JP2013078758A - エレクトロウェッティングおよび誘電泳動を利用した、液体制御用アクティブマトリクス装置および駆動方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】マイクロ流体装置は、アレイ上の1個または複数の液滴4を操作するように構成されている複数のアレイ素子43と、アクティブマトリクス駆動回路84とを備えており、各アレイ素子は、上部基板36上に形成されている上部基板電極28と、下部基板72上に形成されている駆動電極38A、38Bとを含んでおり、上記上部基板電極および上記駆動電極の間に上記1個または複数の液滴を配置可能であり、上記アクティブマトリクス駆動回路は、上記複数のアイレ素子の、上記上部基板電極および上記駆動電極に駆動信号を与え、上記複数のアレイ素子の間で、上記1個または複数の液滴を操作するように構成されている。
【選択図】図4
Description
・装置の寿命劣化の抑制
・絶縁体の信頼性の改善
・液滴ダイナミクスの改善
このため、EWODを研究するグループの大半は、交流駆動スキームを利用しており、典型的な駆動周波数としては10kHz以上を利用している。
・駆動回路を、AM−EWODアレイ基板上に集積することができる点
・TFTベースの電子回路は、AM−EWOD用途に好適である点
・比較的大きいエリアを有している基板は比較的低コストで製造できるため、TFTベースの電子回路も安価となる点
標準的なプロセスにおいて製造されるTFTは、標準的なCMOSプロセスにおいて製造されるトランジスタよりも、高い電圧で動作するように設計されている。多くのEWOD技術において、EWOD駆動電圧として20Vを超える電圧が必要とされるため、TFTが高い電圧で動作するように設計されていることは、重要である。
・メモリ回路222
・反転回路224
ここで、メモリ回路222は、以下の構成要素を含んでいる。
・行選択線ROW(行駆動回路76から引き出されている;同じ行に含まれるアレイ素子により共有されていてもよい)
・ストレージキャパシタ203
・直流供給電圧Vref
・スイッチトランジスタ206
また、反転回路224は、以下の構成要素を含んでいる。
・第2のアナログスイッチ216
・供給電圧V1(第2の列駆動回路86から供給されている;同じ列に含まれるアレイ素子により共有されていてもよい)
・第2供給電圧V2(第2の列駆動回路86から供給されている;同じ列に含まれるすべての素子により共有されていてもよい)
・インバータ212
ここで、アレイ素子回路84は、以下のように接続されている。
・3個のスイッチからなる第1のバンク502
・3個のスイッチからなる第2のバンク504
・デジタル出力選択回路506
・デジタル制御回路508
デジタル制御回路508は、外部クロック入力CKおよび出力Qを有している。ここで、出力Qは、デジタル出力選択回路506のクロック入力CKAに接続されている。また、デジタル出力選択回路506は、ビットデータ入力DATA1およびビットデータ入力DATA2ならびにビット並列データ出力O1、ビット並列データ出力O2、およびビット並列データ出力O3を有している。また、デジタル出力選択回路506の出力(ビット並列データ出力)O1、出力(ビット並列データ出力)O2、および出力(ビット並列データ出力)O3は、スイッチからなるバンク502およびスイッチからなるバンク504に含まれる3個のスイッチを制御するために利用される。また、バンク502に含まれる3個のスイッチの出力は、互いに接続されており、出力V1に接続されている。ここで、出力V1は、供給電圧であり、各アレイ素子に含まれる第1のアナログスイッチ214に与えられる。また、バンク504に含まれる3個のスイッチの出力は、互いに接続されており、出力V2に接続されている。ここで、出力V2は、供給電圧であり、各アレイ素子に含まれる第2のアナログスイッチ216および上部基板電極28に与えられる。また、入力V1A、入力V1B、および入力V1Cは、3個のスイッチからなるバンク502の3個の入力を備えている。そして、入力V2A、入力V2B、および入力V2Cは、3個のスイッチからなるバンク504の3個の入力を備えている。また、3個の入力は、装置に外部から与えられるグローバル信号であってもよい。
・メモリ回路222a
・反転回路224a
ここで、メモリ回路222aは、以下の構成要素を含んでいる。
・行選択線ROW(行駆動回路76から引き出されている;同じ行に含まれるアレイ素子により共有されていてもよい)
・n型のスイッチトランジスタ206
・p型のスイッチトランジスタ230
・第1のインバータ226
・第2のインバータ228
また、反転回路224aは、以下の構成要素を含んでいる。
・第2のアナログスイッチ216
・供給電圧V1(アレイに含まれるすべての素子により共有されていてもよい)
・第2の供給電圧V2(アレイに含まれるすべての素子により共有されていてもよい)
ここで、回路(アレイ素子回路)84aは、以下のように接続されている。
6 接触角θ
16 疎水層
20 絶縁体層
26 疎水層
28 上部基板電極
32 スペーサ
34 非イオン液体
36 上部基板
38 電極
40 回路ノード
42 電極アレイ
43 アレイ素子
44 粒子
46 DEPゾーン
48 電極
50 電極
52 配線
72 下部基板
74 薄膜電子回路
76 行駆動回路
78 第1の列駆動回路
80 シリアルインターフェース
82 接続配線
83 電圧供給インターフェース
84 アレイ素子回路
86 第2の列駆動回路
104 SRAMメモリセル
106 スイッチ回路
108 出力バッファステージ
110 スイッチトランジスタ
112 スイッチトランジスタ
203 ストレージキャパシタ
206 スイッチトランジスタ
210 メモリノード
212 インバータ
214 第1のアナログスイッチ
216 第2のアナログスイッチ
222 メモリ回路
224 反転回路
226 第1のインバータ
228 第2のインバータ
230 スイッチトランジスタ
500 第2の列駆動回路素子
502 3個のスイッチからなる第1のバンク
504 3個のスイッチからなる第2のバンク
506 デジタル出力選択回路
508 デジタル制御回路
Claims (20)
- マイクロ流体装置であって、
アレイ上の1個または複数の液滴を操作するように構成されている複数のアレイ素子と、
アクティブマトリクス駆動回路とを備えており、
各アレイ素子は、
上部基板上に形成されている上部基板電極と、
下部基板上に形成されている駆動電極とを含んでおり、
上記上部基板電極および上記駆動電極の間に上記1個または複数の液滴を配置可能であり、
上記アクティブマトリクス駆動回路は、
上記複数のアイレ素子の、上記上部基板電極および上記駆動電極に駆動信号を与え、上記複数のアレイ素子の間で、上記1個または複数の液滴を操作するように構成されており、
1個または複数の上記アレイ素子について、誘電体エレクトロウェッティング(EWOD:Electro-wetting-on-Dielectric)および誘電泳動(DEP:Dielectrophoresis)の両方によって、上記アレイ素子内にある上記1個または複数の液滴を選択的に操作するように、上記上部基板電極および上記駆動電極に上記駆動信号を与えるよう構成されていることを特徴とする装置。 - 上記アクティブマトリクス駆動回路は、ある時点においてEWODによって、かつ別の時点においてDEPによって、上記アレイの所定の部位における上記1個または複数の液滴を操作可能とするように上記装置を再構成することを特徴とする請求項1に記載の装置。
- 上記アクティブマトリクス駆動回路は、
上記1個または複数のアレイ素子の、上記上部基板電極および上記駆動電極に上記駆動信号を選択的に与えるように構成されており、
上記1個または複数の液滴に渡る電圧波形について、
EWODを利用する場合には、上記電圧波形が直流または比較的低周波数の交流のいずれかの電圧波形となるようにし、
DEPを利用する場合には、上記駆動信号が比較的高周波数の交流の電圧波形となるようにし、
上記1個または複数の液滴を操作することを特徴とする請求項1または2に記載の装置。 - 上記1個または複数のアレイ素子は、上記アレイの異なる部位に配置されており、
上記アクティブマトリクス駆動回路は、
EWODを利用した上記部位の一部分における上記1個または複数の液滴の中の複数個の液滴の操作と、
DEPを利用した上記部位の他の部分における上記1個または複数の液滴の中の他の液滴の操作とを同時に行うことが可能なように構成されていることを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の装置。 - 上記アレイ素子は、M×Nアレイであり、
上記Mおよび上記Nは、2以上であることを特徴とする請求項1から4のいずれか1項に記載の装置。 - 上記アクティブマトリクス駆動回路は、任意の時点にて、上記アレイに含まれる各列に対して、EWODまたはDEPによる駆動を個別に選択可能であるように構成されていることを特徴とする請求項5に記載の装置。
- 上記アクティブマトリクス駆動回路は、
上記アレイに含まれる行を選択するように構成されている行駆動回路と、
選択された所定の行に含まれる上記アレイ素子に書込電圧を与える第1の列駆動回路と、
上記アレイに含まれる各列の、上記上部基板電極および上記駆動電極に上記駆動信号を与え、各列に含まれる上記アレイ素子に与えられる上記書込電圧に基づいて、EWODまたはDEPを利用して、各列に含まれる上記1個または複数の液滴を選択的に操作する第2の列駆動回路とを含んでいることを特徴とする請求項5または6に記載の装置。 - 上記アクティブマトリクス駆動回路は、
上記アレイに含まれる複数の列について、EWODのみを利用して上記1個または複数の液滴を操作し、
上記アレイに含まれる他の列について、選択的に、EWODまたはDEPを利用して上記1個または複数の液滴を操作することを特徴とする請求項5から7のいずれか1項に記載の装置。 - 上記アクティブマトリクス駆動回路は、任意の時点において、上記アレイに含まれる各行に対して、EWODまたはDEPによる駆動を個別に選択可能であるように構成されていることを特徴とする請求項5に記載の装置。
- 上記駆動信号は、直流信号および比較的低周波数の信号、比較的高周波数の信号、ならびに各信号の論理否定のうちの少なくとも1つであることを特徴とする請求項1から9のいずれか1項に記載の装置。
- 上記直流信号および当該信号の論理否定は、所定のアレイ素子の、上記上部基板電極および上記駆動電極に選択的に与えられ、直流EWODを利用して上記1個または複数の液滴を操作することを特徴とする請求項10に記載の装置。
- 上記比較的低周波数の信号および当該信号の論理否定は、所定のアレイ素子の、上記上部基板電極および上記駆動電極に選択的に与えられ、交流EWODを利用して上記1個または複数の液滴を操作することを特徴とする請求項10または11に記載の装置。
- 上記比較的高周波数の信号および当該信号の論理否定は、所定のアレイ素子の上記上部基板電極および上記駆動電極に選択的に与えられ、DEPを利用して上記1個または複数の液滴を操作することを特徴とする請求項10から12のいずれか1項に記載の装置。
- 上記アレイ素子は、大きなアスペクト比を有していることを特徴とする請求項1から13のいずれか1項に記載の装置。
- 上記アレイ素子は、共通の上部基板電極を有していることを特徴とする請求項1から14のいずれか1項に記載の装置。
- アレイ上の1個または複数の液滴を操作するように構成された複数のアレイ素子を含んでいるマイクロ流体装置を駆動する方法であって、
誘電体エレクトロウェッティング(EWOD:Electro-wetting-on-Dielectric)および誘電泳動(DEP:Dielectrophoresis)のそれぞれによって、上記1個または複数の液滴を操作するように、アクティブマトリクス駆動回路を利用して、上記1個または複数のアレイ素子に含まれる上記1個または複数の液滴に、直流電圧または比較的低周波数の交流電圧、および比較的高周波数の交流電圧を選択的に与える工程を含んでいることを特徴とする方法。 - ある時点においてEWODによって、かつ別の時点においてDEPによって、上記アレイの所定の部位における上記1個または複数の液滴を操作する工程を含んでいることを特徴とする請求項16に記載の方法。
- EWODを利用した上記アレイの一部分における上記1個または複数の液滴の中の複数個の液滴の操作と、DEPを利用した上記アレイの他の部分における上記1個または複数の液滴の中の他の液滴の操作とを同時に行なう工程を含んでいることを特徴とする請求項16または17に記載の方法。
- 上記アレイ素子は、M×Nアレイであり、
上記Mおよび上記Nは、2以上であり、
上記アクティブマトリクス駆動回路は、任意の時点において、上記アレイに含まれる各列に対して、EWODまたはDEPによる駆動を個別に選択可能であるように構成されていることを特徴とする請求項16から18のいずれか1項に記載の方法。 - 上記アクティブマトリクス駆動回路は、
上記アレイに含まれる行を選択するように構成されている行駆動回路と、
選択された所定の行に含まれる上記アレイ素子に書込電圧を与える第1の列駆動回路と、
上記アレイに含まれる各列に駆動信号を与え、各列に含まれる上記アレイ素子に与えられる上記書込電圧に基づいて、EWODまたはDEPを利用して、各列に含まれる上記1個または複数の液滴を選択的に操作する第2の列駆動回路とを含んでいることを特徴とする請求項19に記載の方法。
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