一种用于微流控芯片的控温装置及方法与流程

1.本发明涉及微流控控温技术领域，特别涉及一种用于微流控芯片的控温装置及方法。


背景技术：

2.片上实验室(lab on a chip,loc)研究的终极目标，是将功能各异的多个单元或模块，在微尺度上连接并存，并协同完成样品制备、生物与化学反应、分离检测等一系列复杂的生化分析工作。最终可以把生物和化学等领域中所涉及的所有功能模块集成在一块几平方厘米的芯片上，直接应用于生物化学检测、环境快速检测等。但是，现有已经逐步开展应用的片上实验室，其核心的关键功能实现——微流体驱动，主要以压力驱动、热驱动等方式进行，需要从外界提供动力，驱动的流体量相对较大，流道驱动组件多、功耗高，且驱动方式不具有不同器件间的通用性，无法发挥作为微流体基本操作单元“液滴”的有效功能。因此，形成一种有效、易于操作的微流体平台级液滴操控方法，对后续片上实验室的发展，具有至关重要的作用。
3.基于介质上的电润湿效应(electrowetting-on-dielectric，ewod)是在金属电极与电解液之间加入一层绝缘层薄膜，当在液体和电极之间施加一定的电压后，液固表面张力会发生可逆性的变化，这表现为液滴在固体表面接触角的变化。当液滴接触角发生对称均匀变化时，液滴在宏观上表现出从球形液滴铺展为液膜的过程。而如果接触角发生非对称变化时，就出出现两侧液滴两侧接触线处的表面张力出现梯度，进而使得液滴的发生迁移和运动，这也是在片上实验室中进行液滴操控的理论基础。
4.由原理可知，利用电润湿效应，通过电极的电压操作，可以在芯片上实现微小液滴的操控，具体的操控形成有迁移、分割、混合和震荡等。通过这些功能的组合，可以将各种生物、化学试验流程迁移到芯片上，从而实现片上实验室系统。生物、化学试验流程是较为复杂的过程，每一个过程都需要很多电极来实现，因此，片上实验室芯片实现的关键技术之一就是形成数量庞大的驱动电极，并按照要求给出驱动信号，用于驱动液滴按照要求进行操作。
5.电润湿原理与阵列化驱动电极板相结合，形成对液滴具有一定操控能力的数字微流控芯片，以功能液滴代替普通液滴，并将特定功能的试剂操作流程映射到数字微流控芯片上，就形成具备一定试剂处理功能的数字微流控芯片。在一些生物或化学应用中，微流控芯片内部液体温度需要精确控制，以保证生化反应的正常进行，尤其是分子级的产物生成过程中，产量和产率都收到反应温度的影响。
6.现有的温控方式比较成熟，但缺乏高效且精准的测温方法。常见测温方法，一方面通过底部控温板进行温度传感反馈，该固定式的测温方式可以避免在换装芯片过程中，更换传感器的问题，节省了传感器与传感器校准的成本。但由于芯片多暴露于室温环境中，温控边界条件不稳定，在温控板反馈的温度与芯片内部的温度存在一定的误差与传导延时，针对芯片内部的温度控制稳定性存在降低的风险。另一方面，多种方式将传感器植入芯片
内部，该方法可以原位测量微流控芯片内部的温度变化情况，不存在波动延时问题，缺点是温度传感器与芯片一体式设计，增加了芯片的成本与传感器的校准成本，同时压缩了微流控流道的有效使用空间。


技术实现要素：

7.针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种用于微流控芯片的控温方法、装置、电子设备及计算机可读介质，进而至少在一定程度上克服由于现有技术的限制和缺陷而导致的一个或者多个问题。
8.为实现上述目的，本发明第一方面提供一种用于微流控芯片的控温方法，包括如下步骤：
9.在控温板上第一位置布置待控温的微流控芯片；
10.在控温板上与所述第一位置相邻的第二位置布置等效测温芯片；
11.在所述等效测温芯片中植入温度传感器，并通过温度传感器监测所述等效测温芯片的温度；
12.根据监测的所述等效测温芯片温度估计待控温微流控芯片的温度；
13.根据估计的待控温微流控芯片温度和目标温度调控控温板的输出温度。
14.进一步，所述等效测温芯片与所述微流控芯片的结构相同且处于同一温度环境中。
15.进一步，沿控温板的中心轴线对称的第一位置布置待控温的微流控芯片以及在第二位置布置等效测温芯片。
16.进一步，还包括：
17.通过所述温度传感器实时监测所述等效测温芯片中的温度；
18.将监测的等效测温芯片温度和所述微流控芯片的目标控温温度发送至控制单元；
19.通过所述控制单元将监测的等效测温芯片温度估计为所述微流控芯片的温度；
20.根据估计的所述微流控芯片温度和所述微流控芯片的目标控温温度生成温控信号发送至所述控温板；
21.所述控制板根据所述温控信号调节所述温控板的输出温度。
22.进一步，还包括：
23.将等效测温芯片温度和微流控芯片的目标控温温度进行比较；
24.在所述等效测温芯片温度和所述目标控温温度相同时使所述控温板停止工作；否则，通过所述控温板根据所述等效测温芯片温度和所述目标控温温度生成温控信号调节控温板的温度。
25.本发明第二方面提供一种用于微流控芯片的控温装置，包括控制单元、控温板和等效测温芯片；
26.所述控温板上设置有待控温的微流控芯片和等效测温芯片，用于调控待控温的微流控芯片和等效测温芯片的温度；
27.所述等效测温芯片中植入温度传感器，并通过温度传感器监测所述等效测温芯片的温度；
28.所述控制单元，根据监测的所述等效测温芯片温度估计待控温微流控芯片的温
度，并根据估计的待控温微流控芯片温度和所述微流控芯片的目标温度调控所述控温板的输出温度。
29.进一步，在所述微流控芯片中设置有与所述等效测温芯片完全镜像的温度传感器引出线，并且所述微流控芯片中与所述等效测温芯片的温度传感器镜像位置不设置传感器或者设置与所述温度传感器结构相同的伪传感器。
30.进一步，所述等效测温芯片与所述微流控芯片保持同步驱动，并且所述等效测温芯片中液滴的位置和驱动路径与所述微流控芯片中液滴的位置和路径完全镜像。
31.本发明第三方面提供一种电子设备，包括：
32.一个或多个处理器；以及
33.存储装置，用于存储一个或多个程序，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，使得所述一个或多个处理器实现上述的方法。
34.本发明第四方面提供一种计算机可读介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述程序被处理器执行时实现上述的方法。
35.本发明通过配置等效测温芯片间接监测待控温芯片的温度，并根据监测的所述等效测温芯片温度和目标温度调控控温板的输出温度，在不对待控温芯片植入传感器的情况下就可以精准监测待控温芯片的温度，进而通过控温板对待控温芯片进行精准控温。
附图说明
36.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
37.图1为本发明一实施例的用于微流控芯片的控温装置的结构示意图；
38.图2为本发明一实施例的用于微流控芯片的控温方法的流程图。
具体实施方式
39.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
40.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
41.如图1所示，本发明一实施例的一种用于微流控芯片的控温装置，包括控制单元(图中未示出)、控温板11和等效测温芯片12；
42.所述控温板11上设置有待控温的微流控芯片13和等效测温芯片12，用于调控待控温的微流控芯片13和等效测温芯片12的温度；
43.所述等效测温芯片12中植入温度传感器14，并通过温度传感器14监测所述等效测温芯片12的温度；温度传感器可以植入等效测温芯片中心位置，以提高监测到等效测温芯片温度的精准度。
44.所述控制单元，根据监测的所述等效测温芯片12温度估计待控温微流控芯片13的温度，并根据估计的待控温微流控芯片13温度和所述微流控芯片13的目标温度调控所述控
温板11的输出温度。
45.本实施例中等效控温芯片12可以直接集成在控温板上，待测温的微流控芯片13设置在与控温板11上与等效测温芯片12邻近的位置。如此可以在一定程度上保证待测温的微流控芯片13和等效测温芯片12所处温度环境基本相同，降低环境温度不同对测温结果的干扰。等效测温芯片与待控温微流控芯片设置位置优选的布置在沿控温板的中心轴线对称的第一位置在第二位置。
46.本实施例中等效测温芯片12和微流控芯片13的结构相同，均包括底板和盖板，所述盖板盖封在所述底板上并在盖板和底板之间形成供液滴流动的通道。所述底板包括基板电极层、介质层和疏水层，所述基板、电极层、介质层和疏水层依序层叠设置，所述电极层内形成有驱动电极，在驱动电极的作用下可以控制液滴在流动通道中位置，实现迁移、分割、混合和震荡等操作。等效测温芯片完全仿制微流控芯片制作，如此可以在一定程度上保证微流控芯片13和等效测温芯片12自身的温度特性基本相符，降低对测温结果的干扰。
47.在本发明一实施例中，为了进一步提高测温准确性，等效测温芯片也仿制微流控芯片进行驱动，并且等效测温芯片中液滴的位置和驱动路径与微流控芯片中液滴的位置和路径完全镜像，以此削弱驱动过程液滴的运动对温度分布带来的影响，使等效测温芯片更加精确的反映微流控芯片的真实温度。
48.在本发明一实施例中，为了进一步提高测温准确性，在微流控芯片中设置有与等效测温芯片完全镜像的温度传感器引出线(不设置温度传感器)，削弱温度传感器的引出线本身对热传递和温度分布带来的影响。
49.在本发明一实施例中，为了进一步提高测温准确性，在微流控芯片中设置有与等效测温芯片完全镜像的温度传感器引出线(设置与温度传感器类似的结构，但不实际测温)，削弱温度传感器的引出线本身对热传递和温度分布带来的影响。
50.如图2所示，本发明一实施例的用于微流控芯片的控温方法，包括如下步骤：
51.步骤s210：在控温板上第一位置布置待控温的微流控芯片；
52.步骤s220：在控温板上与所述第一位置相邻的第二位置布置等效测温芯片；
53.步骤s230：在所述等效测温芯片中植入温度传感器，并通过温度传感器监测所述等效测温芯片的温度；
54.步骤s240：根据监测的所述等效测温芯片温度估计待控温微流控芯片的温度；
55.步骤s250：根据估计的待控温微流控芯片温度和目标温度调控控温板的输出温度。
56.在本发明一实施例中，所述控温方法还包括：
57.通过所述温度传感器实时监测所述等效测温芯片中的温度；
58.将监测的等效测温芯片温度和所述微流控芯片的目标控温温度发送至控制单元；
59.通过所述控制单元将监测的等效测温芯片温度估计为所述微流控芯片的温度；控制单元将监测的等效测温芯片温度直接视作微流控芯片的温度。
60.根据估计的所述微流控芯片温度和所述微流控芯片的目标控温温度生成温控信号发送至所述控温板；
61.所述控制板根据所述温控信号调节所述温控板的输出温度。
62.在本发明一实施例中，所述控温方法还包括：
63.将等效测温芯片温度和微流控芯片的目标控温温度进行比较；
64.在所述等效测温芯片温度和所述目标控温温度相同时，令所述控温板停止工作；否则，通过所述控温板根据所述等效测温芯片温度和所述目标控温温度生成温控信号调节控温板的温度。例如，在等效测温芯片温度和目标控温温度相同时表示待控温微流控芯片温度已经调控完成，此时可以通过控制单元向控温板发送停止信号，令控温板停止向待控温微流控芯片控温。在等效测温芯片温度小于目标控温温度时表示控温微流控芯片温度需要升温，此时可以通过控制单元向控温板发送升温信号，令控温板提高输出温度以调高待控温微流控芯片的温度。在等效测温芯片温度大于目标控温温度时表示控温微流控芯片温度需要降温，此时可以通过控制单元向控温板发送降温信号，令控温板降低输出温度以调低待控温微流控芯片的温度。
65.综上，本发明针对数字微流控芯片乃至微流控芯片在实际使用过程中，由于空间有限、环境封闭性差等问题，存在液滴流动空间测温困难或控温不准确问题。在控温板上设置镜像器件，以替身方式等效监测原器件的温度变化情况。本方案为数字微流控芯片应用提供了有效的温度测量手段，同时避免植入式、附着式测温带来的工艺复杂性，降低应用量产成本。
66.此外，在本公开的示例性实施例中，还提供了一种能够实现上述方法的电子设备。
67.所属技术领域的技术人员能够理解，本发明的各个方面可以实现为系统、方法或程序产品。因此，本发明的各个方面可以具体实现为以下形式，即：完全的硬件实施例、完全的软件实施例(包括固件、微代码等)，或硬件和软件方面结合的实施例，这里可以统称为“电路”、“模块”或“系统”。
68.下面描述根据本发明的这种实施例的电子设备。电子设备以通用计算设备的形式表现。电子设备的组件可以包括但不限于：上述至少一个处理单元、上述至少一个存储单元、连接不同系统组件(包括存储单元和处理单元)的总线、显示单元。
69.其中，所述存储单元存储有程序代码，所述程序代码可以被所述处理单元执行，使得所述处理单元执行本说明书上述“示例性方法”部分中描述的根据本发明各种示例性实施例的步骤。例如，所述处理单元可以执行如图2中所示的步骤s210至步骤s250。
70.存储单元可以包括易失性存储单元形式的可读介质，例如随机存取存储单元(ram)和/或高速缓存存储单元，还可以进一步包括只读存储单元(rom)。
71.存储单元还可以包括具有一组(至少一个)程序模块的程序/实用工具，这样的程序模块包括但不限于：操作系统、一个或者多个应用程序、其它程序模块以及程序数据，这些示例中的每一个或某种组合中可能包括网络环境的实现。
72.总线可以为表示几类总线结构中的一种或多种，包括存储单元
73.总线或者存储单元控制器、外围总线、图形加速端口、处理单元或者使用多种总线结构中的任意总线结构的局域总线。
74.电子设备也可以与一个或多个外部设备(例如键盘、指向设备、蓝牙设备等)通信，还可与一个或者多个使得用户能与该电子设备交互的设备通信，和/或与使得该电子设备能与一个或多个其它计算设备进行通信的任何设备(例如路由器、调制解调器等等)通信。这种通信可以通过输入/输出(i/o)接口进行。并且，电子设备还可以通过网络适配器与一个或者多个网络(例如局域网(lan)，广域网(wan)和/或公共网络，例如因特网)通信。如图
所示，网络适配器通过总线与电子设备的其它模块通信。应当明白，尽管图中未示出，可以结合电子设备使用其它硬件和/或软件模块，包括但不限于：微代码、设备驱动器、冗余处理单元、外部磁盘驱动阵列、raid系统、磁带驱动器以及数据备份存储系统等。
75.通过以上的实施例的描述，本领域的技术人员易于理解，这里描述的示例实施例可以通过软件实现，也可以通过软件结合必要的硬件的方式来实现。因此，根据本公开实施例的技术方案可以以软件产品的形式体现出来，该软件产品可以存储在一个非易失性存储介质(可以是cd-rom，u盘，移动硬盘等)中或网络上，包括若干指令以使得一台计算设备(可以是个人计算机、服务器、终端装置、或者网络设备等)执行根据本公开实施例的方法。
76.在本公开的示例性实施例中，还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有能够实现本说明书上述方法的程序产品。在一些可能的实施例中，本发明的各个方面还可以实现为一种程序产品的形式，其包括程序代码，当所述程序产品在终端设备上运行时，所述程序代码用于使所述终端设备执行本说明书上述“示例性方法”部分中描述的根据本发明各种示例性实施例的步骤。
77.描述了根据本发明的实施例的用于实现上述方法的程序产品，其可以采用便携式紧凑盘只读存储器(cd-rom)并包括程序代码，并可以在终端设备，例如个人电脑上运行。然而，本发明的程序产品不限于此，在本文件中，可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用。
78.所述程序产品可以采用一个或多个可读介质的任意组合。可读介质可以是可读信号介质或者可读存储介质。可读存储介质例如可以为但不限于电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、装置或器件，或者任意以上的组合。可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括：具有一个或多个导线的电连接、便携式盘、硬盘、随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)、可擦式可编程只读存储器(eprom或闪存)、光纤、便携式紧凑盘只读存储器(cd-rom)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。
79.计算机可读信号介质可以包括在基带中或者作为载波一部分传播的数据信号，其中承载了可读程序代码。这种传播的数据信号可以采用多种形式，包括但不限于电磁信号、光信号或上述的任意合适的组合。可读信号介质还可以是可读存储介质以外的任何可读介质，该可读介质可以发送、传播或者传输用于由指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用的程序。
80.可读介质上包含的程序代码可以用任何适当的介质传输，包括但不限于无线、有线、光缆、rf等等，或者上述的任意合适的组合。
81.可以以一种或多种程序设计语言的任意组合来编写用于执行本发明操作的程序代码，所述程序设计语言包括面向对象的程序设计语言—诸如java、c++等，还包括常规的过程式程序设计语言—诸如“c”语言或类似的程序设计语言。程序代码可以完全地在用户计算设备上执行、部分地在用户设备上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算设备上部分在远程计算设备上执行、或者完全在远程计算设备或服务器上执行。在涉及远程计算设备的情形中，远程计算设备可以通过任意种类的网络，包括局域网(lan)或广域网(wan)，连接到用户计算设备，或者，可以连接到外部计算设备(例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接)。
82.此外，上述附图仅是根据本发明示例性实施例的方法所包括的处理的示意性说
明，而不是限制目的。易于理解，上述附图所示的处理并不表明或限制这些处理的时间顺序。另外，也易于理解，这些处理可以是例如在多个模块中同步或异步执行的。
83.本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本公开的其他实施例。本技术旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由权利要求指出。
84.应当理解的是，本公开并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本公开的范围仅由所附的权利要求来限。

技术特征：
1.一种用于微流控芯片的控温方法，其特征在于，包括如下步骤：在控温板上第一位置布置待控温的微流控芯片；在控温板上与所述第一位置相邻的第二位置布置等效测温芯片；在所述等效测温芯片中植入温度传感器，并通过温度传感器监测所述等效测温芯片的温度；根据监测的所述等效测温芯片温度估计待控温微流控芯片的温度；根据估计的待控温微流控芯片温度和目标温度调控控温板的输出温度。2.如权利要求1所述的控温方法，其特征在于，所述等效测温芯片与所述微流控芯片的结构相同且处于同一温度环境中。3.如权利要求1所述的控温方法，其特征在于，沿控温板的中心轴线对称的第一位置布置待控温的微流控芯片以及在第二位置布置等效测温芯片。4.如权利要求1所述的控温方法，其特征在于，还包括：通过所述温度传感器实时监测所述等效测温芯片中的温度；将监测的等效测温芯片温度和所述微流控芯片的目标控温温度发送至控制单元；通过所述控制单元将监测的等效测温芯片温度估计为所述微流控芯片的温度；根据估计的所述微流控芯片温度和所述微流控芯片的目标控温温度生成温控信号发送至所述控温板；所述控制板根据所述温控信号调节所述温控板的输出温度。5.如权利要求4所述的控温方法，其特征在于，还包括：将等效测温芯片温度和微流控芯片的目标控温温度进行比较；在所述等效测温芯片温度和所述目标控温温度相同时使所述控温板停止工作；否则，通过所述控温板根据所述等效测温芯片温度和所述目标控温温度生成温控信号调节控温板的温度。6.一种用于微流控芯片的控温装置，其特征在于，包括控制单元、控温板和等效测温芯片；所述控温板上设置有待控温的微流控芯片和等效测温芯片，用于调控待控温的微流控芯片和等效测温芯片的温度；所述等效测温芯片中植入温度传感器，并通过温度传感器监测所述等效测温芯片的温度；所述控制单元，根据监测的所述等效测温芯片温度估计待控温微流控芯片的温度，并根据估计的待控温微流控芯片温度和所述微流控芯片的目标温度调控所述控温板的输出温度。7.如权利要求6所述的控温装置，其特征在于，在所述微流控芯片中设置有与所述等效测温芯片完全镜像的温度传感器引出线，并且所述微流控芯片中与所述等效测温芯片的温度传感器镜像位置不设置传感器或者设置与所述温度传感器结构相同的伪传感器。8.如权利要求6所述的控温装置，其特征在于，所述等效测温芯片与所述微流控芯片保持同步驱动，并且所述等效测温芯片中液滴的位置和驱动路径与所述微流控芯片中液滴的位置和路径完全镜像。9.一种电子设备，其特征在于，包括：
一个或多个处理器；以及存储装置，用于存储一个或多个程序，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，使得所述一个或多个处理器实现根据权利要求1～5中任意一项所述的方法。10.一种计算机可读介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述程序被处理器执行时实现根据权利要求1～5中任意一项所述的方法。

技术总结
本发明公开了一种用于微流控芯片的控温装置及方法，包括在控温板上第一位置布置待控温的微流控芯片；在控温板上与所述第一位置相邻的第二位置布置等效测温芯片；在所述等效测温芯片中植入温度传感器，并通过温度传感器监测所述等效测温芯片的温度；根据监测的所述等效测温芯片温度估计待控温微流控芯片的温度；根据估计的待控温微流控芯片温度和目标温度调控控温板的输出温度。本发明通过配置等效测温芯片间接监测待控温芯片的温度，并根据监测的所述等效测温芯片温度和目标温度调控控温板的输出温度，在不对待控温芯片植入传感器的情况下就可以精准监测待控温芯片的温度，进而通过控温板对待控温芯片进行精准控温。通过控温板对待控温芯片进行精准控温。通过控温板对待控温芯片进行精准控温。


技术研发人员：汪震海 王俊明 许诺 臧金良 刘立滨 张淮 安灵椿
受保护的技术使用者：北京机械设备研究所
技术研发日：2023.06.29
技术公布日：2023/10/15