基于介电润湿液滴精准驱动检测反馈系统研究

路亚旭 张恒伟 邹前进 张广军

（中国人民解放军63891部队 河南省洛阳市 471000）

数字微流控技术是一种操控微升和纳升级别液滴的技术，能够对电级阵列上的液滴进行单独控制，可以使内部样品的分析操作更加精确，分析速度也成倍增强[1]。对该技术而言，其中常见的驱动方法有介电润湿(EWOD)[2]、介电电泳[3]、声表面波[4]、静电力法[5]等。而在诸多的微流体驱动控制技术中，由于EWOD 芯片的制备和结构相对简单，具有小型化、集成化、易于操控等优点，被广泛应用于生物医学、分子生物学、光学器件[6]等领域。

在相同的驱动电压和驱动顺序下，操作参数（驱动电压、驱动顺序）以及随机参数（疏水涂层、表面粗糙度）的不同，都会影响对液滴的操控。目前，很多研究者对EWOD 芯片的电级结构设计、介电材料、驱动机理等进行研究，但很少将液滴的驱动、位置检测及控制反馈系统集成在一起进行研究。

为了解决液滴在EWOD 芯片输运、合成、分配等过程中稳定性和可重复性的问题，本研究将驱动装置、位置检测装置、控制反馈系统融为一体，驱动装置根据控制装置下达的指令输出驱动波形以驱动液滴，检测装置实时将液滴等效电容值传送给控制装置，通过控制装置的分析处理获取液滴位置信息后以调整驱动装置输出的波形，实现了对液滴的精准操控，保证了液滴的连续运动，对进一步深入研究基于介电润湿数字微流控的应用具有重要的指导意义。

1 液滴操控及检测原理

1.1 液滴操控基本原理

介电润湿效应指的是通过在疏水绝缘层下面的驱动电极单元上外加电压来控制放置在其上面液滴的润湿性。当液滴位于两个未被施加电压的驱动电极上时，液滴在驱动电极上处于疏水平衡的状况，如图1(a)所示；仅当右侧驱动电极加电时，液滴左边的接触角未发生改变，而液滴右边的接触角减小，使得液滴向右铺展，如图1(b)所示。基于上述原理，给驱动电极施加一定幅值和频率的脉冲电压，就可以使液滴沿着所施加电压的方向移动，从而实现对EWOD 芯片上液滴的操控。

1.2 位置检测原理

电容测量是数字微流控系统中检测液滴相关参数常用的方法，本研究利用电容式传感器对液滴参数敏感这一特性，获取液滴的位置信息。在实际应用中，EWOD芯片系统等效电容等同于液滴接触面覆盖的下极板疏水绝缘层等效电容值，而驱动电极上液滴的等效电容值与液滴的接触面积公式为：

其中，ε0表示真空介电常数，εAF表示疏水层介电常数，d表示下极板疏水绝缘层厚度，S表示液滴在该驱动电极下极板上的有效接触面积，Ceq表示液滴的等效电容值。从图2 中可知，液滴与驱动电极下极板的接触面积可近似于长方形，而两个驱动电极之间的间距相对于驱动电极和液滴来说非常小（通常只有20um），可以忽略不计。因此，液滴在驱动电极1 上的等效电容值和驱动电极2 上的等效电容值可分别转化为：

图2： 液滴在两个驱动电极上的俯视图

其中，L表示单个驱动电极外延边长，l1表示液滴在驱动电极1 上的中心长度，l2表示液滴在驱动电极2上的中心长度，从而可依据等效电容值的变化确定液滴在驱动电极上的具体位置。

2 驱动检测反馈系统的设计

自动化微流控系统的可靠性取决于它的自监视能力，为了避免液滴在输运过程中因异常状态导致液滴的输运失败，本研究设计了液滴驱动检测反馈系统，通过获取等效电容值来实现对液滴的精准操控。

2.1 系统组成

驱动检测反馈系统包括控制装置、驱动装置和检测装置，如图3 所示。以STM32F407 芯片为基础作为控制装置，通过IIC 通信方式控制驱动装置输出相应的驱动波形来实现在EWOD 芯片系统上液滴的驱动；通过SPI 通信方式控制电容检测装置对EWOD 芯片系统上液滴进行数据采集并将数据传送给控制装置，控制装置对电容数据进行分析处理，根据等效电容值与目标电容值的关系对驱动装置发送相应的命令，同时可通过串口将处理后的数据传送至电脑上显示，便于操作人员采取相应的措施。

图3： 系统总体框架图

2.2 程序设计

驱动装置对EWOD芯片上第二个驱动电级加电后，检测装置开始采集EWOD 芯片上所有驱动电极的等效电容值，然后通过SPI 通信方式将数据传送到控制装置，控制装置对数据进行分析处理，获取EWOD 芯片上液滴当前位置，并判断液滴是否到达当前指令下对应位置。如未到达对应位置，则控制装置对驱动装置发送对应指令驱动液滴继续向对应位置移动，直至液滴到达对应位置；反之，该驱动电极驱动结束，并判断液滴是否到达目标位置，如果未到达目标位置，则下一个驱动电极开始加电驱动，直至液滴到达目标位置结束本次实验。本研究设计的驱动检测反馈系统程序运行流程图如图4 所示。此外在驱动液滴时驱动装置突然断电，检测装置将获取的数据传送给控制装置，控制装置解析液滴当前的位置并进存储，当驱动装置再次加电后，驱动装置根据控制装置反馈的存储数据调整其输出的波形，继续驱动液滴向目标位置移动。

图4： 驱动检测反馈系统程序流程图

3 实验与讨论

基于EWOD 芯片的驱动电极形状为正方形，驱动电极单元尺寸2mm×2mm，驱动电极单元之间的间距为20μm，上下极板间距为180μm，本实验使用的液滴体积为1μl，驱动电压为80V。

3.1 液滴输运的位置检测

如图5 所示，液滴从EWOD 芯片的驱动电级1 依次向驱动电级4 输运过程中，检测装置获取所有驱动电级上的等效电容值，通过等效电容值的变化来确定液滴的位置。当液滴完全覆盖驱动电极1 上时，其等效电容值最大为87.6pF，如图5(a)所示；通过对驱动电极2 加电，根据介电润湿效应，液滴会沿着加电的方向移动，直至液滴完全覆盖驱动电极2，此时驱动电极2 上的等效电容值最大，如图5(b)所示；同理，驱动电极3 和驱动电极4 上液滴完全覆盖的等效电容如图5(c)、(d)所示。本实验验证了该系统可以通过等效电容值的变化确定液滴的位置,实现了对液滴位置的实时检测。

图5： 液滴位置检测

3.2 液滴输运异常的检测反馈控制

本节对液滴在输运过程中驱动装置突然断电的异常状态进行实验分析，如图6 所示。

液滴从驱动电极1 输运至驱动电极5 的过程中，驱动电极3 加电时驱动装置突然断电，根据检测装置检测到等效电容值显示液滴在驱动电极2 和驱动电极3 之间，如图6(c)所示。再次对驱动装置加电，控制装置会根据检测装置传送的等效电容值进行分析处理，及时调整驱动装置输出的驱动波形，将继续给驱动电极3 加电使得液滴继续向前移动，直至液滴全覆盖驱动电极3 如图6(d)所示；同理可得，液滴从驱动电极3 移动至驱动电极5，如图6(e)、(f)所示。本实验验证了驱动检测反馈系统可在液滴输运异常情况下可实现对液滴的精准操控。

图6： 输运异常状态下对液滴的驱动检测反馈

4 结论

本研究提出一种基于介电润湿液滴驱动检测反馈系统，根据检测装置将获取的数据传送给控制装置，经过控制装置对数据的分析处理，实时获取液滴的位置，并实时调整驱动装置输出的驱动波形，实现了一个EWOD芯片闭环控制系统。实验结果表明，对输运过程中液滴进行实时动态定位，及时调整驱动波形，保证了液滴输运的连续性，为智能化、微型化、集成化及自动化的芯片实验室奠定了基础。