KR20190100171A - 입자 조작을 위해 마이크로 유체 장치의 전극을 구동하기 위한 전자 구동 회로, 및 상응하는 분석 장치 - Google Patents

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Abstract

마이크로 유체 장치(1)를 위한 전자 구동 회로(20)는 상기 마이크로 유체 장치의 각 전극 또는 전극(4,6)들의 그룹을 위해서 각 구동 신호(V1,V2,V3)를 발생시키는 다수의 동기화된 구동 단(22)을 구비하고, 상기 구동 신호는 소규정 진폭, 주파수 및 위상변위를 구비한다. 각 구동 단은 클럭 신호(CK) 및 목표 신호(Vt)를 수신하고, 출력부(Out)에 각 구동 신호를 규정하는 출력 신호(Vout)를 발생시키기 위해 스위칭 모드 진폭 단(22)을 구비한다. 상기 증폭기 단은: 제1 내부 노드(N1)에 커플링되고, 선택적으로 제1 내부 노드(N1)에 제어 신호(Vc)를 제공하기 위해 상기 클럭 신호에 의해 제어되는 스위칭 모듈(23); 제1 내부 노드와 상기 출력부 사이에 커플링된 필터 모듈(25,26); 및 피드백 모듈(29)을 구비한다.

Description

입자 조작을 위해 마이크로 유체 장치의 전극을 구동하기 위한 전자 구동 회로, 및 상응하는 분석 장치
본 발명은 입자 조작을 위해 마이크로 유체 장치의 전극을 구동하기 위한 전자 구동 회로 및 상기 마이크로 유체 장치와 협력하는 상응하는 분석 장치에 관한 것이다; 특히, 이것은 일반성의 손실을 의미하지 않는다면, 상기 마이크로 유체 장치는 유전영동(dielectrophoresis)에 의해 유체에 담긴 세포들을 선택하고 분류하는 장치이다.
공지된 바와 같이, 마이크로 기계 기술은 하나의 칩 내에 챔버, 채널 또는 분리 장벽과 같은 마이크로 기계적 구조와 히터, 도전 경로, 전극 또는 프로세싱 회로와 같은 전기적 구조를 포함하는 마이크로 유체 장치의 제조를 허용한다. 마이크로 기계식 및 전기식 구조체는 외부에서 접근할 수 있는 전기적 접점 및 또한 하나 이상의 유체 주입구 및/또는 배출구를 규정하는 예를 들어, 반도체 재료, 패키징 하우스를 포함하는 하나 이상의 기판에 형성된다.
마이크로 유체 장치는 예를 들어, 세포 검사 및 분류 작업에서 분자, 세포 또는 세포 그룹, DNA 분석 또는 RNA 복제 등 입자에 복잡한 처리 작업을 수행하는 것을 허용한다. 이러한 처리 작업은 편리하게 마이크로 유체 장치와 커플링된 적절한 분석 장치에 의해 자동으로 수행될 수 있다.
종종, 마이크로 유체 장치는 분석할 입자를 포함하는 유체로 채워져 있는 소위 일회용 "카트리지(cartridge)"를 규정한다.
특히, 분석할 세포를 선택하고 분류할 수 있는 DEPArrayTM은 본 출원인에 의해 공지된 마이크로 유체 장치이다.
예를 들어, 본 출원인 명의로 미국 특허 6,942,776 B2에서 공개되었듯이, 마이크로 유체 장치는 유전영동(DEP) 즉, 중성 입자에 의한 물리 현상에 기초하는데, 비균일, 시간 정지(DC) 또는 시간 변화(AC) 전기장을 받을 때, 증가하는(pDEP) 또는 감소하는(nDEP) 필드 강도의 장소로 향하는 알짜 힘(net force)을 받을 때 이루어진다.
유전영동력의 강도는 중력과 비교한다면, 작은 입자를 부양할 수 있도록 평형이 성립될 수 있고, 따라서 동일한 입자들이 포함되어 있는 용액으로부터 추가 처리 작업에 이용될 수 있도록 분리될 수 있다.
보다 상세하게는, 도 1에서 보인 바와 같이, 1로 표시된 마이크로 유체 장치는 기판(5)에 의해 이동되는(절연 층 상에 배치, 미도시) 다수의 전극(4)들의 행 및 열로 형성된 어레이(2)를 포함한다; 예를 들어, 같은 기판(5)에 형성될 수 있는 전자 회로 소자를 어드레싱함으로써 상기 전극들(4)은 선택적으로 어드레싱될 수 있다(미도시).
상기 마이크로 유체 장치(1)는 상기 어레이(2)의 위쪽에 배치되고 상기 전극(4)들에 의하여 분리되는 상부 전극판(6)에 더 포함되고, 분석 챔버(7)가 그 사이에 규정된다.
분석될 입자(8)를 포함하는 완충 용액(buffer solution)(설명의 명료성을 위해 도 1에서 단지 하나만 도시됨)은, 예를 들어, 동일한 마이크로 유체 장치(1)(미도시)의 패키지 내에 규정된 적어도 하나의 주입구를 통해 상기 챔버(7) 내에 도입될 수 있다.
개략적으로, 상기 마이크로 유체 장치(1)의 패키지는 또한 상부 전극판(6)을 전기적으로 접촉하기 위해서, 외부에서 접근할 수 있는, 적어도 제1 접촉 패드(9a); 상기 어레이(2)의 전극들(4)의 제1 그룹을 전기적으로 접촉하기 위한 제2 접촉 패드(9b); 및 상기 어레이(2)의 전극들(4)의 제2 그룹을 전기적으로 접촉하기 위한 제3 접촉 패드(9c)를 규정한다.
전기 신호를 구동하는 위해, 예를 들어, 적당한 진폭, 주파수 및 위상변위를 갖는 정현파 모양의 주기 신호가 제1, 2, 및 각각의 3 접촉 패드(9a, 9b, 9c)를 통해 상부 전극 판(6) 및 전극(4)들의 제1 및 제2 그룹에 제공된다.
도 1에 개략적으로 도시된 바와 같이, V1, V2 및 V3으로 표시된 이들 구동 신호는 증폭기 회로 단을 포함하는 전자 구동 회로(10)에 의하여 발생된다; 상기 전자 구동 회로(10)는 예를 들어 상기 마이크로 유체 장치(1)와 협력하는 분석 장치의 일부일 수 있다.
특히, 상기 전극들(4)에 동위상(in-phase) 및 역위상(counter-phase) 주기 구동 신호를 제공함으로써, 유전체 필드, 특히 유전영동 필드 내에서, 특히 하나 이상의 독립 전위 케이지(11)는 상기 챔버(7) 내에 형성될 수 있고, 강도는 구동 신호들(V1, V2, V3)("전위 케이지(potential cage)"는 등전위면에 의해 둘러싸이고 유전영동 전위의 국소 최솟값을 포함하는 공간의 일부를 의미)의 진폭뿐만 아니라 주파수에 작용하여 달라질 수 있다.
이들 전위 케이지(11)는 상기 구동 신호들(V1, V2, V3)이 적용되는 전극(4) 들의 부분 집합을 단순히 바꿈으로써 및/또는 같은 구동 신호의 값을 변경함으로써 입자들이 지속적으로 부양하거나 상기 챔버(7) 내로 이동하는 것을 허용하도록 하나 이상의 입자(8)들을 가둔다(trap).
예를 들어, 만약 제1 전극(4)은 상부 전극 판(6)과 동위상이고 역위상 구동 신호를 수신하는 전극에 둘러싸여 있다면, 전위 케이지(11)는 같은 제1 전극(4)의 위에 형성된다. 이후에, 인접한 전극(4) 중 하나에 동위상 신호를 단순히 적용하고(소규정 움직임과 동일한 방향으로), 이후에 상기 제1 전극에 제공되는 구동 신호의 위상을 뒤집으로써, 전위 케이지(11)는 사라지고 이후에 이전 전극으로부터 1 셀-피치 떨어져 치환된 인접한 전극 위에 다시 나타난다.
이러한 작업을 반복함으로써, 포획된 입자(8)(또는 입자들)은 상기 어레이(2)의 평면 내의 인접한 위치로 이동한다. 예를 들어, 분석되는 입자(8)는 마이크로 유체 장치(1)로부터 추출된 곳으로부터 또는 동일한 입자(8)가 소규정 처리 작업을 진행할 수 있는 곳에서 픽업 위치를 향해 이동될 수 있다.
본 출원인은 마이크로 유체 장치(1)로 구성된 부하의 특별한 특성으로 인해 구동 신호들(V1, V2 및 V3)의 발생은 마이크로 유체 장치(1)의 올바른 작동 및 성능을 손상시킬 수도 있는 몇몇 이슈를 제기한다는 것을 인식하고 있다.
도 2에서 도시된 바와 같이, 전기적 관점에서, 전도성 완충용액으로 채워진 마이크로 유체 장치(1)의 활성 칩은 소위 "델타(Delta)" 구성에서 불균형 3상 비선형 저 임피던스 부하로 간주된다. 특히, 제1 임피던스(Z12)는 제1 및 제2 접속 패드(9a, 9b) 사이에서 규정된다; 제2 임피던스(Z31)는 제1 및 제3 접촉 패드(9a, 9c) 사이에서 규정된다; 및 제3 임피던스(Z23)는 제2 및 제3 접촉 패드(9b, 9c) 사이에서 규정된다.
부하의 비선형성 및 저 임피던스 특성은 무시할 수 없는 고주파 왜곡을 야기하고, 차례로 아래의 문제를 가져온다:
구동 신호들(V1, V2 및 V3) 간의 가능한 DC 오프셋 변동 초과 시간;
전기 에너지의 일부가 전위 케이지(11)를 발생시키기 위해 활성 칩 부하로 전송되지 못하고, 대신에 전자 구동 회로(10) 내에서 열을 발생시키는 형태로 소비되는(예를 들어, 줄 효과) 효율성 악화;
케이지 패턴, 완충 용액 특성 및 활성 칩 가변성에 따른 성능의 비재현성.
특히, 본 출원인은 아래의 문제를 피하기 위해서 아날로그 구동 신호들(V1, V2 및 V3)의 DC(직류) 성분들을 제어하는 것이 바람직할 수 있다는 점:
서로 인접한 두 개 이상의 전극들(4) 사이에서 DC 전압이 칩의 활성 영역 안쪽의 완충 용액 내에서 가스(예를 들어, 거품)의 생성을 야기할 수 있는 전기 분해 현상들; 및
산화-환원 현상으로 인해, DC 전압 성분이 하나 이상의 전극(4)들의 부식을 유발하여 이들의 동작을 손상시킬 수 있는 전기적 부식을 인식하고 있다.
기포의 형성과 상기 전극(4)들의 손상은 상기 마이크로 유체 장치(1) 내에서 입자들의 분류와 전달 능력에 명확하게 영향을 주고, 따라서 마이크로 유체 장치의 일반적인 성능을 손상시킨다.
또한, 본 출원인은 상기 전자 구동 회로(10) 내에서 종래의 선형 증폭기 회로(예를 들어, 클래스 AB 증폭기들)의 사용은 적어도 주어진 동작 조건에서 소규정 성능을 달성하지 못하게 할 수 있음을 알고 있다.
따라서, 본 발명의 한 목적은, 예를 들어 고주파 왜곡 및 DC 오프셋 제어 관점에서, 공지된 해결 방안의 한계를 극복할 수 있는 마이크로 유체 장치를 위한 전자 구동 회로를 제공하는 것이다.
본 발명은 첨부된 청구항에 규정된 바와 같이, 마이크로 유체 장치를 위한 전자 구동 회로 및 대응하는 분석 기구에 관한 것이다.
도 1은 관련된 전자 구동 회로를 갖는 입자 조작을 위한 마이크로 유체 장치의 일부의 개략도를 보여준다;
도 2는 마이크로 유체 장치에서 규정된 전기 부하의 전기적 표현이다;
도 3은 본 발명의 일례에 따른, 마이크로 유체 장치의 전자 구동 회로의 개략적인 블록 다이어그램이다;
도 4는 도 3의 전자 구동 회로의 증폭기 단의 개략적인 블록 다이어그램이다;
도 5는 본 발명의 가능한 구현에 따른 마이크로 유체 장치의 전자 구동 회로의 개략적인 블록 다이어그램이다;
도 6은 도 5의 전자 구동 회로의 증폭기 단의 개략적인 블록 다이어그램이다;
도 7a 및 7b는 공지된 전자 구동 회로(도 7a) 및 본 발명의 해결 방안(도 7b)에 따른 전자 구동 회로와 관련된 전기적 양의 플롯을 보여준다; 및
도 8은 마이크로 유체 장치와 작동 가능하게 커플링된 분석 기계의 개략적인 블록 다이어그램이다.
도 3은 도 1을 참조하여 논의된 마이크로 유체 장치(1)의 일례에서, 마이크로 유체 장치와 커플링된, 20으로 표시된, 전자 구동 회로를 보여주고, 여기서(도 2의 참조하여 논의되었듯이) 전기적 부하 등가 표현을 보여준다.
따라서, 마이크로 유체 장치(1)는 여기서 제1 및 제2 패드(9a, 9b) 사이의 제1 임피던스(Z12); 제1 및 제3 패드(9a, 9c) 사이의 제2 임피던스(Z31); 및 제2 및 제3 패드(9b, 9c) 사이의 제3 임피던스(Z23)를 갖는 "델타(Delta)" 구성에서 불균형 3상 비선형 낮은 임피던스 로드를 나타낸다;
예를 들어, 부하에 대해 단순화된 전기 모델에서: 제1 임피던스(Z12)는 0.5부터 40Ω 사이 값을 포함하는 저항 성분(R12) 및 24pF부터 2.4nF 사이 값을 포함하는 캐패시터 성분(C12)을 갖고; 제2 임피던스(Z31)는 0.1부터 130Ω 사이 값을 포함하는 저항 성분(R31) 및 70pF부터 7nF 사이 값을 포함하는 캐패시터 성분(C31)을 갖고; 및 제3 임피던스(Z23)는 0.01부터 1Ω 사이 값을 포함하는 저항 성분(R23) 및 0.5pF부터 50nF 사이 값을 포함하는 캐패시터 성분(C23)을 갖는다.
전술한 바와 같이, 마이크로 유체 장치(1)의 각각의 전극 또는 전극들(4, 6)의 그룹은 각 패드(9a, 9b, 9c)와 커플링된다.
마이크로 유체 장치(1)의 활성 칩의 임피던스는 비선형적이며 시간에 따라 변경되는 실수부와 허수부를 가진다.
전자 구동 회로(20)는 각 패드(9a, 9b, 9c)에 각각의 전극 또는 전극들의 그룹을 구동하기 위하여 또다시 V1, V2 및 V3으로 표시된 각각의 구동 신호를 제공하도록 설정된다.
특히, 전자 구동 회로(20)는 다수의 동기화된 스위칭 모드 증폭기 단(22), 각 구동 신호(V1, V2, V3)에 의해 구동되는 각 전극 또는 전극들의 그룹 중 하나, 또는, 아날로그적으로, 마이크로 유체 장치(1)의 각 패드(9a, 9b, 9c) 중 하나를 포함한다.
각 증폭기 단(22)은:
출력 전압(Vout)이 존재하는 마이크로 유체 장치(1)의 각 패드(9a, 9b, 9c)(및 각 전극 또는 전극들의 그룹)와 커플링되어 있는 출력부(Out)(마이크로 유체 장치(1)의 각 구동 신호를 규정);
예를 들어, 주어진 주파수(f)를 갖는 펄스 열(또는 방형파(square wave)) 신호인 클럭 신호(CK)를 수신하기 위해 설계된 제1 입력부(IN1);
출력 전압(Vout)(이하에서 명확해질)을 위하여 목표(또는 소규정) 진폭을 규정하는 특별한 전압 신호에서 목표 신호(Vt)를 수신하기 위해 설계된 제2 입력부(IN2);
즉, 출력 전압(Vout)의 부하에 의해 제공되는 구동 신호를 나타내는, 예를 들어 전압 신호, 피드백 신호(Vfb)를 수신하기 위해 설계된 피드백 입력부(INfb);를 갖는다.
특히, 피드백 신호(Vfb)가 가능한 부하에 가깝게 픽업된다; 가능한 양태에서는, 도 3에 도시된 바와 같이, 각 패드(9a, 9b, 9c)의 일례에서, 피드백 신호(Vfb)의 픽업 포인트는 마이크로 유체 장치(1)의 활성 칩 내에 위치한다.
특히, 증폭기 단(22)에 의해 수신된 클럭 신호들(CK)은 동일한 증폭기 단(22)에 의해 동작을 동기화하도록 설계된다.
상세하게, 각 증폭기 단(22)은:
제1 입력부(IN1)에 커플링된 스위칭 입력부를 갖고 클럭 신호(CK)를 수신하는스위칭 모듈(23), 제1 내부 노드(N1)에 커플링된 출력부, 제2 내부 노드(N2)에 커플링되고 제어 신호(Vc)를 수신하는 신호 입력부, 및 또한 참조 터미널과 커플링된 참조 입력부 또는 접지(GND);
특히 밴드 패스 필터 내에서, 제1 입력부(IN1)에 커플링된 입력 터미널을 갖는 복원 필터 모듈(25) 및 블로킹 캐패시터(26)를 통해 증폭기 단(22)의 출력부(Out)에 커플링된 출력 터미널; 및
증폭기 단(22)의 피드백 입력부(INfb)와 커플링된 입력부를 갖고, 그것에 의해 피드백 전압(Vfb)을 수신하기 위해 설계된 피드백 모듈(29), 동일한 증폭기 단(22)의 제2 입력부(IN2)에 커플링된 참조 입력부 및 제2 내부 노드(N2)(및 스위칭 모듈(23))에 커플링된 피드백 출력부;를 포함한다.
피드백 모듈(29)의 피드백 입력부는, 일반적으로 증폭기 단(22)의 내부가 아니라, 가능한 부하에 가깝게 위치한다; 가능한 해결 방안에 따라, 피드백 입력부는 마이크로 유체 장치(1)의 활성 칩 내에 있다.
전자 구동 회로(20)는 전원 공급 전압(VDD)을 수신하도록 설계된 공급 입력부(20a)를 구비하고, 모든 증폭기 단(22)에 공통으로, 그 오프셋 출력부에서 제어된 DC 오프셋 전압(Voff)을 발생하도록 설정된 DC 오프셋 발생기(30)를 더 포함한다(DC 오프셋 발생기(30)는 예를 들어 밴드 갭 타입과 같은 공지돈 전압 발생기를 포함할 수 있으나, 여기서 상세히 논의하지 않음.)
가능한 실시 양태에 따라서, DC 오프셋 전압(Voff)은 마이크로 유체 장치(1)의 공급 전압(VDD)의 50%와 동일하며, 예를 들어 공급 전압(VDD)이 5V 일 때 2.5V이다.
각 증폭기 단(22)은 각 오프셋 인덕터(32)를 통해 DC 오프셋 발생기(30)의 오프셋 출력부에 커플링되고, 오프셋 출력부 및 동일한 증폭기 단(22)의 출력부(Out) 사이에서 커플링 된다.
따라서, 동일한 도 3에 도시된 바와 같이, 다양한 증폭기 단(22)의 오프셋 인덕터(32)들은, 공통의 제1 터미널(DC 오프셋 발생기(30)의 출력부와 커필링된) 및 그 안에 DC 오프셋 전압(Voff)을 인가하는 각 증폭기 단(22)의 출력부(Out)에 커플링된 제2 터미널을 구비한, 소위 "Y자형(Wye)" 설정으로 연결된다.
전가 구동 회로(20)는 증폭기 단(22)의 출력부(Out)에서 소규정 주파수, 진폭, 상호 위상변위(mutual phase-shift)를 갖는 증폭기 단(22) 출력 신호(Vout)의 출력부(Out)에서 발생하도록 동작한다(논의되었듯이, 이러한 출력 신호(Vout)는 마이크로 유체 장치(1)에 구동 신호로서 제공). 가능한 일례에 따르면, 출력 신호(Vout)는 아날로그 정현파 신호이다.
특히, 각 출력 신호(Vout)의 주파수 및 위상변위 특성은 스위칭 소자(24)의 스위칭 타임을 결정하는 각 증폭기 단(22)의 제1 입력부(IN1)에 수신된 클럭 신호(CK)에 의해 결정된다.
복원 필터 모듈(25)은 출력 신호(Vout)의 소규정 동작 주파수를 중심으로 매우 좁은 밴드폭을 가지며, 따라서, 제1 내부 노드(N1)에서 이러한 기본적인 동작 주파수만 선택하여 출력부(Out)로 전송한다.
출력 신호(Vout)의 소규정 증폭기는 대신에 피드백 모듈(29)에 의해서 규정된 폐쇄 피드백 루프를 통해 각 증폭기 단(22)의 제2 입력부(IN2)에 수신된 목표 신호(Vt)에 의해 제어된다.
따라서, 특히, 피드백 모듈(29)은 피드백 신호(Vfb) 및 목표 신호(Vt) 사이의 비교에 기초하여 제어 신호(Vc)를 생성하도록 설정된다.
스위칭 모듈(23)에 의해 제공되는 제어 신호(Vc)는 스위칭 모듈(23)이 내부적으로 제1 및 제2 내부 노드(N1, N2) 사이에 커플링을 규정할 때, 제1 내부 노드(N1)에 선택적으로 제공되는 전압의 진폭을 규정한다. 따라서, 제어 신호(Vc)는 증폭기 단(22)의 제1 입력부(IN1)에 수신된 클럭 신호(CK)를 진폭 변조하여 출력 신호(Vout)의 진폭을 규정한다.
출력부(Out) 앞의 블로킹 캐패시터(26)는 복원 필터 모듈(25)의 출력부에서 임의의 의사 DC 성분을 차단하고, 오프셋 인덕터(32)를 통해 DC 오프셋 발생기(30)에 의해 제공되는 DC 오프셋 전압(Voff)이 출력 신호(Vout)에서 유일한 DC 성분을 구성한다.
특히, 고유하고 제어된 DC 오프셋 값은 다양한 증폭기 단(22)의 모든 출력 신호(Vout)에 존재한다.
더욱이, 오프셋 인덕터(32)는 AC 출력 신호(Vout)로부터 DC 오프셋 발생기(30)를 디커플링 한다는 것을 주목해야 한다.
도 4를 참조하여, 각 증폭기 단(22)의 피드백 모듈(29)로부터 가능한 회로 양태를 이후에 설명한다; 동일한 도 4에서, 클럭 신호(CK)를 수신하고 동일한 클럭 신호(CK)(0V부터 전원 공급부 전압(VDD) 사이에서 스위칭하는 신호)에 기반으로 스위칭 모듈(23)의 스위칭 입력부에 스위칭 신호를 제공하는 버퍼 증폭기(34)가 도시된다.
본 실시 양태에서, 피드백 모듈(29)은:
증폭기 단(22)의 피드백 입력부(INfb)에 커플링되고 피드백 신호(Vfb)의 하이-패스 필터를 수행하도록 설정되어 저주파를(특히 DC) 성분을 차단하는 하이-패스 필터(36);
하이-패스 필터 모듈(36)의 출력부에 커플링되고 필터된 피드백 신호(Vfb)로부터 진폭 값을 추출하도록 설정된 정류기(37);
정류기 모듈(37)의 출력부에 커플링되고 로우패스 필터 동작을 수행하도록 설정되어 출력 신호(Vout)의 진폭 값을 나타내는 비교 신호(VFB')를 발생시키는 로우 패스 필터(38);
정류기(37)로 부터 비교 신호(VFB')와 증폭기 단(22)의 제2 입력부(IN2)에서 제공되는 목표 신호(Vt)를 수신하고, 비교 신호(VFB')와 목표 신호(Vt) 사이의 차이를 기반으로 차(또는 에러) 신호(Ve)를 발생하도록 설정된 감산 유닛(39); 및
에러 신호(Ve)를 수신하고 스위칭 모듈(23)의 피드백인 제어 신호(Vc) 나타내는 조정된 DC 출력 전압을 발생시켜 입력 클럭 신호(CK) 변조하고 출력 신호(Vout)의 진폭을 설정하는 전압 변환기(40), 특히 스텝 다운 전압 변환기를 포함한다.
도 5 및 6에서 도시된 바와 같이(각각 위의 도 3 및 4에 대응함), 가능한 구현 예에서, 스위칭 모듈(23)은:
참조 터미널, 또는 접지(GND) 및 제1 내부 노드(N1) 사이에 커플되고 제1 입력부(IN1)에 커필링되고 클럭 신호(CK)를 수신하는 제어 터미널(MOSFET 트랜지스터의 게이트 터미널)을 갖는 스위칭 소자(24), 특히 트랜지스터, 예를 들어 MOSFET 트랜지스터(BJT, 또는 다른 적합한 트랜지스터);
제1 내부 노드(N1)(스위칭 소자(24)와 연결된)와 제2 내부 노드(N2) 사이에 커플링되어 제어 신호(Vc)를 수신하는 인피던스 소자(28), 특히 인덕터 소자를 포함하는 임피던스 소자를 포함한다.
이하에서 명백해질 것으로서, 이 구현 예에서는, 임피던스 소자(28)가 제1 및 제2 내부 노드(N1, N2) 사이에 커플링을 규정하고, 스위칭 소자(24)가 단선될 때(동일한 스위치 소자(24)가 단락될 때, 제2 내부 노드(N2) 대신에 접지로 연결됨) 동일한 제2 내부 노드(N2)에 제어 신호(Vc)를 선택적으로 제공한다.
전자 구동 회로(20)의 성능은 본 출원인에 의한 광범위한 시뮬레이션 및 테스트에 의해 평가되었다.
도 7a 및 7b 내 도시된 플롯을 비교함으로써, 종래 기술(도 7a 플롯)에 비하여 본 발명에 따른 전자 구동 회로(20)의 개선된 성능을 즉시 인지할 수 있다.
특히, 도 7a는 클래스 AB 증폭기를 포함하는 종래 형태의 전자 구동 회로를 나타낸다; 발생된 정현파는 강한 고조파 왜곡을 보이며, 전원 공급원으로부터 150W 이상의 최대 전력이 요구된다.
도 7b에서 도시된 바와 같이, 본 발명에 따라 전자 구동 회로(20)에 의해서 발생된 정현파는 무시할 수 있는 고조파 왜곡 및 소규정 위상변위(구동 신호(V1, V2)는 동위상 신호이고, 반면에 구동 신호(V3)는 역위상 신호임)를 보여준다. 또한, 동일한 동작 조건에서 전원 공급원으로부터 70W 미만의 최대 전력을 요구한다.
도 8에서 개략적으로 도시된 바와 같이, 전자 구동 회로(20)는 예를 들어, 마이크로 유체 장치(1)에 의해서 선택되고 분류된 세포에 대한 분석 작업을 수행하는 전자 분석 장치(50)를 포함할 수 있다.
분석 장치(50)는 분석될 입자(8)가 가라앉아 있는 완충 용액으로 채워진 마이크로 유체 장치(1)를 수용하도록 설계된 용기(51)를 제공한다.
분석 장치(50)의 제어 유닛(52)은 구동 신호(V1, V2, V3)를 동일한 마이크로 유체 장치(1)의 전극(4, 6)에 제공하기 위하여 전자 구동 회로(20)를 제어한다; 특히, 제어 유닛(52)은 수행되는 분석 작업에 따라서 클럭 신호(CK) 및 목표 신호(Vt)를 증폭기 단(22)에 제공한다.
분석 장치(50)는 마이크로 유체 장치(1)의 챔버(7) 및 챔버 내에 포함되어 있는 입자(8)를 이미지화하기 위하여 제어 유닛(52)에 의해 제어되는 이미지 장치(54)를 더 포함할 수 있다.
제어 유닛(52)은 이미징 장치(54)에 의해서 획득된 이미지를 처리하기 위하여 적절한 소프트웨어 및 디스플레이(미도시)를 통하여 마이크로 유체 장치(1) 내의 입자(8)의 사용자 시각적 묘사를 제공한다.
따라서, 관심 입자(8)는 식별되며, 동일한 입자를 마이크로 유체 장치(1)의 저장소를 향해 움직이게 하도록 적절한 구동 신호(V1, V2, V3)가 전극(4, 6)에 제공되어, 이로부터 동일한 입자(8)가 분석 장치(50)의 픽업 장치(56)에 의해 추출될 수 있다.
본 발명의 장점은 이전 논의에서 명확하게 나타난다.
특히, 논의된 폐쇄 루프 제어를 구현하는 증폭기 단(22)은 저 임피던스 활성 칩 부하에서 소개된 비선형을 최소화함으로써 전체 고조파 왜곡(THD)의 급격한 감소를 제공한다.
다양한 증폭기 단(22)의 출력부(Out)에 동시에 인가된 고유하고 제어된 DC 오프셋 전압(Voff)은 구동 신호(V1, V2, V3) 사이에서 DC 오프셋 차이를 제거하고, 따라서 전해질 및 전기 부식 현상, 가스 거품 형성 및 전극(4, 6)의 손상을 방지할 수 있다.
또한, 출력 신호(Vout)의 전기적 특성은 입력 클럭(CK)과 목표 신호(Vt)를 변화시킴으로써 편리하게 제어될 수 있고, 따라서, 구동 방안을 설정할 수 있는 간단한 방법을 제공한다(예를 들어, 프로그램 가능한 증폭기, 구동 신호(V1, V2, V3)의 주파수 및 위상변위 관점에서).
일반적으로, 본 발명은 종래 기술에 비하여: 저 임피던스 부하를 갖는 고효율; 낮은 열 손실로 인한 높은 신뢰성; 높은 열 안전성; 및 비용, 크기와 무게 감소;를 이룬다.
마지막으로, 첨부된 청구범위에서 규정된 바와 같은 본 발명의 범위를 벗어나지 않고, 발명의 설명에서 설명되고 도시된 것에 변경 및 변화가 가해질 수 있음은 명백하다.
특히, 상이한(예를 들어, 더 놓은) 수의 전극 또는 전극의 그룹을 구동할 필요가 있는 경우(이 경우 다른 전기 부하 설정을 구성할 수 있음), 전자 구동 회로(20)는 상이한(예를 들어, 더 높은) 수의 증폭기 단(22)을 포함할 수 있다는 것을 강조한다.
또한, 출력 신호(Vout)는 상이한 패턴, 예를 들어, 정현파 대신에 방형파를 가질 수 있다.
동일한 출력 신호(Vout)의 주파수는 고정되거나, 예를 들어 100kHz에서 100MHz(예를 들어, 2MHz) 사이에서 선택되거나, 또는, 예를 들어 동일한 범위 100kHz - 100MHz 내에서, 시간에 따라 가변적 일 수 있다.
대안으로, 피드백 신호(Vfb)는 마이크로 유체 장치(1)의 칩 외부의 픽업 점에서, 예를 들어, 전자 구동 회로(20)를 마이크로 유체 장치(1)의 동일한 칩에 커플링하는 인터페이스 전자 장치 내에서, 픽업될 수 있다.
또한, 논의된 전자 구동 회로(20)는 구동 신호로 전극 또는 전극 그룹을 구동하고 낮은 전체 고주파 왜곡 및 제어된 DC 오프셋을 제공하는 것이 요구되는 상이한 응용 분야에서 유리하게 사용될 수 있다는 점을 강조한다.

Claims (19)

  1. 다수의 전극(4,6)을 구비한 마이크로 유체 장치(1)를 위한 전자 구동 회로(20)로서,
    각 전극 또는 전극(4,6)들의 그룹에 대해 각 구동 신호(V1,V2,V3)를 발생하도록 설정된 다수의 동기화된 구동 단으로서, 상기 구동 신호(V1,V2,V3)는 소규정 진폭, 주파수 및 위상변위를 갖는, 구동 단을 포함하고,
    각 구동 단은 클럭 신호(CK) 및 목표 신호(Vt)를 수신하고 그 출력부(Out)에 각 구동 신호를 규정하는 출력 신호(Vout)를 발생하도록 설정된 스위칭 모드 증폭기 단(22)을 포함하고, 상기 증폭기 단(22)은:
    선택적으로 제1 내부 노드(N1)에 제어 신호(Vc)를 제공하기 위해 상기 제1 내부 노드(N1)와 커플링되고 상기 클럭 신호(CK)에 의해 제어되는 스위칭 모듈(23);
    상기 제1 내부 노드(N1)와 상기 출력부(Out) 사이에 커플링되고 상기 출력 신호(Vout)를 제공하기 위해 설정된 필터 모듈(25, 26); 및
    상기 구동 단의 피드백 입력부(INfb)에 커플링되고, 상기 각 구동 신호의 값을 나타내는 피드백 신호(Vfb)를 수신하도록 설계되고, 상기 피드백 신호(Vfb) 및 상기 목표 신호(Vt)를 비교 작용으로서, 상기 스위칭 모듈(23)을 위한 상기 제어 신호(Vc)를 발생하도록 설정된 피드백 모듈(29);을 포함하는, 전자 구동 회로.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 증폭기 단(22)의 상기 클럭 신호(CK)는 상기 각 구동 신호(V1,V2,V3)의 주파수 및 위상변위를 규정하기 위하여 설계되고; 그리고 상기 목표 신호(Vt)는 상기 각 구동 신호(V1,V2,V3)의 진폭을 규정하기 위해 설계된, 전자 구동 회로.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 피드백 모듈(29)은, 상기 스위칭 모듈(23)로 상기 제어 신호(Vc)를 피드백하고, 상기 클럭 신호(CK)를 진폭 변조하며, 그리고 이에 따라 상기 출력 신호(Vout)의 진폭을 정의하도록 설정되는, 전자 구동 회로,
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 필터 모듈(25, 26)은, 상기 출력 신호(Vout), 및 상기 밴드 패스 필터(25)의 상기 출력부에서 임의의 DC 성분을 차단하도록 설정된 블로킹 캐패시터(26)의 동작 주파수를 선택하도록 설정된 밴드 패스 필터(25)를 포함하는, 전자 구동 회로.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 각 구동 신호(V1,V2,V3)의 제어된 DC 오프셋 값을 정의하기 위해, 상기 증폭기 단(22)의 상기 출력부(Out)에 인가되는 고유한 오프셋 전압(Voff)을 생성하도록 설정된, 모든 상기 증폭기 단(22)과 커플링된 오프셋 발생기(30)를 더 포함하는, 전자 구동 회로.
  6. 제5항에 있어서,
    각각의 상기 증폭기 단(22)을 위한 오프셋 인덕터(32)로서 상기 증폭기 단(22)의 상기 오프셋 인덕터(32)는 상기 오프셋 발생기(30)의 출력부에 커플링된 공통의 제1 터미널을 갖는 오프셋 인덕터 및 각각의 상기 증폭기 단(22)의 상기 출력부(Out)에 커플링된 제2 터미널을 더 포함하는, 전자 구동 회로.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 피드백 모듈(29)은: 상기 증폭기 단(22)의 상기 피드백 입력부(INFB)에 커플링되고, 상기 피드백 신호(VFB)의 작용으로서 비교 신호(VFB')를 제공하도록 설정된 필터-및-정류 모듈(36-38); 상기 비교 신호(VFB') 및 상기 목표 신호(Vt)를 수신하고, 상기 비교 신호(VFB')와 상기 목표 신호(Vt)간 차이를 기반으로 에러 신호(Ve)를 발생하도록 설정된 감산 유닛(39); 및 상기 감산 유닛(39)의 출력부에 커플링되고, 상기 에러 신호(Ve)를 기반으로 상기 제어 신호(Vc)를 발생하도록 설정된 전압 변환기(40);를 포함하는, 전자 구동 회로.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 필터-및-정류 모듈(36-38)은: 상기 증폭기 단(22)의 상기 피드백 입력부(INFB)에 커플링된 하이 패스 필터(36); 상기 하이 패스 필터(36)의 출력부에 커플링된 정류기(37); 및 상기 정류기(37)의 출력부에 커플링된 로우 패스 필터(38);를 포함하는, 전자 구동 회로.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 증폭기 단(22)의 상기 스위칭 모듈(23)은:
    참조 터미널(GND)과 상기 제1 내부 노드(N1) 사이에 커플링되고, 상기 클럭 신호(CK)를 수신하도록 설계된 제어 터미널을 갖는 스위칭 소자(24); 및
    상기 제1 내부 노드(N1)와 상기 제어 신호(Vc)를 수신하도록 설계된 제2 내부 노드(N2) 사이에 커플링되는 임피던스 소자(28);를 포함하고,
    상기 피드백 모듈(29)은 상기 구동 단의 상기 피드백 입력부(INFB)와 제2 내부 노드(N2) 사이에 연결되고, 상기 제2 내부 노드(N2) 상에 상기 제어 신호(Vc)를 발생하도록 설정되는, 전자 구동 회로.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 임피던스 소자(28)는 인덕터 소자를 포함하는, 전자 구동 회로.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 마이크로 유체 장치(1)는 상기 전자 구동 회로(20)를 위해서 비선형 가변 임피던스 부하를 규정하는, 전자 구동 회로.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 구동 신호(V1,V2,V3)는, 상기 구동 신호(V1,V2,V3)의 주파수, 시간변위 및 진폭의 작용으로서, 상기 마이크로 유체 장치(1)의 상기 전극(4,6)들에 유전체 필드를 발생하도록 설계되는, 전자 구동 회로.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 유전체 필드는 유전영동 필드인, 전자 구동 회로.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 유전영동 필드는 상기 마이크로 유체 장치(1)에 포함된 유체에 담긴 하나 이상의 입자(8)를 포획하도록 설계된 닫힌 유전영동 전위 케이지(11)를 규정하는, 전자 구동 회로.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 증폭기 단(22)의 출력부(Out)는 상기 마이크로 유체 장치(1)의 각 전극 또는 전극(4,6)들의 그룹과 전기적으로 접촉하는 각 접점 패드(9a,9b,9c)에 커플링되도록 설계된, 전자 구동 회로.
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 피드백 신호(VFB)는 상기 마이크로 유체 장치(1) 내에서 픽업되도록 설계된, 전자 구동 회로.
  17. 자동화된 분석 장치(50)에 있어서,
    상기 마이크로 유체 장치(1)에 포함된 유체에 담긴 하나 이상의 입자(8)에 대한 분석 및/또는 분리 작업을 수행하기 위해 상기 마이크로 유체 장치(1)와 협력하도록 설정되고, 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 기재된 상기 전자 구동 회로(20)를 포함하는, 자동화된 분석 장치(50).
  18. 제16항에 있어서,
    상기 구동 회로(20)를 제어하고 상기 증폭기 단(22)에 상기 클럭 신호(CK) 및 목표 신호(Vt)를 제공하도록 설정된 제어 유닛(52)을 포함하는, 전자 구동 회로.
  19. 마이크로 유체 장치(1)에 있어서,
    상기 마이크로 유체 장치는 유체에 담긴 입자(8)를 조정하도록 설정되고, 상기 마이크로 유체 장치(1)는 기판(5)에 이동되는 의해 전극(4)의 어레이(2), 상기 어레이(2) 위에 매달려 정렬된 전극 판(6), 상기 어레이(2) 및 상기 전극 판(6) 사이에 규정된 상기 유체를 포함하는 분석 챔버(7)를 포함하고, 상기 마이크로 유체 장치(1)는 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 따른 상기 전자 구동 회로(20)와 협력하도록 설정되고;
    상기 구동 신호(V1,V2,V3)는 전극 또는 전극(4,6)들의 그룹을 구동하고, 상기 구동 신호(V1,V2,V3)의 주파수, 시간변위 및 진폭의 작용으로서, 상기 전극(4)에 유전체 필드를 발생하도록 설계되는, 마이크로 유체 장치.
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