数字微流控生物芯片的电极管脚控制信号处理

微流控芯片实验室又称为微流控(Microfluidics)芯片、芯片实验室(Lab-on-a-Chip，LoC)或生物微机电系统(bio-MEMS)，基于连续流体的微流控生物芯片又称为数字微流控生物芯片(Digital MicrofluidicBiochip，DMFB)。由于DMFB中控制电极的独立控制引脚数量是重要的成本动因，电极以电驱动的形式连接到控制引脚，许多典型的生物芯片用直接寻址的方式来实现电极的控制，每个电极连接一个专用的控制引脚，因此，其能独立被激活，这种方法可使液滴自由的操纵，但对于一个实际的DMFB其需要过多的控制引脚，显著地增加了产品的制造成本。对于大规模的DMFB，在确保测试完成时间的情况下，尽量减少控制引脚的数量，对于未来的发展具有重要的意义。

1 电极管脚控制信号处理

1.1 DMFB基本原理

数字微流控生物芯片利用介电润湿的原理在二维的电极阵列中操纵和移动纳升级的离散液滴。如图1所示，数字微流控生物芯片的基本单元包括两个平板和夹在平板中间的填充，液滴在填充介质内运行。底板包含一个单独控制的有图案的电极阵列，顶板覆盖了一层连续的地线。通过改变沿着电极的一个线性阵列的电势，液滴可以沿着电极的一条线移动。可通过调整控制电压(0～90 V)来控制液滴的速度，且液滴能最高以20 cm/s的速度移动，基于这一原理，液滴能自由移动到2维阵列的任何位置，而无需微型泵和微型阀。

1.2 DMFB相关研究

为减少控制引脚的数量，2006年Xu Tao提出了用阵列分区和详细的引脚分配的方法来减少控制引脚的数量，然而这种方法在每个分区中至少需要5个控制引脚，对于包含多重液滴混合的分区，会用到直接寻址的方法，这种方法的阵列设计仅限于目标生物流体应用，且仅限于控制引脚数的减少而不能确保完成时间。Srinivasan又提出了对于焊接的电润湿生物芯片用一个流体路径的多相位总线来使得控制引脚数最小，对一个传输总线只需n个控制引脚，而不需考虑其所包含电极的数量。尽管多相总线的方法可用来减少控制引脚的数量，但其只适用于一维阵列。另一个替代的方法是S.K.Fan等人提出的行和列的寻址，被称为“交叉引用”驱动方案，但由于电极的干扰，处理多于两个液滴的同时移动的设计非常的复杂，对于高通量的应用，最终产生的液滴移动的序列化是一个严重缺陷。并交叉引用设计需要一个特定的电极结构，会导致制造成本的增加。

根据上述方法所存在的不足，文中提出了一种优化方法，在根据液滴路由路径产生电极驱动序列后，根据一个控制引脚最对所能驱动的电极数，对驱动序列进行分区后比对，找出相互兼容的驱动序列，其可共用一个控制引脚。

2 控制信号优化处理方法

通常在一个特定的时间步，移动一个液滴的控制信号可用激活位“1”，释放位“0”或不影响位“x”来表示，“1”/“0”表示一个控制信号有一个相关的逻辑高/逻辑低的驱动电压值。“x”表明输入信号可用“1”或“0”表示，并对流体控制的调度无影响。最终串联输出称为电极驱动序列。

如图2所示，液滴按照图示的方向以类似扫描的方法从源极出发最终到达槽电极。

本文用“1”，“0”，“x”3个值表示一个生物鉴定的电极驱动序列，按照液滴的路由路径产生的电极驱动序列如表1所示。

如表1所示，每个驱动序列均包含一些可用“1”或“0”来替代的“无影响”单元“x”，通过分配这些“无影响”单元，就可产生驱动序列相同的电极，即相互兼容的电极。例如：通过用“0”或“1”来替代“x”就可以使电极E1、E3、E5、E7、E9产生相同的电极驱动序列“101010101”，其可从同一个信号源产生，因此其可共用一个控制引脚，用这样的方法便可在一定程度上减少控制引脚的数量。

对于大规模的电极阵列产生的电极驱动序列也较多。在本设计中，由于液滴路由路径已知情况下，将会对液滴路由过程中产生的驱动序列进行分区，分区的规则是：先假设每个控制引脚最多能驱动x个电极，且以x的倍数进行分区(如x=5，则能以10来划分，使每个分区中有10个电极驱动序列)，分区后通过对每个分区中的电极驱动序列进行比对来减少控制引脚的数量。具体步骤如下：

步骤1 据液滴的路由路径来获得每个控制引脚的电极驱动序列。

步骤2 假设电极的每个控制引脚最多所能驱动的电极的数量x，以x的倍数对产生的电极驱动序列进行分区。

步骤3 对每个分区的电极驱动序