针对“数字微流控生物芯片布局与液滴路由”的计算机辅助设计研究

Studies on the Computer-Aided Design (CAD) for digital microfluidic biochip placement and routing are significant for human health. The Computer-Aided Design is the major technique which has been widely used in VLSI design. However, computer aided design is still in the early stage in digital microfluidic biochip area; placement and routing with high performance are desired in the design; variations of on-chip chemical reaction time and droplet moving time need further study. This project will proposed high performance placement and routing for.digital microfluidic biochip based on new techniques of the lab-on-chip and VLSI circuit as well as optimization methods; this project will consider constraints and variations for the robustness of the biochip. Meanwhile， this project will also improve the Computer-Aided Design technique for the digital microfluidic biochip design. This project which mainly focuses on the placement and routing will lay a theory foundation and provide a scientific methodology for digital microfluidic biochip design.

研究针对数字微流控生物芯片布局与液滴路由的计算机辅助设计，对人类健康意义重大。计算机辅助设计是运用于超大规模集成电路芯片物理设计的主要手段，它在传统的超大规模集成电路设计中已成为了主要的设计方法。但是计算机辅助设计在数字微流控生物芯片设计中的应用还处于起步阶段；数字微流控生物芯片布局、液滴路由的优化程度有待深入研究；片上生化反应时间的不确定性以及电极驱动液滴时间的不确定性还需要深入探讨。本项目将基于芯片实验室、大规模集成电路以及大尺度算法设计的最新技术，提出计算机辅助设计对数字微流控生物芯片布局、液滴路由优化设计的新方法，深入理解生物芯片的众多特性及限制因素以增强生物芯片的鲁棒性；发展计算机辅助设计对数字微流控生物芯片的应用。本项目的开展将为研究数字微流控生物芯片设计体系中的重要环节--芯片布局与液滴路由--奠定一定的理论基础并提供科学方法。

本项目主要研究数字微流控生物芯片布局、液滴路由优化设计。在本项目的支持下，项目组主要研究内容包括：（1）对数字微流控生物芯片布局进行了单目标和多目标的优化研究.在满足生物芯片众多约束条件的前提下，对芯片布局进行多目标整体优化；获得了良好的芯片布局，为芯片液滴路由设计提供了支撑。（2）深入研究了基于交叉熵的计算机辅助设计优化方法，并将此方法成功应用于数字微流控生物芯片的液滴路由设计中，对芯片液滴驱动能力和液滴驱动路程进行了优化，效果良好。（3）对数字微流控生物芯片的片上不确定性进行了梳理、研究；针对不确定性对生物芯片带来的影响，研究了生物芯片的容错设计，提出了生物芯片片上监控传感器部署的最优方法，增强了生物芯片的稳定性与鲁棒性。（4）本项目具体研究成果包括发表与课题相关SCI国际期刊论文5篇、book chapter 1篇、培养硕士生3名。