一种基于电润湿的微流控液滴定位系统及方法技术方案

本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
一种基于电润湿的微流控液滴定位系统及方法
本专利技术涉及数字微流控
，具体为一种基于电润湿的微流控液滴定位系统及方法。
技术介绍
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等人专利技术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等人专利技术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。
技术实现思路
为了解决上述技术问题，本专利技术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。本专利技术所采用的技术方案是：本专利技术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，本专利技术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。本专利技术的有益效果是：本专利技术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专利技术的具体实施方式作进一步说明：图1是本专利技术一实施例的系统控制示意图；图2是本专利技术一实施例的控制流程图；图3是本专利技术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是本专利技术一实施例的“芯片-液滴”系统的等效电路示意图；图5是本专利技术一实施例的等效电路图；图6是本专利技术一实施例的液滴分布俯视图；图7是本专利技术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按照理论本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗智杰，路亚旭，罗健坤，谢淑婷，林伟杰，周国富，
申请(专利权)人：华南师范大学，深圳市国华光电科技有限公司，深圳市国华光电研究院，
类型：发明
国别省市：广东,44