CN107249729B - 驱动有源矩阵介质上电润湿设备的方法和有源矩阵介质上电润湿设备 - Google Patents

驱动有源矩阵介质上电润湿设备的方法和有源矩阵介质上电润湿设备 Download PDF

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Abstract

一种驱动有源矩阵介质上电润湿(AM‑EWOD)设备的方法包括：(i)将参考电极设置为第一参考电压；(ii)向所述设备的阵列元件的阵列元件电极写入一组数据；和(iii)以下操作中的任何一个：(a)维持写入阵列元件电极的电压，直到时间t0，或(b)重新写入该组数据N‑1次(其中N≥2)。然后将参考电极设置为不同于第一参考电压的第二参考电压，并且重复特征(i)至(iii)。当数据被首次写入时，在参考电极上的电压转变的时间与给定阵列元件接着被写入数据的时间之间存在延迟。特征(iii)允许保持正确数据值的时间相对于可能保持不正确数据值的时间而增加，使得元件可能处于不正确状态的时间在对不想要地扰动液滴操作的影响方面可以变得不明显。

Description

驱动有源矩阵介质上电润湿设备的方法和有源矩阵介质上电 润湿设备
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，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：is a 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可以由任何极性(或部分极性)材料(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。可以通过间隔件32实现这两个基板之间的合适的间隙，并且可以使用非极性流体34(例如油，例如十二烷或硅油或任何其他烷烃或矿物油)来占据未被液滴4占据的体积。备选地，并且可选地，未被液滴占据的体积可以用空气填充。设置在下基板72上的绝缘体层20将导电元件38A、 38B与第一疏水表面16分离，其中液滴4以用θ表示的接触角6位于第一疏水表面16上。第二疏水层26在顶基板36上，液滴4可以与第二疏水层26接触。在顶基板36和第二疏水层26之间插入顶基板电极28。
接触角θ6如图1所示限定，并且由固液(γSL)、液气(γLG)和非极性流体(γSG)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γSL、γLG和γSG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可与疏水表面16和26失去接触，并且可以在液滴4与疏水表面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VT、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表面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，使得元件被要求处于“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VEW的电压差而将EWOD设备的元件置于致动状态，而如果EWOD元件两端的电压差具有小于或远小于阈值电压VEW的大小，则元件处于其非致动状态。阈值电压VEW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(直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。
图2示出了在元件电极38和顶基板电极28之间呈现的电负载的电路表示。液滴4可以被建模为并联的电阻器和电容器，疏水表面16和 26可以被建模为电容器，并且绝缘体16可以被建模为电容器。
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的电子器件来控制EWOD阵列有若干优点，即：
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的电子器件来控制EWOD阵列有若干优点，即：
驱动电路可以集成到AM-EWOD阵列基板上。
基于TFT的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AM-EWOD 设备的阵列元件电路。已知有各种方法用于对阵列进行编程并将EWOD 致动电压施加到EWOD元件电极。所描述的电压写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顶基板电极28。为了将阵列中的给定元件电极编程为非致动状态，元件电极被写入地电位。为了将给定的阵列元件电极38编程为致动状态，元件电极电位38被写入具有在VEW和＝-VEW之间交变的电位。这种驱动方法要求为了驱动元件电极38而必须由电路中的晶体管切换的最大电压需要为2VEW。
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设备和用于向电极写入AC致动电压的方法。本专利描述的AC驱动方案利用了将AC信号施加到设备的元件电极38和顶基板电极28二者。因此，设备能够生成在+VEW和-VEW之间变化的电润湿电压(元件电极和顶基板电极28之间的电压)，而阵列元件电路中的晶体管仅需要以VEW的轨至轨电压操作。由US8173000公开的阵列元件电路包含相对大量的晶体管。
美国申请2012/0007608(Hadwen等人，2012年1月12日公布)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，其中顶基板电极被省略并且被与驱动电极一起设置在下基板上的面内对电极代替。US8221605公开了参考电极如何可以包括与驱动电极在电学上和在物理上不同的传导线的二维栅格。
发明内容
本发明的第一方面提供了一种利用交变符号的致动电压驱动有源矩阵介质上电润湿(AM-EWOD)设备的方法，所述AM-EWOD设备包括限定相应阵列元件的多个阵列元件电极和参考电极。该方法包括：(i)将参考电极设置为第一参考电压，以及(ii)将一组数据写入该设备的阵列元件的阵列元件电极，由此如果第一数据电压被写入相应的阵列元件电极以在阵列元件两端限定大小等于或大于致动电压并具有第一符号的电压差，则阵列元件被致动，并且如果不同的第二数据电压被写入相应的阵列元件电极，则阵列元件不被致动。也就是说，通过将第一参考电压施加到参考电极并将第一数据电压施加到阵列元件的阵列元件电极而获得的阵列元件两端的电压差具有足够的大小来致动阵列元件，而通过将第一参考电压施加到参考电极并将第二数据电压施加到阵列元件的阵列元件电极而获得的阵列元件两端的电压差不具有足够的大小来致动阵列元件。然后该方法包括：(iii)以下操作中的任何一个：(a)维持写入阵列元件电极的电压，直到时间t0，或(b)将该组数据重新写入阵列元件的阵列元件电极N-1次(其中N≥2)。
然后该方法包括：(iv)将参考电极设置为不同于第一参考电压的第二参考电压；(v)将另一组数据写入该设备的至少一些阵列元件的阵列元件电极，由此如果第三数据电压被写入相应的阵列元件电极以在阵列元件两端限定大小等于或大于致动电压且具有与第一符号相反的第二符号的电压差，则阵列元件被致动，并且如果不同的第四数据电压被写入相应的阵列元件电极，则阵列元件不被致动(即，通过将第二参考电压施加到参考电极并将第三数据电压施加到阵列元件的阵列元件电极而获得的阵列元件两端的电压差具有足够的大小来致动阵列元件，而通过将第二参考电压施加到参考电极并将第四数据电压施加到阵列元件的阵列元件电极而获得的阵列元件两端的电压差不具有足够的大小来致动阵列元件)；以及(vi)以下操作中的任何一个：(a)维持写入阵列元件电极的电压，直到时间t1，或(b)将该另一组数据重新写入所述至少一些阵列元件的阵列元件电极M-1次(其中M≥2)。
附图说明
在附图中，相同的附图标记表示相同的部件或特征：
[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示出了当存在液滴时在阵列元件处呈现的负载的电路表示；
[图3]图3是描绘了根据本发明的第一示例性实施例的示意性透视图形式的AM-EWOD设备的示意图；
[图4]图4示出了通过图3的示例性AM-EWOD设备的一些阵列元件的截面图；
[图5]图5是描绘了根据本发明的第一实施例的图3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是描绘了根据本发明的第一实施例的用于图3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7]图7是根据本发明的第一实施例的在图3的示例性AM-EWOD 设备中使用的驱动信号的时序和电压电平的图形表示；
[图8]图8是根据本发明的第一实施例的写入到图3的示例性 AM-EWOD设备的阵列的一部分的示例性数据帧的图形表示；
[图9]图9是根据本发明的第二实施例的写入到图3的示例性 AM-EWOD设备的阵列的一部分的示例性数据帧的图形表示；
[图10]图10是根据本发明的第三实施例的在图3的示例性AM-EWOD 设备中使用的驱动信号的时序和电压电平的图形表示；
[图11]图11是根据本发明的第四实施例的写入到图3的示例性 AM-EWOD设备的阵列的一部分的示例性数据帧的图形表示；
[图12]图12是描绘了根据本发明的第五实施例的用于图3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是根据本发明的第六实施例的写入到图3的示例性 AM-EWOD设备的阵列的一部分的示例性数据帧的图形表示；
[图14]图14是描绘了根据本发明的第七实施例的图3的示例性 AM-EWOD设备中的薄膜电子器件的示例布置的示意图；
[图15]图15示出了根据本发明的第七实施例的通过图3的示例性 AM-EWOD设备的一些阵列元件的截面图；
[图16]图16是描绘了根据本发明的第八实施例的用于图3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17]图17是描绘了根据本发明的第八实施例的图3的示例性 AM-EWOD设备中的薄膜电子器件的布置的示意图；
[图18]图18示出了根据本发明的第九实施例的通过图3的示例性 AM-EWOD设备的一些阵列元件的截面图；
[图19]图19是描绘了根据本发明的第九实施例的图3的示例性 AM-EWOD设备中的薄膜电子器件的布置的示意图；
[图20]图20是根据本发明的第九实施例的写入到图3的示例性 AM-EWOD设备的阵列的一部分的示例性数据帧的图形表示。
具体实施方式
图3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 布置在具有X×Y个元素的电极阵列42中，其中X和Y可以是任何整数。极性液体的液滴4被封闭在基板72和顶基板36之间，但是应当理解，可以存在多个液滴4。
图4是描绘了可以在图3的AM-EWOD设备中使用的截面形式一对阵列元件38A和38B的示意图。图3和图4的设备配置具有与图1所示的常规配置的类似性，图3和图4的AM-EWOD设备还并入了设置在下基板 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，图4中的38A和38B)。这些可以被称为阵列元件电极。术语阵列元件电极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电极38，以及也指代直接连接到该电极38的电路的节点。
术语参考电极28可以在下文中都被理解为意指用于向液滴4提供参考电位的最通用结构。因此，术语参考电极28可以被认为是描述由顶基板电极28、28A、28B(参见例如图18)和面内对电极31(参见例如图15)中的任何一个或任何组合或者将导电结构连接到液滴的一些其他装置(例如，链(catena))组成的结构。参考电极28还可以直接与液滴4接触，或者可以经由绝缘体层和/或疏水涂层与液滴4接触。等效地，术语参考电极28用于描述对应于物理参考电极结构的电路节点。
图5是描绘了在基板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电极38的电极电位的阵列元件电路84。集成行驱动器76和列驱动器78电路也实现在薄膜电子器件中，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将所需电压写入电极阵列42。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。即使对于大的阵列尺寸，阵列基板72与外部驱动电子器件、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，增加了可以将数据写入阵列的速率，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设备包括基板电极(例如，顶基板电极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包括顶基板电极28和多个阵列元件，每个阵列元件包括阵列元件电极38。在每个阵列元件处的致动电压在本文中被称为电润湿电压，并且可以被限定为元件电极38和顶基板电极28之间的电位差。控制致动电压的方法包括以下步骤：将电压施加到阵列元件电极的至少一部分，以及向顶基板电极28提供电压信号V2。
图6是示出了阵列元件电路84中的薄膜电子器件的示例布置的示意图。阵列元件电路84由具有1个晶体管和1个电容器(1T1C)的标准动态RAM(DRAM)存储器电路组成。列线DATA用于将电润湿电压写入阵列元件，并且对阵列的同一列内的每个阵列元件是共同的。晶体管110 (TFT)连接在列线DATA和阵列元件电极38之间。栅极线ENABLE用于对该行进行寻址，并且对阵列的同一行内的每个阵列元件是共同的。 ENABLE连接到晶体管110的栅极。电容器44用于存储写入的电润湿电压，并且连接在阵列元件电极38和地线之间。在图6中，晶体管110 被示出为n型器件，并且行寻址将通过使ENABLE信号取为高电压电平而被使能。应当理解，在这个和所有其他实施例中，阵列元件电路84可以同样地用p型晶体管110实现，在这种情况下，通过使ENABLE信号取为低电压电平来实现行寻址。
AM-EWOD设备的其余部分具有先前关于图2-图4描述的标准构造，并且包括具有顶基板电极28的顶基板36。
在阵列元件电极38和顶基板电极28之间呈现的电负载是在阵列元件的位置处是否存在液滴4的函数，并且由图6中的负载电路40表示而示出。通常，液滴4是相对导电的，并且负载电路40在电气上紧紧近似于以下电容器，所述电容器的值包括绝缘体20的电容和第一和第二疏水 (16和26)表面的电容的串联贡献。
驱动信号TOP连接到顶基板电极28，顶基板电极28对阵列内的所有元件可以是共同的。给定阵列元件处的致动电压可以被限定为阵列元件电极38和顶基板电极28之间的电位差。
根据本发明的第一实施例，AM-EWOD设备的每个阵列元件处的致动电压通过“多帧AC”驱动方法进行控制。总而言之，每个唯一的数据帧 (F1)被写入和重新写入N次。然后，VTOP上的电压信号被反相，并且然后逆数据帧(F1B)被写入和重新写入N次。然后对下一个数据帧重复该过程(F2，然后F2B)。
下文参考图7并且参考图8详细描述了该驱动方法，图7示出了提供给输入数据线DATA和顶基板电极28的时序信号的图形表示，图8示出了写入阵列的整体或部分的示例性数据的图形表示。在图8中，数据帧被表示为二维方形阵列，并且在每个阵列元件中示出了“1”或“0”，以表示被写入+0.5xVEW(编程为“1”)或-0.5xVEW(编程为“0”)的阵列元件。施加到参考电极(在该示例中为顶基板电极28)的电压信号也在图7中示出，并且在图8A-图8D中针对每个数据帧进行指示。
数字数据由行驱动电路76和列驱动电路78写入阵列元件电极。阵列中的每个阵列元件电极38可以被写入高电压0.5xVEW或低电压 -0.5xVEW。将数据写入阵列的过程如下：
顶基板电极28(或参考电极)被设置为第一参考电压，在该示例中被设置为-0.5xVEW。
在时段1中，将EWOD数据的帧F1写入阵列元件的阵列元件电极，以便以期望的方式操纵液滴。为了致动在给定阵列元件处的液滴，该阵列元件处的阵列元件电极的电压被写入具有这样的值的第一数据电压，该值使得阵列元件两端的总电压的大小等于或超过将阵列元件置于致动状态所需的电压大小(“阈值电压”)。在该示例中，第一数据电压为 +0.5xVEW，给出了阵列元件两端的总电压为0.5xVEW-(-0.5xVEW)＝VEW——也就是说，阵列元件两端的总电压大小等于阈值电压VEW的大小，因此阵列元件被置于致动状态。为了在给定的阵列元件处不致动液滴，在该阵列元件处的阵列元件电极的电压被写入具有这样的值的第二数据电压，该值使得阵列元件两端的总电压具有比将阵列元件置于致动状态所需的电压(“阈值电压“)低的大小。在该示例中，第二数据电压为-0.5xVEW，给出了阵列元件两端的总电压为-0.5xVEW-(-0.5xVEW)＝0——也就是说，阵列元件两端的总电压为零，并因此小于阈值电压VEW的大小，因此阵列元件不被置于致动状态。图8A示出了针对帧F1写入阵列的示例性数据的图形表示。
在将数据写入阵列的操作完成之后，写入操作被重复多次。在图7 的示例中，写入操作在时段2至N中被另外重复N-1次，使得写入操作被总共执行N次，其中相同的数据被写入并重新写入具有顶基板电极28 的阵列，所述顶基板电极维持在低电压-0.5VEW处。
然后顶基板电极28(参考电极)的电位被切换到第二参考值，在该示例中，切换到电压+0.5xVEW。
然后，帧F1的数据的逆(帧F1B)在时段N+1至2N内被写入并重新写入阵列N次，其中顶基板电极28的电位处于+0.5xVEW。为了将在给定阵列元件处的液滴置于致动状态，该阵列元件处的阵列元件电极的电压被写入具有这样的值的第三数据电压，该值使得阵列元件两端的总电压的大小等于或超过将阵列元件置于致动状态所需的电压大小(“阈值电压”)。在该示例中，第一数据电压为-0.5xVEW，给出了阵列元件两端的总电压为-0.5xVEW-(+0.5xVEW)＝-VEW——也就是说，阵列元件两端的总电压的大小等于阈值电压VEW的大小，因此阵列元件被置于致动状态。为了在给定的阵列元件处不致动液滴，在该阵列元件处的阵列元件电极的电压被写入具有这样的值的第四数据电压，该值使得阵列元件两端的总电压具有比将阵列元件置于致动状态所需的电压(“阈值电压“) 低的大小。在该示例中，第四数据电压为0.5xVEW，给出了阵列元件两端的总电压为0.5xVEW-(+0.5xVEW)＝0——也就是说，阵列元件两端的总电压为零，并因此小于阈值电压VEW的大小，因此阵列元件不被置于致动状态。图8B示出了针对帧F1B写入阵列的示例性数据的图形表示。
然后，顶基板电极28的电位被取为第一参考电压，在该示例中取为-0.5xVEW。
然后对于下一个数据帧F2重复该过程，其中写入帧F2的数据图案可以与帧F1不同，如进行液滴操作所期望的。图8C和图8D示出了针对帧F2和F2B写入阵列的示例性数据的图形表示。
根据这种驱动方法，当液滴负载电路被致动时，在液滴负载电路两端维持+VEW或-VEW的电润湿电压，而当液滴负载电路未被致动时，维持0V。因此，电润湿电压在+VEW和-VEW之间交变，这在仅需要由TFT电路元件切换范围在-0.5xVEW和+0.5xVEW之间的电压时被实现。
如上所述，所描述的驱动方法可能是非理想的，因为将每个数据帧写入阵列所需的时间有限。因此，对于N次中的第一次，写入帧1，在顶基板上的电压转变到阵列元件被写入数据之间存在延迟。对于要写入的阵列的第一行，该延迟非常小，对于要写入的阵列的最后一行，该延迟是仅比写入数据帧所需的时间少的小量。为此，数据被尽可能快地写入，并且每个数据帧被写入N次。因此，阵列元件被写入“错误”状态的最大时间分数约为1/N。如果N足够大，则该时间分数变得无关紧要，因为它足够小，使得液滴4的控制不受非理想驱动信号的影响。通常在操作中N可以为8或更大，并且发现在这些条件下，阵列能够以可接受的方式致动液滴并执行液滴操作(移动、合并、分裂、混合)。本发明的实现还利用了能够由电子器件支持的帧速率通常比写入阵列的数据速率高得多的事实。例如，数据的电写入通常可以是每秒几百帧或更多，而用于操纵流体的数据的典型帧速率是几赫兹或数十赫兹。
对于本领域技术人员将显而易见的是，还可以实现图6的阵列元件电路84的许多变型，而基本上不会改变阵列元件电路的操作的功能或原理。例如，n型开关晶体管110可以被p型晶体管替代，并且ENABLE驱动信号被反相。另一个示例是开关晶体管110可以由串联的两个或更多个器件组成，如在液晶显示像素电路中众所周知的那样，作为使通过开关晶体管的漏电流最小化的方法。
本发明的关键优点在于，可以实现一种AC驱动方法，其中电润湿电压在+VEW和-VEW之间交变，同时仅需要由TFT电路元件切换范围在 -0.5xVEW和+0.5xVEW之间的电压。这通过简单的1晶体管1电容器(1T1C) 阵列元件电路来实现。
1T1C阵列元件电路远小于US8173000中描述的阵列元件电路。这使可以在典型的TFT工艺中实现的阵列元件电路的物理尺寸最小化。由于阵列元件电极的最小尺寸通常受到底层控制电子器件所占据的物理面积的限制，因此阵列元件电极38的最小可实现尺寸也被最小化。因此，1T1C 阵列元件电路能够创建并操纵较小的液滴。小液滴的操纵具有许多小的应用，例如在使用单细胞或单分子测定或数字PCR应用中。
另一个优点是：根据本发明可行的更小和更简单的阵列元件电路导致制造产量的提高。
另一个优点是：在薄膜电子器件设置在部分透明的基板(例如，在标准显示制造TFT工艺中通常使用的玻璃基板)上的情况下，减少阵列元件中的电路组件的数量可以增加阵列元件的光学透明度。例如，当该设备用于执行具有光学读出装置(例如，液滴的吸收、荧光或化学发光的变化)的化学或生化测定时，这可以得到应用。增加阵列元件的透明度具有增加可通过设备传输的光学信号的效果。
另一个优点是：通过使用本实施例的多帧写入方法对阵列进行寻址，写入阵列中的每一个阵列元件电极的电压以相对高的帧速率被持续地刷新。这是有利的，由于以下两个原因。
1.当晶体管110截止时，电路的操作能够容忍通过该晶体管的电荷的相对较高的泄漏。一般来说，电荷从阵列元件电极38通过晶体管110 的泄漏对于性能是有害的，因为它导致阵列元件电极38处的写入电压的下降。与这种驱动方法相关联的快速写入和重新写入减少了在阵列元件电极38处的电压被刷新之前可能发生泄漏的时间。其一个益处是本发明可以使用具有相对高的晶体管泄漏(截止)电流的薄膜晶体管制造工艺来实现(例如，低温多晶硅(LTPS))。第二个益处是可以减小电容器44 的尺寸。该减小也减小了电容器在阵列元件电路中占据的物理布局面积。由于该电容器的物理尺寸通常可以确定阵列元件的电子器件设计的物理尺寸的限制，所以使电容器的值最小化能够实现更小的阵列元件。这进而进一步减小了可以在阵列上操纵的液滴4的最小大小。
2.电路的操作能够更好地容忍与液滴4在阵列上的移动相关联的电荷共享效应。电荷共享效应可以如下解释。考虑阵列元件不具有存在于其位置处的液滴4的情况。然后通过向电极写入电压0.5xVEW来致动该阵列元件的阵列元件电极38。该电压被存储在电容器44上，并且晶体管 110截止。写入元件电极38的电压使相邻阵列元件位置中的液滴4移动到致动电极的位置。作为液滴4的该移动的结果，写入电容器44的电荷在电容器44和负载电路40的电容之间共享。然后，写入元件电极38 的电压由于这种电荷共享而减小取决于电容器40和44之比的量。电压减小的结果是，作用在液滴上的力也减小，并且液滴的移动速度降低。通过实现多帧AC驱动方法，阵列元件电极38处的电压通常以比与液滴移动相关联的速率快得多的速率不断地被刷新。因此，通过实现多帧AC 驱动方法，电荷共享效应可以被大大地消除，并且可以实现更高的液滴转换速度，相比于否则将是这种情况。
已经针对实际上什么是“数字”数据描述了驱动该设备的方法——阵列元件电极38和顶基板电极28之间的电压被写入致动状态(电润湿电压在+VEW和-VEW之间交变)或非致动状态(电润湿电压为零电位)。本领域技术人员将清楚，所描述的驱动方法如何可以被容易地适应，使得模拟数据被写入阵列，并且不同的电压可以被写入不同的阵列元件。例如，为了将VA的致动电压写入给定的阵列元件，电压(VA-0.5xVEW)被写入帧F1中，0.5xVEW-VA的电压被写入帧F1B中，并且VA可以针对阵列内的不同元件具有不同值。
上述驱动设备的方法已经描述了在F1中写入的帧的总数等于在F1B 中写入的帧的总数(等于N)的情况。可选地，可以不是这种情况，并且可以针对帧F1B写入不同数量的帧＝M(其中M≠N)，这将在设备的流体处理性能方面具有基本相同的效果。类似地，可以在F2至F1等中写入不同数量的帧。
上述驱动设备的方法还描述了写入帧F1和F1B中的致动状态的电压幅度在大小上相等并且符号相反的情况。然而，本发明不限于此，并且可选地，对于正帧和负帧，电压信号的大小可以不相等。例如，可以使致动电位等于帧F1中的+0.5xVEW1和帧F2中的-0.5xVEW2，其中VEW1≠VEW2，例如VEW1＝0.9xVEW和VEW2＝1.1xVEW。在设备的流体处理性能方面的整体效果将基本不变。
第一实施例的另一种可能的变型是反相操作(即，参考电极电位的反相和数据的反相)不一定需要在帧的开始处发生，可选地，它可以替代地通过帧中途发生。
本发明的第二实施例如同第一实施例，除了数据写入操作的组织不同。
根据本发明的第二实施例的依据设备的操作的数据帧的布置如图9 所示。第一数据帧F1被写入N次，其中顶基板电极28处于第一参考电位，例如为-0.5xVEW(图9A)。然后顶基板电极28的电位被设置为第二参考电位，例如+0.5xVEW，并且数据帧2的逆数据F2B被写入阵列(图 9B)。然后顶基板电极28的电位被设置为第一参考电位，在该示例中为 -0.5xVEW，并且数据帧3的数据F3被写入阵列(图9C)。然后顶基板电极28的电位被设置为第二参考电位，在该示例中为+0.5xVEW，并且数据帧4的逆数据F4B被写入阵列(图9D)，等等。也就是说，不是如图1 的方法那样每一个数据帧被正常写入多次和反相写入多次，而是每个帧被正常写入多次或与下一帧反相写入多次，该下一帧被反相写入多次或正常写入多次。通过将帧正常写入并将下一帧反相写入，在EWOD元件两端施加的电压的时间平均值被预期为零。
本发明的第二实施例的优点在于增加了唯一数据帧可以被写入阵列的速率。这便于更快的液滴操作，例如，移动、分裂。这在诸如样品制备的高通量操作中可能是重要的，其中可能期望尽可能快地操纵液滴 4。
第二实施例的变型也是可行的。例如，可以组织数据以按照F1、F2、 F3B、F4B、F5、F6、F7B、F8B、……等的顺序写入数据帧，其中反相操作发生在第二、第四、第六和第八数据帧之后。
公开了本发明的第三实施例，其中AM-EWOD设备构造与第一实施例相同，但采用备选的驱动方法来操作设备。在图10中示出了根据该实施例的设备的操作中采用的驱动方法的图形表示。操作原理与第一实施例类似，除了不是写入和重新写入每个唯一的数据帧，而是数据被替代地写入一次，并且在等于执行1帧的写入操作所需的时间的(N-1)倍的保持时间内保持静态。此后，顶基板电极28上的电压信号从第一参考电压改变为第二参考电压，例如从-0.5xVEW反相为+0.5xVEW，并且数据帧F1B 被写入，之后是保持时间。设备的操作原理基本上与第一实施例所述相似。驱动方法是非理想的，因为将数据帧写入阵列所需的时间有限。因此，如上所述，在顶基板上的电压被转变到阵列元件被写入数据之间存在延迟。为此，有利的是尽可能快地写入数据，保持时间的长度应当足够长，使得阵列元件被写入“错误”状态的最大时间分数(大约为1/ (1+t)，其中t是保持时间)足够小。如果是这种情况，则液滴4的控制不受非理想驱动信号的影响。
本发明的第三实施例的优点是通过仅需要写入数据帧一次，显著地减小了设备的功耗。
已经针对以下情况描述了第三实施例：保持时间t对于紧跟帧F1 和帧F1B之后的操作是相同的。可选地，不必须是该情况，在帧F1之后的保持时间为t的情况下，帧F1B之后的保持时间可以长于t或可以短于t，而基本上不影响设备的性能。类似地，正帧和负帧的致动电位可以不同。
将容易显而易见的是，第二和第三实施例的组合也可以通过对图10 的时序示意图的小的改变来实现，例如通过使帧2包含用于F2B的数据而帧3包含用于F3的数据等等。
本发明的第四实施例是具有经修改的行驱动电路76和列驱动电路 78的前述实施例中的任何一个。经修改的行和列驱动电路可以被配置为选择性地对阵列进行寻址，使得仅阵列的一部分可以被写入。这可以被利用，使得在写入/重新写入操作中，仅所写入的数据中的一些或全部与先前帧不同的数据的行被写入。图11中示出了示例性布置，其示出了写入阵列的数据的图形表示。还示出了液滴4在阵列上的位置。根据图11 的操作的描述如下：
在帧F1中，阵列全部被写入。
在帧F1B中，阵列被选择性地寻址，使得仅行3-5被写入。其原因是在行1或行2中的阵列元件中的任何一个上或与其紧邻没有液滴。因此，由于液滴的致动不受它们的影响，不必将数据以其反相状态重新写入行1和行2。
在帧F2中，仅行3-5被写入。即使液滴与行2相邻，行2也不需要被写入，因为帧F1B和帧F2之间的数据没有变化。出于同样的原因，行1不需要被重新写入，另外还有一个原因是行1附近没有液滴。
出于上述同样的原因，帧F2B，行1再次不被重新写入。在这种情况下，行2被重新写入，因为现在液滴的一部分与其相邻。
第四实施例的优点是通过如所描述的选择性地对行进行寻址，可以显著地减少写入数据帧所需的时间。通常在操作中，液滴4可能仅存在于阵列中的行的小部分上。因此，在根据本实施例的设备的操作中，可以显著地减少写入数据帧所需的典型时间。更短的写入时间能够实现将数据写入阵列的更快的速率。因此，增加了液滴可以移动通过阵列的速度。这对于需要快速液滴移动的应用是有利的，例如，诸如样品制备之类的高通量测定。
作为前四个实施例中的任何一个的变型的反相操作的数据和时序的其他布置也是可行的。
本发明的第五实施例在具有如图12所示的阵列元件电路的变型设计的情况下如同前述实施例中的任何一个。根据第五实施例，晶体管110 被SRAM元件112代替，SRAM元件112可以具备具有“DATA”和“ENABLE”输入端子以及“OUT”输出端子的标准构造，这是众所周知的。SRAM“DATA”输入端连接到对阵列的同一列中的每个阵列元件共同的DATA寻址线。SRAM“ENABLE”输入端连接到对阵列的同一行中的每个阵列元件共同的ENABLE寻址线。输出端子OUT连接到阵列元件电极38，从而与负载电路40进行电连接。
根据第五实施例的设备的操作可以如同之前对于实施例1-4中的任何一个所述。
第五实施例的优点是避免了与具有DRAM阵列元件相关联的电荷共享问题。这是因为SRAM电路将用于维持SRAM输出处的电压，而与阵列元件电极38处的电容的任何变化无关。因此，使用SRAM阵列元件电路可以促进更快的液滴移动，这可以有利于在高通量应用中使用该设备。
本发明的第六实施例如同实施例1-4中的任何一个，其附加特征是，紧接在施加到顶基板电极28的电压信号的反相之前，将全局复位施加到阵列中的一些或全部阵列元件。图13中示出了根据该实施例的时序和电压信号的图形表示。操作如同先前针对本发明的第一实施例所描述，附加特征如下：
(1)紧接在顶基板电极28上的电压从第一参考电压转变到第二参考电压之前——在从低电压状态转变为高电压状态的示例中(例如，在写入数据F1的帧N之后)，实现“全局全截止”操作，由此阵列的所有列的DATA线被编程为低，并且所有行的ENABLE线被取为高，以便同时将所有阵列元件编程为“0”。维持全局全截止，直到顶基板电极28电压的转变完成。
(2)紧接在顶基板电极28上的电压从第二参考电压转变到第一参考电压之前——在从高电压状态转变为低电压状态的示例中(例如，在写入数据F1B的帧N之后)，实现“全局全导通”操作，由此阵列的所有列的DATA线被编程为高，并且所有行的ENABLE线被取为高，以便同时将所有阵列元件编程为“1”。维持全局全导通，直到顶基板电极28电压的转变完成。
包含附加的“全局全截止”和“全局全导通”功能的动机是否定这样的效应：即，顶基板电极28上的电压信号的转变可以与写入阵列元件电极38的电压寄生地相互作用。这种寄生效应可以发生在阵列元件电路利用DRAM阵列元件电路84的情况下，例如如图6所示。
寄生效应的操作通过考虑没有全局全截止或全局全导通操作的操作来如下进行描述。
在顶基板电极28的电位改变的时序点处，例如当其从第一参考电压转变到第二参考电压(例如，从-0.5xVEW到+0.5xVEW)时，阵列元件电极38处的电位发生伴随的阶跃变化。由于晶体管110截止，所以阵列元件电路用作电位分压器，并且阵列元件电极38处的电位根据负载电路 40的总有效电容与电容器44的值之比而变化。阵列元件电极38处的电位的阶跃变化被保留这样的时间(忽略通过110的泄漏效应)，直到阵列元件被重新写入。阵列元件电极38的电位的这种寄生变化可能具有不利影响，因为以下两个原因中的一个或两者：
在阵列元件电极38被写入+0.5xVEW并且顶基板电极28电压的转变是从-0.5xVEW到+0.5xVEW的情况下，阵列元件电极38的电位将增加到超过+0.5xVEW的值。这进而可能导致跨越晶体管110的端子(例如，在源极和漏极之间，如果DATA线电位为-0.5xVEW)产生超过VEW的电压。这可能引起该晶体管的操作可靠性的问题。
阵列元件电极38处的电压扰动是存在的负载电路电容的函数。这将导致阵列元件电极38的电位在顶基板电极28的电位转变的时间与阵列元件电位被重新写入数据的时间之间的时段内被不明确地限定。不明确的电位可能导致存在于阵列上的液滴4的不想要的横向位移。
包含全局全导通和/或全局全截止功能通过导通晶体管110并因此在顶基板电极28改变的时间期间固定阵列元件电极38的电位来避免这种寄生效应。因此，本发明的第六实施例的优点是避免了所述与顶基板电极28的寄生耦合的负面影响。这会导致设备可靠性/操作寿命增加，并且更好地控制存在于阵列上的液滴4的位置。
图14示出了如何可以在阵列电路中实现全局全导通和全局截止控制功能的示例电路实现。列驱动电路78另外包括用于阵列的每一列的复用器92。复用器可以具有众所周知的标准设计，并且被布置为如下操作：
当全局输入信号ALLOFF＝1时，写入列线DATA的信号默认为低电压值-0.5xVEW。
当全局输入信号ALLON＝1时，写入列线DATA的信号默认为高电压值+0.5xVEW。
当ALLON＝0并且ALLOFF＝0时，写入列线DATA的信号与由列驱动电路78控制的编程数据相一致。
不允许状态ALLON＝1并且ALLOFF＝1。
行驱动电路76也通过在每条行ENABLE线上添加或门94来进行修改。或门94的一个输入是来自行驱动电路76的输出。或门94的第二输入是来自与门120的输出信号，其由ALLON与ALLOFF全局信号的“与”信号组成。修改后的行驱动电路进行操作，使得如果ALLON或ALLOFF 为高，则所有ENABLE线的输出被覆写高。因此，图14的电路实现了本发明的第六实施例所描述的功能。
显然，存在第六实施例的许多变型，由此可以通过其他方式实现相同的优点。例如，全局全导通/全局全截止信号可以被布置为紧接在顶基板电极28上的电压转变之后发生，从而允许阵列元件电极38的电位的扰动，然后立即对其进行重新写入。备选地，使用仅全局全导通或仅全局全截止功能而存在变型。
根据本发明的第七实施例的设备截面在图15中示出。这如同第一实施例，除了顶基板电极28被省略，并且参考电极代替地由面内对电极 31组成。面内对电极31可以由用于制造阵列元件电极38的相同导电材料组成。在二维上，面内对电极可以由现有技术中描述的二维网格组成。如图15所示，面内对电极31可以具有设置在其自身与液滴4之间的绝缘体层20和/或疏水涂层16。备选地，可以可选地在面内对电极31的附近去除绝缘体层20和/或疏水涂层。除了先前描述为施加到顶基板电极28的电信号被替代地施加到面内对电极31之外，设备的操作如同前述实施例中的任何一个所述。驱动方法及其相关联的优点与前述相同。该实施例的优点在于，通过省略顶基板电极28，可以简化设备的制造和组装方法。
可选地，也可以完全省略顶基板36，从而实现EWOD设备的“开放”配置。
根据本发明的第八实施例，该设备还可以可选地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还可以可选地包含传感器功能，例如如图16所示。阵列元件电路84包含附加的传感器电路109，其可以被配置为感测阵列元件电极38的性质，例如在其处呈现的电阻抗，或例如温度，并且从阵列元件电路返回输出OUT。输出OUT可以通过适当的电子读出电路进一步转换为总体上设备的输出信号，并且来自多个阵列元件的输出可以被组织在芯片上并被转换为整个设备的单个串行输出。图16还示出了可连接到在阵列的同一行中的阵列元件电路之间共享的传感器行选择线的传感器选择输入RWS。传感器选择输入RWS经由电容器114连接到传感器电路109的输入。传感器电路109和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。
所设置的薄膜电子器件74还可以如图17所示进行修改，以包含附加的传感器行寻址电路118和列检测电路86，以便读出从每个阵列元件中的传感器接收的所测量的传感器信号OUT。
例如，传感器可以被配置为感测电容，并且因此执行检测电极阵列 42中的每个阵列元件位置处的液滴4的存在性和大小的操作。备选地，传感器电路可以被配置为感测阵列元件电极38的一些其他性质，例如温度。对于根据本发明的该实施例的设备的操作，将电压信号写入阵列元件电极38的方法与本发明的前述实施例中的任何一个一致，并且传感器进行操作以感测阵列元件电极38的性质，例如在电路的该节点处呈现的电容。
本发明的第九实施例如在图18中示出。该实施例如同前述实施例中的任何一个，其中将参考电极分成可以被彼此独立地驱动的两个或更多个部分，28A和28B。图19示出了根据本实施例的薄膜电子器件和参考电极(设置在顶基板上)的示例布置。参考电极设置在顶基板上，并分成被独立驱动的两个部分，28A和28B。行1-3中的阵列元件利用参考电极28A。行4-6中的阵列元件使用参考电极28B。图20中示出了说明根据本发明的该实施例的示例性数据如何可以写入阵列的图形表示。在帧F1和F2中，控制阵列的行1-3的参考电极28A处于第一和第二参考电压之一(例如，处于+0.5xVEW)，并且控制阵列的行4-6的参考电极28B处于第一和第二参考电压中的另一个(例如，处于-0.5xVEW)。对于帧F1B 和F2B是相反的。然后，数据到阵列的写入如前面实施例所述被组织。第九实施例的优点是通过将参考电极分成多个部分，可以使保持时间更短。这进而便于每帧被重新写入的次数可以减少。这样能够实现更高的数据输入速率，从而能够实现液滴的更快移动。
已经关于在顶基板上形成参考电极的情况描述了第九实施例。然而，本领域技术人员将清楚的是，第九实施例的基本概念如何可以与第七实施例中描述的面内参考电极同等地组合。将划分的参考电极与面内参考电极组合的特别优点在于可以用薄膜电子器件74实现电路，以控制提供给参考电极的每个划分28A、28B……等的电压信号。
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)，即使在结构上与执行本文中本发明的一个或多个示例性实施例中的所述功能的所公开结构不等同。另外，虽然上文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能是想要的和有利的。
本发明的第一方面提供一种利用交变符号的致动电压驱动有源矩阵介质上电润湿(AM-EWOD)设备的方法，所述AM-EWOD设备包括限定相应阵列元件的多个阵列元件电极和参考电极。该方法包括：(i)将参考电极设置为第一参考电压，以及(ii)将一组数据写入该设备的阵列元件的阵列元件电极，由此如果第一数据电压被写入相应的阵列元件电极以在阵列元件两端限定大小等于或大于致动电压并具有第一符号的电压差，则阵列元件被致动，并且如果不同的第二数据电压被写入相应的阵列元件电极，则阵列元件不被致动。也就是说，通过将第一参考电压施加到参考电极并将第一数据电压施加到阵列元件的阵列元件电极而获得的阵列元件两端的电压差具有足够的大小来致动阵列元件，而通过将第一参考电压施加到参考电极并将第二数据电压施加到阵列元件的阵列元件电极而获得的阵列元件两端的电压差不具有足够的大小来致动阵列元件。然后该方法包括：(iii)以下操作中的任何一个：(a)维持写入阵列元件电极的电压，直到时间t0，或(b)将该组数据重新写入阵列元件的阵列元件电极N-1次(其中N≥2)。
然后该方法包括：(iv)将参考电极设置为不同于第一参考电压的第二参考电压；(v)将另一组数据写入所述设备的至少一些阵列元件的阵列元件电极，由此如果第三数据电压被写入相应的阵列元件电极以在阵列元件两端限定大小等于或大于致动电压且具有与第一符号相反的第二符号的电压差，则阵列元件被致动，并且如果不同的第四数据电压被写入相应的阵列元件电极，则阵列元件不被致动(即，通过将第二参考电压施加到参考电极并将第三数据电压施加到阵列元件的阵列元件电极而获得的阵列元件两端的电压差具有足够的大小来致动阵列元件，而通过将第二参考电压施加到参考电极并将第四数据电压施加到阵列元件的阵列元件电极而获得的阵列元件两端的电压差不具有足够的大小来致动阵列元件)；以及(vi)以下操作中的任何一个：(a)维持写入阵列元件电极的电压，直到时间t1，或(b)将该另一组数据重新写入所述至少一些阵列元件的阵列元件电极M-1次(其中M≥2)。
M和N的值可以彼此相同或彼此不相同。
M和N可以均大于或等于8。在本发明的方法中，数据被写入阵列的元件，然后通过重新写入数据N-1次或M-1次或通过维持电压直到时间t0或t1来“保持”一段时间。当数据被首先写入时，将每个数据帧写入阵列所需的有限时间意味着在参考电极上的电压转变的时间与给定阵列元件接着被写入数据的时间之间存在延迟。在该延迟时间期间，阵列元件两端的电压由施加到参考电极的“新”电压和施加到阵列的阵列元件电极的“老”电压确定，从而根据数据，给定阵列元件可能被编程为不正确的状态。通过多次执行写入处理，或者通过维持写入阵列元件的电压直到时间t0或t1，设备“保持”正确数据值的时间相对于可能保持不正确数据值的时间而增加，并且通过使保持时间显著大于帧写入操作的时间，元件可能处于不正确状态的时间在其对不想要地扰动液滴操作的影响方面可以不显著。
类似地，在通过维持写入阵列元件的电压直到时间t0或t1来“保持”数据的实施例中，维持电压的时间的持续时间应显著大于帧写入操作的时间；例如，维持电压的时间的持续时间优选地为将数据帧写入阵列所需的时间的长度的至少7倍。
第二参考电压可以具有与第一参考电压相反的符号。
第一和第二参考电压可以具有彼此相等的大小。
第一和第二参考电压的大小可以是致动电压的大小的大约一半。
第一数据电压可以具有与第二数据电压相同的大小，并且可以具有与第二数据电压相反的符号。
第一数据电压可以具有与第三数据电压相同的大小并且可以具有与第三数据电压相反的符号。
第一数据电压可以具有与第四数据电压相同的大小和符号。
第一至第四数据电压的大小可以是致动电压的大小的大约一半。布置第一和第二参考电压的大小以及第一至第四数据电压的大小为致动电压(VEW)的大小的一半意味着可以实现在+VEW和-VEW之间交变的阵列元件两端的总电压，同时仅需要切换范围在-0.5xVEW和-0.5xVEW之间的电压。然而，应当理解，原则上，第一和第二参考电压的大小和/或第一至第四数据电压的大小可以大于致动电压的大小的一半，因为这仍使得设备能够根据本发明被驱动，尽管不得不切换更大的电压。
该组数据可以对应于第一数据帧，该另一组数据可以对应于第一数据帧的逆。
备选地，该组数据可以对应于针对设备的一部分的第一数据帧，该另一组数据可以对应于针对设备的该部分的第一数据帧的逆。
备选地，该组数据可以对应于第N数据帧，该另一组数据可以对应于第(N+1)数据帧。
备选地，该组数据可以对应于第N数据帧，该另一组数据可以对应于第(N+1)数据帧的逆。
备选地，该组数据可以对应于第N数据帧的逆，该另一组数据可以对应于第(N+1)数据帧。
写入该另一组数据可以包括将数据仅写入具有在第N数据帧和第 (N+1)数据帧之间变化的数据值的阵列元件。
该方法还可以包括：在(iv)将参考电极设置为第二参考电压之前将所有阵列元件设置为致动状态，或者还包括：在(iv)将参考电极设置为第二参考电压之前将所有阵列元件设置为非致动状态。
本发明的第二方面提供一种有源矩阵介质上电润湿(AM-EWOD)设备，包括：
限定相应阵列元件的多个阵列元件电极；
参考电极；
用于驱动相应阵列元件的阵列元件电极驱动电路；
参考电极驱动电路；以及
控制器，被配置为根据输入数据控制所述阵列元件电极驱动电路和所述参考电极驱动电路执行所述第一方面的方法。
阵列元件驱动电路可以包括：
连接到所述阵列元件电极的电容器；以及
连接在数据电压输入和所述阵列元件电极之间的开关，所述开关具有连接到控制输入的控制端子。
备选地，所述阵列元件驱动电路可以包括连接在数据电压输入和所述阵列元件电极之间的静态随机存取存储器，所述静态随机存取存储器具有连接到控制输入的控制端子。
本发明提供一种AM-EWOD设备和驱动方法，其选择性地将AC电压施加到阵列上的液滴。驱动方法的一个示例是按照以下顺序：
(1)施加到参考电极28的电压是第一参考电压，例如处于低电平 -0.5xVEW
(2)诸如将阵列内的每个阵列元件电极的电位控制为-0.5xVEW(液滴未致动)或+0.5xVEW(液滴致动)所需要的数据帧被快速写入阵列
(3)存在使参考电极28保持静态的保持时间以及以下操作中的任何一个
a.相同的数据被重复地重新写入，或者
b.阵列被维持静态，其中编程数据存储在每个阵列元件内
(4)施加到参考电极28的电压被切换到第二不同的参考电压，例如，被切换到高电平+0.5xVEW
(5)使用写入阵列的反相数据帧重复步骤(2)～(3)，使得+0.5xVEW对应于非致动状态且-0.5xVEW对应于致动状态。(通过“反相数据帧” (也称为“逆数据帧”)是意指如下的数据帧：当在原始数据帧F1中它被编程为低时给定阵列元件被编程为高，且反之亦然——即，当在原始数据帧中它被编程为高时给定阵列元件被编程为低。)
(6)施加到参考电极28的电压被切换到第一参考电压(即，低电平-0.5xVEW)，并且重复该过程，其中根据需要使用新的数据帧。
根据这种驱动方法，当液滴负载电路被致动时，在液滴负载电路40 两端维持+VEW或-VEW的电润湿电压，而当液滴负载电路40未被致动时，维持0V。因此，实现了在+VEW和-VEW之间交变的致动电压，而仅需要由TFT电路元件切换范围在-0.5xVEW和+0.5xVEW之间的电压。
所描述的驱动方法的一个特征在于，由于将每个数据帧写入阵列所需的时间有限，在参考电极28上的电压转变的时间与给定阵列元件接着被写入数据的时间之间存在“延迟时间”。在该延迟时间期间，阵列元件两端的电压由施加到参考电极的“新”电压和施加到阵列的阵列元件电极的“老”电压确定，从而根据数据，给定的阵列元件可能被编程为“错误”状态。通过多次执行写入处理，或者通过维持写入阵列元件的电压，增加了设备“保持”特定数据值的时间，并且通过使帧写入操作花费比保持时间显著少的时间，可以使误差时间在其对不想要地扰动液滴操作的影响方面不明显。通常发现保持时间应是写入数据帧所需的时间的8倍或更大。
本发明的实现还利用了可以由电子器件支持的帧速率通常比写入阵列的数据速率高得多的事实。例如，数据的电写入通常可以是每秒几百帧或更多，而用于操纵流体的典型的数据帧速率是几赫兹或数十赫兹。
本发明的关键优点在于，可以实现一种AC驱动方法，其中电润湿电压在+VEW和-VEW之间，同时仅需要由TFT电路元件切换范围在-0.5xVEW和+0.5xVEW之间的电压。
这可以通过简单的阵列元件电路来实现，例如简单的1晶体管1电容器(1T1C)阵列元件电路。1T1C阵列元件电路远小于US8173000中描述的阵列元件电路。这使得阵列元件的物理尺寸最小化，进而使得能够创建和操纵更小的液滴。更小和更简单的阵列元件电路还提高了制造产量并且增加了阵列元件的光学透明度。
为了完成前述和相关目的，本发明然后包括：在下文中完全描述且在权利要求中具体指出的特征。以下描述和附图详细阐述了本发明的特定说明性实施例。然而，这些实施例仅指示可以采用本发明原理的各种方式中的一些方式。在结合附图考虑时，根据下面对本发明的详细说明，本发明的其他目的、优点和新颖性特征将变得清楚。
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 第一疏水表面
20 绝缘体层
26 第二疏水表面
28 参考电极
31 面内对电极
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 液滴负载电路
42 电极阵列
44 电容器
72 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
86 列检测电路
92 复用器
94 或门
109 传感器电路
112 SRAM元件
114 电容器
118 传感器行寻址电路

Claims (22)

1.一种利用交变符号的致动电压驱动有源矩阵介质上电润湿AM-EWOD设备的方法，所述AM-EWOD设备包括限定相应阵列元件的多个阵列元件电极和参考电极，所述方法包括：
(i)将所述参考电极设置为第一参考电压；
(ii)将一组数据写入所述设备的阵列元件的阵列元件电极，由此如果第一数据电压被写入相应的阵列元件电极以在阵列元件两端限定大小等于或大于致动电压并具有第一符号的电压差，则阵列元件被置于致动状态，并且如果不同的第二数据电压被写入相应的阵列元件电极，则阵列元件被置于非致动状态；
(iii)以下操作中的任何一个：
(a)维持特征(ii)中写入阵列元件电极的电压，直到时间t0，
或者
(b)将该组数据重新写入阵列元件的阵列元件电极N-1次，其中N≥2；
(iv)将所述参考电极设置为不同于所述第一参考电压的第二参考电压；
(v)将另一组数据写入所述设备的至少一些阵列元件的阵列元件电极，由此如果第三数据电压被写入相应的阵列元件电极以在阵列元件两端限定大小等于或大于致动电压并具有与第一符号相反的第二符号的电压差，则阵列元件被置于致动状态，并且如果不同的第四数据电压被写入相应的阵列元件电极，则阵列元件被置于非致动状态；以及
(vi)以下操作中的任何一个：
(a)维持特征(v)中写入阵列元件电极元件的电压，直到时间t1 ，或者
(b)将该另一组数据重新写入所述至少一些阵列元件的阵列元件电极M-1次，其中M≥2。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述第二参考电压具有与所述第一参考电压相反的符号。
3.如权利要求2所述的方法，其中所述第一参考电压和所述第二参考电压具有彼此相等的大小。
4.如权利要求3所述的方法，其中所述第一参考电压和所述第二参考电压的大小为所述致动电压的大小的一半。
5.如权利要求2、3或4所述的方法，其中所述第一数据电压具有与所述第二数据电压相同的大小，并且具有与所述第二数据电压相反的符号。
6.如权利要求2、3或4所述的方法，其中所述第一数据电压具有与所述第三数据电压相同的大小，并且具有与所述第三数据电压相反的符号。
7.如权利要求5所述的方法，其中所述第一数据电压具有与所述第三数据电压相同的大小，并且具有与所述第三数据电压相反的符号。
8.如权利要求2、3或4所述的方法，其中所述第一数据电压具有与所述第四数据电压相同的大小和符号。
9.如权利要求5所述的方法，其中所述第一数据电压具有与所述第四数据电压相同的大小和符号。
10.如权利要求6所述的方法，其中所述第一数据电压具有与所述第四数据电压相同的大小和符号。
11.如权利要求7所述的方法，其中所述第一数据电压具有与所述第四数据电压相同的大小和符号。
12.如权利要求4所述的方法，其中所述第一数据电压具有与所述第二数据电压相同的大小，并且具有与所述第二数据电压相反的符号，并且所述第一数据电压至所述第四数据电压的大小为所述致动电压的大小的一半。
13.如权利要求4所述的方法，其中所述第一数据电压具有与所述第三数据电压相同的大小，并且具有与所述第三数据电压相反的符号，并且所述第一数据电压至所述第四数据电压的大小为所述致动电压的大小的一半。
14.如权利要求4所述的方法，其中所述第一数据电压具有与所述第四数据电压相同的大小和符号，并且所述第一数据电压至所述第四数据电压的大小为所述致动电压的大小的一半。
15.如权利要求1所述的方法，其中该组数据对应于第一数据帧，并且该另一组数据对应于所述第一数据帧的逆。
16.如权利要求1所述的方法，其中该组数据对应于针对所述设备的一部分的第一数据帧，并且该另一组数据对应于针对所述设备的所述部分的所述第一数据帧的逆。
17.如权利要求1所述的方法，其中该组数据对应于第N数据帧，并且该另一组数据对应于第N+1数据帧或对应于第N+1数据帧的逆。
18.如权利要求17所述的方法，其中写入该另一组数据包括：将数据仅写入数据值在所述第N数据帧和所述第N+1数据帧之间改变的阵列元件。
19.如权利要求1所述的方法，还包括：在(iv)将所述参考电极设置为第二参考电压之前将所有阵列元件设置为致动状态，或者还包括：在(iv)将所述参考电极设置为第二参考电压之前将所有阵列元件设置为非致动状态。
20.一种有源矩阵介质上电润湿AM-EWOD设备，包括：
限定相应阵列元件的多个阵列元件电极；
参考电极；
用于驱动相应阵列元件的阵列元件电极驱动电路；
参考电极驱动电路；以及
控制器，被配置为根据输入数据控制所述阵列元件电极驱动电路和所述参考电极驱动电路执行如权利要求1至19中任一项所述的方法。
21.如权利要求20所述的AM-EWOD设备，其中所述阵列元件驱动电路包括：
连接到所述阵列元件电极的电容器；以及
连接在数据电压输入和所述阵列元件电极之间的开关，所述开关具有连接到控制输入的控制端子。
22.如权利要求20所述的AM-EWOD设备，其中所述阵列元件驱动电路包括连接在数据电压输入和所述阵列元件电极之间的静态随机存取存储器，所述静态随机存取存储器具有连接到控制输入的控制端子。
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