JP2012163956A - アクティブマトリクス装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】第1〜第N番目のアレイ素子(Nは、2以上の整数である)の順に空間的に配置されたN個のアレイ素子を備えており、上記N個のアレイ素子は、上記アレイ素子の動作を制御する、対応する書き込み入力信号の受信のための書き込み入力と、上記アレイ素子の特性を検知しているとともに、検知された上記特性に基づきセンサ出力を与える検知回路とを備えており、さらに、上記順の中の第n番目のアレイ素子からのセンサ出力を第(n+1)番目のアレイ素子の書き込み入力へ直接接続している論理回路を備えているとともに、上記第nのアレイ素子からの上記センサ出力に基づいて、上記書き込み入力信号を上記第(n+1)番目のアレイ素子の書き込み入力へ与えるように設定された操作回路をさらに備えているアクティブマトリクス装置。
【選択図】図4
Description
・アレイ中の液滴の位置のモニタに用いられる。
・前述の液滴操作のいずれかが適切に実施されているかを検証する手段として、アレイ中の液滴の位置の決定に用いられる。
・例えば、導電性といった、液滴の組成に関する情報を決定するための液滴のインピーダンスの測定に用いられる。
・化学または生化学的反応の量を検出するための液滴のインピーダンス特性の測定に用いられる。
本発明の目的は、1つのアレイ素子のセンサ機能から、1つまたはそれ以上の数の連結した素子の書き込み機能へ、局所的フィードバックを提供することである。
・フィードバックは、非常に高速に実行することが可能である。センサ機能を、隣接するアレイ素子の書き込み機能に対するトリガとして利用することにより、アレイにおける液滴の移動速度を最大化することが可能である。
・フィードバックは、非常に効率的に実行することが可能である。局所的にフィードバック手段を実施することにより、フィードバックを実行するために、センサデータをオフチップ処理する必要性を減らし、あるいは無くすことができる。
・本発明の一実施形態によれば、システムの消費電力を、非常に小さくすることが可能である。システムは、液滴の位置に直近したアレイ素子のみ「起動すること」が必要となり、相当の電力を消費するだけとなるように設定され得る。
・本発明の一実施形態によれば、より複雑な機能は、完全に集積された機能を利用することが可能である。例えば、
・センサにより決定された測定精度により、液滴が経由する一連の経路に関して決定することができる。
本発明の基本的な態様によると、第1〜第N番目のアレイ素子(Nは、2以上の整数である)の順に空間的に配置されたN個のアレイ素子を備えており、上記N個のアレイ素子は、上記アレイ素子の動作を制御する、対応する書き込み入力信号の受信のための書き込み入力と、上記アレイ素子の特性を検知し、検知された上記特性に基づきセンサ出力を与える検知回路とを備えており、さらに、上記順の中の第n番目のアレイ素子からのセンサ出力を第(n+1)番目のアレイ素子の書き込み入力へ直接接続している論理回路を備えているとともに、上記第n番目のアレイ素子からの上記センサ出力に基づいて、上記書き込み入力信号を上記第(n+1)番目のアレイ素子の書き込み入力へ与えるように設定された操作回路を備えていることを特徴とするアクティブマトリクス装置が提供される。
個々のアレイ素子は、1つまたはそれ以上の数の隣接した素子へ接続されている。この接続においては、アレイ素子のセンサ出力が、隣接したアレイ素子の書き込み入力を(少なくとも部分的に)決定するように用いられている。
・少なくとも一つの書き込み入力信号により制御される、AM−EWOD電圧の書き込み手段。
・少なくとも一つのセンサ出力を生成している液滴の特性の検知(例えば、インピーダンスの検知)を行うための検知手段。
・第1番目のアレイ素子202
・第2番目のアレイ素子204
・第3番目のアレイ素子206
・ANDゲート222
・ANDゲート224
・論理インバータ226、228、および230
回路は、次のように接続されている。
・入力INおよび出力OUTを有する一般的な設計のレベルシフタ234
・後述するEW書き込み・検知回路236
・後述する一般的な構成のバイアス・サンプル回路238
・デジタル化・ラッチ回路240。この回路は、例えば、一般的な構成のD型フリップフロップから成っていてもよい。
・スイッチトランジスタ68
・キャパシタCS58
・カップリングキャパシタCC146
・ダイオード148
・ダイオード147
・トランジスタ94
複数のアレイ素子に提供される接続は、次のような要素から構成されている。
・ソース接続
・ゲート接続
・センサロウ選択ラインRWS
・リセットラインRST
・第2リセットラインRSTB
・パワーサプライ線VDD(アレイのすべての素子に共通であってもよい)
・センサ出力ラインCOL
・外部上書きO
EW書き込み・検知回路236は、電圧VWRITEをプログラム可能なEW駆動電極38から成っている。キャパシタCLとして表される負荷素子154も示されている。特に、負荷キャパシタ154は、上述のように、EW駆動電極38と上部基板36の電極28との間のインピーダンスを表しており、従って、アレイ素子内に含まれる疎水性セルに起因して生じるインピーダンスを表している。負荷キャパシタ154の値CLは、アレイの中の特定のアレイ素子の中の疎水性セルに位置する液滴4の存在、サイズ、および組成に依存している。
・フィードバックが非常に速く実行され得る点。近隣の複数のアレイ素子の書き込み機能のトリガとなるセンサ機能の利用により、一つのアレイを通過する液滴の移送速度を最大化することが可能である。
・フィードバックが非常に効率的に実施され得る点。局所フィードバック手段を実施することにより、センサデータのオフチップ処理の必要性が排除される。
・上述の、一つまたはそれ以上のAM−EWODアレイ
・AM−EWODアレイに液体サンプルおよび試薬を提供するとともに前処理を実行するための水路マイクロフルイディクス機能(channel microfluidics capability)
・流体サンプルおよび試薬を入力する手段
・化学または生化学における試験、または、化学または生化学における分析のための手段
・制御電子部品、例えば、チップリーダーまたはPC
本発明の実施の形態2は、実施の形態1に記載のAM−EWODを備えている。実施の形態2が、実施の形態1と異なる点は、代替的な液滴操作回路160aが、複数のアレイ素子を接続するために利用されている点である。より詳細には、複数のアレイ素子と論理回路(インバータ、ANDゲート、およびORゲート)との間が、異なる態様で接続されている点である。本実施形態に係る液滴操作回路を、図13に示す。また、図13は、4個のアレイ素子を示している。説明を簡潔なものとするために、実施の形態1と本実施の形態との間で異なる部分のみを説明する。
・リセット入力Rが、論理ハイレベルであるとき、論理状態の出力が、W入力に係らず、デフォルトレベル(つまり、論理ロウ)に設定される。
・リセット入力Rが、論理ロウレベルであるとき、論理ステージの出力は、入力Wにおける値に従って設定されるとともに、操作は、実施の形態1と同様に行われる。
・リセット機能の追加により、液滴の複数の位置をあらかじめ定義された複数の位置へリセット可能である点。
・リセット機能の追加により、試験シーケンスまたは液滴プロトコルを停止するための手段を提供可能である点。これば、たとえば手作業による上書きによって引き継がれることも可能であるし、アレイ素子のセンサ出力からの予期しない出力に応じて実行されることも可能である。
・リセットおよび手作業による上書き機能の追加により、操作のモードを、自動化された液滴操作(例えば上述のような本発明に係る最初の3個の実施の形態)と、通常のAM−EWOD操作に類似した操作の手動モードとの間で切り替えることが可能である点。
このように、第2番目のアレイ素子246および第3番目のアレイ素子248は、第1番目のアレイ素子244において液滴が検知される時点まで、パワーダウン状態のままである。ここで、液滴が検知されるような時点とは、第1番目のアレイ素子のセンサ出力Sが変化する(例えば、ハイになる)とともに、第2および第3番目のアレイ素子が、パワーアップされる(例えば、低消費電力状態から復帰させられる)状態である。
・第1番目のアレイ素子249
・第2番目のアレイ素子204
・第3番目のアレイ素子206
・ANDゲート222
・ANDゲート224
・ANDゲート252
・論理インバータ226、228、および230
・センサデータ処理回路242
複数の素子および論理部品の順は、次のように接続され得る。
・一般的な設計による比較器247
・参照電圧信号VREF
・論理回路245
センサデータ処理回路242は、次のように接続されていてもよい。
・第1番目のアレイ素子202
・第2番目のアレイ素子204
・第3番目のアレイ素子206
・ANDゲート222
・ANDゲート224
・ANDゲート252
・論理インバータ226、228、および230
・タイマ制御回路260
・ORゲート262
アレイ素子および論理部品の順は、次のように接続されていてもよい。
・入力Tがハイになるとき、タイマ機能がスタートされる機能。
・Tがハイになってから所定の時間T0以内に入力INがハイになることができなかった場合、出力OUTがハイになる。全ての他の状況において、出力OUTは、ロウを維持する機能。
・一般的な設計のフリップフロップ460
・アクティブハイリセットを備えている一般的な設計のカウンタ462
・ANDゲート464
・ORゲート466
入力TおよびIN、および出力OUTに加えて、上記回路は、クロック信号が与えられる入力MCKも備えている。
6 接触角θ
16 疎水性層
20 絶縁体層
26 疎水性層
28 電極
32 スペーサ
34 非イオン液体
36 上部基板
38 電極
42 電極アレイ
52 液滴が存在している
53 液滴が存在していない
54 キャパシタ
54 キャパシタCS
60 対向基板
68 スイッチトランジスタ
72 下部基板
74 薄膜電子部品
76 ロウドライバ回路
78 カラムドライバ回路
80 シリアルインターフェース
82 接続線
84 アレイ素子回路
94 トランジスタ
102 検知ノード
146 キャパシタCC
147 ダイオード
148 ダイオード
154 負荷素子CL
160 液滴操作回路
162 アナログスイッチ
164 アナログスイッチ
166 初期化回路
180 ORゲート
182 ORゲート
184 ORゲート
202 第1番目のアレイ素子
203 第1番目のアレイ素子
204 第2番目のアレイ素子
205 第2番目のアレイ素子
206 第3番目のアレイ素子
207 第3番目のアレイ素子
208 第4番目のアレイ素子
209 トランジスタ
219 第4番目のアレイ素子
220 3個の点
222 ANDゲート
224 ANDゲート
225 ANDゲート
226 インバータ
228 インバータ
230 インバータ
231 インバータ
234 レベルシフタ
235 アレイ素子
236 EW書き込み・検知回路
238 バイアス・サンプル回路
239 改良されたバイアス・サンプル回路
240 デジタル化・ラッチ回路
242 センサデータ処理回路
243 論理リセット回路
244 第1番目のアレイ素子
245 論理回路
246 第2番目のアレイ素子
247 比較器
248 第3番目のアレイ素子
249 第1番目のアレイ素子
252 ANDゲート
253 アナログバッファ回路
260 タイマ制御回路
262 ORゲート
264 アレイ素子A
265 矢印
266 アレイ素子B
268 アレイ素子C
270 アレイ素子D
272 アレイ素子E
306 トランジスタ
308 キャパシタ
408 トランジスタ
460 フリップフロップ
462 カウンタ
464 ANDゲート
466 ORゲート
468 センサイネーブルスイッチトランジスタ
470 SRAMセル
Claims (23)
- 第1〜第N番目のアレイ素子(Nは、2以上の整数である)の順に空間的に配置されたN個のアレイ素子を備えており、
上記N個のアレイ素子は、上記アレイ素子の動作を制御する、対応する書き込み入力信号の受信のための書き込み入力と、上記アレイ素子の特性を検知し、検知された上記特性に基づきセンサ出力を与える検知回路とを備えており、さらに、
上記順の中の第n番目のアレイ素子からのセンサ出力を第(n+1)番目のアレイ素子の書き込み入力へ直接接続している論理回路を備えているとともに、上記第n番目のアレイ素子からの上記センサ出力に基づいて、上記書き込み入力信号を上記第(n+1)番目のアレイ素子の書き込み入力へ与えるように設定された操作回路を備えていることを特徴とするアクティブマトリクス装置。 - 各アレイ素子は、その疎水性が上記対応する書き込み入力信号により制御される表面を備えている疎水性のセルであるとともに、上記検知回路により検知される上記特性は、各アレイ素子に存在する液滴に関連する特性であることを特徴とする請求項1に記載のアクティブマトリクス装置。
- 上記特性は、上記液滴のインピーダンスであることを特徴とする請求項2に記載のアクティブマトリクス装置。
- 上記第n番目のアレイ素子の上記センサ出力は、上記液滴が上記第n番目のアレイ素子に存在していることを示しており、上記論理回路は、上記第(n+1)番目のアレイ素子の上記疎水性を変化させるために、上記第(n+1)番目のアレイ素子へ上記書き込み入力信号を与えるように構成されることを特徴とする請求項2または3に記載のアクティブマトリクス装置。
- 上記液滴が最初は上記アレイ素子の中の第1番目のアレイ素子に存在する場合、上記論理回路は、書き込み入力信号を上記順の中の残りのアレイ素子へ与えることで、上記液滴を上記アレイ素子の順の間で移動するようにさせることを特徴とする請求項4に記載のアクティブマトリクス装置。
- 上記論理回路は、上記書き込み入力信号を上記順の中の上記残りのアレイ素子へ順番に与えるように設定されていることで、2個以上の隣接したアレイ素子が、常に上記液滴を受け取るまたは保持する状態であることを特徴とする請求項5に記載のアクティブマトリクス装置。
- 上記操作回路は、上記第n番目のアレイ素子の上記センサ出力における変化に従って、上記第n番目のアレイ素子を以前の状態に戻すために、上記第n番目のアレイ素子の上記センサ出力を上記第n番目のアレイ素子の上記書き込み入力へ直接的に接続する論理回路を備えることを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載のアクティブマトリクス装置。
- 各アレイ素子と関連付けられた、ANDゲートおよびインバータを備え、
第n番目のアレイ素子の上記センサ出力は、第(n+1)番目のアレイ素子と関連付けられた上記ANDゲートの第1の入力と、上記第n番目のアレイ素子と関連付けられた上記インバータの入力とへ接続されるとともに、
上記第(n+1)番目のアレイ素子と関連付けられた上記インバータの出力は、上記第(n+1)番目のアレイ素子と関連付けられた上記ANDゲートの第2の入力へ接続されていることを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載のアクティブマトリクス装置。 - 上記論理回路は、各アレイ素子と関連付けられた、ANDゲート、ORゲート、およびインバータを備え、
第n番目のアレイ素子の上記センサ出力は、第(n+1)番目のアレイ素子と関連付けられたORゲートの第1の入力と、上記第n番目のアレイ素子と関連付けられたORゲートの第2の入力とへ接続されており、
上記第n番目のアレイ素子と関連付けられた上記ORゲートの出力は、上記第n番目のアレイ素子と関連付けられた上記ANDゲートの第1の入力へ接続されており、
上記第n番目のアレイ素子と関連付けられた上記インバータの入力は、上記アレイ素子の中の第(n+2)番目のアレイ素子の上記センサ出力へ接続されており、
上記第n番目のアレイ素子と関連付けられた上記インバータの出力は、上記第n番目のアレイ素子と関連付けられた上記ANDゲートの第2の入力へ接続されており、
上記第n番目のアレイ素子と関連付けられた上記ANDゲートの出力は、上記第n番目のアレイ素子の上記書き込み入力へ接続されていることを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載のアクティブマトリクス装置。 - 液滴を各アレイ素子の間で分離するべく、上記論理回路が、複数の書き込み入力信号を上記順の中の各アレイ素子へ与えるように設定されていることを特徴とする請求項2に記載のアクティブマトリクス装置。
- 複数の液滴を上記複数のアレイ素子の中で結合または混合すべく、上記論理回路が、複数の書き込み入力信号を上記順の中の上記複数のアレイ素子へ与えるように設定されていることを特徴とする請求項2に記載のアクティブマトリクス装置。
- 液滴をリザーバーから抽出すべく、上記論理回路が、複数の書き込み入力信号を上記順の中の各アレイ素子へ与えるように設定されていることを特徴とする請求項2に記載のアクティブマトリクス装置。
- 各アレイ素子は、リセット操作を初期化するためのリセット入力を備えることを特徴とする請求項1〜12のいずれか1項に記載のアクティブマトリクス装置。
- 各アレイ素子は、低消費電力状態を初期化するためのパワーダウン入力を備えることを特徴とする請求項1〜13のいずれか1項に記載のアクティブマトリクス装置。
- 上記順における前段のアレイ素子のセンサ出力は、上記順における後段のアレイ素子のパワーダウン入力へ接続されており、
上記順における前段の上記アレイ素子の上記センサ出力が変化すると、上記順における後段のアレイ素子が低消費電力状態から復帰することを特徴とする請求項14に記載のアクティブマトリクス装置。 - 上記順における第n番目のアレイ素子と空間的に隣接している付属的なアレイ素子をさらに備え、
上記操作回路は、所定の分析機能に応じて、複数の書き込み入力信号を上記第(n+1)番目のアレイ素子および上記付属的なアレイ素子へ選択的に与えるように設定されている論理回路を備えていることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載のアクティブマトリクス装置。 - 上記複数の書き込み入力信号を選択的に与えるように設定されている上記論理回路は、タイマ制御回路を備え、
上記所定の分析機能は、タイムアウト条件を組み込んだものであることを特徴とする請求項16に記載のアクティブマトリクス装置。 - 少なくとも上記第1番目のアレイ素子は、上記第1番目のアレイ素子の上記書き込み入力を初期化するための初期化回路を備えることを特徴とする請求項1〜17のいずれか1項に記載のアクティブマトリクス装置。
- 上記検知回路は、インピーダンス検知、光学的検知、または熱的検知のうちの少なくともいずれか一つを利用して上記アレイ素子の特性を検知することを特徴とする請求項1〜18のいずれか1項に記載のアクティブマトリクス装置。
- N個のアレイ素子からなる複数のセットのそれぞれが、対応する操作回路を備えていることを特徴とする請求項2〜19のいずれか1項に記載のアクティブマトリクス装置。
- 上記N個のアレイ素子からなる複数のセットは、複数の液滴の制御に同時に影響するように構成されることを特徴とする請求項20に記載のアクティブマトリクス装置。
- 上記N個のアレイ素子からなる複数のセットは、複数のアレイ素子に亘って空間的に伸張されている液滴の制御に同時に影響するように配置されることを特徴とする請求項20に記載のアクティブマトリクス装置。
- 上記N個のアレイ素子からなる複数のセットは、液滴の制御に順番に影響するように配置されることを特徴とする請求項20に記載のアクティブマトリクス装置。
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