基于等效電容的介電濕潤(rùn)芯片液滴位置檢測(cè)方法

許曉威 孫立寧 陳立國(guó) 江海兵 張玉良 季英瑜

(1.衢州學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院, 衢州 324000; 2.蘇州大學(xué)機(jī)器人與微系統(tǒng)研究中心, 蘇州 215021)

基于等效電容的介電濕潤(rùn)芯片液滴位置檢測(cè)方法

許曉威1孫立寧2陳立國(guó)2江海兵1張玉良1季英瑜1

(1.衢州學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院, 衢州 324000; 2.蘇州大學(xué)機(jī)器人與微系統(tǒng)研究中心, 蘇州 215021)

數(shù)字微流控技術(shù)在操作單個(gè)微液滴方面所表現(xiàn)出的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)使其得到了廣泛關(guān)注與應(yīng)用，但數(shù)字微流控系統(tǒng)中針對(duì)芯片上液滴的位置缺少反饋就會(huì)發(fā)生液滴不能成功被驅(qū)動(dòng)的現(xiàn)象，致使液滴不能夠完成規(guī)劃的路徑。本文采用基于等效電容的液滴位置估算檢測(cè)原理，系統(tǒng)以相鄰兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電極與液滴所構(gòu)成的等效電容為反饋控制對(duì)象，該位置估算原理具有無(wú)量綱屬性，與液滴的組成成分無(wú)關(guān)，適用性更加廣泛。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于等效電容的液滴位置估算檢測(cè)原理和裝置能極大地提高液滴連續(xù)運(yùn)動(dòng)的成功率，從而使液滴能夠按照規(guī)劃好的路徑運(yùn)動(dòng)到既定目的地。

數(shù)字微流控技術(shù); 介電濕潤(rùn)機(jī)理; 液滴位置估算; 等效電容

引言

微流控技術(shù)隨著微制作工藝的快速發(fā)展取得了很大的突破，利用介電濕潤(rùn)機(jī)理(Electrowetting-on-dielectric, EWOD)的數(shù)字微流控技術(shù)成為微流控技術(shù)的新熱點(diǎn)[1-8]。由于數(shù)字微流控技術(shù)操控液滴是在平板上進(jìn)行，不需要微泵、微閥和微管道等復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)，這樣避免了結(jié)構(gòu)復(fù)雜部件的制作和裝配、交叉使用造成的污染，因此數(shù)字微流控芯片在“芯片上實(shí)驗(yàn)室”(Lab on a chip)得到了越來(lái)越多的應(yīng)用，其原理是以液滴為載體，液滴中可以包含細(xì)胞[9-11]和蛋白質(zhì)[12]等物質(zhì)。另外，數(shù)字微流控技術(shù)在光學(xué)[13-14]、電子芯片降溫[15]、特種傳感器[16-18]等領(lǐng)域也得到了廣泛的應(yīng)用。

在基于介電濕潤(rùn)機(jī)理的開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)中，如果液滴由于芯片表面缺陷、灰塵等造成液滴無(wú)法運(yùn)動(dòng)至驅(qū)動(dòng)電極時(shí)，由于缺少針對(duì)液滴運(yùn)動(dòng)位置的檢測(cè)和控制，會(huì)造成液滴連續(xù)運(yùn)動(dòng)失敗。因此，相對(duì)于開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)，加入液滴位置檢測(cè)的閉環(huán)控制系統(tǒng)能保證液滴運(yùn)動(dòng)的連續(xù)性。SHIN等[19]發(fā)明了基于視覺(jué)反饋的液滴位置控制系統(tǒng)，控制器通過(guò)檢測(cè)液滴截面圓與驅(qū)動(dòng)電極的相對(duì)位置達(dá)到檢測(cè)液滴位置的目的，但該液滴位置控制系統(tǒng)需要一套高精度的視頻設(shè)備和較強(qiáng)計(jì)算能力的計(jì)算機(jī)去實(shí)時(shí)處理視頻數(shù)據(jù)，使用成本較高。SHIH等[20]研究了基于傳感器的液滴位置反饋控制系統(tǒng)，傳感器用于檢測(cè)EWOD芯片的交流電信號(hào)，然后與所施加的驅(qū)動(dòng)電壓信號(hào)進(jìn)行比較以達(dá)到檢測(cè)液滴位置的目的，但該方法對(duì)液滴本身的特性依賴(lài)性較大，這就會(huì)影響傳感器檢測(cè)電信號(hào)的準(zhǔn)確性。SADEGHI等[21]研究了基于阻抗電路的液滴位置估算方法，優(yōu)點(diǎn)是無(wú)論液滴導(dǎo)電或絕緣該方法都可以適用，但該方法運(yùn)算量較大，檢測(cè)電路復(fù)雜。

本文采用基于電容傳感器的液滴位置估算原理[21-24]，該估算原理中液滴的位置與液滴的組成成分無(wú)關(guān)，與相應(yīng)驅(qū)動(dòng)電極的電容之比有關(guān)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)EWOD芯片-液滴系統(tǒng)實(shí)時(shí)位置的反饋與控制。

1 等效電容理論模型

1.1 介電濕潤(rùn)機(jī)理

數(shù)字微流控技術(shù)操控液滴是通過(guò)給介電層下方的驅(qū)動(dòng)電極加電，如圖1a所示，此時(shí)右側(cè)驅(qū)動(dòng)電極加電，液滴的大部分位于左側(cè)不加電驅(qū)動(dòng)電極之上，位于加電驅(qū)動(dòng)電極之上的液滴接觸角α減小，當(dāng)α的減小量足夠大時(shí)，液滴就會(huì)向加電驅(qū)動(dòng)電極的方向運(yùn)動(dòng)，按時(shí)序分別給陣列驅(qū)動(dòng)電極加電，液滴就會(huì)被驅(qū)動(dòng)。數(shù)字微流控技術(shù)包括液滴的分配、分離、合并和運(yùn)輸4項(xiàng)基本操控[21]。

由于開(kāi)環(huán)EWOD芯片-液滴控制系統(tǒng)缺少位置反饋信息，而當(dāng)液滴不能正常完成設(shè)定的運(yùn)動(dòng)時(shí)就會(huì)致使液滴不能夠正常運(yùn)動(dòng)到目標(biāo)位置，如圖1b所示陣列電極中液滴從1號(hào)驅(qū)動(dòng)電壓運(yùn)動(dòng)到目標(biāo)位置5號(hào)驅(qū)動(dòng)上。由于灰塵，表面粗糙度過(guò)大所導(dǎo)致的EWOD芯片表面缺陷就會(huì)阻礙液滴的運(yùn)動(dòng)，如圖1b中3號(hào)驅(qū)動(dòng)電極表面所示，當(dāng)液滴受到阻礙而沒(méi)有完成一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期時(shí)就會(huì)給后續(xù)的運(yùn)動(dòng)帶來(lái)一系列的困難，因?yàn)橥鈬刂齐娐返目刂菩盘?hào)在液滴開(kāi)始運(yùn)動(dòng)之前已經(jīng)設(shè)定好，施加一定時(shí)間的驅(qū)動(dòng)電壓，液滴就會(huì)相應(yīng)地完成一個(gè)驅(qū)動(dòng)電極長(zhǎng)度的運(yùn)動(dòng)周期，即，計(jì)劃完成4個(gè)驅(qū)動(dòng)電極長(zhǎng)度的運(yùn)動(dòng)距離，在液滴開(kāi)始運(yùn)動(dòng)前就已經(jīng)設(shè)定了4個(gè)信號(hào)的驅(qū)動(dòng)電壓，信號(hào)電壓數(shù)與液滴完成運(yùn)動(dòng)周期數(shù)存在一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。所以，當(dāng)液滴由于一系列原因在某一個(gè)驅(qū)動(dòng)電信號(hào)時(shí)沒(méi)有完成一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期的運(yùn)動(dòng)，最終會(huì)致使液滴不能夠準(zhǔn)確地到達(dá)目的地，圖中液滴就很可能停在3號(hào)驅(qū)動(dòng)電極之上。而EWOD芯片-液滴控制系統(tǒng)能夠以液滴的運(yùn)動(dòng)位置為反饋信息，當(dāng)檢測(cè)到液滴沒(méi)有運(yùn)動(dòng)到預(yù)期位置“卡”在3號(hào)驅(qū)動(dòng)電極之上時(shí)可以給相應(yīng)驅(qū)動(dòng)電極重復(fù)施加驅(qū)動(dòng)電壓，甚至更大的驅(qū)動(dòng)電壓，從而使液滴能夠順利“翻”過(guò)3號(hào)驅(qū)動(dòng)電極，最終到達(dá)目標(biāo)位置。

圖1 介電濕潤(rùn)示意圖Fig.1 Schematic diagrams of electrowetting-on-dielectric

EWOD芯片-液滴系統(tǒng)中的等效電容是EWOD芯片的一種本質(zhì)電路屬性，與EWOD芯片驅(qū)動(dòng)信號(hào)電壓源的頻率無(wú)關(guān)。液滴位置估算器與液滴的成分無(wú)關(guān)，與液滴和驅(qū)動(dòng)電極的相對(duì)位置有關(guān)，該液滴位置估算器通過(guò)EWOD芯片的等效電容之比可以得到一個(gè)無(wú)量綱的值，該值可以用來(lái)估算相鄰2個(gè)驅(qū)動(dòng)電極之間的液滴位置。該方法與驅(qū)動(dòng)電壓信號(hào)頻率和液滴的組成成分無(wú)關(guān)，所需計(jì)算量少。

1.2 等效電容液滴位置檢測(cè)原理

圖2為EWOD芯片-液滴等效電路示意圖，結(jié)合圖1a，其中驅(qū)動(dòng)電極只有一個(gè)。等效電路由2個(gè)平行的電路系統(tǒng)構(gòu)成，介電層和厭水層構(gòu)成電容器，液滴周?chē)橘|(zhì)構(gòu)成一個(gè)電容器；由于EWOD芯片中的液滴具有一定的電導(dǎo)率，包含有液滴的部分就構(gòu)成了相互平行的電容和電阻。液滴的彎液面會(huì)改變驅(qū)動(dòng)電極之間的電場(chǎng)，但相對(duì)于驅(qū)動(dòng)電極與極板間距對(duì)電場(chǎng)改變量，彎液面對(duì)電場(chǎng)的改變量較小，可以忽略[21-22]。

圖2 EWOD芯片-液滴等效電路示意圖Fig.2 Sketch of equivalent capacitance for EWOD chip- droplet

當(dāng)只有單個(gè)驅(qū)動(dòng)電極時(shí)，其電抗只包含電容，表達(dá)式為[23-24]

Ceq=aA+(b-a)AL

(1)

式中a——與極板間距成反比的常數(shù)

b——與介電層厚度成反比的常數(shù)

A——驅(qū)動(dòng)電極的表面積

AL——液滴位于導(dǎo)電電極之上的截面圓面積

其中a值較小，b值較大。在數(shù)字微流控芯片中液滴是通過(guò)一個(gè)電極運(yùn)動(dòng)到相鄰電極來(lái)完成輸運(yùn)液滴的目的。驅(qū)動(dòng)電極等效電容可以表示液滴位置的函數(shù)，因?yàn)锳L的大小取決于液滴位置，因此，以液滴截面圓圓心為液滴位置的反饋位置，該反饋位置可通過(guò)檢測(cè)相鄰驅(qū)動(dòng)電極的電容間接獲取。

圖3a表示液滴截面圓圓心距離1號(hào)驅(qū)動(dòng)電極的距離為x0，假定液滴在運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中液滴與電極表面保持為規(guī)則的圓形，該液滴固液接觸面截面圓半徑為r，1號(hào)驅(qū)動(dòng)電極和2號(hào)驅(qū)動(dòng)電極都為寬度L的方形驅(qū)動(dòng)電極，1號(hào)和2號(hào)驅(qū)動(dòng)電極的間距為L(zhǎng)g，1、2號(hào)驅(qū)動(dòng)電極每單位長(zhǎng)度的電容表達(dá)式為

(2)

(3)

2號(hào)驅(qū)動(dòng)電極的電容與1、2號(hào)驅(qū)動(dòng)電極電容和之比為液滴截面圓圓心位置x0的函數(shù)，電容之比為

(4)

因?yàn)榻殡妼拥暮穸冗h(yuǎn)小于EWOD芯片上下極板間間距h，所以常數(shù)b遠(yuǎn)大于液滴運(yùn)動(dòng)時(shí)的相對(duì)位置變化示意圖中常數(shù)a，因此方程(4)可以簡(jiǎn)化為

(5)

在EWOD芯片中，為了能夠成功驅(qū)動(dòng)液滴，必須保證液滴截面圓的面積稍大于驅(qū)動(dòng)電極的面積，同時(shí)驅(qū)動(dòng)電極間間距Lg?L，因此，r?L/2+Lg是一個(gè)有效假設(shè)，方程(5)又可簡(jiǎn)化為

(6)

圖3 液滴運(yùn)動(dòng)時(shí)的相對(duì)位置變化示意圖Fig.3 Sketches of different position changes during droplet moving

綜合以上分析可知EWOD芯片-液滴系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不變，驅(qū)動(dòng)電極間間距遠(yuǎn)小于驅(qū)動(dòng)電極長(zhǎng)度，所以x0為任意值時(shí)，C1+C2的值為一常數(shù)。由式(6)可知，液滴位置與液滴組成成分無(wú)關(guān)，而是與相應(yīng)驅(qū)動(dòng)電極的電容之比有關(guān)。因此，相比文獻(xiàn)中其他檢測(cè)液滴的方法，該方法檢測(cè)液滴的實(shí)時(shí)位置能省略掉對(duì)設(shè)備進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化的過(guò)程，而且更有利于EWOD芯片-液滴系統(tǒng)中對(duì)液滴實(shí)時(shí)的反饋與控制。測(cè)得EWOD芯片-液滴的電容就可以估算液滴的實(shí)時(shí)位置，獲得了液滴的實(shí)時(shí)位置后可把液滴的位置信息作為反饋，當(dāng)液滴運(yùn)動(dòng)失敗時(shí)能夠給相應(yīng)驅(qū)動(dòng)電極重復(fù)施加驅(qū)動(dòng)電壓，以保證液滴能夠成功被驅(qū)動(dòng)。

1.3 液滴位置檢測(cè)系統(tǒng)建立

為了消除測(cè)量誤差，選擇把1 μL的去離子水液滴放置在圖1a中1、2號(hào)電極上的任意位置，同時(shí)保持每一次液滴的位置在y方向不變，然后通過(guò)電容測(cè)量?jī)x分別測(cè)量液滴位于不同位置時(shí)的電容，再根據(jù)電容實(shí)測(cè)值與視頻截圖估算出x0的值。由圖4可知，等效電容C1初始時(shí)刻時(shí)最大，近似為10 pF/mm；當(dāng)液滴運(yùn)動(dòng)到終點(diǎn)位置時(shí)減小到0，而C2的變化與C1正好相反；當(dāng)?shù)刃щ娙軨1=C2時(shí)液滴運(yùn)動(dòng)到1、2號(hào)驅(qū)動(dòng)電極之間，根據(jù)介電濕潤(rùn)中液滴運(yùn)動(dòng)的規(guī)律可知，液滴運(yùn)動(dòng)到兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電極之間時(shí)說(shuō)明液滴能夠成功運(yùn)動(dòng)完一個(gè)驅(qū)動(dòng)電極的長(zhǎng)度。因此，當(dāng)檢測(cè)到C2≥C1時(shí)說(shuō)明液滴能成功運(yùn)動(dòng)到2號(hào)驅(qū)動(dòng)電極之上；而當(dāng)檢測(cè)到C2lt;C1時(shí)則說(shuō)明液滴沒(méi)能夠成功運(yùn)動(dòng)。

圖4 1、2號(hào)驅(qū)動(dòng)電極等效電容與液滴位置關(guān)系Fig.4 Relationship between equivalent capacitance of No.1 and No.2 driving electrodes and droplet position

當(dāng)液滴運(yùn)動(dòng)時(shí)，單片機(jī)MSP430F149給定電容測(cè)量?jī)x采樣頻率，測(cè)量相應(yīng)驅(qū)動(dòng)電極的電容，然后進(jìn)行比較，如所測(cè)得的電容小于設(shè)定值就說(shuō)明液滴沒(méi)有運(yùn)動(dòng)到帶電驅(qū)動(dòng)電極之上，則需要重復(fù)給該驅(qū)動(dòng)電極加電，如檢測(cè)到該驅(qū)動(dòng)電極的電容達(dá)到一定區(qū)間時(shí)就給下一個(gè)驅(qū)動(dòng)電極加電。為了減小誤差，初始化時(shí)采用帶電驅(qū)動(dòng)電極與相鄰驅(qū)動(dòng)電極的電容之差進(jìn)行比較，當(dāng)C2≥C1時(shí)說(shuō)明液滴已經(jīng)運(yùn)動(dòng)到2號(hào)驅(qū)動(dòng)電極之上，此時(shí)由單片機(jī)發(fā)出指令給光電耦合開(kāi)關(guān)，然后給3號(hào)驅(qū)動(dòng)電極加電；如果C2lt;C1時(shí)說(shuō)明液滴仍停留在1號(hào)驅(qū)動(dòng)電極之上，此時(shí)單片機(jī)發(fā)出指令給光電耦合開(kāi)關(guān)，再給2號(hào)驅(qū)動(dòng)電極施加電壓。

MSP430F149微控制器中有2個(gè)16位定時(shí)器，由于定時(shí)器是16位的，則可以在秒、毫秒數(shù)量級(jí)上進(jìn)行定時(shí)，且具有2個(gè)中斷向量，便于處理各種定時(shí)中斷，即，可以通過(guò)定時(shí)器的比較模式實(shí)現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換功能。另外，定時(shí)器還具有捕獲模式，可以通過(guò)定時(shí)器的捕獲功能實(shí)現(xiàn)各種測(cè)量，如脈沖寬度測(cè)量，如和比較器結(jié)合還可以測(cè)量電阻、電容、電壓、電流和溫度等，因此，利用MSP430F149中的定時(shí)器和比較器實(shí)時(shí)測(cè)量EWOD芯片中液滴的等效電容，從而判斷液滴的位置。電容檢測(cè)設(shè)計(jì)流程圖如圖5所示。

圖5 電容檢測(cè)設(shè)計(jì)流程圖Fig.5 Flow chart of capacitance detection

圖6 微液滴位置反饋控制流程圖Fig.6 Flow chart of droplet position feedback control

圖6所示為液滴位置檢測(cè)反饋控制圖。利用C語(yǔ)言在IAR Embedded Workbench環(huán)境下開(kāi)發(fā)串口接受程序，并參考EWOD芯片上的驅(qū)動(dòng)電極單元序號(hào)，按順序選擇驅(qū)動(dòng)電極單元序號(hào)和光電耦合開(kāi)關(guān)通斷的時(shí)間，通過(guò)仿真器LSD-PET430UTF下載到單片機(jī)中。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)本文中光電耦合開(kāi)關(guān)的首次導(dǎo)通時(shí)間為500 ms，斷開(kāi)時(shí)間為300 ms； 如檢測(cè)到1號(hào)和2號(hào)驅(qū)動(dòng)電極的等效電容之差小于零，即C2lt;C1，如圖6所示，說(shuō)明液滴仍停留在當(dāng)前驅(qū)動(dòng)電極之上。然后繼續(xù)給當(dāng)前驅(qū)動(dòng)電極施加驅(qū)動(dòng)電壓，光電耦合開(kāi)關(guān)的方式為5次加電，前4次中每次加電時(shí)間為100 ms，間隔為50 ms，第5次加電時(shí)間為800 ms，通過(guò)前4次抖動(dòng)式的驅(qū)動(dòng)，液滴更容易克服阻力從而成功跨越障礙。

2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試與結(jié)果分析

2.1 芯片的設(shè)計(jì)制作及系統(tǒng)搭建

加工了尺寸如上文所討論的數(shù)字微流控芯片，驅(qū)動(dòng)電極數(shù)為5個(gè)，呈單排陣列布局，驅(qū)動(dòng)電極尺寸為1 mm×1 mm，驅(qū)動(dòng)電極間間距為20 mm。EWOD芯片實(shí)物圖如圖7a所示，圖7b為芯片驅(qū)動(dòng)電路板。

圖7 芯片和驅(qū)動(dòng)電路板實(shí)物圖Fig.7 Pictures of EWOD chip and driving circuit board

采用ITO玻璃作為EWOD芯片的基底材料，通過(guò)濕法刻蝕技術(shù)加工驅(qū)動(dòng)電極和電極引線；然后旋

涂一層1 μm的介電常數(shù)為3.2的SU-8光刻膠作為芯片的介電層；最后通過(guò)旋涂特氟龍溶液，得到50 nm的厭水層。芯片上極板采用直接在ITO玻璃表面均勻旋涂特氟龍溶液，得到50 nm的厭水層。實(shí)驗(yàn)時(shí)使用雙面膠固定芯片上下極板，極板間距為300 μm，上極板接零電極，驅(qū)動(dòng)電極與經(jīng)過(guò)電壓放大電路放大的頻率為100 Hz的正弦信號(hào)相連。采用去離子水為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，操控液滴的介質(zhì)為空氣。

2.2 實(shí)驗(yàn)與分析

由于ITO玻璃具有很好的透光性，而SU-8光刻膠固化之后呈現(xiàn)乳白色變得不透明，因此本文用虛線框把驅(qū)動(dòng)電極的輪廓表示出來(lái)，如圖8a所示。圖8所示為1 μL去離子水液滴往復(fù)運(yùn)動(dòng)視頻截圖，介電濕潤(rùn)芯片上下極板間間距為300 μm，有效交流驅(qū)動(dòng)電壓為40 V。圖8中，液滴從圖1b中所示的2號(hào)驅(qū)動(dòng)電極運(yùn)動(dòng)到5號(hào)驅(qū)動(dòng)電極，與圖8所對(duì)應(yīng)的位置是從圖8a中的初始位置運(yùn)動(dòng)到圖8e。同理，液滴從圖1b中所示的5號(hào)驅(qū)動(dòng)電極返回到1號(hào)驅(qū)動(dòng)電極之上，與圖8所對(duì)應(yīng)的位置是液滴從圖8e中的位置運(yùn)動(dòng)到圖8i中的位置。

由圖8可知液滴從初始位置向右運(yùn)動(dòng)到5號(hào)運(yùn)動(dòng)電極之上，然后再向左運(yùn)動(dòng)返回到初始驅(qū)動(dòng)電極之上時(shí)并沒(méi)有發(fā)生被“卡”而不能夠連續(xù)運(yùn)動(dòng)的情況，但液滴在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中發(fā)生了一定的抖動(dòng)現(xiàn)象，

圖8 1 μL液滴往復(fù)運(yùn)動(dòng)視頻截圖(俯視圖)Fig.8 Screenshots of 1 μL droplet reciprocating motion (top view)

如圖8b、8c、8f 和8g液滴運(yùn)動(dòng)視頻截圖所示，由截圖可知，液滴輪廓存在虛影現(xiàn)象，這說(shuō)明微液滴在驅(qū)動(dòng)電極第一次加電時(shí)所受介電濕潤(rùn)力小于摩擦阻力，液滴沒(méi)有被成功驅(qū)動(dòng)到下一個(gè)驅(qū)動(dòng)電極之上，只是液滴的一部分發(fā)生了運(yùn)動(dòng)，直觀表現(xiàn)就是液滴的前半部分動(dòng)了一下就恢復(fù)了原狀。根據(jù)文中液滴估算位置反饋控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，此時(shí)需要第2次給相應(yīng)電極施加驅(qū)動(dòng)電壓，甚至需要第5次加電后液滴所受介電驅(qū)動(dòng)力才能夠克服摩擦阻力而被成功驅(qū)動(dòng)。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果很好地驗(yàn)證了基于等效電容的微液滴位置估算檢測(cè)裝置檢測(cè)液滴位置的可行性。

3 結(jié)論

(1)采用了基于等效電容的液滴位置估算檢測(cè)原理，該估算原理根據(jù)EWOD芯片-液滴系統(tǒng)本身屬性，當(dāng)液滴在相鄰2個(gè)驅(qū)動(dòng)電極上運(yùn)動(dòng)時(shí)，通過(guò)檢測(cè)相鄰2個(gè)驅(qū)動(dòng)電極與液滴組成的電容而間接獲得液滴的位置，該液滴位置估算檢測(cè)原理與液滴的組成成分無(wú)關(guān)，與相應(yīng)驅(qū)動(dòng)電極的電容之比有關(guān)。

(2)搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)該液滴位置估算檢測(cè)原理進(jìn)行了驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明基于等效電容的微液滴位置估算檢測(cè)裝置能極大地提高液滴連續(xù)運(yùn)動(dòng)的成功率。

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MethodofDropletPositionSensingBasedonEquivalentCapacitanceforElectrowetting-on-dielectricDevice

XU Xiaowei1SUN Lining2CHEN Liguo2JIANG Haibing1ZHANG Yuliang1JI Yingyu1

(1.CollegeofMechanicalEngineering,QuzhouUniversity,Quzhou324000,China2.RoboticsandMicrosystemsCenter,SoochowUniversity,Suzhou215021,China)

Digital microfluidics based on electrowetting-on-dielectric is an emerging popular technology that manipulates single droplets at the microliter or even the nanoliter level. It has the unique advantages of rapid response, low reagent consumption and high integration. Electrowetting-on-dielectric device based digital microfluidics has shown enormous advantages in biology, medicine and chemistry and so on, and it has been used extensively in these subjects for driving single droplet. However, the lack of feedback on droplet position will result in a phenomenon that the droplet cannot be successfully driven. In that case, the droplet fails to complete the programming path. The principle of droplet position estimator based on the equivalent capacitance was adopted, and the equivalent capacitance of two adjacent driving electrodes and droplet was used as the feedback control object. The electrode capacitance was used, which was an inherent electrical property of electrowetting-on-dielectric digital microfluidics devices, to determine the position of any droplet composition in the interval of two electrodes. Capacitance was an electrical property which was sensitive to the presence of a droplet and independent of actuation signal frequency. The dimensionless nature of this droplet position estimator was independent of the droplet compositions, and its applicability was more extensive. Finally, the experimental results showed that the droplet position estimator based on the equivalent capacitance can greatly improve the success rate of the continuous motion. Thus the droplet can be driven to the established destination according to the programming path. A capacitance-based position estimator was implemented which can continuously track the displacement of a droplet within the interval of two adjacent electrodes. The displacement of a droplet was estimated through a dimensionless ratio of two electrode capacitances.

digital microfluidics; electrowetting-on-dielectric; droplet position estimation; equivalent capacitance

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.11.052

TH69

A

1000-1298(2017)11-0423-06

2017-07-29

2017-09-05

浙江省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(LQ16E050008)和國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51275327)

許曉威(1984—), 男, 講師, 博士, 主要從事數(shù)字微流控芯片及相關(guān)技術(shù)研究, E-mail: 851597503@qq.com