EP1778976B1 - Methode d'adressage d'electrodes - Google Patents

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EP1778976B1
EP1778976B1 EP05789844A EP05789844A EP1778976B1 EP 1778976 B1 EP1778976 B1 EP 1778976B1 EP 05789844 A EP05789844 A EP 05789844A EP 05789844 A EP05789844 A EP 05789844A EP 1778976 B1 EP1778976 B1 EP 1778976B1
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EP
European Patent Office
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line
electrodes
line selection
lines
selection
Prior art date
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Not-in-force
Application number
EP05789844A
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German (de)
English (en)
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EP1778976A2 (fr
Inventor
Yves Fouillet
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
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Application granted granted Critical
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B19/00—Machines or pumps having pertinent characteristics not provided for in, or of interest apart from, groups F04B1/00 - F04B17/00
    • F04B19/006—Micropumps
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F33/00—Other mixers; Mixing plants; Combinations of mixers
    • B01F33/30—Micromixers
    • B01F33/302—Micromixers the materials to be mixed flowing in the form of droplets
    • B01F33/3021—Micromixers the materials to be mixed flowing in the form of droplets the components to be mixed being combined in a single independent droplet, e.g. these droplets being divided by a non-miscible fluid or consisting of independent droplets
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F33/00—Other mixers; Mixing plants; Combinations of mixers
    • B01F33/30—Micromixers
    • B01F33/3031—Micromixers using electro-hydrodynamic [EHD] or electro-kinetic [EKI] phenomena to mix or move the fluids
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2300/00—Additional constructional details
    • B01L2300/08—Geometry, shape and general structure
    • B01L2300/089—Virtual walls for guiding liquids

Definitions

  • the invention relates to electro-fluidic multiplexing for the manipulation of several drops in a microsystem.
  • the invention is particularly well suited to the lab-on-a-chip requiring the control of a large number of different liquids, for example, for high-throughput analysis or combinatorial chemistry applications.
  • reaction volumes are drops manipulated by electrowetting on sets of electrodes.
  • the forces used for displacement are electrostatic forces.
  • the document FR-2 841 063 describes a device implementing a catenary facing electrodes activated for displacement.
  • a drop 2 rests on a network 4 of electrodes, from which it is isolated by a dielectric layer 6 and a hydrophobic layer 8 ( Figure 1A ).
  • Each electrode is connected to a common electrode via a switch, or rather an individual electrical relay control system 11.
  • the counter-electrode 10 can be either a catenary as described in FR - 2 841 063 ( Figure 2A ) a buried wire, or a planar electrode on a hood in the case of a confined system.
  • the hydrophobic layer thus becomes locally more hydrophilic.
  • the drop can thus be moved step by step ( figure 1C ), on the hydrophobic surface 8, by successive activation of the electrodes 4 - 1, 4 - 2, ... etc. and along the catenary 10.
  • the drops rest on the surface of a substrate comprising the matrix of electrodes, as illustrated in FIG. Figure 1A and as described in the document FR 2 841 063 .
  • a second family of embodiments consists in confining the droplet between two substrates, as explained, for example, in the document by M.G. POLLAK et al, already mentioned above.
  • the system generally consists of a chip and a control system.
  • the chips have electrodes as described above.
  • the electrical control system comprises a set 11 of relays and a PLC or a PC for programming relay switching.
  • the chip is electrically connected to the control system, so each relay can control one or more electrodes.
  • all the electrodes can be placed at a potential V0 or V1.
  • the number of electrical connections between the control system and the chip is equal to that of the number of relays.
  • the figure 2 illustrates the case of a matrix of N electrode lines.
  • the electrodes are connected in columns, each column of electrodes being connected to a relay, said parallel relay 20.
  • the operation of the lines is dissociated in order, for example, to bring a single drop given to one end, and to leave the other drops at the beginning of the line.
  • At least one column of electrodes is defined, each of the electrodes of this column being connected, via a conductor 21 - i, to a relay 22 - i which is independent of the relays to which connected the other electrodes of this same column.
  • These various relays are designated by the references 22 - 1, 22 - 6, 22 - 7, 22 - 8 on the figure 2 and are called line selection relays.
  • the drops thus selected can then continue their movement by controlling the relays 20.
  • the invention makes it possible to reduce the number of line selection conductors, and therefore of simplifying the line selection means in an electro-fluidic addressing matrix.
  • the invention thus makes it possible to drive line selection electrodes with only 2 n relays.
  • the invention makes it possible to drive 8, 16, 32, 64, 128, 256, 512, 1024 line selection electrodes with respectively 6, 8, 10, 12, 14, 16, 18, 20 conductors. line selection and the same number of line selection relays.
  • the invention is particularly well suited when the number of lines is large (> 16 or 32 for example).
  • the ESL-k electrodes for selecting the different lines can be connected to two line selection conductors for a given value of "k", the ESL-k electrodes being connected in packets of 2 k-1 alternatively to the conductor Ck. and the driver Ck '.
  • the selection means for selecting one or more line selection conductors may comprise selective electrical relays.
  • the line selection lead selection means comprise 2n electrical selection relay, each relay being connected to a single line selection conductor.
  • the line selection lead selection means comprising n electrical selection relays, each relay being connected to two line selection conductors.
  • Each line selection relay can then be combined with means for generating, in addition to an input signal, a complementary signal.
  • the line selection electrodes are arranged successively along each line, or non-sequentially along at least one line.
  • the line selection electrodes of at least one line may be rectangular in shape, the long side of each rectangle being arranged perpendicular to the line.
  • the line selection electrodes of at least one line may alternatively be square.
  • At least one electrode line of the matrix has a cut-off electrode (Ec).
  • Digital line selection means may be provided for controlling a device according to the invention.
  • These digital line selection means may be programmed to select the rows of the electrode array in a binary code.
  • a combinatorial logic obtained using an appropriate method is then used. interconnections between several electrodes at the chip or the device.
  • These digital line selection means may comprise means for selecting one or more lines of the matrix, and means for forming instructions for controlling the line selection conductors according to the selected line or lines.
  • These digital line selection means may furthermore comprise means for consecutively activating the line selection electrodes of a selected line and / or for simultaneously activating the line selection electrodes of a selected line.
  • the invention also relates to a device for forming drops of liquids, comprising a device as described above, and means forming reservoirs for liquids, each line of the matrix being connected to a reservoir.
  • Such a device according to the invention may also comprise means forming 2 n reservoirs for liquids, each line of the matrix being connected to a single reservoir.
  • Each line can be connected to a common line of electrodes, to mix drops of liquids formed on the different lines.
  • the invention also relates to a device for addressing an array of electrodes of p lines, with 2 n ⁇ p ⁇ 2 n + 1 lines, of an electrofluidic device, comprising a device with 2 n lines as described herein. -above.
  • the line selection electrodes of said line can be activated consecutively, or successively.
  • the invention also relates to a method of forming a drop of liquid comprising the displacement of a volume of liquid as described above, the spreading of this volume on several electrodes of said line by simultaneous selection of these electrodes, and breaking the spread volume using a cutoff electrode (Ec).
  • the implementation of the invention makes it possible to control a very large number of drops with a simple technology for manufacturing the chip, a minimization of the number of electrical connections between the chip and the control system, a simplification of the electrical control system and thus minimization of the manufacturing costs of the chip, the electrical connections, and the control system.
  • the device comprises 8 lines (No. 0 to No. 7) of electrodes, or 2 3 lines.
  • Each line has at least 3 electrodes, 6 in the example of the figure 3 .
  • the line selection electrodes Esl-i are connected to line selection relays, as explained in more detail below, or to line selection conductors C1, C1 ', C2, C2', C3, C3 'which are themselves connected to line selection relays.
  • N 2 n lines
  • 2n line selection conductors are available.
  • each electrode column is connected to a parallel relay.
  • the electrodes Es1 - i are not necessarily consecutive: there may be, for at least one line, a "normal" electrode (which is not a selection electrode) between two selection electrodes Es1 - i.
  • a "normal" electrode which is not a selection electrode
  • the rightmost selection electrode on the line is Esl - 1, Esl - 2 being the left selection electrode of Esl - 1 (even if it is not juxtaposed to it) and, more generally, Esl - k being the left selection electrode of Esl - (k - 1 ), even if it is not juxtaposed with it.
  • the electrodes Esl - 1 of the different lines are connected to C1 and C1 '(then to Rs1 - 1 and to Rs1 - 1') alternately: in other words, the electrodes Esl - 1 are alternately connected to C1 and C1 '(so there is change every 2 (1-1) lines, that is to say at every line).
  • the ESL-k electrodes of the different lines can be connected to two line selection conductors Ck or Ck '(and corresponding RSL-k or RSL-k' relays), the ESL-k electrodes being connected in a 2 k-1 packet, alternately on the conductor Ck and on the conductor Ck '.
  • the line selection electrodes of this line are assigned to different pairs Ck, Ck 'and therefore, in the configuration of the figure 3 , to different relay pairs Rs1-k, Rs1-k '.
  • the line selection electrodes are paired, two line selection electrodes of the same line are not assigned to the same pair Ck (Rs1 - k), Ck '(Rs1 - k').
  • each line selection conductor Ck is assigned or connected 2 n-1 line selection electrodes of 2 n-1 lines.
  • each line selection conductor and relay may have two different states.
  • a first state is said state "0".
  • the conductor Ck and the electrodes that this relay controls are then connected to the potential V0 (or to a floating potential): the electrowetting does not act on these electrodes, there is no displacement or spreading of the drops on these electrodes.
  • a second state is said state "1".
  • the conductors Ck and the electrodes that this relay controls are then connected to the potential V1: the electrowetting can act on these electrodes to move or spread the drops on these electrodes.
  • This embodiment of the invention makes it possible to work only with 2n line selection conductors, and as many control relays, 2 n xn line selection electrodes. the set of lines, these row selection electrodes being in number n on each line.
  • the known devices implement, at best, 2 n row selection electrodes, but with 2 n conductors and as many relays (see FIG. figure 2 ).
  • the gain provided by the invention in terms of the number of conductors and relays, is therefore significant, especially if the number of lines is of the order of 2 n. With n ⁇ 4, or 8, or 16 ... etc.
  • Means 40 for controlling the relays may be provided, for example programmable digital means (PC or other) to which the relays are connected and which can drive these relays.
  • PC programmable digital means
  • These means may be provided with a screen 42 allowing the user to select a line on which a drop must be able to be transferred.
  • the matrix is represented on this screen and the user selects one or more drop transfer lines, using a cursor or a stylus to designate the line or lines retained directly on the screen .
  • an automatic program can select the lines and send the corresponding control signals to the electrodes.
  • Means for memorizing the means 40 make it possible to memorize the information making it possible to select this or that line.
  • This information is for example that of Table I for the case of an addressing matrix of 8 lines, they are stored or stored in the form of Table I or in another form.
  • the digital means select, in the storage means, the data for opening or closing the relays Rs1 -k, Rsl-k 'necessary, and thus activate the electrodes Ck, Ck' necessary.
  • the line selection conductors Ck, Ck ' are connected to as many line selection relays Rs1-k, Rs1-k'.
  • the 2n relays can be further reduced to a number n if each pair of relays Rs1 - k, Rs1 - k 'is replaced by a single relay and logic gate type means for forming, for each relay Rs1 - k an output to a first state (state "1") and an output to a complementary state (the state "0").
  • the two RSL-i and RSL-i 'relays are replaced by a single RSL-i' relay using a complementary logic function ( figure 4 ). This allows the number of relays to be divided by 2.
  • Table II Line Binary number State of the RSL3 relay State of the RSL-2 relay State of the RSL1 relay 0 000 0 0 0 1 001 0 0 1 2 010 0 1 0 3 011 0 1 1 4 100 1 0 0 5 101 1 0 1 6 110 1 1 0 7 111 1 1 1
  • a single line will have the 3 line selection electrodes at potential V1, and only one line will be selected.
  • the number 101 makes it possible to define the state of the 3 relays allowing the 3 electrodes ESL-1, ESL-2, ESL-3 of line 5 to be at potential V1.
  • the other drops will not be able to cross the ESL electrodes because at least one of them is at potential V0.
  • means 40 for controlling the relays can be provided, for example programmable digital means (PC or other) to which the n relays are connected and which can drive these relays.
  • PC programmable digital means
  • These means may be provided with a screen 42 allowing the user to select a line on which a drop must be able to be transferred.
  • the matrix is represented on this screen and the user selects a drop transfer line, using a cursor or a stylus to designate the line or lines retained directly on the screen.
  • an automatic program can select the lines and send the corresponding control signals to the electrodes.
  • Means for storing the means 40 make it possible to store the information making it possible to select one or another line, for example the information in Table II as above, in the form of this table or in an equivalent form.
  • the digital means select, in the storage means, the data for opening or closing the relays Rs1 -k necessary, and thus activate the necessary Ck electrodes.
  • a drop spreads simultaneously on all line selection electrodes of this line, in a second case the drop moves successively on the line selection electrodes of this line.
  • the different row selection electrodes of the same line are activated simultaneously.
  • the control means 40 are specifically programmed to simultaneously activate these line selection electrodes.
  • an operator can choose, on a case-by-case basis, between simultaneous activation and subsequent activation.
  • liquids and technologies used allow the drops to spread over the entire series of these line selection electrodes.
  • a confined system includes, in addition to the substrate as illustrated on the figure 1 , a second substrate 11, which faces the first, as illustrated on the figure 9 or as described in the MG Pollack document cited in the introduction to this application.
  • references 13 and 15 respectively denote a hydrophobic layer and an underlying electrode.
  • the reference 17 designates an orifice made in the upper substrate 11 (or cover) and serves as a well for introducing a liquid.
  • liquids with a low surface tension for example water with surfactants are preferably used.
  • n 3 or 4
  • the row selection electrodes are driven consecutively.
  • a reset which is to replace at the beginning of line all drops stopped on one of the line selection electrodes.
  • the electrodes preceding the one on which the drop is located are reactivated in order to raise the drop along the line.
  • a series of electrodes E1 - E4 of a line of a matrix is activated, this line being connected to a reservoir R as shown in FIG. Figure 6A , which leads to the spreading of a drop, and therefore to a liquid segment 50 as shown in FIG. Figure 6B .
  • the method according to the invention can be applied by inserting the selection electrodes between the reservoir R and one or more electrodes Ec ( Figure 6C ) said breaking electrode.
  • the selection electrodes make it possible to select the lines where the drops are to be formed, to stretch the liquid up to the cutoff electrodes to form a drop.
  • Each reservoir is associated with a line of electrodes for the manufacture of a drop.
  • the set of lines thus forms a matrix as already described above.
  • n line selection electrodes as previously described, are located on each line.
  • the Figure 7B represents the first line, with its line selection electrodes Esl and the reservoir R1.
  • the other lines have a similar structure.
  • All electrode lines from the reservoirs result in a common electrode line 60, which may also include line selection electrodes.
  • the various reagents are brought onto this line 60, in the form of drops, to be mixed.
  • the structure of the Figure 7A is symmetrical with respect to this line 60, and for this reason has 2 x 2 n lines. But a structure according to the invention can also be asymmetrical and comprise only 2 n lines, all located on one side, or at 90 °, with respect to the common line 60.
  • the line selection conductors are not represented on the Figures 7A and 7B but are underlying a hydrophobic insulating layer, as illustrated on the Figure 1A .
  • line selection conductors are connected to control means such as the means 40, 42 of the figure 4 .
  • the lines each provided with line selection electrodes and connected to a tank R1,... Rk, R '1, ... R' k ', in a perpendicular architecture, according to a scheme such as that of the Figure 7C .
  • the lines are perpendicular to common lines 160, 162.
  • the lines each provided with line selection electrodes and connected to a tank R1,... Rk, R'1,... R 'k', R1, .. .Rj, R '1, ... R' j 'in a square architecture, according to a diagram such as that of the Figure 7D .
  • the lines are perpendicular to common lines 260, 262, which form a square.
  • the line selection conductors are not represented on the Figures 7C and 7D but are underlying a hydrophobic insulating layer, as illustrated on the Figure 1A .
  • line selection conductors are connected to control means such as the means 40, 42 of the figure 4 .
  • the chip may comprise a detection zone (not shown in the figure) in which detection can be carried out, for example by colorimetry, or by fluorescence, or electrochemistry.
  • the chip may optionally include other inputs / outputs or reservoirs 62 for injecting a sample to be mixed with, successively, a combination of the different reagents, each one coming from a reservoir connected to a line of electrodes, or to a zone 64, called the trash zone, to evacuate the liquids after analysis.
  • the invention applies not only to matrices with 2 n lines (n> 0 or 1), but also to any matrix of p lines (p integer), with 2 n ⁇ p ⁇ 2 n + 1 , n integer .
  • a matrix of 2 n + 1 lines is processed according to one of the embodiments described above, and the excess lines are then eliminated in this scheme.
  • the device then furthermore comprises two additional line selection conductors C4 and C4 'which, for the lines 0 to 7 are respectively completely occupied or empty, and therefore do not intervene in the marking of the lines.
  • a device comprising p lines, with 2 n ⁇ p ⁇ 2 n + 1 therefore comprises a device with 2 n lines according to the invention.
  • Each of these lines has no more n line selection electrodes, but n + 1, of which n are connected as already described above in connection with the figures 3 or 4 .
  • the invention therefore makes it possible to produce a method and a system for addressing an electro-fluidic matrix having any number of lines.
  • a device according to the invention can be realized in a structure such as that illustrated on the Figures 1A - 1C the electrodes, arranged in a matrix, being situated under an insulating layer 6 and a hydrophobic layer 8.
  • the substrate 1 is for example silicon or glass or plastic.
  • the distance between the conductor 10 ( Figures 1A - 1C ) on the one hand and the hydrophobic surface 8 on the other hand is for example between 1 micron and 100 microns or 500 microns.
  • the conductor 10 is for example in the form of a wire diameter between 10 microns and a few hundred microns, for example 200 microns.
  • This wire may be a gold or aluminum wire or tungsten or other conductive materials.
  • two substrates 1, 11 are used, in the case of a confined structure ( figure 9 ), they are separated by a distance of, for example, 10 ⁇ m and 100 ⁇ m or 500 ⁇ m.
  • the second substrate comprises a hydrophobic layer 13 on its surface intended to be in contact with the liquid of a drop.
  • a counter electrode 15 may be buried in the second substrate, or a planar electrode may cover a large part of the hood surface.
  • a catenary can also be used.
  • a drop of liquid 2 will have a volume between, for example, 1 nanolitre and a few microliters, for example between 1 nl and 5 .mu.l.
  • each of the electrodes of a row of the matrix will have for example a surface of the order of a few tens of ⁇ m2 (for example 10 ⁇ m2) up to 1 mm 2, depending on the size of the drops to be transported, the spacing between neighboring electrodes being for example between 1 .mu.m and 10 .mu.m.
  • the structuring of the electrodes of the matrix can be obtained by conventional methods of micro-technologies, for example by photolithography, the electrodes being for example made by depositing a metal layer (AU, or AL, or ITO, or Pt, or Cr, or Cu) and then photolithography.
  • AU or AL, or ITO, or Pt, or Cr, or Cu
  • a dielectric layer of Si3N4 or SiO2 is then covered with a dielectric layer of Si3N4 or SiO2.
  • a hydrophobic layer may be deposited, for example a teflon deposit made by spinning.
  • Methods for producing chips incorporating a device according to the invention can also be directly derived from the methods described in the document FR - 2 841 063 .
  • the electrodes of at least one line preferably have a sawtooth profile like that illustrated in FIG. figure 10 .
  • the saw teeth of the consecutive electrodes fit into each other. This makes it easier to move the menisci from one electrode to another.
  • the number of 3 line selection electrodes is given as an example and could be any.
  • each electrode column is connected to a parallel relay.
  • the conductors Ci, Ci ' can be arranged as illustrated on the Figure 11B : there are then as many of these drivers as on the figure 3 or 4 , and as many relays (not shown on the Figure 11B ) than on the figures 3 or 4 .
  • Each line selection electrode Esl-1, Esl-2, Esl-3 is connected to these conductors as on the figure 3 or 4 . The same is true for the electrodes Esl-1 ', Esl-2', Esl-3 ', - Esl-1 ", Esl-2", Esl-3 ".
  • the electrodes Esl-1, Esl-1 ', and Esl-1 "of one and the same line are activated at the same time, a drop, placed on one of the lines, will advance step by step, of a system electrodes to another arranged in series therewith.
  • This type of serialization can also be applied to an addressing device of a matrix of electrodes of p lines, with 2 n ⁇ p ⁇ 2 n + 1 lines, of an electro-fluidic device, comprising a 2 n line device according to the invention.
  • FIG. 12 Another example of a chip according to the invention, for carrying out storage operations, and / or mixing, and / or dilution will be described in connection with the figure 12 .
  • the n tanks communicate with each other (that is to say that liquid volumes can be moved between these tanks) by a bus 301 consisting of a line of electrodes.
  • the drops are placed or dispensed on this bus 301 by means of lines of line selection electrodes Esl-i, Esl-i 'according to the invention.
  • the steering of these lines is for example one of the driving modes described above in the context of the present invention.
  • the conductors C k , C k ' and the relays Rs1 are not shown in this figure for the sake of clarity.
  • Various modes of operation of a reservoir with one or more electrode lines have also been described above in connection with the Figures 6A - 7D and are applicable to the present embodiment.
  • a drop of a liquid from the tank R 1 or R 16 can be selected, as well as at least one drop of one of the secondary tanks R 2 - R 15 and these drops can be mixed by electrowetting on the path of electrodes 301.
  • FIG. 13A An example of mask design used for photolithography of the electrical level of electrodes is reported on the figure 13A .
  • This figure clearly shows the structure of the electrodes, in particular those leading from each tank to the bus line 301.
  • the chip here comprises 16 tanks, which requires 8 electrical connections (as in figure 8 ) not shown on the figure 13A .
  • the bus 301 consists of an activated electrode line 3 to 3. Three relays make it possible to move a drop across the entire bus.
  • the bus and its connection to the relay-controlled conductors 330, 331, 332 is illustrated in more detail on the Figure 13B the electrodes 301-1, 301-4, 301-7 will be activated simultaneously; then the electrodes 301-2, 301-5, ... etc will be activated simultaneously, ... etc.
  • References 320, 321 of the figure 13A represent the passages of the connection line of an electrode of the bus 301 to the conductor 330.
  • the line passes under the conductors 331, 332, which explains that it passes into the substrate at 320, then leaves at 321 to come to driver contact 330.
  • a second electrical level (not shown on the figure 13A ) is thus realized in order to electrically interconnect certain connection lines. Only the connections to the nearest conductor (for example the connection of the electrodes of the bus 301 to the conductor 332) do not require this passage under the other conductors.
  • Reference 400 designates another connection, from a line selection electrode 411 to a conductor 410 via a conductor 401.
  • a comb 340 gathers all the contacts.
  • References 341, 342 designate electrodes for making contact at a lid.
  • conductive lines 343 come from the comb 340 to connect the line selection conductors (represented or not) but also conductors providing other functions on the chip. Again for the sake of clarity of the figure, the conductors 343 are not shown completely, but interrupted (they end in the dashed figure).
  • the electrodes are formed of a conductive layer (eg gold) with a thickness of 0.3 ⁇ m.
  • the patterns of the electrodes and connection lines are etched by conventional photolithography techniques.
  • a deposit of an insulating layer is made, for example silicon nitride 0.3 ⁇ m thick. This layer is locally etched to resume the electrical contacts.
  • the technology used is the same as for the electrode level, ie a metal deposit and a photolithography.
  • the interconnections (some of them only) are designated by the 400 marks on the figure 13A .
  • the chip is silicon and measures 4 to 5 cm 2 .
  • the area of each electrode of the bus 301 and the electrodes of the tanks R 2 to R 15 is 1.4 mm 2 square.
  • the area of each ESL selection electrode is 0.24mm 2 .
  • the liquid can be moved by electrowetting to the outlet of the tank, or to one of the electrodes of the electrode line connected to this tank.
  • the reservoir R1 (respectively R2) has two electrowetting electrodes 448, 448 '(respectively 449, 449').
  • the shape of the electrodes 448 and 449, respectively corresponding to the tanks R 1 and R 16 is star.
  • This form of the reservoir electrodes makes it possible to constantly plating or attracting the liquid towards the drop formation electrodes, the first of which at the outlet of the reservoirs are, respectively, the electrodes 450 and 451. This allows the initiation of the finger formation process to take place. liquid when dispensing drop, as explained above in connection with the Figures 6A - 6D .
  • an electrode 448 (and possibly an electrode 449 of the same shape) in the form of a comb, which guarantees, as in the case of the half-star, an electrode surface gradient.
  • electrowetting on insulation has the effect of spreading the liquid at the activated electrodes, which is reflected here by a liquid position to maximize the surface facing the electrode. This results in a "collecting" effect of the liquid near the first drop forming electrode 450.
  • This improvement also makes it possible to empty the tank completely.
  • the fingers of the comb ( figure 3C ) or the half-star ( figure 13A ) can be square or pointed.
  • FIG 13D which shows schematically the chip during operation, in section at the level of the tank R1, summarizes the technological stack.
  • References 460, 461, 462, 463 designate electrowetting electrodes.
  • Reference 470 designates an interconnection of the electrowetting electrodes between different lines.
  • Reference 471 designates an electrode of the comb 340 ( figure 13A ).
  • a thick resin (100 ⁇ m thick for example) is laminated and then structured by photolithography, and a hydrophobic treatment is performed (Teflon AF example from Dupont).
  • This resin film is used to define the spacing 350, 351 between the lower plate 1 and the upper plate 11 ( figures 9 and 13D ).
  • this resin film makes it possible to confine the reservoirs and to avoid the risks of contamination or coalescence between the drops placed in the different reservoirs.
  • the chip is glued and then electrically wired onto a printed circuit board.
  • the chip is covered with a polycarbonate lid (substrate 11) with an ITO electrode (indium-titanium oxide) and a thin hydrophobic layer 13.
  • the fluidic component thus formed is filled with silicone oil.
  • the liquid containing the solution to be diluted (liquid containing a reagent, and / or one or more biological samples, and / or beads, and / or cells, etc.) is dispensed into the reservoir R 16 .
  • the purpose of the protocol is to dilute the reagent, (respectively: sample, beads, cells).
  • the tank R 1 is filled with the dilution buffer (water, biological buffer, etc.).
  • the chip is driven by means such as the means 40, 42 of the figures 3 and 4 (typically: a PC programmed to implement a method according to the invention) and an instruction list, which corresponds to the dilution method to be implemented, is executed.
  • Each instruction corresponds to an elementary operation.
  • g1 and g2 are therefore placed on two adjacent electrodes, which naturally causes the coalescence of the two drops g1 and g2 in a drop g3 ( figure 14D ). Due to the geometry of the electrodes, g1 is larger than g2; for example, the volumes of g1 and g2 are respectively 141 nl and 24 nl. A dilution ratio of (144 + 24) / 24 is thus obtained, ie approximately 7.
  • the new drop G3 thus formed can be stored, for example in the tank R3.
  • the dilution operation is repeated by forming a droplet g4 from R2 and a new drop from R1, the result being stored in the tank R4. This operation is repeated until, in each tank R2 to Rn, concentrations C1, C1 / 7, C1 / 49, Ci / 7n .
  • FIG 15 This situation is represented in figure 15 , which schematically represents the device of the figures 12 and 13A , and at which various concentrations in the tanks R 2 - R 6 are indicated.
  • the process can be repeated on all 14 tanks R2 to R15. Several drops can also be formed with equivalent concentrations.
  • the drop can be moved on the bus 301 to homogenize and / or mix the liquids. Typically 12 to 20 displacements on the bus electrodes are sufficient for efficient mixing.
  • the line selection electrodes can also be used to make back-and-forth drops between the reservoirs and the bus 301 for stirring the liquids.
  • the figure 16 corresponds to a dilution carried out with fluorescent beads (Diameter 20 ⁇ m in water). With 4 dilutions one goes to a high concentration of balls (tank R2: 400 balls for 140nl) to a few balls (tank R3: 80 balls, tank R4: 27 balls, tank R5: 8 balls, each time for 140 nl).
  • the same protocol can be performed with cells. Thanks to the implementation of the invention it is possible to handle drops containing only a few cells, or even a single cell. One can then apply a biological protocol on this drop to study and / or analyze the behavior of the cell. This protocol can be performed in parallel on a very large number of droplets. One of the applications is the "screening" of drugs.
  • the figure 17 represents a variant or an improvement of the device of the figure 4 in which only one relay device Rs1-k is required for two electrode lines Ck, Ck '.
  • the references are identical to those of the figure 4 .
  • a microfluidic switching device 501, 502, 503 is used in combination with each relay.
  • Such a microfluidic switching device operates on the following principles, which will first be explained in the context of an open configuration. So we consider the case, illustrated on the figure 18 , and close derivative of the case illustrated in Figures 1A - 1C , where the driver 10 is interrupted.
  • the end 33 of a second conductor 12, which may be at a floating potential, is situated at a short distance from the end 11 of the first conductor 10. This distance is such that, if, by simultaneous activation of the electrodes 4-1, 4-2, 4-3, the drop 2, after being brought to the end 11 of the conductor 10, is stretched, it puts, in its position 2 'shown in broken lines on the figure 18 both ends 11 and 33 in contact and carries the conductor 12 at the same potential as the conductor 10.
  • the reverse operation can then be performed, the drop then returns to its initial position 2 and the driver 12 is no longer at the potential of the driver 10.
  • the drop 2 is stretched, but not displaced.
  • the contact is made by stretching the drop on the flat surface 8. A switching or a change of state therefore results from a stretching of the drop in order to bring into contact two lines 10, 12.
  • the drop 2 may be formed on a reservoir electrode and stretched on another adjacent electrode 4-3.
  • FIG. 19C Another embodiment is illustrated on the figure 19C the switching of the drop towards a second conductor 12, 12 'varies according to the direction of deformation imposed on the drop by the activation of the electrowetting electrodes.
  • a device according to the invention may also be of closed configuration, of the type illustrated in FIG. figure 9 .
  • the drop 2 goes, by stretching or deformation as in the previous case, to be switched between a first state and a second state. It is preferable, in this case, to have a low or zero voltage difference between the conductors 15 and the conductors 10 and 12, to avoid any risk of reaction or heating of the drop 2.
  • the drop is, by stretching or deformation, brought into contact with two conductors located parallel to the substrate 1 or located between the substrate 1 and the cover 11.
  • the second substrate or the cover 11 comprises two electrodes or two conductors 11-2, 11-2 '.
  • the layer 13 of hydrophobic material has a zone 107, 107 'for which the layer of hydrophobic material is either zero (the corresponding conductor 11-2, 11-2' of the cover is then apparent from the cavity), or low enough to pass a current or loads .
  • a portion 107, respectively 107 ', of the layer 13 of the cover 11 is for example etched, so that a drop 2 of conductive liquid makes it possible to make contact with the conductor 11-2, respectively 11-2' (drop in stretched position 2 ') of the hood. It is also possible to leave in zone 107 and / or zone 107 'a very fine hydrophobic layer, for example of the order of a few tens of nm for teflon; it is then porous to electrical charges. In this case, it is not necessary to completely etch the hydrophobic layer 13 in this zone.
  • the hydrophobic layer thickness allowing a certain porosity to the charges, sufficient to ensure a flow of the current with the counter electrode 11-2, respectively 11-2 ', will depend on the material of the layer 13.
  • Teflon we find indications on this subject in the document of S.-K. Cho et al., "Spliting a liquid droplet for electrowetting - based microfluidics," Proceedings of 2001 ASME International Mechanical Engineering Congress and Exhibition, Nov. 11 - 16, New York.
  • a layer of 20 nm, or for example less than 30 nm is sufficient to pass charges.
  • a test may be performed according to the thickness deposited to determine if the desired potential is achieved with respect to the electrode 15.
  • the passage from one state to another can be controlled by the passage of a contact of the drop with a zone of the layer 13 where the latter is non-existent or weak, at a contact of the drop with two zones of this layer where the latter is non-existent or weak.
  • two electrodes 4-2 and 4-4 of the substrate 1 are non-passivated and not covered by the hydrophobic layer 8.
  • the non-passivated areas of the first substrate are designated by references 17 and 17 '.
  • the two electrodes 4-2 and 4-4 are therefore used as contact zones for two states, one in which the droplet 2 is in contact only with the electrode 4-2, and the other in which the drop 2 is in contact with the two electrodes 4-2 and 4-4.
  • the passage from one to the other is effected by electrowetting by activation of electrodes located between the elongated electrodes.
  • a device according to the invention combines a cover, with an electrode 13 whose area or portion 107 is without a hydrophobic layer, or has a hydrophobic layer of very thin thickness, and two conductors 10, 12 arranged in the cavity between the two. substrates, parallel to the surfaces of these two substrates which delimit said cavity.
  • the figure 24A represents a function "complement", so that the output 12 is never at a floating potential.
  • At least 4 electrodes 4-1, 4-2, 4-1 ', 4-2' are concerned.
  • the electrodes 4-1 and 4-1 ' are respectively at the state 1 and 0, while the electrodes 4-2 and 4-2' are at an initially potential potential Va.
  • This device can advantageously be used in a device according to the present invention.
  • At least one of the two contact conductors of a switching device may include an elongated electrowetting electrode 4-2, 4-4.
  • a switching device may further comprise a cover 11 with a hydrophobic surface 13 facing the hydrophobic layer of the substrate, at least one of the two contact conductors comprising an electrode 11-2, 11-2 'arranged in the cover, a portion 107, 107 'of the hydrophobic surface of this cover being either etched or having a sufficiently small thickness to pass electric charges.
  • the means for switching a drop may comprise means for switching a voltage applied to at least one electrowetting electrode, called the switching electrode, between a first value, for which the drop is not in contact with the second conductor, and a second value, for which the drop is in contact with the second conductor.
  • the conductive liquid used for the drops 2 ', 2 1 used in a switching device can be a liquid conductive gel, or a low temperature fuse material (for example: lead, or tin, or indium or silver or alloy of at least two of these materials) which, by phase change, induces definitive or temporarily fixed contact (the phase change may indeed be reversible), or a conductive adhesive (hardening or solidifying by polymerization for example).
  • a definitive contact, or the blocking of a switch can indeed be useful, not to electrically power the contactor or logic functions while maintaining the spreading of the drop.
  • the switch or the logic function consumes energy only during the change of state.

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Description

    DOMAINE TECHNIQUE ET ART ANTERIEUR
  • L'invention concerne le multiplexage électro-fluidique pour la manipulation de plusieurs gouttes dans un microsystème.
  • L'invention est particulièrement bien adaptée au laboratoire sur puce nécessitant le contrôle d'un grand nombre de liquides différents, par exemple, pour des applications de haut débit d'analyse ou de chimie combinatoire.
  • Les volumes de réaction sont des gouttes manipulées par électromouillage sur des séries d'électrodes.
  • Un des modes de déplacements ou de manipulation les plus utilisés repose sur le principe de l'électromouillage sur un diélectrique, comme décrit dans l'article de M.G. Pollack, A.D. Shendorov, R.B. Fair, intitulé « Electro-wetting-based actuation of droplets for integrated microfluidics », Lab Chip 2 (1) (2002) 96-101.
  • Les forces utilisées pour le déplacement sont des forces électrostatiques.
  • Le document FR-2 841 063 décrit un dispositif mettant en oeuvre un caténaire en regard des électrodes activées pour le déplacement.
  • Le principe de ce type de déplacement est synthétisé sur les figures 1A - 1C.
  • Une goutte 2 repose sur un réseau 4 d'électrodes, dont elle est isolée par une couche diélectrique 6 et une couche hydrophobe 8 (figure 1A).
  • Chaque électrode est reliée à une électrode commune via un commutateur, ou plutôt un système de commande individuel par relais électrique 11.
  • Initialement, toutes les électrodes ainsi que la contre électrode sont placées à un potentiel de référence V0.
  • Lorsque l'électrode 4 - 1 située à proximité de la goutte 2 est activée (placée à un potentiel V1 différent de V0 par actionnement du relais 11), la couche diélectrique 6 et la couche hydrophobe 8 entre cette électrode activée et la goutte, polarisée par la contre- électrode 10, agissent comme une capacité, les effets de charge électro-statiques induisent le déplacement de la goutte sur l'électrode activée. La contre -électrode 10 peut être soit un caténaire comme décrit dans FR - 2 841 063 (figure 2A) soit un fil enterré, soit une électrode planaire sur un capot dans la cas d'un système confiné.
  • La couche hydrophobe devient donc localement plus hydrophile.
  • La goutte peut ainsi être déplacée de proche en proche (figure 1C), sur la surface hydrophobe 8, par activation successive des électrodes 4 - 1, 4 - 2,... etc. et le long du caténaire 10.
  • Les documents cités ci-dessus donnent des exemples de mises en oeuvre de séries d'électrodes adjacentes pour la manipulation d'une goutte dans un plan.
  • Il existe deux familles de réalisation de ce type de dispositif.
  • Dans un premier cas les gouttes reposent à la surface d'un substrat comportant la matrice d'électrodes, comme illustré sur la figure 1A et comme décrit dans le document FR 2 841 063 .
  • Une deuxième famille de réalisation consiste à confiner la goutte entre deux substrats, comme expliqué par exemple dans le document de M.G. POLLAK et al déjà cité ci-dessus.
  • Dans le premier cas on parle de système ouvert, dans le deuxième cas on parle de système confiné.
  • Le système est en général constitué d'une puce et d'un système de commande.
  • Les puces comportent des électrodes, comme décrit ci-dessus.
  • Le système de pilotage électrique comporte un ensemble 11 de relais et un automate ou un PC permettant de programmer la commutation des relais.
  • La puce est connectée électriquement au système de commande, ainsi chaque relais permet de piloter une ou plusieurs électrodes.
  • Grâce aux relais, toutes les électrodes peuvent être placées à un potentiel V0 ou V1.
  • Généralement le nombre de connections électriques, entre le système de commande et la puce est égale à celui du nombre de relais.
  • Pour déplacer une goutte sur une ligne d'électrodes, il suffit de relier toutes les électrodes à des relais et de les activer successivement comme décrit sur les figures 1A - 1C.
  • La figure 2 illustre le cas d'une matrice de N lignes d'électrodes.
  • On souhaite alors déplacer simultanément (en parallèle) N gouttes sur ces N lignes.
  • Pour cela on connecte les électrodes en colonnes, chaque colonne d'électrodes étant connectée à un relais, dit relais parallèle 20.
  • On dissocie le fonctionnement des lignes afin, par exemple, d'amener une seule goutte donnée à une extrémité, et de laisser les autres gouttes en début de ligne.
  • Pour dissocier les lignes on définit au moins une colonne d'électrodes, dites électrodes de sélection de ligne, chacune des électrodes de cette colonne étant reliée, via un conducteur 21 - i, à un relais 22 - i qui est indépendant des relais auxquels sont reliés les autres électrodes de cette même colonne. Ces divers relais sont désignés par les références 22 - 1, 22 - 6, 22 - 7, 22 - 8 sur la figure 2 et sont appelés relais de sélection de lignes.
  • Toutes les gouttes sont déplacées sur les N lignes par les relais parallèles 20, jusqu'à la colonne d'électrodes qui précède la colonne d'électrodes de sélection de ligne ESL.
  • Par le pilotage des différents relais de sélection de ligne 22- i on choisit les gouttes qui doivent être stoppées et celles qui doivent poursuivre leur déplacement le long de telle ou telle ligne d'électrodes.
  • Les gouttes ainsi sélectionnées peuvent ensuite poursuivre leur déplacement par le pilotage des relais 20.
  • Dans cette mise en oeuvre le nombre de conducteurs électriques 21 - i et de relais 22 - i est proportionnel au nombre de lignes. Pour un grand nombre de lignes (N= 20, 50, 100....), le nombre important de conducteurs et de relais rend cette technologie complexe et très coûteuse.
  • Il se pose donc le problème de trouver un procédé et un dispositif permettant de simplifier les connections électriques tout en maintenant la possibilité de sélection pour chaque ligne d'électrodes.
    • EXPOSÉ DE L'INVENTION
  • L'invention concerne d'abord un dispositif d'adressage d'une matrice d'électrodes de 2n lignes d'un dispositif électro-fluidique, chaque ligne possédant N électrodes (n<N), ce dispositif comportant :
    • sur chaque ligne, n électrodes dites de sélection, l'ensemble de ces électrodes de sélection de ligne étant reliées à 2n conducteurs de sélection de lignes, 2n-1 électrodes de sélection de lignes de 2n-1 lignes étant connectées à chaque conducteur de sélection de lignes,
    • des moyens de sélection, pour sélectionner un ou plusieurs conducteurs de sélection de ligne.
  • L'invention permet de réduire le nombre de conducteurs de sélection de ligne, et donc de simplifier les moyens de sélection de lignes dans une matrice d'adressage électro-fluidique.
  • Grâce à l'invention, on peut donc manipuler 2n gouttes pour seulement 2n signaux d'entrées.
  • L'invention permet donc de piloter des électrodes de sélection de ligne avec seulement 2n relais.
  • A titre d'exemple l'invention permet de piloter 8, 16, 32, 64, 128, 256, 512, 1024 électrodes de sélection de ligne avec respectivement 6, 8, 10, 12, 14, 16, 18, 20 conducteurs de sélection de ligne et le même nombre de relais de sélection de ligne.
  • L'invention est particulièrement bien adaptée quand le nombre de lignes est grand (>16 ou 32 par exemple).
  • Les électrodes ESL-k de sélection des différentes lignes peuvent être, pour une valeur de « k » donnée, connectées à deux conducteurs de sélection de ligne, les électrodes ESL-k étant connectées par paquets de 2k-1, alternativement au conducteur Ck et au conducteur Ck'.
  • Les moyens de sélection, pour sélectionner un ou plusieurs conducteurs de sélection de ligne peuvent comporter des relais électriques de sélection.
  • Selon un mode de réalisation, dans un tel dispositif, les moyens de sélection de conducteurs de sélection de ligne comportent 2n relais électrique de sélection, chaque relais étant connecté à un unique conducteur de sélection de ligne.
  • Selon un mode de réalisation, dans un tel dispositif, les moyens de sélection de conducteurs de sélection de ligne comportant n relais électriques de sélection, chaque relais étant connecté à deux conducteurs de sélection de ligne.
  • Chaque relais de sélection de ligne peut alors être combiné avec des moyens pour engendrer, outre un signal d'entrée, un signal complémentaire.
  • Les électrodes de sélection de ligne étant disposées successivement le long de chaque ligne, ou bien de manière non successive le long de au moins une ligne.
  • Les électrodes de sélection de ligne d'au moins une ligne peuvent être de forme rectangulaire, le grand côté de chaque rectangle étant disposé perpendiculairement à la ligne.
  • Les électrodes de sélection de ligne d'au moins une ligne peuvent être, selon une variante, de forme carrée.
  • Selon un mode de réalisation particulier, au moins une ligne d'électrodes de la matrice possède une électrode de coupure (Ec).
  • Des moyens numériques de sélection de ligne peuvent être prévus, pour piloter un dispositif selon l'invention.
  • Ces moyens numériques de sélection de ligne peuvent être programmés pour sélectionner les lignes de la matrice d'électrode selon un code binaire.
  • Selon l'invention on utilise alors une logique combinatoire obtenue par une méthode appropriée d'interconnections entre plusieurs électrodes au niveau de la puce ou du dispositif.
  • Ces moyens numériques de sélection de ligne peuvent comporter des moyens pour sélectionner une ou plusieurs lignes de la matrice, et des moyens pour former des instructions de commande des conducteurs de sélection de ligne en fonction de la ou des lignes sélectionnées.
  • Ces moyens numériques de sélection de ligne peuvent comporter en outre des moyens pour activer consécutivement les électrodes de sélection de ligne d'une ligne sélectionnée et/ou pour activer simultanément les électrodes de sélection de ligne d'une ligne sélectionnée.
  • L'invention concerne également un dispositif de formation de gouttes de liquides, comportant un dispositif tel que décrit ci-dessus, et des moyens formant des réservoirs pour des liquides, chaque ligne de la matrice étant reliée à un réservoir.
  • Un tel dispositif selon l'invention peut aussi comporter des moyens formant 2n réservoirs pour les liquides, chaque ligne de la matrice étant reliée à un réservoir unique.
  • Chaque ligne peut être reliée à une ligne commune d'électrodes, pour mélanger des gouttes de liquides formées sur les différentes lignes.
  • L'invention concerne également un dispositif d'adressage d'une matrice d'électrodes de p lignes, avec 2n<p<2n+1 lignes, d'un dispositif électrofluidique, comportant un dispositif à 2n lignes tel que décrit ci-dessus.
  • L'invention concerne également un procédé de déplacement d'au moins un volume de liquide, à l'aide d'un dispositif tel que décrit ci-dessus, comportant :
    • le déplacement d'un volume de fluide la long d'au moins une ligne de la matrice par activation des électrodes de ladite ligne.
  • Les électrodes de sélection de ligne de ladite ligne peuvent être activées consécutivement, ou successivement.
  • L'invention concerne également un procédé de formation d'une goutte de liquide comportant le déplacement d'un volume de liquide tel que décrit ci-dessus, l'étalement de ce volume sur plusieurs électrodes de ladite ligne par sélection simultanée de ces électrodes, et la coupure du volume étalé à l'aide d'une électrode de coupure (Ec).
  • La mise en oeuvre de l'invention permet de piloter un très grand nombre de gouttes avec une technologie simple de fabrication de la puce, une minimisation du nombre de connections électrique entre la puce et le système de pilotage, une simplification du système de pilotage électrique, et donc une minimisation des coûts de fabrication de la puce, des connections électrique, et du système de pilotage.
    • BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS
    • Les figures 1A - 1C illustrent le principe de manipulation de goutte par électromouillage sur isolant,
    • la figure 2 représente la manipulation d'une colonne de goutte par des relais Rp et la sélection de gouttes par des relais Rsl,
    • la figure 3 est un exemple de multiplexage électro-fluidique avec 8 lignes d'électrodes,
    • la figure 4 est un exemple de réalisation de l'invention, mettant en oeuvre un codage binaire avec 8 lignes d'électrodes.
    • la figure 5 est un exemple de réalisation d'électrodes ESL,
    • les figures 6A - 6D représentent des étapes pour fabriquer une goutte sur une ligne d'électrodes,
    • les figures 7A - 7D illustrent des exemples de processeurs fluidiques utilisant l'invention,
    • la figure 8 représente un dispositif à 16 lignes, connectées selon l'invention,
    • la figure 9 représente un dispositif confiné,
    • la figure 10 représente une structure d'électrodes dont l'un des profils est en forme de dents de scie,
    • les figures 11A et 11B illustrent des exemples de mise en série de matrices d'électrodes selon l'invention,
    • la figure 12 est un exemple de puce pour diverses opérations sur des gouttes de liquide, à partir de différents réservoirs,
    • les figures 13A - 13D illustrent divers aspects d'un processeur fluidique,
    • les figures 14A - 14D représentent diverses étapes d'un procédé de mélange de gouttes selon l'invention,
    • la figure 15 est un exemple de processeur ou de puce microfluidique, avec divers réservoirs contenant des fluides à des niveaux de dilution ou de concentration différents,
    • la figure 16 est une vue détaillée de quatre réservoirs contenant des fluides à des niveaux de dilution ou de concentration différents,
    • la figure 17 est un autre mode de réalisation de l'invention,
    • les figures 18 - 24D expliquent comment constituer un contacteur microfluidique pouvant être mis en oeuvre dans le cadre de l'invention.
    EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS
  • Un exemple de réalisation de l'invention va être donné en liaison avec la figure 3.
  • Dans cet exemple, le dispositif comporte 8 lignes (N°0 à N°7) d'électrodes, soit 23 lignes.
  • Chaque ligne comporte au moins 3 électrodes, 6 dans l'exemple de la figure 3.
  • Parmi les électrodes de chaque ligne sont sélectionnées 3 électrodes Es11, Es12, Es13, dites de sélection. Plus généralement, pour N = 2n lignes, on sélectionne n électrodes de sélection Esl-i, i = 1 - n sur chaque ligne, n>0.
  • Les électrodes Esl - i de sélection de ligne sont reliées à des relais de sélection de ligne, comme expliqué plus en détail ci-dessous, ou à des conducteurs C1, C1', C2, C2', C3, C3' de sélection de lignes eux-mêmes reliés à des relais de sélection de ligne.
  • Sur la figure 3, sont mis en oeuvre 6 (= 2 x 3) conducteurs de sélection de lignes. Ces conducteurs sont, sur cette figure, groupés par paires.
  • D'une manière générale, pour N = 2n lignes, on dispose de 2n conducteurs de sélection de ligne.
  • Les n électrodes de sélection de ligne de chaque ligne, et donc les 2n x n électrodes de sélection de ligne, sont reliées à l'un ou l'autre des conducteurs des n paires de conducteurs Ck, Ck' (k = 1,...n et k' = 1, ...n) de sélection de ligne.
  • Chaque conducteur de sélection de ligne est commandé par un relais de sélection de ligne, Rsl - k, Rsl - k' (k = 1-3, k' = 1 - 3). Il y a donc, au total, dans ce mode de réalisation, 2n relais de sélection de lignes.
  • Les autres électrodes, qui ne sont pas des électrodes de sélection de ligne, sont reliées à des relais parallèles 30, comme déjà expliqué ci-dessus : chaque colonne d'électrode est reliée à un relais parallèle.
  • Pour une ligne donnée, les électrodes Esl - i ne sont pas forcément consécutives : il peut y avoir, pour au moins une ligne, une électrode « normale » (qui n'est pas une électrode de sélection) entre deux électrodes de sélection Esl - i. On verra d'ailleurs plus loin un exemple d'utilisation d'un tel dispositif.
  • Par ailleurs, il est préférable d'adopter, par convention, un sens de numérotation commun à toutes les lignes : on convient, par exemple, que, sur chaque ligne, l'électrode de sélection la plus à droite sur la ligne est Esl - 1, Esl - 2 étant l'électrode de sélection à gauche de Esl - 1 (même si elle ne lui est pas juxtaposée) et, plus généralement, Esl - k étant l'électrode de sélection à gauche de Esl - (k-1), même si elle ne lui est pas juxtaposée.
  • Sur la figure 3 sont représentées Esl-1, Esl-2 et Esl-3 pour chacune des lignes j = 0 et 1. Mais cette disposition, comme expliqué ci-dessus, n'est pas la seule possible.
  • Pour i = 1, les électrodes Esl - 1 des différentes lignes sont connectées à C1 et C1' (puis à Rsl-1 et à Rsl - 1') de manière alternée : autrement dit, les électrodes Esl - 1 sont connectées alternativement sur C1 et C1' (donc il y a changement toutes les 2(1-1) lignes, c'est-à-dire à chaque ligne).
  • Pour i = 2, les électrodes Esl - 2 des différentes lignes sont connectées à C2 et à C2' (puis à Rsl-2 et à Rsl - 2'), encore de manière alternée, mais toutes les 2(2-1) = 21, soit toutes les deux lignes. Autrement dit, ce sont des groupes de 21 électrodes Esl - 2 qui sont connectées alternativement sur C2 puis sur C2'.
  • Pour i = 3, les électrodes Esl - 3 des différentes lignes sont connectées à C3 et à C3' (puis à Rsl-3 et à Rsl - 3'), encore de manière alternée, mais toutes les 2(3-1) = 22 lignes. Autrement dit, ce sont des groupes de 22 électrodes Esl - 3 qui sont connectées alternativement sur C3 puis sur C3'.
  • Plus généralement, pour N = 2n lignes, 2k-1 électrodes Esl - k (k = 1,.... N) parmi toutes les 2n x n électrodes Esl - k de toutes les lignes sont connectées sur le conducteur de sélection de ligne Ck (relié au relais Rsl - k), les 2k-1 suivantes l'étant sur le conducteur de sélection de ligne Ck' (relié au relais Rsl - k'). Si il reste encore des électrodes Esl - k après ces deux affectations, elles pourront être affectées de nouveau à Ck (et donc à Rsl - k) pour les 2k-1 suivantes, puis de nouveau à Ck' (donc à Rsl - k') pour les 2k-1 suivantes. Si il ne reste qu'un groupe de moins de 2k-1 électrodes, celles - ci seront affectées soit à Ck, soit à Ck', suivant que les électrodes Esl - k précédentes sont connectées à Ck' ou à Ck.
  • Pour une valeur de « k » donnée, les électrodes ESL-k des différentes lignes peuvent être connectées à deux conducteurs de sélection de lignes Ck
    ou Ck' (et à des relais correspondants RSL-k ou RSL-k'), les électrodes ESL-k étant connectées par paquet de 2k-1, alternativement sur le conducteur Ck et sur le conducteur Ck'.
  • Pour une ligne donnée, les électrodes de sélection de ligne de cette ligne sont affectées à différentes paires Ck, Ck' et donc, dans la configuration de la figure 3, à différentes paires de relais Rsl-k, Rsl-k'. En outre, dans le cas où, comme sur la figure 3, les électrodes de sélection de ligne sont appariées, deux électrodes de sélection de ligne d'une même ligne ne sont pas affectées à la même paire Ck (Rsl - k), Ck' (Rsl - k').
  • Enfin, pour le cas général de 2n lignes, à chaque conducteur Ck de sélection de lignes sont affectées ou connectées 2n-1 électrodes de sélection de lignes de 2n-1 lignes.
  • Dans le cas de la figure 3, l'adressage des électrodes ESL-k par les relais RSL-k et RSL-k' pour k=1, 2, 3 est résumé dans le tableau I suivant. L'adressage des conducteurs Ck, Ck', respectivement connectés à Rsl-k et Rsl-k', en découle. Tableau I
    Ligne j Relais connecté à ESL-3 Relais connecté à ESL-2 Relais connecté à ESL-1
    0 RSL-3' RSL-2' RSL-1'
    1 RSL-3' RSL-2' RSL-1
    2 RSL-3' RSL-2 RSL-1'
    3 RSL-3' RSL-2 RSL-1
    4 RSL-3 RSL-2' RSL-1'
    5 RSL-3 RSL-2' RSL-1
    6 RSL-3 RSL-2 RSL-1'
    7 RSL-3 RSL-2 RSL-1
  • Par exemple, pour la ligne j = 0, Esl - 3 est activée si Rs1-3' est activé lui aussi, et donc également le conducteur C3' (figure 3).
  • Quel que soit le nombre de lignes et d'électrodes de sélection de ligne, chaque conducteur de sélection de ligne et chaque relais peut avoir deux états différents.
  • Un premier état est dit état « 0 ». Le conducteur Ck et les électrodes que ce relais commande sont alors connectés au potentiel V0 (ou à un potentiel flottant): l'électromouillage n'agit pas sur ces électrodes, il n'y a pas de déplacement ou d'étalement des gouttes sur ces électrodes.
  • Un deuxième état est dit état « 1 ». Le conducteurs Ck et les électrodes que ce relais commande sont alors connectés au potentiel V1 : l'électromouillage peut agir sur ces électrodes pour déplacer ou étaler les gouttes sur ces électrodes.
  • Pour qu'une goutte franchisse les différentes électrodes ESL1, ESL2..., ESLn, de sélection de ligne d'une même ligne, tous les conducteurs de sélection de ligne et tous les relais auxquels ces différentes électrodes sont connectées doivent être à l'état « 1 ».
  • Si un seul de ces conducteurs de sélection de ligne ou de ces relais est à l'état « 0 », il n'y a pas de franchissement possible du liquide sur les lignes d'électrodes connectées au conducteur de sélection de ligne et au relais à l'état « 0 ».
  • Si tous les conducteurs Ci et Ci' et tous les relais RSLi et RSLi', pour i = 1 à 2n sont à l'état « 0 », il n'y a aucun franchissement possible de liquide, sur aucune des lignes.
  • Par contre si tous les relais RSLi et RSLi' sont à l'état « 1 », toutes les gouttes peuvent se déplacer ou s'étirer, sur chaque ligne, sur toutes les électrodes ESL-1 à ESL-n.
  • Ce mode de réalisation de l'invention permet de ne travailler qu'avec 2n conducteurs de sélection de ligne, et autant de relais de commande, des 2n x n électrodes de sélection de ligne de l'ensemble des lignes, ces électrodes de sélection de ligne étant en nombre n sur chaque ligne.
  • Au contraire, les dispositifs connus mettent en oeuvre, au mieux, 2n électrodes de sélection de ligne, mais avec 2n conducteurs et autant de relais (voir figure 2). Le gain procuré par l'invention, en nombre de conducteurs et de relais, est donc significatif, surtout si le nombre de lignes est de l'ordre de 2n.avec n ≥ 4, ou 8, ou 16...etc.
  • Des moyens 40 de contrôle des relais peuvent être prévus, par exemple des moyens numériques programmables (PC ou autre) auxquels les relais sont connectés et qui peuvent piloter ces relais.
  • Ces moyens peuvent être munis d'un écran 42 permettant à l'utilisateur de sélectionner une ligne sur laquelle une goutte doit pouvoir être transférée. Par exemple la matrice est représentée sur cet écran et l'utilisateur sélectionne une ou plusieurs lignes de transfert de gouttes, à l'aide d'un curseur ou d'un stylet lui permettant de désigner la ou les lignes retenues directement à l'écran.
  • Ou bien un programme automatique peut sélectionner les lignes et envoyer les signaux de commande correspondants aux électrodes.
  • Des moyens de mémorisation des moyens 40 permettent de mémoriser les informations permettant de sélectionner telle ou telle ligne. Ces informations sont par exemple celles du tableau I pour le cas d'une matrice d'adressage de 8 lignes, elles sont stockées ou mémorisées sous la forme du tableau I ou sous une autre forme.
  • Sur instruction d'un opérateur, par exemple sur sélection telle que décrite ci-dessus, ou sur instruction d'un programme automatique, les moyens numériques sélectionnent, dans les moyens de mémorisation, les données permettant d'ouvrir ou de fermer les relais Rsl-k, Rsl-k' nécessaires, et donc d'activer les électrodes Ck, Ck' nécessaires.
  • Dans le mode de réalisation précédent, les conducteurs de sélection de ligne Ck, Ck' sont reliés à autant de relais de sélection de ligne Rsl-k, Rsl-k'.
  • Il est possible, selon un autre mode de réalisation, de réduire ce nombre de relais de sélection de ligne.
  • Ainsi, selon un autre aspect de l'invention, illustré sur la figure 4, les 2n relais peuvent encore être réduits à un nombre n si chaque paire de relais Rsl - k, Rsl - k' est remplacée par un seul relais et des moyens de type porte logique permettant de former, pour chaque relais Rsl - k une sortie à un premier état (état « 1 ») et une sortie à un état complémentaire (l'état « 0 »).
  • Chaque combinaison des n entrées des relais Rsl - k, et donc une combinaison correspondante des conducteurs de sélection de ligne Ck, Ck', conduit à la sélection ou à l'ouverture d'une ou plusieurs lignes de la matrice en vue d'un transfert d'une goutte sur cette ligne.
  • Par exemple, dans le mode de réalisation de la figure 3, les deux relais RSL-i et RSL-i' sont remplacés par un seul relais RSL-i' en utilisant une fonction logique complémentaire (figure 4). Ceci permet de diviser le nombre de relais par 2.
  • Dans ce mode de réalisation, il ne reste plus que n relais.
  • On peut en outre coder ou repérer les 2n lignes de la matrice par un code binaire à n chiffres, chaque ligne pouvant être sélectionnée par affectation, à l'entrée des n relais Rsl - k, du codage pour cette ligne.
  • On peut donc dans ce cas mettre en oeuvre une logique de codage des lignes en nombre binaire, et affecter ce codage à la commande des relais de sélection de lignes, et donc à la sélection des lignes elles-mêmes. Pour sélectionner une ligne, on affecte son code binaire à l'entrée des relais de sélection de lignes.
  • Par exemple on peut se rapporter à la figure 4, correspondant au cas de 8 lignes d'électrodes, comportant 3 électrodes de sélection de ligne par ligne, 6 conducteurs de sélection de lignes C1 - C6, mais seulement 3 relais de sélection de ligne.
  • Dans cet exemple, le codage des lignes en utilisant l'état des relais est résumé dans le tableau II suivant : Tableau II
    Ligne Nombre binaire Etat du relais RSL3 Etat du relais RSL-2 Etat du relais RSL1
    0 000 0 0 0
    1 001 0 0 1
    2 010 0 1 0
    3 011 0 1 1
    4 100 1 0 0
    5 101 1 0 1
    6 110 1 1 0
    7 111 1 1 1
  • Pour un chiffre binaire donné, une seule ligne aura les 3 électrodes de sélection de ligne au potentiel V1, et une seule ligne sera sélectionnée.
  • Par exemple le nombre 101 permet de définir l'état des 3 relais permettant aux 3 électrodes ESL-1, ESL-2, ESL-3 de la ligne 5 d'être au potentiel V1.
  • Seules les gouttes placées sur cette ligne pourront circuler.
  • Les autres gouttes ne pourront pas franchir les électrodes ESL car au moins l'une d'entre elles est au potentiel V0.
  • Les affectations ou les connections des électrodes de sélection de lignes aux conducteurs de sélection de lignes Ck, Ck' sont, dans ce mode de réalisation, les mêmes que dans le premier mode de réalisation.
  • De même, dans ce mode de réalisation également, des moyens 40 de contrôle des relais peuvent être prévus, par exemple des moyens numériques programmables (PC ou autre) auxquels les n relais sont connectés et qui peuvent piloter ces relais.
  • Ces moyens peuvent être munis d'un écran 42 permettant à l'utilisateur de sélectionner une ligne sur laquelle une goutte doit pouvoir être transférée. Par exemple la matrice est représentée sur cet écran et l'utilisateur sélectionne une ligne de transfert de gouttes, à l'aide d'un curseur ou d'un stylet lui permettant de désigner la ou les lignes retenues directement à l'écran.
  • Ou bien un programme automatique peut sélectionner les lignes et envoyer les signaux de commande correspondants aux électrodes.
  • Des moyens de mémorisation des moyens 40 permettent de mémoriser les informations permettant de sélectionner telle ou telle ligne, par exemple les informations du tableau II tel que ci-dessus, sous la forme de ce tableau ou sous une forme équivalente.
  • Sur instruction d'un opérateur, par exemple sur sélection telle que décrite ci-dessus, ou sur instruction d'un programme automatique, les moyens numériques sélectionnent, dans les moyens de mémorisation, les données permettant d'ouvrir ou de fermer les relais Rsl-k nécessaires, et donc d'activer les électrodes Ck nécessaires.
  • D'une manière générale, quel que soit le mode de réalisation envisagé, on peut distinguer deux modes opératoires.
  • Dans un premier cas, pour une ligne donnée, une goutte s'étale simultanément sur toutes les électrodes de sélection de ligne de cette ligne, dans un deuxième cas la goutte se déplace successivement sur les électrodes de sélection de ligne de cette même ligne.
  • Avec le premier mode opératoire, les différentes électrodes de sélection de ligne d'une même ligne sont activées simultanément. Par exemple, les moyens 40 de pilotage sont programmés spécifiquement afin d'activer simultanément ces électrodes de sélection de ligne. Ou bien un opérateur peut choisir, au cas par cas, entre activation simultanée et activation successive.
  • Pour cela, les liquides et les technologies utilisés (système confiné ou système ouvert) permettent aux gouttes de s'étaler sur toute la série de ces électrodes de sélection de ligne.
  • Ceci est généralement le cas des systèmes confinés. Un système confiné comporte, outre le substrat tel qu'illustré sur la figure 1, un deuxième substrat 11, qui fait face au premier, comme illustré sur la figure 9 ou comme décrit dans le document de MG Pollack cité dans l'introduction à la présente demande. Sur la figure 9, les références 13 et 15 désignent respectivement une couche hydrophobe et une électrode sous - jacente. La référence 17 désigne un orifice pratiqué dans le substrat supérieur 11 (ou capot) et permet de servir de puits pour introduire un liquide.
  • Pour un système ouvert, on utilise de préférence des liquides à faible tension de surface (par exemple l'eau avec des surfactants).
  • Suivant les tensions de surface des liquides et les dimensions des électrodes il peut être difficile d'obtenir un étalement complet du liquide sur toutes les n électrodes de sélection de ligne d'une même ligne, activées simultanément, quand le nombre n est élevé (par exemple : n>3 ou à 4).
  • Pour contourner ce problème, il est possible de modifier la géométrie des électrodes afin de minimiser la longueur totale des différentes électrodes de sélection de ligne, et donc de limiter la longueur d'étalement de la goutte.
  • Ceci est obtenu, par exemple en utilisant des électrodes de sélection de ligne rectangulaires, comme illustré sur la figure 5. Le grand côté de chaque rectangle est disposé perpendiculairement à la direction de la ligne.
  • Avec le deuxième mode opératoire on pilote les électrodes de sélection de ligne consécutivement.
  • En effet, pour certaines configurations, (par exemple en système ouvert avec des gouttes à forte tension de surface), il peut être difficile d'étaler une goutte, simultanément sur toutes les électrodes de sélection de ligne d'une même ligne.
  • En pilotant consécutivement les électrodes de sélection de ligne d'une même ligne (ESL-1 puis ESL-2, jusqu'à ESP-n, ou l'inverse si les électrodes sont numérotées en sens inverse) on déplace de proche en proche la goutte sélectionnée le long d'une ligne, sur les différentes électrodes de sélection de ligne placées consécutivement au potentiel V1.
  • Si une des électrodes de sélection de ligne est placée au potentiel VO, la goutte est stoppée.
  • Pour sélectionner une nouvelle goutte on effectue une remise a zéro, ce qui consiste à replacer en début de ligne toutes les gouttes stoppées sur une des électrodes de sélection de ligne. Par exemple on réactive les électrodes précédant celle sur laquelle la goutte se situe, pour faire remonter la goutte le long de la ligne.
  • Des variantes, pour la formation d'une goutte, vont être décrites.
  • Il est possible de former des gouttes à partir d'un réservoir R grâce à une ligne d'électrodes qui est reliée à ce réservoir et qui fait elle-même partie d'une matrice d'électrodes.
  • A cette fin, on active une série d'électrodes E1 - E4 d'une ligne d'une matrice, cette ligne étant reliée à un réservoir R comme illustré sur la figure 6A, ce qui conduit à l'étalement d'une goutte, et donc à un segment liquide 50 comme illustré sur la figure 6B.
  • Puis, on coupe le segment liquide obtenu en désactivant une des électrodes activées (électrode Ec sur la figure 6C). On obtient ainsi une goutte 52, comme illustré sur la figure 6D.
  • On peut appliquer le procédé selon l'invention en insérant les électrodes de sélection entre le réservoir R et une ou plusieurs électrode Ec (figure 6C) dite électrode de coupure.
  • Suivant l'invention, les électrodes de sélection permettent de sélectionner les lignes où les gouttes doivent être formées, d'étirer le liquide jusqu'aux électrodes de coupure pour former une goutte.
  • Un exemple d'application va maintenant être décrit en liaison avec les figures 7A à 7D.
  • Il s'agit d'un processeur fluidique pour chimie combinatoire.
  • Dans cet exemple, la puce comporte 2 x 2n réservoirs Rk, k =1,...,2n+1, et un nombre correspondant de lignes d'électrodes.
  • A chaque réservoir est associée une ligne d'électrodes permettant la fabrication d'une goutte. L'ensemble des lignes forme donc une matrice comme déjà décrit ci-dessus.
  • n électrodes de sélection de ligne, comme décrit précédemment, sont situées sur chaque ligne.
  • La figure 7B représente la première ligne, avec ses électrodes de sélection de ligne Esl et le réservoir R1. Les autres lignes ont une structure similaire.
  • Toutes les lignes d'électrodes partant des réservoirs aboutissent à une ligne commune 60 d'électrodes, qui peut aussi comporter des électrodes de sélection de ligne. Les différents réactifs sont amenés sur cette ligne 60, sous forme de gouttes, pour être mélangés.
  • La structure de la figure 7A est symétrique par rapport à cette ligne 60, et comporte pour cette raison 2 x 2n lignes. Mais une structure selon l'invention peut aussi être dissymétrique et ne comporter que 2n lignes, situées toutes d'un même côté,
    ou à 90°, par rapport à la ligne commune 60.
  • Les conducteurs de sélection de ligne, disposés selon l'un des modes de réalisation de l'invention, sont non représentés sur les figures 7A et 7B, mais sont sous-jacents à une couche isolante hydrophobe, comme illustré sur la figure 1A.
  • Ces conducteurs de sélection de ligne sont reliés à des moyens de commande tels que les moyens 40, 42 de la figure 4.
  • Selon une variante, il est possible de disposer des lignes, chacune munie d'électrodes de sélection de ligne et reliée à un réservoir R1, ...Rk, R' 1,...R' k' , dans une architecture perpendiculaire, selon un schéma tel que celui de la figure 7C. Les lignes sont perpendiculaires à des lignes communes 160, 162.
  • Selon encore une variante, il est possible de disposer des lignes, chacune munie d'électrodes de sélection de ligne et reliée à un réservoir R1,...Rk, R'1, ...R' k' , R1, ...Rj , R' 1, ...R' j' dans une architecture en carré, selon un schéma tel que celui de la figure 7D. Les lignes sont perpendiculaires à des lignes communes 260, 262, qui forment un carré.
  • D'autres dispositions sont envisageables et permettent de réaliser tout type de circuit ou de processeur fluidique.
  • Les conducteurs de sélection de ligne, disposés selon l'un des modes de réalisation de l'invention, sont non représentés sur les figures 7C et 7D, mais sont sous-jacents à une couche isolante hydrophobe, comme illustré sur la figure 1A.
  • Ces conducteurs de sélection de ligne sont reliés à des moyens de commande tels que les moyens 40, 42 de la figure 4.
  • Grâce à l'invention il est possible de programmer un grand nombre de combinaisons possibles de mélanges entre les différents réactifs.
  • Pour procéder à l'analyse des résultats, la puce peut comporter une zone de détection (non représenté sur la figure) dans laquelle peut être réalisée une détection, par exemple par colorimétrie,
    ou par fluorescence, ou par électrochimie.
  • La puce peut comporter éventuellement d'autres entrées/sorties ou réservoirs 62 pour injecter un échantillon devant être mélangé avec, successivement, une combinaison des différents réactifs, chacun étant issu d'un réservoir connecté à une ligne d'électrodes, ou à une zone 64, dite zone poubelle, pour évacuer les liquides après analyse.
  • L'invention s'applique non seulement à des matrices comportant 2n lignes (n>0 ou à 1), mais aussi à toute matrice de p lignes (p entier), avec 2n < p <2n+1, n entier. Dans ce cas, on traite une matrice de 2n+1 lignes selon l'un des modes de réalisation décrits ci-dessus, puis on supprime les lignes en excès dans ce schéma.
  • La figure 8 donne un exemple de matrice à 16 lignes (j = 0,...15) , avec des connections à 8 conducteurs de sélection de ligne selon l'invention.
  • Les commutateurs ou relais sont schématisés par 4 blocs Rsl-i (i = 1 - 4), qui peuvent prendre l'une ou l'autre des formes décrites ci-dessus en liaison avec l'un des modes de réalisation de l'invention.
  • La suppression de, par exemple, 3 lignes est symbolisée par le trait interrompu 70. Les lignes j = 13, 14, 15 étant éliminées, il reste une configuration comportant 15 lignes, dont les 8 lignes j = 0 - 7, chacune de ces 8 lignes comportant au moins 3 (en fait : 4) électrodes de sélection de ligne Esl - 1, 2, 3, connectées aux conducteurs C1, C1', C2, C2', C3, C3' selon l'invention (le bloc 72 de la figure 8 regroupe ces connections).
  • Le dispositif comporte alors en outre deux conducteurs de sélection de ligne supplémentaires C4 et C4' qui, pour les lignes 0 à 7 sont respectivement complètement occupés ou vides, et n'interviennent donc pas dans le repérage des lignes.
  • Un dispositif comportant p lignes, avec 2n < p <2n+1 comporte donc un dispositif à 2n lignes selon l'invention. Chacune de ces lignes comporte non plus n électrodes de sélection de ligne, mais n+1, dont n sont connectées comme déjà décrit ci-dessus en liaison avec les figures 3 ou 4.
  • L'invention permet donc de réaliser un procédé et un système d'adressage d'une matrice électro-fluidique ayant un nombre quelconque de lignes.
  • Un dispositif selon l'invention peut être réalisé dans une structure telle que celle illustrée sur les figures 1A - 1C, les électrodes, disposées en matrice, étant située sous une couche isolante 6 et une couche hydrophobe 8.
  • Le substrat 1 est par exemple en silicium
    ou en verre ou en plastique.
  • Typiquement, la distance entre le conducteur 10 (figures 1A - 1C) d'une part et la surface hydrophobe 8 d'autre part est par exemple comprise entre 1 µm et 100 µm ou 500 µm.
  • Le conducteur 10 se présente par exemple sous la forme d'un fil de diamètre compris entre 10 µm et quelques centaines de µm, par exemple 200 µm. Ce fil peut être un fil d'or ou d'aluminium ou de tungstène ou d'autres matériaux conducteurs.
  • Lorsque deux substrats 1, 11 sont utilisés, dans la cas d'une structure confinée (figure 9), ils sont distants d'une distance comprise entre, par exemple, 10 µm et 100 µm ou 500 µm.
  • Dans ce cas, le deuxième substrat comporte une couche 13 hydrophobe à sa surface destinée à être en contact avec le liquide d'une goutte. Une contre-électrode 15 peut être enterrée dans le deuxième substrat, ou une électrode plane peut couvrir une grande partie de la surface du capot. Un caténaire peut aussi être utilisé.
  • Quel que soit le mode de réalisation considéré, une goutte de liquide 2 aura un volume compris entre, par exemple, 1 nanolitre et quelques microlitres, par exemple entre 1 nl et 5 µl.
  • En outre chacune des électrodes d'une ligne de la matrice aura par exemple une surface de l'ordre de quelques dizaines de µm2 (par exemple 10 µm2) jusqu'à 1 mm2, selon la taille des gouttes à transporter, l'espacement entre électrodes voisines étant par exemple compris entre 1 µm et 10 µm.
  • La structuration des électrodes de la matrice peut être obtenue par des méthodes classiques des micro-technologies, par exemple par photolithographie, les électrodes étant par exemple réalisées pat dépôt d'une couche métallique (AU, ou AL, ou ITO, ou Pt, ou Cr, ou Cu) puis photolithographie.
  • Le substrat est ensuite recouvert d'une couche diélectrique en Si3N4 ou SiO2. Enfin, une couche hydrophobe peut être déposée, par exemple un dépôt de téflon réalisé à la tournette.
  • Les mêmes techniques s'appliquent à la réalisation du deuxième substrat de la figure 9, dans le cas d'un dispositif confiné.
  • Des procédés de réalisation de puces incorporant un dispositif selon l'invention peuvent aussi être directement dérivés des procédés décrits dans le document FR - 2 841 063 .
  • Quel que soit le mode de réalisation, les électrodes d'au moins une ligne ont de préférence un profil en dent de scie comme celui illustré en figure 10. Les dents de scie des électrodes consécutives s'imbriquent les unes dans les autres. Ceci permet de faciliter le déplacement des ménisques d'une électrode à l'autre.
  • Une variante de mise en oeuvre d'un dispositif selon l'invention va être exposée en liaison avec la figure 11A
  • Il s'agit d'une architecture en matrice d'électrodes, ou d'une mise en série de plusieurs multiplexages.
  • Il est en effet possible de mettre en série plusieurs systèmes d'électrodes tels que décrits ci-dessus en liaison avec l'une des figures 3, 4 ou 8 ou l'une des variantes de l'invention déjà exposées ci-dessus. On obtient une structure matricielle. Cette configuration permet de déplacer sélectivement des gouttes entre deux colonnes d'électrodes parallèles EPI, EP2, EP3 ...etc. EPn. En outre on peut placer, à un ou plusieurs endroits de la matrice, une ou des colonne(s) 200 d'électrodes permettant de faire passer une goutte d'une ligne d'électrode à l'autre.
  • Des électrodes de sélection de ligne Esl-i (i = 1 - 3), Esl-i' (i' = 1-3), Esl-i " (i" = 1-3) sont disposées sur chaque ligne d'électrodes. Le nombre de 3 électrodes de sélection de ligne est donné à titre d'exemple et pourrait être quelconque.
  • Les autres électrodes, qui ne sont pas des électrodes de sélection de ligne, sont reliées à des relais parallèles 300, comme déjà expliqué ci-dessus : chaque colonne d'électrode est reliée à un relais parallèle.
  • Les conducteurs Ci, Ci' peuvent être disposés comme illustré sur la figure 11B : il y a alors autant de ces conducteurs que sur la figure 3 ou 4, et autant de relais (non représentés sur la figure 11B) que sur les figures 3 ou 4. Chaque électrode de sélection de ligne Esl-1, Esl-2, Esl-3 est reliée à ces conducteurs comme sur la figure 3 ou 4. Il en va de même pour les électrodes Esl-1', Esl-2', Esl-3',- Esl-1", Esl-2" , Esl-3" .
  • Dans ce cas, les électrodes Esl-1, Esl-1', et Esl-1" d'une même ligne sont activées au même instant. Une goutte, disposée sur une des lignes, avancera de proche en proche, d'un système d'électrodes à un autre disposé en série avec celui-ci.
  • Selon une variante, non représentée sur les figures, à chaque ensemble d'électrodes tel que décrit ci-dessus en liaison avec l'une des figures 3, 4 ou 8 ou avec l'une des variantes de l'invention déjà exposées ci-dessus, est associé un ensemble de 6 conducteurs Ck , Ck, (k=1,2,3). Pour l'ensemble du dispositif de la figure 11A, on a alors 3x6 conducteurs, et autant de moyens de relais Rsl-i (i=1 - 3) à piloter.
  • La mise en série de plusieurs systèmes d'électrodes, de préférence comportant un même nombre d'électrodes de sélection de ligne, s'applique non seulement à 3 systèmes d'électrodes, comportant chacun 8 lignes, comme décrit ci-dessus en liaison avec l'exemple des figures 11A, 11B, mais également à k (k entier quelconque) système de 2n lignes d'un dispositif électro-fluidique selon l'invention, chaque ligne possédant N électrodes (n<N), ce dispositif comportant :
    • sur chaque ligne, n électrodes dites de sélection (Esl - i), l'ensemble de ces électrodes de sélection de ligne étant reliées à 2n conducteurs (C1, C1', C2, C2', C3, C3') de sélection de lignes, 2n-1 électrodes de sélection de lignes de 2n-1 lignes étant connectées à chaque conducteur de sélection de lignes,
    • des moyens (Rsl-k, Rsl-k') de sélection, pour sélectionner un ou plusieurs conducteurs de sélection de ligne.
  • Ce type de mise en série peut également s'appliquer à un dispositif d'adressage d'une matrice d'électrodes de p lignes, avec 2n<p<2n+1 lignes, d'un dispositif électro-fluidique, comportant un dispositif à 2n lignes selon l'invention.
  • Un autre exemple d'une puce selon l'invention, permettant de réaliser des opérations de stockage, et/ou de mélange, et/ou de dilution va être décrit en liaison avec la figure 12.
  • Elle comporte n réservoirs (ici : n=16 à titre d'exemple ; on peut aussi avoir tout nombre n de réservoirs, avec n ≥ 2) R1 - R16 repartis de la manière suivante dans la configuration représentée :
    • deux réservoirs principaux R1 et R16 ouverts sur l'extérieur par des puits 317 et 417, par exemple similaires au puits 17 de la figure 9,
    • et 14 réservoirs secondaires R2 à R15.
  • Les n réservoirs communiquent entre eux (c'est à dire que des volumes liquides peuvent être déplacés entre ces réservoirs) par un bus 301 constitué d'une ligne d'électrodes. Les gouttes sont placées ou dispensées sur ce bus 301 grâce à des lignes d'électrodes de sélection de ligne Esl-i, Esl-i' conformément à l'invention. Le pilotage de ces lignes est par exemple l'un des modes de pilotage décrit ci-dessus dans le cadre de la présente invention. Les conducteurs Ck, Ck' ainsi que les relais Rsl ne sont pas représentés sur cette figure par souci de clarté. Divers modes de fonctionnement d'un réservoir avec une ou plusieurs lignes d'électrodes ont également été décrit ci-dessus en liaison avec les figures 6A - 7D et sont applicables au présent mode de réalisation.
  • Avec ce dispositif de la figure 12, une goutte d'un liquide du réservoir R1 ou R16 peut être sélectionnée, ainsi qu'au moins une goutte d'un des réservoirs secondaires R2 - R15 et ces gouttes peuvent être mélangées par transport par électromouillage sur le chemin d'électrodes 301.
  • Un exemple de dessin de masques utilisé pour la photolithographie du niveau électrique des électrodes est rapporté sur la figure 13A. On voit clairement, sur cette figure, la structure des électrodes, en particulier de celles conduisant de chaque réservoir à la ligne de bus 301. La puce comporte ici 16 réservoirs, ce qui nécessite 8 connections électriques (comme sur la figure 8) non représentées sur la figure 13A.
  • Le bus 301 est constitué d'une ligne d'électrodes activées 3 à 3. Trois relais permettent de déplacer une goutte sur l'ensemble du bus. Le bus et sa connexion aux conducteurs 330, 331, 332 pilotés par les relais est illustré de manière plus détaillée sur la figure 13B : les électrodes 301-1, 301-4, 301-7 seront activées simultanément ; puis les électrodes 301-2, 301-5,...etc seront activées simultanément,...etc.
  • Les références 320, 321 de la figure 13A représentent les passages de la ligne de connexion d'une électrode du bus 301 au conducteur 330. La ligne passe sous les conducteurs 331, 332, ce qui explique qu'elle passe dans le substrat, en 320, puis ressort en 321 pour venir au contact du conducteur 330. Le même principe s'applique à toutes les autres connexions de cette figure. Un deuxième niveau électrique (non représenté sur la figure 13A) est donc réalisé afin d'interconnecter électriquement certaines lignes de connexions. Seules les connexions au conducteur le plus proche (par exemple la connexion des électrodes du bus 301 au conducteur 332) ne nécessitent pas ce passage sous les autres conducteurs.
  • La référence 400 désigne une autre connexion, d'une électrode de sélection de ligne 411 à un conducteur 410 via un conducteur 401.
  • Un peigne 340 rassemble l'ensemble des contacts. Les références 341, 342, désignent des électrodes permettant des prises de contact au niveau d'un couvercle.
  • Tous les conducteurs de sélection de lignes ne sont pas représentés sur cette figure, par souci de clarté.
  • Par ailleurs, des lignes conductrices 343 sont issues du peigne 340 pour réaliser la connexion des conducteurs de sélection de ligne (représentées ou pas) mais aussi de conducteurs assurant d'autres fonctions sur la puce. Là encore par souci de clarté de la figure, les conducteurs 343 ne sont pas représentés complètement, mais de manière interrompue (ils se terminent sur la figure en pointillés).
  • Au total avec un système de commande travaillant avec un nombre de relais restreints, ici seulement 16 relais, on peut piloter une centaine d'électrodes afin de manipuler les liquides dans les 16 réservoirs. Le nombre de relais dépend en fait non seulement du nombre de réservoirs, mais aussi des autres fonctions à activer sur la puce.
  • Les électrodes sont formées d'une couche conductrice (ex : or) d'épaisseur 0,3 µm. Les motifs des électrodes et des lignes de connections sont gravées par les techniques classiques de la photolithographie. Un dépôt d'une couche isolante est effectué, par exemple en nitrure de silicium d'épaisseur 0.3 µm. Cette couche est localement gravée pour pouvoir reprendre les contacts électriques.
  • Pour le deuxième niveau électrique mentionné ci-dessus, la technologie utilisée est la même que pour le niveau d'électrode, c'est à dire un dépôt métallique et une photolithographie. Les interconnections (certaines d'entre elles seulement) sont désignées par les repères 400 sur la figure 13A.
  • Par exemple, la puce est en silicium et mesure 4 à 5 cm2. La surface de chaque électrode du bus 301 et des électrodes des réservoirs R2 à R15 est de 1,4 mm2 carré. La surface de chaque électrode de sélection ESL est de 0.24mm2.
  • Dans un ou plusieurs réservoirs, et notamment dans les réservoirs R1 et R16, le liquide peut être déplacé par électromouillage vers la sortie du réservoir, soit vers une des électrodes de la ligne d'électrodes reliée à ce réservoir.
  • En particulier, sur la figure 13A, le réservoir R1 (resp. R2) comporte deux électrodes d'électromouillage 448, 448' (resp. 449, 449').
  • Sur la figure 13A, on pourra remarquer que la forme des électrodes 448 et 449, correspondant respectivement aux réservoirs R1 et R16, est en étoile. Cette forme des électrodes réservoirs permet de plaquer ou d'attirer constamment le liquide vers les électrodes de formation de goutte, dont les premières en sorties des réservoirs sont respectivement les électrodes 450 et 451. Ceci permet l'amorçage du processus de formation du doigt de liquide lors de la dispense de goutte, comme expliqué ci-dessus en liaison avec les figures 6A - 6D.
  • Selon une variante, représentée en figure 13C, on peut utiliser une électrode 448 (et éventuellement une électrode 449 de même forme) en forme en peigne ce qui garantit, comme dans le cas de la demi-étoile, un gradient de surface d'électrode. En effet, l'électromouillage sur isolant a pour effet d'étaler le liquide au niveau des électrodes activées, ce qui se traduit ici par une position de liquide permettant de maximiser la surface en regard avec l'électrode. Il en résulte un effet de « rassemblement » du liquide à proximité de la première électrode 450 de formation de gouttes.
  • Cette amélioration permet aussi de vider complètement le réservoir.
  • Notons que les doigts du peigne (figure 3C) ou la demi-étoile (figure 13A) peuvent être carrés ou pointus.
  • La figure 13D, qui montre schématiquement la puce en cours de fonctionnement, en coupe au niveau du réservoir R1, résume l'empilement technologique. Les références 460, 461, 462, 463 désignent des électrodes d'électromouillage.
  • La référence 470 désigne une interconnexion des électrodes d'électromouillage entre différentes lignes. La référence 471 désigne une électrode du peigne 340 (figure 13A).
  • Une résine épaisse (100 µm d'épaisseur par exemple) est laminée puis structurée par photolithographie, et un traitement hydrophobe est effectué (exemple téflon AF de chez Dupont). Ce film de résine est utilisé pour définir l'espacement 350, 351 entre la plaque inférieure 1 et la plaque supérieure 11 (figures 9 et 13D). En outre ce film de résine permet de confiner les réservoirs et d'éviter les risques de contamination ou de coalescence entre les gouttes placées dans les différents réservoirs. La puce est collée puis électriquement câblée sur une plaque de circuit imprimé. La puce est recouverte d'un couvercle (substrat 11) en poly carbonate avec une électrode 15 en ITO (indium-titane-oxyde) et une fine couche 13 hydrophobe. Le composant fluidique ainsi formé est rempli d'huile silicone.
  • Un exemple de fonctionnement de ce dispositif, ou protocole fluidique, va être donné.
  • Avec la puce précédemment décrite, on peut réaliser un protocole permettant d'effectuer des dilutions successives. Le liquide contenant la solution à diluer (liquide contenant un réactif, et/ou un ou des échantillons biologiques, et/ou des billes, et/ou des cellules...) est dispensé dans le réservoir R16. L'objectif du protocole est de diluer le réactif, (respectivement : l'échantillon, les billes, cellules). Pour cela le réservoir R1 est rempli avec le tampon de dilution (eau, tampon biologique,...). La puce est pilotée par des moyens tels que les moyens 40, 42 des figures 3 et 4 (typiquement : un PC programmé à l'effet de mettre en oeuvre un procédé selon l'invention) et une liste d'instruction, qui correspond au procédé de dilution à mettre en oeuvre, est exécutée. Chaque instruction correspond à une opération élémentaire.
  • Il peut y avoir par exemple 4 types d'instructions élémentaires :
    • OUT 1 ou OUT 16: Dispense d'une goutte à partir d'un réservoir R1 ou R16.
    • BUS(m,n) Déplacement d'une goutte sur le bus 301; m et n correspondent au numéro du réservoir de départ et au numéro de réservoir d'arrivée.
    • STOCK(n): Stockage d'une goutte dans l'un des réservoirs R2 à R15.
    • DISP (n) : Dispense d'une goutte depuis l'un des réservoirs R2 à R15 par les électrodes de sélection de ce réservoir, conformément à l'invention.
  • Ainsi (figures 14A - 14D) pour former une goutte de liquide contenant l'entité à diluer, on exécute l'instruction OUT(16). Pour ranger cette goutte dans le réservoirs R2 on exécute successivement les instructions BUS(16,2) et STOCK(2). Puis, on dispense une gouttelette « g2 » à partir du réservoir R2 (figure 14B). La goutte g2 est fabriquée sur la dernière électrode de sélection de ligne (figure 14B), du côté du bus ; on forme aussi une goutte « g 1 » à partir du réservoir R1. Cette goutte g1 est amenée par le bus 301 en regard du réservoir R2 (figure 14C). g1 et g2 sont donc placées sur deux électrodes adjacentes, ce qui provoque naturellement la coalescence des deux gouttes g1 et g2 en une goutte g3 (figure 14D). En raison de la géométrie des électrodes, g1 est plus grande que g2 ; par exemple les volumes de g1 et g2 sont respectivement de 141 nl et 24 nl. On obtient donc un rapport de dilution de (144+24)/24, soit environ 7.
  • La nouvelle goutte g3 ainsi formée peut être stockée, par exemple dans le réservoir R3. On réitère l'opération de dilution en formant une gouttelette g4 à partir de R2 et une nouvelle goutte g5 à partir de R1, le résultat est stocké dans le réservoir R4. Cette opération est réitérée jusqu'à obtenir, dans chaque réservoir R2 à Rn, des concentrations C1, C1/7, C1/49, Ci/7n.
  • Cette situation est représentée en figure 15, qui représente schématiquement le dispositif des figures 12 et 13A, et sur laquelle diverses concentrations dans les réservoirs R2 - R6 sont indiquées.
  • En résumé, les instructions à fournir au système de pilotage 40, 42 du composant fluidique pour réaliser 4 dilutions successives avec stockage des liquides dans les réservoirs R2 à R16 sont données dans le tableau suivant.
    OUT16 Dispense d'une goutte du réservoir R16
    BUS(16,2) Déplacement vers le réservoir R2
    STOCK(2) La goutte est rangée dans le réservoir R2
    DISP(2) Dispense d'une gouttelette « g2 » à partir de R2 sur la dernière électrode
    OUT(1) Dispense d'une goutte 'g1' à partir du réservoir R1
    BUS(1,3) Déplacement vers le réservoir R3 (sur le chemin les gouttes g1 et g2 coalescents)
    STOCK(3) La goutte est rangée dans le réservoir R3
    DISP(3) Dispense d'une gouttelette g4 à partir de R3 sur la dernière électrode ES
    OUT(1) Dispense d'une nouvelle goutte g5 à partir du réservoir R1
    BUS(1,4) Déplacement vers le réservoir R4 (sur le chemin les gouttes g4 et g5 coalescent)
    STOCK(4) La goutte est rangée dans le réservoir R4
    DISP(4) Dispense d'une gouttelette g6 à partir de R4 sur la dernière électrode ES
    OUT(1) Dispense d'une nouvelle goutte g7 à partir du réservoir R1
    BUS(1,5) Déplacement vers le réservoir R5 (sur le chemin, les gouttes g1 et g4 coalescent)
    STOCK(5) La goutte est rangée dans le réservoir R5
    DISP(5) Dispense d'une gouttelette g8 à partir de R5 sur la dernière électrode ES
    OUT(1) Dispense d'une nouvelle goutte g9 à partir du réservoir R1
    BUS(1,6) Déplacement vers le réservoir R6 (sur le chemin les gouttes g1 et g9 coalescent)
    STOCK(6) La goutte est rangée dans le réservoir R4
  • Le processus peut être réitéré sur l'ensemble des 14 réservoirs R2 à R15. On peut aussi former plusieurs gouttes avec des concentrations équivalentes.
  • Par exemple, on peut effectuer 4 dilutions successives pour obtenir une concentration C1/2401 puis réitérer les dilutions mais toujours à partir du même réservoir R5. Ainsi, les autres réservoirs R7 R8, R9... seront remplis d'un volume de liquide avec la même concentration C1/2401.
  • Après coalescence, la goutte peut être déplacée sur le bus 301 pour homogénéiser et/ou mélanger les liquides. Typiquement 12 à 20 déplacements sur les électrodes du bus suffisent à un mélange efficace. On peut aussi utiliser les électrodes de sélections de lignes pour faire des allers - retour des gouttes entre les réservoirs et le bus 301 pour brasser les liquides.
  • La figure 16 correspond à une dilution réalisée avec des billes fluorescentes (Diamètre 20 µm dans de l'eau). Avec 4 dilutions on passe à une concentration élevée de billes (réservoir R2 : 400 billes pour 140nl) à quelques billes (réservoir R3 : 80 billes ; réservoir R4 : 27 billes ; réservoir R5 : 8 billes ; à chaque fois pour 140 nl).
  • Le même protocole peut être effectué avec des cellules. Grâce à la mise en oeuvre de l'invention il est possible de manipuler des gouttes contenant seulement quelques cellules, voire une seule cellule. On peut alors appliquer un protocole biologique sur cette goutte pour étudier et/ou analyser le comportement de la cellule. Ce protocole peut être effectué en parallèle sur un très grand nombre de goutte. Une des applications est le « screening » de médicaments.
  • La figure 17 représente une variante ou un perfectionnement du dispositif de la figure 4, dans lequel seul un dispositif de relais Rsl-k est nécessaire pour deux lignes d'électrodes Ck, Ck'. Les références sont identiques à celles de la figure 4.
  • Un dispositif de commutation micro-fluidique 501, 502, 503 est utilisé en combinaison avec chaque relais.
  • Un tel dispositif de commutation micro-fluidique fonctionne sur les principes suivants, qui vont d'abord être expliqués dans le cadre d'une configuration ouverte. Ainsi on considère le cas, illustré sur la figure 18, et proche dérivé du cas illustré en figures 1A - 1C, où le conducteur 10 est interrompu. L'extrémité 33 d'un deuxième conducteur 12, qui peut être à un potentiel flottant, est située à faible distance de l'extrémité 11 du premier conducteur 10. Cette distance est telle que si, par activation simultanée des électrodes 4-1, 4-2, 4-3, la goutte 2, après avoir été amenée à l'extrémité 11 du conducteur 10, est étirée, elle met, dans sa position 2' représentée en traits interrompus sur la figure 18, les deux extrémités 11 et 33 en contact et porte le conducteur 12 au même potentiel que le conducteur 10.
  • L'opération inverse peut alors être effectuée, la goutte retrouve alors sa position 2 initiale et le conducteur 12 n'est plus au potentiel du conducteur 10.
  • Dans cette opération, la goutte 2 est étirée, mais non pas déplacée. En outre, le contact est réalisé par étirement de la goutte sur la surface plane 8. Une commutation ou un changement d'état résulte donc d'un étirement de la goutte afin de mettre en contact deux lignes 10, 12.
  • A l'état initial, la goutte 2 peut être formée sur une électrode réservoir et être étirée sur une autre électrode voisine 4-3.
  • Du point de vue logique, on va supposer que le potentiel 0 des électrodes 4 conduit la goutte à s'étaler.
  • Comme on le voit sur la figure 19A, on modifie l'état de la ligne 12 par la commande Va sur l'électrode 4-3. Si Va= 1, la goutte ne s'étale pas sur cette électrode. La ligne 12 est donc à un potentiel flottant. Si Va = 0, alors la goutte s'étale au-dessus des deux électrodes 4-2 et 4-3 et la goutte vient connecter la ligne 12, dont l'état devient identique au caténaire 10 qui est l'état « 1 » (figure 19B).
  • On réalise ainsi un commutateur logique en micro-fluidique.
  • Un autre mode de réalisation est illustré sur la figure 19C : la commutation de la goutte vers un deuxième conducteur 12, 12' varie suivant la direction de déformation imposée à la goutte par l'activation des électrodes d'électromouillage.
  • Un dispositif selon l'invention peut également être à configuration fermée, du type de celle illustrée en figure 9.
  • Dans ce cas, illustré en figure 20, la goutte 2 va, par étirement ou déformation comme dans le cas précédent, être commutée entre un premier état et un deuxième état. Il est préférable, dans ce cas, d'avoir une différence de tension faible ou nulle entre le conducteurs 15 et les conducteurs 10 et 12, pour éviter tout risque de réaction ou de chauffage de la goutte 2.
  • Dans les modes de réalisation déjà exposés, la goutte est, par étirement ou déformation, amenée en contact avec deux conducteurs situés parallèlement au substrat 1 ou situés entre le substrat 1 et le capot 11.
  • Selon un autre mode de réalisation de l'invention (figure 21), en configuration fermée, le deuxième substrat ou le capot 11 comporte deux électrodes ou deux conducteurs 11-2, 11-2'. Pour chacun de ces conducteurs, la couche 13 de matériau hydrophobe présente une zone 107, 107' pour laquelle la couche de matériau hydrophobe est soit nulle (le conducteur correspondant 11-2, 11-2' du capot est alors apparent depuis la cavité), soit suffisamment faible pour laisser passer un courant ou des charges.
  • Une portion 107, respectivement 107', de la couche 13 du capot 11 est par exemple gravée, de sorte qu'une goutte 2 de liquide conducteur permet de réaliser un contact avec le conducteur 11-2, respectivement 11-2' (goutte en position étirée 2') du capot. On peut aussi laisser subsister dans la zone 107 et/ou la zone 107', une couche hydrophobe très fine, par exemple de l'ordre de quelques dizaines de nm pour du téflon ; elle est alors poreuse aux charges électriques. Il n'est alors pas nécessaire, dans ce cas, de graver complètement la couche hydrophobe 13 dans cette zone.
  • L'épaisseur de couche hydrophobe permettant une certaine porosité aux charges, suffisante pour assurer une circulation du courant avec la contre électrode 11-2, respectivement 11-2', dépendra du matériau de la couche 13. Dans le cas du téflon, on trouve des indications à ce sujet dans le document de S.-K. Cho et al., « spliting a liquid droplet for electrowetting - based microfluidics », Proceedings of 2001 ASME International Mechanical Engineering Congress and Exposition, Nov. 11 - 16, New York. En ce qui concerne le téflon, une couche de 20 nm, ou par exemple inférieure à 30 nm, est suffisante pour laisser passer des charges. Pour chaque matériau hydrophobe et/ou isolant, un test pourra être réalisé en fonction de l'épaisseur déposée afin de déterminer si le potentiel voulu est atteint en ce qui concerne l'électrode 15.
  • Selon l'invention le passage d'un état à un autre peut être commandé par le passage d'un contact de la goutte avec une zone de la couche 13 où cette dernière est inexistante ou faible, à un contact de la goutte avec deux zones de cette couche où cette dernière est inexistante ou faible.
  • Selon encore un autre mode de réalisation de l'invention (figure 22), en configuration ouverte (mais qui pourrait être aussi bien en configuration fermée), deux électrodes 4-2 et 4-4 du substrat 1 sont non passivées et non recouvertes par la couche hydrophobe 8. Les zone non passivées du premier substrat sont désignées par les références 17 et 17'.
  • Les deux électrodes 4-2 et 4-4 sont donc utilisées en tant que zones de contact pour deux états, l'un dans lequel la goutte 2 est uniquement en contact avec l'électrode 4-2, et l'autre dans lequel la goutte 2 est en contact avec les deux électrodes 4-2 et 4-4. Le passage de l'un à l'autre s'effectue par électromouillage par activation d'électrodes situées entre les électrodes dépassivées.
  • Enfin il est possible de combiner les divers modes de réalisation ci-dessus. Par exemple, en figure 23 un dispositif selon l'invention combine un capot, avec un électrode 13 dont une zone ou portion 107 est sans couche hydrophobe, ou présente une couche hydrophobe d'épaisseur très fine, et deux conducteurs 10, 12 disposés dans la cavité entre les deux substrats, parallèlement aux surfaces de ces deux substrats qui délimitent ladite cavité.
  • Ainsi la commutation peut avoir lieu entre la zone 107 et le conducteur 12.
  • Des fonctions complexes peuvent être élaborées à partir d'une des configurations de base exposées ci-dessus.
  • La figure 24A représente une fonction « complément », de sorte que la sortie 12 ne soit jamais à un potentiel flottant.
  • Sur cette figure, au moins 4 électrodes 4-1, 4-2, 4-1', 4-2' sont concernées. Les électrodes 4-1 et 4-1' sont respectivement à l'état 1 et 0, tandis que les électrodes 4-2 et 4-2' sont à un potentiel initialement quelconque Va.
  • Chacun des deux caténaires 10 et 10' joue le même rôle , respectivement pour l'électrode 4-1, et pour l'électrode 4-1', que déjà expliqué ci-dessus pour le caténaire 10 vis-à-vis de l'électrode 4-1.
  • Deux états sont alors possibles.
  • Lorsque Va = 1 (figure 24B), la goutte 21, située sur l'électrode 4-1, reste sur cette électrode, tandis que la goutte 21' s'étire vers la branche 121, du caténaire 12. Le caténaire 12 est alors au potentiel Vc = 0, complémentaire de Va = 1.
  • Lorsque Va = 0 (figure 24C), la goutte 21', située sur l'électrode 4-1', reste sur cette électrode, tandis que la goutte 21 s'étire vers la branche 121 du caténaire 12. Le caténaire 12 est alors au potentiel Vc = 1, complémentaire de Va = 0.
  • La fonction complément expliquée ci-dessus en liaison avec les figures 24A - 24C peut être symbolisée par un seul bloc I, comme illustré en figure 24D, qui transforme donc une tension Va en son complément V a .
  • Ce dispositif peut avantageusement être exploité dans un dispositif selon la présente invention.
  • Dans le schéma de la figure 17, l'utilisation d'un bloc I 501, 502, 503 sur chaque conducteur Ck' permet d'affecter à ce conducteur un état complémentaire ou inverse de l'état affecté au conducteur Ck. Les relais Rsl-1, Rsl-2, Rsl-3, ont la même fonction que dans le cas de la figure 4. Mais l'utilisation du composant micro-fluidique de commutation permet de simplifier la structure de la figure 4. La commande des électrodes pour activer chaque composant micro-fluidique peut là encore être assurée par les moyens 40, 42.
  • Chaque bloc 501, 502, 503, est donc un dispositif permettant de former une fonction complément d'une tension, dite tension d'entrée. Un tel dispositif comporte deux dispositifs de commutation, chaque dispositif de commutation comportant :
    • des moyens de déplacement d'une goutte de liquide par électromouillage, comportant un substrat hydrophobe 8 et au moins deux électrodes d'électromouillage 4-1, 4-2, 4-3, 4-4,
    • un premier et au moins un deuxième conducteurs 10, 31, 12, 107, 107', 17, 17', dits conducteurs de contact, avec lesquels une goutte 2 de liquide conducteur peut entrer en contact électrique, dans un premier état dans lequel la goutte est en contact électrique avec seulement le premier conducteur et dans un deuxième état dans lequel la goutte est en contact électrique avec le premier et le deuxième conducteurs,
    • des moyens pour commuter par électromouillage une goutte entre le premier état et le deuxième état.
  • Au moins un des deux conducteurs de contact d'un dispositif de commutation peut comporter une électrode d'électromouillage dépassivée 4-2, 4-4.
  • Un dispositif de commutation peut en outre comporter un capot 11 à surface hydrophobe 13 faisant face à la couche hydrophobe du substrat, au moins un des deux conducteurs de contact comportant une électrode 11-2, 11-2' disposée dans le capot, une portion 107, 107' de la surface hydrophobe de ce capot étant soit gravée soit présentant une épaisseur suffisamment faible pour laisser passer des charges électriques.
  • Les moyens pour commuter une goutte peuvent comporter des moyens pour commuter une tension appliquée à au moins une électrode d'électromouillage, dite électrode de commutation, entre une première valeur, pour laquelle la goutte n'est pas en contact avec le deuxième conducteur et une deuxième valeur, pour laquelle la goutte est en contact avec le deuxième conducteur.
  • Un dispositif de formation d'une fonction complément d'une tension (Va), dite tension d'entrée, comporte donc :
    • un premier et un deuxième dispositif de commutation tel que décrit ci-dessus, les deux deuxièmes conducteurs 121, 12'1 étant reliés à un conducteur unique 12, dit conducteur de sortie,
    • des moyens pour appliquer la tension d'entrée (Va) aux deux électrodes de commutation 4-2, 4-2' des deux dispositifs de commutation.
  • Le liquide conducteur utilisé pour les gouttes 2', 21 utilisées dans un dispositif de commutation peut être un liquide un gel conducteur, ou un matériau fusible à basse température (par exemple : plomb, ou étain, ou indium ou argent ou alliage d'au moins deux de ces matériaux) qui, par changement de phase, induit un contact définitif ou temporairement fixé (le changement de phase peut être en effet réversible), ou encore une colle conductrice (se durcissant ou se solidifiant par polymérisation par exemple). La réalisation d'un contact définitif, ou encore du blocage d'un commutateur, peut en effet être utile, pour ne pas alimenter électriquement le contacteur ou les fonctions logiques tout en maintenant l'étalement de la goutte. Ainsi le commutateur ou la fonction logique ne consomme de l'énergie que pendant le changement d'état.

Claims (37)

  1. Dispositif d'adressage d'une matrice d'électrodes de 2' lignes d'un dispositif électro-fluidique, chaque ligne possédant N électrodes (n<N), ce dispositif comportant :
    - sur chaque ligne, n électrodes dites de sélection (Esl - i), l'ensemble de ces électrodes de sélection de ligne étant reliées à 2n conducteurs (C1, C1', C2, C2', C3, C3') de sélection de lignes, 2n-1 électrodes de sélection de lignes de 2n-1 lignes étant connectées à chaque conducteur de sélection de lignes,
    - des moyens (Rsl-k, Rsl-k') de sélection, pour sélectionner un ou plusieurs conducteurs de sélection de ligne.
  2. Dispositif selon la revendication 1, les électrodes ESL-k de sélection des différentes lignes étant, pour une valeur de « k » donnée, connectées à deux conducteurs de sélection de ligne (Ck, Ck'), les électrodes ESL-k étant connectées par paquets de 2k-1, alternativement au conducteur Ck et au conducteur Ck'.
  3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, les moyens de sélection, pour sélectionner un ou plusieurs conducteurs de sélection de ligne comportant des relais électriques de sélection.
  4. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, les moyens de sélection de conducteurs de sélection de ligne comportant 2n relais électrique (Rsl - 1, Rsl - 2, Rsl - 3) de sélection, chaque relais étant connecté à un unique conducteur de sélection de ligne.
  5. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, les moyens de sélection de conducteurs de sélection de ligne comportant n relais électrique (Rsl - 1, Rsl - 2, Rsl - 3) de sélection, chaque relais étant connecté à deux conducteurs de sélection de ligne.
  6. Dispositif selon la revendication 5, chaque relais de sélection de ligne étant combiné avec des moyens (31, 33, 35, 501, 502, 503) pour engendrer, outre un signal d'entrée, un signal complémentaire.
  7. Dispositif selon la revendication 6, les moyens (31, 33, 35) pour engendrer, par électromouillage, outre un signal d'entrée, un signal complémentaire.
  8. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 7, les électrodes de sélection de ligne étant disposées successivement le long de chaque ligne.
  9. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 8, les électrodes de sélection de ligne étant disposées de manière non successive le long de au moins une ligne.
  10. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 9, les électrodes de sélection de ligne d'au moins une ligne étant de forme rectangulaire, le grand côté de chaque rectangle étant disposé perpendiculairement à la ligne.
  11. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 9, les électrodes de sélection de ligne d'au moins une ligne étant de forme carrée.
  12. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 11, au moins une ligne d'électrodes de la matrice possédant une électrode de coupure (Ec).
  13. Dispositif d'adressage d'une matrice d'électrodes comportant une pluralité de dispositifs d'adressage selon l'une des revendications 1 à 12, dits dispositifs élémentaires, disposés en série, chaque ligne de l'un de ces dispositif étant en série avec une ligne d'au moins un deuxième tel dispositif.
  14. Dispositif selon la revendication 13, les conducteurs de sélection de- lignes d'un des dispositifs élémentaires étant commun à tous les dispositifs élémentaires disposés en série.
  15. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 14, comportant en outre des moyens numériques (40) de sélection de ligne.
  16. Dispositif selon la revendication précédente, les moyens numériques (40) de sélection de ligne, étant programmés pour sélectionner les lignes de la matrice d'électrode selon un code binaire.
  17. Dispositif selon la revendication 15 ou 16, les moyens numériques (40) de sélection de ligne comportant des moyens pour sélectionner une ou plusieurs lignes de la matrice, et des moyens pour former des instructions de commande des conducteurs de sélection de ligne en fonction de la ou des lignes sélectionnées.
  18. Dispositif selon l'une des revendications 15 à 17, les moyens numériques (40) de sélection de ligne comportant des moyens pour activer consécutivement les électrodes de sélection de ligne d'une ligne sélectionnée.
  19. Dispositif selon l'une des revendications 15 à 17, les moyens numériques (40) de sélection de ligne comportant des moyens pour activer simultanément les électrodes de sélection de ligne d'une ligne sélectionnée.
  20. Dispositif de formation de gouttes de liquides, comportant un dispositif selon l'une des revendications 1 à 19, et des moyens (R1, Rk) formant réservoir pour des liquides, chaque ligne de la matrice étant reliée à un réservoir.
  21. Dispositif selon la revendication 20, 2n moyens formant 2n réservoirs pour les liquides, chaque ligne de la matrice étant reliée à un réservoir unique.
  22. Dispositif selon la revendication 20 ou 21, chaque ligne étant reliée à une ligne commune (60, 301) d'électrodes, pour mélanger des gouttes de liquides formées sur les différentes lignes.
  23. Dispositif selon la revendication 21 ou 22, comportant une pluralité de lignes communes (160, 162, 260, 262, 301), disposées perpendiculairement entre elles ou en carré.
  24. Dispositif selon l'une des revendications 20 à 23, au moins un des réservoirs comportant des électrodes d'électromouillage (448, 448', 449, 449') pour amener une goutte de liquide, à partir du réservoir, vers la ligne d'électrodes correspondante.
  25. Dispositif selon la revendication précédente, une des électrodes (448, 449) du réservoir étant en forme de peigne ou d'étoile.
  26. Dispositif selon la revendication précédente, l'étoile ou le peigne ayant des doigts dont les extrémités sont carrées ou pointues.
  27. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 26, au moins une des lignes comportant des électrodes dont un profil est en dent de scie.
  28. Dispositif d'adressage d'une matrice d'électrodes de p lignes, avec 2n<p<2n+1 lignes, d'un dispositif électro-fluidique, comportant un dispositif à 2n lignes selon l'une des revendications 1 à 27.
  29. Procédé de déplacement d'au moins un volume de liquide, à l'aide d'un dispositif selon l'une des revendications 1 à 28, comportant :
    - le déplacement d'un volume de fluide la long d'au moins une ligne de la matrice par activation des électrodes de ladite ligne.
  30. Procédé selon la revendication 29, les électrodes de sélection de ligne de ladite ligne étant activées consécutivement.
  31. Procédé selon la revendication 29, les électrodes de sélection de ligne de ladite ligne étant activées successivement.
  32. Procédé de formation d'une goutte de liquide comportant le déplacement d'un volume de liquide selon l'une des revendications 29 à 31, l'étalement de ce volume sur plusieurs électrodes de ladite ligne par sélection simultanée de ces électrodes, et la coupure du volume étalé à l'aide d'une électrode de coupure (Ec).
  33. Procédé de modification de la dilution d'un premier liquide, contenant une première solution à une première concentration, à l'aide d'un dispositif selon l'une des revendication 1 à 28, des moyens formant au moins un premier et un deuxième réservoirs, respectivement pour ledit liquide et pour au moins un deuxième liquide ou un tampon, chaque réservoir étant relié à une ligne de la matrice d'électrodes, ce procédé comportant :
    - la formation d'une goutte du premier liquide, à partir du premier réservoir,
    - la formation d'une goutte du deuxième liquide, à partir du deuxième réservoir,
    - le mélange des deux gouttes pour former une goutte, à une deuxième concentration différente de la première.
  34. Procédé selon la revendication précédente, la modification de la dilution d'un premier liquide étant une diminution de cette dilution, la deuxième concentration étant inférieure à la première.
  35. Procédé selon l'une des revendications 33 ou 34, le premier liquide contenant un réactif et/ou et/ou un ou des échantillons biologiques, et/ou des billes, et/ou des cellules.
  36. Procédé selon l'une des revendications 33 à 35, le deuxième liquide ou le tampon comportant de l'eau ou un tampon biologique.
  37. Procédé selon l'une des revendications 33 à 36, le dispositif comportant une ligne commune d'électrodes (301) qui relie les lignes du dispositif électrofluidique, et sur laquelle les gouttes sont déplacées par électromouillage.
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