JP7064007B2 - 薄膜トランジスタと容量感知とを伴う二重基板を含むデジタルマイクロ流体デバイス - Google Patents

薄膜トランジスタと容量感知とを伴う二重基板を含むデジタルマイクロ流体デバイス Download PDF

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Description

（関連出願）
本願は、２０１７年１０月１８日に出願された、米国仮特許出願第６２／５７３，８４６号の優先権を主張する。本明細書において参照される全ての特許および特許出願は、それらの全体が、参照により援用される。
（背景）
デジタルマイクロ流体デバイスは、限られた環境内で液滴を推進、分割、および継合するために、独立した電極を使用し、それによって、「ラボオンチップ」を提供する。デジタルマイクロ流体デバイスは、代替として、電気泳動流および／またはマイクロポンプに依拠する競合マイクロ流体システムと本方法をさらに区別するように、誘電体上エレクトロウェッティング（すなわち、「ＥＷｏＤ」）と称される。エレクトロウェッティング技術の２０１２年の論評が、“Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｃｒｏｆｌｕｉｄｉｃｓ，” Ａｎｎｕ． Ｒｅｖ． Ａｎａｌ． Ｃｈｅｍ． ２０１２， ５：４１３－４０においてＷｈｅｅｌｅｒによって提供され、その全体が、参照によって本明細書に援用される。本技法は、サンプル調製、検定、および合成化学が、少量のサンプルおよび試薬の両方を用いて実施されることを可能にする。近年では、エレクトロウェッティングを使用するマイクロ流体セル内の制御された液滴操作が、商業的に実現可能になっており、現在、大きな生命科学企業（例えば、Ｏｘｆｏｒｄ Ｎａｎｏｐｏｒｅ）から入手可能な製品が存在する。
ＥＷｏＤについての文献報告の殆どは、それによって、１０～２０個の電極がコントローラを用いて直接駆動されるいわゆる「パッシブマトリクス」デバイス（別名「セグメント化された」デバイス）を伴う。セグメント化されたデバイスは、加工することが容易であるが、電極の数は、空間および駆動制約によって限定される。故に、パッシブマトリクスデバイスにおいて、超並列検定、反応等を実施することは可能ではない。比較して、「アクティブマトリクス」デバイス（別名アクティブマトリクスＥＷｏＤ、別名ＡＭ－ＥＷｏＤ）デバイスは、何千個、何十万個または何百万個ものアドレス指定可能な電極を有することができる。電極は、典型的には、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）によって切り替えられ、液滴運動は、ＡＭ－ＥＷｏＤアレイが、複数の液滴を制御しかつ同時分析プロセスを実行するための多大な自由を可能にする汎用デバイスとして使用されることができるように、プログラム可能である。
電場漏出への制限的要件により、最も進歩したＡＭ－ＥＷｏＤデバイスは、多結晶シリコン（別名ポリシリコン、別名ポリ－Ｓｉ）から構築される。しかしながら、ポリシリコン加工は、非晶質シリコン加工（すなわち、ＬＣＤディスプレイ業界のために大量生産型のアクティブマトリクスＴＦＴにおいて使用されるタイプ）よりも実質的に高価である。ポリシリコン加工プロセスは、ポリシリコンと協働するための一意の取扱および加工ステップが存在するため、より高価である。また、ポリシリコンからデバイスを加工するように構成される設備は、世界中に殆ど存在しない。しかしながら、ポリシリコンの改良された機能性により、Ｓｈａｒｐ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎは、単一のアクティブマトリクス上に推進、感知、および加熱能力を含むＡＭ－ＥＷｏＤデバイスを達成することができている。例えば、米国特許第８，４１９，２７３号、第８，５４７，１１１号、第８，６５４，５７１号、第８，８２８，３３６号、第９，４５８，５４３号を参照されたい（それらの全ては、それらの全体が、参照により本明細書に援用される）。複合ポリ－Ｓｉ ＡＭ－ＥＷｏＤの実施例が、図１に示される。
ポリ－Ｓｉ加工技法は、複合ＡＭ－ＥＷｏＤデバイスの実装を可能にするが、適切な加工設備の世界的な不足と組み合わせられた、ポリ－Ｓｉデバイス生産の費用は、ＡＭ－ＥＷｏＤ技術が広く利用可能になることを妨げてきた。既存の非晶質シリコン加工容量を利用することができる異なる設計の必要性がある。そのようなデバイスは、より低い費用において大量に生産されることができ、それらを通常の診断検査（例えば、免疫学的検定）のために理想的にする。
米国特許第８，４１９，２７３号公報 米国特許第８，５４７，１１１号公報 米国特許第８，６５４，５７１号公報 米国特許第８，８２８，３３６号公報 米国特許第９，４５８，５４３号公報
"Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｃｒｏｆｌｕｉｄｉｃｓ，" Ａｎｎｕ． Ｒｅｖ． Ａｎａｌ． Ｃｈｅｍ． ２０１２， ５：４１３－４０
本発明は、非晶質シリコン基板からの構築に非常に適しているＡＭ－ＥＷｏＤのための代替アーキテクチャを提供することによって、先行技術の欠点に対処する。１つの事例では、本発明は、第１の基板と第２の基板とスペーサと第１のコントローラおよび第２のコントローラとを含むデジタルマイクロ流体デバイスを提供する。第１の基板は、薄膜トランジスタの第１のセットに結合される第１の複数の電極を含み、第１の複数の電極および薄膜トランジスタの第１のセットの両方を被覆する第１の誘電体層を含む。第２の基板は、薄膜トランジスタの第２のセットに結合される第２の複数の電極を含み、第２の複数の電極および薄膜トランジスタの第２のセットの両方を被覆する第２の誘電体層を含む。スペーサは、第１の基板および第２の基板を分離し、第１の基板と第２の基板との間にマイクロ流体領域を作成する。第１のコントローラが、薄膜トランジスタの第１のセットに動作可能に結合され、第１の複数の電極の少なくとも一部に推進電圧を提供するように構成される一方で、第２のコントローラは、薄膜トランジスタの第２のセットに動作可能に結合され、第２の複数の電極のうちの少なくとも１つと駆動電極との間の静電容量を判定するように構成される。いくつかの実施形態では、第１の誘電体層は、疎水性を有し、他の実施形態では、第２の誘電体層は、疎水性を有する。好ましい実施形態では、第１の複数の電極は、例えば、１線形センチメートルあたり少なくとも２５個の電極を伴って、アレイ内に配列される。いくつかの実施形態では、第２の複数の電極は、駆動電極と相互嵌合される。いくつかの実施形態では、信号源が、駆動電極に結合され、駆動電極に時変電圧を提供するように構成される。いくつかの実施形態では、第２の基板は、例えば、面積が少なくとも１０ｍｍ２であり得る少なくとも１つの光透過性領域を含む。デジタルマイクロ流体デバイスは、非晶質またはポリシリコンから構築されてもよい。
いくつかの実施形態では、デジタルマイクロ流体デバイスは、異なる電極密度の２つの面積（すなわち、センサ電極側のための高密度（別名「ハイレゾ」）面積および低密度（別名「ローレゾ」）面積）を有する。そのような設計は、ユーザが、粒子調査（すなわち、容量感知）を実施し、デバイスの１つの部分における組成またはサイズを判定し、次いで、デバイスの別の部分における粒子の場所または存在を単純に監視することを可能にする。全体的に、そのような構成は、デバイスの加工を単純化する一方で、感知機能と関連付けられるデータ取扱も単純化する。
本明細書は、例えば、以下の項目も提供する。
（項目１）
デジタルマイクロ流体デバイスであって、
薄膜トランジスタの第１のセットに結合される第１の複数の電極を備える第１の基板であって、前記第１の基板は、前記第１の複数の電極および前記薄膜トランジスタの第１のセットの両方を被覆する第１の誘電体層を含む、第１の基板と、
薄膜トランジスタの第２のセットに結合される第２の複数の電極を備える第２の基板であって、前記第２の基板は、前記第２の複数の電極および前記薄膜トランジスタの第２のセットの両方を被覆する第２の誘電体層を含む、第２の基板と、
前記第１の基板および前記第２の基板を分離し、前記第１の基板と前記第２の基板との間にマイクロ流体領域を作成するスペーサと、
前記薄膜トランジスタの第１のセットに動作可能に結合され、前記第１の複数の電極の少なくとも一部に推進電圧を提供するように構成される第１のコントローラと、
前記薄膜トランジスタの第２のセットに動作可能に結合され、前記第２の複数の電極のうちの少なくとも１つと駆動電極との間の静電容量を判定するように構成される第２のコントローラと
を備える、デジタルマイクロ流体デバイス。
（項目２）
前記第１の誘電体層は、疎水性を有する、項目１に記載のデジタルマイクロ流体デバイス。
（項目３）
前記第２の誘電体層は、疎水性を有する、項目１に記載のデジタルマイクロ流体デバイス。
（項目４）
前記第１の誘電体層を被覆する第１の疎水性層と、前記第２の誘電体層を被覆する第２の疎水性層とをさらに備える、項目１に記載のデジタルマイクロ流体デバイス。
（項目５）
前記第１の複数の薄膜トランジスタまたは前記第２の複数の薄膜トランジスタは、非晶質シリコンを含む、項目１に記載のデジタルマイクロ流体デバイス。
（項目６）
前記第１の複数の電極は、アレイ内に配列される、項目１に記載のデジタルマイクロ流体デバイス。
（項目７）
前記第１の複数の電極のアレイは、１線形センチメートルあたり少なくとも２５個の電極を含む、項目６に記載のデジタルマイクロ流体デバイス。
（項目８）
前記第２の複数の電極のうちの各電極は、前記駆動電極と相互嵌合される、項目１に記載のデジタルマイクロ流体デバイス。
（項目９）
前記駆動電極に結合され、前記駆動電極に時変電圧を提供するように構成される信号源をさらに備える、項目８に記載のデジタルマイクロ流体デバイス。
（項目１０）
前記第２の複数の電極は、幅が０．０１～５ｍｍである、項目８に記載のデジタルマイクロ流体デバイス。
（項目１１）
前記第２の基板は、少なくとも１つの光透過性領域を含む、項目１に記載のデジタルマイクロ流体デバイス。
（項目１２）
前記光透過性領域は、面積が少なくとも１０ｍｍ ２ である、項目１１に記載のデジタルマイクロ流体デバイス。
（項目１３）
前記第２の複数の電極は、第１の密度および第２の密度で配列され、前記第１の密度は、１００ｍｍ ２ あたり前記第２の密度より少なくとも３倍多くの電極を含む、項目１に記載のデジタルマイクロ流体デバイス。
（項目１４）
前記第２の複数の電極の第１の密度は、１線形センチメートルあたり２０～２００個の電極を含む、項目１３に記載のデジタルマイクロ流体デバイス。
（項目１５）
前記第２の複数の電極の第２の密度は、１線形センチメートルあたり１～１５個の電極を含む、項目１３に記載のデジタルマイクロ流体デバイス。
（項目１６）
前記第１の密度に対応する前記デバイスの面積は、前記第２の密度に対応する前記デバイスの面積よりも小さい、項目１３に記載のデジタルマイクロ流体デバイス。
（項目１７）
前記第２の密度に対応する前記デバイスの面積は、前記第１の密度に対応する前記デバイスの面積よりも少なくとも３倍大きい、項目１６に記載のデジタルマイクロ流体デバイス。
図１は、同一のアクティブマトリクス上に推進および感知の両方を含む先行技術のＥＷｏＤデバイスを示す。
図２は、隣接する電極上で異なる荷電状態を提供することによる、隣接する電極の間の水相液滴の移動を描写する。
図３は、本発明のＥＷｏＤデバイスの複数の推進電極のためのＴＦＴアーキテクチャを示す。
図４は、推進電極と薄膜トランジスタと蓄積コンデンサと誘電体層と疎水性層とを含む第１の基板の一部の概略図である。
図５は、感知電極と駆動電極と薄膜トランジスタと誘電体層と疎水性層とを含む第２の基板の一部の概略図である。
図６は、マイクロ流体液滴の容量感知および評価のために構成される感知電極および駆動電極のためのＴＦＴアーキテクチャを示す。
図７は、感知電極および駆動電極が第２の基板の一部として相互嵌合される実施形態を図示する。
図８は、感知電極が高密度および低密度の種々の領域を伴って配列されるデジタルマイクロ流体デバイスの平面図を図示する。図８に示される電極配列は、デバイスの複雑性および生産の費用を低減させる一方で、多くの分析機能のための必要な機能性（液滴サイズ判定および運動追跡）を提供する。
図９は、液滴が電磁放射線（すなわち、光）を用いて調査されることができる光透過性領域を含む代替実施形態を図示する。プローブ光および結果として生じる信号の両方が、同一の光透過性領域を通して入射／出射し得ることを理解されたい。
図１０は、高密度および低密度の種々の領域を伴って配列される感知電極の代替配列を示す。
図１１は、高密度および低密度の種々の領域を伴って配列される感知電極の代替配列を示す。
図１２は、高密度および低密度の種々の領域を伴って配列される伸長感知電極を含む代替配列を示す。
図１３は、高密度および低密度の種々の領域を伴って配列される伸長感知電極を含む代替配列を示す。
上記に示されるように、本発明は、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）と容量感知とを伴う二重基板を含む誘電体上アクティブマトリクスエレクトロウェッティング（ＡＭ－ＥＷｏＤ）デバイスを提供する。本明細書で描写されるように、「底部」基板は、マイクロ流体領域を通して種々の液滴を推進させるための複数の電極を含む。「上部」基板は、信号を提供するため、かつ容量感知を用いて液滴の存在および／またはサイズおよび／または組成を検出するための複数の電極を含む。「上部」および「底部」の使用は、２つの基板の場所が切り替えられることができるため、慣例にすぎず、本デバイスは、種々の方法で配向されることができ、例えば、上部および底部プレートが、略平行であり得る一方で、全体的なデバイスは、（図に示される作業表面に平行とは対照的に）基板が作業表面に対して垂直であるように配向される。上部または底部基板は、付加的機能性（例えば、抵抗加熱および／または温度感知）を含んでもよい。本デバイスがＴＦＴベースのセンサを組み込むため、本デバイスは、公知のパッシブデバイスよりもはるかに高い感度および解像度を有する。加えて、容量感知のために必要とされる電極の両方が同一の基板上にあるため、上部および底部電極は、整列される必要がなく、感知ピクセルは、推進電極と比較して異なるサイズまたは構成であり得る。加えて、設計は、非晶質シリコンを伴って実装されることができ、それによって、デバイスが使い捨てであり得るという点まで生産の費用を削減する。また、それらのより高い動作電圧から利益を得るための底部プレート用のａ－Ｓｉ ＴＦＴ、および、より高い感度の感知のための上部プレート上のポリＳｉ ＴＦＴを使用することも可能である。
ＥＷｏＤデバイスの基本的動作が、図２の断面画像に図示される。ＥＷｏＤ２００は、油２０２および少なくとも１つの水性液滴２０４で充填されたセルを含む。セル間隙は、典型的には、５０～２００μｍの範囲内であるが、間隙は、より大きくあり得る。図２に示されるような基本構成では、複数の推進電極２０５が、１つの基板上に配置され、単一の上部電極２０６が、対向表面上に配置される。セルは、加えて、油層に接触する表面上の疎水性コーティング２０７と、推進電極２０５と疎水性コーティング２０７との間の誘電体層２０８とを含む。（上側基板はまた、誘電体層を含んでもよいが、これは、図２に示されていない。）疎水性層は、液滴が表面を湿潤させることを防止する。隣接する電極の間に電圧差が印加されないとき、液滴は、回転楕円形状を維持し、疎水性表面（油および疎水性層）との接触を最小限にする。液滴が表面を湿潤させないため、それらは、その挙動が所望されるときを除いて、表面を汚染するまたは他の液滴と相互作用する可能性が低い。
誘電および疎水性機能の両方のために単一の層を有することが可能であるが、そのような層は、典型的には、（ピンホールを防止するために）結果として生じる低い誘電率を伴う厚い無機層を必要とし、それによって、液滴移動のために１００Ｖを上回る電圧を必要とする。低電圧作動を達成するために、高い静電容量のための薄い無機層を有し、かつ、上部を薄い有機疎水性層に覆われて、ピンホールを含まない方が良い。この組み合わせを用いると、従来のＴＦＴアレイによって供給されることができる範囲内である＋／－１０～＋／－５０Ｖの範囲内の電圧を伴って、エレクトロウェッティング動作を有することが可能である。
隣接する電極の間に電圧差が印加されるとき、１つの電極上の電圧は、誘電体・液滴界面における液滴内の反対電荷を引き付け、液滴は、図２に図示されるように、この電極に向かって移動する。容認可能な液滴推進のために必要とされる電圧は、誘電体および疎水性層の性質に依存する。ＡＣ駆動が、種々の電気化学による、液滴、誘電体、および電極の劣化を低減させるために使用される。ＥＷｏＤについての動作周波数は、１００Ｈｚ～１ＭＨｚの範囲内であり得るが、１ｋＨｚまたはそれよりも低い、より低い周波数が、限定された動作速度を有するＴＦＴと併用するために好ましい。
図２に示されるように、上部電極２０６は、電極上の電圧を切り替えるために使用されるＴＦＴ（図３参照）からの容量キックバックに起因する推進電極２０５上のオフセット電圧を考慮するように通常では０ボルトまたは共通電圧値（ＶＣＯＭ）に設定される単一の伝導層である。上部電極はまた、液体を横断して電圧を増加させるように印加される方形波を有することもできる。そのような配列は、上部プレート電圧２０６が、ＴＦＴによって供給される電圧に付加的であるため、より低い推進電圧がＴＦＴ接続型推進電極２０５に使用されることを可能にする。
図３に示されるように、推進電極のアクティブマトリクスは、液晶ディスプレイ内のアクティブマトリクスと非常に同様に、データおよびゲート（選択）ラインを用いて駆動されるように配列されることができる。ゲート（選択）ラインが、行単位のアドレス指定のために走査される一方で、データラインは、エレクトロウェッティング動作のために推進電極に伝達されるべき電圧を搬送する。移動が必要とされない場合、または、液滴が推進電極から離れるように移動するように意図されている場合には、０Ｖが、その（非標的）推進電極に印加される。液滴が推進電極に向かって移動するように意図されている場合、ＡＣ電圧が、その（標的）推進電極に印加される。
非晶質シリコンのＴＦＴ切替型推進電極のアーキテクチャが、図４に示される。誘電体４０８は、十分に薄く、（例えば、ＬＣＤディスプレイ用の従来の画像コントローラから利用可能である）低電圧ＡＣ駆動に適合する誘電率を有していなければならない。例えば、誘電体層は、２００～４００ｎｍのプラズマ堆積窒化ケイ素で上部をオーバーコーティングされた約２０～４０ｎｍのＳｉＯ２の層を備えてもよい。代替として、誘電体は、厚さ２～１００ｎｍ、好ましくは、厚さ２０～６０ｎｍの原子層堆積Ａｌ２Ｏ３を備えてもよい。ＴＦＴは、当業者に公知である方法を用いて、種々の電極ラインとともに、異なるようにドープされたａ－Ｓｉ構造の交互の層を作成することによって、構築される。疎水性層４０７は、誘電体層４０８にわたってスピンコーティングされることができる材料（例えば、Ｔｅｆｌｏｎ（Ｒ）ＡＦ（Ｓｉｇｍａ－Ａｌｄｒｉｃｈ，Ｍｉｌｗａｕｋｅｅ， ＷＩ）およびＣｙｔｏｎｉｘ（Ｂｅｌｔｓｖｉｌｌｅ， ＭＤ）からのＦｌｕｒｏｒＰｅｌＴＭコーティング）から構築されることができる。
本発明では、ＴＦＴ機能性を伴う第２の基板が、容量感知能力を提供するように構築され、２つの層は、２つの層の間にマイクロ流体領域を作成するスペースを用いて分離される。液滴の容量感知は、図６に示されるように、２つの電極を使用する。典型的には、ＡＣ信号が、駆動電極５０６に印加され、それによって、ＡＣ信号は、近傍の感知電極５０５上で容量結合された電圧を生成する。容量結合された信号は、外部回路によって測定され、信号の変化は、駆動電極５０６と感知電極５０５との間の材料を示す。例えば、結合された電圧は、材料間の比誘電率の差により、油２０２または水性液滴２０４が電極の間にあるかどうかに応じて、明白に異なる。（シリコーン油は、εｒ＝２．５の比誘電率を有し、エタノールは、εｒ＝２４の比誘電率を有し、水は、εｒ＝８０の比誘電率を有する。）
ＴＦＴ切替型感知電極５０５と駆動電極５０６とを含む非晶質シリコン感知層のアーキテクチャが、図５に示される。駆動電極のためのＡＣ信号は、水平に流れ、一度に１つだけのラインが、読出ラインおよび「オフ」感知電極への容量結合を最小限にするようにアクティブ化される。ＴＦＴは、完璧なスイッチではなく、「オフ」状態でさえも、ある程度の小さいコンダクタンスを有する。これは、多数のオフラインが１つの「オン」ピクセルへの類似信号を有しることができることを意味する。この理由により、駆動されている行の上にＡＣ電圧を有することのみによって、駆動されている行の上方および下方のＡＣ電圧からの容量信号を最小限にする方が良い。
図６に示されるように、感知および駆動電極は、共平面間隙セルを作成する。１つの主要な利点は、２つのプレートが正確に整合される必要がなく、または同一のピクセルピッチさえ有する必要がなく、したがって、２プレートシステムの加工が単純化されることである。相互嵌合間隙セルを使用する液滴のための容量感知の付加的詳細は、“Ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ Ｖａｒｉａｔｉｏｎ Ｉｎｄｕｃｅｄ ｂｙ Ｍｉｃｒｏｆｌｕｉｄｉｃ Ｔｗｏ－Ｐｈａｓｅ Ｆｌｏｗ ａｃｒｏｓｓ Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｉｎｔｅｒｄｉｇｉｔａｌ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ ｉｎ Ｌａｂ－Ｏｎ－Ｃｈｉｐ Ｄｅｖｉｃｅｓ”， Ｔ． Ｄｏｎｇ， Ｃ Ｂａｒｂｏｓａ， Ｓｅｎｓｏｒｓ， １５， ２６９４－２７０８， （２０１５）において見出されることができ、その全体が、参照により援用される。容量信号を検出するための回路は、増幅器、多重化スイッチを含む種々の電気的構成要素を含んでもよい。進歩した設計は、（例えば、デジタルＸ線撮像に使用される）マルチチャネル電荷センサに結合されるａ－Ｓｉ ＴＦＴのアレイを含んでもよい。“Ｆｒｏｎｔ－ｅｎｄ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ｆｏｒ ｉｍａｇｉｎｇ ｄｅｔｅｃｔｏｒｓ”， Ｇ． Ｄｅ Ｇｅｒｏｎｉｍｏ， ｅｔ ａｌ．， Ｎｕｃｌｅａｒ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｉｎ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ａ， ４７１ ｐｐ． １９２－１９９， （２００１）を参照されたい（その全体が、参照により援用される）。
いくつかの実施形態では、ＡＣ信号のための複数の独立した駆動電極を提供することが不必要である。図７に示されるように、駆動電極は、近接するが、感知電極と相互嵌合されるように配列されることができる。（図７に示される電極の全ては、同一の金属層内にあるが、それらの機能を表すように異なる色で示される。）図７では、ＡＣ信号が、表面を横断して水平に延設される単一の駆動電極に提供される一方で、種々の感知電極は、アレイを横断して「読み取られる」。典型的には、一度に１つのセンサラインのみが、「オフ」モードである駆動電極および感知電極からのＡＣ信号の間の容量結合を最小限にするように、アクティブ化される。そのようなライン毎の読出がないと、「ヌル」状態を伴う（例えば、油に結合される）多数の感知電極からの信号は、適当であるよりも大きく現れ、正しく感知する電極の信号対雑音を低減させる。代替実施形態では、上部基板は、駆動電極と、感知電極と、接地グリッドとを含んでもよい。駆動および感知電極が、上記で説明されたように、液滴感知に使用されることができる一方で、接地グリッドは、電気接地への低いインピーダンスを有する推進電極の反対側の電極表面積を提供する。
本発明は、上部駆動および感知電極に結合される回路を使用し、容量感知を提供し、それによって、デバイスが、デバイスによって操作される液滴の位置を追跡することを可能にする。しかしながら、小型感知電極にわたる液滴の容量感知からの信号もまた、比較的に小さく、したがって、１００～３００列のセンサ電極が、容認可能な信号対雑音比を取得するために必要とされ得る。デバイス全体を横断して感知電極のそのような高い密度を提供することは、高価かつ不必要である。したがって、（例えば、組み合わせ化学用の）より大型のアレイに関して、移動感知のために他の場所により低い密度を伴って、分粒のために上部プレート上に感知ピクセルの高い密度を伴う小さい局所的面積を有することが好ましい。
図８に示されるように、ＡＭ－ＥＷｏＤデバイスは、上部プレート上の種々の場所に感知電極の異なる密度を伴って作成されることができる。図８の実施形態では、液滴サイズ測定のためのアレイ上の２００ｄｐｉ高解像度面積、および、液滴移動を追跡するための１０ｄｐｉ解像度面積が存在する。図８では、センサは、１００本の測定ラインに関して幅１８１．６１ｍｍである。感知プレートの下方のＴＦＴ ＥＷｏＤ推進基板が２００ｄｐｉの一様な解像度（１インチあたりの電極）を有する場合には、液滴の移動、混合等を制御するための１，４３０行の推進電極が存在する。対照的に、デバイス全体を横断して１８０ｄｐｉの解像度を伴う１００の感知行に限定されるデバイスは、幅わずか１４．１ｍｍであり、１１１行の推進電極のみをもたらし、複雑な検定のためには小さすぎる可能性がある。したがって、異なる密度を提供することによって、より大型のデバイスが、必要感知能力の全てを伴って生産されることができる。一般に、低解像度面積が、１線形センチメートルあたり１～１５個の電極を含む一方で、高解像度面積は、１線形センチメートルあたり２０～２００個の電極を含む。典型的には、より低い密度を伴う感知電極（別名「ローレゾ」）の総面積（長さ×幅）は、より高い密度を伴う感知電極（別名「ハイレゾ」）の総面積を上回る。例えば、ハイレゾ面積と比較して、３倍以上ローレゾ面積が存在し得る。例えば、５倍以上ローレゾ面積が存在し得る。例えば、ハイレゾ面積と比較して、１０倍以上ローレゾ面積が存在し得る。
感知電極の異なる密度を使用することの付加的利益は、上部プレートの部分が、液滴のさらなる調査を可能にするように、透明または他の態様の光透過性の面積を提供されることができることである。例えば、光源を用いて上部基板を通して液滴を照明し、次いで、検出器および随意にカラーフィルタを使用して、上部基板を通した結果として生じる蛍光を観察することによって、蛍光マーカが、観察され得る。他の実施形態では、光は、上部および底部基板の両方を通過し、ＩＲ、ＵＶ、または可視波長において吸収測定を可能にし得る。代替として、減衰（減退）全内部反射分光法が、システム内の液滴の含有量および／または場所を探査するために使用されることができる。
そのようなシステムの実施形態が、図９に示され、感知電極９０５の間の間隙９１０は、約２ｍｍであり、光９１５が対物レンズ９２０から通過しかつ通過液滴９３０を照明することを可能にする。実施形態では、液滴９３０は、蛍光分子を含み、結果として生じる蛍光信号は、対物レンズ９２０を通して戻るように収集され、ダイクロイックフィルタ（図示せず）を使用して分割され、検出器（図示せず）を用いて検出される。したがって、本設計は、液滴がシステムを通して移動するにつれて、異なるタイプの情報（例えば、容量および分光の両方）が液滴について収集されることを可能にする。
図８に関して議論されるように、低解像度感知を実装するための最も単純な方法は、高解像度面積と同一の感知ピクセル設計を有するが、感知ピクセルの周囲に大きな空間を有することである。この概念は、図１０における異なる実施形態に図示される。図１０の設計を使用して、液滴が低解像度感知ピクセルの間を通過することが可能であるが、液滴制御アルゴリズムが、液滴が定期的に感知ピクセルにわたって通過することを確実にし、液滴のサイズおよび組成が監視されることを可能にするように、書かれ得る。図１０に図示されるように、低解像度ピクセルの一様な分布は、感知が利用可能である面積を劇的に増加させることを可能にする一方で、同時に、市販のドライバの使用を可能にする。代替として、いずれか１つの垂直感知ライン上の感知ピクセルの数が、一定であり得る一方で、感知ピクセルは、図１１に示されるように、段違い配置される。他のパターン（例えば、疑似ランダム）もまた、加工されかつ後にアドレス指定されなければならない感知ＴＦＴの実際の数を削減する一方で、液滴との相互作用を最大限にするために採用されてもよい。
また、図１２および図１３に示されるように、異なるように成形された電極を使用して、低解像度および高解像度感知面積を作成することも可能である。図１２は、高解像度感知面積内の正方形のピクセル、および低解像度感知面積内のより大型の長方形感知ピクセルを示す。この設計は、アレイの上および下への感知移動（すなわち、１つの細長い電極から別の細長い電極まで移動）するために効率的である。この同一の技法は、より低い解像度で液滴追跡を提供する水平および垂直細長電極の両方を作製するように実装され得る。図１３は、液滴の垂直および水平移動を検出するための垂直および水平長方形感知ピクセルを伴う低解像度面積を示す。他の幾何学的設計（例えば、螺旋）もまた、より少ない電極およびより少ないＴＦＴを用いて場所感知を促進するために使用されることができる。図１２および図１３に示されるように、液滴は、液滴作成、分割、または混合が行われる低密度領域から、これらの液滴のサイズおよび組成が評価されることができる高密度領域まで、容易に移動されることができる。
前述から、本発明は、低費用ラボオンチップ機能性を提供し得ることが分かる。特に、説明されるアーキテクチャを使用することによって、誘電体上エレクトロウェッティングシステムが、非晶質シリコン加工設備および低費用駆動電子機器を使用して作成されることができる。本発明は、ＥＷｏＤデバイスの上部および底部の両方の上の利用可能な表面を効率的に利用するが、上面および底面上の電極の整合を必要としない。
多数の変更および修正が、本発明の範囲から逸脱することなく、上記に説明される本発明の具体的実施形態において行われることができることが、当業者に明白である。故に、前述の説明の全体は、限定的な意味ではなくて例証的な意味で解釈されるものである。

Claims (16)

  1. デジタルマイクロ流体デバイスであって、
    薄膜トランジスタの第１のセットに結合される第１の複数の電極を備える第１の基板であって、前記第１の基板は、前記第１の複数の電極および前記薄膜トランジスタの第１のセットの両方を被覆する第１の誘電体層を含む、第１の基板と、
    薄膜トランジスタの第２のセットおよび駆動電極に結合される第２の複数の電極を備える第２の基板であって、前記第２の基板は、前記第２の複数の電極、前記薄膜トランジスタの第２のセット、および前記駆動電極を被覆する第２の誘電体層を含む、第２の基板と、
    前記第１の基板および前記第２の基板を分離し、前記第１の基板と前記第２の基板との間にマイクロ流体領域を作成するスペーサと、
    前記薄膜トランジスタの第１のセットに動作可能に結合され、前記第１の複数の電極の少なくとも一部に推進電圧を提供するように構成される第１のコントローラと、
    前記薄膜トランジスタの第２のセットに動作可能に結合され、前記第２の複数の電極のうちの少なくとも１つと前記駆動電極との間の静電容量を判定するように構成される第２のコントローラと
    を備える、デジタルマイクロ流体デバイス。
  2. 前記第１の誘電体層は、疎水性を有する、請求項１に記載のデジタルマイクロ流体デバイス。
  3. 前記第２の誘電体層は、疎水性を有する、請求項１に記載のデジタルマイクロ流体デバイス。
  4. 前記第１の誘電体層を被覆する第１の疎水性層と、前記第２の誘電体層を被覆する第２の疎水性層とをさらに備える、請求項１に記載のデジタルマイクロ流体デバイス。
  5. 前記第１の複数の薄膜トランジスタまたは前記第２の複数の薄膜トランジスタは、非晶質シリコンを含む、請求項１に記載のデジタルマイクロ流体デバイス。
  6. 前記第１の複数の電極は、アレイ内に配列される、請求項１に記載のデジタルマイクロ流体デバイス。
  7. 前記第１の複数の電極のアレイは、１線形センチメートルあたり少なくとも２５個の電極を含む、請求項６に記載のデジタルマイクロ流体デバイス。
  8. 前記駆動電極に結合され、前記駆動電極に時変電圧を提供するように構成される信号源をさらに備える、請求項１に記載のデジタルマイクロ流体デバイス。
  9. 前記第２の複数の電極は、幅が０．０１～５ｍｍである、請求項１に記載のデジタルマイクロ流体デバイス。
  10. 前記第２の基板は、少なくとも１つの光透過性領域を含む、請求項１に記載のデジタルマイクロ流体デバイス。
  11. 前記光透過性領域は、面積が少なくとも１０ｍｍ２である、請求項１０に記載のデジタルマイクロ流体デバイス。
  12. 前記第２の複数の電極は、第１の密度および第２の密度で配列され、前記第１の密度は、１００ｍｍ２あたり前記第２の密度より少なくとも３倍多くの電極を含む、請求項１に記載のデジタルマイクロ流体デバイス。
  13. 前記第２の複数の電極の第１の密度は、１線形センチメートルあたり２０～２００個の電極を含む、請求項１２に記載のデジタルマイクロ流体デバイス。
  14. 前記第２の複数の電極の第２の密度は、１線形センチメートルあたり１～１５個の電極を含む、請求項１２に記載のデジタルマイクロ流体デバイス。
  15. 前記第１の密度に対応する前記デバイスの面積は、前記第２の密度に対応する前記デバイスの面積よりも小さい、請求項１２に記載のデジタルマイクロ流体デバイス。
  16. 前記第２の密度に対応する前記デバイスの面積は、前記第１の密度に対応する前記デバイスの面積よりも少なくとも３倍大きい、請求項１５に記載のデジタルマイクロ流体デバイス。
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