CN107649222B - 介质电润湿数字微流控芯片上独立电极的驱动方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的一种介质电润湿数字微流控芯片上独立电极的驱动方法中，个人电脑向单片机下发第一指令，以通过单片机控制驱动***对介质电润湿数字式微流控芯片上的电极逐一加电；根据单片机采集检测电路对微流控芯片的检测结果形成的检测值，个人电脑对电极上是否有当前驱动液滴或其障碍物进行区分，对当前驱动液滴或其障碍物在电极上的大小及位置进行表征，并对当前驱动液滴从指定的起始位置到指定的终点位置的路径进行规划及显示；个人电脑向单片机下发附带有路径相关信息的第二指令，通过单片机控制驱动***对微流控芯片上沿路径分布的电极依次加电，以使当前驱动液滴沿路径移动。本发明能对一个或多个液滴的驱动进行灵活控制。

Description

介质电润湿数字微流控芯片上独立电极的驱动方法
技术领域
本发明涉及微流控芯片技术，特别涉及一种介质电润湿数字微流控芯片上独立电极的驱动方法。
背景技术
微流控芯片是实现片上实验室(Lab-on-a-chip)的一种潜在技术，能够把生物、化学、医学分析过程的样品制备、反应、分离、检测等基本操作单元集成到一块微米尺度的芯片上，由微通道形成网络，以可控流体贯穿整个***，用以取代常规生物或化学实验室的各种功能，自动完成分析的全过程。由于在集成化、自动化、便携化和高效化等方面展现出了巨大潜力，微流控芯片技术已成为当前研究热点和世界前沿科技之一。
片上实验室的优点是用极少剂量的化学生物药品进行快速，自动化的片上反应、检测。现有技术中，比如利用CCD实时采集芯片图像，集成LED和光电二极管，集成阻抗传感器，谐振分析，质量分析，荧光反应，电化学分析等，虽然不需要复杂昂贵的外部设备能够实现，但是可供检测的位点太少且精度有限制。这些缺陷显然不符合片上实验室的集成性，便携性以及廉价性。
在基于介质电润湿效益的数字二维微流控芯片上，借助外部驱动力将连续的液体离散化，对形成的微小液滴进行操控和研究分析，其中对微尺度液滴实现实时准确检测，对后续程序化实验和反应结果有着重要的意义。微流控芯片上的不同区域可以有不同的功能，比如混合、***、加热、检测等。作为芯片上最小操作单元的液滴，其在不同区域之间的运动路径既要考虑实时性，还要考虑交叉污染击穿等问题。纯手工安排液滴路径工作量太大，也不符合发展片上实验室的初衷。而利用介质电润湿技术的可编程性，结合计算机、集成电路版图设计的算法来自动规划液滴运动路径无疑是很有前景的解决方案。
微流芯片上液滴的不同驱动方式，对其控制的灵活性，芯片的制作工艺，配套材料的复杂性以及性价比等方面有着重要的影响。现有技术，比如直接驱动，上下极板交叉驱动，广播驱动，有源薄膜晶体管辅助驱动等，不是需要较复杂的外部设备、特定的工艺，就是缺乏控制的灵活性。这些缺陷显然不符合芯片实验室的集成性，便携性以及廉价性。因此，如何在二维大规模介质电润湿数字微流芯片上用一种廉价的、便携的、集成的方式驱动液滴是个亟需解决的问题。
发明内容
本发明提供一种介质电润湿数字微流控芯片上独立电极的驱动方法，基于自动规划的路径使单片机能控制驱动***对一个或多个液滴在微流控芯片上的移动进行灵活有效的控制。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供一种基于介质电润湿数字微流控芯片的液滴驱动方法：
个人电脑向单片机下发第一指令，以通过单片机控制驱动***对介质电润湿数字式微流控芯片上进行扫描，对微流控芯片上的所有电极逐一加电；对检测电路在每次电极加电时对微流控芯片的检测结果，单片机进行采集并形成相应的检测值；
根据单片机反馈的检测值，个人电脑对具有当前驱动液滴或其障碍物的电极或没有当前驱动液滴或其障碍物的电极进行区分，对当前驱动液滴或其障碍物在电极上的大小及位置进行表征，并对当前驱动液滴从指定的起始位置到指定的终点位置的路径进行规划及显示；
个人电脑向单片机下发附带有路径相关信息的第二指令，通过单片机控制驱动***对微流控芯片上沿路径分布的电极依次加电，以使当前驱动液滴沿路径移动。
优选地，所述驱动***设有与门阵列、固态继电器阵列；与门阵列包含的与门，与固态继电器阵列包含的继电器数量相同且相应连接，所述继电器与微流控芯片上电极的数量相同且相应连接；
所述单片机通过其设置的m行n列数字引脚，相应地提供m个行信号、n个列信号给各个与门；每个行信号接入与该行对应的所有列的与门的第一输入端，每个列信号接入与该列对应的所有行的与门的第二输入端；
每个与门的第一输入端及第二输入端同时为第一电平时，输出第一电平至与该与门对应的继电器的输入端，以接通与该继电器对应的电极与驱动电压之间的通路，为相应电极加电；或者，每个与门的第一输入端及第二输入端不同时为第一电平时，输出第二电平至与该与门对应的继电器的输入端，以切断与该继电器对应的电极与驱动电压之间的通路，使相应电极失电；
所述第一电平是高电平而第二电平是低电平；或者，所述第一电平是低电平而第二电平是高电平。
优选地，所述检测电路包含检测电阻、电压跟随器、乘法器、低通滤波器；驱动***每换一个电极加电，检测电阻就对流过微流控芯片上的电流信号提取一次，并将电流信号转化为电压信号送入电压跟随器进行跟随；电压跟随器的输出分两路送入乘法器进行信号自乘；对乘法器的输出进行低通滤波；由单片机的模数转换器对低通滤波器的直流输出进行采集，并反馈相应的检测值至个人电脑。
优选地，比较所有电极分别加电后采集到的检测值，具有当前驱动液滴或障碍物的电极的检测值，高于没有当前驱动液滴或障碍物的电极的检测值；
当前驱动液滴是一个或多个液滴；
所述障碍物，是微流控芯片上妨碍当前驱动液滴运动的物质或位置点，包含残留试剂、击穿点、当前驱动液滴以外的其他液滴之中的任意一种或其任意组合。
优选地，根据收到的第一指令，所述单片机控制驱动***对所有电极逐一加电；并且，每换一个电极加电，单片机从检测电路处采集一次检测值，用来与设定的阈值进行比对，将高于阈值的记为第一比对值，将等于或低于阈值的检测值记为第二比对值；
单片机将所有电极对应的检测值整合后，通过串口送至个人电脑；整合的检测值中为每个电极分配的数据位，用以记载该电极的编号及该电极对应的第一比对值或第二比对值；
个人电脑对整合的检测值进行解析，将检测值为第一比对值的各个电极所在的位置在显示时进行标识，并将这些位置记录至障碍物位置信息库。
优选地，单片机接收随第二指令下发的路径相关信息，获得规划出的路径并将其存入到路径数组中；所述路径相关信息中，对应路径上每个电极的数据位，包含该电极的行地址及列地址；
单片机解析所述路径，获取与沿路径分布的电极相对应单片机的行列数字引脚来进行电平调节，进而通过驱动***为沿路径分布的电极依次加电，以驱动液滴从起始位置到达终点位置；
所述电平调节，包含逐一将路径上每个电极在单片机上对应的行列数字引脚上的电平，同时从第二电平转到第一电平并持续设定时间后恢复到第二电平；第二电平是单片机对每个行列数字引脚初始设定的电平。
优选地，若单片机判断个人电脑对其下发的是第一指令，且判断路径数组里存储有与上次规划路径相关的数组元素时，向个人电脑发送与上次规划路径相对应的检测值；
若单片机判断个人电脑对其下发的是第一指令，且判断路径数组里没有数组元素时，单片机对其设有的行列数字引脚进行电平调节，进而通过驱动***对所有电极逐一加电；
所述电平调节，包含将各个行数字引脚的电平依次置为第一电平后恢复到第二电平，其中每行数字引脚为第一电平时使各个列数字引脚的电平依次置为第一电平后恢复到第二电平；第二电平是单片机对每个行列数字引脚初始设定的电平。
优选地，基于Lee算法，对当前驱动液滴从指定的起始位置到指定的终点位置的路径进行规划，包含以下过程：
第一步，给定当前驱动液滴的起始位置、终点位置、障碍物位置，以及与微流控芯片上电极阵列对应的寻径范围，进行填数：
将寻径范围内的所有位置的液滴步数设为“0”；
将起始位置的十字相邻位置的液滴步数设为“1”；
设i的初始值为1，当任意一个液滴步数为“i”的位置的十字相邻位置不是终点位置时，循环进行填数：分别将每个液滴步数为“i”的位置的十字相邻位置的液滴步数设为“i+1”，令i＝i+1；
直到任意一个液滴步数为“i”的位置的十字相邻位置是终点位置时，停止填数，跳出循环；开始第二步；
第二步，从终点位置一步一步倒回起始位置，进行溯源：
设首个“波前位置”是指定的终点位置，其液滴步数是第一步得到的j；
设p的初始值为j，进行迭代：将每次找到的液滴步数为p的“波前位置”，用液滴步数为p-1的位置替换，令p＝p-1；
直到p＝0，对当前“波前位置”替换的是液滴的起始位置时，停止溯源，将通过迭代获得的所有“波前位置”形成的有序队列反过来，得到规划出的路径。
优选地，所述个人电脑设置的图形用户界面，生成与微流控芯片上电极阵列相对应的按钮阵列，通过在按钮阵列上显示不同样式的按钮进行信息显示，所显示的信息包含：当前驱动液滴或其障碍物在电极上的大小及位置、为当前驱动液滴指定的起始位置和终点位置、规划出的路径。
优选地，对微流控芯片、单片机、驱动***、检测电路、个人电脑组装完成后，进一步包含对液滴检测结果进行转化的以下标定过程：
S1、设定正常驱动阈值为能用以驱使微流控芯片上任意位置的一个第一液滴在相邻电极之间移动时所施加的驱动电压；
S2、去除第一液滴，将驱动电压降至正常驱动阈值以下；
S3、对微流控芯片上任意位置、任意尺寸的一个或多个待测液滴，进行与待测液滴状态相关的参数测定，获得原始参数；
S4、对微流控芯片上任意一个100％被待测液滴覆盖的电极加电，并记录单片机反馈给个人电脑的值data1；
S5、将驱动电压恢复至正常驱动阈值，调整检测电阻的阻值的同时观察单片机反馈给个人电脑的值data2；当反馈的值data2等于data1时，停止调整检测电阻，完成标定，将待测液滴的原始参数作为与正常驱动阈值对应的检测结果。
综上所述，本发明提供的介质电润湿数字微流控芯片上独立电极的驱动方法，用简单便捷廉价的方法搭建可DIY的电路***，来驱动二维大规模介质电润湿数字微流芯片上的液滴。因为是基于交叉控制的直接驱动，可以省去当前微流控芯片制作所需的特殊工艺。本发明可以同时驱动一个或者多个液滴；对各液滴的行进路径进行合理的自动规划后，单片机根据路径来控制驱动硬件，实现对液滴移动的控制流程。
附图说明
图1是液滴驱动***中驱动信号流程示意图；
图2是液滴检测及驱动***的结构示意图；
图3a、图3b、图3c、图3d分别是三层PCB及个人电脑的示意图；
图4是微流控芯片的结构示意图；
图5是液滴检测结果转化方法的流程示意图；
图6的c1-c4是自动规划的路径与液滴驱动的效果示意图；
图7a是驱动一个液滴的效果图；
图7b是同时驱动多个液滴的效果图；
图8是个人电脑上示出的检测结果截图；
图9是单片机的控制流程示意图；
图10个人电脑的程序操作流程图；
图11是Lee算法说明及图形用户界面示意图。
具体实施方式
如图1～图4所示，本发明中基于介质电润湿数字微流控芯片的液滴驱动***，主要包含：介质电润湿数字微流控芯片(以下简称为微流控芯片4)、单片机7、与门阵列15、固态继电器阵列10、个人电脑18。
所述的微流控芯片4(图4)，基于PCB塞孔基板制成，上面包含100个可被独立控制的电极，是进行介质电润湿数字微流实验的主要部件；电极阵列四周的通孔为引线区域，用来将独立电极与外部的控制电路相连。所述的单片机7，例如是ATmega2560型微控制板，用来驱动微流控芯片4上的液滴，与个人电脑18通信等。所述的个人电脑18，通过运行相应的软件程序，向所述单片机7发出控制指令，接收该单片机7反馈的信息，进行数据处理，并提供图形用户界面进行人机交互等。所述的与门阵列15，用于产生行列交叉控制的信号。所述的固态继电器阵列10，用于将驱动电压送至微流控芯片4上的独立电极。
示例地，微流控芯片4所在的PCB塞孔基板，依次用800目，1000目，2000目，5000目，7000目进行砂纸机械打磨；用去离子水清洗打磨后的PCB塞孔基板，烘干；铝膜的生长用PVD法(物理气相沉积)；光刻电极图形；旋涂SU-8作为介质层，自然冷却；旋涂Teflon(特氟龙)作为疏水层，自然冷却。
如图3a-图3d所示，通过三块在纵向上有间隔叠放的PCB板来安装相应部件，并提供各部件间适当的信号通路(引线、接插件模块等)；个人电脑18独立于这些PCB板另外设置。其中，所述的微流控芯片4通过PCB塞孔基板四周的排针安装至上层的第一PCB板8；配合所述微流控芯片4设置的液滴检测电路，包含检测电阻2、电压跟随器3、乘法器5、低通滤波器6；所述单片机7同时布置于该第一PCB板8上，并与个人电脑18信号连接；该板上设置有直流双电源模块1为相连的部件供电。在中层的第二PCB板13上布置固态继电器阵列10，并为其设置了交流高压电源模块12、第一接插件模块9和第二接插件模块11，所述第二接插件模块11与微流控芯片4连接来进行单向控制。在下层的第三PCB板17上布置与门阵列15，并为其设置了第三接插件模块14和第四接插件模块16，其中第四接插件模块16与第一接插件模块9连接对固态继电器阵列10进行单向控制，单片机7通过连接第三接插件模块14对与门阵列15单向控制。
所述个人电脑18向单片机7下发控制命令，单片机7根据下发的命令控制与门阵列15来产生交叉控制信号，通过交叉控制信号控制固态继电器阵列10；当固态继电器的输入为高电平时，继电器导通，其输出端会将合适的驱动电压接到微流控芯片4的独立电极上，对电极上的液滴进行驱动。液滴检测时，检测电阻2实时提取流过微流控芯片4的电流信号并将提取的信号送入电压跟随器3进行跟随。跟随后的信号分两路输入乘法器5，进行信号自乘。用低通滤波器6对乘法器5的输出进行低通滤波，在低通滤波器6的输出端可以得到直流信号。将此直流信号用单片机7采集，之后送至个人电脑18上进行后续处理。
与门阵列15包含的二输入与门，与固态继电器阵列10包含的继电器一一对应连接，数量与微流控芯片4上的独立电极数量相匹配。每个二输入与门的输出端通过一个限流电阻，和与之相对应的一个固态继电器的输入端相连。本例采用25个与门芯片(如，飞利浦半导体公司的74HC08D型芯片，每片含4个二输入与门)，和100个固态继电器(如，松下公司的AQH2223型芯片)，对应于微流控芯片4上需驱动的具有EWOD功能的100个独立电极。这些独立电极、继电器、二输入与门各自对应10×10的阵列，则，与其对应的交叉控制信号共20路，包含行信号10路、列信号10路。理论上，只要电路的驱动能力和单片机的数字引脚充足，这种交叉控制的方法就可以用任意多的n路行信号，m路列信号控制n×m个独立的电极。
本例提及的行/列信号，由单片机7产生并直接送至各个与门芯片的输入端，其中每路行/列信号同时接入10个二输入与门的输入端。比如，现在第0行的行信号为R0，第0列的列信号为C0，每个二输入与门的输入端为A、B。那么R0从单片机输出后，分别接与门AND00、AND01、AND02、AND03、AND04、AND05、AND06、AND07、AND08、AND09的输入端A；C0从单片机输出后，分别接与门AND00、AND10、AND20、AND30、AND40、AND50、AND60、AND70、AND80、AND90的输入端B。(ANDnm表示第n行，第m列的与门，0≤n≤9,0≤m≤9)。根据与门的运算规则，只有当R0和C0都为高电平时，与门AND00的输出才会为高电平。其他行/列信号的连接方式类似，不一一赘述。
在驱动***及检测电路搭建完成后，首先需要进行标定，可以使用Arduino开发套件自带软件(但不限于此)在标定过程中测试相应数据。如图5所示，标定时，定义可驱动任意一个液滴在相邻电极之间移动的驱动电压为正常驱动阈值；将驱动电压降到正常驱动阈值以下(例如是正常驱动阈值的一半，但不限于此)。之后开始各项参数的测定，可以对不同位置/不同尺寸大小的液滴进行测量。各项参数测量完成后找一个100％被液滴覆盖的电极，对该电极加电记录单片机回传的值data1。再将驱动电压恢复至正常驱动阈值。然后边调节检测电阻的阻值大小边观察单片机回传的值data2。当回传的值data2再次等于data1时，***标定完成。这样之前在低驱动电压下测得的各项参数就能够相应转化成正常驱动电压下可以使用的参数。
介质电润湿技术，是在给液滴下方的电极加电时，液滴会发生电润湿现象，即液滴和界面的接触角变小(可以看作液滴趴下了)。如果液滴横跨在相邻两个电极之间，那么先后给这两个电极加电，液滴就会在这两个电极之间侧向运动。基于上述原理，本发明的驱动方法，可以同时驱动一个或者多个液滴在微流控芯片上移动。图6(c1-c4)示出一个液滴沿L型路径移动的情况。图7a(a1-a9)展示了一个液滴沿着一条S形的路径移动至不同方格的情况；图7b(b1-b6)展示了四个液滴分别在不同电极区域上的旋转运动。
本发明中通过结合液滴检测电路和驱动***的使用，可以进一步对液滴路径实现自动规划；本例中采用的自动规划算法，是寻径算法—Lee算法，也叫棱形算法，只需要指定起始位置和终点位置以及规划的范围(即矩阵)就可以找出路径。即，检测确定某位置是否有障碍物；应用Lee算法判断有无可行路径；如果存在可行路径，用迭代算法找出该路径(下文详述)。其中对液滴的检测，是通过串口接收单片机回传的信息，以数字打印的方式在个人电脑的屏幕上显示，对液滴大小、位置等信息做出表征。
如图11所示，本发明个人电脑上一个图形用户界面的示例中，左侧是按钮阵列区，用以显示与电极阵列相对应的按钮阵列，并通过该按钮阵列对芯片上液滴、障碍物的检测结果进行展示，当前示出了一个使用Lee算法为液滴自动规划路径的示例；右侧是控制区，示出一些控制键、矩阵行列的输入框、规划路径的步数等；下侧是消息区，用以向用户提供通知信息，例如是控制键的功能，液滴状态的简述等，可根据实际应用情况来规定。
如图10所示，在控制区填入行列数后，通过点击New grid键，即在按钮阵列区显示出具有相应行列数的按钮阵列(本例为10*10)。通过点击Obstacle键，自动检测微流控芯片相应电极上的液滴/障碍物信息。图例展现的是在按钮阵列区合成出由摄像机拍摄的实际芯片画面与程序运行得到的检测结果画面，以实时直观地显示液滴/障碍物的大小和位置，将液滴/障碍物及其周边一圈对应的按钮以绿色标示(图中显示为深色的按钮)。
本发明所述的障碍物，是指二维介质电润湿数字微流控芯片上那些妨碍正常液滴运动的物质或位置点，比如某位置上的残留试剂、击穿点、其他正常工作的液滴(对某一液滴来说，芯片上存在的其他任何液滴都为障碍物)等。在芯片第一次工作的时候，会进行一次全芯片扫描，之后会对液滴刚刚运动过的路径进行扫描。因为有液滴或者击穿点的电极位置的检测值会比没有液滴和击穿点的电极位置的检测值高，所以认为那些检测值偏高的电极点上存在障碍物。
通过点击Obstacle键，个人电脑会通过USB转串口的数据线向单片机下达扫描全芯片的命令，使驱动***和检测电路同时启动，每驱动一次就检测一次。比如芯片上有100个电极，那么就逐一给这100个电极加驱动信号，得到100个对应的检测值。
具体的硬件控制流程如下：
A1、在图形用户界面上点击Obstacle键时，个人电脑会向单片机下发指令#1，单片机分别调节10路行信号(即10个数字引脚)和10路列信号(即10个数字引脚)，比如先让第1路行信号(即第一个行数字引脚)置为高电平，其余路行信号置为低电平，列信号从第1路开始，置为高电平10ms后再恢复到低电平(注意所有数字引脚初始状态皆为低电平)，然后开始第2路列信号…第10路列信号，至此，关于第1路行信号的列信号变换完成；然后开始第2路行信号的列信号变换，方法同第1路行信号的…直到第10路行信号的列信号变换完成。
A2、单片机的行列数字引脚直接接至与门阵列的输入端，每次行列信号变化，都会影响到与门阵列的输出端的电位高低；与门阵列有100个输出信号，每个输出信号通过一个限流电阻接一个固态继电器的输入端。固态继电器的输入端为高电平时，输出端的电路就会导通，交流高压驱动电源就会接到对应的数字微流控芯片的下电极上。反之，当它的输入端为低电平时，输出端的电路就会关闭，交流高压驱动电源和数字微流控芯片下极板之间的通路就会断开。
A3、驱动***每10ms换一个电极加电，检测***每10ms检测一次，即对流过数字微流控芯片的电流每10ms用检测电阻提取一次。驱动***和检测电路密切配合，一个电极正好被检测一回；检测电阻将电流信号转化为电压信号送入电压跟随器进行跟随；将电压跟随器的输出分两路送入乘法器进行信号自乘；对乘法器的输出进行低通滤波；由单片机的模数转换器对低通滤波器的直流输出进行采集。
A4、单片机根据程序内预先确定的阈值(由标定过程测得的数据决定)对每个采集的数据进行比对，比阈值高的记为1，等于或低于阈值的记为0；单片机收集够这100个电极的检测值后，在每个电极的编号(00～99)后加上该电极的比对值(例如000010021030041…101111120….980990；每三位代表一个电极的编号及其检测值)，通过串口将这300个数据送入个人电脑上运行的软件进行处理。
A5、个人电脑的软件会自动解析这300个数据，将按钮阵列区中比对值为1的电极所对应的按钮涂成绿色(图中示出为深色)并且将该这些按钮的位置信息加入障碍物位置信息库。图8的d1～d3分别对应按钮阵列区中，显示一个、两个、三个大液滴同时存在于二维数字电润湿微流控芯片上时的三例检测结果；图例中的绿色(深色)标示区域，对应于每个液滴/障碍物实际所处的按钮位置及该液滴/障碍物周边8个相邻位置的按钮位置。
除了自动检测出的障碍物位置以外，还可以手动添加障碍物的位置信息，使得按钮阵列区处一些与被添加的障碍物相对应的按钮，被改变颜色并标记为E。再次点击Obstacle键，完成自动/手动障碍物位置的信息设置。
点击S&D adjust键，可以在按钮阵列区中设置要驱动的液滴的起始位置和终点位置。图11的示例中，标记为S的按钮设定为液滴的起始位置，标记为D的按钮设定为液滴要到达的终点位置。再次点击S&D adjust键，完成液滴始末位置的设定。
通过点击Animation键，程序开始自动规划路径，得到从起始位置S到终点位置D的一条液滴路径，并显示路径总长；标记为E的按钮是障碍物所在的位置，不允许当前驱动的液滴在上面运动。
其中，以图11为例，Lee算法寻找路径的过程分两步：
第一步：填数
根据给定的液滴起始位置S、终点位置D，障碍物位置E以及寻径范围(如10*10阵列范围内)，先将各个位置的液滴步数(即液滴从起始位置运动到该位置共需要多少步)设为“0”；
从起始位置S开始，将其四个相邻的十字位置(“十”字形的其他四个端点，似棱形)的液滴步数设为“1”，将该步数显示在起始位置的十字相邻位置的按钮上；
分别在各个“1”按钮的十字相邻位置(即棱形的四条边)，将液滴步数设为“2”；
分别在各个“2”按钮的十字相邻位置，将液滴步数设为“3”；
……
当这个“涟漪”扩展到设定的终点位置D时，停止填数。开始第二步。
第二步：溯源
从终点位置D一步一步倒回起始位置S；
假设终点位置D的液滴步数为j，将该位置设置为“波前位置”；
找到液滴步数为j-1的位置，设置为新的“波前位置”(即覆盖上次的位置，迭代算法)；
在“波前位置”找到液滴步数为j-2的位置，设置为新的“波前位置”；
……
在“波前位置”找到液滴步数为0的位置，即液滴的起始位置S，停止溯源。这些“波前位置”组成的有序队列，反过来就是规划出的液滴路径。
点击Download键，个人电脑会将规划出的路径信息，通过串口下发到单片机，向单片机发送指令2#。由于串口只能一位一位的收发数据，所以约定：路径上的任一具***置，先发它的行地址，再发它的列地址。以图11中的路径为例，该路径为：67-66-65-55-45-35-34-33-32-31(以第0-9行、第0-9列划出的10*10阵列范围)；再加上指令#2，得到下载到单片机的信息流为：指令#2的编码+67666555453534333231。单片机收到上述信息后会根据指令的类型进行相应处理，收到指令#2会将液滴的路径放入路径数组中。
如图9所示，单片机基于内部烧录的程序，根据个人电脑下发的路径，经过控制驱动硬件实现对液滴移动的控制过程如下：
单片机初始化各个数字引脚，将行数字引脚和列数字引脚皆置为低电平；提取个人电脑对单片机下发的指令，进行判断：
如果判断当前下发的是指令#1，则进一步判断路径数组里是否记录有元素：若路径数组没有元素的，控制驱动***对整个芯片进行扫描并将扫描结果向个人电脑发送(参见前述A1-A5)；若路径数组先前存有元素的，则向个人电脑发送上次路径的检测结果。
如果判断当前下发的是指令#2，则接收个人电脑下发的液滴路径并将其存入到路径数组中，解析液滴路径并驱动相应的行列数字引脚，为芯片上与路径对应的电极依次加电。
如果不是指令#1或#2，则判断路径数组里是否有元素，如果有则检测液滴路径并将检测结果存储。
为了进行驱动，单片机接收下发的指令#2+路径信息，分别调节10路行信号(即10个数字引脚)和10路列信号(即10个数字引脚)。如对图11中的路径，先让第7路行信号(即第7个行数字引脚)，第8路列信号(对应路径信息67)置为高电平100ms，之后再恢复到低电平(注意所有数字引脚初始状态皆为低电平)。然后让第7路行信号，第7路列信号(对应路径信息66)置为高电平100ms，之后再恢复到低电平…让第4路行信号，第2路列信号(对应路径信息31)置为高电平100ms，之后再恢复到低电平。至此，路径解析完成，进而通过单片机的行列数字引脚电平变化，与门阵列输出端的电位高低变化，固态继电器阵列的输出端电路的导通或关闭，数字微流控芯片的下电极上(即液滴下方的电极)与交流高压驱动电源之间通路的导通或关闭，就可以驱动液滴从起始位置到达终点位置。
通过点击图形用户界面上的Continue键，可以交互液滴的起始位置和终点位置。点击Clear键，可以清除当前显示的例如按钮阵列、液滴/障碍物、始末位置、路径等信息。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种介质电润湿数字微流控芯片上独立电极的驱动方法，其特征在于，
个人电脑向单片机下发第一指令，以通过单片机控制驱动***对介质电润湿数字式微流控芯片上进行扫描，对微流控芯片上的所有电极逐一加电；对检测电路在每次电极加电时对微流控芯片的检测结果，单片机进行采集并形成相应的检测值；
根据单片机反馈的检测值，个人电脑对具有当前驱动液滴或其障碍物的电极或没有当前驱动液滴或其障碍物的电极进行区分，对当前驱动液滴或其障碍物在电极上的大小及位置进行表征，并对当前驱动液滴从指定的起始位置到指定的终点位置的路径进行规划及显示；其中，所述障碍物，是微流控芯片上妨碍当前驱动液滴运动的物质或位置点；
个人电脑向单片机下发附带有路径相关信息的第二指令，通过单片机控制驱动***对微流控芯片上沿路径分布的电极依次加电，以使当前驱动液滴沿路径移动。
2.如权利要求1所述的驱动方法，其特征在于，
所述驱动***设有与门阵列、固态继电器阵列；与门阵列包含的与门，与固态继电器阵列包含的继电器数量相同且相应连接，所述继电器与微流控芯片上电极的数量相同且相应连接；
所述单片机通过其设置的m行n列数字引脚，相应地提供m个行信号、n个列信号给各个与门；每个行信号接入与该行对应的所有列的与门的第一输入端，每个列信号接入与该列对应的所有行的与门的第二输入端；
每个与门的第一输入端及第二输入端同时为第一电平时，输出第一电平至与该与门对应的继电器的输入端，以接通与该继电器对应的电极与驱动电压之间的通路，为相应电极加电；或者，每个与门的第一输入端及第二输入端不同时为第一电平时，输出第二电平至与该与门对应的继电器的输入端，以切断与该继电器对应的电极与驱动电压之间的通路，使相应电极失电；
所述第一电平是高电平而第二电平是低电平；或者，所述第一电平是低电平而第二电平是高电平。
3.如权利要求1所述的驱动方法，其特征在于，
所述检测电路包含检测电阻、电压跟随器、乘法器、低通滤波器；
驱动***每换一个电极加电，检测电阻就对流过微流控芯片上的电流信号提取一次，并将电流信号转化为电压信号送入电压跟随器进行跟随；电压跟随器的输出分两路送入乘法器进行信号自乘；对乘法器的输出进行低通滤波；由单片机的模数转换器对低通滤波器的直流输出进行采集，并反馈相应的检测值至个人电脑。
4.如权利要求1或3所述的驱动方法，其特征在于，
比较所有电极分别加电后采集到的检测值，具有当前驱动液滴或障碍物的电极的检测值，高于没有当前驱动液滴或障碍物的电极的检测值；
当前驱动液滴是一个或多个液滴；
所述障碍物，包含残留试剂、击穿点、当前驱动液滴以外的其他液滴之中的任意一种或其任意组合。
5.如权利要求1或2或3所述的驱动方法，其特征在于，
根据收到的第一指令，所述单片机控制驱动***对所有电极逐一加电；并且，每换一个电极加电，单片机从检测电路处采集一次检测值，用来与设定的阈值进行比对，将高于阈值的记为第一比对值，将等于或低于阈值的检测值记为第二比对值；
单片机将所有电极对应的检测值整合后，通过串口送至个人电脑；整合的检测值中为每个电极分配的数据位，用以记载该电极的编号及该电极对应的第一比对值或第二比对值；
个人电脑对整合的检测值进行解析，将检测值为第一比对值的各个电极所在的位置在显示时进行标识，并将这些位置记录至障碍物位置信息库。
6.如权利要求1或2所述的驱动方法，其特征在于，
单片机接收随第二指令下发的路径相关信息，获得规划出的路径并将其存入到路径数组中；所述路径相关信息中，对应路径上每个电极的数据位，包含该电极的行地址及列地址；
单片机解析所述路径，获取与沿路径分布的电极相对应单片机的行列数字引脚来进行电平调节，进而通过驱动***为沿路径分布的电极依次加电，以驱动液滴从起始位置到达终点位置；
所述电平调节，包含逐一将路径上每个电极在单片机上对应的行列数字引脚上的电平，同时从第二电平转到第一电平并持续设定时间后恢复到第二电平；第二电平是单片机对每个行列数字引脚初始设定的电平。
7.如权利要求1或2所述的驱动方法，其特征在于，
若单片机判断个人电脑对其下发的是第一指令，且判断路径数组里存储有与上次规划路径相关的数组元素时，向个人电脑发送与上次规划路径相对应的检测值；
若单片机判断个人电脑对其下发的是第一指令，且判断路径数组里没有数组元素时，单片机对其设有的行列数字引脚进行电平调节，进而通过驱动***对所有电极逐一加电；
所述电平调节，包含将各个行数字引脚的电平依次置为第一电平后恢复到第二电平，其中每行数字引脚为第一电平时使各个列数字引脚的电平依次置为第一电平后恢复到第二电平；第二电平是单片机对每个行列数字引脚初始设定的电平。
8.如权利要求1所述的驱动方法，其特征在于，
基于Lee算法，对当前驱动液滴从指定的起始位置到指定的终点位置的路径进行规划，包含以下过程：
第一步，给定当前驱动液滴的起始位置、终点位置、障碍物位置，以及与微流控芯片上电极阵列对应的寻径范围，进行填数：
将寻径范围内的所有位置的液滴步数设为“0”；
将起始位置的十字相邻位置的液滴步数设为“1”；
设i的初始值为1，当任意一个液滴步数为“i”的位置的十字相邻位置不是终点位置时，循环进行填数：分别将每个液滴步数为“i”的位置的十字相邻位置的液滴步数设为“i+1”，令i=i+1；
直到任意一个液滴步数为“i”的位置的十字相邻位置是终点位置时，停止填数，跳出循环；开始第二步；
第二步，从终点位置一步一步倒回起始位置，进行溯源：
设首个“波前位置”是指定的终点位置，其液滴步数是第一步得到的j；
设p的初始值为j，进行迭代：将每次找到的液滴步数为p的“波前位置”，用液滴步数为p-1的位置替换，令p=p-1；
直到p=0，对当前“波前位置”替换的是液滴的起始位置时，停止溯源，将通过迭代获得的所有“波前位置”形成的有序队列反过来，得到规划出的路径。
9.如权利要求1所述的驱动方法，其特征在于，
所述个人电脑设置的图形用户界面，生成与微流控芯片上电极阵列相对应的按钮阵列，通过在按钮阵列上显示不同样式的按钮进行信息显示，所显示的信息包含：当前驱动液滴或其障碍物在电极上的大小及位置、为当前驱动液滴指定的起始位置和终点位置、规划出的路径。
10.如权利要求1所述的驱动方法，其特征在于，
对微流控芯片、单片机、驱动***、检测电路、个人电脑组装完成后，进一步包含对液滴检测结果进行转化的以下标定过程：
S1、设定正常驱动阈值为能用以驱使微流控芯片上任意位置的一个第一液滴在相邻电极之间移动时所施加的驱动电压；
S2、去除第一液滴，将驱动电压降至正常驱动阈值以下；
S3、对微流控芯片上任意位置、任意尺寸的一个或多个待测液滴，进行与待测液滴状态相关的参数测定，获得原始参数；
S4、对微流控芯片上任意一个100%被待测液滴覆盖的电极加电，并记录单片机反馈给个人电脑的值data1；
S5、将驱动电压恢复至正常驱动阈值，调整检测电阻的阻值的同时观察单片机反馈给个人电脑的值data2；当反馈的值data2等于data1时，停止调整检测电阻，完成标定，将待测液滴的原始参数作为与正常驱动阈值对应的检测结果。
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Families Citing this family (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109164073B (zh) * 2018-08-03 2021-12-21 大连大学 用于水体重金属离子测定的数字微流控芯片***及方法
CN109092379B (zh) * 2018-09-05 2024-04-16 仲恺农业工程学院 微流反应芯片及其液滴定位控制***和控制方法
CN109092380A (zh) * 2018-09-19 2018-12-28 深圳先进技术研究院 数字微流控***及液滴驱动方法
US10978007B2 (en) * 2018-12-03 2021-04-13 Sharp Life Science (Eu) Limited AM-EWOD circuit configuration with sensing column detection circuit
CN112530374B (zh) * 2019-04-04 2022-04-19 上海中航光电子有限公司 驱动电路及其驱动方法、面板及其驱动方法
CN110694701B (zh) * 2019-10-14 2021-12-07 中国科学院微电子研究所 液滴的传输方法及装置、液滴运输路径的清洗方法
CN113842963A (zh) * 2021-10-29 2021-12-28 佛山奥素博新科技有限公司 一种微液滴生成***及生成方法
WO2023082470A1 (zh) * 2021-11-12 2023-05-19 佛山奥素博新科技有限公司 一种微流控芯片、微流控装置及液滴实时控制方法
CN114308159B (zh) * 2021-12-29 2023-09-01 复旦大学 一种光致电润湿芯片中液滴的自动化控制方法

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106933142A (zh) * 2017-02-24 2017-07-07 华南师范大学 一种基于电润湿的微流控液滴定位***及方法

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20040231987A1 (en) * 2001-11-26 2004-11-25 Keck Graduate Institute Method, apparatus and article for microfluidic control via electrowetting, for chemical, biochemical and biological assays and the like

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106933142A (zh) * 2017-02-24 2017-07-07 华南师范大学 一种基于电润湿的微流控液滴定位***及方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
光检测数字微流控芯片的高集成驱动电路设计;吴子牧;《电子测量技术》;20150515;第38卷(第3期);第112-115页 *
粒子群算法在微流控芯片测试中的应用;吕莹;《电子世界》;20170606(第8期);第185-186,189页 *

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