源1、两片数字微流控芯片3、检测控制器4、驱动控制器5、微处理器6和显示器7；

两个数字微流控芯片3相对设置，且所述两个数字微流控芯片3的电极片一一对应；

每个数字微流控芯片3的每个电极片均通过导线和第一继电器2连接交流或直流电源1，每个第一继电器2的开关控制信号端连接驱动控制器5的一个开关控制信号输出端；

所述驱动控制器5用于通过控制第一继电器2的断开或闭合，对数字微流控芯片3相对的电极对是否上电进行控制，电极对上电对液滴进行驱动；

驱动控制器5的控制信号输入端连接微处理器6的驱动控制信号输出端，检测控制器4的控制信号输入端连接微处理器6的检测控制信号输出端，所述微处理器6的液滴位置信号输入端连接检测控制器4的检测信号输出端，检测控制器4包括多个检测端，每个检测端均通过导线和第二继电器连接两个数字微流控芯片3一对相对的电极片；

微处理器6用于根据当前液滴位置和液滴的目标位置向驱动控制器5发送驱动方向控制信号；

显示器7的显示信号输入端连接微处理器6的液滴位置信号输出端，用于对液滴位置显示。

进一步地，本实施方式中，检测控制器4还用于根据本次驱动前液滴位置，对液滴一次驱动后的检测区域进行设置，并根据所述检测区域控制第二继电器断开或闭合。

进一步地，本实施方式中，检测区域为本次驱动前液滴位置对应的电极对及与该位置相邻且距离最近的8个电极对。

进一步地，本实施方式中，数字微流控芯片3包括基板3.1、电极片3.2、介电层3.3和疏水层3.4；

基板3.1的顶面覆有多个电极片3.2，且所述多个电极片3.2呈阵列布满基板3.1顶面，所述基板3.1的板体开有多个通孔，所述多个通孔与所述电极片3.2一一对应；

所述基板3.1的底面布设有多条导线，每条导线连接一个通孔；所述每条导线与一个电极片3.2通过过孔工艺电气连接；

每个电极片3.2的外侧覆盖有介电层，且所述介电层3.3和基板3.1上表面均覆盖有疏水层。

进一步地，本实施方式中，微处理器6采用型号为STM32的芯片实现。

进一步地，本实施方式中，还包括报警系统，所述微处理器6还用于根据检测控制器4输出的检测信号，判断驱动后液滴位置是否发生改变以及改变方向，若x次驱动后液滴位置仍未发生改变，则向报警系统发送芯片故障报警信号，其中，3≤x≤5；若液滴移动方向错误，也向报警系统发送芯片故障报警信号。

本发明数字微流控芯片3的主体为底板顶板组成三明治型两种工作形式，如图1所示。底板为具有电极阵列的PCB，液滴在PCB上，液滴下方与多个电极接触。PCB底板的基板可以为FR-4、铝基板等任意硬质材料，也可以是以聚酰亚胺或聚酯薄膜为基材的柔性板。与常规微流控芯片不同，本发明芯片的顶板与底板层具有相同的电极阵列。顶板与底板都涂有微米级或亚微米厚度的介电层。介电层上修饰疏水层。顶板与底板之间保持一定距离固定，液滴夹在顶板和底板之间，液滴上方与顶板疏水层接触，液滴下方与底板疏水层接触。

一种闭环控制数字微流控系统的控制方法，该方法基于闭环控制数字微流控系统实现，具体包括：

步骤一、利用检测控制器4检测未滴入液滴时两个数字微流控芯片3上所有相对电极对之间的电容值，并对应记录为每对电极对的初始值；

步骤二、根据液滴当前位置，设定本次驱动后检测控制器4的检测区域；同时根据液滴的最终目标位置，确定液滴本次驱动的临时目标电极对；

步骤三、控制临时目标电极对上电，时间t后，获取检测区域内每对电极对之间的电容值，并将获取的电极对的电容值与其对应的初始值作差，获取本次驱动后液滴的位置；

步骤四、根据步骤三获取的本次驱动后液滴位置与本次液滴驱动前位置，判断液滴是否移动，若是，执行步骤五，否则，增大临时目标电极对的驱动电压，返回执行步骤三，直至x次增大临时目标电极对的驱动电压后，液滴仍未移动，进行芯片故障报警；

步骤五、判断液滴是否移动至临时目标电极对，若是，则完成一次液滴驱动，否则，返回执行步骤二。

进一步地，本实施方式中，步骤一中，设定的本次驱动后检测控制器4的检测区域为：

本次驱动前液滴位置对应的电极对及与该位置相邻且距离最近的8个电极对。

进一步地，本实施方式中，步骤二中，所述液滴本次驱动临时目标电极对为：与液滴当前位置相邻，且位于目标位置方向的电极对。

进一步地，本实施方式中，步骤三中，时间t的范围为0.5秒至30秒。

本发明微流控芯片顶板与底板的电极都采用阵列式，测量顶板底板位置对应的电极间电容，该电容为皮法量级，可以采用PS021、AD7147等电容检测芯片直接检测。微处理器通过继电器、可控硅或者晶体管开关等器件控制检测电路的开关。电容检测芯片的输出上传至微处理器进行储存与分析。当液滴移动至某一电极位置时，由于介质由空气转为液滴，其介电常数发生变化，导致上下电极之间的电容发生变化。通过检测电容可以确定液滴位置。本发明预先设计液滴运动轨迹，微处理器按照既定程序通过继电器、可控硅或者晶体管开关等器件控制加载电压的电极位置。在系统运行的开始，系统首先进行初始化，记录所有电极对的初始电容，然后闭环控制算法按照时间周期对液滴进行检测与驱动。每个周期内包含两个阶段，阶段1为检测阶段，阶段2为驱动阶段。每个周期中液滴的原始位置为周期开始时液滴的位置，每个周期中液滴的目标位置为在该周期系统驱动液滴流向的位置。在检测阶段，以上一周期液滴的原始位置为中心，检测周围三行三列，共九个电极的电容。根据检测电容判定液滴目前所在位置。检测分为四种不同情况进行处理。情况1.液滴已经移动到上一周期的目标位置，该情况为正常，显示液滴位置，并继续向下个目标位置驱动。情况2.液滴依然在上个周期的原始位置，未被驱动。在该情况下，在本周期的驱动阶段，设置本周期的目标位置为上一周期的目标位置，提升驱动电压再次驱动，并记录该位置驱动次数加1，然后进入下一个周期。当该位置驱动次数为x时，系统停止驱动并显示警告与液滴位置。情况3.液滴发生移动，但发生偏移，液滴移动至上一周期目标电极的相邻电极。在该情况下，设置本周期的目标位置为上一周期的目标位置。本周期的驱动阶段，在偏移位置与目标位置之间加载电压，使液滴移动至目标电极。情况4.液滴发生移动，但移动方向并非目标电极方向。在该情况下，系统的驱动控制器件或检测控制器件发生故障，系统停止驱动并显示警告。算法周期循环直到液体到达检测区域。算法流程如图2所示。

本发明数字微流控芯片的主体为底板顶板组成三明治型两种工作形式。底板和顶板均为具有电极阵列的PCB，基板可以为FR-4、铝基板等任意硬质材料，也可以是以聚酰亚胺或聚酯薄膜为基材的柔性板。与常规微流控芯片不同，本发明芯片的顶板与底板层具有相同的电极阵列。顶板与底板都涂有微米级介电层。该介电层可以为树脂、光刻胶、有机氟化合物等多种物质。顶板与底板之间保持一定距离固定，液滴夹在顶板和底板之间，液滴上方与顶板介电层接触，液滴下方与底板介电层接触。

本发明采用电容检测方法。本发明微流控芯片顶板与底板的电极都采用阵列式，测量顶板底板位置对应的电极间电容，该电容为皮法量级，可以采用PS021、AD7147等电容检测芯片直接检测。STM32微处理器通过继电器、可控硅或者晶体管开关等器件控制检测电路的开关。电容检测芯片的输出上传至微处理器进行储存与分析。当液滴移动至某一电极位置时，由于介质由空气转为液滴，其介电常数发生变化，导致上下电极之间的电容发生变化。通过检测电容可以确定液滴位置。

本发明所述的驱动控制方法：本发明微流控芯片顶板与底板的电极都采用阵列式，STM32等微处理器通过继电器、可控硅或者晶体管开关等器件控制交流或直流电源与微流控芯片电极之间的连通关系。交流或直流电源，通过升压电路产生多路输出，不同输出通道具有不同的升压倍数，STM32等微处理器通过继电器、可控硅或者晶体管开关等器件控制交流或直流电源输出路径的开关，实现微流控芯片电极上加载电压的变化。

本发明的闭环控制流程：本发明中每个控制周期内包含两个阶段，阶段1为检测阶段，阶段2为驱动阶段；采用D_m,n代表微流控芯片上第m行n列的电极位置；C_m,n,k代表在k周期内该位置顶板底板电极之间的电容大小；在驱动开始前，系统进入初始化阶段，检测并储存所有电极的电容，用C_m,n,0代表第m行n列位置的初始电容，然后将液滴放置在初始位置，并进行驱动。假设k周期，液滴处在位置D_m,n上，在k周期的目标位置为D_m,n+1。那么在k+1周期，首先进行检测阶段，检测D_m,n、D_m,n+1、D_m,n-1、D_m-1,n+1、D_m-1,n、D_m-1,n+1、D_m+1,n+1、D_m+1,n、D_m+1,n-1这九个位置对应的电极对的电容。

如果

表示液滴已经正确移动到k周期的目标位置D_m,n+1上，于是在k+1周期驱动阶段，在D_m,n+1与D_m,n+2之间施加电压v₀，使其移动到在k+1周期的目标位置D_m,n+2。其中，

为检测阈值，当检测电容与初始电容之间的差值大于阈值时，表明液滴处于该位置。

如果

表示液滴在上一周期的原位置D_m,n。故障警告记录D_m,n位置，并在D_m,n与D_m,n+1之间施加电压v₀+Δv，并且该位置的计数器+1。进入k+x周期检测阶段，表示液滴依然在D_m,n位置上，系统停止液滴运输并开始警报，其中x为系统设定最大可调控次数。如果

则表示液滴已经离开D_m,n，系统继续执行算法循环。

如果

或

表示液滴产生了移动但是在D_m,n+1临近位置上，在k+1周期驱动阶段在D_m,n+1与D_m+1,n+1之间或D_m,n+1与D_m-1,n+1之间施加电压v₀，使得液滴在k+2周期回到D_m,n+1位置上。

如果

或

则表示液滴出现在D_m+1,n、D_m-1,n、D_m,n-1、D_m+1,n-1、D_m-1,n-1则表示系统控制线路有故障，直接显示报错。

虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

Claims (10)

1.一种闭环控制数字微流控系统，其特征在于，该系统包括：交流或直流电源(1)、两片数字微流控芯片(3)、检测控制器(4)、驱动控制器(5)、微处理器(6)和显示器(7)；

两个数字微流控芯片(3)相对设置，且所述两个数字微流控芯片(3)的电极片一一对应；

每个数字微流控芯片(3)的每个电极片均通过导线和第一继电器(2)连接交流或直流电源(1)，每个第一继电器(2)的开关控制信号端连接驱动控制器(5)的一个开关控制信号输出端；

所述驱动控制器(5)用于通过控制第一继电器(2)的断开或闭合，对数字微流控芯片(3)相对的电极对是否上电进行控制，电极对上电对液滴进行驱动；

驱动控制器(5)的控制信号输入端连接微处理器(6)的驱动控制信号输出端，检测控制器(4)的控制信号输入端连接微处理器(6)的检测控制信号输出端，所述微处理器(6)的液滴位置信号输入端连接检测控制器(4)的检测信号输出端，检测控制器(4)包括多个检测端，每个检测端均通过导线和第二继电器连接两个数字微流控芯片(3)一对相对的电极片；

微处理器(6)用于根据当前液滴位置和液滴的目标位置向驱动控制器(5)发送驱动方向控制信号；

显示器(7)的显示信号输入端连接微处理器(6)的液滴位置信号输出端，用于对液滴位置显示。

2.根据权利要求1所述的一种闭环控制数字微流控系统，其特征在于，检测控制器(4)还用于根据本次驱动前液滴位置，对液滴一次驱动后的检测区域进行设置，并根据所述检测区域控制第二继电器断开或闭合。

3.根据权利要求2所述的一种闭环控制数字微流控系统，其特征在于，检测区域为本次驱动前液滴位置对应的电极对及与该位置相邻且距离最近的8个电极对。

4.根据权利要求1所述的一种闭环控制数字微流控系统，其特征在于，数字微流控芯片(3)包括基板(3.1)、电极片(3.2)、介电层(3.3)和疏水层(3.4)；

基板(3.1)的顶面覆有多个电极片(3.2)，且所述多个电极片(3.2)呈阵列布满基板(3.1)顶面，所述基板(3.1)的板体开有多个通孔，所述多个通孔与所述电极片(3.2)一一对应；

所述基板(3.1)的底面布设有多条导线，每条导线连接一个通孔；所述每条导线与一个电极片(3.2)通过过孔工艺电气连接；

每个电极片(3.2)的外侧覆盖有介电层，且所述介电层(3.3)和基板(3.1)上表面均覆盖有疏水层。

5.根据权利要求1所述的一种闭环控制数字微流控系统的控制方法，其特征在于，微处理器(6)采用型号为STM32的芯片实现。

6.根据权利要求1所述的一种闭环控制数字微流控系统的控制方法，其特征在于，还包括报警系统，所述微处理器(6)还用于根据检测控制器(4)输出的检测信号，判断驱动后液滴位置是否发生改变，若驱动x次后液滴位置仍未发生改变，则向报警系统发送芯片故障报警信号，报警系统接收报警信号后进行语音报警，其中，3≤x≤5。

7.一种闭环控制数字微流控系统的控制方法，其特征在于，该方法基于权利要求1所述的闭环控制数字微流控系统实现，具体包括：

步骤一、利用检测控制器(4)检测未滴入液滴时两个数字微流控芯片(3)上所有相对电极对之间的电容值，并对应记录为每对电极对的初始值；

步骤二、根据液滴当前位置，设定本次驱动后检测控制器(4)的检测区域；同时根据液滴的最终目标位置，确定液滴本次驱动的临时目标电极对；

步骤三、控制临时目标电极对上电，时间t后，获取检测区域内每对电极对之间的电容值，并将获取的电极对的电容值与其对应的初始值作差，获取本次驱动后液滴的位置；

步骤四、根据步骤三获取的本次驱动后液滴位置与本次液滴驱动前位置，判断液滴是否移动，若是，执行步骤五，否则，增大临时目标电极对的驱动电压，返回执行步骤三，直至x次增大临时目标电极对的驱动电压后，液滴仍未移动，进行芯片故障报警；

步骤五、判断液滴是否移动至临时目标电极对，若是，则完成一次液滴驱动，否则，返回执行步骤二。

8.根据权利要求7所述的一种闭环控制数字微流控系统的控制方法，其特征在于，步骤一中，设定的本次驱动后检测控制器(4)的检测区域为：

本次驱动前液滴位置对应的电极对及与该位置相邻且距离最近的8个电极对。

9.根据权利要求7所述的一种闭环控制数字微流控系统的控制方法，其特征在于，步骤二中，所述液滴本次驱动临时目标电极对为：与液滴当前位置相邻，且位于目标位置方向的电极对。

10.根据权利要求7所述的一种闭环控制数字微流控系统的控制方法，其特征在于，步骤三中，时间t的范围为0.5秒至30秒。

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