CN111250178A - 具有感测列检测电路的am-ewod电路配置 - Google Patents

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Abstract

AM‑EWOD器件包括：多个阵列元件，以具有行和列的阵列布置；每列包括向对应列的阵列元件施加控制信号的列寻址线，并且每行包括向对应行的阵列元件施加控制信号的行寻址线；每个阵列元件包括开关晶体管和用于接收致动电压的元件电极，其中开关晶体管电连接在列寻址线和元件电极之间，并由行寻址线进行切换；以及列检测电路，包括寻址电路和测量电路，寻址电路在感测操作期间向被感测的阵列元件的列寻址线施加电扰动，测量电路从列寻址线中的一个列寻址线测量输出信号，其中输出信号基于元件电极处存在的电容而变化。

Description

具有感测列检测电路的AM-EWOD电路配置
技术领域
本发明涉及液滴微流控器件，并且更具体地涉及有源矩阵介质上电润湿(AM-EWOD)器件以及这种器件的电路配置，该电路配置采用基于列的感测来优化感测能力，从而与对紧凑布置的需求相平衡。
背景技术
介质上电润湿(EWOD)是通过施加电场来操纵流体液滴的众所周知的技术。有源矩阵EWOD(AM-EWOD)指的是在包含晶体管的有源矩阵阵列中实现EWOD，例如通过使用薄膜晶体管(TFT)。因此，它是用于芯片实验室数字微流控技术的候选技术。。对于该技术的基本原理的介绍可以在“Digital microfluidics：is a true lab-on-a-chip possible？”，R.B.Fair，Microfluid Nanofluid(2007)3：245-281)中找到。
图1是描绘了示例性的基于EWOD的微流控系统的图。在图1的示例中，微流控系统包括读取器32和盒34。盒34可以包含微流控器件(例如，AM-EWOD器件36)以及常规的进入到器件中的流体输入端口和电连接(electrical connection)(未示出)。流体输入端口可以执行将流体输入到AM-EWOD器件36中并在器件内产生液滴的功能(例如，通过如通过电润湿控制的从输入储液囊中施与)。如以下进一步详细描述的，微流控器件包括电极阵列，该电极阵列被配置为接收输入的流体液滴。
微流控系统还可以包括控制系统，该控制系统被配置为控制被施加到微流控器件的电极阵列的致动电压，以对流体液滴执行操纵操作。例如，读取器32可以包含被配置为控制电子器件38的这样的控制系统和存储器件40，存储器件40可以存储任何应用软件和与该系统相关联的任何数据。控制电子器件38可以包括合适的电路和/或处理器件(例如，CPU、微控制器或微处理器)，其被配置为执行与AM-EWOD器件36的控制相关的各种控制操作。
在图1的示例中，提供了外部传感器模块35以用于感测液滴性质。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。附加地或备选地，传感器可以被配置为内部传感器电路，该内部传感器电路作为驱动电路的一部分并入每个阵列元件中。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是以示意性透视图描绘了示例性AM-EWOD器件36的附加细节的图。AM-EWOD器件36具有下基板组件44，在下基板组件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，电极或元件二维阵列50具有N行×M列的阵列元件，其中N和M可以是任何整数。可以包括任何极性液体并且通常可以是水性的液体液滴52被封闭在由间隔物56隔开的下基板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是描绘了贯穿图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器件的一部分中，该器件包括在横截面中示出的一对阵列元件电极48A和48B，其可以在图2的AM-EWOD器件36的电极或元件阵列50中使用。AM-EWOD器件36还包括设置在下基板44上的薄膜电子器件46，下基板44通过间隔物56与顶基板54隔开。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)被图案化，使得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可以在下文中被理解为既指代与特定阵列元件相关联的物理电极结构48，又指代直接连接到该物理结构的电路的节点。在图3中示出了参考电极58，其设置在顶基板54上，但是备选地，该参考电极可以设置在下基板44上，以实现平面内参考电极几何形状。术语参考电极58在下文中也可以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这两者或者这两者中的任一个。
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分离，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。第二疏水涂层68在顶基板54上，液体液滴52可以与该第二疏水涂层68接触。参考电极58介于顶基板54和第二疏水涂层68之间。
液体液滴的接触角θ被定义为如图3所示的那样，并通过固液(γSL)、液气(γLG)和非离子流体(γSG)界面之间的表面张力分量的平衡确定，并且在不施加电压的情况下满足杨氏定律，等式如下：
Figure BDA0002296125280000031
在操作中，被称为电润湿(EW)驱动电压的电压(例如，图3中的VT、V0和V00)可以从外部施加到不同的电极(例如，分别是参考电极58、元件电极48A和48B)。建立的所得电力有效地控制疏水涂层64的疏水性。通过布置不同的EW驱动电压(例如，V0和V00)被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的情况下在元件电极48和参考电极58之间的电负载70A的电路表示。通常可以将液体液滴52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，如果液滴包含离子)，并且液滴的电容将相对较高(例如，由于极性液体的相对介电常数较高，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，液滴电阻相对较小，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之间的总阻抗可以通过电容器来近似，该电容器的值通常由绝缘体62的贡献以及疏水性涂层64和68的贡献决定，并且对于典型的层厚度和材料而言，其电容器在值方面可以是皮法量级的。
图4B示出了在不存在液体液滴的情况下在元件电极48和参考电极58之间的电负载70B的电路表示。在这种情况下，液体液滴组件由对占据顶基板和下基板之间的空间的非极性流体60的电容加以表示的电容器代替。。在这种情况下，可以通过电容器来近似元件电极48和参考电极58之间的总阻抗，该电容器的值由非极性流体的电容决定，并且通常很小，为毫微微法量级。
出于驱动和感测阵列元件的目的，电负载70A/70B总体上在效果方面起到电容器的作用，其值取决于在给定的元件电极48处是否存在液体液滴52。在存在液滴的情况下，电容相对较高(通常为皮法量级)，而如果不存在液体液滴，则电容较低(通常为毫微微法量级)。如果液滴部分覆盖给定的电极48，则电容可以近似表示液体液滴52对元件电极48的覆盖程度。
US 7,163,612(Sterling等人，2007年1月16日发布)描述了如何使用基于TFT的薄膜电子器件以用于通过使用与有源矩阵显示技术中所使用的非常相似的电路布置，来控制将电压脉冲寻址到EWOD阵列。US 7,163,612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阵列有若干个优点，即：
·电子驱动器电路可以集成到下基板上。
·基于TFT的薄膜电子器件非常适合AM-EWOD应用。它们的生产费用廉价，因此可以以相对较低的成本生产相对较大的基板面积。
·与以标准CMOS工艺制造的晶体管相比，以标准工艺制造的TFT可以被设计为在更高的电压下操作。这很重要，因为许多EWOD技术要求施加超过20V的电润湿电压。
图5是描绘了图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中的每个阵列元件51包含用于控制对应的元件电极48的电极电位的阵列元件电路72。集成的行驱动器74和列驱动器76电路也实现在薄膜电子器件46中，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感测能力。集成的传感器行寻址78和列检测电路80还可以被实现在薄膜电子器件中，以用于寻址和读出每个阵列元件中的传感器电路。
还可以提供串行接口82以处理串行输入数据流，并且便于将所需的电压编程到阵列50中的元件电极48。电压源接口84提供对应的供电电压、顶基板驱动电压和如本文进一步描述的其他必要的电压输入。即使对于大的阵列大小，下基板44与外部控制电子器件、电源和任何其他组件之间的连接线86的数量也可以相对较少。可选地，串行数据输入可以部分并行化。例如，如果使用两条数据输入线，则在对列驱动器电路76进行较小修改的情况下，第一数据输入线可以为列1至X/2提供数据，而第二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，这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器件以感测液滴并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以作为确定测定的输出的一种方法。这样的公开结合了集成的阻抗传感器电路，该集成的阻抗传感器电路具体地结合到每个阵列元件的阵列元件电路中。
精确的液滴感测已成为AM-EWOD器件领域的重要研发课题。例如，F.Azam Shaik et al，2017，J.Micromech Microeng.27054001(Shaik)是东京大学最近发表的一篇论文，其描述了一种具有单晶体管/单电容器(1T/1C)阵列元件电路的AM-EWOD器件。这篇论文描述了通过如下方式来感测液体：通过以1Vp-p AC电压对电源线进行脉冲来测量列线之间的互电容，同时测量从相邻电源线输出的电流。因此，这篇论文描述了这样一种感测方案：其采用通过感测不同列线之间的电容(在本领域中称为互电容感测)来感测电极之间的电位。尽管为此类互电容感测提供了实验基础，但实际系统对于现实生活的(real-word)设备应用而言并不切实际。测量完全由外部感测设备完成，并且没有集成的感测或其他任何种类的集成列电路。对于大型阵列，此类外部组件的实验使用是不切实际的，这是因为需要对阵列的每一列进行外部连接。Shaik也没有描述自电容实现，自电容实现在本领域中指代通过扰动电压(或电流)并测量相同列线上的对应的电流(或电压)来检测阻抗，这在某些情况下很有用。
因此，如上所述，已经尝试将阻抗感测电路集成到阵列元件结构中，特别是作为阵列元件电路的一部分。图6是描绘了用于AM-EWOD器件的包括体现申请人的先前设计的示例性阵列元件电路在内的阵列元件的图。该基本电路具有三个薄膜晶体管(TFT T1、T2和T3)和两个电容器(C1和C2)(即，3T/2C配置)，并且与7个寻址线相关联。此处和全文中，像素电路均使用以下约定绘制。像素的边界由虚线表示。行和列寻址线被示出为分别在水平和竖直方向上穿过像素。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)。连接线示出为具有焊点，在没有焊点的情况下，交叉线不连接。
节点标记的电极连接到阵列元件电极。组件CI、Rdrop和Cdrop表示在操作情况下通过器件结构层、油和液体液滴(如果有)的存在而在器件电极和顶部参考电极TP之间呈现的近似负载。由于这些组件不是薄膜电子电路的明确组成部分，因此它们不包括在规定的设计组件计数中。CI表示与液滴的上表面和下表面以及包含到器件中的任何其他绝缘体层接触的疏水涂层的电容。Rdrop和Cdrop的值将基于液滴的存在或不存在而变化，如上面关于图4A和图4B所述。具有此基本电路设计的示例AM-EWOD器件在申请人共同转让的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日发布)中进行了描述。
图6的电路通常如下操作。为了通过向所述阵列元件写入电压数据来对阵列元件进行编程，将要被编程的电压加载到寻址线SL上，并且对适合于被编程的行的栅极线GL施加脉冲。这导通了开关晶体管T1，并且连接到电极的电路节点被充电至编程的电压。当GL取值较低时，该电压被保留，并存储在存储电容器C1中。通常，C1比第二电容器或传感器电容器C2大至少大约一个数量级。为了执行感测，在复位步骤中，复位晶体管T2通过RST信号导通，因此传感器读出晶体管T3的栅极充电至VCCA。VCCA是被选择为低于T3的阈值电压的复位电位，以使T3保持断开状态并且清除任何先前的电压。在感测步骤中，对寻址线RWS进行脉冲。在RWS脉冲的持续时间内，电极电位被扰动到更高的电压。所实现的电压上的改变原则上是电容器C1与阵列元件电极处总电容之比的函数，该电容包括与液滴存在还是不存在相关联的负载。传感器电容器执行AC耦合功能，其将元件电极的电位扰动耦合到T3的栅极。因此，在T3的栅极处的被扰动的电位仅是元件电极处的电压的改变(扰动)的函数，而不是电极电压的DC电平的函数。该扰动通过传感器电容器C2耦合到T3的栅极，并且晶体管T3相应地导通到由耦合的脉冲的幅度确定的程度。所得电流通过T3并向下沉入传感器输出列线COL，该沉入的电流可以随后由阵列中的列的底部处的列检测电路(未示出)感测到。
图7是描绘了将多个图6中的阵列元件配置为2×2元件阵列的图。应当理解，可以将任何合适数量的阵列元件包含到期望大小的具有行和列的二维阵列中。当以这种方式配置为阵列时，每个阵列元件都包含其自己的3T/2C阵列元件电路，即，在每个阵列元件的电路中重复各种电路元件。该基本阻抗感测电路可以与致动电路的各种配置组合以向器件元件阵列施加不同类型的致动电压。
尽管这种集成的阻抗感测电路提供了有效的感测，但是必须扩大阵列元件电路的大小。在用于对基于电容的测量的学术研究的Shaik器件中，阵列元件电路具有1T/1C配置，因为整个感测和测量装置均从EWOD器件阵列外部提供。在图6和图7的集成的感测电路的示例中，每个阵列元件具有较大的3T/2C配置，其还可以与期望的致动电路的附加元件组合。
将阻抗传感器电路集成到阵列元件电路中表示需要平衡两个重要因素。非常期望包括集成在阵列元件电路内的感测功能，以用于感测阵列上液体液滴的存在、不存在和大小以及其他器件或液滴性质。例如，集成的感测有助于器件在“闭环”模式下操作，由此传感器反馈被用来优化施加到阵列元件的致动图案以用于液滴操纵。另一方面，还期望使阵列元件尽可能小，尤其是对于单个单元的应用，并提供更高的分辨率以用于液滴操纵。较小的阵列元件需要减小阵列元件电路的布局面积，因此期望具有较少晶体管和/或电容器的简化电路架构。如上所述，将感测能力并入到阵列元件电路中通常使用集成到阵列元件中的附加电路组件(TFT、电容器、寻址线)。尽管这提供了具有高信噪比的良好性能感测，但附加电路组件增加了空间并限制了阵列元件可以被制成更小的程度。
发明内容
在本领域中需要提供一种用于AM-EWOD器件的薄膜电子器件配置，其在集成的感测能力的优点与对小阵列元件大小的期望之间提供增强的平衡。本公开描述了薄膜电子器件结构内的集成阻抗感测布置，由此可以实现感测而无需专门在阵列元件结构本身内提供附加电路组件。这样的配置实现了足够的集成，以保持到薄膜电子器件基板的少量连接，而无需扩大单独的阵列元件电路，并且无需使用不适合于数百列或者甚至数千列的大型阵列的外部感测设备。
示例性实施例包括薄膜电子器件配置和用于在AM-EWOD器件的阵列元件处感测液滴的方法，由此感测电路被集成到薄膜电子器件基板上，但是被布置在列检测电路中而不是被专门集成到每个单独的阵列元件的阵列元件电路中。因此，阵列元件电路可以具有更常规的拓扑结构，该常规的拓扑接口不包括用于感测操作的任何专用组件。更确切而言，使用也用于控制电润湿致动的列寻址线和行寻址线来实现感测功能。
在示例性实施例中，以下电路被集成到薄膜电子器件基板上。薄膜电子器件包括：阵列元件的阵列，阵列元件也可以称为像素，每个像素包括阵列元件电路和元件电极；以及至少一个列寻址线，其连接到元件阵列的公共列中的阵列元件。薄膜电子器件还包括列检测电路，该列检测电路包括连接到各个阵列元件的列寻址线。
列检测电路被配置用于测量阻抗，阻抗如以下复杂关系所定义：
V＝ZI，
其中V是时变电压的复数表示，I是时变电流的复数表示，而Z是由电阻分量和电容分量(通常可以忽略电感分量)组成的复数阻抗。因此，可以通过改变V并测量I或通过改变I并测量V来确定Z。
在至少一个列寻址线上提供扰动(时变)电输入(电压或电流)，其被耦合以在至少一个列寻址线上提供电扰动输出信号。输出信号将取决于通过耦合路径的阻抗(＝电容)变化，该变化又与被感测的阵列元件处的液滴和/或器件性质相关联。在互电容模式下，在不同列中不同阵列元件的列寻址线上，施加输入电扰动(电压或电流)，并检测输出(电压或电流)扰动。在自电容模式下，在单个或相同阵列元件的列寻址线上，施加输入电压扰动，并检测输出电流扰动。备选地，自电容模式可以通过对电流进行扰动并检测电压的变化来操作。
在示例性实施例中，一种感测方法是基于感测两个元件电极之间的互电容，在这两个元件电极之间创建了到列检测电路的耦合信号路径。器件阵列的不同列中的至少两个阵列元件的电路内的晶体管元件被配置为使得在第一阵列元件和第二阵列元件的每个阵列元件中的列寻址线与元件电极之间创建信号路径。时间相关的电压信号被施加到第一列线，并且通过第一阵列元件的第一阵列元件电极耦合。然后，这种电压被扰动，并且第一阵列元件电极处的电压的扰动被耦合到第二阵列元件(其是邻近的阵列元件但不一定是相邻的)的第二阵列元件电极。电压扰动从第一阵列元件到第二阵列元件的耦合程度由元件电极层顶部处的且在第一阵列元件电极和第二阵列元件电极之间的液滴覆盖确定。然后将第二阵列元件电极处的电压扰动耦合到第二阵列元件的列寻址线，并且从第二列寻址线输出所述电压扰动(为电压或电流)并进行测量。如上所述，在自电容模式下，施加输入电压扰动，并在单个或相同阵列元件的公共列寻址线上测量输出电流扰动。
实施例相对于常规配置的优点在于：在无需将附加电路元件专门集成到阵列元件电路中的情况下，执行对器件阵列中的每个阵列元件处存在的电容的感测。然而，由于感测功能集成到薄膜电子器件层内的列检测电路中，因此仍然存在实质性的感测集成。以这种方式，实现了集成感测的实质性好处，诸如例如闭环功能和高信噪比，而不必像高分辨率应用期望的那样增加每个单独的阵列元件中的阵列元件电路的大小。
因此，本发明的一个方面是一种包括列检测电路的有源矩阵介质上电润湿(AM-EWOD)器件，该列检测电路基于在向阵列元件提供控制信号的寻址线之间测得的电容变化来执行感测功能。在示例性实施例中，AM-EWOD器件包括：多个阵列元件，以具有行和列的阵列布置；每列包括向对应列的阵列元件施加控制信号的列寻址线，并且每行包括向对应行的阵列元件施加控制信号的行寻址线；每个阵列元件包括开关晶体管和用于接收致动电压的元件电极，其中该开关晶体管电连接在列寻址线和元件电极之间，并由行寻址线进行切换；以及列检测电路，其包括寻址电路和测量电路，该寻址电路在感测操作期间向被感测的阵列元件的列寻址线施加电扰动，该测量电路从列寻址线中的一个列寻址线测量输出信号，其中该输出信号基于元件电极处存在的电容而变化。测量电路可以被配置为通过从如下这样的列寻址线测量输出信号而在互电容模式下操作，所述列寻址线与被感测的阵列元件的列寻址线不同的列寻址线相对应；或者，测量电路可以被配置为通过从如下这样的列寻址线测量输出信号而在自电容模式下操作，所述列寻址线与被感测的阵列元件的列寻址线相同的列寻址线相对应。
本发明的另一方面是一种操作AM-EWOD器件以执行感测功能的方法，其可以基于在向阵列元件提供控制信号的寻址线之间测得的电容变化来感测液滴和/或器件性质。在示例性实施例中，该操作方法包括：以具有行和列的阵列布置多个阵列元件，每列包括向对应列的阵列元件施加控制信号的列寻址线，并且每行包括向对应行的阵列元件施加控制信号的行寻址线；提供列检测电路，其包括寻址电路和测量电路；以及通过以下步骤执行感测操作：从寻址电路向被感测的阵列元件的列寻址线施加电压扰动；以及使用测量电路从列寻址线中的一个列寻址线测量输出信号，其中输出信号基于被感测的阵列元件的阵列元件电极处存在的电容而变化。测量电路可以通过从如下这样的列寻址线测量输出信号而在互电容模式下操作，所述列寻址线与被感测的阵列元件的列寻址线不同的列寻址线相对应；或者，可以通过从如下这样的列寻址线测量输出信号而在自电容模式下操作，所述列寻址线与被感测的阵列元件的列寻址线相同的列寻址线相对应。
参考以下描述和附图，本发明的这些和另外的特征将变得显而易见。在说明书和附图中，已经详细公开了本发明的特定实施例，以指示可以采用本发明的原理的一些方式，但是应当理解，本发明的范围不被相应地限制。更确切而言，本发明包括落入所附权利要求书的精神和范围内的所有改变、修改和等效物。关于一个实施例描述和/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替代地使用。
附图说明
图1是描绘了示例性的基于EWOD的微流控系统的图。
图2是以示意性透视图描绘了示例性AM-EWOD器件的图。
图3是描绘了贯穿图2的示例性AM-EWOD器件的一些阵列元件的横截面的图。
图4A是描绘了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的图。
图5是描绘了图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是描绘了用于AM-EWOD器件的包括体现申请人的先前设计的示例性阵列元件电路在内的阵列元件的图。
图7是描绘了将多个图6中的阵列元件配置成2×2元件阵列的图。
图8是描绘了AM-EWOD器件的一部分的组件的电路表示的图。
图9A和图9B是描绘了用于AM-EWOD器件的包括示例性阵列元件电路在内的多个阵列元件的图，其采用互电容感测模式。
图10是示出了图9A的实施例的操作的定时图(timing diagram)。
图11是描绘了用于AM-EWOD器件的包括示例性阵列元件电路在内的多个阵列元件的图，其是图9A的实施例的变型，其采用备选的输出测量电路。
图12是示出了图11的实施例的操作的定时图。
图13是描绘了用于AM-EWOD器件的包括示例性阵列元件电路在内的多个阵列元件的图，其是图11的实施例的变型，采用备选的致动电路。
图14是示出了图13的实施例的操作的定时图。
图15是描绘了用于AM-EWOD器件的包括示例性阵列元件电路在内的多个阵列元件的图，其采用自电容感测模式。
图16是示出了图15的实施例的操作的定时图。
图17是示出了在备选互电容模式下的图15的实施例的操作的定时图。
图18是描绘了采用对元件阵列中的多个阵列元件进行扰动和感测的示例性操作的图。
具体实施方式
现在将参考附图描述本发明的实施例，在整个附图中，相同的附图标记用于指代相同的元件。将理解的是，附图不一定按比例绘制。
图8是描绘了AM-EWOD器件的一部分100的组件的电路表示的图，其可以具有与图1至图5所描绘的结构配置相当的结构配置。在该图示中，器件部分100跨越包括第一阵列元件电极102和第二阵列元件电极104的两个阵列元件。为了施加致动电压，阵列元件电极102和104与参考(顶部)电极106间隔开，从而基于阵列元件电极和参考电极之间的电位差施加致动电压。CI表示施加在阵列元件电极层上的离子阻挡绝缘体108和第一疏水涂层110的串联电容组合。液体液滴112与给定的元件电极之间的电容CI与液体液滴在对应的元件电极上的覆盖面积成比例，该面积实际上是所得电容器的面积。因此，电容C1对于每个元件电极可以不同，因此对于第一元件电极102被表示为CI1，而对于第二元件电极104被表示为CI2。
CD和RD表示相对于阵列元件电极定位的液体液滴112的电构成(电阻和电容)。在大多数应用中，液滴电阻较小，并且液体液滴本质上起到短路的作用。因此，两个电极之间的总电容为CI1和CI2的串联组合再加上小的寄生(边缘)电容。Ct表示在参考电极106处从第二疏水涂层114开始到液滴112之间的电容，该第二疏水涂层114与第一疏水涂层110间隔开以形成其中存在液体液滴112的单元间隙。
在示例性实施例中，以下电路被集成到包含阵列元件电极的薄膜电子器件基板上。薄膜电子器件包括：阵列元件的阵列，该阵列元件也可以称为像素，每个像素包括阵列元件电路和元件电极；以及至少一个列寻址线，其连接到元件阵列的公共列中的阵列元件。薄膜电子器件还包括列检测电路，该列检测电路包括连接到各个阵列元件的列寻址线。
列检测电路被配置为测量阻抗，如以下复杂关系所定义：
V＝ZI
其中V是时变电压的复数表示，I是时变电流的复数表示，而Z是由电阻分量和电容分量(通常可以忽略电感分量)组成的复数阻抗。因此，阻抗的电容部分C可以与标准表达式相关：
Figure BDA0002296125280000131
通常，最方便地，可以通过施加时变电位并测量所得电流来测量电容C，并且随后的实施例描述与该操作模式相关联的配置。应当理解，同样可以施加电流并测量所得电压。
在至少一个列寻址线上提供扰动电压输入，其被耦合以在至少一个列寻址线上提供电压扰动输出信号。输出信号将取决于通过耦合路径的电容变化，该电容变化又与被感测的阵列元件处的液滴和/或器件性质相关联。在互电容模式下，在不同列中的不同阵列元件的列寻址线上，施加输入电压扰动，并检测输出电压或电流扰动。在自电容模式下，在单个或相同阵列元件的列寻址线上，施加输入电压或电流扰动，并检测输出电压或电流扰动。
在示例性实施例中，一种感测方法是基于感测两个元件电极之间的互电容，在这两个元件电极之间创建了到列检测电路的耦合信号路径。器件阵列的不同列中的至少两个阵列元件的电路内的晶体管元件被配置为使得在第一阵列元件和第二阵列元件的每一个阵列元件中的列寻址线与元件电极之间创建信号路径。时间相关的电压信号被施加到第一列线并且通过第一阵列元件的第一阵列元件电极耦合。然后，这种电压被扰动，并且第一阵列元件电极处的电压的扰动被耦合到第二阵列元件(其是邻近的阵列元件但不是必须是相邻的)的第二阵列元件电极。电压扰动从第一阵列元件到第二阵列元件的耦合程度由元件电极层顶部处且在第一阵列元件电极和第二阵列元件电极之间的液滴覆盖确定。然后在第二阵列元件电极处的电压扰动耦合到第二阵列元件的列寻址线，并且从第二列寻址线输出所述电压扰动并对其进行测量。
因此，本发明的一个方面是一种有源矩阵介质上电润湿(AM-EWOD)器件，其包括列检测电路，该列检测电路基于向阵列元件提供控制信号的寻址线之间的电容变化来执行感测功能。在示例性实施例中，AM-EWOD器件包括：以具有行和列的阵列布置的多个阵列元件，每列包括向对应列的阵列元件施加控制信号的列寻址线，并且每行包括向对应行的阵列元件施加控制信号的行寻址线，每个阵列元件包括开关晶体管和用于接收致动电压的元件电极，其中该开关晶体管电连接在列寻址线和元件电极之间，并由行寻址线进行切换；以及列检测电路，其包括寻址电路和测量电路，寻址电路在感测操作期间向被感测的阵列元件的列寻址线施加电扰动，测量电路测量来自列寻址线中的一个列寻址线的输出信号，其中该输出信号基于元件电极处存在的电容而变化。测量电路可以被配置为通过从如下这样的列寻址线测量输出信号而在互电容模式下操作，其中所述列寻址线与被感测的阵列元件的列寻址线不同的列寻址线相对应；或者可以被配置为通过从如下这样的列寻址线测量输出信号而在自电容模式下操作，其中，所述列寻址线与被感测的阵列元件的列寻址线相同的列寻址线相对应。
作为这类实施例的示例，图9A和图9B是描绘了根据本发明的实施例的用于AM-EWOD器件的包括示例性阵列元件电路在内的多个阵列元件120的图。图10是示出了图9A的实施例的感测操作的定时图。图9A和图9B描绘了具有行(mi)和列(nj)的2×2阵列部分120，因此示例阵列部分包括以下阵列元件集合：像素(m，n)、像素(m+1，n)、像素(m，n+1)和像素(m+1，n+1)。将理解的是，在实际实现中，在各种实施例中可以采用以行和列布置的任何合适数量的阵列元件。图9A还包括类似于图8中所示的液滴和器件层的电路表示。在图9A中，对于单独的阵列元件或像素中的每一个，这种电路表示再次被描绘为相对于第一阵列元件电极102和第二阵列元件电极104以及用TP表示的参考(顶部)电极106来定位。
每列包括将控制信号施加到对应列的阵列元件的列寻址线SL，并且每行包括将控制信号施加到对应行的阵列元件的行寻址线GL。此外，每个阵列元件包括用于接收致动电压的元件电极(例如102/104)和开关晶体管T1，其中开关晶体管T1连接在列寻址线SL和元件电极之间，并且由行寻址线GL进行切换，如下面进一步详述。
编程和致动的执行与申请人先前的电路设计(如图6和图7中所示)类似。编程和致动由集成到薄膜电子器件中的列致动控制电路122控制。为了通过将电压数据写入到所述阵列元件来对阵列元件进行编程，将要被编程的电压加载到与被致动的阵列元件相关联的寻址线SL上，并且将脉冲施加到适合于被编程的行的栅极线GL。对于2×2阵列部分，被编程的电压按列加载到适当的寻址线上(即，针对给定列的线SL(n)或SL(n+1))，并且将编程脉冲按行施加到栅极线(即，GL(m)或GL(m+1))。对于其中施加了编程的电压并且对栅极线施加脉冲的所选阵列元件，这导通开关晶体管T1，并且连接到电极的电路节点被充电至编程的电压。当GL取值较低时，该电压被保留，并存储在连接到电源VPIX的存储电容器C1上。然而，与图6和图7的先前设计相比，阻抗感测电路没有集成到阵列元件电路本身中，而是集成到列检测电路124中，该列检测电路124集成到薄膜电子器件中。
如图9A的电路图所示，每列包括将对应的列连接到列致动控制电路122的第一开关S1。因此，对于图9A中的示例2×2阵列部分，第一开关S1包括针对相应列的开关S1(n)和S1(n+1)。每列还包括包含在列检测电路124中的寻址电路，在该示例中该寻址电路包括用于列(n)的寻址电路123和用于列(n+1)的寻址电路125。在示例性实施例中，每个寻址电路包括第二开关S2(也称为输入开关)，其将对应的列连接到经由列检测电路124输入的输入电压源Vin。输入电压源Vin作为感测操作的一部分进行施加，如下所述。因此，对于图9A中的示例2×2阵列部分，第二或输入开关S2包括用于相应列的开关S2(n)和S2(n+1)，其将相应列连接到相应电压输入Vin(n)和Vin(n+1)。
列检测电路124还包括针对每列的测量电路，在此示例中为测量电路127和129。在示例性实施例中，每个测量电路包括第三开关S3(也称为输出开关)，其将对应的列连接到列检测电路124中包含的用于每个相应列的电流测量电路。因此，对于图9A中的示例2×2阵列部分，第三开关包括将列(n)连接到第一电流测量电路126的开关S3(n)，以及将列(n+1)连接到第二电流测量电路128的开关S3(n+1)。
结合图10的定时图参考图9A的电路配置，如下进行感测。为了执行感测，需要将列线SL与用于感测所涉及的阵列元件的列致动控制电路断开连接，以便从列致动控制电路122去除编程和致动电压的施加。在该示例中，用于包括被感测的阵列元件的列的第一开关是断开的，例如，取决于被感测的阵列元件的第一开关S1(n)和/或S1(n+1)是断开的，在定时图中被示出为低电压。在互电容模式下，电压输入在第一阵列元件上受到扰动，并且从第二阵列元件测量电流输出。在用于感测阵列元件(m，n)的示例操作中，输入开关S2(n)闭合(高电压)，而输出开关S3(n)断开。这将阵列元件(m，n)连接到电压输入Vin(n)，并且使阵列元件(m，n)与第一电流测量电路126断开连接。要从第二阵列元件(诸如例如，相邻的阵列元件(m，n+1))测量输出电流。为了测量输出电流，输入开关S2(n+1)断开，并且输出开关S3(n+1)闭合(高电压)。这将阵列元件(m，n+1)与电压输入Vin(n+1)断开连接，并且将阵列元件(m，n+1)连接到第二电流测量电路128。尽管在此示例中第二阵列元件与第一阵列元件相邻，但不一定是这种情况。
该电路配置进行操作以用于感测像素(m，n)和像素(m，n+1)的元件电极之间的电容。为了执行这种操作，行寻址信号GL用于选择被感测的阵列元件的行。例如，为了感测行(m)，通过保持GL(m)较高来选择该行，并且对于不被感测的行，GL线(例如，GL(m+1))被保持为较低。该较高的GL(m)电压操作以导通行(m)的每个阵列元件中的开关晶体管T1，这提供了行(m)中的阵列元件的电容耦合。此外，对于像素(m，n)，电压输入Vin(n)通过选择线SL(n)连接到所述像素的阵列元件电极，并且对于像素(m，n+1)，第二电流测量电路128通过选择线SL(n+1)连接到所述像素的阵列元件电极。
在该实施例中，电路配置在互电容模式下操作，即，在一个像素电极处对电位进行扰动，并且在另一像素电极处对扰动进行测量，即，扰动电压信号被施加到列(n)，并且在列(n+1)处感测耦合的信号(为电压或是电流)。在该示例中，为了在像素(m，n)处进行感测，Vin(n)被扰动，并且在已经连接到像素(m，n+1)的第二电流测量电路128处对扰动进行测量。被测量的量本质上是每个元件电极和液体液滴之间的电容的串联组合，即，CI1与CI2在两个列寻址线之间串联。这是液体液滴在相应阵列元件的两个元件电极上的物理覆盖的测量。由第二电流测量电路128测量的输出电流“I”通过与两个阵列元件电极之间的电容“C”和对电位VIN(n)的扰动相关，其关系为：
Figure BDA0002296125280000171
如图10的定时图中所示，因此，所得的输出电流将取决于液滴相对于被感测的阵列元件的覆盖，特别是取决于在被感测的阵列元件上是存在还是不存在液滴。电流测量电路126和128(以及对于所有其他列)可以由若干种标准的且公知的电流测量电路中的任何一种来实现。例如，电流测量电路可以包括电流积分器布置、跨阻放大器或电流感测放大器。
为了感测器件阵列的所有行，依次对这些(m)个行中的每个行重复感测操作。此外，为了感测阵列中的所有列，可以以相当的方式按顺序在每对相邻的阵列元件电极之间执行感测，例如将列(n)和(n+1)配成对，然后将列(n+1)和(n+2)配成对，依此类推，直到所有阵列元件都被感测为止。对于未被感测的列，SL线可以是浮置的(floating)或可以连接到固定电位(优选地是DC电位)。在图9A的示例配置中，列检测电路124和列致动控制电路122被示出为位于器件阵列的相对侧，但是不需要一定是这种特定的定位，只要存在适当的电连接即可。
在备选实现中，可以稍微修改图9A的布置，以将输入电压信号VIN<n>替换为时间相关的输入电流IIN，并且将测量电路替换为电压测量电路V测量(如图9B中所示)。IIN<n>例如可以通过标准结构的简单电流源(例如电流镜)来实现，并切换到列线上。该电路的操作将是相似的，其中输入信号从列<n>耦合到列<n+1>的程度由被感测的像素的电极之间的耦合阻抗确定。
实施例相对于常规配置的优点在于，在无需将附加电路元件专门集成到阵列元件电路中的情况下，执行对存在于器件阵列中的每个阵列元件处的电容的感测。以这种方式，通过将传感器功能去本地化到列检测电路中，非常小的像素电路可以使用如图9A(和图9B)所示的1T/1C阵列元件电路配置来实现电润湿致动和感测。然而，由于将感测功能集成到沉积在元件电极层上的薄膜电子器件层内的列检测电路中，因此仍然存在实质性的感测集成。以这种方式，实现了集成感测的实质性益处，诸如例如闭环功能和高信噪比，而不必像高分辨率应用所希望的那样增加每个单独阵列元件中的阵列元件电路的大小，并提高了产量(yield)。另一个潜在的优点在于所描述的电路配置和操作直接在一对元件电极之间测量电容，而不是测量在电容传感器集成到阵列元件电路中的情况下的存在于单个电极处的电容。元件电极之间的电容的这种测量例如对于更精确地确定液滴在两个像素之间重叠的程度会是有益的。这可以有助于更精确地测量液滴大小和其他液滴性质。
图11是描绘了用于AM-EWOD器件的包括示例性阵列元件电路在内的多个阵列元件130的图，其是图9A的实施例的变型，其采用备选的输出测量电路。图12是示出了图11的实施例的操作的定时图。通常将阵列元件电路相当地配置成先前实施例中的那样。图11还描绘了具有行(mi)和列(nj)的2×2阵列部分，因此示例阵列部分包括以下阵列元件集合：像素(m，n)、像素(m+1，n)、像素(m，n+1)和像素(m+1，n+1)。图11还包括与图9A中所示的相似的液体液滴和器件层的电路表示。因此，用与图9A中相同的附图标记来标识相同的元件。此外，编程和致动本质上如前所述那样执行。
感测也与先前实施例相当地进行。结合图12的定时图参考图11的电路配置，为了执行感测，将用于被感测的列的列线SL与用于感测时所涉及的阵列元件的列致动控制电路122断开连接。因此，包括被感测的阵列元件在内的列的第一开关(S1(n)或S1(n+1))断开。在用于感测阵列元件(m，n)的示例操作中，开关S2(n)闭合(高电压)，而S3(n)断开。这将阵列元件(m，n)连接到电压输入Vin(n)，并且使阵列元件(m，n)与第一测量电路127断开连接。要从第二阵列元件(诸如例如相邻的阵列元件(m，n+1))测量输出信号。为了测量输出信号，S2(n+1)断开，而S3(n+1)闭合(高电压)。这使阵列元件(m，n+1)与电压输入Vin(n+1)断开连接，并且将阵列元件(m，n+1)连接到第二测量电路129。行寻址信号GL用于选择被感测的阵列的行。例如，为了感测行(m)，通过保持GL(m)较高来选择该行，并且对于不被感测的行，GL线(例如，GL(m+1))被保持为较低。该高GL(m)电压进行操作以用于导通行(m)的每个阵列元件中的开关晶体管T1，以提供相关联的列寻址线之间的行(m)中的阵列元件的电容耦合。此外，对于像素(m，n)，电压输入Vin(n)通过选择线SL(n)连接到所述像素的阵列元件电极，并且对于像素(m，n+1)，第二测量电路通过选择线SL(n+1)连接到所述像素的阵列元件电极。可以执行相当的操作以感测其他行和列中的阵列元件。
图11和图12的实施例的变化主要在于输出信号测量的性质。特别地，测量电路127和129各自包括比较器电路“U”，通过比较器电路“U”将输出信号与参考电压输入VREF进行比较。对于所示的两列，示出了针对U(n)的对应的比较器电路132和针对U(n+1)的对应的比较器电路134。例如，当对列(n)进行感测，从而在Vin(n)处将扰动施加到SL(n)线并且从SL(n+1)线测量输出信号时，所述输出信号被施加到比较器电路U(n+1)。比较器产生数字输出，其值取决于其输入端子中哪个输入端子处于更高电位。在本实施例的示例中，如图12的定时图中所示，具有锯齿状波形的参考电压VREF被施加到比较器电路的(+)输入，其与在SL(n+1)下端施加的输出列电压进行比较。因此，比较器输出的脉冲宽度是出现在SL(n+1)上的电压电位的数字化表示，并且由于输出SL(n+1)将根据液滴的存在或者不存在而不同，因此是被测量的该对像素的电极之间的电容的测量。来自多个列的比较器电路的电压输出可以被组合以用于读出，例如通过经由包含到列检测电路124中的复用器(MUX)136耦合以从器件阵列读出。可选地，可以通过标准信号处理装置在器件阵列上或在器件阵列之外以其他方式对比较器电路的输出进行数字处理。
与上述类似，为了对阵列的所有行进行感测，依次对这些(m)个行中的每个行重复感测操作。此外，为了对阵列中的所有列进行感测，可以以相当的方式按顺序在每对相邻阵列元件电极之间执行感测，例如将列(n)和(n+1)进行配对，然后将列(n+1)和(n+2)进行配对，依此类推，直到所有阵列元件都被检测为止。对于不被感测的列，SL线可以是浮置的或可以连接到固定电位(优选地是DC电位)。
图13是描绘了用于AM-EWOD器件的包括示例性阵列元件电路在内的多个阵列元件140的图，其是图11的实施例的变型，其采用备选的致动电路。图14是示出了图13的实施例的操作的定时图。阵列元件电路通常被相当地配置为先前实施例中的那样。图13还描绘了具有行(mi)和列(nj)的2×2阵列部分，因此示例阵列部分包括以下阵列元件集合：像素(m，n)、像素(m+1，n)、像素(m，n+1)和像素(m+1，n+1)。图13还包括与先前的图中所示相似的液体液滴和器件层的电路表示。因此，用与先前的图中相同的附图标记来标识相同的元件。
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，其包括2晶体管1电容器的致动电路配置。为了通过将电压数据写入到所述阵列元件来对给定阵列元件进行编程，将电压加载到针对要被致动的列的寻址线SL上，并且将脉冲施加到适合于被编程的行的栅极线GL。这导通所选择的行中的开关晶体管T1，并且连接到电极的电路节点被充电至SL线上的电压脉冲。当GL取值较低时，该电压被保留，并存储在附加的电容器C1上，该电容器C1也被施加了输入电压VPIX。通过这种布置，存储在C1上的电压确定第二晶体管(晶体管T2)是否导通，并且当晶体管T2导通时，元件电极连接到期望的致动电压线ACT。由于SL电压仅仅是开关脉冲，因此该布置特别适合于AC致动电压，并且可以沿着单独的电压输入线ACT施加附加的AC致动电压。
感测如使用比较器电路和用于将不同列的结果组合的复用器MUX的先前的实施例中的那样相当地进行，除了输出是从ACT(n+1)线读出的。结合图14的定时图参考图13的电路配置，为了执行感测，将用于被感测的列的列线SL与用于感测时所涉及的阵列元件的列致动控制电路断开连接。因此，包括被感测的阵列元件在内的列的第一开关(S1(n)或S1(n+1))断开。在用于感测阵列元件(m，n)的示例操作中，输入开关S2(n)闭合(高电压)，而输出开关S3(n)断开。这将阵列元件(m，n)连接到电压输入Vin(n)，并且使阵列元件(m，n)与第一测量电路127断开连接。要从第二阵列元件(诸如例如，相邻的阵列元件(m，n+1))测量输出电流。为了测量输出信号，输入开关S2(n+1)断开，而输出开关S3(n+1)闭合(高电压)。这使阵列元件(m，n+1)与电压输入Vin(n+1)断开连接，并且将阵列元件(m，n+1)连接到第二测量电路129。行寻址信号GL用于选择被感测的阵列的行。例如，为了对行(m)进行感测，通过保持GL(m)为较高来选择该行，并且对于不被感测的行，GL线(例如，GL(m+1))保持为较低。该较高的GL(m)电压进行操作以导通行(m)的每个阵列元件中的开关晶体管T1，因此使阵列元件电容耦合。此外，对于像素(m，n)，电压输入Vin(n)通过致动电压线ACT(n)连接到所述像素的阵列元件电极，并且对于像素(m，n+1)，第二电流测量电路通过致动线ACT(n+1)连接到所述像素的阵列元件电极。可以执行相当的操作以对其他列中的阵列元件进行感测。
图13和图14的实施例还采用了针对U(n)的比较器电路132和针对U(n+1)的比较器电路134。在示例中，当对列(n)进行感测，从而通过Vin(n)将扰动施加到ACT(n)线并且从ACT(n+1)线测量输出信号时，所述输出信号被施加到比较器电路U(n+1)。锯齿状参考电压VREF被施加到比较器电路的(+)输入，并与ACT(n+1)下端施加的输出列电压进行比较。因此，比较器输出的脉冲宽度是出现在ACT(n+1)上的电压电位的数字化表示，并且由于输出ACT(n+1)将根据液滴存在或不存在而不同，因此是被测量的该对像素的电极之间的电容的测量。来自多个列的比较器电路的电压输出可以再次组合以用于读出，例如通过经由复用器(MUX)136耦合以从器件阵列读出。可选地，可以通过标准信号处理装置在器件阵列上或在器件阵列以外以其他方式对比较器电路的输出进行数字处理。
与上述类似，为了对阵列的所有行进行感测，依次对这些(m)个行中的每个行重复感测操作。此外，为了对阵列中的所有列进行感测，可以以相当的方式按顺序在每对相邻阵列元件电极之间执行感测，例如将列(n)和(n+1)进行配对，然后将列(n+1)和(n+2)进行配对，依此类推，直到所有阵列元件都被检测为止。对于不被感测的列，SL/ACT线可以是浮置的或可以连接到固定电位(优选地是DC电位)。
在示例性实施例中，可以同时对多“对”像素进行感测，例如在感测列(n)和(n+1)之间的电容的同时感测列(n+2)和(n+3)之间的电容。该实施例的另一方面在于，可以通过在不同时间段或间隔期间组合地感测奇数和偶数对来实现最大传感器分辨率。因此，典型的操作将是：
Figure BDA0002296125280000221
该操作方法的优点在于，通过在最短的时间内进行感测来使效率最大化，并且还通过在每对列之间进行感测来使分辨率最大化。
作为用于感测的增强电路实施例的另一示例，图15是描绘了根据本发明的实施例的用于AM-EWOD器件的包括示例性阵列元件电路在内的多个阵列元件150的图。图16是示出了图15的实施例的感测操作的定时图。与先前实施例一样，图15描绘了具有行(mi)和列(nj)的2×2阵列部分，因此该示例阵列部分包括以下阵列元件集合：像素(m，n)、像素(m+1，n)、像素(m，n+1)和像素(m+1，n+1)。图15还包括与先前的图中所示的相似的液体液滴和器件层的电路表示。因此，用与先前的图中相同的附图标记来标识相同的元件。此外，编程和致动本质上如前所述的那样执行。
在图15的实施例中，电路布置被配置为在自电容模式下执行，在该模式下扰动电位和所测量的输出电流耦合至相同或公共列线内的所测量的电容的相同端子。例如，当对列(n)进行感测时，在感测期间非感测列(n+1)的SL线(以及可选的，阵列中其他非感测列的SL线)连接到固定电位(优选地是DC电位)。在该示例中，这是通过闭合针对非感测列的开关S1(n+1)并从列驱动控制电路122提供DC电位来实现的。
结合图16的定时图参考图15的电路配置，感测如下进行。为了执行感测，将被感测的列的列线SL与列致动控制电路断开连接，以便从列致动控制电路122去除编程和致动电压的施加。在该示例中，第一开关S1(n)断开，在定时图中被示出为低电压。在自电容模式下，在第一阵列元件上扰动电压输入，并且从相同第一阵列元件测量电流输出。因此，在图15的配置中省略了先前实施例的第二开关S2，并且对于每一列，通过示例第三开关S3共同连接输入电压Vin和相关联的电流测量电路。在用于感测阵列元件(m，n)的示例操作中，开关S3(n)闭合。这通过第一电流测量电路126将阵列元件(m，n)连接到电压输入Vin(n)。要从该相同的第一阵列元件测量输出电流。类似地，为了对列(n+1)中的阵列元件进行感测，开关S3(n+1)闭合，使得电压输入Vin(n+1)通过第二电流测量电路128连接。
为了执行感测操作，行寻址信号GL用于选择被感测的阵列的行。例如，为了对行(m)进行感测，通过保持GL(m)为较高来选择该行，并且对于不被感测的行，GL线(例如，GL(m+1))保持为较低。该较高的GL(m)电压进行操作以导通行(m)的每个阵列元件中的开关晶体管T1，其使该行中的阵列元件电容耦合。此外，对于像素(m，n)，电压输入Vin(n)通过选择线SL(n)连接到所述像素的阵列元件电极。在该实施例中，电路配置在自电容模式下操作，即，在一个像素电极处对电位进行扰动，并且在相同像素电极处测量扰动，即，扰动电压信号被施加到列(n)，并且在列(n)处感测耦合的电流输出。在该示例中，为了在像素(m，n)处进行感测，Vin(n)被扰动，并且在相同列线上的第一电流测量电路126处测量扰动。这构成了对被感测的阵列元件上液体液滴的物理覆盖的测量。如图16的定时图中所示，所得输出电流将类似地取决于液滴相对于被感测的阵列元件的覆盖，特别是取决于在被感测的阵列元件上是存在液滴还是不存在液滴。
为了对阵列的所有行进行感测，依次对这些(m)个行中的每个行重复感测操作。此外，为了对阵列中的所有列进行感测，可以通过依次对每个列中的阵列元件执行自电容测量来顺序地执行感测。对于不被感测的列，SL线可以再次是浮置的或可以连接到固定电位(优选地是DC电位)。在图15的示例配置中，列检测电路124和列致动控制电路122被示出为位于器件阵列的相对侧，但是同样，不需要一定是这种特定的定位，只要存在适当的电连接即可。此外，比较器电路和复用器MUX电路也可以在自电容模式下使用。
自电容模式的优点在于，测量信号将趋于高于上述互电容模式下的测量信号，因为在互电容模式下，测量电容将包括来自正经受感测的像素周围的所有像素的贡献。如果像素非常小，并且因此电容和所测量的电流很小，对于增加测量的信噪比来说，自电容操作会是有益的。因此，在自电容模式下，被测量的量本质上是在被感测的阵列元件电极处存在的电容，这主要是电极上的液滴的覆盖(其与液滴大小相关)的函数。
在使用图15的电路配置的这种实施例的变型中，备选地，这种电路配置可以在互电容模式的修改形式下操作。在图17的定时图中示出了这种模式。对于这种修改的互电容感测，通过对施加到参考(顶部)电极106(TP)的电压进行扰动来施加扰动电压。在感测期间，列致动控制电路122在所有列上断开连接(S1在所有列上断开)。此外，在所有列中连接电流测量电路，这意味着S3在所有列中均闭合。以要对行(m)上的阵列元件进行感测为例。如图17中所示，通过将线GL(m)取较高值来选择行(m)以进行感测，该线通过导通T1将所选择的行的阵列元件电极连接到电流测量电路。如上所述，通过向参考电极TP施加电压脉冲扰动来执行感测。TP电压扰动经由包括任何液滴(如果有)的单元间隙耦合，由此电压脉冲也会出现在阵列元件电极上，其大小取决于元件电极和参考电极之间的电容，继而取决于是否存在液滴。元件电极通过T1连接到线SL(n)，因此如先前所述在列检测电路中测量扰动。可以重复这种操作，以对器件阵列上的不同阵列元件进行感测。
对于互电容操作模式，扰动和感测相邻阵列元件的电极的方法可以扩展为扰动和感测元件电极的组。结果是增加了耦合电容的大小以产生更大的输出信号。相关地，可以通过多个阵列元件的组合输出来实现更大的输出信号，并且这允许当更大的感测输出通过时器件较不会导通。可以采用感测和扰动多个阵列元件的各种组合来产生更大的感测输出。示例包括(但不限于)：用跨越多个元件的共同Vin扰动来对多个阵列元件进行感测；用来自相邻阵列元件的单个Vin扰动来对多个阵列元件进行感测；用来自多个阵列元件的多个Vin扰动信号来对多个阵列元件进行感测；用来自多个相邻元件的多个Vin扰动信号来对单个阵列元件进行感测；以及在被感测的阵列元件的不同侧或相同侧上扰动多个阵列元件或在不同侧上按顺序扰动多个阵列元件，以便提供与液滴布局有关的附加位置信息。
例如，图18是描绘了采用对元件阵列200中的多个阵列元件进行扰动和感测的示例性操作的图。在该示例中，第一组的2×2阵列元件202被扰动，并且从被感测的第二且相邻组的2×2阵列元件204读取所得输出信号。相对于液滴206描绘了两个阵列元件组。应当理解，在扰动组和感测组中可以包括任何合适数量的阵列元件，并且在这两个组中的阵列元件的数量可以相同或可以不同。如上所述，输出信号由读出电路208读取，该读出电路可切换以读取期望的输出信号。在这样的实施例中，增加被扰动和/或读出的阵列元件的数量会增加耦合电容以产生更大的输出信号。如上所述，可以采用不同的扰动和感测阵列元件组合。在图18所示的示例中，2×2像素块示出为被扰动并被感测。可以采用任何合适的数量，并且每个块中的像素不一定必须是相邻的或者甚至是连续的。组合像素以进行扰动和/或感测的优点在于可以使用这种操作来增加测量信噪比。发生这种情况的原因是由于相对于单个像素而言每组的面积更大，并且组之间的电容更大，因此在两组元件电极之间耦合了更大的信号。
因此，本发明的一个方面是一种包括列检测电路的有源矩阵介质上电润湿(AM-EWOD)器件，该列检测电路基于在向阵列元件提供控制信号的寻址线之间测得的电容变化来执行感测功能。在示例性实施例中，AM-EWOD器件包括：以具有行和列的阵列布置的多个阵列元件，每列包括向对应列的阵列元件施加控制信号的列寻址线，并且每行包括向对应行的阵列元件施加控制信号的行寻址线，每个阵列元件包括开关晶体管和用于接收致动电压的元件电极，其中该开关晶体管电连接在列寻址线和元件电极之间，并由行寻址线切换；以及列检测电路，其包括寻址电路和测量电路，该寻址电路在感测操作期间向被感测的阵列元件的列寻址线施加电扰动，该测量电路从列寻址线中的一个列寻址线测量输出信号，其中该输出信号基于元件电极处存在的电容而变化。AM-EWOD器件可以单独或组合包括以下一个或多个特征。
在AM-EWOD器件的示例性实施例中，测量电路被配置为从如下这样的列寻址线测量输出信号，所述列寻址线与被感测的阵列元件的列寻址线不同的列寻址线相对应。
在AM-EWOD器件的示例性实施例中，测量电路被配置为从如下这样的列寻址线测量输出信号，所述列寻址线与和被感测的阵列元件的列寻址线相同的列寻址线相对应。
在AM-EWOD器件的示例性实施例中，寻址电路包括输入开关，该输入开关闭合以将电压输入连接到被感测的阵列元件的列寻址线，其中对于被感测的阵列元件，电压输入受到扰动。
在AM-EWOD器件的示例性实施例中，测量电路包括电流测量电路和输出开关，该输出开关闭合以将电流测量电路连接到输出信号的列寻址线，并且输出信号是由电流测量电路测量的输出电流。
在AM-EWOD器件的示例性实施例中，测量电路包括：比较器电路，其将输出信号与参考电压输入进行比较；以及输出开关，其闭合以将比较器电路连接到输出信号的列寻址线，并且由比较器电路基于比较来输出输出电压。
在AM-EWOD器件的示例性实施例中，列检测电路还包括将多个列的比较器电路的输出进行组合的复用器。
在AM-EWOD器件的示例性实施例中，通过施加到被感测的阵列元件的行寻址线的控制信号来选择被感测的阵列元件。
在AM-EWOD器件的示例性实施例中，列检测电路与阵列元件电极集成到薄膜电子器件基板上。
在AM-EWOD器件的示例性实施例中，AM-EWOD器件还包括列致动控制电路，该列致动控制电路被配置为向元件电极施加致动电压以致动阵列元件；以及开关，其用于在对被感测的阵列元件进行感测操作期间将列致动控制电路与被感测的阵列元件断开连接。
在AM-EWOD器件的示例性实施例中，列检测电路和列致动控制电路与阵列元件电极集成到薄膜电子器件基板上。
在AM-EWOD器件的示例性实施例中，每个阵列元件包括致动电路，该致动电路被配置为向元件电极施加致动电压以用于致动阵列元件，并且该致动电路包括开关晶体管和存储电容器，该存储电容器用于存储通过开关晶体管施加以用于致动阵列元件的编程电压。
在AM-EWOD器件的示例性实施例中，AM-EWOD器件还包括第二晶体管，该第二晶体管的栅极连接到电容器，其中存储在存储电容器上的编程电压控制第二晶体管，并且致动电压通过第二晶体管施加到元件电极。
在AM-EWOD器件的示例性实施例中，AM-EWOD器件还包括参考电极，该参考电极与元件电极间隔开以形成单元间隙，用于致动阵列元件的致动电压是所述阵列元件的元件电极与参考电极之间的电位差，其中在感测操作期间，向参考电极施加电压扰动。
本发明的另一方面是一种操作AM-EWOD器件以执行感测功能的方法，其可以基于在向阵列元件提供控制信号的寻址线之间测得的电容变化来感测液滴和/或器件性质。在示例性实施例中，该操作方法包括：以具有行和列的阵列布置多个阵列元件，每列包括向对应列的阵列元件施加控制信号的列寻址线，并且每行包括向对应行的阵列元件施加控制信号的行寻址线；提供列检测电路，其包括寻址电路和测量电路；以及通过以下步骤执行感测操作：从寻址电路向被感测的阵列元件的列寻址线施加电压扰动；以及使用测量电路从列寻址线中的一个列寻址线测量输出信号，其中输出信号基于被感测的阵列元件的阵列元件电极处存在的电容而变化。该操作方法可以单独地或组合地包括以下一个或多个特征。
在操作方法的示例性实施例中，测量电路从如下这样的列寻址线测量输出信号，所述列寻址线与被感测的阵列元件的列寻址线不同的列寻址线相对应。
在操作方法的示例性实施例中，测量电路从如下这样的列寻址线测量输出信号，所述列寻址线与被感测的阵列元件的列寻址线相同的列寻址线相对应。
在该操作方法的示例性实施例中，该方法还包括通过向被感测的阵列元件的行寻址线施加控制信号来选择被感测的阵列元件。
在该操作方法的示例性实施例中，该方法还包括将列检测电路与阵列元件的阵列元件电极集成到薄膜电子器件基板上。
在操作方法的示例性实施例中，施加电压扰动包括对到被感测的第一组阵列元件的电压进行扰动，并且测量输出信号包括从与第一组阵列元件不同的第二组阵列元件测量输出信号。
尽管已经关于特定实施例示出和描述了本发明，但是本领域的其他技术人员在阅读和理解本说明书和附图之后可以想到等效的变更和修改。特别地，关于由上述元件(组件、组合件、器件、组合物等)执行的各种功能，除非另有说明，否则用于描述此类元件的术语(包括对“装置”的引用)旨在与执行所描述的元件的指定功能(即，功能上等效的)的任何元件相对应，甚至即使在结构上不等效于在本文中执行本发明的示例性实施例中的功能的公开结构也是如下。此外，尽管以上仅关于若干个实施例中的一个或多个实施例描述了本发明的特定特征，但是如对任何给定或特定的应用所期望的和有利的，可以将这种特征与其他实施例的一个或多个其他特征组合。
工业适用性
所描述的实施例可以用于提供增强AM-EWOD器件。AM-EWOD器件可以形成芯片实验室系统的一部分。这类器件可以用于对生化或生理材料的光学检测，诸如用于细胞检测和细胞计数。应用包括医疗保健诊断测试、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
32-读取器
34-盒
35-外部传感器模块
36-AM-EWOD器件
38-控制电子器件
40-存储器件
44-下基板组件
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
50-二维元件阵列
51-阵列元件
52-液体液滴
54-顶基板组件
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-存在液滴情况下的电负载
70B-不存在液滴情况下的电负载
72-阵列元件电路
74-集成的行驱动器
76-列驱动器
78-集成的传感器行寻址
80-列检测电路
82-串行接口
84-电源接口
86-连接线
100-AM-EWOD器件
102-第一阵列元件电极
104-第二阵列元件电极
106-参考电极
108-离子阻挡绝缘体
110-第一疏水涂层
112-液体液滴
114-第二疏水涂层
122-列致动控制电路
123-寻址电路
124-列检测电路
125-寻址电路
126-第一电流测量电路
127-测量电路
128-第二电流测量电路
129-测量电路
130-阵列元件
132-比较器电路
134-比较器电路
136-复用器(MUX)
140-阵列元件
150-阵列元件
200-元件阵列
202-第一组的阵列元件
204-第二组的阵列元件
206-液滴
208-读出电路。

Claims (20)

1.一种有源矩阵介质上电润湿AM-EWOD器件，包括：
多个阵列元件，以具有行和列的阵列布置，
每列包括向对应列的阵列元件施加控制信号的列寻址线，并且每行包括向对应行的阵列元件施加控制信号的行寻址线，
每个阵列元件包括开关晶体管和用于接收致动电压的元件电极，其中所述开关晶体管电连接在所述列寻址线和所述元件电极之间，并由所述行寻址线进行切换；以及
列检测电路，包括寻址电路和测量电路，所述寻址电路在感测操作期间向被感测的阵列元件的列寻址线施加电扰动，所述测量电路从所述列寻址线中的一个列寻址线测量输出信号，其中所述输出信号基于所述元件电极处存在的电容而变化。
2.根据权利要求1所述的AM-EWOD器件，其中，所述测量电路被配置为从如下这样的列寻址线测量所述输出信号，所述列寻址线与所述被感测的阵列元件的列寻址线不同的列寻址线相对应。
3.根据权利要求1所述的AM-EWOD器件，其中，所述测量电路被配置为从如下这样的列寻址线测量所述输出信号，所述列寻址线与所述被感测的阵列元件的列寻址线相同的列寻址线相对应。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的AM-EWOD器件，其中，所述寻址电路包括输入开关，所述输入开关闭合以将电压输入连接到所述被感测的阵列元件的所述列寻址线，其中针对所述被感测的阵列元件对所述电压输入进行扰动。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的AM-EWOD器件，其中，所述测量电路包括电流测量电路和输出开关，所述输出开关闭合以将所述电流测量电路连接到所述输出信号的所述列寻址线，并且所述输出信号是由所述电流测量电路测量的输出电流。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的AM-EWOD器件，其中，所述测量电路包括：比较器电路，将所述输出信号与参考电压输入进行比较；以及输出开关，闭合以将所述比较器电路连接到所述输出信号的所述列寻址线，并且由所述比较器电路基于所述比较来输出输出电压。
7.根据权利要求6所述的AM-EWOD器件，其中，所述列检测电路还包括将多个列的比较器电路的输出进行组合的复用器。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的AM-EWOD器件，其中，被感测的阵列元件是通过施加到所述被感测的阵列元件的行寻址线的控制信号来选择的。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的AM-EWOD器件，其中，所述列检测电路与阵列元件电极集成在薄膜电子器件基板上。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的AM-EWOD器件，还包括列致动控制电路，被配置为向所述元件电极施加致动电压以致动所述阵列元件；以及
开关，用于在对所述被感测的阵列元件执行所述感测操作期间将所述列致动控制电路与所述被感测的阵列元件断开连接。
11.根据权利要求10所述的AM-EWOD器件，其中，所述列检测电路和所述列致动控制电路与阵列元件电极集成在薄膜电子器件基板上。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的AM-EWOD器件，其中，每个阵列元件包括致动电路，所述致动电路被配置为向所述元件电极施加所述致动电压以用于致动所述阵列元件，并且所述致动电路包括所述开关晶体管和存储电容器，所述存储电容器用于存储通过所述开关晶体管施加以用于致动所述阵列元件的编程电压。
13.根据权利要求12所述的AM-EWOD器件，还包括第二晶体管，所述第二晶体管的栅极连接到所述电容器，其中存储在所述存储电容器上的所述编程电压控制所述第二晶体管，并且所述致动电压通过所述第二晶体管施加到所述元件电极。
14.根据权利要求1所述的AM-EWOD器件，还包括参考电极，所述参考电极与所述元件电极间隔开以形成单元间隙，用于致动阵列元件的致动电压是所述阵列元件的所述元件电极与所述参考电极之间的电位差，其中在所述感测操作期间，电压扰动被施加到所述参考电极。
15.一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：
以具有行和列的阵列布置多个阵列元件，每列包括向对应列的阵列元件施加控制信号的列寻址线，并且每行包括向对应行的阵列元件施加控制信号的行寻址线；
提供列检测电路，所述列检测电路包括寻址电路和测量电路；以及
通过以下步骤执行感测操作：
从所述寻址电路向被感测的阵列元件的列寻址线施加电压扰动；以及
使用所述测量电路从所述列寻址线中的一个列寻址线测量输出信号，其中所述输出信号基于所述被感测的阵列元件的阵列元件电极处存在的电容而变化。
16.根据权利要求15所述的操作方法，其中，所述测量电路从如下这样的列寻址线测量所述输出信号，所述列寻址线与所述被感测的阵列元件的列寻址线不同的列寻址线相对应。
17.根据权利要求15所述的操作方法，其中，所述测量电路从如下这样的列寻址线测量所述输出信号，所述列寻址线与所述被感测的阵列元件的列寻址线相同的列寻址线相对应。
18.根据权利要求15至17中任一项所述的操作方法，还包括：通过向被感测的阵列元件的行寻址线施加控制信号来选择所述被感测的阵列元件。
19.根据权利要求15至18中任一项所述的操作方法，还包括：将所述列检测电路与所述阵列元件的所述阵列元件电极集成在薄膜电子器件基板上。
20.根据权利要求15至19中任一项所述的操作方法，其中，施加电压扰动包括：对到被感测的第一组阵列元件的电压进行扰动，并且测量输出信号包括：从与所述第一组阵列元件不同的第二组阵列元件测量所述输出信号。
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