CN208757614U - 基于介电润湿技术的分发机构以及合成系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于介电润湿技术的分发机构以及合成系统，分发机构包括注射器，所述注射器固定在机架上，注射器的一端设置有投放微液滴的投放嘴，注射器的另一端内滑动设置有活塞，活塞连接有丝杠螺母机构；所述丝杠螺母机构的丝杠连接有驱动装置，丝杠螺母机构的螺母与活塞固连驱动其向投放嘴运动；丝杠通过支架转动设置在机架上。本实用新型的分发机构控制方便，分发的微液滴具有体积控制精度高的特点；其微流控芯片方便连接合成系统，驱动微液滴向微流控芯片的中心区运动，方便微液滴的合成。

Description

基于介电润湿技术的分发机构以及合成系统

技术领域

本实用新型涉及介电润湿技术领域，特别涉及一种基于介电润湿技术的分发机构以及合成系统。

背景技术

电润湿(Electrowetting，EW)是指通过改变液滴与绝缘基板之间电压，来改变液滴在基板上的润湿性，来改变液体和固体之间的表面张力，即改变接触角，使液滴发生形变、位移的现象。

介电润湿是在电润湿技术的基础上改良发展而来的。该技术是通过在驱动电极与电解液之间增加一层微米级厚度的介电绝缘材料去避免电润湿中经常发生的电解反应，但是微液滴在介质层表面的润湿特性一样会发生改变的技术。

基于介电湿润效应的数字微流控技术是近年来出现的一种能够在平面上操控体积为微升、纳升级别液滴的新技术，该技术利用介电润湿效应可实现液滴的分配、液滴的分离与合并、液滴的输运四项基本操控，具有试剂消耗量少、试剂分析耗时短、设备体积小等特点，因此在生物、化学、光学透镜等领域得到了非常广泛的应用。

在基于介电润湿效应的数字微流体系统中，对液滴精确驱动与控制是许多应用开展的前置基础，例如免疫化验、DNA扩增、化学合成等这些应用对样本容量的变化非常敏感。然而，在现阶段的数字微流控驱动控制系统并不成熟，存在微液滴合成难以控制，且对合成液滴体积的控制精度低下等问题。

实用新型内容

有鉴于现有技术的至少一个缺陷，本实用新型的目的是提供一种基于介电润湿技术的分发机构，其分发机构控制方便，分发的微液滴具有体积控制精度高的特点。

为了达到上述目的，本实用新型采用如下技术方案：一种基于介电润湿技术的分发机构，包括注射器，其关键在于：所述注射器固定在机架上，注射器的一端设置有投放微液滴的投放嘴，注射器的另一端内滑动设置有活塞，活塞连接有丝杠螺母机构；所述丝杠螺母机构的丝杠连接有驱动装置，丝杠螺母机构的螺母与活塞固连，螺母驱动活塞向投放嘴运动；丝杠通过支架转动设置在机架上。

通过上述的结构设置，通过驱动装置带动丝杠微量转动，丝杠通过螺母带动活塞向投放嘴作步进运动；通过投放嘴向微流控芯片投放微液滴，由于采用丝杠螺母机构控制活塞运动，因此相比用手推动活塞，其运动距离容易控制，方便通过投放嘴投放体积小的微液滴。且微液滴的体积精度易于控制。

所述驱动装置是电机驱动机构，所述电机驱动机构包括步进电机以及齿轮减速机构，步进电机的输出轴与齿轮减速机构的输入轴固连，齿轮减速机构的输出轴与丝杠连接。

步进电机通过齿轮减速机构驱动丝杠作微量转动，由于步进电机每次的转动角度相同，因此微液滴的体积精度易于控制。

所述驱动装置是手轮，丝杠的一端穿出支架后与手轮固连，所述手轮的圆周上设置有刻度，所述支架上固定设置有指向刻度的指针。

通过上述的结构设置，用手转动手轮，通过指针和刻度观察手轮的转动角度，手轮每次转动的角度相同，可以每次转动刻度的一小格，因此微液滴的体积精度易于控制。

一种基于介电润湿技术的微流控芯片，包括平行设置的上极板和下极板，上极板和下极板之间形成容纳微液滴的合成流道；

合成流道的两侧均设置有微液滴投放口；

所述上极板包括由上而下依次设置的上基板、零电极层和第一疏水层；所述下极板包括由下而上依次设置的下基板、驱动电极阵列、电介层以及第二疏水层。

驱动电极阵列的驱动电极沿着下极板依次排列。

通过上述的结构设置，通过投放嘴向合成流道投放微液滴，零电极层接地，通过向驱动电极阵列的驱动电极由外侧向中心区依次施加电压，促使微液滴向微流控芯片的中心区运动，在中心区进行微液滴的合成反应。

电介层由介电绝缘材料制成，避免电润湿中经常发生的电解反应。

设置第一疏水层、第二疏水层，由于其疏水性较好,与微液滴的接触角大，因此可以满足介电润湿器件对疏水性的要求。

所述上极板和下极板之间还设置有支承垫。

支承垫将上极板和下极板分隔开，形成合成流道，保证上极板和下极板的间隔距离。

一种基于介电润湿技术的合成系统，包括微流控芯片，所述微流控芯片包括平行设置的上极板和下极板，上极板和下极板之间形成容纳微液滴的合成流道；

合成流道的两侧均设置有微液滴投放口，微液滴投放口外侧各设置有一个带电机驱动机构的分发机构，分发机构通过投放嘴向微流控芯片的微液滴投放口投放微液滴；

其关键在于：还包括主控单元，主控单元分别经步进电机驱动模块与分发机构的步进电机相连驱动其转动；

主控单元还连接有电极驱动模块，主控单元经电极驱动模块与驱动电极阵列相连，零电极层接地。

其中两个所述的分发机构设置于微流控芯片的两侧，向其合成流道的两侧各生成一个微液滴，主控单元通过电极驱动模块向驱动电极阵列的驱动电极施加电压，由外侧初始电极依次向中心区电极施加，来改变第二疏水层与附着于其表面微液滴间的润湿特性，使液-固接触角发生变化，造成微液滴两端不对称形变，促使微液滴内部产生压强差，从而实现对微液滴驱动，使两个微液滴向微流控芯片中心区运动并在中心区合成。

显著效果:本实用新型提供了一种基于介电润湿技术的分发机构和微流控芯片，其分发机构控制方便，分发的微液滴具有体积控制精度高的特点。其微流控芯片方便连接合成系统，驱动微液滴向微流控芯片的中心区运动，方便微液滴的合成。

附图说明

图1为分发机构的一种结构图；

图2为分发机构的另一种结构图；

图3为微流控芯片的结构图；

图4为图3的A-A剖视图；

图5为合成系统的模块结构图；

图6为电源模块的电路图；

图7为主控单元的电路结构图；

图8为步进电机驱动模块的电路图；

图9为温度采集模块的电路结构图；

图10为温度传感器的电路图；

图11为电极驱动模块的电路图；

图12为定位模块的电路图。

图13为微流控芯片的电容性示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步详细说明。

如图1-图13所示，一种基于介电润湿技术的分发机构以及合成系统；

图1为分发机构的一种结构图；一种基于介电润湿技术的分发机构，包括注射器1，所述注射器1固定在机架2上，注射器1的一端设置有投放微液滴的投放嘴11，注射器1的另一端内滑动设置有活塞12，活塞12连接有丝杠螺母机构3；所述丝杠螺母机构3的丝杠31连接有驱动装置，丝杠螺母机构3的螺母32与活塞12固连，螺母32驱动活塞12向投放嘴11运动；丝杠31通过支架33转动设置在机架2上。投放嘴11可以是针头。

所述注射器1可以通过扎带固定在机架2上。在机架2上还可以设置定位装置，比如凹槽，定位钉等，固定注射器1和活塞12的初始位置。

如图1所示，螺母32通过连杆与活塞12的活塞杆固连。连杆与活塞12的活塞杆可以通过螺栓连接。

通过上述的结构设置，通过驱动装置带动丝杠31微量转动，丝杠31通过螺母32带动活塞12向投放嘴11作步进运动；通过投放嘴11向微流控芯片投放微液滴，由于采用丝杠螺母机构3控制活塞12运动，因此相比用手推动活塞12，其运动距离容易控制，方便通过投放嘴11投放体积小的微液滴。且微液滴的体积精度易于控制。

所述驱动装置是电机驱动机构4，所述电机驱动机构4包括步进电机41以及齿轮减速机构42，步进电机41的输出轴与齿轮减速机构42的输入轴固连，齿轮减速机构42的输出轴与丝杠31连接。

步进电机41通过齿轮减速机构42驱动丝杠31作微量转动，由于步进电机41每次的转动角度相同，因此微液滴的体积精度易于控制。

当活塞12靠拢投放嘴11时，可以给步进电机41反转信号，让步进电机41反转，带动活塞12回退回原位。

步进电机41可以由PLC控制器或者单片机控制。

图2为分发机构的另一种结构图；与图1所述的分发机构不同的是驱动装置，所述驱动装置是手轮5，丝杠31的一端穿出支架33后与手轮5固连，所述手轮5的圆周上设置有刻度5a，所述支架33上固定设置有指向刻度5a的指针331。

所述手轮5为圆形，在手轮5的圆周上均匀设置有刻度5a。

通过上述的结构设置，用手转动手轮5，通过指针331和刻度5a观察手轮5的转动角度，手轮5每次转动的角度相同，可以每次转动刻度5a的一小格，因此微液滴的体积精度易于控制。

当注射器1内的微液滴原料投放完后，可以通过手轮5控制丝杠31反转，将活塞12回退回原位。

通过手轮5控制微液滴的体积还可以根据测试人员的需要随意调节体积多少。体积更改比较方便。

微液滴分发机构的主要功能是实现控制定量体积的液滴从注射器1生成到微流控芯片的驱动电极阵列72的初始电极中。原理是主控单元9通过控制步进电机41的转速与方向调动丝杠螺母机构3实现注射器1的微液滴定量分发。

如图3和图4所示，本实用新型还公开了一种承担微液滴输送以及合成任务的微流控芯片。

一种基于介电润湿技术的微流控芯片，包括平行设置的上极板6和下极板7，上极板6和下极板7之间形成容纳微液滴的合成流道8；

合成流道8的两侧均设置有微液滴投放口；

所述上极板6包括由上而下依次设置的上基板61、零电极层62和第一疏水层63；所述下极板7包括由下而上依次设置的下基板71、驱动电极阵列72、电介层73以及第二疏水层74。

驱动电极阵列72的驱动电极沿着下极板7依次排列。

通过上述的结构设置，通过投放嘴11向合成流道8的微液滴投放口投放微液滴，零电极层62接地，通过向驱动电极阵列72的驱动电极由外侧向中心区依次施加电压，促使微液滴向微流控芯片的中心区运动，在中心区进行微液滴的合成反应。

电介层73由介电绝缘材料制成，避免电润湿中经常发生的电解反应。

设置第一疏水层63、第二疏水层74，由于其疏水性较好，与微液滴的接触角大，因此可以满足介电润湿器件对疏水性的要求。

第一疏水层63、第二疏水层74由聚四氟乙烯制成。所述电介层73由聚酰亚胺材料制成。

所述上极板6和下极板7之间还设置有支承垫81。

支承垫81将上极板6和下极板7分隔开，形成合成流道8，保证上极板6和下极板7的间隔距离。

微液滴投放口在合成流道8的左右两侧，支承垫81设置于合成流道8的前后两侧，不影响两滴微液滴的运动和合成。

微流控芯片也可以固定在机架2上。

如图5所示，本实施例还公开了一种基于介电润湿技术的合成系统，包括微流控芯片，所述微流控芯片包括平行设置的上极板6和下极板7，上极板6和下极板7之间形成容纳微液滴的合成流道8；

合成流道8的两侧均设置有微液滴投放口，微液滴投放口外侧各设置有一个带电机驱动机构4的分发机构，分发机构通过投放嘴11向微流控芯片的微液滴投放口投放微液滴；

所述上极板6包括由上而下依次设置的上基板61、零电极层62和第一疏水层63；所述下极板7包括由下而上依次设置的下基板71、驱动电极阵列72、电介层73以及第二疏水层74；

还包括主控单元9，主控单元9分别经步进电机驱动模块91与分发机构的步进电机41相连驱动其转动；

主控单元9还连接有电极驱动模块92，主控单元9经电极驱动模块92与驱动电极阵列72相连，零电极层62接地。

电极驱动模块92设置有电极控制端组，电极控制端组的控制端与驱动电极阵列72的驱动电极一一连接。

其中两个所述的分发机构设置于微流控芯片的两侧，向其合成流道8的两侧各生成一个微液滴，主控单元9通过电极驱动模块92向驱动电极阵列72的驱动电极施加电压，由外侧初始电极依次向中心区电极施加，来改变第二疏水层74与附着于其表面微液滴间的润湿特性，使液-固接触角发生变化，造成微液滴两端不对称形变，促使微液滴内部产生压强差，从而实现对微液滴驱动，使两个微液滴向微流控芯片中心区运动并在中心区合成。

通过上述合成系统的结构设置，方便测试人员通过合成系统控制微流控芯片，促使两个微液滴在微流控芯片中心区进行合成实验，具有控制方便的特点。

所述主控单元9连接有温度采集模块93，所述温度采集模块93连接有温度传感器94，所述温度传感器94设置于微流控芯片的中心区，用于检测微流控芯片中心区的温度，然后经温度采集模块93传递给主控单元9。

如图3所示，温度传感器94设置于微流控芯片的外壁中心位置。

当微流控芯片的中心区的温度升高时，微液滴的合成开始，当微流控芯片的中心区的温度回到常温时，微液滴的合成结束。

主控单元9可以连接指示灯，用于监测微液滴的合成。保证微液滴的化学合成能完整的完成。主控单元9还可连接启动按键，用于启动主控单元9。

所述主控单元9连接有至少一个定位模块95，该定位模块95采集驱动电极阵列72的驱动电极与零电极层62之间的电容值确定微液滴在微流控芯片中的位置。

定位模块95主要利用介电润湿芯片的基本电路特性进行定位。对于一个基于介电润湿技术的微流控芯片来说，电容性是其基本的电路特性，如图13所示。

其中Cd为微液滴所在驱动电极的电容，Rd为微液滴所在驱动电极的电阻，Cother为其它驱动电极的电容。

通过上述的结构设置，微液滴所在的驱动电极与零电极层62之间的电容值为80pf左右，而无微液滴所在的驱动电极与零电极层62之间的电容值为零。

所述合成系统还设置有电源模块，电源模块为主控单元9、步进电机驱动模块91、步进电机41、电极驱动模块92、温度采集模块93、温度传感器94、定位模块95供电。

如图6所示，该电源模块将直流电源稳压后分别输出+12V、+5V、+3.3V直流电压。

如图7、图8所示，所述主控单元9采用ATmega128-16U单片机，所述步进电机驱动模块91采用uln2803步进电机模块，ATmega128-16U单片机设置有第一分发控制端组，该第一分发控制端组包括控制端PC0、控制端PC1、控制端PC2、控制端PC3，ATmega128-16U单片机通过第一分发控制端组与第一个uln2803步进电机模块相连，第一个uln2803步进电机模块设置有电机控制端组，该电机控制端组包括控制端OUT1、控制端OUT2、控制端OUT3、控制端OUT4；第一个uln2803步进电机模块通过电机控制端组与第一个步进电机41相连；

同理，ATmega128-16U单片机设置有第二分发控制端组，该第二分发控制端组包括控制端PC4、控制端PC5、控制端PC6、控制端PC7，ATmega128-16U单片机通过第二分发控制端组与第二个uln2803步进电机模块相连，驱动另一个步进电机41转动。

如图11所示，所述电极驱动模块92采用SSD1628电压驱动模块，电极驱动模块92主要实现驱动微液滴移动的功能。鉴于介电润湿芯片属于电压型器件，并且驱动电压较高。本专利通过大量的器件选型确定使用SSD1628电压驱动模块作为驱动电压源。SSD1628电压驱动模块是专用于电泳显示的驱动芯片，它共有115个I/O口输出，每个输出口可以一起或者单独工作并输出10-36V的驱动电压。更关键的是该芯片的响应时间非常迅速，在配置好寄存器和收到驱动命令后，只需要15ms左右的时间即可从低电平上升至所需电压输出。

ATmega128-16U单片机设置有电极驱动端组，该电极驱动端组包括控制端SSDBUSY、控制端SSDCS、控制端SSDRES、控制端SSDSLEEP，ATmega128-16U单片机通过电极驱动端组与SSD1628电压驱动模块相连，SSD1628电压驱动模块设置有电极控制端组，电极控制端组包括控制端SEG0-SEG20，SSD1628电压驱动模块通过电极控制端组的控制端与驱动电极阵列72的驱动电极一一连接；

通过上述的结构设置，主控单元9向步进电机驱动模块91发送转动指令，步进电机驱动模块91控制步进电机41转动一相应的角度，步进电机41通过齿轮减速机构42驱动丝杠31作微量转动，丝杠31通过螺母32带动活塞12向投放嘴11前进一步；通过投放嘴11向微流控芯片的合成流道8投放微液滴，将微液滴投放在驱动电极阵列72的初始驱动电极位置。

然后主控单元9向电极驱动模块92发送驱动指令，电极驱动模块92控制驱动电极阵列72的驱动电极从两侧向中心区依次通电，通过驱动电极和零电极层62之间的电润湿效应使两滴微液滴由两侧的初始驱动电极向微流控芯片的中心区电极运动，在中心区电极进行微液滴的合成反应。

如图10所示，所述温度传感器94包括AD590温度传感器，AD590温度传感器的正极与电源连接，AD590温度传感器的负极连接可变电阻R4的一端，可变电阻R4的另一端经电阻R3接地，AD590温度传感器的负极还连接集成运放LM358的+INA端，集成运放LM358的-INA端连接集成运放LM358的OUT A端，集成运放LM358的OUT A端经电阻R5连接集成运放LM358的+INB端，集成运放LM358的+INB端还经电阻R6接地，集成运放LM358的-INB端连接比例运算电路，所述比例运算电路包括电阻R7，电阻R7的首端与电源连接，电阻R7的尾端连接稳压管D1的负极，稳压管D1的正极接地，电阻R7的首端还连接电阻R8的一端，电阻R8的另一端连接可变电阻R9的首端，可变电阻R9的尾端接，可变电阻R9的可调端经电阻R10与集成运放LM358的-INB端相连，集成运放LM358的-INB端还经电阻R11连接集成运放LM358的OUT B端；

如图9所示，所述温度采集模块93采用ATmega16-16U单片机，集成运放LM358的OUTB端与ATmega16-16U单片机的模数转换端AD1连接。

所述温度采集模块93设置有温度数据输出端组，所述温度数据输出端组包括控制端TDI1、控制端TDO1、控制端TMS1、控制端TCK1，所述温度采集模块93经温度数据输出端组连接主控单元9，向其输出温度数据信号。

如图12所示，所述定位模块95采用AD7745电容采集模块，AD7745电容采集模块设置有电容获取端组，该电容获取端组包括控制端CIN+、控制端CIN-，AD7745电容采集模块通过电容获取端组分别与驱动电极阵列72的驱动电极以及零电极层62相连；AD7745电容采集模块设置有数据输出端组，该数据输出端组包括输出端SDA、输出端SCL，AD7745电容采集模块通过数据输出端组与所述主控单元9相连。主控单元9根据AD7745电容采集模块采集的电容值确定微液滴在合成流道8中的位置。

我们在这给出一个利用本申请提出的合成系统实现海藻酸钠简称A和氯化钙简称B两个微液滴合成的实际例子。

首先主控单元9通过控制分发机构调节步进电机41的转速与方向调动丝杠螺母机构3实现在微流控芯片左右两边入口分别生成2uL的A与B微液滴。

主控单元9通过定位模块95通过监控驱动电极1号与20号的电容值，如果驱动电极1号与20号，即左右两侧的初始电极的电容值为80pf左右，则微液滴A与B已经生成在初始电极后，主控单元9将控制电极驱动模块92输出相应的驱动电压来驱动两滴微液滴向微流控制芯片中心合成区运动。

对于温度采集模块93，它每10s检测一次当前微流控制芯片中心区的温度，并把当前温度反馈给主控单元9。当A和B两个微液滴被驱动到中心合成区时，两个微液滴将会发生化学合成反应。由于A和B的化学合成反应会释放出大量的热量，导致中心合成区的温度快速升高。当合成反应结束后这个过程将持续一段时间，中心合成区的温度将回落，返回到原来的温度。温度采集模块93正是通过测量中心合成区的温度来监控A和B两个微液滴的合成是否完成。

进一步地，完成之后，则主控单元9将控制电极驱动模块92输出驱动电压让微液滴继续往其中一个微液滴投放口运动，从微流控制芯片移出。

最后，需要注意的是：以上列举的仅是本实用新型的具体实施例子，当然本领域的技术人员可以对本实用新型进行改动和变型，倘若这些修改和变型属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围之内，均应认为是本实用新型的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于介电润湿技术的分发机构，包括注射器(1)，其特征在于：所述注射器(1)固定在机架(2)上，注射器(1)的一端设置有投放微液滴的投放嘴(11)，注射器(1)的另一端内滑动设置有活塞(12)，活塞(12)连接有丝杠螺母机构(3)；所述丝杠螺母机构(3)的丝杠(31)连接有驱动装置，丝杠螺母机构(3)的螺母(32)与活塞(12)固连，螺母(32)驱动活塞(12)向投放嘴(11)运动；丝杠(31)通过支架(33)转动设置在机架(2)上。

2.根据权利要求1所述的基于介电润湿技术的分发机构，其特征在于：所述驱动装置是电机驱动机构(4)，所述电机驱动机构(4)包括步进电机(41)以及齿轮减速机构(42)，步进电机(41)的输出轴与齿轮减速机构(42)的输入轴固连，齿轮减速机构(42)的输出轴与丝杠(31)连接。

3.根据权利要求1所述的基于介电润湿技术的分发机构，其特征在于：所述驱动装置是手轮(5)，丝杠(31)的一端穿出支架(33)后与手轮(5)固连，所述手轮(5)的圆周上设置有刻度(5a)，所述支架(33)上固定设置有指向刻度(5a)的指针(331)。

4.一种基于介电润湿技术的合成系统，包括微流控芯片，所述微流控芯片包括平行设置的上极板(6)和下极板(7)，上极板(6)和下极板(7)之间形成容纳微液滴的合成流道(8)；

合成流道(8)的两侧均设置有微液滴投放口，微液滴投放口外侧各设置有一个如权利要求2所述的分发机构，分发机构通过投放嘴(11)向微流控芯片的微液滴投放口投放微液滴；

所述上极板(6)包括由上而下依次设置的上基板(61)、零电极层(62)和第一疏水层(63)；所述下极板(7)包括由下而上依次设置的下基板(71)、驱动电极阵列(72)、电介层(73)以及第二疏水层(74)；

其特征在于：还包括主控单元(9)，主控单元(9)分别经步进电机驱动模块(91)与分发机构的步进电机(41)相连驱动其转动；

主控单元(9)还连接有电极驱动模块(92)，主控单元(9)经电极驱动模块(92)与驱动电极阵列(72)相连，零电极层(62)接地。

5.根据权利要求4所述的一种基于介电润湿技术的合成系统，其特征在于：所述主控单元(9)连接有温度采集模块(93)，所述温度采集模块(93)连接有温度传感器(94)，所述温度传感器(94)设置于微流控芯片的中心区，用于检测微流控芯片中心区的温度传递给主控单元(9)。

6.根据权利要求4所述的一种基于介电润湿技术的合成系统，其特征在于：所述主控单元(9)连接有至少一个定位模块(95)，该定位模块(95)采集驱动电极阵列(72)的驱动电极与零电极层(62)之间的电容值确定微液滴在微流控芯片中的位置。