CN101641150A

CN101641150A - 具有降低的峰值功耗的集成微流体器件

Info

Publication number: CN101641150A
Application number: CN200880009612.XA
Authority: CN
Inventors: D·A·菲什
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2007-03-23
Filing date: 2008-03-18
Publication date: 2010-02-03
Anticipated expiration: 2028-03-18
Also published as: EP2129458A2; CN101641150B; US20100086991A1; WO2008117200A3; WO2008117200A2

Abstract

一种集成微流体器件，具有一定数量的用于加热流体的腔室(11－MN)、一定数量的用于加热所述腔室中的不同腔室的电加热元件(R)、用于通过不同温度的循环控制所述加热元件以便重复地改变所述腔室中的流体的温度的控制器，该控制器被设置成将所述腔室中的给定腔室的温度循环定时成与其他腔室的温度循环异相。这可以帮助降低峰值功耗，并且从而降低供电线路上不希望的电压降。这些可能引起加热和感测电路中的精度的损失。所述器件可以包括玻璃衬底上的低温多晶硅。所述控制器可以通过使用控制线路和开关(T2)的有源矩阵耦合到所述加热元件。

Description

具有降低的峰值功耗的集成微流体器件

技术领域

本发明涉及集成微流体器件，其具有多个在衬底上的用于操纵流体的腔室(chamber)、一定数量的用于加热所述腔室中的不同腔室的电加热元件以及用于控制这些加热元件的控制器。

背景技术

微流体器件处于大多数生物芯片技术的核心，其用于流体样本的制备及其随后的分析。这些样本可以例如是基于血液的。本领域技术人员应当理解的是，样本溶液可以包含任意数量的物体，包括但不限于几乎任何有机体的体液，比如血液、尿液、血浆、淋巴、唾液、肛门和阴道分泌物、汗液和精液：哺乳动物的样本是优选的，并且人类的样本是特别优选的；环境样本(例如空气、农业、水和土壤样本)；生物战剂样本；研究样本(即在核酸的情况下，样本可以是扩增反应的产物，所述扩增反应包括靶(target)和信号扩增)；纯化样本，例如纯化基因组DNA、RNA、蛋白质等等；未纯化样本和包含细胞、细菌、病毒、寄生物或真菌(的部分)的样本。

如本领域中所公知的，已经对样本进行了几乎任何实验操作。通常，术语“生物芯片”或“片上实验室”等等指的是包括至少一个微流体部件或生物传感器的系统，其快速而可靠地调控、运送、混合并且存储微量的流体以便实现所希望的更大数量的物理、化学和生物化学反应。这些器件提供了人类健康评估、基因筛查和病原体检测的可能性。此外，这些器件具有许多用于操作和/或分析非生物样本的其他应用。生物芯片器件已经正用来执行一系列任务，例如细胞裂解、材料提取、清洗、样本扩增、分析等等。它们逐渐用来并行地执行若干制备和分析任务，例如检测若干细菌疾病。因此，微流体器件和生物芯片已经包含许多部件，这些部件的数量将随着器件变得更加有效并且更加通用而只会增加。

所述部件中的许多部件是用来感测或修改样本或流体的性质的电部件，例如加热元件、泵浦元件、阀门等等，并且经常通过直接在器件的衬底上制造薄膜电子器件来实现。可以被感测或修改的适当性质包括但不限于：温度；流动速率或速度；压力、流体、样本或分析物的存在或不存在、浓度、数量、迁移率或分布；光学特性；磁特性；电特性；电场强度、配置或极性。

聚合酶链式反应(PCR)是一种常用于DNA扩增的方法。该技术需要循环的温度步阶(temperature step)，其必须是温度上准确的以便允许实现高效率扩增。当在实验室环境下考虑时，用于PCR的当前系统体积大且费时，因此，向允许在片上实验室上集成的微型化热循环仪的转移是非常吸引人的。同样希望的是，拥有在相同芯片上的运行独立的(实时)PCR过程的多个腔室。

除了PCR之外，在许多生物技术应用中，需要一种允许在无需大的器件外设以定位I/O管脚的情况下在(一次性)生物芯片或类似系统上成本有效地制造(生物)化学处理模块的技术，所述(生物)化学处理模块包括可以被并行且独立地处理的温控反应舱阵列。

为了允许实现准确的温度，必须使用温度控制系统。

研究用于一次性生物芯片(例如PCR热循环仪)的塑料是公知的。生物和温度兼容塑料(例如聚丙烯和聚碳酸酯等)是用于容器/管格式的宏观PCR热循环仪中的常见材料。这样的塑料与硅和玻璃相比典型地表现出更差的热导率，这可能在流体中导致缓慢的热响应和不利的温度均匀性。然而，其材料和处理(模具复制(mold replication))的成本低使得其有希望用于一次性PCR芯片的批量生产。

美国申请20030008286中示出了一种用于多腔室独立热控制的热循环仪，其使用了低成本可重复使用的或一次性微型化反应芯片。该设备由塑料芯片或者类似低成本的材料制成，包括反应腔室阵列。在所有腔室填充了反应物之后，将芯片紧压在衬底上，所述衬底典型地为印刷电路板，在芯片与衬底之间存在一组温度平衡块。位于块与衬底之间的单独控制的加热器和传感器允许每个腔室遵循其自身的单独的热协议，同时与所有其他腔室和衬底良好地热隔离。后者停留在大的热沉上以便避免随着时间的热漂移。

美国专利6043080记载了提供基于PCR的扩增腔室，其具有温度控制器，用于加热反应以便实现热循环。可以将加热元件或温度控制块设置在扩增腔室的外表面附近。通过改变提供给加热器的电流以达到反应的特定阶段的所希望的温度来实现热循环。

美国专利申请2004087008记载了提供具有玻璃或聚合物衬底以及电子部件的微流体系统，所述电子部件包括温度传感器和模数转换器。

美国专利7104112示出了一种流体分析器，其具有浓缩器和分离器，用于浓缩和分离流体样本，所述浓缩器可以具有许多加热的交互元件，用于吸附和脱附样本流体的成分。这些交互元件可以由加热器以分时段的顺序方式加热。

美国专利申请20040086927示出了用于PCR的热循环仪，其使用了“受控的过冲算法”，其中块温度经常越过其最终稳态值以便样本温度尽可能快速地到达其希望的温度。过冲算法的使用使得块温度以受控的方式过冲，但是不引起样本温度过冲。这据说节省了功率。

发明内容

本发明的目的是提供改进的集成微流体器件以及操作或制造所述集成微流体器件的方法，所述集成微流体器件具有在衬底上的用于操纵流体的多个腔室、一定数量的用于加热和/或冷却所述腔室中的不同腔室的电加热和/或冷却元件以及用于控制这些加热和/或冷却元件的控制器。依照第一方面，本发明提供了：

集成微流体器件，其具有一定数量的用于加热和/或冷却流体的腔室、一定数量的用于加热和/或冷却所述腔室中的不同腔室的电加热和/或冷却元件、用于通过不同温度的循环控制这些加热和/或冷却元件以便重复地改变腔室中的流体的温度的控制器，所述控制器被设置成将所述腔室中的给定腔室的温度循环定时成与其他腔室的温度循环异相。

这能够帮助降低峰值功耗，并且因而降低供电线路(line)上的不希望的电压降。这些可能造成加热和/或冷却及感测电路中的精度(precision)的损失。它们对于使用更廉价的制造技术的玻璃衬底上的阵列更成问题。

可以将任何特征添加到这些特征。从属权利要求中描述和要求保护一些这样添加的特征。所述控制器可以被设置成对温度循环定时，使得最小数量的腔室同时处于其循环的较高温度部分。这是需要更多的加热时的时间。它可以被设置成对温度循环定时，使得所述腔室中的给定腔室的温度升高的定时与其他腔室的温度升高的定时异相。同样地，这是峰值加热要求的时间。所述器件可以具有多根公共供电线路，每根线路耦合以向一定数量的加热和/或冷却元件供电，所述控制器被设置成对温度循环定时，使得所述腔室中的所述给定腔室和其他腔室具有耦合到所述公共供电线路中的相同线路的加热和/或冷却元件。控制器可以被设置成对温度循环定时，使得用于所述腔室中的给定腔室的温度循环平均超过一定数量的循环，与用于所述腔室中的第二腔室的循环同相，同时给定温度下的持续时间在所述一定数量的循环的不同循环中是变化的，使得所述一定数量的循环上的平均持续时间对于所述给定腔室和第二腔室是相同的，并且使得对于所述给定腔室和第二腔室的持续时间的变化是彼此异相的。持续时间的变化可以是异相的，因为用于给定腔室的给定温度之前或之后的温度升高与用于所述第二腔室的相应温度升高不一致。

所述器件可以具有耦合到控制器的用于每个腔室的温度传感器。该器件可以包括加热和/或冷却元件的二维阵列以及有源开关矩阵，所述有源开关矩阵通过选择线路耦合到控制器以单独地改变每个加热和/或冷却元件的状态。所述有源矩阵的开关可以由具有栅极、源极和漏极电极的薄膜晶体管形成。

该有源矩阵可以具有行选择线路和控制线路，使得每个开关由一个选择线路和一个控制线路控制。

另一个附加的特征是一个或多个复用的读取线路，以及用于控制哪些腔室电路耦合到读取线路的开关。存储器件可以被提供用于存储提供给所述开关之一的控制信号。

所述微流体器件可以包括衬底(例如透明衬底)上的多晶体、微米晶体、纳米晶体或非晶态半导体材料，例如玻璃衬底上的低温多晶硅。特别地，所述微流体器件的至少一些半导体部分不使用单晶半导体材料(例如单晶硅)。

本发明的其他方面包括制造这样的器件的方法或者使用用于操纵流体的这样的器件的方法。

任何所述附加特征可以组合在一起以及与任何所述方面相结合。其他的优点对于本领域技术人员来说将是显然的，尤其是对于其他现有技术而言是显然的。可以在不脱离本发明的权利要求的情况下做出许多变型和修改。因此，应当清楚地理解的是，本发明的形式仅仅是说明性的，并不意在限制本发明的范围。

附图说明

现在将参照附图通过举例的方式描述如何可以实现本发明，在附图中：

图1示出了依照本发明实施例的复用PCR-只有LTPS的IC。

图2示出了依照本发明实施例的具有单个IC的复用PCR。

图3示出了依照本发明实施例的没有复用的多个PCR-单个IC。

图4示出了依照本发明实施例的复用PCR-多个IC。

图5示出了依照本发明实施例的复用PCR-局部复用IC。

图6示出了依照本发明实施例的加热器传感器装置。

图7示出了依照本发明实施例的加热器传感器装置。

图8示出了依照本发明实施例的加热器传感器装置。

图9示出了依照本发明实施例的加热器传感器装置。

图10示出了依照本发明实施例的具有DRAM和SRAM的加热器/电阻式传感器。

图11示出了依照本发明实施例的具有DRAM和SRAM的加热器/电阻式传感器。

图12示出了依照本发明实施例的具有DRAM和SRAM的加热器+电阻式传感器。

图13示出了依照本发明实施例的具有DRAM和SRAM的加热器+电阻式传感器。

图14示出了依照本发明实施例的具有DRAM和SRAM的TFT加热器+电阻式传感器。

图15示出了依照本发明实施例的具有DRAM和SRAM的TFT加热器+电阻式传感器。

图16示出了依照本发明实施例的具有DRAM和SRAM的加热器+二极管传感器。

图17示出了依照本发明实施例的具有DRAM和SRAM的加热器+二极管传感器。

图18示出了依照本发明实施例的具有DRAM和SRAM的加热器+双二极管传感器。

图19示出了依照本发明实施例的具有DRAM和SRAM的加热器+双二极管传感器。

图20示出了依照本发明实施例的具有DRAM和SRAM的加热器+反向偏置二极管传感器。

图21示出了依照本发明实施例的具有DRAM和SRAM的加热器+反向偏置二极管传感器。

图22示出了依照本发明实施例的PCR阵列的行的选择。

图23示出了依照本发明实施例的具有ADC的传感器。

图24示出了依照本发明实施例的数字加热器。

图25示出了依照本发明实施例的用于PCR腔室阵列的数字控制系统的示意图。

图26为与本发明的实施例一起使用的时序图。

图27示出了PCR温度循环。

图28示出了依照本发明实施例的用于降低的峰值功耗的PCR温度循环。

图29示出了依照本发明实施例的PCR腔室的偏移相。

图30示出了依照本发明实施例的温度相长度修改。

图31示出了依照本发明实施例的用于PCR的温度分布。

图32示出了依照本发明实施例的PCR腔室中的局部加热和感测。

图33示出了依照本发明实施例的局部加热器元件。

图34示出了依照本发明实施例的系统架构。

图35示出了依照本发明实施例的具有局部加热控制的圆形腔室。

图36示出了依照本发明实施例的只有TFT的加热器的问题。

图37示出了依照本发明实施例的具有传感器的只有TFT的加热器电路。

图38示出了可以用来保持加热器TFT的栅极为高或低的存储装置的特定实施例。

具体实施方式

现在将针对特定实施例并且参照特定附图来描述本发明，但是本发明并不限于此，而是仅由权利要求限制。所描述的附图仅仅是示意性的并且是非限制性的。在附图中，出于说明的目的，一些元件的尺寸可能被夸大并且未按比例绘制。在本说明书和权利要求书中使用措词“包括/包含”的地方，其并没有排除其他的元件或步骤。除非另有特别说明，在引用单数名词时使用不定冠词或定冠词(例如“一”、“该”)的地方，这包括该名词的复数。

权利要求中使用的措词“包括/包含”不应当被解释为限于其后列出的装置；它并没有排除其他的元件或步骤。因此，表述“包括装置A和B的设备”的范围不应当限于仅由部件A和B组成的设备。它意味着对于本发明而言，设备的仅有的相关部件为A和B。

此外，在说明书和权利要求书中，措词第一、第二、第三等等用于区分相似的元件，并且不一定用来描述连续或顺序的次序。应当理解的是，这样使用的措词在适当的情况下是可互换的，并且本文描述的本发明的实施例能够以本文中未描述或图示的其他顺序操作。

此外，在说明书和权利要求书中，措词顶部、底部、之上、之下等等用于描述性目的，并且不一定用来描述相对位置。应当理解的是，这样使用的措词在适当的情况下是可互换的，并且本文描述的本发明的实施例能够以本文中未描述或图示的其他取向操作。

实施例引言

由于在许多情况下期望用于分子诊断的微流体器件是完全或部分一次性的，因而存在利用低成本技术制造它们的更多动机。低温多晶硅(LTPS)处理允许实现这点，但是与使用晶体硅(例如单晶硅)相比具有某些缺点。可以使用其他的技术，例如基于非晶硅(aSi:H)的技术，或者可以通过使用类似于aSI:H但是具有改变的工艺条件的工艺以产生微米或纳米尺寸的粒子来制成的微米或纳米晶体硅的技术。此外，如果其他的半导体系统可适于类似的低成本处理，那么也可以使用这些半导体系统。例如，在低温多晶硅(LTPS)处理中，将非晶硅沉积到衬底(优选地为例如由玻璃制成的透明衬底)上，并且激光器或者其他低温能量源用来使非晶硅结晶成称为多晶硅(p-Si)的更导电的状态。该多晶硅层可以通过照相平版印刷术图案化以制成薄膜晶体管(TFT)平面。也可以将诸如集成电路(IC)之类的电子电路集成到该平面中，以便得到更好的形状因子和更高的质量。所述TFT当在多晶硅中形成时比在非晶硅中具有快高达100倍的迁移率。然而，晶体管(即薄膜晶体管或TFT)具有比单晶硅器件更低的迁移率并且还是非均匀的，即彼此靠近的两个晶体管的特性将不同，从而单晶技术中常用的“匹配电路”是不可能的。本发明的一些实施例示出了在集成微型化温度控制器中克服这点的若干方式，其例如可以用于PCR。当在芯片上存在多个独立的腔室(例如PCR腔室)时，低成本是特别重要的，因为TFT非均匀性将造成不同PCR过程的温度控制之间的随机差异并且这将造成效率、量化(在Q-PCR的情况下)方面的差异或者甚至过程的失败。

一些实施例示出了复用腔室(例如PCR腔室)阵列，可以使用每个腔室处的加热器和/或冷却器以及传感器对其进行温度控制。可以选择这些传感器并且由单集成电路(IC)(例如单硅IC)周期性地读取这些传感器以及因而控制这些传感器，所述单集成电路可以连结到衬底，所述衬底优选地为透明衬底，例如玻璃。该IC可以通过使用高质量处理技术来制成，所述高质量处理技术例如基于单晶硅或者基于使用其他半导体系统(例如使用Ge或Si以及Ge或Ga As半导体)的其他高质量半导体处理技术。特别地，可以在高质量半导体中制成关键而复杂的控制器部件，例如，小管芯上的单晶硅工艺允许实现低成本高性能的系统。

因此，依照本发明的一个方面，使用LTPS技术的透明衬底(例如玻璃衬底)可以用来加热和/或冷却生物/(生物)化学(例如PCR)腔室阵列以及感测其温度，同时IC(例如连结到玻璃衬底)执行多个腔室(例如所述腔室中的一些或者全部)的温度控制。在所描述的一些实施例中，值得注意的是低成本大面积LTPS技术与高性能小面积硅技术之间的功能的分离，其允许实现总体低成本高性能的系统。

图1-5顶层系统架构

在图1-5中示出了若干复用微流体系统，例如PCR系统，其将用在后面详细描述的本发明的许多实施例中。希望的是具有少量系统输入端以便允许实现对微流体系统(例如PCR系统)的低互连计数，从而导致更高的收益和可靠性。集成电路(IC)中实现的部分(例如单晶硅或其他半导体技术)被示为浅色。它们可以通过使用例如显示器行业中已知的技术连结到绝缘衬底，尤其是诸如玻璃LTPS衬底之类的透明衬底。使用LTPS实现为电路的其他部分被示为浅灰色的功能框。图1-5示出了针对这种系统可以设想的一系列架构的实例。在图1中，示出了只有LTPS的系统。该图示出了具有在衬底上的用于操纵流体的腔室的微流体系统的实例。在这种情况下，它们是PCR腔室并且设置成N行和M列。每个腔室用两个数字标记，第一数字为列号，第二数字为行号。虽然没有被示出，这些腔室具有诸如管道、阀门、混合器之类的微流体部件以及集成到衬底上的腔室电路。图中竖直和水平地示出了选择线路矩阵，但是笛卡尔坐标的阵列不是必需的。阵列的几何结构可以是例如具有径向和圆周选择线路的极坐标结构。这样的选择线路可以描述为“逻辑上以行列设置”以表示逻辑设置是普通的，但是物理设置可能不同于行和列。所要求的是每个腔室可单独寻址，例如处于行和列线路的交点处。行驱动器提供选择信号以选择所述行中的给定行。控制器提供列选择功能，并且对选择的腔室电路进行写入或读取。行和列是可互换的。因此，行驱动器和控制器一起协作以提供用于选择单独的腔室以便进行控制的装置。如果合适的话，控制器可以并行地访问多个列。控制器可以适于进行单独的腔室的感测信号处理和/或复用控制。

-所述腔室可以包含例如感测、冷却和/或加热和/或模拟或数字存储器。

-可以通过使用集成行驱动器依次寻址每行腔室，从而可以进行对传感器的读取以及对加热器和/或冷却器的写入。

-可以将所述控制器实现为执行控制功能的微处理器。其时间可以依照时刻表在所述阵列的列之间复用。其可以在LPTS技术中或者在任何技术中(例如在单晶硅中)被集成到LTPS中。

-所述控制器也可以具有存储器以及到外部世界的通信接口，例如并行或串行接口。

所述行选择线路和列读取或写入线路形成矩阵。原则上，该矩阵可以是无源的或有源的。在无源矩阵下，在线路的交叉处的所选择的腔室部件或电路由这些选择线路激活，并且一有另一部件或电路被选择，就被去激活。在有源矩阵下，每个腔室具有局部开关电路，其可以由这些选择线路控制，以便激活该腔室并且在选择了其他的电路的同时让该腔室活动。

在有源矩阵下，所述腔室电路具有开关装置，其连接到读取或写入线路以及行选择线路以便确保可以独立地驱动所有的腔室。腔室可以具有由电压信号或电流信号驱动的任何电子器件，例如加热器元件和/或冷却元件、泵浦元件、阀门、感测部件等等。应当理解的是，这些实例不应当在限制意义上进行解释。激活腔室意味着例如通过将腔室从打开转换到关闭或从关闭转换到打开或者通过改变其设置来改变其状态。还应当指出的是，单独的开关装置可以包括多个包含有源和/或无源电子部件的子部件。然而，并不要求一起激活所有的子部件。

独立地控制单个腔室部件的微流体器件的操作可以如下：

-在非寻址状态下，将所有的行选择线路设置为一定电压，其中开关元件不导电。在这种情况下，没有腔室被激活。

-为了激活预先选择的腔室，行驱动器将选择信号施加到该预先选择的腔室所耦合的选择线路上。结果，连接到相同行选择线路的所有开关装置都切换到导电状态。

-将所述控制器产生的控制信号(例如电压或电流)施加到所述预先选择的腔室所在的列的控制线路上。将该控制信号设置为它的希望的水平并且使其通过开关装置到达腔室，使得该部件被激活。

-将所有其他列的控制信号保持在不改变与所述预先选择的腔室连接到相同行选择线路的其余部件的状态的水平下。在这个实例中，它们将保持未被激活。

-所有其他的行选择线路将保持在非选择状态下，使得与所述预先选择的腔室连接到相同的列线路的其他腔室将不被激活，因为它们的关联开关装置保持在非导电状态下。

-在将所述预先选择的腔室设置成希望的状态之后，对各选择线路进行去选择，将所有开关装置返回到非导电状态，从而阻止所述预先选择的腔室状态的任何进一步的变化。

然后，所述器件将保持在非寻址状态，直到后面的控制信号造成任何一个腔室的状态的变化，在这点上，重复上述操作序列。

可以通过使用行驱动器激活另一行并且将控制信号施加到所述阵列中的一个或多个列来顺序地控制不同行中的腔室。

也可以寻址所述微流体器件，使得仅当控制信号存在时激活腔室。然而，可能有利的是将存储器件合并到该部件中，由此在选择时段结束之后记住所述控制信号。对于该存储器件，基于电容器或晶体管的存储元件是合适的。这使得同时激活跨越所述阵列的任何点处的许多部件成为可能。这个选项在现有技术的已知的无源系统中不可用。当然，如果存储器件可用，那么将明显需要第二控制信号以去激活所述部件。

优选地，所述器件包括腔室或单元(cell)以及沟道，所述沟道最优选地为微流体沟道，其将一个腔室或单元连接到其他腔室或单元中的至少一个或者更优选地连接到多个腔室或单元。可选地，阀门位于所述腔室或单元之间。这允许在所述器件中实现具有不同步阶的反应。在这样的实施例中，流体可以顺序地从一个腔室或单元移动到另一个腔室或单元，或者可替换地可以并行地处理许多腔室或单元。

图1所示的设置，依照本发明的实施例在LTPS中实现所有的电子部件，并且这可能良好地起作用，但是LTPS是低质量的硅技术，其可能受益于使用单晶硅IC执行关键的功能以便提高系统性能。图2示出了本发明的另一个实施例。在这种情况下，示出了与图1中的功能类似的功能。控制器被示意性地示为单个IC，例如单晶体IC。该IC连结到相同的衬底上并且像前面一样耦合以便以复用的方式控制所述腔室(例如PCR腔室)中的一些或全部。LTPS实现的腔室电路的典型功能是加热和/或冷却样本并且感测温度，但是可以设想其他的功能。在这种类型的系统中，控制器可以适于在逐行的基础上复用，从而在所有其他的行接收到它们的控制之后，每个腔室(例如PCR腔室)接收控制。因此，系统的控制环被间歇地访问。如下面参照图22所描述的，行控制是通过使用例如LTPS移位寄存器实现的行驱动器来实现的。

可替换地，一个单晶体IC可以用来控制所有的PCR腔室而无需任何复用，如图3所示意性示出的。在这种情况下，示出了与图2中的功能类似的功能。不存在行驱动器，因为控制器向所有腔室提供单独的非复用选择信号。因此，在这个实施例中，控制器独自地提供单独地寻址并且加热和/或冷却每个腔室以及单独地感测每个腔室的手段。

可替换地，可以将IC置于每个腔室(例如PCR腔室)的位置处，从而可以连续地施加控制。这是图4中示出的实施例。在这种情况下，示出了与图3中的功能类似的功能。这降低了对于每个IC的处理要求，因而可以提供更简单的IC，或者可以实现更复杂的处理，但是具有更多的IC趋向于增加成本。可以提供主控制器IC，其耦合到位于腔室处的所有IC。该主控制器IC可以具有相对简单的功能，例如向或者从局部IC递送数据以及与外部器件接口。

另一个实施例是一个混合物，其中存在局部IC，每个局部IC复用一定数量的局部腔室(例如PCR腔室)，如图5所示。再一次地，示出了与图4的功能类似的功能。在这种情况下，控制是间歇的，因为它是复用的而不是连续的，但是控制输入之间的时间间隔与图2相比是短的。此外，这个实施例具有比图3中少得多的IC，从而将改善成本、收益和可靠性。另一个选项是修改图5的系统，以便并行地驱动或读取局部PCR腔室而无需复用，这类似于图3的情况。

遵循图1实施例(只有LTPS)的设置，图2-图5中示出的实施例的每一个都可以利用CMOS LTPS技术来实现，从而不需要IC，但是这将更加困难，因为LTPS硅质量低于晶体硅并且因而更难于实现高的性能。

在实时PCR的情况下，其中在温度处理期间使用产生光学信号的报告分子(例如分子信标、蝎毒素(scorpion)等等)实时地定量记录扩增产物的存在，所述IC之一可以接收来自外部光学检测系统的输入并且使用该输入以调节一个或多个PCR腔室的温度控制。

图6-21腔室电路的实例

在这些实施例中，示出了加热器和/或冷却器以及温度传感器形式的腔室电路，但是其他类型的感测、处理或控制包括在本发明的范围内。所述传感器以及加热器和/或冷却有效地(不同于薄电绝缘层)与生物流体接触。当完成这点时，可以实现准确的温度控制。存在若干用于LTPS加热器/传感器装置的实施例，并且图6-21示出了一些实例。

依照本发明，在提及加热器的任何地方，应当理解的是，可以使用冷却元件来代替或者附加到加热元件。适当的冷却元件是例如珀耳帖(Peltier)元件。在图6-9中，示出了一些装置。在图6中，存在用于加热的电阻器R，并且它也用作传感器。它两端的电压(其将随温度的变化而稍微变化)利用适当的感测电路来感测并且这提供了与温度有关的值。在图7中，存在单独且不同的用于感测的电阻器Rs。这些情况不需要LTPS。在图8中，存在二极管Ds，并且提供了感测和电流驱动电路以感测二极管的阳极电压，该阳极电压在感测和电流驱动电路以一定电流驱动二极管时与温度成比例。在图9中，存在两个二极管D1和D2以及不同的感测和电流驱动电路。这两个二极管之间的阳极电压差在它们以来自感测和电流驱动电路的相同电流驱动时与温度成比例。二极管D1和D2也可以处于反向偏置，在这种情况下，它们的泄漏电流是温度敏感的。因此，感测和电流驱动电路可以适于反向偏置所述二极管并且感测这些二极管的泄漏电流。这些二极管也可以是例如其中提供额外的导线以进行门控的二极管装置中的TFT。这些二极管也可以是门控器件。这些后面的实施例可以在LTPS中实现。

在这些实施例中，所有的腔室都直接用导线连接到控制器IC，而不是使用复用数据或者超过一个腔室电路之间共享的控制线路。因此，这些适用于图3的非复用架构或者图5的修改的架构。这些非复用的实例出于若干原因是较不优选的：

1.如果腔室的数量较大，例如大于100，那么与控制器IC的互连的数量变大，由于非可靠性的原因，这将降低收益。

2.IC的尺寸将由于大量的连接以及驱动这些连接所需的电路的原因而变大，从而增加IC的成本。图6-9中的实例示出了需要至少400个连接的IC。

3.在高电压下向加热器提供功率更加有效。高电压IC更大并且更昂贵。

4.IC内的功耗很可能过大。

过大的功耗和连接计数可以通过图4和图5的实施例降低。然而，图4的实施例是较不优选的，因为大量连结到玻璃的IC增大了制造的难度，带来收益和可靠性问题。图1、图2和图5的实施例更优选，只有图5的实施例能够使用图6-9中描述的技术，其中没有使用基于时间的复用。

对于其中存在对所述腔室(例如PCR腔室)进行时间复用的单个IC的图2的架构，可以使用图10-17中示出的实施例并且这些实施例可以克服上面提到的一些或所有缺点。图1也解决了上面提到的这些问题，但是如其他地方所述要求使用LTPS进行完全的集成，其可能更加困难。

在图10中，示出了类似DRAM的实施例，其中将电压存储到每个腔室处的存储装置(例如电容器)上，以便保持加热器TFT的栅极为高或低。在图38中，示出了存储装置的另一个实例，其基于具有反馈电路的缓冲器以便保持加热器TFT的栅极为高或低。参照图10所示的情况，加热器元件R由开关装置(例如晶体管T2)开关，所述开关装置则由开关装置(例如晶体管T1)驱动。这个晶体管T1耦合到写入线路，该写入线路是来自控制器的复用控制线路。T1由行选择信号A1打开。相同的电阻器R用于感测并且耦合到读取线路。再一次地，读取线路从许多腔室电路耦合到控制器并且控制器适于在复用过程中读取这些腔室电路。行选择信号A1驱动晶体管开关元件(例如晶体管T3和T4)以便将该腔室电路传感器的末端耦合到读取线路。该设置要求写入线路提供高电压。这可以通过将电平移位器添加到腔室驱动电路中来降低。这在图11中示出，其中DRAM还由SRAM代替，使得信号可以保持更长的时间段。

温度感测可以通过使用加热器电阻器本身来实现，如图10-11所示。温度变化引起电阻的小的变化，其可以通过读取线路进行测量。这样做所需的电路将要求相当灵敏并且因而优选地置于硅控制器IC中。读取也应当在不存在加热时发生，以便电源线路具有定义明确的值。这将要求在进行读取测量时临时关闭加热。在图12-13中，通过将单独的电阻器作为传感器来避免这个方面。这可能占据更多的面积并且具有更多的部件，但是可能控制起来更简单。在其他方面，这些图与图10和图11相应。

图14-15示出了另一个实施例，其与图12和图13类似，但是代替电阻式加热器元件的是，可以将开关TFT本身用作加热器。然而，这种方法具有所产生的加热很可能在整个腔室上相当不均匀的缺点。这可能对于某些应用来说不是问题，但是在PCR的情况下，它可能导致PCR扩增过程中的低效率。

图16-17中示出了另一个实施例。这里的差别在于将二极管D1用作温度传感器。在其他方面，这些附图与图12和图13相应。横向PIN二极管可以加以使用，并且可以在相当标准的LTPS工艺中制成。当在适当的驱动电路提供的前向偏置下时，二极管两端的电压与温度成比例并且可以由适当的感测电路感测。如果在不同时间借助于适当的驱动电路将两个电流切换到二极管中，那么感测电路测量的二极管两端的电压差与温度成比例。相应地，在测量中消除了二极管的一些材料常数，从而做出更可靠的测量。控制器IC或其他局部电路可以控制从读取线路切换到二极管中的电流并且也适于进行二极管阳极的灵敏的电压测量。

图18和图19示出了所述二极管方法的变型，其使用了两个不同尺寸的二极管D1、D2，每个二极管从读取线路连接到地。第一开关元件(例如晶体管T3)将第一二极管D1连接到读取线路，并且第二开关元件(例如晶体管T6)将第二二极管连接到地。晶体管T3和T6由行选择线路A1驱动。在其他方面，这些附图与图16和图17相应。相同的电流通过每个二极管并且阳极之间的电压差再一次与可以由感测电路感测的温度成比例。

在图20和图21所示的另一个变型中，存在由适当驱动电路提供的反向偏置的二极管(其可替换地可以是具有负的漏极-源极电压的二极管连接的TFT)。反向偏置的二极管产生对电容器Cs充电的泄漏电流。该电容器通过行选择线路A1控制的开关元件(例如晶体管T7)耦合到读取线路。控制器IC可以以规则的间隔读取来自该电容器的电荷。由于泄漏电流是高度温度敏感的，因而电荷读出可以用作温度或温度的变化或者温度差的代表值并且该值可以用来控制加热。

图10-21中已经示出了LTPS玻璃衬底上的复用加热器/传感器装置的若干实例。与图6-9所示的方案相比时，它们具有以下优点。

1.到IC的连接的数量更加适中，例如对于100个腔室的PCR，到IC的连接的数量大约为20-30。这将增加收益和可靠性。

2.IC内部的电路可以小得多，因而IC将具有更低的成本。

3.IC不再需要为高电压，这将进一步降低其面积并且因而降低成本。

4.IC不再需要充当加热器的电源，因而IC内部的功率密度将更加适中。

图10-21中示出的实施例将得到控制器IC的若干不同的实现方式，这些将予以考虑，但是首先将讨论复用问题。

图22行驱动器

控制器IC需要在不同的腔室(例如PCR腔室)之间复用，并且应当在每个腔室内尽可能准确地控制温度。为了实现这点，腔室之间的快速扫描是优选的。在图10-21的示图中，所有具有栅极的开关都由标记为A1的行选择信号驱动。这是寻址许多行之一的信号。它可以例如由移位寄存器产生。移位寄存器容易通过使用LTPS技术来实现，并且移位寄存器的计时(clocking)可以通过来自控制器IC的定时信号来实现。因此，可以一个接一个地访问每行腔室(例如PCR腔室)。图22示出了一种器件的实例，其具有腔室阵列，例如PCR腔室阵列；行驱动器，以及控制器IC，所有这些都在衬底上。该图示出了时序图，其由与行驱动器的各行对准的定时电路提供。该时序图示出了脉冲的定时，每个脉冲来自LTPS行驱动器(移位寄存器)的不同输出。这些脉冲在不同的时间逐个激活，以便在不同的时间选择阵列各行中的不同行。该PCR阵列是图1-5中示出的腔室阵列。重复时间将为场时间。所述IC能够控制行驱动器并且将数据写入到加热器元件以及从传感器读取数据以便能够实现加热控制。

所述器件可以通过使用利用显示器行业中使用的玻璃上芯片(chip-on-glass)连结技术连结到玻璃衬底的IC来实现。也可能将IC箔连结(foil bond)到玻璃。其他的附接方法包括在本发明的范围内。

所述器件可以应用到任何微流体应用。本发明可特别用于复用PCR系统中以便快速地识别DNA序列。除了分子诊断之外，本发明还可以应用到包括热处理阵列或其他类型的流体处理的任何器件或微流体器件。这包括用于所谓的片上化学(chemistry-on-a-chip)的片上实验室。可以感测或修改的适当的性质包括但不限于：温度；流动速率或速度；压力、流体、样本或分析物的存在或不存在、浓度、数量、迁移率或分布；光学特性；磁特性；电特性；电场强度、配置或极性。

图23-26数字腔室电路

依照本发明的一些实施例，通过使用具有模拟传感器的数字控制的加热器对复用的腔室(例如PCR腔室)阵列进行温度控制，所述加热器执行模数转换(ADC)以给出基于时间的数字输出。这种系统的优点在于，可以在数字域准确地实现控制系统。当考虑诸如上面已经提及的LTPS或其他低成本处理技术(例如aSi:H或者纳米或微米晶体技术)之类的技术时，这种混合信号处理可能具有许多性能优点。

控制的加热提供了若干功能能力，例如固体反应物的混合、溶解，蛋白质和核酸的裂解、热变性以及细胞的裂解，束缚分子的洗脱，样本中分子的增强的扩散速率，以及表面结合系数的修改。为了能够实现准确的温度，应当使用精密的温度控制系统。这意味着需要精密电路。

LTPS晶体管(薄膜晶体管或TFT)具有较低的迁移率并且是非均匀的，即彼此靠近的两个器件的特性将是不同的，从而晶体技术中常用的“匹配电路”是不可能的。这可能降低用于PCR温度控制器的精度。当在芯片上存在多个独立PCR腔室时，这是特别相关的，因为TFT非均匀性将造成不同PCR过程的温度控制之间的随机差异并且这将造成效率、量化(在Q-PCR的情况下)方面的差异或者甚至过程的失败。

使用LTPS技术的玻璃衬底可以用来提供用于加热衬底上的腔室阵列并且感测其温度的电子部件。在一些实施例中，所述感测是系统的唯一模拟部分，并且简单的1位ADC可以用来将传感器输出转换成时域1位信号，其中脉冲宽度为代表温度的值。控制系统的其余部分以及加热可以通过使用数字逻辑来实现，其将允许基本上克服差的TFT的问题。

图1中示出了复用系统，例如PCR系统。希望的是具有少量系统输入端以便允许实现对PCR系统的低互连计数，从而导致收益和可靠性更高。因此，高度集成的系统是所希望的。所述控制器和行逻辑允许以PCR腔室区域中的最小数量的数字逻辑控制所述腔室(例如PCR腔室)阵列。这是有利的，因为LTPS不仅是一种差的晶体管技术(然而具有大的成本优势)，而且它还具有大的特征尺寸和设计规则，其远离当前可获得的晶体CMOS技术，例如相比于40nm的4微米栅极长度。然而，PCR腔室所需的大面积意味着相当大的面积可以被提供用于实现数字逻辑。

可以以脉宽调制(PWM)方式控制该系统中的加热器以避免加热器驱动器TFT中出现大量的功率损耗。因此，执行该控制的数字系统是优选的。

系统架构可以如图1-5中任何附图所示。如将要解释的那样，为了对腔室电路进行数字控制，行逻辑可以附加地包含一系列计数器，其输出馈送到每行上的腔室，以便控制加热和感测功能。

温度传感器可以是系统的少数模拟部分之一，以便最小化非均匀性带来的困难。存在可以用于温度感测元件的若干可能的实现方式，但是在图23所示的这个实施例中，使用了TFT/二极管或者门控二极管的反向偏置泄漏电流。PTAT温度传感器是另一个实例。TFT T8的基极耦合到其源极或漏极以充当二极管，并且通过级联晶体管Tc将指示流体温度的模拟信号输出到电容器Cs。晶体管Tc的栅极由放大器20驱动，所述放大器由晶体管T8的栅极提供输入。具有复位开关的复位电路被提供用于对电容器进行复位。该电容器两端的电压被馈送到充当1位转换器的ADC。所述电容器和ADC是用于将模拟信号转换成数字读取信号的信号转换器的实例。可以设想出其他的实例。1位信号被馈送到锁存器的时钟输入端。该锁存器的输入端由数字计数器提供输入并且该锁存器的时钟输出被馈送到读取线路上，所述读取线路在这种情况下为多位数字线路。可以使用低温多晶硅将图23的电路大致实现为薄膜晶体管，并且可以将其作为腔室集成到相同的衬底上。如果在连结到一起的单独的衬底上实现，那么将需要更多的互连。

操作如下：

-通过复位开关将复位电压施加到电容器。

-与二极管连接的TFT温度传感器通过共阴共栅(cascode)TFT向电容器泄漏电流并且开始对其充电。

-共阴共栅TFT Tc将保持传感器两端的近似恒定的电压，如果包括了所述运算放大器，那么它将迫使传感器两端的恒定电压下降。

-随着电容器的充电，它将最终达到ADC的开关点。

-ADC转换电容器上的模拟电压并且将其转换成高或低的值，这取决于ADC中的参考电压。所述系统实际上为比较器。由于TFT非均匀性的原因，这将具有偏移量，因而可能将需要进行补偿。可以通过使用开关电容器装置执行系统校准或者标准的偏移量消除。

-锁存器的D输入来自计数器，所述计数器在加载复位电压时被启动。

-因此，锁存器存储了电容器从复位电压充电到变换器(inverter)的开关点所花费的时间。

-可以在任何时间通过适当地操作这些传输门电路(TG)经由数字读取总线从腔室中读取结果。

使用放大器20以控制共阴共栅TFT Tc本身是可以独立于其他特征加以使用的本发明的新颖方面。它使得与二极管连接的TFT温度传感器两端的电压能够保持在恒定的电压，而不管共阴共栅TFT的源极在电容器充电时移动大的电压这一事实。放大器上的偏置电压可以用作用于温度传感器的控制，即它允许改变温度传感器两端的电压并且因而稍微修改其电流输出(即传感器不是完美的电流源)。这可以用于校准目的。

图24示出了数字控制的腔室加热器的实例。加热元件R由开关元件(例如晶体管T2)开关。这是由比较器的输出控制的。该比较器将计数器值与DQ锁存器中的锁存值进行比较，所述锁存值是从来自控制器的数字总线形式的写入线路馈送的。操作描述如下：

-加热器需要在PWM的基础上操作。

-在写入时间，数据经由传输门电路TG从写入总线加载到DQ锁存器。

-锁存器的输出被馈送到数字比较器，该数字比较器的第二输入是技术器输入。

-当计数超过Q数据时，比较器输出变低以关闭加热器。

图25中示出了总体系统。这可以基于图1-5中任何附图的具有添加的特征的系统。在衬底上提供了腔室阵列。每个腔室具有其自身的腔室电路。行驱动器由左侧的移位寄存器表示。控制器由LTPS微处理器和存储器以及由列总线复用器表示。列复用器控制列读取/写入总线。此外，在该视图的顶部存在复位电压供应器，为每列输出复位电压。在该视图的右侧示出了另一移位寄存器驱动的行计数器。这些向计数器行总线提供计数器值。各种不同的功能在以下各点中加以描述：

-行计数器

-这些计数器具有足以允许将帧周期划分成若干时间段的宽度和时钟频率，所述时间段小得足以允许实现准确的温度控制。

-这些计数器由工作于线路频率的移位寄存器复位。因此，每个计数器在时间上偏移线路周期。

-微处理器

-这实现控制算法。它典型地具有存储器和例如到外部设备的通信接口，例如串行接口。

-它工作于合理高的频率，从而可以在场周期内服务所有的PCR腔室。

-列复用器

-这些复用器将具有存储器，从而可以存储读取和写入值，以便在处理器和腔室之间传送。

-复位和偏置电压发生器

-这些发生器将是需要DAC的模拟部件。它们可以用来彼此调谐。

-移位寄存器

-其仅仅需要用来寻址每行腔室以便进行读取/写入。

在图26中，示出了定时电路提供的用于寻址腔室和行计数器的时序图。行计数器将场周期划分成N+1个部分并且这可能不同于系统中腔室的行数。应当指出的是，场周期将是比PCR系统的热时间常数短得多的时间，例如，场周期可能为1ms并且热时间常数可能为1s。将场周期划分成若干时间段可能需要10位准确度，因此计数器将需要在1ms内计时1024次，即刚刚超过1MHz的频率。特别是在需要更快速的处理的情况下，这可以利用LTPS技术来实现，但是也可以使用其他的技术，如上面参照图2-5所描述的。

微处理器对于每个腔室独立地实现数字控制算法。现在概括该控制算法。对于比例控制，可以使用以下算法：

T_HEAT(i+1)＝G(T_REF-T_SENSE(i))

时间步长由i给出并且比例增益系数为G。T_SENSE为传感器输出时间并且T_HEAT为加热器时间。T_REF为希望的传感器输出时间，其限定希望的温度。校准可以用来将温度与每个传感器时间联系起来。加热器落后于传感器一个时间段，因为加热器直到存在来自传感器的读数才可能被更新。

比例控制系统将由于系统热损耗的原因而导致温度控制误差。因此，比例积分(PI)控制系统像比例积分微分(PID)控制系统一样通常是优选的。这里，给出了数字PI控制的一种简单实现方式。

T_HP(i+1)＝G_P(T_REF-T_SENSE(i))

T_HI(i+1)＝G_I(T_REF-T_SENSE(i))+T_HI(i)

T_HEAT(i+1)＝T_HP(i+1)+T_HI(i+1)

比例和积分部分的增益系数分别为G_P和G_I。随着系统达到稳定点，即T_REF＝T_SENSE，那么加热器输出为允许克服系统热损耗的非零常数。图27-30对于基于矩阵的LTPS系统的降低的峰值功率

使用LTPS技术的复用腔室(例如PCR腔室)阵列将需要用于操作的大量功率。因而，问题将是该技术可以如何令人满意地支持该功率。峰值功耗可能是基于阵列的PCR器件的问题。任何玻璃衬底技术中的金属电源可能尽力争取没有大的电压降地提供功率，从而导致差的温度感测和控制电路精度。因此，为了降低峰值功率，可以改变PCR循环和/或相。降低复用PCR腔室阵列中的峰值功耗描述如下。驱动并行的PCR循环异相降低了同时加热的腔室的数量。

降低峰值功耗可能涉及确保相邻腔室的加热循环(例如PCR循环)异相，或者不同腔室的上升温度边缘异相，或者温度相的长度在腔室之间是变化的。这可以应用到所描述的任何实施例，包括图1-5中示出的复用PCR系统。

图27、图28实施例1——阵列内PCR循环相的映射

图27示出了示例性PCR的温度循环相，包括低温、中温

和更高的温度相

。如果阵列中的所有腔室同时经历相同的循环，即循环

，最高温度相，那么将出现最大功耗。为了避免这点，阵列中的温度循环应当被设置成使得在任何某个时间出现最小数量的

温度相。图28中示出的序列将允许实现这点。其示出第一行以相0开始，接着转到相1，接着到相2并且重复。第二行以相1开始，接着2，接着0并且重复。第三行以相2开始，接着0，接着1并且重复。应当指出的是，即使循环相相同，每个腔室中的温度也可能是不同的，即允许小的温度变化以便能够实现复用PCR、qPCR、实时PCR的益处。

在给定时刻，相

的最大数量近似为阵列中的腔室总数的三分之一，这将显著地降低峰值功率并且将总体功耗保持在相当恒定的水平上。

图29实施例2——PCR温度循环的相移

当需要温度升高时，将出现最大电功耗，控制器实现时，它必须变化到更高的温度，最大功率被消耗，直到达到靶温度。因此，通过使每个腔室的PCR循环相偏移，再次降低了峰值功率。图29示出了该过程。对于给定的PCR腔室配置，可以对相偏移优化，以实现最低的峰值功耗。如果存在连接到相同的电源线路的腔室行或列，那么希望的是保护该线路不发生高的峰值功率可能出现的大的电压降。于是，该列或行中的腔室应当如图29所示进行相偏移。

如果一行或列内的腔室数量为N，那么一个温度相的时段除以N并且这将代表避免在相同的时间点出现上升沿所需的相移。

图30实施例3——改变PCR相长度

只要相长度不干涉生物过程，那么也可以以一定程度改变相长度。图30示出了相邻腔室的可能的波形。最高温度的持续时间在一个循环中变短，并且在另一个循环中变长。这样的设置使得对于给定的腔室，一定数量的循环上的平均持续时间保持不变。对于给定的时间点，一个腔室(顶部波形)具有更长的高温持续时间。中间波形具有不变的持续时间并且下面的波形具有更短的持续时间。应当注意的是，相、

和

的长度可以如何变化，但是温度循环的时段保持恒定，从而所有的PCR腔室在近似相同的时间结束。

图31-37PCR腔室内的局部加热控制

一个严重的问题在于，从绝缘衬底(例如玻璃衬底)上的薄膜金属加热可能在加热分布中产生非均匀性并且这可能降低PCR过程的效率。PCR的性能与可以以其获得所需温度循环的准确度直接相联系。加热分布的仿真表明这在跨越PCR腔室上是非均匀的。图31示出了温度分布的实例，其示出腔室的不同部分处温度的显著变化。局部加热控制系统可以例如通过使用LTPS技术降低或克服这些非均匀性，并且可以应用到上面所描述的任何实施例，包括图1-5所示的那些实施例。特别地，它可以在较低的电压下提供增大的功率，从而允许更容易地控制TFT的稳定性。更简单的系统可能具有允许实现径向(即1D而不是2D)加热器和传感器阵列的圆形腔室。此外，也描述了避免功率浪费的只有TFT的加热器。

在使用玻璃衬底并且利用LTPS技术形成的单个PCR腔室中，提供了用于局部加热控制的方案，其允许实现均匀的温度分布以及因而效率PCR过程。

图32-34实施例1——较低电压下增大的功率

腔室(例如PCR腔室)被划分成用于局部加热的区域。该腔室可以如图32所示在规则的方形网格上划分。一个实例可以是7mm乘7mm的PCR腔室被划分成50乘50个区域，每个区域为140微米×140微米。加热器元件包含在每个区域以及传感器中。来自局部传感器的数据用来控制局部加热器元件。可以使用允许来自相邻区域的热传输的更复杂的算法。图33中示出了局部加热器元件的实例。其在右上角和左下角示出了接触通孔。电阻式加热器导线在这些通孔之间跨腔室前后弯折，仅以小的间隙覆盖整个区域。对于一些应用而言，加热器元件应当透明以便允许通过透明衬底(例如玻璃衬底)进行光学感测(例如荧光感测)，并且其应当出现在晶体管层之上，使得它能完全填充区域。适当的透明导电材料为可以包含在标准的LTPS处理技术中并且可以位于晶体管层之上的ITO。

在一个实例中，加热器元件为5微米宽(具有5微米间隙)以及1915微米长，给出383个方形。ITO的每单位方形的电阻可以高达100Ω/，这给出近乎40kΩ的总电阻。通过改变加热器元件的尺寸可以获得更高或更低的电阻。

例如图16所示或者其他类似的附图的腔室电路可以用于局部加热器和传感器中的每一个。在加热器电路中，晶体管应当足够大，使得其接通电阻比加热器元件电阻小得多。这可以利用LTPS技术来实现，其使用容易与局部加热器区域配合的W/l大约为25的TFT。

如上面已经参照图1-26所描述的，控制器电路可以工作于复用方式下以便控制局部加热器/传感器列，但是代替控制用于整个腔室的加热器的是，它们可以控制一定数量的局部加热器。更新需要足够快，使得由于特定加热器区域中的非控制时段的原因引起的任何温度过冲都非常小。如上所述，一个或多个单独的IC可以用于控制器。

这种方法的另一个结果(除了具有处理图31所示的温度变化的局部控制之外)是，提供给PCR腔室的功率可以更大并且可以在更低的电压下实现，从而允许实现更简单的LTPS电路。举例而言，假设15V电源用于加热器，那么50×5040kΩ电阻器给出16Ω的总电阻。在15V下，这输出14W。这比将单个加热器用于整个PCR腔室的、具有50Ω的总电阻的输出8W的20V电源提供更可控的功率。同样地，存在跨腔室延伸的电源线路，其需要携带相当大的电流。有可能估计小的电压降＜0.5V将在这些线路上出现。这将局部地改变提供的功率，但是由于系统是受控的，因而该效应得到补偿。

图34示出了具有单个腔室的架构的实例。这可以是如图1-5所示具有多个腔室的较大的器件的单个腔室，并且可以合并到上面所描述的任何实施例中。方形局部加热和感测部分的规则网格被示出。行驱动器提供行选择信号，并且控制器电路提供列选择以及读取或写入线路给局部加热和感测部分。

图35实施例2——圆形腔室和圆形加热器/传感器

圆形腔室具有比矩形腔室高得多的对称度。因此，阵列边缘处的加热损耗将是圆对称的并且这将允许实现用于局部加热和控制的更简单的方案。此外，当热损耗由表面面积确定时，圆柱形腔室具有比矩形腔室更低的表面面积。在一个实施例中，可以使用控制器的一维(径向)阵列或者控制器的二维矩形阵列。控制器的一维(径向)阵列将允许在高得多的速率下实现单独的加热器的控制器的更新(因为更新少得多)，这可以导致更准确的控制或者降低的成本。

图35示出了用于圆形腔室的加热器电阻器的装置。这可以与如图16或类似附图所示的用于加热和感测的腔室电路一起使用。应当指出的是，与图16相比，不再需要任何行驱动器并且控制器块可以更小。控制器也可以连续地工作于给定加热器传感器组合上，从而允许实现准确的控制，而在图16中，每场周期仅仅进行一次控制，这可能引起温度漂移。再一次地，图35的特征可以合并到上面描述的任何实施例中。

图36、图37实施例3——只有TFT的加热器

到目前为止，由于非常大的TFT可能引起的温度变化的原因，避免了使用本身充当加热器的TFT。问题在于，TFT将在PCR腔室的7mm宽度上伸展，因此TFT的漏极和源极区域将非常长而窄。这些也将需要携带高的电流，因而电压降将在漏极和源极区域中出现。这将改变跨TFT长度的TFT栅极-源极电压，因而TFT产生的功率将沿着其长度变化并且给出差的PCR系数。因此，使用了电阻器并且利用开关元件(例如TFT)打开和关闭这些电阻器以控制功率。电阻器将(假设其特性在其长度上不改变)在其长度上均匀地提供功率，但是在控制它的开关TFT中将损耗一些功率。

图36示出了具有源极(S)、栅极(G)和漏极(D)区域的TFT，其在该视图的底部具有对应的接触。沟道区域在栅极之下，介于源极和漏极区域之间。粗箭头示出电流从源极流向漏极。源极中的电阻将意味着控制电流的栅极源极电压越靠近源极接触，则越大。因此，电流将更大。远离接触的更细的箭头表示更低的电流。同样在所示的几何结构中，漏极源极电压将在源极接触附近最大。因此，功率密度将在源极附近最高，从而将存在非均匀加热。

然而，利用局部加热控制，可以使用只有TFT的方法，因为单独的加热器TFT将小得多，提供更小的电流并且因而将受上面所描述的问题的影响较小。此外，在开关TFT中将不会浪费功率。

图37示出了用于加热和感测的腔室电路的实例，其将TFT T5用作用于腔室的许多加热器元件之一。TFT的栅极由写入线路通过开关元件(例如晶体管T1)控制。T1由行选择线路A1控制。电容器C被提供用于在关闭晶体管T1之后保持晶体管T2的栅极上的电压。所示的传感器为二极管D1，但是这可以是电阻器、TFT或者任何其他适当的温度传感器。开关元件(例如晶体管T3和T4)被提供用于将传感器电路切换到通向控制器的复用的读取线路上。上面所描述的图14和图15中示出了具有TFT T5的可替换电路。

在所附权利要求的范围内，可以设想其他的变型和应用。

Claims

1.一种集成微流体器件，具有一定数量的用于加热流体的腔室(11-MN)、一定数量的用于加热所述腔室中的不同腔室的电加热元件(R)、用于通过不同温度的循环控制所述加热元件以便重复地改变所述腔室中的流体的温度的控制器，该控制器被设置成将所述腔室中的给定腔室的温度循环定时成与其他腔室的温度循环异相。

2.权利要求1的器件，所述控制器被设置成对所述温度循环定时，使得最小数量的腔室同时处于其循环的较高温度部分。

3.权利要求1或2的器件，所述控制器被设置成对所述温度循环定时，使得所述腔室中的给定腔室的温度升高的定时与所述其他腔室的温度升高的定时异相。

4.任何一项前述权利要求的器件，具有多根公共供电线路，每根线路耦合以向一定数量的加热元件供电，所述控制器被设置成对所述温度循环定时，使得所述腔室中的所述给定腔室和其他腔室具有耦合到所述公共供电线路中的相同线路的加热元件。

5.任何一项前述权利要求的器件，所述控制器被设置成对所述温度循环定时，使得用于所述腔室中的给定腔室的温度循环平均超过一定数量的循环，与用于所述腔室中的第二腔室的循环同相，同时给定温度下的持续时间在所述一定数量的循环的不同循环中是变化的，使得所述一定数量的循环上的平均持续时间对于所述给定腔室和第二腔室是相同的，并且使得对于所述给定腔室和第二腔室的持续时间的变化是彼此异相的。

6.权利要求5的器件，所述持续时间的变化是异相的，因为用于给定腔室的给定温度之前或之后的温度升高与用于所述第二腔室的相应温度升高不一致。

7.任何一项前述权利要求的器件，具有耦合到所述控制器的用于每个腔室的温度传感器。

8.任何一项前述权利要求的器件，包括所述加热元件的二维阵列以及有源开关矩阵，所述有源开关矩阵通过选择线路耦合到所述控制器以单独地改变每个加热元件的状态。

9.权利要求8的器件，其中所述有源矩阵的开关由具有栅极、源极和漏极电极的薄膜晶体管形成。

10.权利要求8或9的器件，其中所述有源矩阵具有一组行选择线路和一组控制线路，使得每个开关(T2)由一个选择线路和一个控制线路控制。

11.权利要求9或10的器件，具有一个或多个复用的读取线路，以及用于控制哪些腔室电路耦合到所述读取线路的开关(T3，T4)。

12.权利要求8或者从属于权利要求8的任何权利要求的器件，其中存储器件(C，SRAM)被提供用于存储提供给所述开关之一(T2)的控制信号。

13.任何一项前述权利要求的器件，包括透明衬底上的多晶体、微米晶体、纳米晶体或非晶态半导体材料。