JP6648194B2 - 注入時に液滴を予備帯電する微小流体装置及びその操作方法 - Google Patents

Description

本発明は、アクティブマトリックス式誘電体上エレクトロウェッティング（ＡＭ−ＥＷＯＤ）デジタル微小流体装置のような、液滴駆動操作を行う微小流体装置に関し、特に、装置の性能と信頼性を改善するために、アレイに注入された液滴の電位を制御することに関する。

誘電体上エレクトロウェッティング（ＥＷＯＤ）は、電界を掛けることによって流体の液滴を駆動する、よく知られた技術である。従来のＥＷＯＤ装置の構造が、図１の断面図に示されている。図示されるように、ＥＷＯＤ装置は、下部基板３０、下部基板３０に対向配置される上部（トップ）基板３６を含んでおり、上部（トップ）基板３６は、流体ギャップ３５を構成するために、スペーサ３２によって下部基板３０から離間している。

導電性材料が下部基板３０上に形成されて、例えば、第１下部電極３８Ａと第２下部電極３８Ｂとして図１に示されるように、個々にアドレス可能な複数の下部電極３８を形成するためパターニングされる。下部基板３０上には、下部電極３８を覆って絶縁体層２０が形成され、さらに、絶縁体層を覆って下部疎水性コーティング１６が形成される。疎水性コーティングは疎水性材料から形成されている。疎水性材料は一般的にフッ素ポリマーであるが、必ずしもそうである必要はない。上部（トップ）基板３６上には、導電性材料が形成され、共通参照電極２８として働く。共通参照電極２８を覆って上部疎水性コーティング２６が形成される。オプションとして、追加絶縁体層（図示されない）が共通参照電極２８と上部疎水性コーティング２６との間に挿入され得る。

流体ギャップ３５には、油のような非極性のフィラー流体３４と液体の液滴４が充填される。通常、水及び／又はイオン性流体である液体の液滴４は、有極性材料を含み、下部疎水性コーティング１６と上部疎水性コーティング２６の双方に接している。液体の液滴４とフィラー流体３４の界面は、下部疎水性コーティング１６に対する接触角Θ６を有する。

動作時には、ＥＷＯＤ技術によって、液体の液滴４が流体ギャップ３５内を動くように駆動するための電圧信号が、下部電極３８及び共通参照電極２８に印加される。典型的には、下部電極３８は、アレイ又はマトリックスを構成するようパターン化される。ここでアレイのそれぞれの素子は、個々にアドレス可能な下側電極３８からなる。その結果、ＥＷＯＤ装置の流体ギャップ２５中を、複数の液滴がそれぞれ独立に移動するように制御し得る。類例的なＥＷＯＤ装置は以下に説明されている。

米国登録第６５６５７２７号公報（Ｓｈｅｎｄｅｒｏｖ，２００３年５月２０日発行）は、液滴を動かすためのパッシブ型アレイを備えたＥＷＯＤ装置を開示する。

米国登録第６９１１１３２号公報（Ｐａｍｕｌａ，２００５年６月２８日発行）は、２次元での液滴の位置と動きを制御する２次元アレイを備えたＥＷＯＤ 装置を開示する。

米国登録第８８１５０７０号公報（Ｗａｎｇ他，２０１４年８月２６日発行）には、液滴の位置と動きを制御する、多数の微小電極が使用されたＥＷＯＤ装置が記載されている。

米国登録第８１７３０００号公報（Ｈａｄｗｅｎ ｇ他，２０１２年５月８日発行）は、共通参照電極へＡＣ電圧信号を印加する手段によって、信頼性が改善されたＥＷＯＤ装置を開示する。

アクティブマトリックス式ＥＷＯＤ（ＡＭ−ＥＷＯＤ）とは、アレイの各素子中にトランジスタを組み込んだアクティブマトリックスアレイ中でＥＷＯＤを実現することをいう。例えば薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）であり得るトランジスタは、アレイの各素子中に、下部電極に印加する電圧信号を制御する電気回路を形成する。

米国登録第７１６３６１２号公報（Ｓｔｅｒｌｉｎｇ他，２００７年１月１６日発行）には、アクティブマトリックス式ディスプレイ技術において実施されているものに非常に類似した回路配置を利用することにより、いかにＴＦＴベースの薄膜エレクトロニクスが、ＥＷＯＤアレイへの電圧パルスのアドレスの制御に用いられ得るかについて記載されている。

米国登録第８６５３８３２号公報（Ｈａｄｗｅｎ他，２０１４年２月１８日発行）は、アレイ中のそれぞれの素子が、下部電極に印加する電圧信号の制御と、電極上での液体の液滴の有無のセンシングとを行う回路を含んでいる、ＡＭ−ＥＷＯＤ装置を開示する。

ＥＷＯＤ装置動作のある特定の例に関して、米国登録第８７０２９３８号公報（Ｓｒｉｎｉｖａｓａｎ他、２０１４年４月２２日発行）には、トップ基板の穴を通じて流体が注入されるＥＷＯＤカートリッジを記載されている。米国登録第９２３８２２２号公報（Ｄｅｌａｔｔｒｅ他、２０１６年１月１９日発行）には、液滴に隣接するバブルの発生を抑えることについて記載されている。こうしたバブルの発生を防ぐために、液滴の操作の間、液滴と電気的グラウンド間には、実質的に一貫した接触が維持される。同様に米国登録第９０１１６６２号公報（Ｗａｎｇ他、２０１５年４月２１日発行）は、液滴が、グラウンド又は参照電極に対して連続的な接触もしくは高頻度な接触を維持することが望ましいことを教示する。

液滴の電位とエレクトロウェッティング電位、及び疎水性コーティングにより形成されたトップ基板絶縁体を跨ぐ電位は、電気的にモデル化することができる。液体の液滴の領域では、トップの疎水性コーティング層を跨ぐ電位差は、対応する素子電極に加えられた電圧、別の共通参照電極に加えられた電圧、及び装置中の素子アレイの各素子内に形成されたキャパシタのキャパシタンスと関係がある。そのような電位差は、ここでＶ_０とするＤＣオフセットに影響される。それは、液滴が装置内に注入される時の、液体の液滴の初期電位に対応する。

電位Ｖ_０は、液滴が装置にどのように注入されるかに依存する。液滴の注入は、例として、流体室や別の微小流体装置などから、ユーザによって（例えばピペットで）行なわれるかもしれない。Ｖ_０を制御する特定の手段がない状態で、トップの疎水性層を跨ぐ電位は多様であり、特に、例えば、注入穴に液滴を入れるために使用される非導電性構造の性質、ユーザのピペット技術、及び／又は、外部の静電気環境（大気の湿度などの要因を含む）に依存するだろう。

ＤＣオフセット電圧Ｖ_０のレベルが望まぬ値であれば、このことが様々な有害な影響を及ぼし得る。例えば、そのような望まぬＶ_０値は、トップ基板の絶縁体又は疎水性層のダメージ（例えば、バブルや絶縁破壊）を発生させ得るような、液滴とトップ基板電極との間の望まぬＤＣオフセット電位に帰着するかもしれない。さらに、望まぬＶ_０値は、液滴とボトム基板電極との間の大きなＤＣオフセット電位に帰着するかもしれない。それは、破滅的な装置故障が生じるような、絶縁体層の絶縁破壊によるダメージを引き起こす。さらに、このような望まぬＶ_０値は、液滴とＴＦＴ基板電極との間のＤＣ電位を、装置が動作するよう設計されているような低減した値にまで、相殺し得る。このことは、次には、エレクトロウェッティング駆動力の減少によって、性能を低下させるかもしれない。それは、例えば不十分もしくは信頼性に欠ける液滴の分割／分配、及び／又は、液滴のより低下した移動速度をもたらし得る。例えば、トップ電極とＴＦＴ電極電位の間にＤＣ電圧が存在する場合に、このことが起こるかもしれない。本願発明は、ＤＣオフセット電圧Ｖ_０が望まぬ値になることを回避するように、構成し操作することによって、これら課題を解決する。

（発明の要約）
本願発明は、ＤＣオフセット電圧Ｖ_０の望まぬ値を回避するＥＷＯＤ装置、特にＡＭ−ＥＷＯＤ装置のための、改善された構成に関する。上述のとおり、本願発明のＥＷＯＤ装置では、ＤＣオフセット電圧Ｖ_０の望まぬ値を回避するように、構成及び操作される。

こうした結果を実現するために、そこから液滴が形成される注入流体リザーバは予備帯電され、水溶性液体のリザーバのＥＷＯＤ装置カートリッジへの入り口の場所で、規定の又はプリセットされたＤＣ電位（Ｖ_０）を持つようにされる。規定の又はプリセットされたＤＣ電位は、トップ基板層を跨ぐ平均の電圧を最小限にするために、適切に選択される。従って、ＥＷＯＤ装置は、１以上の流体注入について、予備帯電する流体注入構造を組込むように構成される。下部及び上部疎水性コーティングが高品質で、その結果実質的に電気絶縁しているＥＷＯＤ装置では、本願発明の制御なしでは、流体ギャップ中のリザーバのＤＣ電位は、不適当な任意の値を有し得る。このことはデメリットとなる。というのは、不適当なＤＣ電位は、エレクトロウェッティング電位及び装置が液滴を駆動する能力を低下させるような、下部基板電極と液滴との間の電位差の減少をもたらすかもしれないし、装置の信頼性を損なうような、液滴とトップ基板との間の望まぬＤＣオフセット電位をもたらすかもしれないからである。発明者らは、液滴が生成される流体リザーバを、注入時に、プリセットされたＤＣ電位に予備帯電することで、これらの潜在的なデメリットが解消し得ることを見出した。

ＤＣ液滴電位Ｖ_０が適切に選択されたこのような構成により、本願発明は上記の問題を解決する。類例的な実施例では、トップ基板電極と液体リザーバの間のＤＣ電位がゼロ、あるいは０近くとなることを、トップ基板電極の結果的な電位が典型的には保証できるように、また、エレクトロウェッティング電圧が最大化されるように、Ｖ_０の適切な値が選択され得る。上記背景の欄で述べられた従来の配置では（例えば特に米国登録第９２３８２２号及び米国登録第９０１１６６２号を参照）、特に、液滴が接地又は参照電極に対して連続的な接触もしくは高頻度な接触を維持することで、性能が改善することが教示されている。本願発明は異なるように動作する。注入からは離れた、複数の基板により定義されたギャップ中で、初期流体リザーバから生成された液滴が、ＤＣ電位に対して電気的な接続を有しないように、装置は構成される。本願発明はさらに、流体リザーバが液体入力構造中にあるときに、ＤＣ電位を規定の又はプリセットされた初期状態にセットする構成を有する。このように、Ｖ_０は、選択された適切な開始電位でセットされる。一旦、流体リザーバ若しくはそこから引き出された液滴が、例えば流体入力構造から液滴を移動させたり、分配／分割させたりすることにより流体注入構造から離れれば、液滴はフローティングＤＣ電位となる。

よって、発明の一態様は、予備帯電する流体リザーバのための予備帯電構造を有している誘電体上エレクトロウェッティング（ＥＷＯＤ）である。実施形態において、ＥＷＯＤ装置は以下の構成を含む。第１基板とそれに対向する第２基板を有し、それらは基板間のギャップを規定し、各基板はギャップに面する絶縁性の表面を含み、ギャップ中での液体の液滴の操作のために駆動できる複数の個々の素子で構成される素子アレイを有し、それぞれの個々の素子は駆動電圧が印加される複数の電極素子を含み、予備帯電構造がギャップと流体との連絡路を有する管路を含んで、液体の液滴発生のための液体リザーバを受け取るように構成され、予備帯電構造が管路に対し電気的に露出する電気素子を含む。電気素子は、流体リザーバを管路内で予備帯電させ、管路から空間的に離れた液滴を含むギャップ部分は、電気素子から電気的に隔離されており、これにより、ギャップ部分内に位置するとき、液滴は浮遊電位である。

予備帯電構造は、ギャップと流体との連絡路における注入管路を定義する注入構造を含んでいてもよく、注入管路は、流体リザーバの注入を受け付けるように構成された管路であり、電気素子は、注入管路に露出した複数の電極素子の電極の一部を含む。

本発明の他の局面は、誘電体上エレクトロウェッティング（ＥＷＯＤ）装置の向上した操作方法である。この方法は、ＥＷＯＤ装置によって定義される管路を介してＥＷＯＤ装置に流体リザーバを注入する工程と、注入流体リザーバが管路内にあるうちに、電気素子により流体リザーバを予備帯電する工程と、ＥＷＯＤ装置に駆動電圧を掛けて流体リザーバから液滴を生成する工程と、液滴をＥＷＯＤ装置によって定義されたギャップに移動させる工程とを包含し、液滴を、電気素子から電気的に隔離されたギャップ部分に移動させ、液滴が当該ギャップ部分に位置するときに、液滴を浮遊電位にしてもよい。

例示的な一実施形態において、予備帯電する工程中、流体リザーバの電位は参照電極の電位に初期化され、駆動電圧のＡＣ信号遷移において、液滴と参照電極との間の電位差は、ＡＣ信号遷移の第１段階中はゼロであり、ＡＣ信号遷移の第２段階中は負のオフセットである。他の例示的な実施形態において、予備帯電する工程中、流体リザーバの電位は参照電極に関連してオフセットの電位に初期化され、駆動電圧のＡＣ信号遷移において、液滴と参照電極との間の電位差は、ＡＣ信号遷移の第１段階中は正のオフセット値を有し、ＡＣ信号遷移の第２段階中は負のオフセット値を有している。

上述した関連する目的を達成するために、本発明は以下に十分に記載され、かつ、特に請求の範囲において特定された特徴を含む。以下の説明及び 添付の図面は、本発明の特定の実施形態の詳細を示している。しかしながら、これらの実施形態は、本発明の本質において使用する種々の方法のうちのごくわずかを示している。本発明の他の目的、利点及び新規の特徴点は、図面と組み合わせて考慮される本発明の以下の詳細な説明から明らかになるであろう。

本発明者らは、従来の構成に考えられる上述した欠点を、注入時に注入流体リザーバをＤＣ電位Ｖ_０に予備帯電することにより解決することを実現している。Ｖ_０の適切な値は、トップ基板電極と液体流体リザーバとの間のＤＣ電位がゼロになる、又はゼロに近くなり、かつエレクトロウェッティング電圧が最大となることを、トップ基板電極の結果電位が典型的には確実にするような値を選択してもよい。装置はさらに、流体ギャップが注入流体リザーバから離れているとき、液滴がＤＣ電位に電気的な接続を有さないように構成されている。注入流体リザーバを適切なＶ_０に予備帯電することによって、液滴の望ましいＤＣオフセットからの逸脱は最小限であり、それ故に駆動電圧は最適化され、上述した悪影響を避けることができる。

添付の図面において、同様の参照符号は同様の部分又は特徴を示している。
従来のＥＷＯＤ装置の断面模式図を示す図である。 ＥＷＯＤ装置の従来構造を示す図である。 追加の絶縁体層を有するＥＷＯＤ装置の他の従来構造を示す図である。 ＥＷＯＤ装置及び制御システムの例を示す図である。 ＥＷＯＤ装置の電気モデルの例を示す図である。 典型的な液滴駆動操作に関連する電気的性質を説明する一式の方程式を示す。 ＥＷＯＤ装置と、装置の操作に関連する適切な電圧パラメータとを示す図である。 本発明の第１実施形態のＥＷＯＤ装置の例を示す図である。 本発明の第２実施形態のＥＷＯＤ装置の例を示す図である。 本発明の第３実施形態のＥＷＯＤ装置の例を示す図である。 本発明の第４実施形態のＥＷＯＤ装置の例を示す図である。 本発明の第４実施形態の変形例のＥＷＯＤ装置の例を示す図である。 本発明の第５実施形態のＥＷＯＤ装置の例を示す図である。 本発明の第５実施形態の変形例のＥＷＯＤ装置の例を示す図である。 本発明の第６実施形態のＥＷＯＤ装置の例を示す図である。 液滴リザーバの予備帯電と組み合わせて、駆動電圧を掛ける選択的な方法を示す図である。 液滴リザーバの予備帯電と組み合わせて、駆動電圧を掛ける選択的な方法を示す図である。

本本発明の実施形態について図面を参照してここに説明し、実施形態を通して同様の参照番号は同様の要素に関して使用する。図面のスケールは必然ではないことは理解されるだろう。

例示的なＥＷＯＤ装置２００の構造を図２に示す。例示的なＥＷＯＤ装置は、第１基板２３０、第２基板２３６、及びこれら２つの基板の間に位置し、流体ギャップ２３５を形成するスペーサ２３２を含み得る。第１基板２３０は、一式の素子電極２３８、絶縁体層２２０、及び第１疎水性コーティング層２１６を含む。 第２基板２３６は、第２共通参照電極２２８及び第２疎水性コーティング層２２６を含む。本実施形態及び他の全ての実施形態において選択的に、図２Ｂに示すように、電極２２８と疎水性コーティング２２６との間に追加の絶縁体層９９９も設けてもよい。

流体ギャップには、フィラー流体２３４及びＥＷＯＤ装置内で動かされ得る液滴２０４が充填されている。ＥＷＯＤ装置２００は、素子２９２Ａ〜２９２Ｆのような素子アレイ２９０を含み得る。素子アレイ２９０の各素子２９２Ａ〜２９２Ｆは、一式の素子電極２３８からの素子電極２３９と、第２共通参照電極２２８の一部とを含んでいてもよい。液滴２０４は、例えば、図２の例示の形態における素子２９２Ｂから２９２Ｅまでのように、素子アレイにおける素子２９２Ａ〜２９２Ｆのサブセットに対応する流体ギャップを塞いでもよい。

第１基板２３０及び第２基板２３６は、ガラスのような透過性絶縁材料により形成されていてもよい。一式の素子電極２３８の素子電極２３９及び第２共通参照電極２２８を形成するために用いる導電材料は、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）のような透過性導電体であってもよい。絶縁体層２２０は、窒化珪素又は二酸化珪素のような無機絶縁体であってもよい。層及び構造は、例えばＬＣＤ産業において一般的なフォトリソグラフィのような、標準的な製造技術を用いて基板上に形成することができる。疎水性層２１６及び２２６の疎水性材料は、フッ素ポリマーであり得る。フィラー流体２３４は、油のような非極性材料であり得る。液滴２０４は、水溶性及び／又はイオン性流体であり得る。液滴２０４の導電率は、フィラー流体２３４よりも実質的に高くてもよい。

図３に示すように、図２のＥＷＯＤ装置は、ハードウェア制御装置３１０及び処理装置３２０と連動する微小流体システムの一部として用いられ得る。ハードウェア制御装置３１０は、一式の素子電極２３８における各素子電極２３９に掛ける電圧信号を生成する信号生成ユニット３１２を含む。好ましい実施形態において、例えば、薄膜トランジスタを用いて第１基板２３０上に統合されたＥＷＯＤ装置内の回路は、信号生成ユニットにより供給された電圧信号をデコードし、一式の素子電極２３８における各素子電極２３９に掛ける電圧信号を生成してもよい。そのような回路は、例えばＵＳ８６５３８３２（Ｈａｄｗｅｎら、２０１４年２月１８日発行）に記載されているように、公知である。代替として、当該技術分野において公知のように、信号生成ユニット３１２は、素子電極に直接電圧信号を掛けてもよい。

例示的な実施形態において、ハードウェア制御ユニット３１０は、選択的に、液滴位置検出器３１４を含んでいてもよく、これにより素子アレイ２９０上の液滴２０４の位置、大きさ、形を検出する。好ましい実施形態において、ＥＷＯＤ装置２００の素子アレイ２９０の各素子２９２内の回路は、素子電極２３９と第２共通参照電極２２８との間のキャパシタンスを測定するために用いてもよい。そのような回路は、例えばＵＳ８６５３８３２（Ｈａｄｗｅｎら、２０１４年２月１８日発行）に記載されているように、公知である。そのような態様において、液滴位置検出器３１４は、上記検出回路の操作を制御する信号を生成してもよく、また、検出回路により生成した信号を処理し、素子アレイを跨ぐ液滴２０４の位置、大きさ及び形のマップを生成してもよい。代替的に、当該技術分野で公知なように、液滴位置検出器３１４は、素子アレイにおける各素子のキャパシタンスを直接測定してもよい。代替的に、当該技術分野において公知なように、液滴位置検出器３１４は、光学的結像システムであってもよく、画像処理器を含み、素子アレイを跨ぐ液滴の位置のマップを生成してもよい。

処理ユニット３２０は、パターン生成ユニット３２２、検出データ分析ユニット３２４、記憶ユニット３２６（例えば、コンピュータ読み取り可能な非一過性記録媒体）、及び操作スケジューラ３２８を含む。パターン生成ユニット３２２は、ＥＷＯＤ装置の操作の特定の１サイクルの間に駆動されるアレイ中の素子のマップである、駆動パターンを生成する。パターン生成ユニット３２２は信号生成ユニット３１２と通信し、上述したように駆動パターンを電圧信号に変換する。位置検出器３１４を含む実施形態において、検出データ分析ユニット３２４は、液滴位置検出器３１４と通信し、ＥＷＯＤ装置２００における個々の液滴２０４を同定及び追跡するために、液滴位置検出器により生成したマップを処理してもよい。記憶ユニット３２６は、例えば、所望の効果を達成するためのＥＷＯＤ装置２００における液滴２０４の操作のように、どのように流体操作を行うかが定義された一連の駆動パターンを保管する。記憶ユニット３２６は、さらに、流体操作のライブラリにおける識別可能な流体操作の範囲のための上述した駆動パターンを保管する。さらにまた、記憶ユニット３２６は、所望の流体プロトコルを実行するために、ＥＷＯＤ装置において実行する所定の流体操作の一式を保管する。操作スケジューラ３２８は、検出液滴分析ユニット３２４の状態を監視し、さらに、一連の駆動パターン、流体操作のライブラリ、及び記憶ユニット３２６に保管された流体操作のセットに基づく駆動パターンを生成するようにパターン生成ユニット３２２を制御することによって、所望の流体プロトコルを実行する。

例示的なＥＷＯＤ装置の電気的モデルは、２０１７年４月４日に出願された、出願人の同時継続出願番号１５／４７８，７５２にその詳細が記載されており、参照としてその全体をここに組み込む。そのような電気的モデルの詳細は以下を含む。

図４は、図２に示す例示形態のためのＥＷＯＤ装置２００の電気回路モデルを表している。素子アレイの各素子２９２Ａ〜２９２Ｆは以下を含む：
第２共通参照電極２８０の抵抗に相当する抵抗Ｒ_Ｅ２４０５；
第２疎水性コーティング層２２６（又は後方に存在する場合、追加の絶縁体９９９と直列の第２疎水性層２２６）のキャパシタンスに相当するキャパシタＣ_ＨＣ２４１０；
第１疎水性コーティング層２１６のキャパシタンスに相当するキャパシタＣ_ＨＣ１４２５；
絶縁体層２２０のキャパシタンスに相当するキャパシタＣ_ＩＮＳ４３０；及び、
素子電極２３９の抵抗に相当する抵抗Ｒ_Ｅ１４３５。

液滴２０４の位置に対応する素子のサブセット中のこれらの素子は、液滴２０４の抵抗及びキャパシタンスにそれぞれ相当する抵抗Ｒ_ＬＤ４１７及びキャパシタＣ_ＬＤ４２２を追加で含む。液滴２０４の位置に対応する素子のサブセット中の素子の数を、ｎで示す。液滴の位置に対応しないこれらの素子は、フィラー流体２３４の抵抗及びキャパシタンスにそれぞれ相当する抵抗Ｒ_ＦＦ４１５及びキャパシタＣ_ＦＦ４２０を追加で含む。第１疎水性コーティング層の表面における液滴の電圧を、Ｖ_ＬＤ１で示す。第２疎水性コーティング層の表面における液滴の電圧を、Ｖ_ＬＤ２で示す。典型的な操作状況下において、液滴の導電率は、電圧Ｖ_ＬＤ１及びＶ_ＬＤ２を同じと想定し、Ｖ_ＬＤで表すようにする。駆動電圧Ｖ_ＡＣＴは、液滴２０４と素子電極２３９との間の電位差、例えばＶ_ＡＣＴ＝Ｖ_ＬＤ−Ｖ_{Ｅ１（ｎ）}として定義される。エレクトロウェッティング技術を用いた液滴駆動のために、エレクトロウェッティング駆動電圧（以下、エレクトロウェッティング電圧と略する）の大きさは、エレクトロウェッティング閾値電圧Ｖ_ＥＷの大きさよりも大きく、例えば｜Ｖ_ＡＣＴ｜＞｜Ｖ_ＥＷ｜でなければならない。

液滴２０４の範囲において、第２疎水性コーティング層２２６（又は、より後方に存在する場合には、第２疎水性層と追加の絶縁体層９９９との一連の組み合わせ）を跨ぐ電位差ΔＶ_ＨＣ２は、対応する素子電極２３９に掛ける電圧、第２共通参照電極２２８に掛ける電圧、及び素子アレイ２９０の各素子２９２内に形成されたキャパシタのキャパシタンスに関連する。ΔＶ_ＨＣ２は、図５に与えられた一式の方程式により特徴付けられる。一式の方程式における記号は、液滴の初期電位であるＶ_０に関する上述した説明に対応している。第２疎水性コーティング層を跨ぐ電位差ΔＶ_ＨＣ２は、それゆえに、液滴の初期電位Ｖ_０と、液滴の範囲に対応する一式の第１電極２３８の素子電極２３９のサブセットに掛ける電圧Ｖ_{Ｅ１（ｎ）}の合計とに基づく。

本発明の目的は、注入流体リザーバのＤＣオフセット又は初期液滴電位Ｖ_０をセットするための装置構成及び制御方法を提供することである。例示的な実施例において、液体リザーバのＤＣオフセットＶ_０は、第２疎水性コーティング層を跨ぐ電位差ΔＶ_ＨＣ２が原則的にゼロになるように、基本的にあらかじめセットされている。この状況は、図６において特徴付けられ、駆動電極Ｖ_ＡＣＴ及び第２疎水性コーティング層を跨ぐ電位差ΔＶ_ＨＣ２と同様に、液滴電圧Ｖ_ＬＤ及び駆動電極におけるエレクトロウェッティング電圧Ｖ_ＥＷが示されている。本発明の理念に基づき予めセットされたＤＣオフセット電圧Ｖ_０と共に、Ｖ_ＡＣＴ［＝（Ｖ_ＥＷ−Ｖ_ＬＤ）］はおおよそＶ_ＥＷであり、ΔＶ_ＨＣ２はおおよそ０Ｖである。図６の描写において、説明の便宜上、装置の構成要素の一部にのみ符号を付した。

従来の装置においては、疎水性コーティング１６及び２６の質が粗悪であることも多い。そのような状況においては、特にトップ疎水性コーティング２６と参照電極２８との間に、電気的な「漏れ」が存在し得る。そのような漏れは駆動電圧を変えやすく且つ台無しにし得、液滴操作が変わりやすくなり、効果が弱く、信頼でき且つ再現可能な実行を困難にする。加えて、液滴が留まる又は固定される装置内の領域をもたらす、放電が駆動電位を放出する位置に不具合が生じ得、液滴操作がもはや実行されない可能性がある。また、この放電がさらに装置の実行を損なうバブルを形成し得る。

したがって、高品質な疎水性コーティング１６及び２６を使用することが大いに求められている。そのような場合に、しかしながら、疎水性コーティングは基本的には完全に絶縁性の層であり、それゆえに、トップ電極２８に対して電気的な接続のない（例えば漏れがない）純粋なキャパシタとして機能する。高品質な疎水性コーティングを用いた従来の構成においては、液滴Ｖ_ＬＤの電位は「浮遊」になりやすく、それゆえに意図せず変化し得る。上で参照したように、一般にＶ_ＡＣＴ［＝（Ｖ_ＥＷ−Ｖ_ＬＤ）］となる。したがって、浮遊Ｖ_ＬＤが、所望の値よりも電極３８Ａに掛けられるエレクトロウェッティング電圧Ｖ_ＥＷに近く動く場合、駆動電圧は減少し、液滴操作が損なわれる。一方、Ｖ_ＬＤが所望の値よりも電極３８Ａに掛けられるエレクトロウェッティング電圧Ｖ_ＥＷから遠く動く場合、過度な駆動電圧が装置の層の損傷をもたらし得る。破滅的な装置の故障さえ起こり得ることを本発明者らは観察している。同様の欠陥が、第２疎水性コーティング層を跨ぐ電位差ΔＶ_ＨＣ２に影響する浮遊Ｖ_ＬＤにより生じ得る。ΔＶ_ＨＣ２が小さいこと、好ましくはゼロであることが望ましく、浮遊Ｖ_ＬＤがゼロではないΔＶ_ＨＣ２をもたらす場合、特に液滴の注入時の液滴操作の反応が遅くなり得る。これが起こると、液滴が適切に分配されない可能性がある。

トッププレート疎水性コーティングは、（高品質に形成された場合）実質的に絶縁体層として機能する。したがって、電気的に、このトッププレート疎水性コーティング層は、抵抗と並列にキャパシタとして作られ得る。ユニット領域毎のキャパシタンスは材料の厚さ及び誘電率の機能である。抵抗は、主に層の質によって決定され、層が良好に構築されている場合、１０^６〜１０^１２オームの範囲であり得る。追加の絶縁体層がトッププレート疎水性コーティングとトッププレート電極との間に含まれる場合、この絶縁体と疎水性コーティングとの組み合わせは、非常に低いＤＣ導電率を有し、純粋なキャパシタのようでさえあるインピーダンスを有するだろう。

装置操作に関連する時定数のために、抵抗は無限として効果的に作られ、それゆえに実用目的のために、トッププレート疎水性コーティング層は、純粋なキャパシタとして機能する。このような場合には、それゆえに、液滴は装置において浮遊電位である。

上述した観点において、（１）Ｖ_ＡＣＴ［＝（Ｖ_ＥＷ−Ｖ_ＬＤ）］がおおよそＶ_ＥＷであり、かつ（２）ΔＶ_ＨＣ２がおおよそ０Ｖであるという基準を満たす液滴を生成するための初期流体リザーバ（又は、その全体が液滴そのものとして操作され得る流体リザーバ）のＤＣオフセット電圧Ｖ_０をプリセットするための装置の構成が望まれている。そのような結果をもたらすために、液滴を形成するために用いる（又は後に液滴として操作される）注入リザーバは、水溶性の液体がＥＷＯＤ装置カートリッジに入る位置において、特定の又はプリセットされたＤＣ電位（Ｖ_０）を有するように予備帯電される。特に、種々の実施形態の総合した特徴は、注入流体リザーバがＥＷＯＤ装置の入口構造に入る時に電極配列部分に露出することによって、注入流体リザーバが予備帯電される。特定の又はプリセットされたＤＣ電位は、好ましくは、トップ基板層を跨ぐ平均電圧を最小化するように選択される。本発明者らは、従来の構成の可能性のある欠点は、注入時に流体リザーバを接地する又はＤＣ電位に予備帯電することによって解消され得ることを認識している。注入リザーバからの液滴を分割するとき、又は液滴を形成するために注入構造から注入リザーバを動かすとき、液滴は、電極の一部の接触から離され、浮遊電位になり得る。注入リザーバが予備帯電しているため、注入構造から離れた浮遊電位は望ましい範囲内を維持する傾向にある。

そのような構成において、本発明は、ＤＣ液滴Ｖ_０を好適に選択することを提供することで上述の問題点を解決する。例示的な実施形態において、トップ基板電極と液滴との間のＤＣ電位がゼロ若しくはゼロに近くなり、エレクトロウェッティング電圧が最大化することを、トップ基板電極の結果として得られる電位が典型的には保証するように、Ｖ_０の適切な値が選択されてもよい。上記背景技術欄に記載した従来の構成（例えば、特にＵＳ９２３８２２及びＵＳ９０１１６６２）において、液滴が、特に接地又は参照電極に連続的に接触した又は頻繁に接触したままにすることによって、性能が向上することが記載されている。本発明は、これとは異なるように操作し、液滴が流体ギャップにある時にＤＣ電位に電気的に接続しないように構成し、上述した理由によりこれが概ね好ましい。本発明はさらに、流体リザーバが流体注入構造中にあるとき、ＤＣ電位を特定の又はプリセットされた初期状態にセットする構成を有する。Ｖ_０は、それゆえに、選択された最適な初期電位にセットされている。例えば、注入流体リザーバの外に液滴を分配する／分割することによって流体注入構造から離れるように液滴を動かすことによって、いったん液滴が流体注入構造から分離されると、液滴は浮遊ＤＣ電位である。

そのような特徴によって、誘電体上エレクトロウェッティング（ＥＷＯＤ）装置は、第１基板（例えばトップ基板）と対立する第２基板（例えばボトム基板）とを含み、第１基板と第２基板との間のギャップを定義し、各基板はギャップに面した絶縁体表面を含む。ＥＷＯＤ装置は、個別の素子を複数有する素子アレイを含み、素子アレイは、ギャップ内での液滴の操作を駆動し得、各個別の素子は、駆動電圧を掛ける電極素子を複数含む。予備帯電構造は、流体とギャップとが連絡する管路を含み、当該管路は液滴を生成するための流体リザーバを受け付けるように構成されており、かつ、予備帯電構造は、管路に電気的に露出した電気素子を含む。電気素子は管路内の流体リザーバを予備帯電し、管路から離れた位置で液滴を含むギャップの部分は電気素子から電気的に隔離されており、これにより、液滴は、上述したギャップの部分内に位置しているとき、浮遊電位である。予備帯電構造は、流体とギャップとが連絡する注入管路を定義する注入構造として構成されていてもよく、注入管路は、流体リザーバの注入を受け付けるように構成された管路であり、かつ、電気素子は、注入管路に露出した複数の電気素子の電極の一部を含む。

図７Ａは、本発明の第１実施形態に基づく例示的なＥＷＯＤ装置１０を示す図である。ＥＷＯＤ装置１０は、図１の従来の装置に対応する構成要素部分を有しており、それゆえに類似の符号は類似の構成要素を同定するために用いている。ＥＷＯＤ装置１０は、流体リザーバ４Ａの注入のための注入管路４２を定義する流体注入構造４０を含む。注入管路４２を形成するために、流体注入構造４０は、トップ基板３６を切り取った開口部４４を含み、液体リザーバ４Ａは、適切な外部手段のいずれか（例えば、ピペット、流体チャンバから、他の微小流体装置から等）により、開口部４４を介して注入され得る。

一般に、流体注入構造４０は電極の一部４６を含み、この実施形態においては、参照電極２８の一部である。電極の一部４６は、注入管路４２に露出しており、例えば、電極の一部４６と注入管路４２との間には層又は構成要素が存在しない。露出した電極の一部４６と注入管路４２との領域において、疎水性コーティング２６は、電極２８に対して階段状の構造を形成するために取り除かれてもよく、電極の一部４６は、注入管路４２に露出した第１表面４８及び第２表面５０をその中に含む。疎水性コーティング２６は、例えばエッチング工程又はリフトオフ工程のようなリソグラフィックパターン形成手段によって電極２８の第２表面５０から取り除かれてもよい。代替として、例えば、後に取り除かれる機械的バリアの手段を用いるように、製造方法により、この領域の第２表面５０において疎水性コーティング２６が電極２８に接することを避けてもよい。

図７Ａの構成では、液体リザーバ４Ａは、電極の一部４６と電気的に接続され、それゆえに、上述したパラメータに基づきセットし得る電極２８の電位を仮定する。この態様において、液体リザーバ４Ａは初期電圧Ｖ_０に予備帯電され、図６に関して説明された所望のパラメータを達成し、Ｖ_ＡＣＴ［＝（Ｖ_ＥＷ−Ｖ_ＬＤ）］はおおよそＶ_ＥＷであり、ΔＶ_ＨＣ２はおおよそ０Ｖである。それから、注入リザーバ４Ａから液滴４Ｂを分配する（分割する）こと又は注入管路４２から離れたリザーバ４Ａの全体をひとまとめに移動させることのいずれかによって、液滴４Ｂを、注入管路４２から離れた流体ギャップ３５内に生成してもよい。液滴は注入構造４０中のリザーバ４Ａの部分にある間、液滴４ＢのＤＣ電位Ｖ_０を電極２８に掛ける電位にセットし、一般に、液滴４Ｂが注入構造４０から離れた流体ギャップ３５中に位置するようになったときに電極２８への導電性パスを有するために、液滴４ＢのＤＣ電位Ｖ_０は中止時のこのＤＣオフセット電圧を維持する傾向にある。

図７Ａの構造は、トップ基板電極に関するＤＣオフセットをおおよそ０Ｖにすること、又は、実用的なように０Ｖの最適なレベルに近くなるようにすることを可能にする。言い換えると、トップ基板疎水性コーティング２６を跨ぐＤＣ電位は概ね０Ｖである。これにより、高い信頼性を提供し、疎水性コーティングの電気的な故障を避け、そうでなくても、そのような層におけるバブル形成の可能性を低減する。加えて、液滴と駆動電極との間の電位差、例えば、エレクトロウェッティング電圧Ｖ_ＥＷは最大化し、次にエレクトロウェッティングの力を最大化する。それゆえに、機能の向上及びエレクトロウェッティング操作の信頼性（例えば、液滴移動速度、分配速度、分配の信頼性）を達成する。

図７Ｂは、本発明の第２実施形態に基づく例示的なＥＷＯＤ装置１０を示す図である。図７Ｂは、本質的には、疎水性コーティング２６を示すために取り除かれたいくつかの上部層を有する平面図である。図７Ｂは、複数のＤＣオフセット設定構造が上述した注入構造においてリザーバ４Ａから離れた位置に提供され得ることを示している。この態様において、ＤＣオフセット電圧Ｖ_０は、ＥＷＯＤ装置１０の全体に渡って様々な位置においてリセットされてもよく、これにより注入管路４２から離れた流体ギャップ３５にある間に液滴の適切なＤＣオフセットが保証される。４つのＤＣオフセット設定構造５２を例として図７Ｂに示しているが、特定の適用に望ましいように何れかの適切な数が採用されてもよい。ＤＣオフセット設定構造５２は、大きくて数が少なくてもよいし、又は、小さくて数が多くてもよく、例えばフォトリソグラフィ工程により形成されてもよい。オフセット設定構造５２を形成するための代替の疎水性コーティングのパターニングは、疎水性コーティングが除去されたストリップパターン又は格子パターンを含んでもよい。オフセット設定構造５２のそれぞれは、上述した注入構造４０の構成に対して、参照電極に関連する疎水性コーティングの階段状の構造としてもよい。

本実施形態において説明した構成の利点は、オフセット設定構造５２がリザーバ４Ａからわずかに移動した位置（＝トップ基板３６の開口位置）であってもよいことである。このことは製造の理由から便利であり得、トップ基板に開口部を形成するために用いられる製造工程に依存し、開口部にすぐ隣接する疎水性コーティング２６を除去するには好都合ではないので、オフセット設定構造５２をリザーバ４Ａのからわずかに隔離することが好ましい。図７Ｂの構造のさらなる利点は、４つのそのようなオフセット構造を有し、リザーバ４Ａから離れる各方向に位置することによるものであり、例えば、図７Ｂにおいてリザーバ４Ａから上、下、左、右に離れるというような、いずれの方向においてリザーバ４Ａから液滴が分配された場合も、各分配液滴はオフセット設定構造に接触するようになるので、予備帯電の動因を認識することが可能である。

図８は、本発明の第３実施形態に基づく例示的なＥＷＯＤ装置１１を示す図である。この実施形態は、図７Ａの実施形態に対する類似性を有しており、同等に機能する。その他の点では、図７Ａの構成に関して、図８の構成は流体注入構造の他の構成を有する。図８の例においては、図７Ａの階段状の構造よりもむしろ、流体注入構造５４は、疎水性層２６及び電極２８の直線状の構造を有する。操作は、第１実施形態に記載したように、注入管路４２の領域において液体に接触するトップ基板電極２８の一部にリザーバ液体４Ａの電位をセットする。

図８の構成において、流体注入構造５４は、この実施形態においては再び参照電極２８の一部である電極の一部５６を含む。電極の一部５６は、同様に注入管路４２に露出し、例えば、電極の一部５６と注入管路４２との間に層又は構成要素が存在しない。露出した電極の一部５６及び注入管路４２の領域において、疎水性コーティング２６は除去してもよいが、この実施形態においては、電極２８に対して階段状の構造よりもむしろ直線状の構造を有している。したがって、電極２８の電極の一部５６は、注入管路４２に接触する単一の露出表面５８においてのみ露出する。そのような構成は、図７Ａの階段状の構造と比較して、より簡易であり、疎水性コーティングをパターニングするためのいずれの特定の製造技術（例えば、スピンコート技術、疎水性コーティングを製造する印刷又は蒸着方法）も実行する必要はない。しかしながら、露出した電極の一部５６の表面領域は、図７Ａの階段状の構造を有する露出した電極の一部４６と比較して 小さくなっている。図８の構成はそれゆえに、流体リザーバ４Ａの初期ＤＣオフセット電圧の設定に対する効果が弱くなり得る。図８の構成は、図７Ｂに関して説明した複数のＤＣオフセット設定構造と組み合わせても使用され得ることは理解されるだろう。

図９は、本発明の第４実施形態に基づく例示的なＥＷＯＤ装置１２を示す図である。この実施形態は、上述した実施形態に対する類似性を有しており、同等に機能する。その他の点では、上述した構成に対して、図９の構成は、流体注入構造の他の構造を有する。図９の例において、ＥＷＯＤ装置は縦の注入構造を有し、これにより流体リザーバ４Ａが注入管路６２の側面開口部を介して流体ギャップ３５内に流体液滴４Ｂを供給する。流体の注入を容易にするために、ギャップに導入される流体液滴としての流体リザーバ４Ａを支持する側面支持部６３を採用してもよい。側面から注入する配置は知られており、トップ基板を貫く注入管路を形成するよりも製造が容易であり且つ費用が安いという利点を有し得る。例示的な側面又は縦の注入設計に関するさらなる詳細は、例えば、本出願人による出願番号ＥＰ１６１９４６３２に記載されており、この文献を参照としてここに組み込む。

図９の例において、流体注入構造６４は、トップ基板３６の端部に形成されており、図７Ａの階段状の構造に類似した、電極２８に対する疎水性層２６の階段状の構造を有している。機能は、第１実施形態について説明したのと同様であり、注入管路６２の領域内の液体に接触し、リザーバ液体４Ａをトップ基板電極２８の電位に設定する。流体注入構造６４は電極の一部６６を含み、本実施形態においては参照電極２８の一部である。電極の一部６６は注入管路４２に露出しており、例えば、電極の一部４６と注入管路４２との間に層又は構成要素が存在しない。露出した電極の一部６６及び注入管路６２の領域において、疎水性コーティング２６は、電極２８に対する階段状の構造を形成するために除去されており、そこに、電極の一部６６は、注入管路４２に露出した第１表面６８及び第２表面７０を含んでいる。上述したのと同様に、疎水性コーティング２６は、何れかの適切な方法により電極２８の第２表面７０から取り除かれてもよく、例えば、リソグラフィパターニング、エッチング、マスキング、機械的バリア等のような方法である。階段状の構造と共に、参照電極の露出した部分のより大きい表面領域が達成される。さらに、図９の構成は、図７Ｂに関して説明したように、複数のＤＣオフセット設定構造と組み合わせて用いてもよいことは理解されるだろう。本実施形態の利点は、側面充填注入構造と組み合わせて本発明の基本原理を実施することである。そのような構造はトップ基板２６に開口部を形成する必要がないので、この構造は製造コストがより低くなり得る。

本実施形態の変形例を図９Ｂに示す。この形態において、側面支持構造６３Ｂは導電性であり、リザーバ液体４Ａへの電気的接触を提供する。側面支持構造６３Ｂは、例えば、導電性材料から形成される又は導電性材料でコーティングされ、オフセット電位に接続され、例えば、トップ基板電極６６と同じ電位であってもよい。この変形例においては、トップ基板電極６６はリザーバ液体４Ａへの電気的接触を提供しないので、注入管路の領域における疎水性コーティングを除去する必要はない。

図１０は、本発明の第５実施形態に基づく例示的なＥＷＯＤ装置１３を示す図である。この実施形態は、上述した実施形態に対する類似性を有しており、多くの点において同等に機能するが、図１０の例では他の電極構成を採用している点で異なる。特に、図１０の構成は、共面又は直列形の電極構成を採用しており、全ての電極素子が電極アレイ３８Ｂ内に共面状に位置している。言い換えると、上述した実施形態で存在していたトップ基板に沿った追加の共通参照電極（例えば電極２８）は存在しない。駆動電圧は、アレイ３８Ｂ内の異なる電極素子３８Ａに異なる電圧信号を掛けることによって生成し、異なる電極に対する異なる電圧は、所望の液滴操作に適切なように変化させる。共面又は直列の電極構成に関する詳細は、例えばＵＳ７５６９１２９に記載されている。他の共面又は直列の構成は、例えば、本出願人によるＧＢ１５００２６２．９に記載されており、本文献を参照としてここに組み込む。そのような構成の利点は、追加の電極及びこれに関連する電気的接続が要求されないことであり、装置の設計全体が簡略化する。

上述したように、種々の実施形態に共通する特徴は、ＥＷＯＤ装置に導入するときに、注入リザーバ４Ａを電極の配列部分に露出することによって予備帯電させることである。共面又は直列の電極配列を用いてこれを実現するために、流体ギャップ３５への注入管路７２を、下部疎水性層１６及び絶縁体層２０を貫き、少なくとも電極層３６Ｂの部分まで拡張するように形成する。図１０の例では、流体注入構造７４は、流体リザーバを予備帯電する電極の一部７６を含み、この実施形態においては、電極アレイ３８Ｂ内の少なくとも１つの電極素子３８Ａの部分である。示された例において、電極の一部７６は電極素子３８Ａの１つと同じであるが、その代わりに、電極の一部７６は１つのそのような素子の部分にのみ及ぶより狭いものであってもよいし、図１０Ｂの変形構造に示すような複数の素子の部分７６Ａ及び７６Ｂに及ぶものであってもよく、特定の用途に適するように流体リザーバを予備帯電するために露出した所望の領域に依存する。電極の一部７６は、上述した実施形態と同様に、注入管路７２に露出しており、例えば、電極の一部７６と注入管路７２との間に層又は構成要素が存在せず、これにより流体リザーバ４Ａを予備帯電するための接触を可能にする。この実施形態及び共面電極配列の利点は、トップ基板電極（及びこれに関連する電気的接続）を必要とせず、装置の製造コストを低減することである。

図１１は、本発明の第６実施形態に基づく例示的なＥＷＯＤ装置１４を示す図である。この実施形態は、上述した実施形態に対する類似性を有しており、多くの点において同等に機能するが、図１１の例は、液滴リザーバ４Ａを予備帯電するための他の機構を採用している点で異なる。図１１の例において、注入構造８０は、注入管路８２を定義する。注入構造８０の一部として、例示的な実施形態において、注入管路８２は、疎水性コーティング２６の拡張部８４により定義される。したがって、この実施形態において、参照電極２８を含む電極配列の部分は液体リザーバ４Ａに露出しておらず、この点において上述した実施形態と異なる。

流体リザーバ４Ａを予備帯電するために、注入構造８０は予備帯電素子８６を含む。例えば、予備帯電素子８６は、接地ワイヤのような外部接続された接地構造であってもよく、外部接続された接地構造は、ＥＷＯＤ装置を取り囲んで覆うプラスチック筐体中に組み込まれる。他の例示的な構成において、予備帯電素子は、注入管路８２中に伸長した導電性構造（ワイヤ）であってもよく、トップ参照電極２８に接続されたのと同じ給電部に接続される。他の実施例の構成において、予備帯電素子は、ＥＷＯＤ装置の外部にあり、電気制御素子の部分にあってもよい（図３）。制御実行の１つの例において、制御装置は、ＥＷＯＤ装置に注入するための液体をピペットにより自動採取する設備を含んでいてもよい。ピペット構造は電位に接続され得、同じ電圧信号が参照電極２８を駆動するために用いられ得る。外部接続された予備帯電素子を使用する利点は、電極の一部を液体リザーバに対して露出するためのトップ基板疎水性コーティングのパターニングが不要な点である。さらなる利点は、疎水性層８４のこの配置において、注入管路８２の拡張が可能な点であり、製造の容易性から便利であり得る。

誘電体上エレクトロウェッティング（ＥＷＯＤ）装置の操作方法は、注入流体リザーバを予備帯電することを採用し得る。操作方法は、ＥＷＯＤ装置によって定義された注入管路を介してＥＷＯＤ装置に流体リザーバを注入する工程と、注入された流体リザーバが注入管路内にある間に電気素子により流体リザーバを予備帯電する工程と、ＥＷＯＤ装置に駆動電圧を掛けることで、注入流体リザーバから液滴を生成し、ＥＷＯＤ装置により定義されるギャップ中において流体液滴を動かす工程とを含んでいてもよく、液滴は電気素子から電気的に隔離されたギャップ部分に移され、これにより液滴は、ギャップの上記部分内に位置する場合に、浮遊電位となる。図１２Ａ及び１２Ｂは、上述したいずれかの実施形態に基づいて、予備帯電電位に液滴リザーバを露出させることにより、液滴リザーバ４Ａを予備帯電することと組み合わせた、駆動電圧を掛ける他の方法を示す図である。

図１２Ａは、従来のＡＣ駆動信号図を示す。この例示的な実施形態において、トップ基板電極に掛けるＡＣ電圧パルスは、液滴を駆動していない状態中に下部基板電極に掛けるパルスと同じであるか、又は逆位相パルスを液滴駆動のために下部基板電極に掛ける。図１２Ａに示す例示的な実施形態において、予備帯電中、注入流体リザーバの電位を参照電極の電位に初期化し、駆動電圧のＡＣ信号遷移において、液滴と参照電極との間の電位差は、ＡＣ信号遷移の第１相中は基本的にはゼロであり、ＡＣ信号遷移の第２相中は負にオフセットされる。

それゆえに、図１２Ａは、注入流体リザーバを予備帯電するときに、液滴電位と組み合わせる電圧信号を従来のタイミングで掛けた結果を示す。破線は、液滴の電位を示し、直線はトップ基板（参照）電極の電位を示す。液滴電位をトップ基板電極電位に初期化する（例えば０ボルト）。液滴電位は、縦軸により示されるように、液滴４Ｂが注入流体リザーバ４Ａから離れるまで０ボルトを維持している。ＡＣ信号遷移において、参照電極電位はＶ_ＥＷになる。１以上の下の方の基板電極が駆動する場合に、液滴電位は一般に追従するが、基板内の絶縁体層の相当するキャパシタンスに基づき予想されるＶ_ＥＷとして、同じ大きさまでにはならないことを発明者らは見出した。

したがって、この実施形態において、液滴とトップ基板電極との間の電位差は、第１相、すなわちＡ相において基本的にゼロであるが、第２相、すなわちＢ相においてＡＣ電圧信号は負にオフセットされる。

駆動する液滴リザーバの予備帯電と組み合わせて駆動電圧をかけるより強化された方法を図１２Ｂに示す。図１２Ｂの実施形態においては、予備帯電中の注入流体リザーバの電位を、参照電極に対してオフセットされた電位に初期し、駆動電圧のＡＣ信号遷移において、液滴と参照電極との間の電位差は、ＡＣ信号遷移の第１相中は正のオフセット値を有し、ＡＣ信号遷移の第２相中は負のオフセット値を有する。その結果、ＡＣ信号遷移の複数のサイクルに亘って、参照電極と液滴との間の平均ＤＣ電位差はおおよそゼロである。

特に、図１２Ｂは、予備帯電の初期相中で、液滴４Ｂが注入流体リザーバ４Ａから作られるとき、トップ基板電極電位を０ボルトよりもわずかに正にすることを示している。これによって、リザーバ４Ａから作られる液滴４Ｂは、駆動電圧に対して小さいＤＣオフセット電圧を有する。ＡＣ遷移中、液滴電位は トップ基板電極電位と対称関係を有し、ＡＣ駆動信号の第１相であるＡ相中は小さい正のオフセット値を有しており、ＡＣ駆動信号の第２相であるＢ相中は小さい負のオフセット値を有する結果がもたらされる。図１２の駆動方法は、トップ基板電極と液滴との間の平均ＤＣ電位（多くのサイクルに亘って平均した）がゼロ又はおおよそゼロであるという利点を有する。

本発明の特徴は、それゆえに、流体リザーバを予備帯電するための予備帯電構造を有する誘電体上エレクトロウェッティング（ＥＷＯＤ）装置である。例示的な実施形態において、ＥＷＯＤ装置は、第１基板とこれに対向する第２基板とを含み、第１基板と第２基板との間にギャップを定義し、各基板はギャップに面した絶縁体表面を含み、ギャップ内で液滴を操作するために駆動可能な複数の個々の素子を含む素子アレイをさらに含み、個々の素子のそれぞれは、駆動電圧を掛けるための複数の電極素子を含み、ギャップと流体接触する管路を含む予備帯電構造をさらに含み、予備帯電構造は、液滴を生成するための流体リザーバを受け付けるように構成されており、かつ予備帯電構造は管路に電気的に露出した電極素子を含む。電気素子は管路内の流体リザーバを予備帯電し、管路から離れた空間で液滴を含むギャップ部分は電気素子から電気的に隔離されているので、液滴はギャップのその部分に位置するときは浮遊電位である。ＥＷＯＤ装置は、以下の１以上の特徴を個別に又は組み合わせて含んでもよい。

ＥＷＯＤ装置の例示的な実施形態において、予備帯電構造は、ギャップに流体接触する注入管路を定義する注入構造を含み、注入管路は、流体リザーバの注入を受け付けるように構成された管路であり、電気素子は注入管路に露出した複数の電極素子の電極の一部を含む。

ＥＷＯＤ装置の例示的な実施形態において、複数の電極素子は、第２基板上の駆動電極と、第１基板上の参照電極とを含み、電気素子は、注入管路に露出した参照電極の一部である。

ＥＷＯＤ装置の例示的な実施形態において、第１基板の電極の一部及び絶縁体層は、注入管路において階段状の構造を有しており、電極の一部の複数の表面は注入管路に露出している。

ＥＷＯＤ装置の例示的な実施形態において、第１基板の電極の一部及び絶縁体層は、注入管路において直線的な構造を有しており、電極の一部の表面の１つのみが注入管路に露出している。

ＥＷＯＤ装置の例示的な実施形態において、複数の電極素子は、第２基板上の共面構造中に位置した複数の電極素子と、第２基板の絶縁体層から少なくとも１つの電極素子の少なくとも一部まで至るようにギャップから切り取られることによって、電極素子のその部分が注入管路に露出している注入管路と、注入管路に露出した電極素子の一部である電気素子とを含む。

ＥＷＯＤ装置の例示的な実施形態において、電気素子は複数の電極素子に跨る。

ＥＷＯＤ装置の例示的な実施形態において、電極素子は、管路に導入された外部接続予備帯電素子を含む。

ＥＷＯＤ装置の例示的な実施形態において、予備帯電素子は、接地した導電体を含む。

ＥＷＯＤ装置の例示的な実施形態において、複数の電極素子は、第１基板上の参照電極を含み、予備帯電素子は、参照電極に接続されたのと同じ給電部に接続された導電体を含む。

ＥＷＯＤ装置の例示的な実施形態において、管路は、第１基板上の絶縁体層の拡張部によって定義された注入管路を含んでおり、電極の一部が注入管路に露出しない。

ＥＷＯＤ装置の例示的な実施形態において、管路は、トップ基板からギャップに至るように切り取られた開口部を含む。

ＥＷＯＤ装置の例示的な実施形態において、管路は、第１基板と第２基板との間に、ギャップと流体連絡する側面開口部を含む。

ＥＷＯＤ装置の例示的な実施形態において、ＥＷＯＤ装置はさらに、側面開口部につながる注入管路部分を定義する側面支持部を含む。

ＥＷＯＤ装置の例示的な実施形態において、側面支持部は導電性である。

ＥＷＯＤ装置の例示的な実施形態において、ＥＷＯＤ装置は、電気素子がギャップに電気的に接続されている、複数のオフセット設定構造をさらに含み、オフセット設定構造の少なくとも１つは、流体リザーバを注入するための注入構造から離れている。

本発明の他の特徴点は、誘電体上エレクトロウェッティング（ＥＷＯＤ）装置を操作する強化された方法である。この方法は、ＥＷＯＤ装置により定義された管路を介して、ＥＷＯＤ装置に流体リザーバを注入する工程と、注入流体リザーバが管路内に位置する間に、電気素子により流体リザーバを予備帯電する工程と、ＥＷＯＤ装置に駆動電圧を掛けて、流体リザーバから液滴を生成し、ＥＷＯＤ装置により定義されたギャップ中で液滴を動かす工程とを包含してもよく、液滴を電気素子から電気的に隔離したギャップ部分に移動させることによって、ギャップのこの部分に位置するときに、液滴を浮遊電位にする。

この方法の例示的な一実施形態において、予備帯電中に、流体リザーバの電位を参照電極の電位に初期化し、駆動電圧のＡＣ信号遷移において、液滴と参照電極との間の電位差は、ＡＣ信号遷移の第１相中はゼロであり、ＡＣ信号遷移の第２相中は負にオフセットされてもよい。

この方法の他の例示的な実施形態において、予備帯電中に、流体リザーバの電位を、参照電極の電位に対してオフセットした電位に初期化し、駆動電圧のＡＣ信号遷移において、液滴と参照電極との間の電位は、ＡＣ信号遷移の第１相中は正のオフセット値を有し、ＡＣ信号遷移の第２相中は負のオフセット値を有する。ＡＣ信号遷移の複数のサイクルに亘って、参照電極と液滴との間の平均ＤＣ電位差は、おおよそゼロである。

本発明を、特定の実施形態に関して示し、説明したが、本実施形態及び添付の図面の理解の範囲で、同等の変更及び修正を当業者が行い得ることは明らかである。特に、上述した素子（構成要素、組立品、装置、構成物等）によって行われる種々の機能に関して、そのような素子を説明するために用いた用語（「手段」の言及も含む）は特に示さない限り一致していることを意図しており、ここで説明した本発明の例示的な実施形態における機能を実行する上述した構造と構造的に同等でなくても、いずれかの素子が上述した素子の特定の機能を実行する（例えば機能的に同等である）。加えて、本発明の特定の特徴が、いくつかの説明された実施例のただ１つ又はそれ以上に対して説明されている一方で、そのような特徴は、他の実施形態の１以上の他の特徴と組み合わせてもよく、与えられた用途又は特定の用途のために望まれ、利点を有し得る。

本発明は、強化された微小流体装置の構成としての用途が見出されている。そのような装置は、化学的又は生物学的反応、テスト等を実行するために用いられ得る。用途には、健康診断テスト、材料テスト、化学的又は生物学的材料合成、プロテオミクス、ライフサイエンス及び科学捜査調査ツールが含まれ得る。

４ 液滴
４Ａ 液体リザーバ
４Ｂ 液滴
６ 接触角Θ
１０ ＥＷＯＤ装置
１３ 例示的なＥＷＯＤ装置
１６ 下部疎水性コーティング
２０ 絶縁体層
２６ 上部疎水性コーティング
２８ 参照電極
３０ 下部基板
３２ スペーサ
３４ 非極性のフィラー流体
３５ 流体ギャップ
３６ 上部基板
３８ 下部電極
３８Ａ 第１下部電極
３８Ｂ 第２下部電極
４０ 流体注入構造
４２ 注入管路
４４ 開口部
４６ 電極の一部
５０ 第２表面
５２ オフセット設定構造
５４ 流体注入構造
５６ 電極の一部
５８ 単一の露出表面
６２ 側面開口した注入管路
６３ 側面支持部
６３Ｂ 導電性の側面支持構造
６４ 流体注入構造
６６ 電極の一部
６８ 第１表面
７０ 第２表面
７２ 注入管路
７４ 流体注入構造
７６／７６Ａ／７６Ｂ 電極の一部
８０ 注入構造
８２ 注入管路
８４ 拡張部
８６ 予備帯電素子
２００ 例示的なＥＷＯＤ装置
２０４ 液滴
２１６ 第１疎水性コーティング層
２２０ 絶縁体層
２２６ 第２疎水性コーティング層
２２８ 第２共通参照電極
２３０ 第１基板
２３２ スペーサ
２３４ フィラー流体
２３６ 第２基板
２３８ 一式の素子電極
２３９ 素子電極
２９０ 素子アレイ
２９２Ａ 素子
２９２Ｂ 素子
２９２Ｃ 素子
９９９ 絶縁体層

Claims (19)

1. 誘電体上エレクトロウェッティング（ＥＷＯＤ）装置の操作方法であって、
   第１基板及びこれに対向する第２基板であって、当該第１基板と当該第２基板との間にギャップが定義され、これらの基板はそれぞれ、当該ギャップに面する絶縁体の表面を含む、第１基板及び第２基板と、
   上記ギャップ内で液滴の操作を駆動する複数の独立した素子を含む素子アレイであって、それぞれの独立した上記素子は、駆動電圧を掛けるための複数の電極素子を含む、素子アレイと、
   上記ギャップと流体連絡する管路を含み、液滴を生成するための流体リザーバを受け付けるように構成された予備帯電構造であって、上記管路に電気的に露出した電気素子を含む予備帯電構造と、を含むＥＷＯＤ装置を用いて、上記電気素子により上記管路内で上記流体リザーバを予備帯電する予備帯電工程を包含し、
   上記予備帯電工程において、上記管路から離れた位置において上記液滴を含む上記ギャップの部分は、上記電気素子から電気的に隔離されており、上記液滴は、上記ギャップの上記部分に位置する場合に浮遊電位であり、
   上記予備帯電工程において、上記第１基板の上記絶縁体の表面を跨ぐ平均電圧を最小化するように選択されたＤＣ電位（Ｖ _０ ）を上記流体リザーバが有するように、上記管路内で上記流体リザーバを予備帯電する、ＥＷＯＤ装置の操作方法。
2. 上記予備帯電構造は、上記ギャップに流体連絡する注入管路を定義する注入構造を含み、上記注入管路は、上記流体リザーバの注入を受け付けるように構成された管路であり、上記電気素子は、上記注入管路に露出した複数の電極素子の電極部分を含む、請求項１に記載のＥＷＯＤ装置の操作方法。
3. 上記複数の電極素子は、上記第２基板上の駆動電極と上記第１基板上の参照電極とを含み、上記電気素子は、上記注入管路に露出した上記参照電極の一部である、請求項２に記載のＥＷＯＤ装置の操作方法。
4. 上記電極部分及び上記第１基板の上記絶縁体の層は、上記注入管路において直線状の構造を有することにより、上記電極部分の単一の表面が上記注入管路に露出している、請求項３に記載のＥＷＯＤ装置の操作方法。
5. 上記複数の電極素子は、上記第２基板上において共面構造で配置された複数の電極素子を含み、
   上記第２基板上の上記絶縁体の層から、上記電極素子の少なくとも１つの少なくとも一部まで貫くように、上記注入管路が上記ギャップから切り取られていることによって、上記電極素子のその部分が上記注入管路に露出しており、かつ
   上記電気素子は、上記注入管路に露出している上記電極素子の一部である、請求項２に記載のＥＷＯＤ装置の操作方法。
6. 上記電気素子は、複数の電極素子に跨る、請求項５に記載のＥＷＯＤ装置の操作方法。
7. 上記管路は、上記第１基板から上記ギャップまで貫くように切り取られた開口部を含む、請求項１から６のいずれか１項に記載のＥＷＯＤ装置の操作方法。
8. 上記管路は、上記ギャップと流体連絡する側面開口部を上記第１基板と上記第２基板との間に含む、請求項１から６のいずれか１項に記載のＥＷＯＤ装置の操作方法。
9. 上記予備帯電構造は、上記ギャップに流体連絡する注入管路を定義する注入構造を含み、
   上記側面開口部につながる上記注入管路の一部を定義する側面支持部をさらに含む、請求項８に記載のＥＷＯＤ装置の操作方法。
10. 電気素子が上記ギャップに電気的に接続された複数のオフセット設定構造を含み、当該オフセット設定構造の少なくとも１つは、上記流体リザーバを注入するために注入構造から離間している、請求項１から９のいずれか１項に記載のＥＷＯＤ装置の操作方法。
11. 上記ＥＷＯＤ装置は、それぞれ駆動電極及び参照電極を含む複数の素子アレイを含み、
    上記予備帯電工程において、上記流体リザーバの電位を上記参照電極の電位に初期化し、上記駆動電圧のＡＣ信号遷移における上記液滴と参照電極との間の電位差は、ＡＣ信号遷移の第１相中はゼロであり、ＡＣ信号遷移の第２相中は負にオフセットされている、請求項１に記載のＥＷＯＤ装置の操作方法。
12. 上記ＥＷＯＤ装置は、それぞれ駆動電極及び参照電極を含む複数の素子アレイを含み、
    上記予備帯電工程において、上記流体リザーバの電位を上記参照電極の電位に対してオフセットした電位に初期化し、上記駆動電圧のＡＣ信号遷移における上記液滴と参照電極との間の電位差は、ＡＣ信号遷移の第１相中は正のオフセット値を有し、ＡＣ信号遷移の第２相中は負のオフセット値を有する、請求項１に記載のＥＷＯＤ装置の操作方法。
13. 上記参照電極と上記液滴との間の平均ＤＣ電位差は、ＡＣ信号遷移の複数のサイクルに亘っておおよそゼロである、請求項１２のＥＷＯＤ装置の操作方法。
14. 誘電体上エレクトロウェッティング（ＥＷＯＤ）装置であって、
    第１基板及びこれに対向する第２基板であって、当該第１基板と当該第２基板との間にギャップが定義され、これらの基板はそれぞれ、当該ギャップに面する絶縁体の表面を含む、第１基板及び第２基板と、
    上記ギャップ内で液滴の操作を駆動する複数の独立した素子を含む素子アレイであって、それぞれの独立した上記素子は、駆動電圧を掛けるための複数の電極素子を含む、素子アレイと、
    上記ギャップと流体連絡する管路を含み、液滴を生成するための流体リザーバを受け付けるように構成された予備帯電構造であって、上記管路に電気的に露出した電気素子を含む予備帯電構造と、
    を含み、
    上記電気素子は、上記管路内で上記流体リザーバを予備帯電し、かつ、上記管路から離れた位置において上記液滴を含む上記ギャップの部分は、上記電気素子から電気的に隔離されており、上記液滴は、上記ギャップの上記部分に位置する場合に浮遊電位であり、
    上記予備帯電構造は、上記ギャップに流体連絡する注入管路を定義する注入構造を含み、上記注入管路は、上記流体リザーバの注入を受け付けるように構成された管路であり、上記電気素子は、上記注入管路に露出した複数の電極素子の電極部分を含み、
    上記複数の電極素子は、上記第２基板上の駆動電極と上記第１基板上の参照電極とを含み、上記電気素子は、上記注入管路に露出した上記参照電極の一部であり、
    上記電極部分及び上記第１基板の上記絶縁体の層は、上記注入管路において階段状の構造を有することにより、上記電極部分の複数の表面が上記注入管路に露出している、ＥＷＯＤ装置。
15. 誘電体上エレクトロウェッティング（ＥＷＯＤ）装置であって、
    第１基板及びこれに対向する第２基板であって、当該第１基板と当該第２基板との間にギャップが定義され、これらの基板はそれぞれ、当該ギャップに面する絶縁体の表面を含む、第１基板及び第２基板と、
    上記ギャップ内で液滴の操作を駆動する複数の独立した素子を含む素子アレイであって、それぞれの独立した上記素子は、駆動電圧を掛けるための複数の電極素子を含む、素子アレイと、
    上記ギャップと流体連絡する管路を含み、液滴を生成するための流体リザーバを受け付けるように構成された予備帯電構造であって、上記管路に電気的に露出した電気素子を含む予備帯電構造と、
    を含み、
    上記電気素子は、上記管路内で上記流体リザーバを予備帯電し、かつ、上記管路から離れた位置において上記液滴を含む上記ギャップの部分は、上記電気素子から電気的に隔離されており、上記液滴は、上記ギャップの上記部分に位置する場合に浮遊電位であり、
    上記電気素子は、上記管路内に挿入された外部接続された予備帯電素子を含む、ＥＷＯＤ装置。
16. 上記予備帯電素子は、接地した導電体を含む、請求項１５に記載のＥＷＯＤ装置。
17. 上記複数の電極素子は、第１基板上の参照電極を含み、上記予備帯電素子は、上記参照電極が接続されたのと同じ給電部に接続された導電体を含む、請求項１５に記載のＥＷＯＤ装置。
18. 上記管路は、上記第１基板上の上記絶縁体の層の拡張部により定義された注入管路を含み、上記電極素子の一部は上記注入管路に露出していない、請求項１５から１７のいずれか１項に記載のＥＷＯＤ装置。
19. 誘電体上エレクトロウェッティング（ＥＷＯＤ）装置であって、
    第１基板及びこれに対向する第２基板であって、当該第１基板と当該第２基板との間にギャップが定義され、これらの基板はそれぞれ、当該ギャップに面する絶縁体の表面を含む、第１基板及び第２基板と、
    上記ギャップ内で液滴の操作を駆動する複数の独立した素子を含む素子アレイであって、それぞれの独立した上記素子は、駆動電圧を掛けるための複数の電極素子を含む、素子アレイと、
    上記ギャップと流体連絡する管路を含み、液滴を生成するための流体リザーバを受け付けるように構成された予備帯電構造であって、上記管路に電気的に露出した電気素子を含む予備帯電構造と、
    を含み、
    上記電気素子は、上記管路内で上記流体リザーバを予備帯電し、かつ、上記管路から離れた位置において上記液滴を含む上記ギャップの部分は、上記電気素子から電気的に隔離されており、上記液滴は、上記ギャップの上記部分に位置する場合に浮遊電位であり、
    上記管路は、上記ギャップと流体連絡する側面開口部を上記第１基板と上記第２基板との間に含み、
    上記予備帯電構造は、上記ギャップに流体連絡する注入管路を定義する注入構造を含み、
    上記側面開口部につながる上記注入管路の一部を定義する側面支持部をさらに含み、
    上記側面支持部は導電体である、ＥＷＯＤ装置。

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