CN110542709A - 具有共享传感器组件的am-ewod阵列元件电路 - Google Patents

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Abstract

一种AM‑EWOD器件包括：布置成具有行和列的阵列的多个阵列元件，每个阵列元件包括阵列元件电路、元件电极和参考电极。阵列元件电路包括：致动电路，其将致动电压施加到元件电极和参考电极；以及阻抗传感器电路，其感测阵列元件电极处的阻抗以确定阵列元件处的液滴性质。阻抗传感器电路的至少一个组件是在多于一个的阵列元件之间共享的共享组件。共享组件可以包括：共享传感器读出晶体管，其将传感器电流传递给传感器输出线；以及共享复位晶体管，其将复位电压施加到共享传感器读出晶体管的栅极，这些共享组件由相邻行中的阵列元件共享。共享组件可以包括在相邻列中的阵列元件之间共享的共享传感器输出列线。

Description

具有共享传感器组件的AM-EWOD阵列元件电路
技术领域
本发明涉及液滴微流体器件，更具体地，涉及用于针对每个阵列元件进行致动和感测的有源矩阵介质上电润湿(AM-EWOD)器件和阵列元件电路。
背景技术
介质上电润湿(EWOD)是用于通过施加电场来操纵流体的液滴的公知技术。有源矩阵EWOD(AM-EWOD)是指例如通过使用薄膜晶体管(TFT)，在包含晶体管的有源矩阵阵列中实现EWOD。因此，它是用于芯片上实验室技术的数字微流体的候选技术。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-chippossible？”,R.B.Fair,Microfluid Nanofluid(2007)3:245-281。
图1是描绘出示例性基于EWOD的微流体系统的图。在图1的示例中，微流体系统包括读取器32和盒34。盒34可以包含微流体器件(例如，AM-EWOD器件36)以及常规的进入器件的流体输入端口和电连接(未示出)。流体输入端口可以执行将流体输入到AM-EWOD器件36中并在器件内生成液滴的功能(例如，通过由电润湿控制从输入储液器进行分配)。如下面进一步详述的，微流体器件包括电极阵列，该电极阵列被配置为接收输入的流体液滴。
微流体系统还可以包括控制系统，该控制系统被配置为控制施加到微流体器件的电极阵列的致动电压以执行对流体液滴的操纵操作。例如，读取器32可以包含被配置为控制电子器件38和存储设备40的控制系统，存储设备40可以存储与系统相关联的任何应用软件和任何数据。控制电子器件38可以包括被配置为执行与AM-EWOD器件36的控制有关的各种控制操作的合适的电路和/或处理设备，例如CPU、微控制器或微处理器。
在图1的示例中，提供外部传感器模块35用于感测液滴性质。例如，可以将本领域已知的光学传感器用作用于感测液滴性质的外部传感器。合适的光学传感器包括相机设备、光传感器、电荷耦合器件(CCD)和类似的图像传感器等。如下面进一步详述的，传感器备选地可以被配置为作为每个阵列元件中的驱动电路的一部分而被包含的内部传感器电路。这种传感器电路可以通过检测阵列元件处的电性质(例如阻抗或电容)来感测液滴性质。
图2是以示意透视图描绘出示例性AM-EWOD器件36的附加细节的图。AM-EWOD器件36具有下基板44，在下基板44上设置有薄膜电子器件46。薄膜电子器件46被布置为驱动阵列元件电极48。多个阵列元件电极48布置在电极或元件二维阵列50中，该电极或元件二维阵列50具有N行乘M列的阵列元件，其中N和M可以是任何整数。液体液滴52可以包括任何极性的液体并且通常可以是水性的，液体液滴52被封装在由间隔物56分开的下基板44和顶基板54之间，但是应当理解，可以存在多个液体液滴52。
图3是描绘出通过图2的示例性AM-EWOD器件36的一些阵列元件的横截面的图。在图3所描绘的AM-EWOD器件的部分中，该器件包括在横截面中示出的一对阵列元件电极48A和48B，该阵列元件电极48A和48B可以用于图3的AM-EWOD器件36的电极或元件阵列50。AM-EWOD器件36还包含设置在下基板44上的薄膜电子器件46，下基板44与顶基板54被间隔物56分开。图案化下基板44的最上层(可以被认为是薄膜电子器件层46的一部分)，从而实现多个阵列元件电极48(例如，阵列元件电极的具体示例是图3中的48A和48B)。术语元件电极48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48，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58，其设置在顶基板54上，但参考电极备选地可以设置在下基板44上以实现平面内参考电极的几何形状。术语参考电极58也可以在以下内容中被理解为指代物理电极结构以及指代直接连接到该物理结构的电路的节点这两者或这两者中的任一个。
在AM-EWOD器件36中，非极性流体60(例如油)可以用于占据未被液体液滴52占据的体积。绝缘体层62可以设置在下基板44上，绝缘体层62将导电的元件电极48A和48B与第一疏水涂层64分开，液体液滴52以θ表示的接触角66位于第一疏水涂层64上。疏水涂层由疏水材料(通常但不一定是含氟聚合物)形成。在顶基板54上是第二疏水涂层68，液体液滴52可以与第二疏水涂层68接触。参考电极58插入在顶基板54和第二疏水涂层68之间。
液体液滴的接触角θ如图3所示进行定义，并且通过固体液体(γSL)、液体气体(γLG)和非离子流体(γSG)界面之间的表面张力分量的平衡来确定，在不施加电压的情况下满足杨氏定律，等式由下式给出：
在操作中，可以将称为EW驱动电压(例如，图3中的VT、V0和V00)的电压从外部施加到不同的电极(例如，分别施加到参考电极58、元件电极48A和48B)。有效建立的结果电力控制疏水涂层64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，48A和48B)，液体液滴52可以在两个基板之间的横向平面中移动。
图4A示出了在存在液体液滴52的情况下元件电极48和参考电极58之间的电负载70A的电路表示。液体液滴52通常可以被建模为并联的电阻器和电容器。通常，液滴的电阻将相对低(例如，如果液滴含有离子)，液滴的电容将相对高(例如，因为极性液体的相对介电常数相对高，例如，如果液体液滴是水性的，则相对介电常数约为80)。在许多情况下，液滴电阻相对小，使得在用于电润湿的感兴趣的频率下，液体液滴52可以有效地起电短路的作用。疏水涂层64和68具有可以被建模为电容器的电特性，并且绝缘体62也可以被建模为电容器。元件电极48和参考电极58之间的总阻抗可以由如下电容器近似，该电容器的值通常由绝缘体62的贡献和疏水涂层64和68的贡献起决定性作用，并且对于典型的层厚度和材料，该电容器的值可以是皮法(pico-Farad)量级的。
图4B示出了在不存在液体液滴的情况下元件电极48与参考电极58之间的电负载70B的电路表示。在这种情况下，液体液滴组件由表示占据顶基板和下基板之间的空间的非极性流体60的电容的电容器替代。在这种情况下，元件电极48和参考电极58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起决定性作用，并且该电容器的值通常小，处于飞法(femto-Farads)量级。
出于驱动和感测阵列元件的目的，电负载70A/70B在效果方面总体上起电容器的作用，其值取决于在给定元件电极48处是否存在液体液滴52。在存在液滴的情况下，电容相对高(通常为皮法量级)，而如果不存在液体液滴，则电容低(通常为飞法量级)。如果液滴部分地覆盖给定电极48，则电容可以近似表示元件电极48被液体液滴52覆盖的程度。
US 7,163,612(Sterling等人，2007年1月16日发布)描述了可以如何使用基于TFT的薄膜电子器件来通过使用与有源矩阵显示技术中采用的电路布置非常相似的电路布置来控制到EWOD阵列的电压脉冲的寻址。US 7,163,612的方法可以称为“Active MatrixElectro-wetting on Dielectric(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在下基板上。
·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来生产相对大的基板面积。
·在标准工艺中制造的TFT可以设计成在比标准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的电润湿电压。
图5是描绘出图2的示例性AM-EWOD器件36中的薄膜电子器件46的示例性布置的图。薄膜电子器件46位于下基板44上。元件阵列50的每个阵列元件51包含用于控制对应元件电极48的电极电位的阵列元件电路72。还在薄膜电子器件46中实现集成的行驱动器电路74和列驱动器电路76，以向阵列元件电路72提供控制信号。阵列元件电路72还可以包含用于检测阵列元件的位置中存在或不存在液体液滴的传感器能力。还可以在薄膜电子器件中实现集成的传感器行寻址78和列检测电路80，以用于每个阵列元件中的传感器电路的寻址和读出。
还可以提供串行接口82以处理串行输入数据流并且便于将所需电压编程到阵列50中的元件电极48。电压供电接口84提供对应的供电电压、顶基板驱动电压以及其它必要的电压输入，如本文进一步描述的。即使对于大的阵列尺寸，下基板44与外部控制电子器件、电源和任何其它组件之间的连接布线86的数量也可以相对少。可选地，串行数据输入可以部分地并行化。例如，如果使用两个数据输入线，则在对列驱动器电路76进行较小修改的情况下，第一个数据输入线可以为列1至X/2提供数据，第二个数据输入线可以为列(1+X/2)至M提供数据。以这种方式，增加了可以将数据编程到阵列的速率，其是液晶显示驱动电路中使用的标准技术。
已经描述了控制AM-EWOD器件以感测液滴以及执行期望的液滴操纵的各种方法。例如，US 2017/0056887(Hadwen等人，2017年3月2日公布)描述了使用电容检测来感测试剂的动态性质来作为用于确定测定输出的方法。
图6是描绘出包括用于体现申请人的先前设计的AM-EWOD器件的示例性阵列元件电路在内的阵列元件的图。该基本电路具有3个薄膜晶体管(TFT T1、T2和T3)和2个电容器(C1和C2)，并且与7条寻址线相关联。这里以及贯穿全文，像素电路基于以下惯例绘制。像素的边界由虚线表示。行寻址线和列寻址线被示出为分别沿水平方向和垂直方向通过像素。原则上可以以行线或列线提供的电源连接由短水平线示出(例如，图6中的VCCA)。连接布线用焊点示出，没有点的交叉线不连接。
标记为电极的节点连接到阵列元件电极。组件CI、RDROP和CDROP表示在操作情况下存在于器件电极和顶部电极TP之间的近似负载。由于这些组件不是薄膜电路的明确组成部分，因此它们不包括在所述设计组件计数中。CI表示疏水涂层与液滴的上表面和下表面以及包含到器件中的任何其它绝缘体层接触的电容。RDROP和CDROP的值将基于液滴的存在或不存在而变化，如上面针对图4A和图4B所描述的。具有该基本电路设计的示例AM-EWOD器件在申请人的共同转让的US 8,653,832(Hadwen等人，2014年2月18日发布)和US 2018/0078934(Hadwen等人，2018年3月22日公布)中描述。
图6的电路通常如下操作。为了通过将电压数据写入所述阵列元件来编程阵列元件，将要被编程的电压加载到寻址线SL上，并且将脉冲施加到适合于被编程的行的栅极线GL。这将开关晶体管T1导通，并且将连接到电极的电路节点充电到编程电压。当GL取值为低时，该电压被保持，存储在存储电容器C1上。通常，C1比第二或传感器电容器C2大至少大约一个数量级。为了执行感测，在复位步骤中，通过RST信号导通复位晶体管T2，因此传感器读出晶体管T3的栅极充电到VCCA。VCCA是低于T3的阈值电压而选择的复位电位，使得T3保持关断，并且将任何先前的电压清除。在感测步骤中，对寻址线RWS进行脉冲驱动。在RWS脉冲的持续时间内，电极电位被扰动到更高的电压。所获得的电压改变主要是电容器C1与电极处的总电容之比的函数，其包括与存在还是不存在液滴相关联的负载。传感器电容器执行将电极电位的扰动AC耦合到T3的栅极的功能。因此，T3栅极处的扰动电位仅是电极处的电压改变(扰动)的函数，而不是电极电压的DC电平。扰动通过传感器电容器C2耦合到T3的栅极，因此晶体管T3导通到由耦合的脉冲的幅度确定的程度。所得到的电流通过T3并沿传感器输出列线COL灌入，然后可以通过阵列的列的底部处的列检测电路(未示出)来感测。
图7是描绘出被配置为2×2元件阵列的图6的多个阵列元件的图。应当理解，可以将任何合适数量的阵列元件包含到期望尺寸的具有行和列的二维阵列中。当以这种方式将阵列元件配置为阵列时，每个阵列元件包含其自己的3个晶体管/2个电容器电路，即在每个阵列元件的电路中重复各种电路元件。
在对于某些应用或情况来说可能有利时，可以修改图6和图7的基本阵列元件电路。图8是描绘出包括用于体现申请人的另一先前设计的AM-EWOD器件的示例性阵列元件电路在内的阵列元件的图。在申请人的共同转让的US 2017/0076676(Hadwen，2017年3月16日公布)中描述了相当的配置。在该实现方式中，可以将US 8,653,832的3个晶体管/2个电容器的感测电路与2个晶体管/1个电容器的阵列元件致动电路组合。因此，该实现方式包含总共5个晶体管、3个电容器和9条寻址线，附加的致动电路与所描述的阻抗传感器电路组合。寻址线控制对包括晶体管T4和电容器C3在内的附加动态RAM存储器电路的访问。被编程到该电容器的电压反过来控制来自致动电路的输入信号是否连接到阵列元件电极，这取决于写入C3的电压是否足以导通T5。输入信号SEL还可以用于在操作感测功能时将元件电极与致动信号隔离。在其它方面，感测功能可以如针对图6所描述的那样相当地进行。另外，当图8的实施例被配置为具有多个这样的元件的阵列时，类似于图7所示，每个阵列元件包含其自己的3个晶体管/2个阻抗传感器电路，即在每个阵列元件中重复各种电路元件。
图9是描绘出包括用于体现申请人的另一先前设计的AM-EWOD器件的示例性阵列元件电路在内的阵列元件的图。在申请人的共同转让的US 8,173,000(Hadwen等人，2012年5月8日发布)中描述了相当的配置。在该实现方式中，可以将US 8,653,832的3个晶体管/2个电容器阻抗传感器电路与包含SRAM单元在内的致动电路和存储器功能组合。存储器功能包括n型开关晶体管T4、p型开关晶体管T5、第一反相器I1和第二反相器I2。该实现方式还包括包含2个模拟开关S1和S2在内的反相电路。电容Ch和CI指代包括疏水涂层和绝缘体层在内的器件层的电容。如US 8,173,000中所述，通过施加电压脉冲来写入存储器功能，以便导通开关晶体管T4或T5中的一个。将因此而写入的输入电压提供给反相电路。反相电路的操作提供反相的存储器节点信号，该反相的存储器节点信号可以从到SRAM单元的两个反相器之间的节点的连接获得。在其它方面，感测功能可以如针对图6所描述的那样相当地进行。另外，当图9的实施例被配置为具有多个这样的元件的阵列时，类似于图7所示，每个阵列元件包含其自己的3个晶体管/2个电容器阻抗传感器电路，即在每个阵列元件中重复各种电路元件。
对于许多应用，有动机使阵列元件尺寸尽可能小(例如，100μm或更小)。例如，可以通过减小阵列元件的尺寸来减小可以操纵的最小流体体积。对于某些应用(例如，基于细胞的测定或数字测定)，期望减小液滴尺寸，这可以通过减小阵列元件的整体尺寸来实现。减小的液滴尺寸可以改进测定化学反应，因为较小的液滴移动和混合得更快，从而更有效地使用昂贵的试剂。这相关地可以防止使感兴趣的物种(例如，单个细胞、物种固定在不必要的大量周围流体上的液珠等)稀释。如果周围的液滴太大，这会使检测更加困难；例如，如果裂解细胞以分析其成分，则这些成分在周围的液体中被稀释。减小的液滴尺寸还可以允许每芯片面积操作更多数量的液滴，增加可以在相同尺寸的器件上进行的并行操作的数量，或者允许整体减小器件尺寸。
对于使用TFT电子器件作为背板的AM-EWOD器件，最小阵列元件尺寸通常受阵列元件电路的物理尺寸的限制，其对应于上面提及的阵列元件电路的晶体管、电容器和寻址线所占据的布局面积。对于常规的3μm TFT沉积工艺(例如，可以用于智能电话应用和用于AM-EWOD器件的LTPS显示器的工艺)，根据所使用的像素电路的选择，像素尺寸被限制为100μm至200μm。AM-EWOD器件的阵列元件尺寸是电极的物理尺寸加上相邻电极之间的间隙。已经报道了具有尺寸小至21μm的阵列元件的无源数字微流体器件的最小液滴体积为5pL(A.Rival,D.J.C.Delattre,Y.Fouillet,G.Castellan,A.B.-C.Gidrol and X.,“An EWOD-based microfluidic chip for single-cell isolation,mRNA purification andsubsequent multiplex qPCR,”Lab on a Chip,vol.19,pp.3739-3749,2014)。
即使阵列元件尺寸没有显著减小，还可以有动机简化AM-EWOD器件中的阵列元件电路。具有较少晶体管的阵列元件电路可以提高制造产量，并降低TFT电子器件中的功耗。
共享传感器读出电路的构思在CMOS图像传感器中是已知的。例如，US7,087,883(He等人，2006年8月8日发布)描述了一种布置，借由该布置在相邻行中的像素之间共享传感器读出晶体管。这是通过连接在单独像素中的节点和共享读出晶体管之间的每个共享像素中的选择晶体管实现的。相当的原理尚未应用于AM-EWOD器件，因为共享节点和单独像素之间的耦合是借助于具有集成感测的AM-EWOD器件中的电容器实现的，并且CMOS图像传感器不以这种方式操作。
发明内容
本发明涉及AM-EWOD器件中阵列元件电路的增强配置，其实现了具有可忽略的功能损失的简化的阵列元件电路。可以通过将来自相邻行或列中的阵列元件的组件或寻址线进行组合来简化AM-EWOD阵列元件电路。在示例性实施例中，两个或更多个阵列元件的电极AC耦合到传感器读出晶体管的输入。因此，传感器读出晶体管对于来自多行的阵列元件来说是公共的。另外，用于寻址传感器读出晶体管的栅极处的节点的复位晶体管对于来自多行的阵列元件来说同样是公共的。因此，复位信号和电源线对于多行来说也是公共的。
在另一示例性实施例中，传感器列读出线在相邻列中的两个阵列元件之间是公共的。两个阵列元件可以具有不同的电路配置，将控制信号适当地定时以共享传感器读出。
与常规配置相比，本文中所描述的实施例在提供更简单的阵列元件电路方面具有优势。因此，所描述的实施例具有减少的组件数量和/或减少的寻址线数量，这可以提高产量和/或允许阵列元件的物理尺寸更小。
因此，本发明的一方面是一种AM-EWOD器件，其通过提供多个阵列元件的阻抗传感器电路的共享组件而具有增强的阵列元件电路。在示例性实施例中，AM-EWOD器件包括布置成具有行和列的阵列的多个阵列元件，每个阵列元件包括阵列元件电路、元件电极和参考电极。阵列元件电路包括：致动电路，其被配置为将致动电压施加到元件电极和参考电极以用于致动阵列元件；以及阻抗传感器电路，其被配置为感测阵列元件电极处的阻抗以确定阵列元件处的液滴性质，其中阻抗传感器电路的至少一个组件是在多于一个的阵列元件之间共享的共享组件。
在示例性实施例中，共享组件包括：共享传感器读出晶体管，其将传感器电流传递给传感器输出线；以及共享复位晶体管，其将复位电压施加到共享传感器读出晶体管的栅极，这些组件由相邻行中的阵列元件共享。在其它示例性实施例中，共享组件包括在相邻列中的阵列元件之间共享的共享传感器输出列线。
本发明的另一方面是一种操作任何实施例的AM-EWOD的方法，其中阻抗传感器电路包括在多于一个的阵列元件之间共享的组件。在示例性实施例中，该方法包括：利用致动电路将致动电压施加到第一阵列元件和/或第二阵列元件的元件电极和参考电极，以致动第一阵列元件和/或第二阵列元件；以及使用所述阻抗传感器电路执行感测操作。
感测操作可以包括如下步骤：通过向所述共享组件施加复位电位来复位阻抗传感器电路的共享组件处的电位；通过对到第一阵列元件的阻抗传感器电路的寻址线进行脉冲驱动来对第一阵列元件执行感测操作，并且从共享组件读取输出电流以感测第一阵列元件的阵列元件电极处的阻抗，以确定第一阵列元件处的液滴性质；以及通过对到第二阵列元件的阻抗传感器电路的寻址线进行脉冲驱动来对第二阵列元件执行感测操作，并且从共享组件读取输出电流以感测第二阵列元件的阵列元件电极处的阻抗，以确定第二阵列元件处的液滴性质；其中，在不同时间处对第一阵列元件和第二阵列元件的寻址线进行脉冲驱动。
在示例性实施例中，感测操作可以包括如下步骤：通过向所述第一阵列元件和第二阵列元件的阻抗传感器电路施加复位电位来复位第一阵列元件和第二阵列元件的阻抗传感器电路处的电位；通过对到第一阵列元件和第二阵列元件的阻抗传感器电路的共享寻址线进行脉冲驱动来对第一阵列元件执行感测操作，并从共享传感器输出列线读取输出电流以感测第一阵列元件的阵列元件电极处的阻抗，以确定第一阵列元件处的液滴性质；以及通过对所述共享寻址线进行脉冲驱动来对所述第二阵列元件执行感测操作，并且从所述共享传感器输出列线读取输出电流以感测所述第二阵列元件的阵列元件电极处的阻抗，以确定所述第二阵列元件处的液滴性质；其中，在对第一阵列元件执行感测操作时，没有来自第二阵列元件的输出电流，在对第二阵列元件执行感测操作时，没有来自第一阵列元件的输出电流。
参考以下描述和附图，将显而易见本发明的这些和进一步的特征。在描述和附图中，已经详细公开了本发明的特定实施例，作为可以采用本发明的原理的一些方式的指示，但是应该理解，本发明在范围上不受相应限制。相反，本发明包括落入所附权利要求的精神和条目内的所有改变、修改和等同物。针对一个实施例描述和/或示出的特征可以在一个或多个其他实施例中以相同的方式或以类似的方式使用，和/或与其他实施例的特征组合或代替其他实施例的特征。
附图说明
图1是描绘出示例性的基于EWOD的微流体系统的图。
图2是以示意透视图描绘出示例性AM-EWOD器件的图。
图3是描绘出通过图2的示例性AM-EWOD器件的一些阵列元件的横截面的图。
图4A是描绘出当存在液体液滴时在元件电极处呈现的电负载的电路表示的图。
图4B是描绘出当不存在液体液滴时在元件电极处呈现的电负载的电路表示的图。
图5是描绘出图2的示例性AM-EWOD器件中的薄膜电子器件的示例性布置的图。
图6是描绘出包括用于体现申请人的先前设计的AM-EWOD器件的示例性阵列元件电路在内的阵列元件的图。
图7是描绘出被配置为2×2元件阵列的多个图6的阵列元件的图。
图8是描绘出包括用于体现申请人的另一先前设计的AM-EWOD器件的示例性阵列元件电路在内的阵列元件的图。
图9是描绘出包括用于体现申请人的另一先前设计的AM-EWOD器件的示例性阵列元件电路在内的阵列元件的图。
图10是描绘出包括用于AM-EWOD器件的示例性阵列元件电路在内的多个阵列元件的图，其提供了改进了图6和图7中描绘的配置的增强电路配置。
图11是示出图10的实施例的操作的时序图。
图12是描绘出包括用于AM-EWOD器件的示例性阵列元件电路在内的多个阵列元件的另一配置的图，其是图10的实施例的修改型。
图13是示出图12的实施例的操作的时序图。
图14是描绘出包括用于AM-EWOD的示例性阵列元件电路在内的多个阵列元件的图，其提供了改进了图8中描绘的配置的增强电路配置。
图15是示出图14的实施例的操作的时序图。
图16是描绘出包括用于AM-EWOD的示例性阵列元件电路在内的多个阵列元件的图，其提供了改进了图9中描绘的配置的增强电路配置。
图17是示出图16的实施例的操作的时序图。
图18是描绘出包括用于AM-EWOD器件的示例性阵列元件电路在内的多个阵列元件的图，其提供了图10中描绘的电路配置的变型。
图19是示出图18的实施例的操作的时序图。
图20是描绘出与图18中描绘的阵列元件相当的阵列元件的图，其将这些元件扩展示出为2×2阵列配置。
具体实施方式
现在将参考附图描述本发明的实施例，其中贯穿全文，相同的附图标记用于表示相同的元件。应理解，附图不一定是按比例的。
本发明涉及AM-EWOD器件中的阵列元件电路的增强配置，其实现了具有可忽略的功能损失的简化阵列元件电路。可以通过组合相邻行或列中的与阻抗传感器电路相关联的组件和/或寻址线来简化AM-EWOD阵列元件电路。
因此，本发明的一方面是一种AM-EWOD器件，其通过提供多个阵列元件的阻抗传感器电路的共享组件而具有增强的阵列元件电路。在示例性实施例中，AM-EWOD器件包括布置成具有行和列的阵列的多个阵列元件，每个阵列元件包括阵列元件电路、元件电极和参考电极。阵列元件电路包括：致动电路，其被配置为将致动电压施加到元件电极和参考电极以用于致动阵列元件；以及阻抗传感器电路，其被配置为感测阵列元件电极处的阻抗以确定阵列元件处的液滴性质，其中阻抗传感器电路的至少一个组件是在多于一个的阵列元件之间共享的共享组件。
在示例性实施例中，两个或更多个阵列元件的电极AC耦合到传感器读出晶体管的输入。因此，传感器读出晶体管对于来自多行的阵列元件来说是公共的。另外，用于寻址传感器读出晶体管的栅极处的节点的复位晶体管对于来自多行的阵列元件来说同样是公共的。因此，复位信号和电源线对于多行来说也是公共的。
作为这种实施例的示例，图10是描绘出根据本发明的实施例的包括用于AM-EWOD器件的示例性阵列元件电路在内的多个阵列元件的图。图10的实施例提供了增强的电路配置，该增强的电路配置改进了图6和图7中描绘的配置。图11是示出图10的实施例的操作的时序图。图10描绘了一对阵列元件，其包括位于相邻行(分别为行(n)和行(n+1))中的第一阵列元件100和第二阵列元件102。通常，图10的实施例是图6和图7的电路配置的修改型，其中复位晶体管T2和传感器读出晶体管T3以阵列元件100和102两者共享的方式操作。
参考图10并结合图11的时序图，编程和感测如下进行。类似于针对图6所描述的，该用于阻抗感测的基本电路具有3个薄膜晶体管(TFT T1、T2和T3)和2个电容器(包括存储电容器C1和传感器电容器C2)。RDROP和CDROP表示从顶部电极TP到其上可存在液滴的疏水涂层的器件的电阻和电容。下部器件组件(包括疏水涂层和包含到器件中的任何其它绝缘体层)的电容由电容CI表示。RDROP和CDROP的值将基于液滴的存在或不存在而变化，如上面针对图4A和图4B所描述的。存储电容器C1连接到传感器电容器C2的相对于传感器读出晶体管T3连接到传感器电容器C2的端子而言的相对端子。将图10与图7的先前阵列设计进行比较，第一阵列元件100包括复位晶体管T2和具有相关联的电源VPIX的传感器读出晶体管T3，并且这些元件不存在于第二阵列元件102中。相反，T2的漏极和T3的栅极处的节点连接到阵列元件100和102两者的第二或传感器电容器C2。这样的配置允许T2和T3(和VPIX)以阵列元件100和102两者共享的方式操作，从而允许复位信号(RST)和电源(VCCA)共同操作用于多行，传感器输出经由传感器输出线COL读取。
编程和致动如在图6和图7的先前设计中那样相当地发生。为了通过将电压数据写入所述阵列元件来编程给定的阵列元件100或102，将要被编程的致动电压加载到寻址线SL上，并且将脉冲施加到适合于被编程的行(在该示例中，为行(n)或行(n+1))的栅极线GL。这将所选择的行中的T1导通，并且将连接到电极的电路节点充电到编程电压。当GL取值为低时，该电压被保持，存储在向阵列元件电极提供致动电压的存储电容器C1上。通常，如结合图6所做参考，C1比C2大至少约一个数量级。
为了执行感测，在复位步骤中，通过复位信号RST导通复位晶体管T2，因此传感器读出晶体管T3的栅极充电至VCCA。VCCA是低于传感器读出晶体管T3的阈值电压而选择的复位电位，使得T3保持关断，同时清除任何先前的残余电压。每个阵列元件被独立地感测。在用于感测行(n)的感测步骤中，对行(n)的寻址线RWS进行脉冲驱动。在RWS(n)脉冲的持续时间内，行(n)的阵列元件100的电极电位被扰动到更高的电压。如前所述，所获得的电压改变主要是存储电容器C1与电极处的总电容之比的函数，其包括与存在还是不存在液滴相关联的负载。扰动通过行(n)的传感器电容器C2耦合到传感器读出晶体管T3的栅极，晶体管T3因此导通到由耦合的脉冲的幅度确定的程度，这生成从电源VPIX提供的电流。所得到的来自阵列元件100的电流通过T3并沿输出线COL灌入，然后可以通过列底部处的列检测电路(未示出)来感测。
然后对行(n+1)重复感测操作，这通过对行(n+1)的寻址线RWS进行脉冲驱动来执行。因此，在复位步骤中，再次通过RST信号导通复位晶体管T2，因此传感器读出晶体管T3的栅极充电至VCCA。在用于感测行(n+1)的感测步骤中，对行(n+1)的寻址线RWS进行脉冲驱动。在RWS(n+1)脉冲的持续时间内，行(n+1)的阵列元件102的电极电位被扰动到更高的电压。如前所述，所获得的电压改变主要是电容器C1与电极处的总电容之比的函数，其包括与存在还是不存在液滴相关联的负载。扰动通过行(n+1)的C2耦合到传感器读出晶体管T3的栅极，晶体管T3因此导通到由耦合的脉冲的幅度确定的程度，这生成从电源VPIX提供的电流。所得到的来自阵列元件102的电流通过T3并沿输出线COL灌入，然后可以通过列底部处的列检测电路(未示出)来感测。
如图11的时序图所示，传感器读出晶体管T3的栅极处的电压电平以及因此而沿输出线COL灌入的所得到的电流取决于存在还是不存在液滴。因此，针对每个阵列元件100和102，感测液滴的存在或不存在。
以这种方式，行(n)和行(n+1)中的阵列元件被单独且独立地感测，组件T2和T3(以及用于VPIX和VCCA的相关联的电压供电线)在两行阵列元件之间共享。这导致组件计数的减少，减小了阵列元件电路的尺寸，继而减小了整个器件的尺寸。传感器分辨率没有损失，因为每个阵列元件按顺序一次感测一个(例如，行(n)，然后行(n+1))。继而借助于每行的寻址线RWS来实现行选择。当对行(n)的寻址线RWS进行脉冲驱动时，到行(n+1)的寻址线RWS维持静态，反之亦然。因此，信号仅在被施加了RWS信号的行中耦合到传感器电容器C2上。两个共享行不一定需要在空间上相邻(如图10所示)，但实际上这是最容易布置的。结果是减少了阵列元件100和102的组合电路中的组件数量。
图12是描绘出包括用于AM-EWOD器件的示例性阵列元件电路在内的多个阵列元件的另一配置的图。图13是示出图12的实施例的操作的时序图。图12的配置与图10的配置相当，除了在图12的实施例中，复位晶体管T2和传感器读出晶体管T3是在包括位于相邻行(分别为行(n)、行(n+1)和行(n+2))中的第一阵列元件100、第二阵列元件102和附加的第三阵列元件104在内的三个阵列元件之间共享。因此，在该实施例中，复位晶体管T2和传感器读出晶体管T3以三个阵列元件100、102和104共享的方式操作。对行(n)和行(n+1)的编程、致动和感测与图10和图11的实施例中所述的那样相当地进行，并且行(n+2)的阵列元件可以以相当的方式编程和致动。在图12和图13的实施例中，对行(n+2)执行下一个顺序的感测步骤。
因此，在对行(n+1)执行了感测操作之后，然后对行(n+2)重复感测操作，这通过对行(n+2)的寻址线RWS进行脉冲驱动来执行。因此，在复位步骤中，再次通过RST信号导通复位晶体管T2，因此传感器读出晶体管T3的栅极充电至VCCA。在用于感测行(n+2)的感测步骤中，对行(n+2)的寻址线RWS进行脉冲驱动。在RWS(n+2)脉冲的持续时间内，行(n+2)的阵列元件104的电极电位被扰动到更高的电压。如前所述，所获得的电压改变主要是电容器C1与电极处的总电容之比的函数，其包括与存在还是不存在液滴相关联的负载。扰动通过行(n+2)的C2耦合到传感器读出晶体管T3的栅极，晶体管T3因此导通到由耦合的脉冲的幅度确定的程度，这生成从电源VPIX提供的电流。所得到的来自阵列元件104的电流通过T3并沿输出线COL灌入，然后可以通过列底部处的列检测电路(未示出)来感测。
从与图11中的时序图类似的图13的时序图中可以看出，传感器读出晶体管T3的栅极处的电压电平以及因此而沿输出线COL灌入的所得到的电流取决于存在还是不存在液滴。因此，针对每个阵列元件100、102和104，感测液滴的存在或不存在。类似地，当通过对相应的RWS线进行脉冲驱动来感测给定行时，其它行的RWS线保持静态，使得每行被独立且顺序地感测。
图12和图13的实施例一般性地示出了T2和T3的共享可以在两行或更多行的任意数量的行之间发生，以减少整个器件的组件计数。实际上，在多于三行之间共享这些组件可能具有实际限制，因为用于连接与共享阻抗传感器电路组件有关的所有行的布线可能占用比通过消除电路组件而节省的空间更多的空间。因此，在N行×M列的大阵列中，优选实施例采用在两个或三个相邻行的组中共享组件，如图10和图12中所示。
所描述的集成阻抗传感器电路的修改型(其中复位晶体管和传感器读出晶体管由相邻行中的阵列元件共享)可以与任何合适的致动电路组合。例如，图14是描绘出包括用于AM-EWOD器件的示例性阵列元件电路在内的多个阵列元件的图，其提供了改进了图8中描绘的配置的增强电路配置。图15是示出图14的实施例的操作的时序图。因此，图14还描绘了一对阵列元件，其包括位于相邻行(分别为行(n)和行(n+1))中的第一阵列元件106和第二阵列元件108。通常，图14的实施例是图8的电路配置的修改型，其中类似于先前的实施例，复位晶体管T2和传感器读出晶体管T3再次以相邻行中的阵列元件两者共享的方式操作。
因为图14的具有共享组件的阻抗传感器电路与图10和图12中的阻抗传感器电路相当，所以感测操作大致相同，由于致动电路的不同配置，操作差异主要在编程和致动阶段。在上面引用的申请人共同转让的US 2017/0076676中描述了这种电路配置的致动和编程，并且在图15的时序图中示出。为了通过将电压数据写入所述阵列元件来编程给定的阵列元件106或108，将电压加载到寻址线SL上，并且将脉冲施加到适合于被编程的行(在该示例中，为行(n)或行(n+1))的栅极线GL。这将所选择的行中的T4导通，并且将连接到电极的电路节点充电到SL线上的电压脉冲。当GL取值为低时，该电压被保持，存储在附加的电容器C3上。利用该布置，C3上的存储电压确定晶体管T5是否导通，并且附加的选择线SEL操作为导通晶体管T1以用于致动。在T5和T1都导通的情况下，电极元件连接到期望的致动电压ACT。如时序图中所示，该布置特别适合于AC致动电压，因为SL电压仅是开关脉冲，并且可以沿着分开的线ACT施加附加的AC致动电压。
为了对给定的行进行感测，选择线SEL取低的值以使该行关断T1。在感测周期期间，这将相应的阵列元件与致动电压隔离。然后，如先前实施例中那样以其它方式进行感测。为了执行感测，在复位步骤中，通过复位信号RST导通复位晶体管T2，因此传感器读出晶体管T3的栅极充电至VCCA。对行(n)的寻址线RWS进行脉冲驱动以使C1处的电压扰动，这种扰动通过C2耦合到传感器读出晶体管T3的栅极。晶体管T3因此导通到由耦合的脉冲的幅度确定的程度，这取决于液滴的存在或不存在，并且生成从电源VPIX提供的电流。所得到的来自阵列元件106的电流通过T3，并沿输出线COL灌入以用于感测。然后对行(n+1)重复感测操作，以生成从阵列元件108到输出线COL的输出电流。如图15的时序图中所示，传感器读出晶体管T3栅极处的电压电平以及因此而沿输出线COL灌入的所得到的电流取决于在给定阵列元件中存在还是不存在液滴。可以将复位晶体管和传感器读出晶体管的共享扩展到多于两个的阵列元件之间的共享，与针对图12和图13所描述的相当。
作为将具有共享组件的阻抗传感器电路与不同致动电路组合的另一示例，图16是描绘出包括用于AM-EWOD器件的示例性阵列元件电路在内的多个阵列元件的图，其提供了改进了图9中描绘的配置的增强电路配置。图17是示出图16的实施例的操作的时序图。因此，图16还描绘了一对阵列元件，其包括位于相邻行(分别为行(n)和行(n+1))中的第一阵列元件110和第二阵列元件112。通常，图16的实施例是图9的电路配置的修改型，其中类似于先前的实施例，复位晶体管T2和传感器读出晶体管T3再次以阵列元件两者共享的方式操作。
因为图16的阻抗传感器电路与图10、图12和图14的阻抗传感器电路相当，所以感测操作大致相同，由于致动电路的不同配置，操作差异主要在编程和致动阶段。在上面引用的申请人共同转让的US8,173,000中描述了这种电路配置的致动和编程，并且在图17的时序图中示出。为了通过将电压数据写入所述阵列元件来编程给定的阵列元件110或112，将电压脉冲提供到寻址线SL上，并且将脉冲施加到适合于被编程的行(在该示例中，为行(n)或行(n+1))的栅极线GL。这将所选择的行中的T4导通，并且将连接到电极的电路节点充电到SL脉冲电压。线GL还连接到p型晶体管T5以控制通过或经过反相器I1和I2的电流，并且与模拟开关S1和S2组合操作以将致动电压ACT或ACTB施加到晶体管T1。附加的选择线SEL操作为将T1导通以用于通过由致动电路输出的ACT或ACTB进行致动。利用这种配置，可以提供致动电压的更多设置，这可以更适合于某些应用。
类似于先前的实施例，为了对给定的行进行感测，选择线SEL取低的值以使该行关断T1。在感测周期期间，这将相应的阵列元件与致动电压隔离。然后，如先前实施例中那样以其它方式进行感测。为了执行感测，在复位步骤中，通过复位信号RST导通复位晶体管T2，因此传感器读出晶体管T3的栅极充电至VCCA。对行(n)的寻址线RWS进行脉冲驱动以使C1处的电压扰动，这种扰动通过C2耦合到传感器读出晶体管T3的栅极。晶体管T3因此导通到由耦合的脉冲的幅度确定的程度，这取决于液滴的存在或不存在，并且生成从电源VPIX提供的电流。所得到的来自阵列元件110的电流通过T3，并沿输出线COL灌入以用于感测。然后对行(n+1)重复感测操作，以生成从阵列元件112到输出线COL的输出电流。如图17的时序图所示，传感器读出晶体管T3的栅极处的电压电平以及因此而沿输出线COL灌入的所得到的电流再次取决于在给定阵列元件中存在还是不存在液滴。可以将复位晶体管和传感器读出晶体管的共享扩展到多于两个的阵列元件之间的共享，与针对图12和图13所描述相当。
在其它示例性实施例中，传感器读出线COL在相邻列中的两个阵列元件之间是公共的。两个阵列元件可以具有不同的电路配置，将控制信号适当地定时以共享传感器读出。可以将传感器读出线的共享与先前实施例组合，其中电路组件由相邻行的阵列元件共享，以进一步简化阵列元件电路。
作为这种实施例的示例，图18是描绘出包括用于AM-EWOD器件的示例性阵列元件电路在内的多个阵列元件的图，其提供了图10中描绘的电路配置的变型(其再次基于图6和图7的配置)。可以将相当的原理应用于具有备选致动电路的电路配置，例如针对图14和图16所描述的。图19是示出图18的实施例的操作的时序图。图18描绘了一对阵列元件，其包括位于相邻列(分别为列(n)和列(n+1))中的第一阵列元件114和第二阵列元件116。通常，图18的实施例是图6、图7和图10的电路配置的修改型，但是其中相邻列的阵列元件是相对于彼此的“镜像”，以共享传感器输出线COL。
为了沿相同的输出线获取来自每个阵列元件的适当的定时输出，列(n)的第一阵列元件114具有n型传感器读出晶体管(表示为T3n)，列(n+1)的第二阵列元件116具有p型传感器读出晶体管(表示为T3p)。架构和定时基本上被布置为使得在第一传感器操作中，感测列(n)而对列(n+1)无影响，在第二传感器操作中，感测列(n+1)而对列(n)无影响。换句话说，在对第一阵列元件执行感测操作时，没有来自第二阵列元件的输出电流，在对第二阵列元件执行感测操作时，没有来自第一阵列元件的输出电流。
编程如图10的先前设计中那样相当地发生。为了通过将电压数据写入所述阵列元件来编程给定的阵列元件114或116，将要被编程的电压加载到寻址线SL上，并且将脉冲施加到适合于被编程的行的栅极线GL。由于这些元件在相同的行中，所以它们共享GL线，并且每个阵列元件的寻址线SL将适当的编程电压施加到列(n)和列(n+1)。如在先前实施例中那样，GL脉冲将所选择的行中的T1导通，并且将连接到电极的电路节点充电到编程电压。当GL取值为低时，该电压被保持，存储在电容器C1上，以构成阵列元件的致动电压。
为了执行感测，在复位步骤中，通过共享的复位信号RST导通每个阵列元件中的复位晶体管T2，因此传感器读出晶体管T3n和T3p的栅极都被充电至VCCA。如在先前实施例中那样，VCCA是低于传感器读出晶体管的阈值电压而选择的复位电位，使得T3n和T3p保持关断，同时清除任何先前的残余电压。
当感测列(n)、行(n)时，在RST为低时利用正RWS脉冲将公共电极处的电压取为高的值。该脉冲的结果是：如果在第一阵列元件的电极处存在液滴，则电极和T3n的栅极处的电位沿正方向被扰动较大量，如果在电极处不存在液滴，则该电位被扰动较小量。同样地，在列(n+1)、行(n)的电极处，T3p的栅极处的电位也以相当的方式沿正方向被扰动，这取决于第二阵列元件处的液滴的存在。在具有n型传感器读出晶体管T3n的列(n)中，T3n栅极电位的正扰动使该晶体管导通，并且输出电流通过共享传感器输出线COL灌入，其表示列(n)、行(n)处的第一阵列元件114的电极处的电容。相反，在具有p型读出晶体管T3p的第二阵列元件116的列(n+1)中，T3p的栅极处的正扰动没有影响，因为作为p型晶体管，正向进行的扰动使T3p进一步进入到关断区域。
当感测列(n+1)、行(n)时，起初对也处于高电压的电极施加高复位RST。T3n和T3p的栅极电位都被复位到复位电位。然后通过负RWS脉冲将电极上的电压取为低的值。结果是，如果在列(n)、行(n)的电极处存在液滴，则电极和T3n的栅极的电位被扰动到更负的电压，但负扰动维持T3n处于关断区域。类似地，如果在列(n+1)、行(n)的电极处存在液滴，则电极和T3p的栅极的电位也被扰动到更负的电压。T3p栅极电位的负扰动使该晶体管导通，并且输出电流通过共享传感器输出线COL灌入，其表示列(n+1)、行(n)处的第二阵列元件116的电极处的电容。相反，在具有n型读出晶体管T3n的第一阵列元件114的列(n)中，T3n的栅极处的负扰动没有影响，因为作为n型晶体管，负向进行的扰动使T3n进一步进入到关断区域。以这种方式，列(n)和列(n+1)中的阵列元件被单独且独立地感测，同时共享公共传感器输出线COL。换句话说，利用这种配置，在对第一阵列元件执行感测操作时，没有来自第二阵列元件的输出电流，在对第二阵列元件执行感测操作时，没有来自第一阵列元件的输出电流。
图20是描绘出与图18中描绘的阵列元件相当的阵列元件的图，其将这些元件扩展示出为2×2阵列配置。该配置示出了如何可以在相邻行和/或列中的像素之间共享电源线的寻址线。在该示例中，用于VPIX的电源线跨越两行，行(n)和行(n+1)。另外，列(n)和列(n+1)的电源VPIX同样由连接到两个列的单个寻址线提供，特别是经由相邻列中的T3n和T3p的源极端子之间的连接提供。用于共享电源的相当原理可以用于任何实施例中的电源线，包括例如各种实施例中的VCCA和VPIX、以及图16的实施例中的VSS和VDD。
与常规配置相比，本文中所描述的实施例在提供更简单的阵列元件电路方面具有优势。因此，所描述的实施例具有减少的组件数量和/或减少的寻址线数量，这可以提高产量和/或允许阵列元件的物理尺寸更小。
因此，本发明的一方面是一种AM-EWOD器件，其通过提供多个阵列元件的阻抗传感器电路的共享组件而具有增强的阵列元件电路。在示例性实施例中，AM-EWOD器件包括布置成具有行和列的阵列的多个阵列元件，每个阵列元件包括阵列元件电路、元件电极和参考电极。阵列元件电路包括：致动电路，其被配置为将致动电压施加到元件电极和参考电极以用于致动阵列元件；以及阻抗传感器电路，其被配置为感测阵列元件电极处的阻抗以确定阵列元件处的液滴性质，其中阻抗传感器电路的至少一个组件是在多于一个的阵列元件之间共享的共享组件。AW-EWOD器件可以单独地或组合地包括以下特征中的一个或多个。
在AM-EWOD器件的示例性实施例中，共享组件包括共享传感器读出晶体管，其将传感器电流传递给传感器输出线。
在AM-EWOD器件的示例性实施例中，共享组件还包括共享复位晶体管，其将复位电压施加到共享传感器读出晶体管的栅极。
在AM-EWOD器件的示例性实施例中，每个阵列元件的阻抗传感器电路包括传感器电容器，并且共享传感器读出晶体管的栅极电连接到多于一个的阵列元件中的每个阵列元件的传感器电容器。
在AM-EWOD器件的示例性实施例中，每个阵列元件的阻抗传感器电路还包括与共享传感器读出晶体管相对地连接到传感器电容器的存储电容器；以及施加到相应阵列元件的存储电容器的电压脉冲通过传感器电容器耦合到共享传感器读出晶体管，而施加到多于一个的阵列元件中的其它阵列元件的存储电容器的电压不是脉冲的，由此每个阵列元件被独立地感测。
在AM-EWOD器件的示例性实施例中，共享组件在相邻行中的两个阵列元件之间共享。
在AM-EWOD器件的示例性实施例中，共享组件在三个相邻行中的三个阵列元件之间共享。
在AM-EWOD器件的示例性实施例中，共享组件是共享传感器输出列线。
在AM-EWOD器件的示例性实施例中，第一阵列元件的阻抗传感器电路包括第一传感器读出晶体管，其将输出电流传递给共享传感器输出列线；第二阵列元件的阻抗传感器电路包括第二传感器读出晶体管，其将输出电流传递给共享传感器输出列线；以及第一传感器读出晶体管和第二传感器读出晶体管彼此独立地将相应的输出电流传递给共享传感器输出列线。
在AM-EWOD器件的示例性实施例中，第一传感器读出晶体管是n型晶体管，第二传感器读出晶体管是p型晶体管。
在AM-EWOD器件的示例性实施例中，共享组件还包括共享电压供电线，其连接到第一传感器读出晶体管和第二传感器读出晶体管。
在AM-EWOD器件的示例性实施例中，每个阵列元件还包括复位晶体管，其将复位电压施加到阵列元件的相应传感器读出晶体管的栅极。
在AM-EWOD器件的示例性实施例中，每个阵列元件的阻抗传感器电路还包括传感器电容器，并且阵列元件的相应传感器读出晶体管的栅极电连接到传感器电容器。
在AM-EWOD器件的示例性实施例中，每个阵列元件的阻抗传感器电路还包括与传感器读出晶体管相对地连接到传感器电容器的存储电容器；以及施加到相应阵列元件的存储电容器的电压脉冲通过传感器电容器耦合到传感器读出晶体管。
在AM-EWOD器件的示例性实施例中，多于一个的阵列元件在相邻列中。
在AM-EWOD器件的示例性实施例中，共享组件包括一个或多个共享电压供电线。
在AM-EWOD器件的示例性实施例中，每个阵列元件的致动电路将输入AC致动电压耦合到元件电极。
本发明的另一方面是一种操作任何实施例的AM-EWOD的方法，其中阻抗传感器电路包括在多于一个的阵列元件之间共享的组件。在示例性实施例中，该方法包括：利用致动电路将致动电压施加到第一阵列元件和/或第二阵列元件的元件电极和参考电极，以致动第一阵列元件和/或第二阵列元件；通过向所述共享组件施加复位电位来复位阻抗传感器电路的共享组件处的电位；通过对到第一阵列元件的阻抗传感器电路的寻址线进行脉冲驱动来对第一阵列元件执行感测操作，并且从共享组件读取输出电流以感测第一阵列元件的阵列元件电极处的阻抗，以确定第一阵列元件处的液滴性质；以及通过对到第二阵列元件的阻抗传感器电路的寻址线进行脉冲驱动来对第二阵列元件执行感测操作，并且从共享组件读取输出电流以感测第二阵列元件的阵列元件电极处的阻抗，以确定第二阵列元件处的液滴性质；其中，在不同时间处对第一阵列元件和第二阵列元件的寻址线进行脉冲驱动。该方法还可以单独地或组合地包括以下特征中的一个或多个。
在操作AM-EWOD器件的方法的示例性实施例中，共享组件包括共享传感器读出晶体管，其将输出电流传递给传感器输出线，并且复位电位低于共享传感器读出晶体管的阈值电压。
在操作AM-EWOD器件的方法的示例性实施例中，第一阵列元件和第二阵列元件中的每个阵列元件的阻抗传感器电路还包括：传感器电容器，并且共享传感器读出晶体管的栅极电连接到第一阵列元件的传感器电容器和第二阵列元件的传感器电容器；以及存储电容器，与共享传感器读出晶体管相对地连接到传感器电容器；其中，在感测操作期间，将脉冲施加到相应阵列元件的存储电容器，并且通过相应的传感器电容器耦合到共享传感器读出晶体管。
在操作AM-EWOD器件的方法的示例性实施例中，该方法还包括：在相应阵列元件的感测操作期间，将致动电路与阻抗传感器电路隔离。
在操作AM-EWOD器件的方法的示例性实施例中，该方法包括：利用致动电路将致动电压施加到第一阵列元件和/或第二阵列元件的元件电极和参考电极以致动第一阵列元件和/或第二阵列元件；通过向第一阵列元件和第二阵列元件的所述阻抗传感器电路施加复位电位，复位第一阵列元件和第二阵列元件的阻抗传感器电路处的电位；通过对到第一阵列元件和第二阵列元件的阻抗传感器电路的共享寻址线进行脉冲驱动来对第一阵列元件执行感测操作，并且从共享传感器输出列线读取输出电流以感测第一阵列元件的阵列元件电极处的阻抗，以确定第一阵列元件处的液滴性质；以及通过对所述共享寻址线进行脉冲驱动来对所述第二阵列元件执行感测操作，并且从所述共享传感器输出列线读取输出电流以感测所述第二阵列元件的阵列元件电极处的阻抗，以确定所述第二阵列元件处的液滴性质；其中，在对第一阵列元件执行感测操作时，没有来自第二阵列元件的输出电流，在对第二阵列元件执行感测操作时，没有来自第一阵列元件的输出电流。
在操作AM-EWOD器件的方法的示例性实施例中，第一阵列元件的阻抗传感器电路包括n型传感器读出晶体管，其将输出电流传递给共享传感器输出列线；第二阵列元件的阻抗传感器电路包括p型传感器读出晶体管，其将输出电流传递给共享传感器输出列线；以及在对第一阵列元件执行感测操作期间，被施加到共享寻址线的脉冲是正脉冲，在对第二阵列元件执行感测操作期间，被施加到共享寻址线的脉冲是负脉冲。
在操作AM-EWOD器件的方法的示例性实施例中，第一阵列元件和第二阵列元件中的每个阵列元件的阻抗传感器电路还包括：传感器电容器，并且传感器读出晶体管的栅极电连接到传感器电容器；以及存储电容器，与传感器读出晶体管相对地连接到传感器电容器；以及在第一感测操作和第二感测操作期间，将脉冲施加到第一阵列元件和第二阵列元件的存储电容器，并且通过相应的传感器电容器耦合到相应的传感器读出晶体管。
尽管已经针对一个或多个特定实施例示出和描述了本发明，但是在阅读和理解了本说明书和附图后，本领域其他技术人员可以想到等同的备选方案和修改方案。具体地，对于由以上描述的元件(部件、组件、器件、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)旨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的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，尽管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它实施例中的对于任何给定或具体应用而言可以是期望的和有利的一个或多个其它特征相组合。
工业实用性
所描述的实施例可以用于提供增强的AM-EWOD器件。AM-EWOD器件可以形成芯片上实验室系统的一部分。这样的器件可以用于操纵、反应和传感器化学、生化或生理材料。应用包括医疗诊断测试、材料测试、化学或生化材料合成、蛋白质组学、用于在生命科学和法医学中进行研究的工具。
附图标记列表
32-读取器
34-盒
35-外部传感器模块
36-EWOD器件
38-控制电子器件
40-存储设备
44-下基板
46-薄膜电子器件
48-阵列元件电极
48A-阵列元件电极
48B-阵列元件电极
50-二维阵列
51-阵列元件
52-液体液滴
54-顶基板
56-间隔物
58-参考电极
60-非极性流体
62-绝缘体层
64-第一疏水涂层
66-接触角
68-第二疏水涂层
70A-存在液滴的情况下的电负载
70B-不存在液滴的情况下的电负载
72-阵列元件电路
74-行驱动器电路
76-列驱动器电路
78-传感器行寻址
80-列检测电路
82-串行接口
84-电压供电接口
86-连接布线
100-第一阵列元件
102-第二阵列元件
104-第三阵列元件
106-第一阵列元件
108-第二阵列元件
110-第一阵列元件
112-第二阵列元件
114-第一阵列元件
116-第二阵列元件
T1-开关晶体管
T2-复位晶体管
T3-传感器读出晶体管
T4至T5附加开关晶体管
C1-存储电容器
C2-传感器电容器
C3-附加电容器
Cl-器件电容
I1-第一反相器
I2-第二反相器
S1-第一模拟开关
S2-第二模拟开关
TP-参考电极
GL、SL、SEL、RWS RST COL、ACT-电路寻址或输出线
VPIX、VCCA-电压供电。

Claims (25)

1.一种有源矩阵介质上电润湿AM-EWOD器件，包括：
布置成具有行和列的阵列的多个阵列元件，所述阵列元件中的每个阵列元件包括阵列元件电路、元件电极和参考电极；
其中，所述阵列元件电路包括：
致动电路，被配置为将致动电压施加到所述元件电极和所述参考电极以用于致动所述阵列元件；以及
阻抗传感器电路，被配置为感测阵列元件电极处的阻抗以确定所述阵列元件处的液滴性质，其中，所述阻抗传感器电路的至少一个组件是在多于一个的阵列元件之间共享的共享组件。
2.根据权利要求1所述的AM-EWOD器件，其中，所述共享组件包括共享传感器读出晶体管，所述共享传感器读出晶体管将传感器电流传递给传感器输出线。
3.根据权利要求2所述的AM-EWOD器件，其中，所述共享组件还包括共享复位晶体管，所述共享复位晶体管将复位电压施加到所述共享传感器读出晶体管的栅极。
4.根据权利要求2至3中任一项所述的AM-EWOD器件，其中，每个阵列元件的阻抗传感器电路包括传感器电容器，并且所述共享传感器读出晶体管的栅极电连接到所述多于一个的阵列元件中的每个阵列元件的传感器电容器。
5.根据权利要求4所述的AM-EWOD器件，其中，
每个阵列元件的阻抗传感器电路还包括存储电容器，所述存储电容器与所述共享传感器读出晶体管相对地连接到所述传感器电容器；并且
施加到相应阵列元件的存储电容器的电压脉冲通过所述传感器电容器耦合到所述共享传感器读出晶体管，同时施加到所述多于一个的阵列元件中的其它阵列元件的存储电容器的电压不是脉冲的，由此每个阵列元件被独立感测。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的AM-EWOD器件，其中，所述共享组件在相邻行中的两个阵列元件之间共享。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的AM-EWOD器件，其中，所述共享组件在三个相邻行中的三个阵列元件之间共享。
8.根据权利要求1所述的AM-EWOD器件，其中，所述共享组件是共享传感器输出列线。
9.根据权利要求8所述的AM-EWOD器件，其中，
第一阵列元件的阻抗传感器电路包括第一传感器读出晶体管，所述第一传感器读出晶体管将输出电流传递给所述共享传感器输出列线；
第二阵列元件的阻抗传感器电路包括第二传感器读出晶体管，所述第二传感器读出晶体管将输出电流传递给所述共享传感器输出列线；以及
所述第一传感器读出晶体管和所述第二传感器读出晶体管彼此独立地将相应的输出电流传递给所述共享传感器输出列线。
10.根据权利要求9所述的AM-EWOD器件，其中，所述第一传感器读出晶体管是n型晶体管，所述第二传感器读出晶体管是p型晶体管。
11.根据权利要求9至10中任一项所述的AM-EWOD器件，其中，所述共享组件还包括共享电压供电线，所述共享电压供电线连接到所述第一传感器读出晶体管和所述第二传感器读出晶体管。
12.根据权利要求9至11中任一项所述的AM-EWOD器件，其中，每个阵列元件还包括复位晶体管，所述复位晶体管将复位电压施加到所述阵列元件的相应传感器读出晶体管的栅极。
13.根据权利要求9至12中任一项所述的AM-EWOD器件，其中，每个阵列元件的阻抗传感器电路还包括传感器电容器，并且所述阵列元件的相应传感器读出晶体管的栅极电连接到所述传感器电容器。
14.根据权利要求13所述的AM-EWOD器件，其中，
每个阵列元件的阻抗传感器电路还包括存储电容器，所述存储电容器与所述传感器读出晶体管相对地连接到所述传感器电容器；并且
施加到相应阵列元件的存储电容器的电压脉冲通过所述传感器电容器耦合到所述传感器读出晶体管。
15.根据权利要求8至14中任一项所述的AM-EWOD器件，其中，所述多于一个的阵列元件在相邻的列中。
16.根据权利要求1至15中任一项所述的AM-EWOD器件，其中，所述共享组件包括一条或多条共享电压供电线。
17.根据权利要求1至16中任一项所述的AM-EWOD器件，其中，每个阵列元件的致动电路将输入AC致动电压耦合到所述元件电极。
18.一种操作有源矩阵介质上电润湿AM-EWOD器件的方法，包括以下步骤：
将多个阵列元件布置成具有行和列的阵列，所述阵列元件中的每个阵列元件包括阵列元件电路、元件电极和参考电极，
其中，所述阵列元件电路包括：致动电路，被配置为将致动电压施加到所述元件电极和所述参考电极以用于致动所述阵列元件；以及阻抗传感器电路，被配置为感测阵列元件电极处的阻抗以确定所述阵列元件处的液滴性质，其中，所述阻抗传感器电路的至少一个组件是在第一阵列元件和第二阵列元件之间共享的共享组件；
利用所述致动电路将致动电压施加到所述第一阵列元件和/或所述第二阵列元件的元件电极和参考电极，以致动所述第一阵列元件和/或所述第二阵列元件；
通过向所述共享组件施加复位电位来复位所述阻抗传感器电路的共享组件处的电位；
通过对到所述第一阵列元件的阻抗传感器电路的寻址线进行脉冲驱动来对所述第一阵列元件执行感测操作，并且从所述共享组件读取输出电流以感测所述第一阵列元件的阵列元件电极处的阻抗，以确定所述第一阵列元件处的液滴性质；以及
通过对到所述第二阵列元件的阻抗传感器电路的寻址线进行脉冲驱动来对所述第二阵列元件执行感测操作，并且从所述共享组件读取输出电流以感测所述第二阵列元件的阵列元件电极处的阻抗，以确定所述第二阵列元件处的液滴性质；
其中，在不同时间对所述第一阵列元件和所述第二阵列元件的寻址线进行脉冲驱动。
19.根据权利要求18所述的操作AM-EWOD器件的方法，其中，所述共享组件包括共享传感器读出晶体管，所述共享传感器读出晶体管将所述输出电流传递给传感器输出线，并且所述复位电位低于所述共享传感器读出晶体管的阈值电压。
20.根据权利要求19所述的操作AM-EWOD器件的方法，其中，所述第一阵列元件和所述第二阵列元件中的每个阵列元件的阻抗传感器电路还包括：
传感器电容器，所述共享传感器读出晶体管的栅极电连接到所述第一阵列元件的传感器电容器和所述第二阵列元件的传感器电容器；以及
存储电容器，与所述共享传感器读出晶体管相对地连接到所述传感器电容器；
其中，在感测操作期间，将脉冲施加到相应阵列元件的存储电容器，并且通过相应的传感器电容器耦合到所述共享传感器读出晶体管。
21.根据权利要求18至20中任一项所述的操作AM-EWOD器件的方法，还包括：在相应阵列元件的感测操作期间，将所述致动电路与所述阻抗传感器电路隔离。
22.一种操作有源矩阵介质上电润湿AM-EWOD器件的方法，包括以下步骤：
将多个阵列元件布置成具有行和列的阵列，所述阵列元件中的每个阵列元件包括阵列元件电路、元件电极和参考电极；
其中，所述阵列元件电路包括：致动电路，被配置为将致动电压施加到所述元件电极和所述参考电极以用于致动所述阵列元件；以及阻抗传感器电路，被配置为感测阵列元件电极处的阻抗以确定所述阵列元件处的液滴性质，其中，第一阵列元件和第二阵列元件的阻抗传感器电路共享传感器输出列线；
利用所述致动电路将致动电压施加到所述第一阵列元件和/或所述第二阵列元件的元件电极和参考电极，以致动所述第一阵列元件和/或所述第二阵列元件；
通过向所述第一阵列元件和所述第二阵列元件的所述阻抗传感器电路施加复位电位来复位所述第一阵列元件和所述第二阵列元件的阻抗传感器电路处的电位；
通过对到所述第一阵列元件和所述第二阵列元件的阻抗传感器电路的共享寻址线进行脉冲驱动来对所述第一阵列元件执行感测操作，并且从所述共享传感器输出列线读取输出电流以感测所述第一阵列元件的阵列元件电极处的阻抗，以确定所述第一阵列元件处的液滴性质；以及
通过对所述共享寻址线进行脉冲驱动来对所述第二阵列元件执行感测操作，并且从所述共享传感器输出列线读取输出电流以感测所述第二阵列元件的阵列元件电极处的阻抗，以确定所述第二阵列元件处的液滴性质；
其中，在对所述第一阵列元件执行感测操作时，没有来自所述第二阵列元件的输出电流，在对所述第二阵列元件执行感测操作时，没有来自所述第一阵列元件的输出电流。
23.根据权利要求22所述的操作AM-EWOD器件的方法，其中，
所述第一阵列元件的阻抗传感器电路包括n型传感器读出晶体管，所述n型传感器读出晶体管将输出电流传递给所述共享传感器输出列线；
所述第二阵列元件的阻抗传感器电路包括p型传感器读出晶体管，所述p型传感器读出晶体管将输出电流传递给所述共享传感器输出列线；以及
在对所述第一阵列元件的感测操作期间，被施加到所述共享寻址线的脉冲是正脉冲，在对所述第二阵列元件的感测操作期间，被施加到所述共享寻址线的脉冲是负脉冲。
24.根据权利要求23所述的操作AM-EWOD器件的方法，其中，
所述第一阵列元件和所述第二阵列元件中的每个阵列元件的阻抗传感器电路还包括：传感器电容器，所述传感器读出晶体管的栅极电连接到所述传感器电容器；以及存储电容器，与所述传感器读出晶体管相对地连接到所述传感器电容器；以及
在第一感测操作和第二感测操作期间，将脉冲施加到所述第一阵列元件和所述第二阵列元件的存储电容器，并且通过相应的传感器电容器耦合到相应的传感器读出晶体管。
25.根据权利要求22至24中任一项所述的操作AM-EWOD器件的方法，还包括：在相应阵列元件的传感器操作期间，将所述致动电路与所述阻抗传感器电路隔离。
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