数字微流控芯片故障修复方法研究

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1、硕士学位论文数字微流控芯片故障修复方法研究RESEARCHONERRORRECOVERYMETHODOFDIGITALMICROFLUIDICBIOCHIP王安琪哈尔滨工业大学2018年6月国内图书分类号：TP391学校代码：10213国际图书分类号：621.3密级：公开工学硕士学位论文数字微流控芯片故障修复方法研究硕士研究生：王安琪导师：付平教授申请学位：工学硕士学科：仪器科学与技术所在单位：电气工程及自动化学院答辩日期：2018年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex：

2、TP391U.D.C:621.3DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringRESEARCHONERRORRECOVERYMETHODOFDIGITALMICROFLUIDICBIOCHIPCandidate:WangAnqiSupervisor:Prof.FuPingAcademicDegreeAppliedfor:MasterofEngineeringSpeciality:InstrumentScienceandTechnologyAffiliatio

3、n:SchoolofElectricalEngineeringandAutomationDateofDefense:June,2018Degree-Conferring-Institution:HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要数字微流控芯片同时具有样品和试剂消耗低、人为干预误差小，灵敏度高等优势，已普遍应用于司法鉴定、临床诊断等领域。然而由于微尺度加工工艺存在的缺陷和复杂的制造过程导致数字微流控芯片存在故障风险。故障导致的不稳定性和不可靠性极

4、大程度影响了数字微流控芯片在安全苛求领域的应用前景。为保证芯片的性能，本课题旨在对数字微流控芯片进行故障修复方法研究，通过设计故障修复方法在故障芯片上完成蛋白质检测和多元体液检测实验。对数字微流控芯片故障修复的本质是对有故障的芯片进行重新设计。本课题首先基于模块化设计思想对芯片进行故障修复，为故障修复问题建立数学模型，确定目标函数及约束条件。并提出基于遗传算法的模块化故障修复方法，通过改进遗传算法的编码和解码方案，为资源绑定、操作调度和模块布局三个问题提供统一的编码方案，一次性解决故障修复问题，实

5、现对实验完成时间的优化。并利用蛋白质检测实验进行实验验证，与其他芯片设计方法相比，本课题提出的方法可以在保障故障修复率的条件下以更短的实验完成时间实现故障修复。为了弥补模块化设计方法的缺陷、进一步优化实验完成时间，本课题研究了基于液滴路径的故障修复方法。确定该问题为动态路径规划问题和在一定约束下的混合路径设计问题，并提出启发式路径化故障修复方法。通过在Dijkstra算法中引入代价函数，利用启发式因子提高算法的搜索效率，解决了动态障碍下的路径规划问题；通过重新定义粒子群算法的位置和速度向量，解决混

6、合路径设计问题。将启发式路径化故障修复方法应用于多元体液检测实验，本课题提出的设计方法与贪婪算法相比具有更强的优化能力。启发式路径化故障修复方法与基于遗传算法的模块化故障修复方法相比，在故障修复率相同的情况下可以容纳更多数目的故障电极，实验完成时间更短，平均电极使用次数较低，安全性能更好。关键词：数字微流控芯片；故障修复；遗传算法；改进Dijkstra算法；改进粒子群算法I哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractThedigitalmicrofluidicbiochiphastheadvan

7、tagesoflowconsumptionofsamplesandreagents,lesshumaninterventionandhighsensitivity.Ithasbeenwidelyusedintheareaofjudicialidentification,clinicaldiagnosis,drugdevelopment,environmentalmonitoring.Ithaswideapplicationprospectandvalueinthefieldofmedicalres

8、earchandbiochemistry.However,withtheincreasingintegrationofdigitalmicrofluidicchipsanditscomplexmanufacturingprocess,theremaybepermanentfaultonthechip.Theinstabilityandunreliabilitycausedbythefaultsgreatlyaffecttheapplicationprospectofdigitalm