CN107107020A

CN107107020A - 驱动有源矩阵ewod设备元件的方法、电路和有源矩阵ewod设备

Info

Publication number: CN107107020A
Application number: CN201580072838.4A
Authority: CN
Inventors: 本杰明·詹姆斯·哈德文; 克里斯托弗·詹姆斯·布朗
Original assignee: Sharp Life Science EU Ltd
Current assignee: Sharp Life Science EU Ltd
Priority date: 2015-01-08
Filing date: 2015-12-18
Publication date: 2017-08-29
Anticipated expiration: 2035-12-18
Also published as: EP3242745A4; GB2533952A; EP3242745B1; CN107107020B; US20170326524A1; JP6778683B2; WO2016110909A1; GB201500261D0; JP2018508343A; EP3242745A1; US10661245B2

Abstract

一种驱动有源矩阵介质上电润湿(AM‑EWOD)设备的元件的方法包括：向AM‑EWOD设备的参考电极施加第一交变电压；以及(i)向元件电极施加与第一交变电压具有相同频率且与第一交变电压异相的第二交变电压，或者(ii)将元件电极保持在高阻抗状态。将第二交变电压施加到元件电极的效果是将元件置于致动状态，在致动状态下元件被配置为致动元件中存在的任何液滴，而将元件电极保持在高阻抗状态的效果是将元件置于非致动状态。

Description

驱动有源矩阵EWOD设备元件的方法、电路和有源矩阵EWOD 设备

技术领域

本发明涉及有源矩阵阵列及其元件。在特定方面，本发明涉及数字微流控(digital microfluidics)，更具体地涉及有源矩阵介质上电润湿(AM-EWOD)。介质上电润湿(EWOD)是用于操纵阵列上的液滴的已知技术。有源矩阵EWOD(AM-EWOD)是指在包含晶体管的有源矩阵阵列中例如通过使用薄膜晶体管(TFT)实现EWOD。本发明还涉及驱动这种设备的方法。

背景技术

介质上电润湿(EWOD)是用于通过施加电场来操纵液滴的公知技术。因此，它是用于芯片实验室技术的数字微流控的候选技术。对该技术的基本原理的介绍可以在以下文献中找到：“Digital microfluidics：isa true lab-on-a-chip possible？”，R.B.Fair，Microfluid Nanofluid(2007)3：245-281.

图1以截面形式示出了常规EWOD设备的一部分。该设备包括下基板72，其最上层由导电材料形成，导电材料被图案化以便实现多个电极38(例如图1中的38A和38B)。给定阵列元件的电极可以被称为元件电极38。液滴4由极性材料(其通常也是含水的和/或离子的)组成，并被约束在下基板72和顶基板36之间的平面中。可以通过隔离件32实现这两个基板之间的合适的间隙，并且非极性流体34(例如油)可用于占据未被液滴4占据的体积。设置在下基板72上的绝缘体层20将导电元件电极38A、38B与第一疏水涂层16分离，其中，液滴4以用θ表示的接触角6位于第一疏水涂层16上。疏水涂层由疏水材料(通常是但不一定是含氟聚合物)形成。

第二疏水涂层26在顶基板36上，液滴4可以与第二疏水涂层26接触。在顶基板36和第二疏水涂层26之间插入参考电极28。

接触角θ6如图1所示限定，并且由固液(γ_SL)、液气(γ_LG)和非极性流体(γ_SG)界面之间的表面张力分量的平衡来确定，并且在没有施加电压的情况下满足杨氏定律，方程由下式给出：

在某些情况下，所涉及的材料的相对表面张力(即γ_SL、γ_LG和γ_SG的值)可以使得等式(1)的右手侧小于-1。这在非极性流体34是油的情况下通常可能发生。在这些条件下，液滴4可与疏水涂层16和26失去接触，并且可以在液滴4与疏水涂层16和26之间形成非极性流体34(油)的薄层。

在操作中，可以将称为EW驱动电压(例如，图1中的V_T、V₀和V₀₀)的电压从外部施加到不同的电极(例如，分别施加到元件电极38、38A和38B)。所得到的电力被建立为有效地控制疏水涂层16的疏水性。通过布置不同的EW驱动电压(例如，V₀和V₀₀)施加到不同的元件电极(例如，38A和38B)，液滴4可以在两个基板72和36之间的横向平面中移动。

在下面的描述中，将假设诸如图1的设备的EWOD设备的元件可以接收“数字”数据，使得元件被要求置于“致动”状态(其中，施加在元件上的电压足以使元件中的液滴(如果存在于元件中)经受显著的电润湿力)或“非致动”状态(其中，施加在元件上的电压不足以使元件中的液滴(如果存在于元件中)经受显著的电润湿力)。可以通过在EWOD元件两端施加大小等于或大于阈值电压V_EW的电压差而将EWOD设备的元件置于致动状态，而如果EWOD元件两端的电压差的大小小于或远小于阈值电压V_EW，则元件处于其非致动状态。阈值电压V_EW通常被称为“致动电压”，下面使用该术语。在实践中，阈值电压通常可以被确定为实现液滴操作(例如，液滴的移动或分裂)所需的最小电压。在许多情况下，存在一个阈值电压使液滴移动，并且存在第二(更高)阈值电压使液滴分裂，在这种情况下，“致动电压”优选地设定在使液滴分裂所需的阈值以上。在实践中，非致动状态通常可以是零伏。

通常，EWOD系统可以被认为是数字的，因为EWOD元件被编程为致动状态或非致动状态。然而，由于电润湿引起的致动本质上基本上是模拟的，因此可以通过改变电压(达到致动力饱和的特定最大电压)来调节致动力。一些性能参数也取决于电压的模拟方式——例如，液滴的最大移动速度大致与所施加的电压成比例。因此应当理解，可以备选地通过提供模拟输入数据而不是数字数据来操作EWOD设备。

US6565727(Shenderov，2003年5月20日授权)公开了一种用于通过阵列移动液滴的无源矩阵EWOD设备。

US6911132(Pamula等人，2005年6月28日授权)公开了一种用于控制液滴在两个维度上的位置和移动的二维EWOD阵列。

US6565727还公开了用于其他液滴操作的方法，包括液滴的分裂和合并以及将不同材料的液滴混合在一起。

US7163612(Sterling等人，2007年1月16日授权)描述了基于TFT的薄膜电子器件如何用于通过使用与AM显示技术中采用的电路布置非常相似的电路布置来控制对EWOD阵列的电压脉冲的寻址。

US7163612的方法可以被称为“有源矩阵介质上电润湿”(AM-EWOD)。使用基于TFT的薄膜电子器件来控制EWOD阵列有若干优点，即：

·电子驱动电路可以集成到下基板72上

·基于TFT的薄膜电子器件非常适合于AM-EWOD应用。它们生产便宜，从而可以以相对低的成本生产相对大的基板面积

·以标准工艺制造的TFT可以被设计为在比标准CMOS工艺中制造的晶体管高得多的电压下操作。这是重要的，因为许多EWOD技术需要施加超过20V的EWOD致动电压。

然而，US7163612未公开用于实现AM-EWOD的TFT背板的任何电路实施例。

EP2404675(Hadwen等人，2012年1月11日公开)描述了用于AM-EWOD设备的阵列元件电路。已知有各种方法用于编程并将EWOD致动电压施加到EWOD元件电极。所描述的编程功能包括例如基于动态RAM(DRAM)或静态RAM(SRAM)的标准装置的存储器元件和用于对阵列元件进行编程的输入线。

虽然EWOD(和AM-EWOD)设备可以使用DC或AC致动电压进行操作，但在实践中，如先前引用的参考文献R.B.Fair，Microfluid Nanofluid(2007)3：245-281中所述，存在很多理由优选AC驱动方法。可以注意到，对于范围通常从几赫兹到几千赫兹的宽范围的AC驱动频率，可以致动和操纵液滴。

在AM-EWOD设备中实现AC驱动方法的一种可能的方法是将地电位施加到参考电极28。阵列中的元件电极被编程为使得存在的任何液滴不被致动，由此阵列中的元件电极被编程为地电位。阵列中的阵列元件电极38被编程为使得存在的任何液滴被致动，由此阵列中的阵列元件电极38被编程为在V_EW和＝-V_EW的电位之间交变。这种驱动方法要求必须由晶体管元件切换的最大电压为2V_EW。

US8173000(Hadwen等人，2012年5月8日授权)描述了一种具有阵列元件电路的AM-EWOD设备和用于向电极提供AC致动电压的方法。该专利描述的AC驱动方案利用了将AC信号施加到设备的元件电极38和参考电极28二者。通过经由到与施加到参考电极的电信号相同的电信号的低阻抗路径而连接到元件电极，实现了未致动状态。因此，设备能够生成在+VEW和-VEW之间变化的电极之间的电压差，而阵列元件电路84中的晶体管仅需要以V_EW的轨至轨电压操作。

US8653832描述了如何可以将阻抗(电容)感测功能合并到阵列元件中。阻抗传感器可以用于确定存在于阵列中的每个电极处的液滴的存在性和大小。

US8221605描述了一种共面电极布置，其中参考电极从顶基板中省略并且被与驱动电极一起设置在下基板上的面内参考电极代替。US8221605公开了参考电极可以如何包括与驱动电极在电学上和物理上不同的传导线的二维栅格。

US8764958描述了一种使用低电压半导体制造技术实现高电压液滴致动的方法。双态开关使得驱动电极能够被切换在低电压电平处或者处于高阻抗状态。AC电压信号被提供给参考电极。

发明内容

技术问题

在US8764958中，通过将元件电极设置为低电压(例如，低DC电平)来实现致动状态。因此，致动状态下的元件两端达到的整体电压大致等于施加到参考电极的AC电压的幅度。US8764958断言这允许元件电极总是处于低电压，与电子器件层中的晶体管的要求相当。然而，US8764958没有认识到，在元件电极处存在液滴的情况下，施加到参考电极的AC信号将跨越液滴耦合到元件电极上。因此，与US8764958中做出的断言相反，电子电路仍然受到高电压的影响。

问题的解决方案

本发明的第一方面提供了一种驱动有源矩阵介质上电润湿(AM-EWOD)设备的元件的方法，AM-EWOD元件具有元件电极和参考电极，所述方法包括：向参考电极施加第一交变电压；以及通过以下操作中的任何一个来对元件电极进行寻址：向元件电极施加与第一交变电压具有相同频率且与第一交变电压异相的第二交变电压，以及将元件电极保持在高阻抗状态。

“高阻抗状态”可以具有在元件电极和地之间的至少为100兆欧姆量级的阻抗。“高阻抗状态”可以具有在元件电极和地之间的至少为1千兆欧姆量级的阻抗。

当将第二交变电压施加到元件电极时，元件被置于致动状态，在致动状态下元件被配置为致动元件中存在的任何液滴，而当元件电极保持在高阻抗状态时，元件被置于非致动状态。分别通过将第二交变电压施加到元件电极或将元件电极保持在高阻抗状态，可以根据需要将元件置于致动状态或非致动状态。通过停止向元件电极施加第二交变电压并将元件电极保持在高阻抗状态，元件可以在致动状态和非致动状态之间切换。通过停止将元件电极保持在高阻抗状态并将第二交变电压施加到元件电极，元件可以在非致动状态和致动状态之间切换。

在致动状态下，元件电极连接到与施加到参考电极的时变电压信号异相的时变电压信号。施加到元件电极的时变电压信号通常可以具有与施加到参考电极的时变电压信号相同或相似的电压幅度。在这种情况下，元件两端的总电压可以是施加到参考电极的时变电压信号的幅度的大约两倍。这意味着可以获得元件两端的给定大小的致动电压，同时可以减小施加到电极的时变电压信号的最大幅度，从而降低切换所需的电压，以将元件从致动状态改变到非致动状态，反之亦然。

本文所用的术语“交变”电压不限于具有正弦波形的电压，而是旨在包括在上电压极限和下电压极限之间以可预测的方式变化的任何电压波形。此外，为了避免疑问，本文所用的术语“交变电压”不排除存在恒定电压项，使得交变电压可以具有通式V(t)＝V₀+V₁(t)，其中V₀表示恒定电压分量，V₁(t)是时变电压分量(交变分量)。

参考电极和元件电极被配置为向EWOD设备的元件施加电压。例如，参考电极可以设置在设备的一个基板上，并且元件电极可以设置在设备的另一基板上，所述基板彼此面对，并且液滴(如果存在于元件中)设置在所述基板之间。备选地，参考电极和元件电极可以以面内配置彼此设置在设备的相同基板上。

参考电极和元件电极可被彼此独立地寻址。

本发明的第二方面提供了一种用于选择性地向AM-EWOD元件电极提供交变电压的电路，所述电路具有存储器元件、用于连接到交变电压的源的输入节点、用于连接到AM-EWOD元件电极的输出节点以及第一开关，所述第一开关用于根据存储在存储器元件中的数据值通过以下操作中的任何一个来对输出节点进行寻址：将输入节点电连接到输出节点，以及将输入节点与输出节点电隔离。

本发明的第三方面提供了一种具有多个AM-EWOD元件的有源矩阵EWOD设备，每个元件具有元件电极和参考电极，该设备包括参考电极驱动电路以及阵列元件电路，所述参考电极驱动电路用于向参考电极施加第一交变电压，所述阵列元件电路用于通过以下操作中的任何一个来对相应AM-EWOD元件的元件电极进行寻址：向所述相应AM-EWOD元件的元件电极施加第二交变电压，以及将所述相应AM-EWOD元件的元件电极置于高阻抗状态，其中第二交变电压具有与第一交变电压相同的频率，并且第二交变电压与第一交变电压异相。

本发明的示例提供了一种具有阵列元件电路的AM-EWOD设备和如下的驱动阵列元件的方法：

·向参考电极提供AC电压信号

·元件电极被配置为：

1、由与施加到参考电极的AC电压信号反相的AC电压信号驱动，或

2、布置为处于高阻抗状态。

配置1限定了致动状态，由此阵列元件被配置为致动在其位置中存在的任何液滴。

配置2限定了非致动状态，由此阵列元件被配置为不致动在其位置中存在的任何液滴。

发明的有益效果

本发明的优点在于：

·通过以这种方式驱动AM-EWOD设备，实现了AC电润湿，其中电润湿电压在+V_EW和-V_EW之间切换，而阵列元件电路中的晶体管只需要切换V_EW的最大电压。

·这种驱动方法可以在需要最少数目的晶体管的电路中实现(所公开的实施例包括2晶体管阵列元件电路)。小型阵列元件电路的优点是：

ο阵列元件的尺寸被最小化。这进而便于更大的格式阵列以及对更小液滴的操纵。

ο更小/更简单的电路通常便于更高的制造产量。

ο更小/更简单的电路可以便于具有更高光学透明度的设备布置，其中薄膜电子器件仅部分透明。光学透明度在执行化学测试时会是重要的，所述化学测试涉及随后被测量的液滴的光学性质的变化。

·可以实现本发明的实施例，在阵列元件电路中需要仅n型(或仅p型)晶体管。因此，AM-EWOD设备可以用单沟道晶体管制造工艺来制造。

附图说明

[图1]图1是以截面形式描绘常规EWOD设备的示意图。

[图2]图2是根据本发明的第一示例性实施例的以示意性透视图描绘AM-EWOD设备的示意图。

[图3]图3示出了图2的示例性AM-EWOD设备的一些阵列元件截面图。

[图4]图4A示出了当存在液滴时在元件电极处呈现的电负载的电路表示，图4B示出了当不存在液滴时在元件电极处呈现的电负载的电路表示。

[图5]图5是描绘了根据本发明的第一实施例的图2的示例性AM-EWOD设备中的薄膜电子器件的布置的示意图。

[图6]图6示出了根据本发明的第一实施例的阵列元件电路的示意性布置。

[图7]图7是描绘了根据本发明的第一实施例的用于图2的示例性AM-EWOD设备的阵列元件中的阵列元件电路的示意图。

[图8]图8是示出了根据本发明的第一实施例的用于驱动图2的示例性AM-EWOD设备的阵列元件的时序信号V1和V2的示例性布置的时序图。

[图9]图9示出了平面图形式的图2的示例性AM-EWOD设备的一部分以及液滴和元件电极的示例性布置。

[图10]图10是示出了根据本发明的第一实施例的施加到AM-EWOD设备的阵列元件电路的电压信号输入端的时序信号的示例性布置的时序图。

[图11]图11是示出了根据本发明的第二实施例的施加到AM-EWOD设备的阵列元件电路的电压信号输入端的时序信号的示例性布置的时序图。

[图12]图12是描绘了根据本发明的第三实施例的用于图2的示例性AM-EWOD设备的阵列元件中的阵列元件电路的示意图。

[图13]图13是描绘了根据本发明的第四实施例的用于图2的示例性AM-EWOD设备的阵列元件中的阵列元件电路的示意图。

[图14]图14是描绘了根据本发明的第五实施例的用于图2的示例性AM-EWOD设备的阵列元件中的阵列元件电路的示意图。

[图15]图15是描绘了根据本发明的第六实施例的用于图2的示例性AM-EWOD设备的阵列元件中的阵列元件电路的示意图。

[图16]图16示出了本发明的第六实施例的阵列元件电路内包含的有源电容器件的示例性电容对电压特性。

[图17]图17是描绘了根据本发明的第七实施例的用于图2的示例性AM-EWOD设备的阵列元件中的阵列元件电路的示意图。

[图18]图18是描绘了根据本发明的第八实施例的用于图2的示例性AM-EWOD设备的阵列元件中的阵列元件电路的示意图。

[图19]图19是描绘了根据本发明的第九实施例的用于图2的示例性AM-EWOD设备的阵列元件中的阵列元件电路的示意图。

[图20]图20是描绘了根据本发明的第十实施例的用于图2的示例性AM-EWOD设备的阵列元件中的阵列元件电路的示意图。

[图21]图21示出了根据本发明的第十一实施例的阵列元件电路的示意性布置。

[图22]图22是描绘了根据本发明的第十一实施例的图2的示例性AM-EWOD设备中的薄膜电子器件的布置的示意图。

[图23]图23是描绘了根据本发明的第十一实施例的用于图2的示例性AM-EWOD设备的阵列元件中的阵列元件电路的示意图。

具体实施方式

在附图中，相同的附图标记表示相同的部件或特征。

图2是描绘了根据本发明的示例性实施例的AM-EWOD设备的示意图。AM-EWOD设备具有下基板72，薄膜电子器件74设置在下基板72上。薄膜电子器件74被布置为驱动阵列元件电极38。多个阵列元件电极38布置在电极阵列42中，具有X乘以Y个元件，其中X和Y可以是任何整数。可以由任何极性液体组成并且通常本质上可以是离子和/或含水的液滴4被封闭在下基板72和顶基板36之间，但是将理解的是，可以存在多个液滴4。非极性流体34用于填充基板之间的空间，并且可以由油(例如，十二烷、硅油或其他烷烃油)组成，或者可以是空气。

图3是描绘了可以在图3的AM-EWOD设备中使用的截面形式的一对阵列元件38A和38B的示意图。设备配置类似于图1所示的常规配置，除了AM-EWOD设备还包括设置在下基板72上的薄膜电子器件74。下基板72的最上层(可以被认为是薄膜电子器件层74的一部分)被图案化，从而实现多个阵列元件电极38(例如，参考电极的具体示例在图4中为38A和38B)。这些可以被称为阵列元件电极38。术语阵列元件电极38可以在以下内容中被理解为指代与特定阵列元件相关联的物理电极结构38，以及也指代直接连接到该物理结构的电路的节点。图3中示出了参考电极28，其设置在顶基板上，但备选地可以设置在下基板72上以实现面内参考电极28的几何形状。术语参考电极28也可以在以下内容中被理解为指代物理电极结构以及直接连接到该物理结构的电路的节点中的任意一个或二者。电润湿电压可以被定义为元件电极38和参考电极28之间的电压差。

图4A示出了在存在液滴4的情况下元件电极38和参考电极28之间的电负载40A的电路表示。液滴4通常可以被建模为并联的电阻器和电容器。通常，液滴的电阻将相对较低(例如，如果液滴含有离子)并且液滴的电容将相对较高(例如，因为极性液体的相对介电常数相对较高，例如，如果液滴是含水的，则为～80)。在许多情况下，液滴电阻相对较小，所以在用于电润湿的感兴趣频率下，液滴4可以有效地起电短路作用。疏水涂层16和26具有可以被建模为电容器的电特性，并且绝缘体16也可以被建模为电容器。元件电极38和参考电极28之间的总阻抗可以由如下电容器来近似，该电容器的值通常由绝缘体20的贡献和疏水涂层16和26的贡献来支配，并且对于典型的层厚度和材料，该电容器在值方面可以是皮法量级的。

图4B示出了在不存在液滴4的情况下元件电极38与参考电极28之间的电负载40B的电路表示。在这种情况下，液滴4组件由对占据顶基板和下基板之间的空间的非极性流体34的电容加以表示的电容器代替。在这种情况下，元件电极38和参考电极28之间的总阻抗可以由如下电容器近似，该电容器的值由非极性流体的电容支配，并且通常是小的，毫微微法拉的量级

为了驱动和感测的目的，电负载40总体上在效果方面起电容器的作用，其值取决于在给定元件电极38处是否存在液滴4。在存在液滴的情况下，电容相对较高(通常为皮法量级)，而如果不存在液滴4，则电容是低的(通常为毫微微法拉的量级)。如果液滴部分地覆盖给定电极38，则电容可以近似表示液滴4对元件电极38的覆盖程度。

图5是描绘了在下基板72上的薄膜电子器件74的示例性布置的示意图。电极阵列42的每个元件包含用于控制相应元件电极38的电极电位的阵列元件电路84。集成的行驱动器76和列驱动器78电路也实现在薄膜电子器件74中，以向阵列元件电路84提供控制信号。

还可以提供串行接口80来处理串行输入数据流并且便于将所需电压编程到阵列42中的元件电极38。这可以例如包括用于向行驱动器76和列驱动器电路提供时序信号并向列驱动器电路提供串行输入数据的逻辑电路。该逻辑电路可以例如被配置为布置列驱动器电路的列元件的顺序寻址，以便将数据预加载到列寻址线上。在对要被寻址的所有行编程之后，可以激活行驱动器76以将数据写入阵列元件。这都可以使用例如在显示器和图像传感器技术中非常公知的用于阵列寻址的标准技术来实现。

电压供应接口83提供相应的电源电压、顶基板驱动电压以及其他必要的电压输入，如本文进一步描述的。电压供应接口可以例如使用诸如标准装置的DC-DC转换器、调节器和解耦电路之类的公知电路来提供DC电压。备选地，所需的DC电压可以在外部生成并被直接提供给AM-EWOD设备。电压供应接口还可以用于使用可具有标准设计的电平移位电路来将输入信号电平移位到所需的电压电平。典型地，时序信号可以被输入到具有标准3.3V或5V幅度的AM-EWOD设备，并且通过并入电压供应接口中的电平移位电路被电平移位到必要的电压电平。例如，稍后提及的V1和V2信号可以通过对提供给AM-EWOD设备的5V参考信号进行电平移位而在AM-EWOD设备上生成。备选地，V1和V2可以从外部驱动电子器件直接提供给AM-EWOD设备。用于向参考电极提供电压信号的参考电极驱动电路85可以被并入TFT电子器件中。备选地，这可以由外部驱动电子器件提供。

即使对于大阵列尺寸，下基板72和外部驱动电子器件、电源等之间的连接线82的数量也可以相对较少。可选地，串行数据输入可以被部分并行化，例如，如果使用2条数据输入线，则在对列驱动器78电路进行最小修改的情况下第一条可以为列1至X/2提供数据，而第二条可以为列(1+X/2)至M提供数据。以这种方式，增加了能够将数据编程到阵列的速率，将数据编程到阵列是液晶显示驱动电路中使用的标准技术。

通常，包括薄膜电子器件74的示例性AM-EWOD设备被配置如下。AM-EWOD设备包括参考电极28(其可选地可以是面内参考电极28)和多个阵列元件，每个阵列元件包括阵列元件电极(例如，阵列元件电极38)。

相关地，AM-EWOD设备被配置为执行控制要施加到多个阵列元件的致动电压的方法。AM-EWOD参考电极28和多个阵列元件，每个阵列元件包括阵列元件电极38。每个阵列元件处的致动电压由阵列元件电极38和参考电极28之间的电位差限定。控制致动电压的方法包括以下步骤：向阵列元件电极38的至少一部分提供电压，并使用例如参考电极驱动电路向参考电极28提供电压信号。

图6是示出了阵列元件电路84中的薄膜电子器件74的示例布置的示意图。阵列元件电路84可以包含具有输入节点ENABLE(使能)、DATA(数据)和ACTUATE(致动)以及连接到元件电极38的输出的致动电路46。

阵列元件电路84通常可以执行以下功能：

(i)将数据编程到致动器电路内包含的存储器元件并存储数据。要编程的数据通常通过寻址线DATA输入，该寻址线DATA对于阵列的同一列内的所有元件可以是共同的。数据的编程通常可以由寻址线ENABLE来控制，该寻址线ENABLE通常对于阵列的同一行内的所有元件可以是共同的

(ii)向阵列元件电极38提供电压信号，所述电压信号例如由提供给输入ACTUATE的输入信号V1提供，或者备选地将元件电极38切换到高阻抗状态。

图7示出了根据本发明的第一实施例的阵列元件电路84的设计。电负载40和参考电极28在电路的操作中起作用，并且也在图7中示出。阵列元件电路84包含晶体管52和54以及电容器56。阵列元件电路84进行如下连接。晶体管52的漏极连接到DATA输入，所述DATA输入对于阵列的同一列中的所有阵列元件可以是共同的。晶体管52的控制端子(即栅极)连接到ENABLE线，所述ENABLE线对于阵列的同一行中的所有元件可以是共同的。晶体管52的源极连接到晶体管54的控制端子(即栅极)。电容器56连接在晶体管54的栅极和DC偏置电压VDD之间。晶体管54的漏极连接到电压输入ACTUATE，所述电压输入ACTUATE对于阵列内的所有元件是共同的。晶体管54的源极连接到阵列元件电路84的输出节点，该输出节点进而连接到元件电极38。

阵列元件电路84的操作如下所述。该电路执行两个功能，即存储器功能和致动功能。存储器功能解释如下。晶体管52和它们之间的电容器56用作存储器元件，在该示例中是能够在阵列元件电路84内编程和存储数据的动态RAM(DRAM)存储器元件。为了对数据进行编程，将电压编程到列寻址线DATA上。然后ENABLE线被取为高，以使晶体管52导通。然后DATA上的电压被编程到电容器56上，并且一旦ENABLE被取为低就被保持，而与输入电压DATA无关。在典型操作中，编程电压可以是数字的，大约为0.5xV_EW(用于编程“1”)或-0.5xV_EW伏(用于编程“0”)。

致动功能解释如下。元件电极38连接到阵列元件电路84的输出节点。阵列元件电路84具有根据存储在电路的存储器元件中的数据值的开关(在该示例中实施为晶体管54)，其将输入节点(ACTUATE节点)电连接到输出节点(使得施加到电路的输入节点(ACTUATE节点)的电压被提供给元件电极)或将输入节点(ACTUATE节点)与输出节点电隔离。

AC电压信号V1(对应于权利要求1的“第二交变电压”)被施加到作为电路84的输入节点的ACTUATE节点，并且AC电压信号V2(对应于权利要求1的“第一交变电压”)被施加到参考电极28。V1和V2被布置为彼此异相，并且可选地且有利地基本上是反相的。当开关(晶体管54)将输入节点(ACTUATE节点)连接到输出节点时，ACTUATE节点处的AC电压信号V1被提供给元件电极38。V1和V2之间的相位差以及它们的电压幅度将确定液滴所经受的致动力，因为液滴两端的电压是施加到元件电极38的电压与施加到参考电极28的电压之间的差，即V1-V2。例如考虑以下两种情况：

(1)V1和V2相位相差180度：

在该示例中，根据V1为高还是V2为高，V1-V2在+V_EW和-V_EW之间切换。因此，在该示例性情况下，致动力被最大化

(2)V1和V2相位相差90度(或270度)：

在该示例中，对于25％的时间，V1和V2二者都为高，V1-V2＝0伏，并且没有致动，对于25％的时间，V1和V2二者都为低，且V1-V2＝0伏，并且没有致动，对于25％的时间，V1-V2＝+V_EW，并且对于25％的时间，V1-V2＝-V_EW。因此，在该示例性情况下，致动是最大的50％。

因此可以看出，期望V1和V2相位彼此相差近180度(即，基本上彼此反相)，以便最大化致动力，但是这不是必需的，因为即使V1和V2相位彼此相差仅90度，也提供非零致动力。V1和V2可以例如彼此异相在90度和270度之间，它们可以彼此异相在135度和225度之间，或者它们可以彼此异相在157.5度和202.5度之间。

类似地，如果V1和V2彼此不具有相同的频率，则致动力将会减小，因为V1和V2之间的相位差随后在V1被施加到一个电极且V2被施加到第二电极的时间段上将会变化。在许多实现中，V1和V2将从相同的源得出，并且因此可以被假设为彼此具有相同的频率。然而，V1和V2彼此具有相同的频率并不是必需的，因为即使V1和V2具有变化的相位差，也可以提供非零致动力。

电压信号V1和V2的示例布置如图8所示。V1和V2中的每一个在-0.5xV_EW伏的低电平和0.5xV_EW的高电平之间切换，当V2为低时，V1为高，反之亦然。当“1”被编程到存储器时(编程到晶体管54的栅极的0.5xV_EW的电压)，元件电极38被致动。在这种情况下，晶体管54导通，因此电压信号V1被传送到元件电极38。电负载40两端产生的电压(电润湿电压)因此是V1-V2，它是在-V_EW和+V_EW之间随时间变化的AC电压波形。通常，为了通过电润湿来致动液滴，AC波形的频率可以在1Hz和10kHz之间，或在10Hz和1kHz之间或为大约100Hz。可选地，也可以以更高频率致动液滴，例如在10kHz和10MHz之间。在这种情况下，电场通过液滴4的主体下降，并且致动机制是通过介电电泳而不是电润湿。除了V1和V2的频率以外，设备的构造和操作的基本原理针对介电电泳致动与针对通过电润湿的致动是相同的。在该实施例和其他实施例的描述中，EWOD设备可以被认为是能够通过电润湿力或介电电泳力来致动液滴4的设备。

当“0”被编程到存储器时(编程到晶体管54的栅极的-0.5xV_EW的电压)，元件电极38不被致动。在这种情况下，晶体管54截止，从而将电路84的输出节点并且因此将元件电极38与输入节点(ACTUATE节点)隔离。因此元件电极38以高阻抗状态存在。例如，在元件电极38处呈现的阻抗包括：

(a)由通过(截止的)晶体管54的泄漏电流组成的实部；

(b)由寄生电容(例如，晶体管54的源极至栅极电容)组成的虚部。

阻抗的实部和虚部二者都是大的，例如通常为千兆欧姆或更大。因此，电极38的电位基本上不受电路其他节点处的电位(例如，晶体管54的漏极处的信号ACTUATE)的后续变化的影响，同时晶体管54保持截止并且电极38保持在高阻抗状态。

我们必须考虑不同的情况：(1)液滴存在于元件电极38处(电负载40A如图4A所示)；和(2)没有液滴存在于元件电极38处(电负载40B如图4B所示)。

情况1-液滴存在：在存在液滴的地方，元件电极38主要通过电负载40电耦合到参考电极28。如前所述，这种情况下的电负载40A可以由值为皮法量级的电容器近似。然后，电负载40A的电容将远大于(例如，与晶体管54的源极-栅极电容相关联的)电路中的其他寄生阻抗。因此，元件电极38的电位将跟随参考电极28的电位，并因此将对应于对电压信号V2的良好近似。在这种情况下，在元件电极38和参考电极28之间产生的电位将近似为零。因此，液滴4将处于非致动状态，液滴4与疏水涂层16的接触将不会被接通，并且液滴4将不会经受电润湿力。

情况2-无液滴存在：当不存在液滴4时，如前所述，元件电极38和参考电极28之间的电容非常小。因此，元件电极38现在处于高阻抗状态，并且其有效电位仅被不良地限定，这取决于电路内的多个小的寄生电容和电阻(例如，至参考电极28的小的电负载40B电容、晶体管54的小的源极至栅极寄生电容、以及晶体管54的大的截止电阻)。因此，可能不清楚元件电极38的有效电位是什么以及因此元件电极38有效地保持非致动的程度。

然而，仔细考虑之后，发明人已经认识到的情况是，即使在情况2中元件电极38的电位被不良地限定，该设备仍可以支持液滴4的正确输送。考虑图9所示的情况，其中示出了平面图形式的AM-EWOD设备的一部分。考虑元件电极38A被编程以被致动并且元件电极38B被编程以不被致动的情况。液滴4驻留在阵列元件电极38A附近。与电极38B相关联的阵列元件处于上述情况2所述的情况。为了论证，假设电极38B的不良限定的电位将导致一些电润湿致动，并且液滴4因此被吸引并开始朝元件电极38B移动。在这种情况下，随着液滴4更接近元件电极38B(或开始与元件电极38B重叠)，由液滴4的电容耦合效应引起的可估电容开始在参考电极28和元件电极38B之间产生，这导致元件电极38B处的负载电路40的电容增大。随着参考电极28和元件电极38B之间的电容的显著增大，元件电极38B的电位通过电容耦合而近似于参考电极28的电位。换句话说，与情况2相比，情况开始更类似于情况1。总体效果是液滴现在被从元件电极38B排出并且将朝元件38A移回。

因此，发明人已经认识到由此存在与该驱动方法相关联的内置校正机制。不重要的是，在不存在液滴4的情况下，一阵列元件的非致动状态被不良地限定，因为当液滴到达该阵列元件的位置时，非致动状态再次变得被良好限定，并且，通过使相邻的阵列元件被致动，任何液滴将通过电润湿效应而远离非致动状态。

为了使情况2中的阵列元件电路84操作，优选的是，元件电极38的电位在晶体管54截止且元件电极38进入高阻抗状态的时刻与参考电极28的电位基本上相同。因此，元件电极38应优选地在切换到高阻抗状态之前被预充电到与V2相同的电位(或基本上相同的电位)。在阵列元件被致动的情况下，由于晶体管54变为导通并且阵列元件电极连接到被施加到ACTUATE的信号V1，所以该预充电没有效果。在阵列元件未被致动的情况下，预充电是有利的，因为其使得能够控制元件电极38的开始DC电位。通过以这种方式对元件电极38进行预充电，确保在操作期间在参考电极28的电位和高阻抗元件电极38的电位之间不存在DC偏移。避免任何DC偏移电压会是重要的和有利的，以用于避免通过任何DC偏移电压所引起的寄生电润湿效应而不希望地将液滴4吸引到阵列元件上，并且还用于避免利用跨越绝缘体20和疏水涂层16的DC偏压进行操作。众所周知的是，具有DC偏移电压可能会牺牲设备可靠性，例如通过激励离子迁移通过绝缘体20或者通过捕获疏水涂层16中的电荷。因此，有利的是，避免利用任何DC偏移电压操作设备。

为了将元件电极38预充电到与如所述的V2相同的电位，施加到ACTUATE的电压信号V1应当在晶体管54截止的时刻与V2处的电压相同。该条件确保在元件电极38进入高阻抗状态的时间，在元件电极38和参考电极28之间没有编程DC偏移电位。在图10中示出了施加到参考电极28(V2)、输入ACTUATE(V1)和阵列的不同行的示例寻址线ENABLE的时序的示例布置。V2是在一些时间为-0.5xV_EW且在一些时间为+0.5xV_EW的AC波形，且其周期可以被调整。为了在致动状态下实现电润湿，ACTUATE是V2的逻辑逆。然而，在将数据编程到阵列时是例外，以满足在晶体管54截止的时刻(在“0”被编程到阵列元件的情况下)ACTUATE必须处于与V2相同的电位的要求。如图10所示，在ENABLE上升沿的时间周围，对应于电容器56被充电/放电并且晶体管54的栅极处的电位被确定的时间，ACTUATE被取为与V2相同的状态。

在该实施例中描述的阵列元件电路84和驱动方法的优点是在致动状态下电润湿电压在+YEW和-VEW之间切换。因此实现了AC电润湿。这被实现，同时仅需要阵列元件电路84在电路中的任何晶体管的端子之间切换大约VEW(对于为什么这只可是近似的原因，参见下面的讨论)。这是本发明的重要优点，因为通常电润湿需要相对高的电压来致动液滴，同时用于实现薄膜电子器件74的典型电子技术对施加到晶体管的最大电压施加限制(例如，由于可靠性问题)。

应该注意的是，在ACTUATE输入端和参考电极28上施加AC电压波形对于实现这个优点是至关重要的。还可以注意到，如现在所描述的，在仅将AC电压施加到参考电极28的情况下，将不会实现上述优点。因此，这种驱动方法将不适于最大电压约为V_EW的薄膜电子器件工艺。

通过解释，考虑V2是在-V_EW和+V_EW之间变化的AC电压且V1是DC电源(例如，0伏)的示例性情况。虽然可以这种方式驱动设备，但是施加到晶体管54的最大电压仍将为2V_EW。这可以是针对阵列元件不被致动并且在给定的阵列元件处存在液滴4的情况而示出的。这里，V2通过电负载40A耦合，并因此元件电极38的电位也基本上等于信号V2，即在-V_EW和+V_EW之间变化。为了在这些条件下操作电路，需要在非致动状态下，使晶体管54保持截止，而不管元件电极38处的电位如何。为了实现这一点，由DRAM存储器元件存储(以及因此在晶体管54的栅极处)的电位将必须被编程为不大于-V_EW。在这种情况下，我们因此看到，当V2处于高电平(+V_EW)时，在晶体管54两端产生2V_EW的栅极至源极电压。虽然可以这种方式驱动设备，但是施加到晶体管54的最大电压仍将为2V_EW。因此，这种驱动方法将不适合于低电压TFT电子器件工艺。

该实施例的另外优点是阵列元件电路84仅利用两个晶体管和一个电容器来实现。因此，这种2-晶体管设计比现有技术中的(例如，在US8173000中所公开的)阵列元件电路简单得多，所述现有技术中的阵列元件电路通常在阵列元件电路84内需要更多的晶体管，并且通常还可以具有更大数量的行或列寻址线。由于若干原因，降低阵列元件电路84中的晶体管的复杂度和数量是有利的

·可以实现更小的阵列元件/元件电极。通常情况下，最小可实现的阵列元件尺寸通过薄膜电子器件的限制和用于规定薄膜电子器件中的阵列元件电路84的布局的制造要求(设计规则)的设计来设置。因此，更简单的电路(更少的晶体管)使得能够设计和制造更小的阵列元件。由于至少三个原因，更小的阵列元件会是有利的。首先，可以操纵更小的液滴。这对于涉及单细胞或单分子的操纵或分析的应用尤其重要。其次，如果使用较大的液滴，则可以实现致动的亚液滴分辨率。这可以提高设备的能力，例如，实现更精确的分裂或更快的混合。第三，更小的阵列元件尺寸便于设计和制造非常大的格式阵列，其可以具有总数超过100万的阵列元件，并且其可能够同时且独立地操纵数十至数十万个液滴

·阵列元件电路84的更小和更简单的设计可以便于增加制造产量，从而降低设备的成本

·阵列元件电路84的更小和更简单的设计可以便于增加设备的光学透明度。这会是重要的，例如，在设备用于实现化学或生物化学测试的情况下，其中所述化学或生物化学测试导致一个或多个液滴的光学性质(例如荧光、吸光度)的变化，并且通过测量光学性质的这种变化，可以对设备进行读出

·阵列元件电路84的更小和更简单的设计可以释放阵列元件内的空间，以将其他电子功能实现在阵列元件中，例如，温度感测、生物感测等

·该实施例的阵列元件电路84可以仅用n型晶体管实现。由于已知行和列寻址电路也可以仅用n型晶体管实现，所以可以在单沟道工艺(仅n型)中制造AM-EWOD设备。与互补工艺(其具有n型和p型晶体管两者)相比，单沟道工艺可以显著降低成本。利用单沟道工艺，也可以在仅支持单沟道晶体管的制造工艺中制造AM-EWOD设备，例如，用于制造非晶硅(a-Si)、氧化锌(ZnO)或铟镓锌氧化物工艺的标准显示工艺。

该实施例的另外优点是寻址信号ACTUATE对阵列内的所有元件是共同的。这具有简化驱动ACTUATE所需的电路的优点，所述电路可以在AM-EWOD设备的外部，或者可选地在薄膜电子器件中实现。另外的优点是通过使ACTUATE成为全局信号，可以在阵列的相邻行或相邻列之间共享寻址线。这可以简化电路布局并仍进一步减小阵列元件的物理尺寸。

如先前在说明书中指出的，根据这种驱动设备的方法，任何晶体管进行切换所需的最大电压大约等于V_EW。在某些情况下，由于晶体管通常可能具有非零导通电位(阈值电压)，所以可能有必要的是，由晶体管进行切换的电压稍微超过V_EW。例如，考虑到如上所述的实施例的操作，如果晶体管54的阈值电压为Vth，则为了确保晶体管54在致动状态下完全导通，有必要的是，将晶体管54的栅极处的电位编程为0.5xV_EW+Vth。同样地，当通过激活ENABLE信号对DRAM电路进行编程时，必需将0.5xV_EW+Vth的电压加载到输入线DATA上。由于晶体管52的阈值电压也可以是Vth，所以施加到ENABLE的电压高电平必须为0.5xV_EW+2Vth。因此，我们总体看到，薄膜电子器件的最大电压处理能力必须为V_EW+2Vth。通常，Vth可以为～2伏，而V_EW为20伏量级。因此，实现需要最大电压为V_EW+2Vth而不是2V_EW的方法仍然是非常有利的。

在根据本实施例的设备的操作的描述中，AC电压脉冲V1和V2被描述为具有相等幅度的方波，而不是彼此偏移一DC电位。将认识到，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对此进行修改，例如，V1和V2可以是正弦波形或三角波形，V1可以具有与V2不同的幅度，和/或V1或V2中的一个或另一个可以彼此偏移一DC电位。

本发明的特别有利的实现可以是将晶体管54设计为具有低泄漏(截止)电流。低泄漏晶体管架构的示例实现是轻掺杂漏极(LDD)设计。LDD是公知的技术，由此可以降低晶体管的泄漏(截止)特性和/或栅极至源极的寄生电容，尽管在器件迁移率/切换速度方面有一定的代价。在本发明的该实施例的情况下，LDD的优点可以对电路的操作非常有益，特别是对于限定非致动状态。通过最小化通过晶体管54的DC泄漏电流以及晶体管54的源极和栅极之间的电容二者，与和阵列元件电路84的其余部分的寄生相互作用相比，元件电极38更多地受到参考电极28的控制(如所期望的)。类似地，由于晶体管52还用作开关设备，所以将该晶体管实现为轻掺杂漏极器件也会是有利的，从而利用低泄漏特性，使得编程到晶体管54的栅极上的电压在晶体管52截止之后被良好地维持，因为通过晶体管52的泄漏被最小化。

根据本发明的第二实施例的AM-EWOD设备如同第一实施例，除了施加到ACTUATE的寻址信号V1不再是全局信号，而是对阵列的每一行是独立的。

根据该实施例的设备的操作与前述相同，除了信号V1的时序是逐行确定的。在下面的描述中，符号V1<N>用于描述针对阵列的第N行施加到ACTUATE的寻址信号。

图11示出了该实施例的示例时序信号。这些如同第一实施例，除了针对阵列的每一行(例如，V1<1>、V1<2>)不同地驱动寻址线ACTUATE。根据该实施例，将ACTUATE的电压切换至与V2相同的要求仅对被寻址的特定行的V1信号是必需的。这与第一实施例相比的优点在于(当V1被切换至与V2相同的电位时发生的)电润湿致动下的中断被最小化，因为在该特定时间在未被寻址的阵列的行上致动未被中断。

根据本发明的第三实施例的AM-EWOD设备在具有如图12所示的阵列元件电路84的备选设计的情况下如同第一或第二实施例。阵列元件电路84包含附加晶体管90，其源极连接到元件电极38，其漏极连接到ACTUATED，且其栅极连接到输入线PRE。输入线PRE可以对阵列内的所有元件是共同的，或者对阵列的同一行中的所有元件是共同的，或者对阵列的同一列中的所有元素是共同的。

在将元件电极38编程为致动状态或非致动状态之前，附加晶体管90的功能是便于元件电极38的预充电。可以通过在短时间内将输入PRE取为高来实现预充电。晶体管90实际上被连接为二极管，并且将PRE取为高电压电平将使二极管正向偏置，使得元件电极38被预充电到输入ACTUATE的电压电平。为了预充电，使得没有DC偏移电压被编程在元件电极38和参考电极28之间，如前所述，在预充电时，信号ACTUATE应当处于与V2相同的电位。

该实施例与第一实施例相比的优点在于：(恰在元件电极38被切换到高阻抗状态之前的时间设置的)情况2中的元件电极38的DC电位可以独立于阵列元件电路84内的DRAM存储器的操作而被限定，因为预充电操作不取决于时序。因此，在第二实施例的情况下，在阵列元件被编程时，ACTUATE处的信号是高电平还是低电平都无关紧要。如果元件电极38处的电容小，则这种预充电方式会是有效的，将如同通常在阵列元件附近没有液滴时的情况。由于预充电可以独立于将数据编程到阵列而被实现，所以可以更频繁地执行预充电操作。因此，当晶体管90和54截止时，电路不太容易受到元件电极38的电荷的寄生泄漏的影响。

有利地，这还可以促进用于ACTUATE的时序信号的更大的灵活性，如果ACTUATE对于阵列的同一行内的每个元件是共同的，则这会是特别有利的。

该实施例的另外优点是通过电路中的仅一个附加晶体管来实现预充电功能的执行。另外的优点是可以逐条线地实现预充电操作。

已经针对连接到晶体管90的漏极的输入信号是输入线ACTUATE的情况描述了第三实施例。该实现是有利的，因为不需要单独的寻址线，并且阵列元件电路84的尺寸可以较小。然而，将认识到，第三实施例的构思可以同样地利用施加到晶体管90的漏极的不同信号来实现。这可以可选地是输入信号PRE或另一个独立的输入信号。

本发明的第四实施例在具有如图13所示的备选阵列元件电路84的情况下如同第一实施例。阵列元件电路84如同第一实施例，除了它还包含连接在元件电极38和DC电源VDD之间的附加电容器108。电容器108的目的是确保即使在可能存在通过晶体管54的显著泄漏电流的情况下，编程到元件电极38上的DC电压电平也得到良好维持。通过晶体管54的电荷泄漏可能对电路操作是有害的，因为它可以导致元件电极38的DC电位的变化。这进而可以导致在元件电极38和参考电极28之间产生DC电位，由于先前解释的原因这是不期望的。电路中附加电容器108的存在有助于通过在该节点处存储预充电的电位来在元件电极38被切换到高阻抗状态时维持元件电极38的DC电位。

根据本发明的第五实施例的AM-EWOD设备在具有如图14所示的阵列元件电路84的备选设计的情况下如同前述实施例中的任何一个。阵列元件电路84如同第一实施例，但还包含连接在晶体管54的栅极和输入ACTUATE之间的附加电容器94。电容器94的目的是提供在晶体管54的栅极处编程的电压的提升。阵列元件电路84的操作与前述类似，且如下所述：

·在将数据编程到阵列元件期间，V1和V2二者都必须被取为低电平

·将数据编程到阵列元件中的DRAM存储器。首先将要编程的输入信号预先编程到线DATA上。然后将ENABLE取为高，并将DATA上的信号编程到晶体管54的栅极且存储在电容器56上。然后使晶体管52截止

·在“0”被编程的情况下，晶体管54截止，元件电极38被切换到高阻抗状态

·在“1”被编程的情况下，晶体管54导通，输入信号V1连接通过到元件电极38。当信号V1变为高时，ACTUATE和晶体管54的栅极之间的电容耦合导致晶体管54的栅极处的电压信号通过在电容器94两端注入电荷而得以提升。

在电路和升压操作中包含电容器94的效果和优点在于为了对“1”状态进行编程，不再需要将晶体管54的栅极处的电压编程为高于ACTUATE的高电平电压信号的阈值电压(即，为0.5xV_EW+Vth)，这是因为升压操作将晶体管54的栅极的电位提升了附加量，其可以被布置(例如，通过仔细设计电容器94的尺寸)为大约Vth。这足以确保当V1被取为+0.5xV_EW时晶体管54保持导通。取决于电路电容的尺寸，即使在最初编程到晶体管54的栅极的电压为0.5xV_EW或更小的情况下，由于升压效应，这也可能是真的。

通过电容器94的值的仔细设计选择，编程到晶体管栅极的用于编程“1”状态的电压可以小于0.5xV_EW，例如为0.5xV_EW-Vth或甚至更小。这样的布置可以是有利的，因为ENABLE脉冲的幅度现在仅需要是V_EW(而不是如通常编程V_EW所需要的V_EW+Vth)。这是有利的，因为它减小了用于驱动ENABLE和DATA线的电压信号的幅度。这样的减小可以有利于减小功耗并且还有利于减小集成到薄膜电路中并用于驱动ENABLE和DATA线的电平移位器和缓冲器的物理尺寸。减小物理尺寸可以减小设备的整体边框尺寸以及提高制造产量。

该实施例的潜在缺点在于：在将“0”(例如，-0.5xV_EW的电位)编程到晶体管54的栅极以不致动元件电极38的情况下，也发生升压效应，这次是有害的。当ACTUATE被取为高时，在晶体管54的栅极处的电压以与前述相同的方式升压，以达到大约-0.5xV_EW+Vth的电位。这具有轻微导通晶体管54的效果，结果是元件电极38处的电压轻微增加。因为随着元件电极38的电位上升，晶体管54的栅极至源极电压相应地减小并且该晶体管开始再次截止，所以元件电极38的电位的增加可以仅是小的并且是自限制的。在这种情况下的整体效果是在元件电极38未被致动的情况下元件电极38和参考电极28之间的电位可以是Vth量级的小DC电压，而不是零伏。由于Vth相对于电润湿电压是小的，因此这个缺点对于损害设备操纵阵列上的液滴4的能力通常不是那么重要。

本发明的第六实施例在具有如图15所示的阵列元件电路的备选设计的情况下如同第五实施例。电容器94被有源电容器110替代，有源电容器110是其电容为其端子之间的电压的函数的器件(即，电容器110具有依赖于电压的电容)。电容器94可以例如利用作为正极端子的导电栅极并且使用用于负极端子的n型半导体材料而形成。正极端子和负极端子之间的电压可以表示为V_+-。示出了该器件的示例性电容对电压特性的曲线图在图16中示出。当V_+-为负时，半导体处于耗尽中并且几乎不包含移动电荷。因此，电容器的电容较小。当V_+-为正时，半导体材料处于累积中并且包含许多移动电荷。因此，电容器的电容较大。

电容器94被连接为负极端子连接到晶体管54的栅极且正极端子连接到信号ACTUATE。电容器94可以例如利用作为正极端子的导电栅极并且使用用于负极端子的n型半导体材料而形成。

电路的操作如针对第五实施例所述，但是通过使用有源电容器110作为升压电容器，电路被布置成使得当期望时晶体管54的栅极处的电位被升压并且当不期望时其不被升压。首先考虑晶体管54的栅极处的电压被编程为～+0.5xV_EW(即，“1”被编程)的情况。在这种情况下，当V1为低时，V_+-大约为+V_EW，并且当输入ACTUATE处的电压信号V1转变为高时，对于大多数转变，电压V_+-保持超过Vth。因此，如针对第五实施例所述并且如所期望的，电容器110的电容为高并且发生升压效应，从而提升晶体管54的栅极处的电压。接下来考虑晶体管54的栅极被编程为-V_EW(“0”被编程)的情况。在这种情况下，当致动为低时，V_+-大约为0伏，并且随着ACTUATE处的电压信号V1转变为高，V_+-变为负。在这种情况下，V_+-是负电压，并且电容器110的电容保持为低。因此，该实施例具有第五实施例的优点，附加优点是不发生不想要的升压(在“0”被编程的情况下)。

本发明的第七实施例在具有如图17所示的阵列元件电路84的备选设计的情况下是第五实施例的变型。在该布置中，电容器94连接在晶体管54的栅极和晶体管54的源极之间。电容器94的目的是以与针对第五实施例所述相似的方式提供编程到晶体管54的栅极上的电压信号的提升。

阵列元件电路84的操作如下所述：

·在将数据编程到阵列元件期间，V1和V2二者都必须取为低电平

·将数据编程到阵列元件中的DRAM存储器。将要编程的输入信号预先编程到线DATA上。然后将ENABLE取为高，并将DATA上的电压编程到晶体管54的栅极且存储在电容器56上。然后使晶体管52截止

·在“1”被编程的情况下，晶体管54导通，驱动ACTUATE的输入信号V1连接通过到元件电极38。当信号V1变为高时，晶体管54开始导通，元件电极38处的电位开始上升。结果，元件电极38和晶体管54的栅极之间的电容耦合致使晶体管54的栅极处的电压信号通过在电容器94两端注入电荷而得以提升。

在电路内包含电容器94以实现升压操作的效果以及优点如同第五实施例，即，不再需要将晶体管54的栅极处的电压编程为高于V1的高电平电压信号的阈值电压，原因与如前所述相同。针对第五实施例描述的其他优点(减小DATA和ENABLE上的驱动信号的幅度)也适用于本实施例。

与第五实施例相比，第七实施例的附加优点在于它组合了第五实施例的优点和第四实施例的优点，即，在元件电极38处添加了附加电容。在将“0”编程到阵列元件并且晶体管54截止使得元件电极38处于高阻抗状态的情况下，该附加电容有益于帮助维持元件电极38电位的DC电平，如前所述。

与第五实施例相比，第七实施例的另外的附加优点在于通过在元件电极38和晶体管54的栅极之间连接升压电容器94，减小了在ACTUATE输入端子处呈现的负载总电容。在将“0”最大程度地编程到阵列中的元件的情况下，负载电容的这种减小是特别可观的，通常在设备操作中是这种情况。

由于若干原因，ACTUATE输入电容的这种减少是有利的；首先，它减小了与施加到ACTUATE的AC电压信号相关联的功耗；其次，它增大了可以驱动信号ACTUATE的最大频率，从而增大了与设备的操作相关联的最大电润湿AC频率；再次，在施加到ACTUATE信号的电压信号V1被布置为对于阵列的每一行分别驱动的情况下(如本发明的第二实施例所述)，还减小了缓冲ACTUATE信号所需的薄膜电子器件电路的物理尺寸和功耗。

第七实施例的潜在缺点在于：在将“0”(例如，-0.5xV_EW的电位)编程到晶体管54的栅极以便将元件电极38设置在非致动状态中的情况下，也发生升压效应，这次是有害的。在这种情况下，不想要的AC耦合与施加到参考电极28的信号V2的上升沿相关联，该参考电极28跨越液滴4(在存在的地方)耦合到元件电极38。这进而导致电容器94两端的扰动与晶体管54的栅极的进一步耦合，其中它引起不想要的升压信号。然而，这个缺点可能只在液滴4存在于元件电极38处的情况下是重要的。这是因为在没有液滴4存在的情况下，没有与负载电路40相关联的实质电容。因此，V2与元件电极38的耦合可以不是很重要的。

本发明的第八实施例在具有如图18所示的阵列元件电路84的备选设计的情况下如同第七实施例。电容器94被有源电容器110代替，该有源电容器具有如前所述的构造。第八实施例的操作如同第七实施例，除了有源电容器110现在仅选择性地并根据其上的电压的符号来提升晶体管54的栅极处的电压。该有源电容器被布置为使得当将“1”编程到阵列元件电路84时，有源电容器110两端的电压的符号和幅度导致其保持显著的电容，使得晶体管54的栅极处的电压被提升。这具有相同的效果，并且实现了与先前针对第七实施例所描述的相同的优点。相反，当将“0”编程到阵列元件时，有源电容器110两端的电压的符号和大小使得其电容只有很小。在这种情况下，施加到晶体管54的栅极处的电压(由元件电极38的电位的任何变化所引起的)的任何升压被最小化。因此，与第七实施例相比，第八实施例有利地避免了第七实施例的指定缺点，具体地说，当“0”被编程并且晶体管54处于高阻抗状态时，对晶体管54的栅极处的电位的不想要的升压不再发生(或非常小)。

本发明的第九实施例如同第一实施例，除了具有如图19所示的备选阵列元件电路84。在该实施例中，包括晶体管52和电容器56的DRAM存储器元件被SRAM存储器元件替代，SRAM存储器元件可以具有标准构造，例如US8173000中所述。

第九实施例的操作与前面描述的类似，晶体管54的栅极可以被编程为+0.5xV_EW以将阵列元件设置为致动状态，或者被编程为-0.5xV_EW以将阵列元件设置为非致动状态。以与先前针对具有DRAM存储器元件的先前实施例描述的类似的方式将数据编程并存储在SRAM存储器元件中。第九实施例的优点在于通过使用SRAM存储器元件96，不需要定期地刷新编程到SRAM元件的数据。这可以降低设备的总体功耗。

本发明的第十实施例如同第一实施例，除了具有如图20所示的备选阵列元件电路84。除了去除电容器56之外，阵列元件电路84如同第一实施例。第十实施例的阵列元件电路84被简化为它不包含存储器元件或具有任何存储能力。可操作地，晶体管52用作寻址设备，使得当ENABLE信号被取为高使得晶体管52导通时，输入线DATA处的电压连接通过到晶体管54的栅极。因此，在该实施例中，唯一的驱动信号只能以每列为基础被施加到阵列中的元件，即，阵列中的所有行必须以相同的方式在任何一个时间被驱动。然后，阵列元件电路84的其余部分如前所述地起作用。第十一实施例的优点在于通过从电路中去除电容器56和寻址线VDD二者，阵列元件电路84的物理布局变得小得多，仅具有两个晶体管和三条寻址线。这进而可以促进具有较小阵列元件的设备实现为具有如前所述的所有优点。

根据本发明的第十一实施例，该设备还可以包含集成到每个阵列元件中的传感器功能。阵列元件电路84的总体布置如图21所示。致动电路46连接到元件电极38，并且可以具有如先前实施例中的任一个实施例所述的设计，例如具有输入DATA、ENABLE和ACTUATE。阵列元件电路84还包含用于感测元件电极38的性质的传感器电路48，通常是在元件电极38处呈现的电阻抗。传感器电路48可以包含一个或多个输入，例如RW，并具有一个或多个输出，例如OUT，如图21所示。图22示出了根据本实施例的薄膜电子器件74的示例布置。与第一实施例相比，薄膜电子器件还可以附加地包含传感器行寻址电路88和列检测电路86，所述行寻址电路88用于向阵列元件电路84的传感器电路输入端(例如，RW)提供控制信号，所述列检测电路86用于处理和读出来自阵列元件电路84的传感器电路部分的输出信号。传感器电路48和适当读出电路的示例构造的详细描述包含在美国申请2012/0007608中，其可以被认为通过引用并入本发明中。

例如，传感器可以被配置为感测电容(阻抗)，并且因此执行检测电极阵列42中每个阵列元件位置处的液滴4的存在和尺寸的操作。

图23中详细示出了根据本发明的第十一实施例的示例阵列元件电路84。阵列元件电路84将第一实施例的布置与US8653832中描述的传感器电路组合。

根据本实施例的阵列元件电路如下连接。晶体管52的漏极连接到输入DATA，该输入DATA可以对阵列的同一列中的所有元件是共同的。晶体管52的栅极连接到输入ENABLE，该输入ENABLE可以对阵列的同一行中的所有元件是共同的。晶体管52的源极连接到晶体管54的栅极。电容器56连接在晶体管54的栅极和DC电压源VDD之间。晶体管54的漏极连接到输入信号ACTUATE，该输入信号ACTUATE可以对阵列中的所有元件是共同的。晶体管98连接在晶体管54的源极和元件电极38之间。晶体管98的栅极连接到输入SEN，该输入SEN可以对阵列的同一行中的所有元件是共同的。电容器106连接在元件电极38和输入信号RWS之间，该信号RWS可以对阵列的同一行中的所有元件是共同的。电容器104连接在元件电极38和晶体管102的栅极之间。晶体管102的漏极连接到DC电压源VDD。晶体管102的源极连接到输出OUT，该输出OUT可以对阵列的同一列中的所有元件是共同的。晶体管100连接在晶体管102的栅极和电压源VRST之间，该电压源VRST可以对阵列中的所有元件是共同的。晶体管100的栅极连接到输入信号RST，该输入信号RST可以对阵列的同一行中的所有元件是共同的。致动器电路包括晶体管52、晶体管54和电容器56以及输入DATA、ENABLE和ACTUATE。传感器电路包括电容器106、电容器104、晶体管100、晶体管102和端子连接RWS、RST、VRST和COL。晶体管98、元件电极38、电极负载40和参考电极28形成致动器电路和传感器电路二者的一部分。

根据本实施例的阵列元件电路的操作组合了本发明的第一实施例的操作的描述和US8653832对传感器电路的描述。

致动器电路的操作如下所述。在致动器电路的操作期间，输入SEN被取为电压高电平，因此晶体管98导通。元件电极38因此连接到晶体管54的源极。然后，致动器电路如前所述起作用，AC电压信号被施加到ACTUATE和V2并且晶体管54被编程为使元件电极38致动，否则晶体管54被编程为高阻抗状态以使元件电极38解致动。

传感器电路的操作如下所述。输入SEN被取为电压低电平，并且致动电路(晶体管52和54、电容器56以及输入信号DATA、ENABLE和ACTUATE)实际上与电路的其余部分断开连接。阻抗被如下感测：

·V2在感测操作的时段内被保持在静态

·输入信号RST被短暂地取为高。结果，晶体管100导通，并且晶体管102的栅极处的电位被充电/放电到输入电源VRST的电位

·输入信号RWS被取为高。结果，元件电极38处的电位受到扰动。电容器106形成电位分压器的一部分。主要由电容器106的电容与负载电路40的有效电容之比确定元件电极38的电位受到扰动的程度，如在US8653832中完全描述的

·由于通过电容器104的电容耦合，在元件电极38处的电位的扰动也导致晶体管102的栅极处的电位的扰动。因此，晶体管102的栅极处的电位被扰动了依赖于在元件电极38处呈现的电负载电路40的量

·晶体管102的栅极处的扰动导致晶体管102在一定程度上导通。晶体管102可以被偏置，以便用作源极跟随器的输入设备，其中负载设备例如形成为列检测电路86的一部分。因此，电流被布置为流过晶体管102，并且该电流可以由列检测电路86测量。

第十一实施例的优点在于将附加传感器功能并入到AM-EWOD设备中。传感器可以执行各种功能，例如测量阵列上液滴的位置、尺寸和性质，如US8653832中完全所述。

尽管在前述实施例中，已经在使用薄膜电子器件74以薄膜晶体管(TFT)技术实现阵列元件电路和驱动器系统的AM-EWOD设备方面描述了本发明，但是本发明可以同样地使用其他标准电子制造工艺(例如，互补金属氧化物半导体(CMOS)、双极结型晶体管(BJT)等)来实现。

虽然已经关于特定实施例示出并描述了本发明，但在阅读和理解本说明书和附图后本领域技术人员可以想到等同替换和修改。具体地，关于由以上描述的元件(组件、装配件、设备、组成等)执行的各种功能，除非另外指示，否则用于描述这些元件的术语(包括对“装置”的引用)意在与执行所描述的元件的指定功能的任何元件相对应(即，功能上等同)，即使结构上与执行本文中本发明的一个或多个示例性实施例的功能的所公开结构不等同。另外，虽然上文可能已经仅针对若干实施例中的一个或多个实施例描述了本发明的具体特征，但是这种特征可以与其他实施例中的一个或多个其他特征相组合，这对于任何给定或具体应用而言可以是期望的和有利的。

可选地，设备也可以被布置成使得本发明的实施例可以仅用于整个设备的一部分或子阵列。可选地，多个不同实施例中的一些或全部可以用于设备的不同行列或区域。

在第一方面的方法中，第一交变电压和第二交变电压可以具有彼此相同的波形形状。例如，第一交变电压和第二交变电压均可以具有正弦波形、三角波形或方波形。

该方法可以包括将第一交变电压和第二交变电压施加为基本上彼此反相。

第一交变电压和第二交变电压可以具有彼此相同的峰值幅度。

第一交变电压和第二交变电压中的至少一个可以包括DC偏移分量。

将第二交变电压施加到元件电极可以包括将元件电极连接到第二交变电压的源，并且其中将元件电极保持在高阻抗状态包括将元件电极与第二交变电压的源隔离。

该方法可以包括将第二交变电压的瞬时值布置为等于将元件电极置于高阻抗状态时的第一交变电压的瞬时值。

AM-EWOD设备可以包括以行和列的矩阵布置的多个AM-EWOD元件，并且其中该方法可以包括将施加到AM-EWOD元件的行的第二交变电压的瞬时值布置为等于在将该行的AM-EWOD元件的元件电极置于高阻抗状态时的第一交变电压的瞬时值。

在第二方面的电路中，第一开关可以连接在输入节点和输出节点之间，第一开关的控制端子连接到存储器元件的输出。

第一开关可以是第一晶体管。第一晶体管可以具有低泄漏设计，例如轻掺杂漏极(LDD)晶体管。

存储器元件可以包括：

连接在第一开关的数据输入和控制端子之间的第二开关，第二开关的控制端子连接到第一控制输入；以及

连接在第一开关的控制端子和偏置电压之间的第一电容器。

第二开关可以是第二晶体管。

第一晶体管和第二晶体管可以是具有彼此相同的沟道类型的晶体管。

该电路可以包括连接在第二交变电压的源和输出节点之间的第三开关，并且第三开关的控制端子可以连接到第二控制输入。

该电路可以包括连接在输出节点和偏置电压的源之间的第二电容器。

该电路可以包括连接在第一开关的控制端子和输入节点之间的第三电容器。

第三电容器可以具有依赖于电压的电容。

备选地，存储器元件可以包括静态只读存储器(SRAM)。

该电路还可以包括连接在输出节点和感测输出节点之间的传感器电路。

在第三方面的设备中，阵列元件电路中的至少一个可以是第二方面的阵列元件电路。

为了更全面地了解本发明的性质和优点，应参考结合附图进行的随后的详细描述。

这样描述了本发明，明显的是，相同的方式可以以许多方式变化。这样的变化不应被认为是偏离本发明的精神和范围，并且对于本领域技术人员显然的所有这些修改旨在被包括在以下权利要求的范围内。

工业实用性

所描述的实施例可以用于提供增强的AM-EWOD设备。AM-EWOD设备可以形成片上实验室系统的一部分。这样的设备可以用于操纵、反应和感测化学、生化或生理材料。应用包括健康护理诊断测试、材料测试、化学或生化材料合成、蛋白质组学、生命科学和法医学研究工具。

附图标记列表

4 液滴

6 接触角θ

16 第一疏水涂层

20 绝缘体层

26 第二疏水涂层

28 参考电极

32 隔离件

34 非极性流体

36 顶基板

38/38A和38B 阵列元件电极

40 电负载

42 电极阵列

46 致动电路

48 传感器电路

52 晶体管

54 晶体管

56 电容器

72 下基板

74 薄膜电子器件

76 行驱动电路

78 列驱动电路

80 串行接口

82 连接线

83 电源接口

84 阵列元件电路

85 参考电极驱动电路

86 列检测电路

88 传感器行寻址

90 晶体管

94 电容器

96 SRAM

98 晶体管

100 晶体管

102 晶体管

104 电容器

106 电容器

108 电容器

110 有源电容器

Claims

1.一种驱动有源矩阵介质上电润湿(AM-EWOD)设备的元件的方法，所述AM-EWOD的元件具有元件电极和参考电极，所述方法包括：

向所述参考电极施加第一交变电压；以及

通过以下操作中的任何一个来对所述元件电极进行寻址：(i)施加与第一交变电压具有相同频率且与第一交变电压异相的第二交变电压，以及(ii)将所述元件电极保持在高阻抗状态。

2.如权利要求1所述的方法，其中所述第一交变电压和所述第二交变电压具有彼此相同的波形形状。

3.如权利要求2所述的方法，其中所述第一交变电压和所述第二交变电压均具有正弦波形、三角波形或方波形。

4.如权利要求1、2或3所述的方法，包括：将所述第一交变电压和所述第二交变电压施加为基本上彼此反相。

5.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述第一交变电压和所述第二交变电压具有彼此相同的峰值幅度。

6.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述第一交变电压和所述第二交变电压中的至少一个包括DC偏移分量。

7.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中将所述第二交变电压施加到所述元件电极包括将所述元件电极连接到所述第二交变电压的源，并且其中将所述元件电极保持在高阻抗状态包括将所述元件电极与所述第二交变电压的源隔离。

8.如前述权利要求中任一项所述的方法，包括：将所述第二交变电压的瞬时值布置为等于将所述元件电极置于高阻抗状态时的所述第一交变电压的瞬时值。

9.如权利要求1至7中任一项所述的方法，其中所述AM-EWOD设备包括以行和列的矩阵布置的多个AM-EWOD元件，并且其中所述方法包括：将施加到AM-EWOD元件的行的第二交变电压的瞬时值布置为等于在将该行的AM-EWOD元件的元件电极置于高阻抗状态时的所述第一交变电压的瞬时值。

10.一种用于选择性地向AM-EWOD元件电极提供交变电压的电路，所述电路具有存储器元件、用于连接到交变电压的源的输入节点、用于连接到所述AM-EWOD元件电极的输出节点以及第一开关，所述第一开关用于根据存储在所述存储器元件中的数据值通过以下操作中的任何一个来对所述输出节点进行寻址：将所述输入节点电连接到所述输出节点，以及将所述输入节点与所述输出节点电隔离。

11.如权利要求10所述的电路，其中所述第一开关连接在所述输入节点和所述输出节点之间，所述第一开关的控制端子连接到所述存储器元件的输出。

12.如权利要求11所述的电路，其中所述第一开关是第一晶体管。

13.如权利要求12所述的电路，其中所述第一晶体管具有低泄漏设计，例如轻掺杂漏极(LDD)晶体管。

14.如权利要求10至13中任一项所述的电路，其中所述存储器元件包括：

连接在所述第一开关的数据输入和控制端子之间的第二开关，所述第二开关的控制端子连接到第一控制输入；以及

连接在所述第一开关的控制端子和偏置电压之间的第一电容器。

15.如权利要求14所述的电路，其中所述第二开关是第二晶体管。

16.如权利要求12或13所述的电路，

其中所述存储器元件包括：

连接在所述第一开关的控制端子和偏置电压之间的第一电容器；

其中所述第二开关是第二晶体管；以及

其中所述第一晶体管和所述第二晶体管是具有彼此相同的沟道类型的晶体管。

17.如权利要求10至16中任一项所述的电路，包括连接在所述第二交变电压的源和所述输出节点之间的第三开关，所述第三开关的控制端子连接到第二控制输入。

18.如权利要求10至17中任一项所述的电路，包括连接在所述输出节点和偏置电压的源之间的第二电容器。

19.如权利要求10至18中任一项所述的电路，包括连接在所述第一开关的控制端子和所述输入节点之间的第三电容器。

20.如权利要求19所述的电路，其中所述第三电容器具有依赖于电压的电容。

21.如权利要求10至20中任一项所述的电路，其中所述存储器元件包括静态只读存储器(SRAM)。

22.如权利要求10至21中任一项所述的电路，还包括连接在所述输出节点和感测输出节点之间的传感器电路。

23.一种具有多个AM-EWOD元件的有源矩阵EWOD设备，每个元件具有元件电极和参考电极，该设备包括参考电极驱动电路以及阵列元件电路，所述参考电极驱动电路用于向所述参考电极施加第一交变电压，所述阵列元件电路用于通过以下操作中的任何一个来对相应AM-EWOD元件的元件电极进行寻址：(i)向所述元件电极施加第二交变电压，以及(ii)将所述相应AM-EWOD元件的元件电极置于高阻抗状态，其中所述第二交变电压具有与所述第一交变电压相同的频率，并且所述第二交变电压与所述第一交变电压异相。

24.如权利要求23所述的有源矩阵EWOD设备，其中所述阵列元件电路中的至少一个是如权利要求10至22中任一项所限定的阵列元件电路。