微流控芯片表面改性的方法及设备与流程

本发明涉及微流控设备领域，尤其涉及一种微流控芯片表面改性的方法及设备。

背景技术：

如今微流控芯片技术得到了广泛的应用，其中表面改性是微流控领域中的一个重要应用，指在保持材料或制品原性能的前提下赋予其表面新的性能，如亲水性、生物相容性、抗静电性能或染色性能等。例如，对微流道表面进行亲水性的改性处理主要通过在微流控芯片的流道表面涂刷特定改性液体以改善流道的亲水性。

现有的对微流控芯片的流道表面进行改性处理主要应用视觉相机、精密运动平台和高频喷射阀共同完成。首先由视觉相机识别微流道位置及轮廓，由此计算出运动轨迹，然后由精密运动平台按照此运动轨迹带动高频喷射阀针头移动，移动过程中高频喷射阀高频喷射出点状液体，如图1所示，最后由点成线完成对整个微流道1的表面改性。

然而由于微流控芯片的微流道宽度尺寸较小，一般为微米级别的凹槽，使得现有方案需要精度很高的图像识别算法才能精准地计算出运动轨迹，同时对设备的精度要求也很高，如精密运动平台需要满足微米级别的精度才能带动高频喷射阀针头按照一定的运动轨迹进行高精度的移动，高频喷射阀的造价也很高，且因微流道宽度尺寸约束，喷射阀针孔都在微米级别，极易堵塞，很难维护。另外，因微流道多为曲线型，喷射点极易超出微流道1凹槽而产生如图2所示的轨迹偏移现象，从而导致产生不良品。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明致力于提供一种微流控芯片表面改性的方法及设备，以解决微流控芯片表面改性的设备精度要求高、造价高昂、不良品率高的问题。

本发明的一个方面提供了一种微流控芯片表面改性的方法，包括：识别微流控芯片的微流道，并取微流道上的若干点为点液位置；及在点液位置点出改性液体，直至改性液体覆盖微流道的表面。

在一个实施例中，识别微流控芯片上的微流道，并取微流道上的若干点为点液位置包括：拍摄包括微流道的照片；及从照片中识别出微流道，选取微流道上的若干点为点液位置，并计算点液位置的位置坐标；其中，在点液位置点出改性液体包括：在位置坐标处向微流道点出改性液体。

在一个实施例中，于在位置坐标处向微流道点出改性液体之前，方法进一步包括：带动用于点出液体的点液针头移动至位置坐标处。

在一个实施例中，于在点液位置点出改性液体之前，方法进一步包括：获取微流道的3d模型，并根据3d模型计算覆盖微流道表面所需要的改性液体的体积；及控制用于点出液体的点液针头点出该体积的改性液体；其中，在点液位置点出改性液体包括：在点液位置点出该体积的改性液体。

在一个实施例中，控制用于点出液体的点液针头点出体积的改性液体包括：控制点液针头在点液位置连续匀速地点出改性液体并使点出的液体总量满足计算的体积。

在一个实施例中，点液位置包括一点，其在水平面上的坐标位于微流道的中点或靠近中点的位置，在竖直方向上与微流道的距离小于改性液体的液滴直径。

在一个实施例中，改性液体为改变微流道的表面亲水性的液体。

本发明的另一个方面提供了一种微流控芯片表面改性的设备，包括：识别装置，用于识别微流控芯片的微流道，并取微流道上的若干点为点液位置；及点液装置，用于在点液位置点出改性液体，直至改性液体覆盖微流道的表面。

在一个实施例中，识别装置包括：视觉相机，用于拍摄包括微流道的照片；及控制器，用于从照片中识别出微流道，选取微流道上的若干点为点液位置，并计算点液位置的位置坐标；其中，点液装置用于在位置坐标处向微流道点出改性液体。

在一个实施例中，点液装置包括点液针头，通过点液针头向微流道点出改性液体，设备进一步包括：移动平台，用于带动点液针头移动至位置坐标处。

在一个实施例中，控制器进一步用于获取微流道的3d模型，并根据3d模型计算覆盖微流道表面所需要的改性液体的体积，设备进一步包括：微量泵，用于控制点液装置点出体积的改性液体；其中，点液装置用于：在微量泵的控制下，在点液位置点出体积的改性液体。

在一个实施例中，微量泵为精密微量泵，用于控制点液装置在点液位置连续匀速地点出改性液体并使点出的液体总量满足计算的体积。

本实施例提供的方法首先通过拍摄照片识别微流控芯片的微流道，取微流道上的若干点为点液位置，在该点液位置点出一定的改性液体即可使改性液体自动浸润整个微流道的表面以达到改性的目的。该方法只需选取一个或少量几个点液位置进行加注液体，省去了计算运动轨迹及按照所计算的运动轨迹进行高频点液的过程，可有效降低微流道表面改性对算法及设备的精度要求，简化了工序，提高了生产效率，有效解决了微流控芯片表面改性的设备精度要求高且造价高昂的问题。另外，因为此方法依靠液体的自由流动浸润流道，避免了因喷射方式所带来的轨迹偏移问题，从而也提高了良品率。

附图说明

图1所示为利用现有技术对微流控芯片进行表面改性在正常状态下微流道上点状液体的状态图。

图2所示为利用现有技术对微流控芯片进行表面改性在轨迹偏移状态下微流道上点状液体的状态图。

图3所示为本发明一实施例提供的一种微流控芯片表面改性的方法的流程图。

图4所示为本发明一示例性实施例提供的一种微流控芯片表面改性的方法的流程图。

图5所示为本发明一示例性实施例提供的微流控芯片表面改性的设备的结构示意图。

图6所示为向图5中微流道上的点液位置加注改性液体后液体自由流动的示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图3所示为本发明一实施例提供的一种微流控芯片表面改性的方法的流程图。如图1所示，该方法包括如下步骤：

步骤310：识别微流控芯片的微流道，并取微流道上的若干点为点液位置。

该步骤可由识别装置执行，具体地，该识别装置可包括视觉相机和控制器，先由视觉相机拍摄包括微流道的微流控芯片照片，然后由控制器执行后续的识别和计算过程。例如，控制器可以通过例如图像深度学习来识别照片中的微流控芯片，得到微流控芯片上的微流道的各项数据例如尺寸数据，然后通过尺寸数据选取微流道上的若干点为点液位置，该若干点为微流道上的某一位置或某几个位置。

步骤320：在点液位置点出改性液体，直至改性液体覆盖微流道的表面。

此步骤可通过点液针头实现，点液针头可由控制器控制按照一定体积或一定时间等方式点出刚好覆盖微流道表面的改性液体。

本实施例提供的方法首先通过拍摄照片识别微流控芯片的微流道，取微流道上的若干点为点液位置，在该点液位置点出一定的改性液体即可使改性液体自动浸润整个微流道的表面以达到改性的目的。该方法只需选取一个或少量几个点液位置进行加注液体，省去了计算运动轨迹及按照所计算的运动轨迹进行高频点液的过程，可有效降低微流道表面改性对算法及设备的精度要求，简化了工序，提高了生产效率，有效解决了微流控芯片表面改性的设备精度要求高且造价高昂的问题。另外，因为此方法依靠液体的自由流动浸润流道，避免了因喷射方式所带来的轨迹偏移问题，从而也提高了良品率。

在本发明一实施例中，该改性液体为改变微流道的亲水性的液体。

本领域的技术人员可以理解，亲水性的改性液体具有强流动性，即流体剪切力小的特性，当采用本发明实施例提供的方法对微流道表面进行亲水性的改性时，改性液体的亲水性可进一步促进该改性液体的自由流动，从而使液体更快更充分地浸润整个微流道，从而进一步提高了生产效率和良品率。

在一个实施例中，识别微流控芯片上的微流道并取微流道上的若干点为点液位置具体包括：拍摄包括微流道的照片；从照片中识别出微流道，选取微流道上的若干点为点液位置，并计算点液位置的位置坐标。此时，在点液位置点出改性液体，直至改性液体覆盖微流道的表面，具体为：在位置坐标处向微流道点出改性液体，直至改性液体覆盖微流道的表面。

具体地，点液位置的位置坐标可为位于立体空间内的坐标，即xyz三轴体系上的坐标。首先，利用视觉相机拍摄包括微流道的照片，根据图像识别技术识别出图像中的微流道，然后根据微流道的长度、相对位置等数据选取流道上的一点或少量几点作为点液位置，再将其位置信息换算成设备内坐标系统可识别的坐标，最后在位置坐标处通过点液针头向微流道点出改性液体，直至改性液体覆盖微流道的表面即可。

在一个优选的实施例中，可选取微流道上的一点作为点液位置，其在水平面上的坐标可位于微流道的中点或靠近中点的位置，在竖直方向(即z轴)上与微流道的距离可小于改性液体的液滴直径。

也就是说，通过对微流道的中点或靠近中点的位置上的单点进行点液，使得液体可以自动朝着微流道的两个终端自由均衡地流动，这样可大幅减少计算的复杂程度，提高效率，并进一步节省了多点点液的工序。尤其当使用改变微流道亲水性的改性液体时，其较强的流动性可进一步保证本实施例的顺利进行。

另外，点液位置在竖直方向上与微流道的距离小于改性液体的液滴直径，即，使点液针头与微流道的距离小于改性液体的液滴直径，这样可以保证在进行点液的过程中提供一定压力并避免改性液体的浪费。

在本发明一实施例中，在向微流道点出改性液体之前，该方法进一步包括：带动用于点出液体的点液针头移动至位置坐标处。此动作可由移动平台来执行，具体地，移动平台可为与坐标系统相对应的多轴移动平台，例如xyz三轴移动平台。

xyz三轴移动平台可以用于视觉相机和/或点液针头在立体空间内的移动。其中xy轴可以用于水平面方向的移动，z轴是在垂直方向的移动。对于视觉相机来说，移动平台可带动视觉相机移动至可对准目标的微流控芯片中的微流道。对于点液针头来说，可以使用移动平台带动点液针头移动至预设的点液位置的坐标处，具体地，移动平台可按点液位置在水平面的坐标带动点液针头在xy轴方向移动，再按照点液位置在垂直方向的坐标带动点液针头在z轴方向移动。

上述点液位置的预设和位置坐标的计算过程可由控制器完成，控制器在计算出点液位置的位置坐标后，可将坐标信息发送给移动平台，由移动平台根据坐标信息定位相应的点液位置，再带动点液针头移动到点液位置进行点液。另外，需要说明的是，点液位置的位置坐标可以是点液针头所要点液的位置坐标，也可以是移动平台与微流控芯片中的微流道的相对位置，以便在更换点液针头时，在计算中输入相应的点液针头的参数进行补偿即可实现控制器对不同类型的点液针头的兼容性需求。

在本发明一实施例中，在向微流道点出改性液体之前，该方法进一步包括：获取微流道的3d模型，并根据该3d模型计算覆盖微流道表面所需要的改性液体的体积；并控制点液针头点出该体积的改性液体。

该3d模型既可从厂家获取，也可以是通过例如solidworks等软件画出，然后可以根据获取的3d模型的数据计算出覆盖微流道表面所需要的改性液体的体积，例如可以是计算覆盖一层水膜所需改性液体的体积量，也可以是覆盖整个微流道所需改性液体的体积量。此计算步骤也可由控制器执行，当其在计算出改性液体的体积量之后，可以输出相应的数据至与点液针头相连接的微量泵，由微量泵控制点出一定量的改性液体，再由点液针头在点液位置点出液体以覆盖微流道的整个表面。

对于控制器输出给微量泵的数据，其既可为刚好覆盖微流道的表面所需要的改性液体的体积数据，也可为此体积数据相对应的时间数据，本发明对此不做具体限定。

在本发明一实施例中，控制点液针头点出该体积的改性液体具体为：控制点液针头在点液位置连续匀速地点出改性液体并使点出的总液体满足计算的体积。这可由精密微量泵实现，从而使得点液针头点出的改性液体维持固定的压强并保证表面改性过程的平稳性和高效性。

图4所示为本发明一示例性实施例提供的微流控芯片表面改性的方法的流程图，本示例性实施例中的下述步骤可由控制器或其他计算机类设备控制执行，具体包括：

步骤410：获取微流控芯片中的微流道的3d模型。

此3d模型可从厂家的渠道获取，也可以是通过作图软件画出，只要是能从图中提取出微流道的各项数据用于后续计算的都可以使用。

步骤420：根据微流道的3d模型计算覆盖微流道表面所需要的改性液体的体积。

具体地，根据模型提取出微流道的数据(如深度、长度等信息)计算出需要的改性液体的体积。

步骤430：控制移动平台移动，以带动视觉相机移动拍摄包括微流道的照片。

控制移动平台移动以使得视觉相机可以拍摄出完整的微流道照片，用于后续的计算微流道上点液位置的坐标使用。

步骤440：识别微流道，并选取微流道上的一点为点液位置。

具体地，可根据长度，相对位置等信息计算出微流道的中点位置，然后在该中点位置上方选取与该中点位置在竖直方向上的距离小于改性液体的液滴直径的一点为点液位置，将其位置信息换算成设备内坐标系统可识别的坐标作为该点的位置坐标发送给移动平台。

步骤450：控制移动平台在xy轴方向移动，以带动点液针头移动到点液位置在xy轴的坐标处。

根据移动平台接收到的位置坐标，先控制移动平台在xy轴方向移动，在经过例如数据补偿后，使得点液针头可以移动到点液位置在xy轴的坐标处。

步骤460：控制移动平台在z轴方向运动，以带动点液针头在z轴方向向下移动到点液位置在z轴的坐标处。

根据移动平台接收到的位置坐标，控制移动平台在z轴方向移动，在经过例如数据补偿后，使得点液针头可以移动到点液位置在z轴的坐标位置，该z轴位置即为与微流道的中点相距小于改性液体的液滴直径的位置。

步骤470：控制精密微量泵连续且均匀地点出步骤420计算出的体积的改性液体。

在点液针头就位后，控制器可以控制精密微量泵连续且均匀地点出改性液体，点出改性液体的时间或者改性液体的体积可以根据步骤420中计算出的数据做调整。

步骤480：控制精密微量泵关闭。

在点液过程结束后，关闭精密微量泵以停止点液针头继续往微流道上点出改性液体。

步骤490：控制移动平台在z轴向上移动。

控制移动平台在z轴向上移动离开点液位置至安全的位置，然后可继续在xy轴上移动以回到初始位置。

需要说明的是，本示例性实施例只是选取微流道的中点这一点作为示例，实际也可选择微流道上靠近中点位置的一点作为点液位置，还可选择微流道上的少数几点作为点液位置，本发明对此不做具体限定。

本示例性实施例中的上述步骤无需人工干预，依靠自动化即可实现，有效提高了生产效率，减少了生产成本和不必要的人力资源浪费。

本发明实施例还提供了一种微流控芯片表面改性的设备，包括识别装置和点液装置。识别装置用于识别微流控芯片的微流道，并取微流道上的若干点为点液位置。点液装置用于在点液位置点出改性液体，直至改性液体覆盖微流道的表面。

在一个实施例中，如图5所示，识别装置具体可包括视觉相机510和控制器520。视觉相机510用于拍摄包括微流道的微流控芯片照片，其可以是工业相机例如高速相机，高清相机等，本领域技术人员可以根据需要选择合适的相机类型，本发明对视觉相机510不做具体限定。在本实施例中，由于对视觉相机510的要求较低，因此可以在保证拍摄的微流控芯片中的微流道的照片清晰可识别的基础上，尽量使用精度低，造价低的视觉相机510，可以达到节省成本，降低技术难度的效果。

控制器520用于从照片中识别出微流道，选取微流道上的若干点为点液位置，并计算点液位置的位置坐标。控制器520可以通过例如图像深度学习来识别照片中的微流控芯片，得到微流控芯片上的微流道的各项数据例如尺寸数据，通过尺寸数据选取微流道上的若干点为点液位置，该若干点为微流道上的某一位置或某几个位置。

需要说明的是，图5中的控制器520的位置只是示例性的，控制器520可以是集成在微流控表面改性的设备中，也可以集成在外接的设备中，例如计算机，本发明对此不做具体限定。

点液装置可包括点液针头530，点液针头530可由控制器520控制按照一定体积或一定时间等方式在点液位置的位置坐标处向微流道点出刚好覆盖微流道表面的改性液体。

本实施例提供的设备首先通过视觉相机510拍摄照片，然后由控制器520识别照片中的微流道，并取微流道上的若干点为点液位置，最后由点液装置在点液位置点出一定的改性液体即可使改性液体自动浸润整个微流道的表面以达到改性的目的。该设备只需选取一个或少量几个点液位置进行加注液体，省去了计算运动轨迹及按照所计算的运动轨迹进行高频点液的过程，可大幅减少计算的复杂程度，有效降低微流道表面改性对算法及设备的精度要求，简化了工序，提高了生产效率，有效解决了微流控芯片表面改性的设备精度要求高且造价高昂的问题。另外，因为应用此设备进行微流道表面的改性只需依靠液体的自由流动即可浸润流道，避免了因喷射方式所带来的轨迹偏移问题，从而也提高了良品率。

在本发明一实施例中，该改性液体为改变微流道的亲水性的液体。

本领域的技术人员可以理解，亲水性的改性液体具有强流动性，即流体剪切力小的特性，当采用本发明实施例提供的设备对微流道表面进行亲水性的改性时，改性液体的亲水性可进一步促进该改性液体的自由流动，从而使液体更快更充分地浸润整个微流道，从而进一步提高了生产效率和良品率。

在本发明一实施例中，如图5所示，该设备进一步包括移动平台540，用于带动点液针头530移动至点液位置的位置坐标处。

移动平台540可为与设备内坐标系统相对应的多轴移动平台，例如xyz三轴移动平台。xyz三轴移动平台540既可用于点液针头530的移动，还可用于承载视觉相机510在立体空间内进行移动。其中xy轴可以用于水平面方向的移动，z轴是在垂直方向的移动。对于视觉相机510来说，移动平台540可带动视觉相机510移动至可对准目标的微流控芯片中的微流道。对于点液针头530来说，可以使用移动平台540带动点液针头530移动至预设的点液位置的坐标处，具体地，移动平台540可按点液位置在水平面的坐标带动点液针头530在xy轴方向移动，按照点液位置在垂直方向的坐标带动点液针头530在z轴方向移动。

在本实施例中，控制器520在选取点液位置并计算出点液位置的位置坐标后，可将坐标信息发送给移动平台540，由移动平台540根据坐标信息定位相应的点液位置，再带动点液针头530移动到点液位置进行点液。另外，需要说明的是，点液位置的位置坐标可以是点液针头530所要点液的位置坐标，也可以是移动平台540与微流控芯片中的微流道的相对位置，以便在更换点液针头530时，在计算中输入相应的点液针头530的参数进行补偿即可实现控制器520对不同类型的点液针头530的兼容性需求。

在一个优选的实施例中，如图6所示，控制器520选取微流道1上的一点作为点液位置2，其在水平面上的坐标可位于微流道1的中点或靠近中点的位置，在竖直方向(即z轴)上与微流道1的距离可小于改性液体的液滴直径。

也就是说，通过对微流道1的中点或靠近中点的位置上的单点进行点液，使得液体可以自动朝着微流道1的两个终端自由均衡地流动，这样可大幅减少计算的复杂程度，提高效率，并进一步节省了多点点液的工序。尤其当使用改变微流道亲水性的改性液体时，其较强的流动性可进一步保证本实施例的顺利进行。

另外，点液位置2在竖直方向上与微流道1的距离小于改性液体的液滴直径，即，使点液针头530与微流道1的距离小于改性液体的液滴直径，这样可以保证在进行点液的过程中提供一定压力并避免改性液体的浪费。

在一个实施例中，控制器520进一步用于获取微流道1的3d模型，并根据3d模型计算覆盖微流道1表面所需要的改性液体的体积。该设备进一步包括与点液针头530相连接的微量泵550，当控制器520计算出改性液体的体积量之后，可以输出相应的数据至微量泵550，由微量泵550控制点出一定量的改性液体，则在微量泵550的控制下，点液针头530在点液位置2点出液体以覆盖微流道的整个表面。

对于控制器520输出给微量泵550的数据，其既可为刚好覆盖微流道1的表面所需要的改性液体的体积数据，也可为此体积数据相对应的时间数据，本发明对此不做具体限定。

在本实施例中，控制器520根据所获取的微流道的3d模型自动计算出覆盖微流道表面所需要的改性液体的体积，实现了从获取3d模型到完成微流控芯片中的微流道的表面改性操作的全自动化，大幅提高了生产效率，减少了不必要的人力劳动。

在本发明一优选的实施例中，微量泵550为精密微量泵，该精密微量泵用于使点液针头530连续点出改性液体并且保持点出改性液体的流速均匀。具体地，精密微量泵可以是精密微量注射泵，例如连续式的精密微量注射泵，用于连续地点出改性液体并保持点出的流速均匀，以使得点出的改性液体维持固定的压强并保证表面改性过程的平稳性和高效性。

本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的设备、装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的设备、装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。

功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read-onlymemory)、随机存取存储器(ram，randomaccessmemory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序校验码的介质。

以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。