CN101501792A - 磁场产生装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种磁场产生装置，其包括磁场产生元件(101)以及用于限制通过磁场产生元件(101)的电流大小的限制器(103)。

Description

磁场产生装置
技术领域
本发明涉及用于产生磁场尤其是在生物微流体器件中产生磁场的装置。
背景技术
微流体学涉及包括物理、化学、工程和生物技术的多学科领域，研究体积比普通液滴小数千倍的的流体的行为。微流体组件形成了能够处理微升和纳升体积的流体并进行高灵敏度分析测量的所谓“芯片上实验室”装置或生物芯片网络的基础。用于构造微流体器件的制造技术成本相对较低，并且能够大批量生产高度精密的多路复用装置。通过与微电子技术类似的方式，微流体技术能够制造用于在同一衬底芯片上执行若干不同功能的高度集成的器件。
微流体芯片正在成为当前许多快速发展的生物技术，例如快速DNA分离和分选(DNA separation and sizing)、细胞操纵、细胞分类和分子检测的关键基础。基于微流体芯片的技术相对于其传统的大尺寸的对应技术而言提供了很多优点。微流体学尤其是基因芯片和蛋白质芯片研发工作中的关键部分。
在所有的微流体器件中，有一种基本需要是控制流体流动，即，必须通过由典型宽度约为0.1mm的通道构成的微通道系统输送、混合、分离和引导流体。微流体致动的一项挑战是设计一种紧凑而可靠的微流体系统以在微通道中调节或操纵可变成分(例如唾液和全血液)的复杂流体的流动。当前已经开发和使用了各种致动机制，例如压力驱动方案、微制造机械阀和泵、喷墨型泵、电动力控制的流动和表面声波。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于在例如微流体器件中产生磁场的有效概念。
该目的是通过独立权利要求的特征来实现的。
本发明基于如下发现：在限制通过磁场产生元件，例如磁场产生微元件的电流的基础上，可以有效地和局部地产生微流体器件中的磁场。
本发明提供了一种磁场产生装置，其包括磁场产生元件(例如导线)以及用于限制通过磁场产生元件的电流大小的限制器。
用于控制电流的限制器，例如电子电路可以包括电子开关，例如晶体管开关，用于接通或切断通过磁场产生元件的电流。此外，限制器可以决定晶体管栅极上的电压，以便控制通过磁场产生元件的电流。
根据一方面，可以由外部电流源或由内部电流源产生电流。该电流源可以由晶体管电路形成或可以仅包括一个晶体管。
此外，该磁场产生装置可以包括存储元件，例如电容器，用于在不再对装置寻址之后，例如在不再能接收到控制信号时，对磁场的变化进行编程。该磁场产生装置可以包括分配给磁场产生元件的磁场传感器，其例如为局部传感器。该磁场传感器例如利用霍尔效应或(巨)磁阻效应感测磁场或其大小。
根据一方面，该磁场产生装置可以包括用于控制限制器的控制器。该控制器还可以响应于由磁场传感器提供的测量信号控制限制器。例如，控制器可以使限制器限制电流大小，从而实现预定的磁场分布。
该磁场产生装置还可以包括具有晶体管的电流源，用于产生通过磁场产生元件的电流。为了补偿晶体管个体的阈值电压变化，该磁场产生装置还包括用于补偿晶体管上的阈值变化的阈值电压补偿电路。该阈值电压补偿电路可以包括多个被设置成补偿阈值变化的晶体管和电容器。为了进一步补偿晶体管个体的迁移率变化，该磁场产生装置还包括用于补偿晶体管个体的迁移率的迁移率补偿电路。该迁移率补偿电路可以包括多个被设置成补偿迁移率变化的晶体管和电容器。
优选地，利用大面积电子技术实现磁场产生装置，这种技术也用于制造有源矩阵，例如TFT或LCD，如低温多晶硅(LTPS)、非晶Si、二极管、MIM(金属-绝缘体-金属)等。此外，可以利用基于CMOS的技术实现该装置。优选地，利用例如有源矩阵或基于CMOS的驱动原理来实现这种阵列的驱动。
根据一方面，该磁场产生装置可以包括多个磁场产生元件和多个电流源，例如对所述多个磁场产生元件进行设置以形成矩阵，其中将每个电流源局部地分配给磁场产生元件。
根据一方面，微致动器可以是具有形状和取向的毛状致动器元件，其中该场产生元件可以使它们的形状和/或取向发生变化。
根据实施例，该致动器元件可以是聚合物致动器元件，并且例如可以包括聚合物MEMS。聚合材料通常有韧性而不易碎，较为廉价，有弹性直到有很大的应变(直到10％或更大)，并且具有可利用简单工艺在大表面积上进行处理的前景。因此，其尤其适合用于形成根据本发明的致动器元件。
该致动器元件还可以包括均匀连续磁层、图案化连续磁层或磁性颗粒之一。此外，可以将多个毛状致动器元件设置为第一和第二行，该第一行致动器元件位于壁的内侧的第一位置，该第二行致动器元件位于壁的内侧的第二位置，该第一位置和第二位置基本彼此相对。此外，可以将磁场发生装置局部分配给每个致动器元件或致动器元件的子集。
本发明还提供了一种微流体器件，其包括多个根据本发明的磁场产生装置，例如对所述多个磁场产生装置进行设置以形成矩阵。此外，该微流体器件可以包括多个用于响应于磁场产生流动、混合、分离或重新引导流体的微致动器。该微致动器由局部分配给微致动器的相应磁场产生装置来致动。
该微致动器可以包括由磁场产生装置产生的磁场致动的(例如可滚动)磁性聚合物。
该微流体器件可以用于以下应用的一种或多种：
-用于分子诊断的生物传感器；
-对诸如血液或唾液的复杂生物混合物中的蛋白质和核酸的迅速而灵敏的检测；
-用于化学、制药或分子生物学的高吞吐量筛分装置；
-例如用于如犯罪学中的DNA或蛋白质、用于现场测试(在医院中)、用于集中实验室或科学研究中的诊断的测试装置；
-用于心脏病、感染性疾病和肿瘤学的DNA或蛋白质诊断、用于食品和环境诊断的工具；
-用于组合化学的工具；或
-分析装置。
附图说明
参考以下附图描述本发明的更多实施例，其中：
图1示出根据一方面的磁场产生装置；
图2示出根据另一方面的磁场产生装置；
图3示出根据一方面的局部电流源的电路图；
图4示出根据另一方面的局部电流源的电路图；
图5示出根据另一方面的磁场产生装置；以及
图6示出微流体致动器。
具体实施方式
在详细描述本发明之前，要理解的是，本发明不限于所述的器件特定构成部分或所述的方法过程步骤，因为这样的器件和方法可能会变化。还要理解的是本文所用的术语仅仅是为了描述特定实施例，并非旨在是限制性的。必须指出的是，如在说明书和所附权利要求中所用的那样，单数形式“一”和“该”包括单个和/或多个所指对象，除非上下文另外地给出了明确的指示。于是，例如提到“流体”可以包括混合物，提到“热装置”包括两个或更多个这种装置，提到“微通道”包括一个以上的这种通道，等等。
为了提供充分的公开而又不使说明书过长，在此申请人通过引用并入以上提到的每个专利和专利申请。
上述详细实施例中的要素和特征的特定组合仅是示例性的；还可以明确地想到用本专利申请和通过引用并入的专利/申请中的其他教导与这些教导互换和替代这些教导。如本领域的技术人员将要认识到的那样，在不脱离所主张的本发明的精神和范围的情况下，本领域的普通技术人员能够想到本文所述内容的变化、修改和其他实现方式。因此，以上描述仅是示例性的而非旨在是限制性的。本发明的范围由所附权利要求及其等价物限定。此外，在说明书和权利要求书中使用的附图标记不限制所主张的本发明的范围。
图1示出了包括多个磁场产生元件101(磁场元件)的磁场产生装置，对所述多个磁场产生元件进行设置以形成矩阵。此外，提供多个限制器(例如电子开关)103，每个限制器与相应的磁场产生元件101相关联。例如，限制器101可以由晶体管形成。
此外，提供用于有源矩阵磁场产生元件(MFGE)系统的外部驱动器。该装置还包括如图1所示设置的磁场元件驱动器105(例如驱动器IC)和选择驱动器107。此外，公共电极109连接到所有磁场元件101。
在图1所示的实施例中，通过控制通过(电)磁场产生元件101(MFGE)的电流大小来产生磁场。通常，该元件可以是导电线的线圈，设计其形状以产生给定的磁场分布。在最简单的实施例中，可以利用大面积电子器件作为简单开关而将电磁场产生元件101的阵列连接到外部电流源或电压源，如图1所示，设计该开关以从外部源将电流或电压引导到一个或多个电磁场产生元件。外部电流源是优选的，因为如果所述源是电压源，则流经电磁场产生元件的电流(并由此磁场强度)由电磁场产生元件的电阻来限定。为此，电阻的任何变花都可能导致磁场强度的不同。
优选地，用大面积电子技术实现磁场产生装置，这种技术也用于制造有源矩阵，例如TFT或LCD，如低温多晶硅(LTPS)、非晶Si、二极管、MIM(金属-绝缘体-金属)等。此外，可以用基于CMOS的技术实现该装置。优选地，利用例如有源矩阵或基于CMOS的驱动原理来实现这种阵列的驱动。
对于本实施例而言，可以将开关实现为晶体管开关、二极管开关或MIM(金属-绝缘体-金属)二极管开关，可以利用公知的有源矩阵驱动原理，利用与传统CMOS电路中使用的随机访问方法相反的一次一线的寻址方法来进行一个或多个单独电磁场产生元件的寻址。
图2示出了根据另一方面的磁场产生装置。该装置包括经电流源晶体管201连接到电压电源线203的磁场产生元件101。磁场产生元件101还连接到公共电极205。此外，在电压电源线203和晶体管开关209的端子之间连接存储元件207，例如电容器。晶体管开关209的另一个端子连接到控制线211，该控制线211连接到电压驱动器IC213。晶体管开关209的控制端子(例如栅极)连接到另一控制线215，该控制线215连接到选择驱动器IC215。选择驱动器IC215进一步连接到选择线217，该选择线217与晶体管开关209的栅极连接。
在图2中，示出了用于有源矩阵电磁场产生元件系统的局部驱动器。该驱动器局部地产生用于电磁场产生元件101的电流水平。
根据图1中所示的实施例，仅在电磁场产生元件与外部源电接触时才有磁场。在矩阵构造中，这意味着同时只能激励该装置的每列的单个电磁场产生元件。这可能会限制对磁场分布的控制，因为理想的是通过在同一时刻激励一个以上的电磁场产生元件来产生场分布。
为了避免这种限制，如图2所示，通过利用用于每个电磁场产生元件101的内部电流源控制流经电磁场产生元件的电流大小，来产生磁场。
如图2所示，如果(例如低温多晶硅，LTPS)晶体管被用作适于电阻性磁场产生元件阵列的有源矩阵阵列中的局部电流源，则电流源最简单的形式为例如具有两个晶体管的跨导电路。在这种情况下，每个电流源的输出由下式来定义：
电流＝常数×迁移率×(V电源-V磁场-V阈值)2
其中V电源为电源线电压，V磁场为定义局部磁场的编程电压，常数由晶体管的尺寸限定。迁移率为材料常数。根据本发明，迁移率优选在≥0.01到≤500或≥0.1到≤100或≥0.3到≤3的范围内。
可以由单个电磁场产生元件101来使用这种内部电流源以产生局部磁场，同时一次激活不止一条线101中的元件，在电流源电路中需要存储元件207以便在一定的时间段内保持磁场，由此激活后继线中的电磁场产生元件101。可以方便地以电容器的形式实现这种存储元件，亦如图2所示。通过这种方式，可以同时以任意合理的场水平来操作阵列中任意数量的电磁场产生元件，由此可以实现极为灵活的磁场分布。
可以将开关209和局部电流源201实现为晶体管，并可以利用公知的常见于LCD器件的有源矩阵驱动原理来进行一个或多个单独电磁场产生元件101的寻址。
然而，这种基于大面积电子技术的磁场产生阵列的一个问题是大面积电子技术受到如下困扰：众所周知整个衬底上的有源元件的性能是不一致的。在优选的LTPS技术的情况下，已知器件之间晶体管的迁移率和阈值电压(V阈值)都随机变化(对于彼此靠近的器件也是如此)，并且会趋于随着时间漂移。
例如，如图2所示，如果例如将LTPS晶体管用作基于具有2个晶体管的跨导电路的局部电流源，则每个电流源的输出由下式来定义：
电流＝常数×迁移率×(V电源-V磁场-V阈值)2
为此，迁移率或阈值的任何随机变化都将直接导致所提供电流的有害变化，因此导致不正确的磁场值。这尤其是一个问题，因为不正确的磁场可能会导致错误的磁场分布，并因此导致基于磁性MEMS的流体致动器的功能不正确。
为了改善基于大面积电子技术的可编程磁场产生阵列的性能，可以对整个阵列上的电子开关的不一致性和/或不准确性进行补偿。这可以通过形成局部电流源阵列来实现，由此与上述跨导电流源(参见图2)相比该电流源的输出变化大大减小。具体而言，可以提供局部电流源，其中对晶体管在迁移率、阈值电压或这两者上的变化进行(部分)补偿。这导致整个阵列上的编程电流的较高一致性。
可以使用磁场产生阵列在整个装置的各部分上维持更恒定的磁场，或者只要还以阵列的优选形式配置该装置就产生限定的磁场分布。通过这种方式，该装置可以在所需的磁场分布下工作最佳。
在所有情况下，磁场产生阵列优选包括多个可单独寻址和驱动的磁场产生元件。然而，其也可以任选地包括额外的元件，例如加热元件、非磁性感测元件等。
图3示出了包括磁场产生元件101的局部电流源的电路图，所述磁场产生元件101经由晶体管T4和T2耦合到例如处于电势VDD的电压线301。晶体管T2和T4串联连接，其中晶体管T4的端子经由晶体管T3连接到晶体管T2的栅极。该端子经由电容器C2和C1连接到电压线301。晶体管T2的栅极经由电容器C2并经由晶体管T1连接到数据线303。可以将信号A1施加到晶体管T1的栅极，可以将信号A2施加到晶体管T3的栅极，可以将信号A3施加到晶体管T4的栅极。
根据图3中所示的实施例，将阈值电压补偿电路结合到局部化电流源中，以在可编程磁场产生阵列中使用。可以利用各种用于补偿阈值电压变化的电路(例如，R.M.A.Dawson和M.G.Kane的“Pursuit of Active MatrixLight Emitting Diode Displays”，2001 SID conference proceeding 24.1，p.372)并将其并入本发明中；为清楚起见，将利用图3所示的局部电流源电路来例示本发明的这一实施例。
图3所示的电路通过使T1和T3导通而在数据线上保持参考电压(例如VDD)来进行工作，然后T4短暂导通，这导致T2导通。脉冲之后，T2将C2充电到T2的阈值。然后T3截止，将阈值存储在C2上。然后，施加数据电压并将C1充电到该电压。因此，T2的栅极-源极电压为数据电压加上其阈值。因此，电流(其与栅极-源极电压减去阈值电压的平方成比例)变得与T2的阈值电压无关。因此，可以向磁场产生元件阵列施加均匀的电流。这类电路的优点在于，仍然可以利用电压信号进行对局部电流源的编程，这是有源矩阵显示应用中的标准。
为了进一步减小晶体管的迁移率的变化，可以将迁移率和阈值电压补偿电路结合到局部化电流源中，以在可编程磁场产生阵列中使用。可以利用各种用于补偿迁移率和阈值电压变化的电路(例如，A.Yumoto等人的“Pixel-DrivingMethodsfor Large-Sized Poly-Si AmOLED Displays”，AsiaDisplay IDW01，p.1305)并将其并入本发明中。为了清楚起见，利用图4所示的局部电流源电路例示这一实施例。
参考图4，MFGE101经由串联连接的晶体管T4到T2连接到电压线401。晶体管T2的栅极经由电容器C连接到线401。该栅极还经由串联连接的晶体管T1和T3连接到数据电流线403。晶体管T1和T3的栅极连接到晶体管T4的栅极。
在T1和T3导通且T4截止时利用电流对图4所示的电路进行编程。这将C充电至足以使编程电流通过T2的电压。然后，T1和T3截止以将电荷存储在C上，并且T4导通以将电流传送到磁场产生元件。实现了对T2的阈值和迁移率变化的补偿，从而可以向磁场产生元件阵列提供均匀的电流。这类电路的优点在于，例如TFT的迁移率变化也将由所述电路进行补偿。
在以上实施例中所采取的方法的一个问题是磁场分布可以由数据信号来限定。因此，装置特性的任何意外变化都可能导致不正确的磁场分布。为此，在图5所示的实施例中，利用磁场传感器和任何一种公知的反馈方案来提供有源矩阵阵列中的磁场产生元件的有源磁场控制。
图5示出了多个磁场产生元件101和多个磁场传感器401，对所述多个磁场产生元件101进行设置以形成矩阵，其中将每个传感器401分配给相应的磁场产生元件101。提供与磁场传感器401和MFGE驱动器IC 503耦合的控制器501，所述MFGE驱动器IC经由线505和开关晶体管507连接到每个磁场产生元件101。此外，提供经由线511连接到开关晶体管507的栅极的选择驱动器IC 509。
磁场传感器401可以是任何公知的磁场传感器(例如霍耳效应传感器、(巨)磁阻传感器等)。可以从外部向阵列(使用外部控制器)进行对于磁场产生元件的传感器功能反馈，或者如果传感器与阵列相组合，甚至可以局部地进行所述反馈。在优选实施例中，甚至可以利用以用于实现磁场产生元件阵列(例如LTPS)的技术为基础的技术来实现传感器。在另一实施例中，传感器可以与每个磁场产生元件、多个磁场产生元件相关联，或者多个传感器可以与单个磁场产生元件相关联。这种方法对于实际上实现编程磁场提供了高度确定性(这可以有助于获取使用这种装置的认可)。
图6示出了利用磁场致动的可滚动磁性聚合物MEMS的示意性截面。左上部：未致动的卷曲状态；右上部：由经过集成电流线的电流I产生的磁力致动。致动器的典型尺寸介于10和500微米之间。
为了帮助集中来自磁场产生器的磁通量，并由此提高致动效率，可以沉积由软磁性材料制成的磁通量集中器。可以将任何具有高导磁率的软磁性材料用于这种磁通量集中器。这种材料的例子为NiFe合金(例如坡莫合金)、CoFe和纳米Fe材料(例如FeN)。
致动(生物)流体中的聚合物微致动器将导致流体流动，即流体操纵。为了实现高效的流体操纵(输送、混合、引导等)，重要的是可以单独对微致动器或微致动器组进行寻址。这样就能够产生复杂的流体流动图案。然后可以稍微不同相地致动致动器(组)，产生全体致动器的例如波浪状的运动，这会导致输送流动。如果以适当的时序进行，对致动器组的异相致动(或优选90°相位差)将导致浑沌混合图案。另外，通过致动器的受控局部寻址还可以实现其他特定的流动图案。
通过本发明的可以单独寻址的磁场产生装置产生单独聚合物微致动器(组)位置处，即磁场产生元件(MFGE)位置处的局部磁场。
大面积电子技术，具体而言例如利用薄膜晶体管(TFT)的有源矩阵技术，一般用于平板显示器领域，用来驱动很多显示效应，例如LCD、OLED和电泳效应。
图1到5所示的电路的工作电压在0和5V之间，其中VDD可以等于5或10V。
上述详细实施例中的要素和特征的特定组合仅是示例性的；还可以明确地想到用本专利申请和通过引用并入的专利/申请中的其他教导与这些教导互换和替代这些教导。如本领域的技术人员将要认识到的那样，在不脱离所主张的本发明的精神和范围的情况下，本领域的普通技术人员能够想到本文所述内容的变化、修改和其他实现方式。因此，以上描述仅是示例性的而非旨在是限制性的。本发明的范围由所附权利要求及其等价物限定。此外，在说明书和权利要求书中使用的附图标记不限制所主张的本发明的范围。

Claims (10)

1、一种磁场产生装置，包括：
磁场产生元件(101)；以及
用于限制通过所述磁场产生元件(101)的电流大小的限制器(103)。
2、根据权利要求1所述的磁场产生装置，其中所述磁场产生元件(101)包括导线。
3、根据权利要求1或2所述的磁场产生装置，所述限制器(103)包括开关，所述开关用于接通或切断通过所述磁场产生元件(101)的电流或所述磁场产生元件(101)两端的电压，以限制所述电流的大小。
4、根据权利要求1到3中任一项所述的磁场产生装置，还包括用于产生通过所述磁场产生元件(101)的电流的电流源(201)。
5、根据权利要求1到4中任一项所述的磁场产生装置，还包括存储元件(207)。
6、根据权利要求1到5中任一项所述的磁场产生装置，还包括分配给磁场产生元件(101)的磁场传感器(401)，所述磁场传感器(401)感测由所述磁场产生元件(101)产生的磁场大小。
7、根据权利要求6所述的磁场产生装置，还包括控制器(501)，其用于响应于由所述磁场传感器(401)提供的测量信号控制所述限制器(103)。
8、根据权利要求1到7中任一项所述的磁场产生装置，包括用于产生通过所述磁场产生元件(101)的电流的电流电路，所述电流电路包括晶体管(T2)和用于补偿晶体管(T2)个体的阈值电压变化的阈值电压补偿电路(T1，T3，T4)。
9、根据权利要求1到8中任一项所述的磁场产生装置，包括磁场产生元件(101)的阵列。
10、一种微流体器件，包括：
多个根据权利要求1到9中任一项所述的磁场产生装置。
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