JP5282154B2 - アクティブマトリクス装置およびその駆動方法 - Google Patents
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Description
・EWOD制御モード:加熱素子が、液滴の移動を制御する構造の一部を形成する。従って上記液滴は当該アレイ素子上に移動することができる。
・加熱モード:加熱素子が、液滴を加熱するためのエネルギーを放出する。
・アレイ42の同一列内のアレイ素子に共通であり得る、列書き込みラインSL(列駆動回路78に由来する)
・アレイ42の同一行内のアレイ素子に共通であり得る、行選択ラインGL(行駆動回路76に由来する)
・n型スイッチトランジスタ83
・キャパシタ86
上記回路は以下のように接続される。同一列内の全てのアレイ素子に共通の列書き込みラインSLは、トランジスタ83のソースに接続される。同一行内の全てのアレイ素子に共通の行選択ラインGLは、トランジスタ83のゲートに接続される。トランジスタ83のドレインは、EW駆動電極38(ノード38として図示)に接続される。キャパシタ86は、EW駆動電極38とアースラインとの間に接続される。
・同一列内のアレイ素子に共通であり得る、列書き込みラインSL(列駆動回路78に由来する)
・同一行内のアレイ素子に共通であり得る、行選択ラインGL(行駆動回路76に由来する)
・n型スイッチトランジスタ102
・p型スイッチトランジスタ104
・第1のインバータ106
・第2のインバータ108
上記アレイ素子駆動回路は以下のように接続される。
・第1のアナログスイッチ132
・第2のアナログスイッチ134
・第3のアナログスイッチ136
・インバータ138
回路110は以下のように接続される。デジタル入力信号HEATSIGは、アナログスイッチ134の入力、インバータ138の入力、アナログスイッチ134のn型トランジスタのゲート、アナログスイッチ132のp型トランジスタのゲート、および、アナログスイッチ136のn型トランジスタのゲートに接続される。この回路ノードはHDと称される。インバータ138の出力は、アナログスイッチ132のn型トランジスタのゲート、アナログスイッチ134のp型トランジスタのゲート、および、アナログスイッチ136のp型トランジスタのゲートに接続されている。この回路ノードはHDBと称される。アナログスイッチ132の出力は、抵抗加熱素子38Dの端子Aに接続されているアナログスイッチ134の出力に接続されている。アナログスイッチ136の入力は、抵抗加熱素子38Dの端子Bに接続されている。アナログスイッチ136の出力は接地されている。
設定1:A=B=VEW
設定2:A=VEW、B=0V
設定3:A=B=0V
設定1では、第2のEW駆動電極38Dの入力AおよびBの両方が、高レベルの電圧VEWとなる。その結果、電極38Dにおいて電位エネルギーが降下されず、上記抵抗において熱という形でエネルギーが放出されない。同時に、加熱アレイ素子88内の標準駆動電極38も高レベルの電圧VEWにプログラムされてもよい。従って、標準EW駆動電極38および第2のEW駆動電極38Dは、高レベルの電圧VEWで組み合わさって、上記アレイ素子において液滴を駆動状態にする。設定3では、入力AおよびBの両方が、低レベルの電圧0Vとなる。従って、上記と同様に、第2のEW駆動電極38Dにおいて抵抗熱エネルギーは放出されない。設定3では、標準駆動電極38および第2のEW駆動電極38Dは、共に低レベルの電圧0Vにプログラムされ、上記アレイ素子において液滴を脱駆動状態にする。
・上記加熱素子は、上記液滴の近傍に位置し、絶縁体層20と、疎水面16を形成する層とのみによって分離されている。これらの層を合計した厚みは、典型的にはわずか数百ナノメートルであり、よって、加熱素子38Dと液滴4との間の熱抵抗は比較的小さい。これにより、高効率な加熱が促進される(上記放出された熱エネルギーが高い割合で液滴4を加熱するために使用される)とともに、該加熱は、熱時定数が比較的短いために迅速に行われ得る。
・上記加熱素子は、ITOによって好都合に実現されてもよい。この構成の利点は、透明である(上記液滴を光学的に観測するために有用)点、および、高効率な加熱素子を実現するために好都合な電気的抵抗値を有する点である。上記加熱素子は、典型的には、ヒータとして動作するよう設定されたときに有効な熱エネルギーを放出することができるよう十分に低く、一方、流れる電流が接続線において相当の電圧ドロップを生じるようあまり低くない電気的抵抗を有するよう設計される。典型的な薄膜エレクトロニクス処理によって蒸着されたITOのシート抵抗は、加熱素子の適切な抵抗を実現するために好都合な値(典型的には〜数Kオーム)を取る。
・以下を備える、SRAMセルからなるメモリ機能118。
・・同一列内のアレイ素子に共通であり得る、列書き込みラインSL(列駆動回路78に由来する)
・・同一行内のアレイ素子に共通であり得る、行選択ラインGL(行駆動回路76に由来する)
・・n型スイッチトランジスタ102
・・p型スイッチトランジスタ104
・・第1のインバータ106
・・第2のインバータ108
・以下を備える反転回路120
・・第1のアナログスイッチ114
・・第2のアナログスイッチ116
・・上記アレイ内の全ての素子に共通であり得る電圧供給V1
・・上記アレイ内の全ての素子に共通であり得る電圧供給V2
アレイ42内の加熱アレイ素子88は、図11において、入力AおよびBを接続する抵抗素子として示されているヒータ駆動電極38Dと、図6Cに例示され、本発明の第1の実施形態にて説明したアレイ駆動回路とを含んでいてもよい。
・上記メモリに対し論理値“0”が書き込まれた場合、0。
・上記メモリに対し論理値“1”が書き込まれた場合、V1−V2。
・以下を含む様々な利点を伴う、上記AM−EWODの高周波のACモードの動作が可能となる。
・・AC駆動スキームが、絶縁性の信頼度の向上を促進する。DC電界の作用下では、液滴4中のイオンは絶縁体層の誘電体を通過しやすいという欠陥があり、上記装置のピンホールを生じさせる。これは装置の故障を招き得る。高いAC周波数においては、移動性のイオンは、DC電界よりも振動にさらされやすいため、装置はこの故障方法の影響を受けにくい。
・・DC駆動スキームで動作するEWOD装置は、動作期間全体を通じたパフォーマンスの低下、すなわち、長期に亘り液滴の動きが緩慢になる現象を生じることが観測されている。この効果は、未だ完全には理解されていないが、上記絶縁体および/または疎水層の両極性に起因すると考えられている。AC駆動スキームで動作させることで、上記絶縁体および疎水層はDC電場の影響を受けないため、この効果を避けることができる。
・・AC駆動スキームは、理由は理解されていないが、液滴の運搬、溶解等の動作のためのダイナミクスの向上を促進することができる。
・上述のAC駆動の方法は、AM−EWODに関して特段の利点を有する。これは、上記TFTによって構成されるアナログスイッチ114および116によって切り替えられる最大電圧が、上記エレクトロウェッティング電圧に等しいもののみとなるためである。上記TFTに対する所定の最大定格電圧について、このことは、上部電極28が定電位に維持されるAC動作時よりも高いエレクトロウェッティング電圧を促進する。
設定1:(高レベルの)エレクトロウェッティング制御のために、加熱電極38Dおよび上部電極28間で高電圧が維持される。
設定2:ジュール加熱のために、加熱電極38Dの端子AおよびB間で電圧が維持される。
設定3:(低レベルの)エレクトロウェッティング制御のために、加熱電極38Dおよび上部電極28間で電圧ゼロが維持される。
・同一列内のアレイ素子に共通であり得る、列書き込みラインSL(列駆動回路78に由来する)
・同一行内のアレイ素子に共通であり得る、行選択ラインGL(行駆動回路76に由来する)
・n型スイッチトランジスタ83
・キャパシタ86
・キャパシタ128
・n型スイッチトランジスタ122
・n型スイッチトランジスタ124
・n型スイッチトランジスタ126
・加熱動作を制御するために用いられる、ヒータ許可ラインHEN
・ヒータ供給電圧入力ラインVA
・ヒータ供給電圧入力ラインVB
上記回路は以下のように接続される。
・EW駆動電極38および第2のEW駆動電極38Dの両者に対し、エレクトロウェッティング制御電圧を書き込む。
・EW駆動電極38に対し書き込まれた電圧を維持しながら、第2のEW駆動電極38Dにおいてジュール加熱を実行する。
6 接触角θ
16 疎水面
20 絶縁体層
26 疎水層
28 電極
32 スペーサ
34 非イオン液体
36 上部基板
38 駆動電極
42 電極アレイ
72 基板
74 薄膜電子回路
76 行駆動回路
78 列駆動回路
80 シリアルインターフェース
82 接続線
83 トランジスタ
84 標準アレイ素子
86 キャパシタ
88 加熱アレイ素子
90 VEWのEW駆動電極
92 0VのEW駆動電極
94 ヒータとしてのEW駆動電極
102 トランジスタ
104 トランジスタ
106 インバータ
108 インバータ
110 ヒータ制御回路
114 アナログスイッチ
116 アナログスイッチ
118 メモリ機能
120 反転回路
122 トランジスタ
124 トランジスタ
126 トランジスタ
128 キャパシタ
130 温度センサ
132 アナログスイッチ
134 アナログスイッチ
136 アナログスイッチ
138 インバータ
140 アナログスイッチ
Claims (24)
- 誘電体エレクトロウェッティング(EWOD:electrowetting on dielectric)装置であって、
アレイ上の1つまたは複数の液滴を操作するよう構成された複数のアレイ素子を備え、上記アレイ素子のそれぞれは、対応するアレイ素子駆動回路を含み、
各アレイ素子駆動回路は、
上部基板上に形成された上部基板電極、および下部基板上に形成された第1の駆動電極を含み、上記上部基板電極と上記第1の駆動電極との間に1つまたは複数の液滴を配置可能であり、
上記複数のアレイ素子間で上記1つまたは複数の液滴を移動させるために、上記第1の駆動電極に対し駆動電圧を選択的に与えるよう構成された回路をさらに含み、
上記複数のアレイ素子の少なくとも1つは、
上記下部基板上にさらに形成され、上記1つまたは複数の液滴が、上記少なくとも1つのアレイ素子の上記上部基板電極および上記第1の駆動電極に挟まれたとき、上記1つまたは複数の液滴を加熱するよう構成された加熱素子と、
上記加熱素子を制御するよう構成された回路と、を備え、
上記加熱素子は第2の駆動電極を含み、上記加熱素子を制御するよう構成された上記回路は、上記第2の駆動電極を、上記第2の駆動電極によって上記1つまたは複数の液滴に対し印加されるエレクトロウェッティング力を制御するために上記第2の駆動電極に駆動電圧が与えられる第1の動作モードと、上記第2の駆動電極に対し与えられる電圧によって、上記第2の駆動電極に、上記1つまたは複数の液滴を加熱するための熱エネルギーを放出させる第2の動作モードとの間で切り替えることを特徴とする装置。 - 上記第1の動作モードにおいて、上記加熱素子を制御するよう構成された上記回路は、上記第2の駆動電極を、上記第1の駆動電極と同じ電位に維持することを特徴とする請求項1に記載の装置。
- 上記第2の動作モードにおいて、上記加熱素子を制御するよう構成された上記回路は、抵抗熱エネルギーを発生させるために、上記第2の駆動電極内で電位差を生じさせることを特徴とする請求項2に記載の装置。
- 上記電位差は、上記第2の動作モードにおける加熱率を制御するために、パルス幅を変調させることを特徴とする請求項3に記載の装置。
- 上記電位差の値は、上記第2の動作モードにおける加熱率を制御するために変更されることを特徴とする請求項3に記載の装置。
- 上記第1の駆動電極に対し与えられる駆動電圧は、AC駆動スキームに従うことを特徴とする請求項1から5のいずれか1項に記載の装置。
- 上記複数のアレイ素子の上記少なくとも1つにおいて、上記第1の駆動電極は、上記第2の駆動電極の周囲を囲むように形成されることを特徴とする請求項1から6のいずれか1項に記載の装置。
- 上記第2の駆動電極は、上記第1の駆動電極のコーナーとの距離を最大化するために傾けられることを特徴とする請求項1から7のいずれか1項に記載の装置。
- 上記複数のアレイ素子の上記少なくとも1つは、複合的アレイ素子を含むことを特徴とする請求項1から8のいずれか1項に記載の装置。
- 上記複合的アレイ素子は近接するアレイ素子を含むことを特徴とする請求項9に記載の装置。
- 上記近接するアレイ素子の周囲を囲む第3の駆動電極をさらに含むことを特徴とする請求項10に記載の装置。
- 上記複合的アレイ素子内の上記加熱素子を制御するよう構成された上記回路は、上記複合的アレイ素子間で共有されることを特徴とする請求項9から11のいずれか1項に記載の装置。
- 上記複合的アレイ素子のそれぞれは、自身が含む上記加熱素子を制御するよう構成された個別の回路を含むことを特徴とする請求項9から11のいずれか1項に記載の装置。
- 上記加熱素子を制御するよう構成された上記回路は、上記第1の駆動電極に対する駆動電圧を選択的に与えるよう構成された上記回路と同じ書き込み機能性によって、制御電圧を受け取るよう構成され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。
- 上記複数のアレイ素子の上記少なくとも1つはさらに、温度センサを含む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。
- 上記温度センサは、上記加熱素子が上記温度センサと上記1つまたは複数の液滴との間に配置されるように、上記下部基板上に形成されることを特徴とする請求項15に記載の装置。
- 駆動電圧を選択的に与えるよう構成された上記回路と、上記加熱素子を制御するよう構成された上記回路とのうち少なくとも1つの全てまたは一部は、上記下部基板上に形成されることを特徴とする請求項1から16のいずれか1項に記載の装置。
- 駆動電圧を選択的に与えるよう構成された上記回路と、上記加熱素子を制御するよう構成された上記回路とのうち少なくとも1つの全てまたは一部は、上記下部基板から離れて形成されることを特徴とする請求項1から16のいずれか1項に記載の装置。
- 誘電体エレクトロウェッティング(EWOD:electrowetting on dielectric)装置の駆動方法であって、
上記EWOD装置は、
アレイ上の1つまたは複数の液滴を操作するよう構成された複数のアレイ素子を備え、上記アレイ素子のそれぞれは、対応するアレイ素子駆動回路を含み、
各アレイ素子駆動回路は、
上部基板上に形成された上部基板電極、および下部基板上に形成された第1の駆動電極を含み、上記上部基板電極と上記第1の駆動電極との間に1つまたは複数の液滴を配置可能であり、
上記複数のアレイ素子間で上記1つまたは複数の液滴を移動させるために、上記第1の駆動電極に対し駆動電圧を選択的に与えるよう構成された回路をさらに含み、
上記複数のアレイ素子の少なくとも1つは、
上記下部基板上にさらに形成され、上記1つまたは複数の液滴が、上記少なくとも1つのアレイ素子の上記上部基板電極および上記第1の駆動電極に挟まれたとき、上記1つまたは複数の液滴を加熱するよう構成され、第2の駆動電極を備える加熱素子と、
上記第2の駆動電極に対し駆動電圧を与えるよう構成された回路と、を含み、
上記方法は、
上記第2の駆動電極を、上記第2の駆動電極によって上記1つまたは複数の液滴に対し印加されるエレクトロウェッティング力を制御するために上記第2の駆動電極に駆動電圧が与えられる第1の動作モードと、上記第2の駆動電極に対し与えられる電圧によって、上記第2の駆動電極に、上記1つまたは複数の液滴を加熱するための熱エネルギーを放出させる第2の動作モードとの間で切り替える工程を含むことを特徴とする方法。 - 上記第1の動作モード中、上記第2の駆動電極を、上記第1の駆動電極と同じ電位に維持する工程を含むことを特徴とする請求項19に記載の方法。
- 上記第2の動作モード中、抵抗熱エネルギーを発生させるために、上記第2の駆動電極内で電位差を生じさせる工程を含むことを特徴とする請求項20に記載の方法。
- 上記第2の動作モードにおける加熱率を制御するために、上記電位差のパルス幅を変調する工程を含むことを特徴とする請求項21に記載の方法。
- 上記第2の動作モードにおける加熱率を制御するために、上記電位差の値を変更する工程を含むことを特徴とする請求項21に記載の方法。
- 上記第1の駆動電極に対し与えられる駆動電圧は、AC駆動スキームに従うことを特徴とする請求項19から23のいずれか1項に記載の方法。
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