FR2872809A1 - Methode d'adressage d'electrodes - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne 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 (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.
Description
METHODE D'ADRESSAGE D'ELECTRODES
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 uvre 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 VO.
Lorsque l'électrode 4 - 1 située à proximité de la goutte 2 est activée (placée à un potentiel V1 différent de VO 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 lA 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 15 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 25 peuvent être placées à un potentiel VO 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 30 d'électrodes, il suffit de relier toutes les électrodes à des relais et de les activer successivement comme décrit sur les figures lA - 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. 10
Les gouttes ainsi sélectionnées peuvent ensuite poursuivre leur déplacement par le pilotage des relais 20.
Dans cette mise en uvre 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 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, 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 2'1 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 etant disposé perpendiculairement à la ligne.
Les électrodes de sélection de ligne d'au 20 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 30 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 2 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 lA - 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 électrofluidique avec 8 lignes d'électrodes.
- La figure 4 est un exemple de réalisation de l'invention, mettant en uvre un codage binaire avec 8 lignes d'électrodes.
- La figure 5 est un exemple de 15 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 20 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 25 confiné.
- La figure 10 représente une structure d'électrodes dont l'un des profils est en forme de dents de scie.
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 Esli, Es12, Es13, dites de sélection. Plus généralement, pour N = 2' lignes, on sélectionne n électrodes de sélection Esl-i, i = 1 - n sur chaque ligne.
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 Cl, Cl', 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 cidessus: 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 Cl et Cl' (puis à Rsl-1 et à Rsl - 1') de manière alternée: autrement dit, les électrodes Esl - 1 sont connectées alternativement sur Cl 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.
Ligne Relais connecté Relais connecté Relais connecté j à ESL-3 à ESL- 2 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' RSL-3 RSL-2' RSL-1 6 RSL-3 RSL-2 RSL-1' 7 RSL-3 RSL-2 RSL-1
Tableau I
Par exemple, pour la ligne j = 0, Esl - 3 est activée si Rsl-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 VO (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 2' 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 Cl - 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: Ligne Nombre Etat du relais Etat du Etat du binaire RSL3 relais relais RSL1 RSL-2 0 000 0 0 0 1 001 0 0 1 2 010 0 1 0 3 011 0 1 1 4 100 1 0 0 101 1 0 1 6 110 1 1 0 7 111 1 1 1
Tableau II
Pour un chiffre binaire donné, une seule ligne aura les 3 électrodes de sélection de ligne au potentiel Vl, 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 VO.
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 15 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 opérateurpeut 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.
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 ellemême partie d'une matrice d'électrodes.
A cette fin, on active une série d'électrodes El - 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 20 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 Cl, Cl', 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 2 < p <2'' comporte donc un dispositif à 2 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 lA - 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 30 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 pm et 100 pm ou 500 pm.
Le conducteur 10 se présente par exemple sous la forme d'un fil de diamètre compris entre 10 pm et quelques centaines de pm, par exemple 200 pm. 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 pm et 100 pm ou 500 pm.
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 pl.
En outre chacune des électrodes d'une ligne de la matrice aura par exemple une surface de l'ordre de quelques dizaines de pm2 (par exemple 10 pm2) jusqu'à 1 mm2, selon la taille des gouttes à transporter, l'espacement entre électrodes voisines étant par exemple compris entre 1 pm et 10 pm. 10
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 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.
Claims (26)
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 (Cl, Cl', 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 30 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) pour engendrer, outre un signal d'entrée, un signal complémentaire.
7. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6, les électrodes de sélection de ligne étant disposées successivement le long de chaque ligne.
8. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 7, les électrodes de sélection de ligne étant disposées de manière non successive le long de au moins une ligne.
9. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 8, 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.
10. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 8, les électrodes de sélection de ligne d'au moins une ligne étant de forme carrée.
11. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 10, au moins une ligne d'électrodes de la matrice possédant une électrode de coupure (Ec).
12. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 11, comportant en outre des moyens numériques (40) de sélection de ligne.
13. 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.
14. Dispositif selon la revendication 12 ou 13, 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.
15. Dispositif selon l'une des revendications 12 à 14, les moyens numériques (40) de sélection de ligne comportant des moyens pour activer consécutivement les électrodes de sélection de ligne d'une ligne sélectionnée.
16. Dispositif selon l'une des revendications 12 à 14, les moyens numériques (40) de sélection de ligne comportant des moyens pour activer simultanément les électrodes de sélection de ligne d'une ligne sélectionnée.
17. Dispositif de formation de gouttes de liquides, comportant un dispositif selon l'une des revendications 1 à 16, et des moyens (R1, Rk) formant réservoir pour des liquides, chaque ligne de la matrice étant reliée à un réservoir.
18. Dispositif selon la revendication 17, 2 moyens formant 2' réservoirs pour les liquides, chaque 15 ligne de la matrice étant reliée à un réservoir unique.
19. Dispositif selon la revendication 17 ou 18, chaque ligne étant reliée à une ligne commune (60) d'électrodes, pour mélanger des gouttes de liquides formées sur les différentes lignes.
20. Dispositif selon la revendication 18 ou 19, comportant une pluralité de lignes communes (160, 162, 260, 262), disposées perpendiculairement entre elles ou en carré.
21. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 20, au moins une des lignes comportant des électrodes dont un profil est en dent de scie.
B 14811.3 PM 2872809
22. 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 21.
23. Procédé de déplacement d'au moins un volume de liquide, à l'aide d'un dispositif selon l'une des revendications 1 à 22, comportant: - le déplacement d'un volume de fluide la 10 long d'au moins une ligne de la matrice par activation des électrodes de ladite ligne.
24. Procédé selon la revendication 23, les électrodes de sélection de ligne de ladite ligne étant 15 activées consécutivement.
25. Procédé selon la revendication 23, les électrodes de sélection de ligne de ladite ligne étant activées simultanément.
26. Procédé de formation d'une goutte de liquide comportant un déplacement d'un volume de liquide selon un procédé selon la revendication 23, 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).
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