JP6496800B2 - アクティブマトリクスデバイス、コンピュータ、およびアクティブマトリクスデバイスの制御方法 - Google Patents
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Description
・ アレイ内で液滴の位置をモニターする。
・ 以前の液滴操作のいずれかが正確に実施されていることを検証する手法として、アレイ内で液滴の位置を決定する。
・ 液滴の構成に関する情報(例えば伝導率)を決定するために、液滴のインピーダンスを計測する。
・ 化学または生化学反応を検出または定量化するために、液滴のインピーダンス特性を計測する。
・ AM−EWODへ電圧およびタイミング信号を供給する。
・ AM−EWODから戻ったセンサデータを解析する。
・ メモリ内にプログラムされたデータおよび/またはセンサデータを記憶する。
・ 要求に応じてセンサキャリブレーション操作を行う。そして、メモリ内にセンサキャリブレーション情報を記憶する。
・ AM−EWODから受信したセンサデータを処理する。保存されたキャリブレーションデータに基づいた調整を行うことを含む。
・ センサ制御信号の電圧レベルおよびタイミングを調整および制御する。
・ 液滴操作を実行するために、デジタルまたはアナログデータをAM−EWODへ送信する。
・ 液滴操作を実行するために、デジタルまたはアナログデータをAM−EWODへ送信する。上記データの内容は計測されたセンサ出力データに依存する。
・ 計測されたセンサ出力データに従って、EW駆動電極に書き込まれた信号の電圧レベルを調整する。
・ 駆動回路は、AM−EWOD基板に集積されうる。1つの配置例を、図13に示す。EWODアレイ42の制御は、集積されたロウドライバ76およびカラムドライバ78回路により実行される。また、シリアルインターフェース80が、シリアル入力データストリームを処理するため、および、アレイ42に必要とされる電圧を書き込むために設けられうる。TFT基板72(図12)と外部駆動電子回路(電源等)との間の接続ワイヤ82の数は、アレイサイズが大きいものであるとしても、比較的少なくできる。
・ TFTを基にした電子回路は、AM−EWODアプリケーションに好適である。それらは安価に製造できるので、比較的広い基板エリアを比較的低コストで製造できる。
・ アクティブマトリクス制御アレイへTFTに基づくセンシングを組み入れることができる。例えば、US20080085559は、TFTに基づくアクティブマトリクスバイオセンサを記載している。そのバイオセンサは、片持ち梁に基づいたアレイを利用する。
・ アレイ素子回路85が、そのアレイ素子で存在するインピーダンスを計測するための機能を更に含む。
・ また、ロウドライバ76とカラムドライバ78との集積回路が、アレイ素子回路85に電圧信号を供給するように構成されており、インピーダンスセンサ機能の動作を制御できる。
・ カラム出力回路79が、アレイ素子回路85のインピーダンスセンサ機能からの出力電圧を測定するために設けられる。
・ スイッチトランジスタ68
・ 蓄積キャパシタCs 58
・ 結合キャパシタCc 146
・ ダイオード148
・ ダイオード202
・ トランジスタ94
アレイ素子回路85に設けられた接続は、以下である。
・ 同じカラムのアレイ素子回路85間に共有されるソースアドレス指定ライン62
・ 同じロウのアレイ素子回路85間に共有されるゲートアドレス指定ライン64
・ 同じロウのアレイ素子回路85間に共有されるセンサロウ選択ラインRWS104
・ 同じロウのアレイ素子回路85間に共有されるリセットラインRST108
・ 同じロウのアレイ素子回路85間に共有される第2リセットラインRSTB200
・ アレイ内の全アレイ素子回路85に共有の電源供給ラインVDD150
・ 同じカラムのアレイ素子回路85間に共有されるセンサ出力ラインCOL106。
1.インピーダンスデータの画像は、アレイ内の液滴4の空間位置を決定するために用いることができる。
2.インピーダンスデータの画像は、アレイ内の液滴4のサイズ(または体積)を決定するために用いることができる。
A.書き込みデータのフレーム書き込みに続いて、センサデータの画像を計測し、続いて書き込みデータの更なるフレームを書き込み、続いてセンサデータの更なる画像を計測する、というように、デバイスを操作することができる。
B.書き込みデータの複数フレームの書き込みに続いて、センサデータの単一画像を計測し、続いて書き込みデータの更なる複数フレームを書き込み、続いてセンサデータの更なる画像を計測する、というようにデバイスを操作することができる。
C.検知データが計測されるのと同時に、書き込みデータが書き込まれるように、デバイスを操作することができる。これは、アレイの所定のロウNにおける書き込み動作の実行と、アレイの異なるロウMにおける検知動作の実行とを同時に行うことで達成することができる。ロウドライバ76およびカラムドライバ78回路について、ロウの書き込みおよびロウの検知のために必要な時間が同じとなるように構成することで、アレイ内の全てのロウが一度に連続して書き込まれ異なる時間で検知されるようにできるので、特定のロウにおける書き込みおよび検知動作が決して同時とならないようにすることができる。
・ EW駆動電極152へプログラムされた電圧VWRITEは、検知動作を実行することで損なわれることはなく、センサロウ選択ラインRWS104上にセンサロウ選択パルスが印加されている間、短時間だけ乱されるのみである。
・ センサ機能を追加することによってEW駆動電極152への直流漏れ経路が追加発生しない。つまり、標準的なAM−EWODと同様に、トランジスタ68を通るEW駆動電極152に書き込まれる電荷の漏れ経路のみが存在する。
・ EW駆動電極152に高電圧を書き込むことが要求される場合、高電圧互換性のあることが特に要求される唯一のアクティブデバイスが、スイッチトランジスタ68である。特にデバイス94、148、および、202は、高電圧互換性であることは要求されない。これは、トランジスタ94がアナログ機能を有しており、ロバスト性(例えばLDD、GOLD、伸長、等)を向上するデバイスの工学技術が必要とされる場合に、性能が損なわれうるという点において、トランジスタ94に対して特に重要である。94、148、および、202を、標準的な低電圧デバイスとし得る回路配置は、これらのデバイスのレイアウトにおける設置面積を小さくすることができる点においても有利である。これは、アレイ素子サイズの物理的大きさをより小さなものとし、かつ/または、アレイ素子内に他の回路を含めるためのスペースを作りうる。
・ 回路部品を低電圧で動作させることで回路の生産性を改善させることができ、さらに、製品のロバスト性を向上させることができる。
・ n型トランジスタ206
・ アレイにおける全素子に共通の電源供給ラインVRST208。
・ p型トランジスタ205
・ n型トランジスタ206
・ アレイにおける全素子に共通の電源供給ラインVRST208。
・ リセット動作が実行される場合、図27、30および31のようにダイオードまたは単一スイッチトランジスタによりリセットが実行される場合よりも、検知ノード102が電源ラインVRST208上のリセット電位へ急速に放電される。これにより、検知ノード102がリセットされる電圧が素子毎にバラつくことを低減できる。
・ リセットラインRST108およびRSTB200に印加される論理信号の電圧レベルを同じにできる。これにより、第一の実施形態に比べ、駆動回路の設計を単純にできる。
・ アレイ素子回路85は、ダイオードを必要とすることなく実現される。これは、薄膜ダイオードが標準回路素子でないプロセスにおいて有利な場合がある。
・ スイッチトランジスタ68
・ キャパシタCs190
・ キャパシタCp192
・ 結合キャパシタCc146
・ ダイオード148
・ トランジスタ94
・ トランジスタ186
アレイ素子回路85gには、以下のような接続が設けられる。
・ 同じカラムのアレイ素子回路85g間に共有されるソースアドレス指定ライン62
・ 同じロウのアレイ素子回路85g間に共有されるゲートアドレス指定ライン64
・ 同じロウのアレイ素子回路85g間に共有されるセンサロウ選択ラインRWS104・ アレイ内の全アレイ素子回路85gに共有の電源供給ラインVSS184
・ 同じカラムのアレイ素子回路85g間に共有されるセンサ出力ラインCOL106。
・ トランジスタ196
・ キャパシタCs58
・ 結合キャパシタCc146
・ ダイオード148
・ トランジスタ202
・ トランジスタ94
・ 入力、出力、および、イネーブル端子を含む標準構成のSRAMセル194
アレイ素子回路には以下の接続が設けられる。
・ 同じカラムのアレイ素子回路85h間に共有されるソースアドレス指定ライン62
・ 同じロウのアレイ素子回路85h間に共有されるゲートアドレス指定ライン64
・ 同じロウのアレイ素子回路85h間に共有されうる、または、アレイ内の全素子に共有されうる他の代替実施例における、センサイネーブルラインSEN198
・ 同じロウのアレイ素子回路85h間に共有されるセンサロウ選択ラインRWS104・ 同じロウのアレイ素子回路85h間に共有されるリセットラインRST108
・ 同じロウのアレイ素子回路85h間に共有される第2リセットラインRSTB200・ アレイ内の全アレイ素子回路85hに共有の電源供給ラインVDD150
・ 同じカラムのアレイ素子回路85h間に共有されるセンサ出力ラインCOL106。
これは、図41に示すように、変更ロウドライバ回路76cを用いて、選択的な制御を行い、さらにアレイ素子回路85に駆動パルスRST、RSTBおよびRWSを印加することで達成される。さらに、変更カラム出力回路79bを用いて、インピーダンスセンサアレイ素子回路85のセンサ出力COLで出力電圧をサンプルおよび計測し、さらに、センサ出力データの所定のフレームに対して全数のアレイ素子のサブセットのみが計測されるな選択的な制御を行うことでも達成されうる。
(i)オフセット成分。当該オフセット成分は、各アレイ素子センサ出力について一定のオフセットである(すなわち、インピーダンスの値に独立である)。FPNのオフセット成分は、アレイの各素子に対して異なる値を仮定するパラメータKで示すことが可能である。
(ii)ゲイン成分。当該ゲイン成分に関しては、各アレイ素子センサ出力がゲインパラメータMを有しており、インピーダンスJの真の値は、J=MIの関係により実際に計測したIに関連している。ここで、ゲインパラメータMは、アレイの各素子に対して異なる値と想定される。
(1)一以上のキャリブレーション画像A(例えばA1、A2等)を取得する。なお、キャリブレーション画像Aは、各アレイ素子に存在する固定パターンノイズの背景の尺度となる。
(2)センサ画像Sを、第1の実施形態に記載されているような通常の方法で取得する。(3)キャリブレーションされたセンサ出力画像Cを、何らかの外部手段(例えば、センサ出力データを処理するコンピュータ318)により計算する。なお、キャリブレーションされたセンサ出力画像は、センサ画像およびキャリブレーション画像の関数、例えばC=f(A,S)である。
本発明は、イオン性液滴の位置、サイズおよび構成を検知するための、アレイに基づいた集積インピーダンスセンサを有するAM−EWODデバイスに関する。好適な画素回路構成として交流結合配置を利用することで、EW駆動素子にEW駆動電圧を書き込み、さらに、EW駆動素子でインピーダンスを検知することができる。
・ AM−EWODアレイ内の各アレイ素子でインピーダンスを計測することにより、アレイで液滴の位置を決定できる。
・ 特定の液滴のインピーダンスを計測することにより、その液滴のサイズを決定できる。従って、インピーダンスセンサ機能は、化学および/または生化学反応において用いられる流体の量を計るために用いることができる。
・ 各アレイ素子でインピーダンスを計測することにより、例えば液滴の移動、液滴の分割、容器からの液滴の作動など、流体プロトコルが正しく実行されているかを検証できる。
・ 回路技術を用いることにより、液滴の構成、例えば電気抵抗、に関する情報を決定できる。
・ アクティブマトリクスセンサ配置を利用することにより、アレイ内の数多くの点でほぼ同時にインピーダンスを計測することができる。
・ AM−EWOD駆動電子回路にセンサ駆動回路および出力増幅器を集積することにより、AM−EWOD駆動と外部駆動電子回路との間に形成されることが要求される少数の接続のみで、アレイ内の数多くの点でインピーダンスを計測することができる。これにより、アレイ内の各位置でのインピーダンスが個別に接続されなければならない従来のパッシブマトリクスセンサ配置と比べ、生産性が向上し、そして、コストが最小化される。
・ 集積化されたインピーダンスセンサの機能は、標準的なAM−EWODデバイスと比較すると、追加の処理工程または組み立てコストを殆どまたは全く必要としない。
・ 重要な性能を有する回路成分(performance-critical circuit)に関して、所定の小数のものだけが、EW駆動電圧について必要な程度の高電圧に耐えることが要求される。これは、レイアウト設置面積を減らし、信頼性を向上し、そして、回路性能を向上する。・ センサ機能を実行することが、EW駆動素子に書き込まれたEW駆動電圧を破壊せず、かつ、検知動作中の限られた時間内だけに影響を及ぼすのみであるように、センサ回路を構成することができる。
・ EW駆動素子に書き込まれたEW駆動電圧が、アレイ素子回路に追加されたセンサ構成を通るあらゆる直流漏れ経路によっても降下されないように、センサ回路を構成することができる。
4 液滴
6 接触角θ
8 固体−液体界面の表面張力
10 液体−気体界面の表面張力
12 固体−気体界面の表面張力
14 親水性表面
16 疎水性表面
18 表面上の液滴移動方向
20 絶縁層
22 導電性電極
25 下部基板
26 疎水性層
28 電極(上部基板)
32 スペーサ
34 非イオン性液体(油)
36 対向基板
38 電極−底部基板(複合電極(38Aおよび38B))
42 電極の2次元アレイ
44 液滴移動経路
46 絶縁層の静電容量(Ci)
47 中間ノード
48 液滴インピーダンスの容量成分 Cdrop
50 液滴インピーダンスの抵抗成分 Rdrop
52 液滴存在時のインピーダンス
54 セルギャップの静電容量に相当するキャパシタ Cgap
56 液滴不在時のインピーダンス
57 ディスプレイ画素回路の蓄積キャパシタ Cstore
58 キャパシタ Cs
60 液晶キャパシタンス
62 ソースアドレス指定ライン
64 ゲートアドレス指定ライン
66 書き込みノード
68 ディスプレイ回路のスイッチトランジスタ/本発明において同等に使用
70 対向基板 CP
72 TFT基板
74 薄膜電子回路
76 ロウドライバ
78 集積されたカラムドライバ
79 カラム出力回路
80 シリアルインターフェース
82 接続ワイヤ
84 タッチされている状態のLCキャパシタンス
85 アレイ素子回路
86 タッチされていない状態のLCキャパシタンス
90 指先またはタッチペン
92 液晶層
94 トランジスタ
98 参照キャパシタ Cs
100 LCキャパシタンス 2
102 検知ノード
104 センサロウ選択ライン RWS
106 センサ出力ライン COL
108 リセットライン RST
110 ダイオード
120 MOSキャパシタ
122 半導体物質
124 MOSキャパシタの特性
126 MOSキャパシタの静電容量(n型)
128 半導体物質
130 MOSキャパシタの特性(p型)
132 p+領域
134 低濃度ドープ領域
136 n+領域
137 アノード端子
138 カソード端子
140 ゲート端子
142 電気絶縁層
144 ゲートP−I−Nダイオード
146 結合キャパシタ Cc
148 ダイオード
150 電源 VDD
152 EW駆動電極
154 容量負荷素子
155 電位 VB
157 電位 VA
158 VA>VB時のゲートダイオードの働き
160 ゲートダイオードデバイスのチャネル
162 VB>VA時のゲートダイオードの働き
164 正のバイアス電圧 Vab
166 負のバイアス電圧 Vab
168 ゲートダイオードの静電容量の降下点
170 RST/RWS兼用ライン
172 バイアス供給 VBR
174 アノードとカソード接続時のゲートダイオードの静電容量を示す破線
176 逆バイアス電圧でのゲートダイオードの静電容量を示す点線
180 ロウ選択パルス列(多重パルス)
182 ロウ選択パルス列(単一パルス)
184 電源供給ライン VSS
186 p型トランジスタ T3
190 キャパシタ Cs
192 キャパシタ Cp
194 SRAMセル
196 トランジスタ 68
198 センサイネーブルライン SEN
200 リセットライン RSTB
202 ダイオード
204 RWS/RSTBライン
205 トランジスタ
206 トランジスタ
208 電源供給ライン VRST
302 センサ出力画像の画素
310 書き込まれたロウデータ
312 書き込まれていないロウデータ
314 検知されないアレイ部分
316 検知されるアレイ部分
318 コンピータ
320 センサタイミング概略図
322 キャリブレーションタイミング概略図
Claims (11)
- ロウおよびカラムに配置された複数のアレイ素子回路と、
対応する同一のカラムにおいて上記アレイ素子回路間で各々共有される複数のソースアドレス指定ラインと、
対応する同一のロウにおいて上記アレイ素子回路間で各々共有される複数のゲートアドレス指定ラインと、
対応する同一のロウにおいて上記アレイ素子回路間で各々共有される複数のセンサロウ選択ラインと、を備え、
上記複数のアレイ素子回路の各々は、
駆動素子による駆動電圧の印加により制御されるアレイ素子と、
上記駆動素子に上記駆動電圧を書き込むための書き込み回路と、
上記駆動素子で存在するインピーダンスを検知するための検知回路と、を備え、
上記書き込み回路は、上記複数のソースアドレス指定ラインと上記複数のゲートアドレス指定ラインとの中から、対応するソースアドレス指定ラインと対応するゲートアドレス指定ラインとに接続され、
上記検知回路は、センサロウ選択ラインを含み、さらに、
上記アレイ素子は疎水性セルであり、
上記疎水性セルは、疎水性が上記対応する駆動素子による上記駆動電圧の印加により制御される表面を有し、
上記対応する検知回路は、上記疎水性セルにより上記駆動素子で存在する上記インピーダンスを検知し、
上記複数のアレイ素子回路の各々に関して、
上記駆動素子は、上記疎水性セルと、上記書き込まれた駆動電圧を蓄積するキャパシタとの間にノードを含み、
上記対応するセンサロウ選択ラインは、上記キャパシタに接続され、
上記センサロウ選択ラインは、上記駆動素子で存在する上記インピーダンスを検知するために、上記ノードに少なくとも一つのパルスを上記キャパシタを経由して供給するために機能することを特徴とするアクティブマトリクスデバイス。 - 上記複数のアレイ素子回路の各々に関して、
上記書き込み回路が、上記駆動素子に書き込まれた上記駆動電圧に摂動を与えるように構成され、
上記検知回路は、上記駆動素子で存在する上記インピーダンスに依存する、上記駆動素子に書き込まれた上記駆動電圧の上記摂動の結果を検知するように構成され、
上記検知回路は、上記駆動素子で存在する上記インピーダンスに相当する値の出力信号を発生するための出力を含む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デバイス。 - 上記アクティブマトリクスデバイスは、対応する同一のカラムにおける上記アレイ素子回路間で各々共有される複数のセンサ出力ラインを含み、
上記複数のアレイ素子回路の出力は、対応するセンサ出力ラインに接続されることを特徴とする請求項1または2に記載のアクティブマトリクスデバイス。 - 上記複数のアレイ素子回路の各々において、上記検知回路が、上記駆動素子と交流結合されていることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載のアクティブマトリクスデバイス。
- 上記複数のアレイ素子回路の各々に関して、
上記検知回路は、上記駆動素子に交流結合された検知ノードを備え、
さらに、上記検知回路は、上記駆動素子で存在する上記インピーダンスを検知する前に、上記検知ノードで電圧をリセットするためのリセット回路を備え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デバイス。 - 上記アクティブマトリクスデバイスは、上記アレイ素子回路により共有される対向基板を備え、
上記駆動素子で存在するインピーダンスは、上記対応する駆動素子と上記対向基板との間のインピーダンスであることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載のアクティブマトリクスデバイス。 - 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デバイスに接続されたコンピュータであって、
上記アクティブマトリクスデバイスの上記検知回路内で計測された固定パターンノイズに基づいて、上記複数のアレイ素子内の上記検知回路からの出力をキャリブレーションするコンピュータ。 - 上記固定パターンノイズを上記検知回路からの上記出力から減算することで、キャリブレーションされた出力を提供することを特徴とする請求項7に記載のコンピュータ。
- 上記固定パターンノイズは、一またはそれ以上のキャリブレーション画像を計測することにより決定されることを特徴とする請求項7に記載のコンピュータ。
- 上記キャリブレーション画像は、上記アクティブマトリクスデバイスに上記アレイ素子の上記センサ機能を実行するための異なるタイミング信号を適用することにより取得されることを特徴とする請求項9に記載のコンピュータ。
- ロウおよびカラムに配置された複数のアレイ素子回路と、
対応する同一のカラムにおいて上記アレイ素子回路間で各々共有される複数のソースアドレス指定ラインと、
対応する同一のロウにおいて上記アレイ素子回路間で各々共有される複数のゲートアドレス指定ラインと、
対応する同一のロウにおいて上記アレイ素子回路間で各々共有される複数のセンサロウ選択ラインと、
上記複数のアレイ素子回路の各々に対応付けられ、疎水性が駆動電圧の印加により制御される表面を有するアレイ素子と、
駆動素子に上記駆動電圧を書き込むための書き込み回路と、
上記駆動素子で存在するインピーダンスを検知するための検知回路と、
を備えるアクティブマトリクスデバイスの制御方法であって、
上記書き込み回路は、上記複数のソースアドレス指定ラインと上記複数のゲートアドレス指定ラインとの中から、対応するソースアドレス指定ラインと対応するゲートアドレス指定ラインとに接続され、
上記検知回路は、センサロウ選択ラインを含んでおり、
上記複数のソースアドレス指定ラインと上記複数のゲートアドレス指定ラインとから、対応するカラムとロウを選択することで上記アレイ素子を指定するステップと、
上記指定されたアレイ素子に駆動電圧を印加するステップと、
上記指定されたアレイ素子の上記疎水性に基づくインピーダンスを検知するステップと、
上記検知されたインピーダンスを上記アレイ素子の外部に出力するステップと、
を有し、
上記アレイ素子は疎水性セルであり、
上記複数のアレイ素子回路の各々に関して、
上記駆動素子は、上記疎水性セルと、上記書き込まれた駆動電圧を蓄積するキャパシタとの間にノードを含み、
上記対応するセンサロウ選択ラインは、上記キャパシタに接続され、
上記センサロウ選択ラインは、上記駆動素子で存在する上記インピーダンスを検知するために、上記ノードに少なくとも一つのパルスを上記キャパシタを経由して供給するために機能することを特徴とするアクティブマトリクスデバイスの制御方法。
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