TW201629489A - 使用決定通道中的可動微滴位置的控制系統的感應器及相關的方法 - Google Patents

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Abstract

揭露使用控制系統以決定通道內可移動微滴位置的感應器及其相關方法。感應器包含：支撐於一基板上的一通道內的一可移動微滴。該微滴可移動至通道中的一靜止點及由該靜止點移動，至少部分地藉由疏水層(hydrophobic layer)形成該通道。藉由包含具有疏水性特徵(根據與靜止點的距離減少)的疏水層，微滴可回應於外力移動至靜止點外部的一置換位置。感應器的控制系統基於該置換位置決定感應器的加速度及/或角度位置。在此方式中，可使用/不使用昂貴的奈米結構製造低成本的感應器。

Description

使用決定通道中的可動微滴位置的控制系統的感應器及相 關的方法
本揭示案之實施例一般相關於感應器，且特定地相關於微流體裝置，以決定加速度及/或角度傾斜位置。
隨著帶有額外計算功率的電子裝置的發展，對於改良使用者經驗的使用者介面之裝置有增加的需求。可根據情境藉由更好的取得情境感知及改變可傳達或接收資料的方式來改良使用者介面。例如，當電腦顯示器被旋轉(例如90度或180度)，電腦顯示器中的感應器可感應新的角度位置並改變顯示於監視器上的資訊的傾向以與新的角度位置一致。相似地，行動裝置可使用感應器，例如，如加速度計服務計步器以決定走路速度、如用於電動遊戲的使用者介面、及如震動感應器以通知使用者某極端的動作可能損壞裝置之風險。隨著電子裝置的成本減少，也有針對不昂貴感應器以使用於電子裝置的需求。需要較低成本之感應器以量測電子裝置的加 速度及/或角度位置，該等感應器可使用於改良使用者介面且不依賴昂貴的奈米科技技術。
於此揭露之實施例包含使用控制系統以決定通道內可移動微滴位置的感應器及其相關方法。感應器包含：支撐於一基板上的一通道內的一可移動微滴。該微滴可移動至通道中的一靜止點及由該靜止點移動，至少部分地藉由疏水層(hydrophobic layer)形成該通道。藉由包含具有疏水性特徵(根據與靜止點的距離減少)的疏水層，微滴可回應於外力移動至靜止點外部的一置換位置。感應器的控制系統基於該置換位置決定感應器的加速度及/或角度位置。在此方式中，可使用/不使用昂貴的奈米結構製造低成本的感應器。
在一個實施例中，揭露一感應器。該感應器包含一基板，該基板具有沿著一通道的一縱軸安置的複數個第一電極。該感應器包含一疏水層，該疏水層形成該通道的至少一部分。該感應器也包含一第二電極，該第二電極由該基板支撐，其中該通道設置於該第二電極及該複數個第一電極之間。該感應器也包含一微滴，該微滴設置於該通道內。該微滴回應於一外力在該通道內移動至一置換位置。該感應器也包含一控制系統，該控制系統電性地耦合至該複數個第一電極及該第二電極，且該控制系統經配置以決定在該置換位置處該微滴的位 置資訊。在此方式中，可提供低成本感應器，其中避免了形成微電機系統(MEMS)零件的額外製造費用。
在另一實施例中揭露一方法。該方法包含以下步驟：在被該感應器的一控制系統引導時，使用一電潤濕力來移動一微滴至該感應器的一通道內的一靜止點。該方法也包含以下步驟：回應於一外力，移動該微滴至該通道內的一置換位置，同時該微滴保持與一疏水層接觸。該方法也包含以下步驟：基於來自沿著該通道設置的複數個第一電極及一第二電極的電信號，使用該控制系統以決定在該置換位置處該微滴的位置資訊。在此方式中，可使用位置資訊以決定加速度或角度位置。
在另一實施例中揭露一加速度計。該加速度計包含一基板，該基板包含沿著一縱軸依序安置的複數個第一電極，該縱軸由一第一端延伸至與該第一端相對之一第二端，其中沿著該縱軸的該複數個第一電極之相鄰電極之中央以一距離分隔開，該距離處於由150微米至1.2毫米的一範圍。該加速度計也包含一疏水層，該疏水層形成該通道的至少一部分。該加速度計也包含一第二電極，該第二電極由該基板支撐，其中該通道設置於該第二電極及該複數個第一電極之間。該加速度計也包含一微滴，該微滴設置於該通道內，其中該微滴回應於一外力在該通道內移動至一置換位置。該加速度計也包含控制系統，該控制系統電性地耦合至該複數個第一電極及該第二電極，且該控制系統經配置以在該複數個 第一電極及該第二電極之間應用一電場，以在複數個週期之每一者的開始處使用一電潤濕力而移動該微滴至該通道內的一靜止點，該控制系統進一步經配置以決定在該複數個週期之每一者期間在該置換位置處該微滴的位置資訊，及決定該感應器導因於針對該複數個週期之每一者的該外力的一加速度。在此方式中，可藉由加速度計決定加速度，而無須昂貴的可移動奈米結構。
將在隨後的說明書細節中提出額外的特性及優點，由說明書或藉由實現於此描述的實施例來確認，部分將對發明領域具有通常知識者而言為顯而易見的，包含隨後的說明書之細節、申請專利範圍、及所附圖式。
應理解：前述一般描述及隨後的細節描述皆呈現實施例，且意圖提供用於理解本揭示案的本質及特色的概述或框架。包含伴隨的圖式以提供進一步的理解，該等圖式併入且構成此說明書的一部分。圖式圖示多種實施例，與說明書一起服務以說明所揭露概念的原則及操作。
100‧‧‧電子裝置
102‧‧‧感應器
104‧‧‧資訊顯示器
106‧‧‧使用者
108‧‧‧臂帶
110X、110‧‧‧微滴
112X、112Y、112‧‧‧通道
114‧‧‧裝設介面
116X、116Y、116Z‧‧‧子組件
118A、118‧‧‧控制系統
120‧‧‧功率供應
122‧‧‧電接地
124A‧‧‧第一端
124B‧‧‧第二端
126‧‧‧靜止點
128‧‧‧置換位置
132‧‧‧電極
134‧‧‧第二電極
135‧‧‧第二疏水層
136‧‧‧第一疏水層
200X‧‧‧基板
201‧‧‧介電層
204‧‧‧間隔器
206‧‧‧電腦處理器
208‧‧‧記憶體裝置
210‧‧‧薄膜電晶體
212‧‧‧第一命令線
214‧‧‧第二命令線
300‧‧‧測試電極
302‧‧‧電場
304A‧‧‧形狀
304B‧‧‧形狀
306A‧‧‧表面
306B‧‧‧表面
308‧‧‧疏水層特徵
310‧‧‧微尺度突出物
312‧‧‧奈米尺度突出物
400‧‧‧方法
400a、402a、402b、402c、402d、402e‧‧‧操作
500‧‧‧感應器
於是上述本揭示案特徵的方式可以詳細理解，可藉由參考實施例而具有本揭示案的更特定描述(簡短總結如上)，其中一些圖示於所附圖式中。然而，注意所附圖式僅圖式示範的實施例，因此不考慮限制其範圍，且可允許其他等效實施例。
第1A圖為示範電子裝置的頂部透視視圖，該電子裝置具有示範感應器，該感應器包含控制系統及至少一個基板，該基板具有通道，其中該控制系統回應於外力決定可移動的微滴的位置，以自微滴對該等外力的位置回應來決定傾斜及/或加速度之至少一者；第1B圖為第1A圖的感應器之通道內的示範微滴的側截面示意視圖，其中微滴設置於靜止點處，且控制系統經配置以基於來自複數個第一電極及第二電極的電信號來決定微滴的位置資訊；第1C圖為第1B圖的通道內的微滴的側截面示意視圖，其中微滴回應於外力由靜止點移動；第1D圖為第1C圖的通道內的微滴的側截面示意視圖，描繪使用電潤濕力藉由控制系統將微滴返回至靜止點；第2A圖為至少一個基板之一者的頂部透視部分截面視圖，該基板具有第1A圖的感應器之複數個通道、控制系統、及功率供應；第2B圖為在形成疏水層前第2A圖之至少一個基板之一者的頂部視圖，其中圖示了可藉由控制系統的指令應用電壓位能之第一電極的陣列；第3A圖為由疏水層支撐的微滴的側截面示意視圖，描繪第1B圖的微滴在第一電極及第二電極應用電場於該微滴之前及之後的形狀； 第3B圖為第1B圖的微滴之側截面示意視圖，藉由電潤濕力沿著第1A圖的感應器之疏水層推進該微滴，該電潤濕力係導因於藉由複數個第一電極及第二電極應用於該微滴的不對稱電場；第3C圖為描繪相關於描繪於第3B圖中的感應器之靜止點的疏水層之疏水性特徵的圖表；第4圖為用於操作第1A圖的感應器之示範處理的流程圖表；第5A圖為一感應器之另一實施例之示範通道的側截面視圖，圖示了設置於靜止點的微滴及控制系統，該控制系統經配置以在重力應用於微滴時，基於來自複數個第一電極及第二電極的電信號來決定微滴的位置資訊；第5B圖為使用第5A圖的感應器之微滴的側截面視圖，該感應器處於傾斜位置以產生應用於微滴且平行於第一疏水層的疏水表面的重力分量；第5C圖為第5B圖的微滴及感應器的側截面視圖，描繪在平行於疏水表面的重力分量完全被來自感應器的潤濕力對抗時，微滴在置換位置處處於靜態位置；第5D圖為第5C圖的微滴及感應器的側截面視圖，描繪藉由使用電潤濕力將微滴返回靜止點，該電潤濕力係導因於應用於複數個第一電極的其中之預先決定的電極及該第二電極之間之微滴的不對稱電場。
為了便於理解，盡可能使用相同元件符號，以標示圖式中常見的相同元件。思量揭露於一個實施例中的元件及特性可有利地併入其他實施例，而無須進一步敘述。
現在參考實施例的細節，在伴隨的圖式中圖示了該等實施利的範例，展示其中一些但非所有實施例。事實上，可用許多不同形式來體現概念且不應詮釋為限制於此。當可能時，使用類似的參考數字以指稱類似的構件或零件。
此處所揭露實施例包含使用控制系統以決定通道內可移動微滴之位置的感應器及其相關方法。感應器包含支撐於一基板上的一通道內的一可移動微滴。該微滴可移動至通道中的一靜止點及由該靜止點移動，至少部分地藉由疏水層形成該通道。藉由包含具有疏水性特徵(根據與靜止點的距離減少)的疏水層，微滴可回應於外力移動至靜止點外部的一置換位置。感應器的控制系統基於該置換位置決定感應器的加速度及/或角度位置。在此方式中，低成本的感應器可使用/不使用昂貴的奈米結構製造。
在此考量下，第1A圖為示範電子裝置100的頂部透視視圖，電子裝置100具有接合至電子裝置100的示範感應器102。感應器102決定電子裝置100的加速度，導因於應用至感應器102的外力F2。在此範例 中，電子裝置100可為帶有資訊顯示器104的行動裝置，且可使用電子裝置100於改變電子裝置100的移動(或加速度)係回應於外力F2而決定之應用中。外力F2的範例可包含重力、加速度及/或減速度力。在描繪於第1A圖中的示範實施例中，電子裝置100由使用者106經由臂帶108來支撐，臂帶108可將外力F2通知給電子裝置100及接合至電子裝置100的感應器102。當外力F2應用至電子裝置100，感應器102的微滴110X(1)至110X(N2)在通道112X(1)至112X(N2)內回應移動，該等通道具有預先決定的相對於彼此的方向傾向。感應器102使用回應於所應用外力F2的微滴110X(1)至110X(N2)之改變的位置資訊來決定感應器102平行於通道112X(1)至112X(N2)之縱軸A0的加速度，例如，在X方向上。
感應器102經由裝設介面114接合。感應器102的構件可藉由電子裝置100的裝設介面114來支撐。感應器102包含至少一個子組件116X及控制系統118。可使用其他子組件116Y、116Z以決定不同方向上的加速度，例如，Y方向及Z方向上。感應器102可電性地耦合至裝設介面114，裝設介面114可提供電功率供應120及電接地122，或在另一範例中，電功率供應120及電接地122可為感應器102的部分且與電子裝置100的裝設介面114電性解耦。在此方式中，感應器102接收電功率。
至少一個子組件116X藉由外力F2來決定應用至感應器102的加速度。在第1A圖所展示的實施例中，可使用子組件116X至116Z以提供可量測回應給感應器102相對於X、Y、Z軸之個別角度傾向的改變，及/或決定在個別之X、Y、Z軸上應用至感應器102的加速度(或減速度)。特定地，子組件116X可經配置以提供針對沿著X軸的加速度分量之可量測回應。子組件116Y可經配置以提供針對沿著Y軸的加速度分量之可量測回應。子組件116Z可經配置以提供針對沿著Z軸的加速度分量之可量測回應。在此方式中，可使用感應器102以提供多個軸X、Y、Z上的可量測回應，以決定感應器102對在三維中定義的外力F2的加速度。
為了圖示的目的，現在介紹子組件116X，相似的討論可應用於子組件116Y、116Z。子組件116X包含一個或更多個通道112X(1)至112X(N2)，該等通道可沿著傾向於沿著X軸的個別縱軸A0由第一端124A延伸至相對於子組件116X的第一端124A的第二端124B。通道112X(1)至112X(N2)之每一者具有設置於該等通道中的個別的微滴110X(1)至110X(N2)。微滴110X(1)至110X(N2)可回應於導因於應用至感應器102的外力F2的加速度而沿著個別通道112X(1)至112X(N2)的縱軸A0移動。感應器102的控制系統118回應於外力F2來決定微滴110X(1)至110X(N2)的其中一者或多者之位置資訊。控制系統118可接著使用位 置資訊以決定沿著X方向的加速度，例如使用查表或演算法的方式。
子組件116Y、116Z個別包含傾向沿著Y軸及Z軸的通道112Y(1)至112Y(N2)、112Z(1)至112Z(N2)。為了討論的簡化及效應，描繪子組件116X的通道112X(1)至112X(N2)為平行，但應認知子組件116X至116Y的個別通道可併入單一子組件(未展示)，以提供如分開提供的子組件116X至116Z的相同功能。在子組件116X中討論的特性與在子組件116Y、116Z中的特性相似，除了相對於X、Y、Z軸的方向傾向外。
第1B圖為微滴110X(2)的側截面示意視圖，微滴110X(2)設置於子組件116X的通道112X(2)內的靜止點126(2)處。可就控制系統118及子組件116X的通道112X(2)內之微滴110X(2)之間的互動來討論感應器102的原理。靜止點126(2)為通道112X(2)內的一位置。回應於較晚發生的外力F2(第1C圖)，可藉由控制系統118決定沿著通道112X(2)的縱軸A0的微滴110X(2)至置換位置128之移動。控制系統118基於置換位置128決定感應器102的加速度。
接續的參考第1B圖，子組件116X包含電極以監視微滴110X(2)的位置資訊，及將微滴110X(2)返回至靜止點126(2)以準備後續的加速度之決定。在此考量下，在複數個第一電極132(1,2)至132(NX,2)及 第二電極134之間設置通道112X(2)及其中的微滴110X(2)。控制系統118可電性地連接至功率供應120及電接地122兩者。沿著通道112(2)設置第一電極132(1,2)至132(NX,2)，例如，以順序的圖案以供有效的微滴110X(2)移動。第二電極134沿著通道112X(2)的長度延伸且可有相同的電壓位能如電接地。基於微滴110(2)的位置，改變第二電極134及最靠近微滴110X(2)之多個第一電極132(1,2)至132(NX,2)之間的電容。控制系統118基於多個第一電極132(1,2)至132(NX,2)的位置資訊(基於改變的電容)來決定微滴110X(2)的位置。在第1B圖描繪的範例中，控制系統118決定在第一電極132(4,2)及第二電極134之間發生改變的電容。在此方式中，控制系統118可確認微滴110X(2)處於靜止點126(2)處且可藉由接收外力F2以供決定後續的加速度。
第1C圖為第1B圖的通道112X(2)內的微滴110X(2)的側截面示意視圖，其中微滴110X(2)回應於應用於感應器102的外力F2由靜止點126(2)移動至置換位置128。例如，外力F2可為當使用者106在活動中占用時藉由臂帶108(第1A圖)傳輸的加速度力。當外力F2應用至感應器102時，外力F2直接沿著通道112X(2)的縱軸A0之至少一分量造成微滴110X(2)由靜止點126(2)移動至置換位置128。在此考量下，微滴110X(2)在與外力F2之分量相反且平行於縱軸A0的方 向上沿著通道112X(2)移動，因為應用至微滴110X(2)的慣性力F3等於外力F2。來自與微滴110X(2)接觸的第一疏水層136的潤濕力F1抵抗微滴110X(2)遠離靜止點126(2)的移動。第一疏水層136提供增加的遠離靜止點126(2)的潤濕力F1的量，且限制微滴110X(2)至置換位置128的移動，當潤濕力F1變得足以停止通道112X(2)內微滴110X(2)的移動時，置換位置128位於與靜止點126(2)距離D4處。可藉由建立第一疏水層136的疏水性特徵308(第3C圖)以沿著通道112X(2)的中央軸A0預先決定潤濕力F1，第一疏水層136沿著通道112X(2)的縱軸A0改變，如本揭示案中稍後之討論。在此方式中，距離D4可與外力F2的強度相關聯且由控制系統118使用以決定感應器102的加速度。
經由監視電容來達成距離D4的決定。控制系統118藉由量測電容的改變(例如，第一電極132(6,2)及第二電極134之間)來決定微滴110X(2)距離D4處的位置。控制系統118也可藉由決定第一電極132(6,2)及第二電極134之間所量測的電容是否達到預先決定的準則，來決定微滴110X(2)在距離D4處是否為靜態。預先決定的準則可為如：與第一電極132(6,2)相關連的電容持續一臨界時間保持於預先決定的電容範圍內。臨界時間可為如由一百(100)至三百(300)微秒的範圍 中。當符合預先決定的準則時，接著控制系統118可使用距離D4的位置資訊以決定導因於外力F2的加速度。
可藉由將微滴110X(2)返回至靜止點126(2)來完成後續的加速度之決定。在此考量下，第1D圖為第1C圖的通道112X(2)內的微滴110X(2)的側截面視圖，描繪藉由控制系統118將微滴110X(2)返回至靜止點126(2)。控制系統118可策劃控制信號以傳送至第一電極132(1,2)至132(NX,2)，以基於電潤濕力F4將微滴110X(2)返回至靜止點126(2)。一旦微滴110X(2)返回至靜止點126(2)，接著可移除電潤濕力F4以產生與上述第1B圖中所討論相同的情況。在此方式中，加速度的後續決定可基於不同的外力F2之應用而在放置微滴110X(2)以再次移動時發生。可根據控制系統118可用的基於電腦的指令重複此週期。
現在提供感應器102的子組件116X之操作的簡短討論，現在討論子組件116X及控制系統118的特性細節。在此考量下，第2A圖為子組件116X之頂部透視截面視圖。子組件116X包含一基板200X，可於基板200X上由第一疏水層136、第二疏水層135及間隔器204形成通道112X(1)至112X(N2)。可製造第一疏水層136、第二疏水層135及間隔器204以使用傳統微影科技及奈米科技處理(如可使用於半導體及平坦螢幕顯示器製造)由基板200X支撐(直接或間接)。基板200X可包括，例如，包含矽、玻璃、及/或石英。通道112X(1) 至112X(N2)之每一者經配置以沿著通道112X(1)至112X(N2)之個別縱軸A0引導該等通道中個別的微滴110X(1)至110X(N2)。通道112X(1)至112X(N2)也經配置以保持微滴110X(1)至110X(N2)分開。間隔器204也可阻斷於第一端124A及第二端124B處的通道112X(1)至112X(N2)之每一者的相對端，以防止個別的微滴110X(1)至110X(N2)逃離通道112X(1)至112X(N2)。第一疏水層136及第二疏水層135藉由修改潤濕力致能微滴110X(2)沿著縱軸A0有效的移動。第一疏水層136及第二疏水層135，及間隔器204可包括如聚四氟乙烯(PTFE)、分相化學硬化玻璃粉末、陶瓷顆粒、矽藻土、氟化有機化合物、矽、矽氧烷及溶膠凝膠材料(包含金屬氧化物)。陶瓷顆粒可例如包含奈米顆粒。陶瓷顆粒也可包含例如以下至少一者：氧化鋁及氧化鋅。疏水塗覆可具有有效的接觸角度(於靜止點126(1)至126(N2)內至少90度)。在此方式中，微滴110X(1)至110X(N2)可相對簡單地回應於外力F2經由通道112X(1)至112X(N2)移動。
設置通道112X(1)至112X(N2)於第一電極132(1,1)至132(NX,N2)及第二電極134之間，如下方更詳細的討論，致能通道112X(1)至112X(N2)內個別微滴之位置的移動及感應。通道112X(1)至112X(N2)之每一者的高度D1可為由150微米至750微米的範圍中，且通道112X(1)至112X(N2)之每一者 的寬度D2可為由25微米至1.5毫米的範圍中。高度D1的減低及寬度D2的增加增加了第一電極132(1,1)至132(NX,N2)之每一電極及第二電極134之間的電容，以致能對微滴110X(1)至110X(N2)的位置之更高的感應度。可設置介電層201相鄰於第二疏水層135以提供保護以對抗來自電子裝置100的電串擾及其他電干擾。
應注意沿著個別縱軸A0的第一電極132(1,1)至132(NX,N2)之相鄰電極的中央可以一距離D3分隔開。距離D3可為由150微米至1.2毫米的一範圍中，且可根據感應器102的需求調整。在操作感應器102期間，微滴110X(1)至110X(N2)之每一者具有足夠大小以沿著縱軸A0橫跨第一電極132(1,1)至132(NX,N2)之相鄰電極的中央，且也填滿通道112X(1)至112X(N2)之個別通道的橫截面而正交於個別縱軸A0。根據地，微滴110X(1)至110X(N2)之每一者可在操作期間鄰接對抗間隔器204、第一疏水層136及第二疏水層135。微滴110X(1)至110X(N2)可包括流體，該流體包括離子或極性分子，例如水。在此方式中，可藉由通道112X(1)至112X(N2)沿著縱軸A0使用電潤濕力F4以引導微滴。
可藉由控制系統118使用第一電極132(1,1)至132(NX,N2)及第二電極134以定位及移動微滴110X(1)至110X(N2)。控制系統118包括電腦 處理器206及記憶體裝置208。電腦處理器206可執行需要的處理器指令以決定個別通道112X(1)至112X(N2)內微滴110X(1)至110X(N2)的位置資訊，及決定微滴110X(1)至110X(N2)的位置資訊，如稍後討論。記憶體裝置208可為動態隨機存取記憶體(DRAM)，以儲存處理器指令以操作感應器102及致能由電腦處理器206取回該等處理器指令。
第2B圖為在基板中形成第一疏水層136前第1A圖之至少一個基板之一者的頂部視圖，描繪了第一電極132(1,1)至132(NX,N2)的示範陣列，可藉由控制系統118的指令應用該等電極之電壓位能。藉由應用電壓位能於第一電極132(1,1)至132(NX,N2)之個別電極，可在第二電極134及第一電極132(1,1)至132(NX,N2)之個別電極之間形成局部的電場。局部的電場可在通道112X(1)至112X(N2)內移動微滴110X(1)至110X(N2)。為了在第一電極132(1,1)至132(NX,N2)之個別電極處應用電壓位能，第一電極132(1,1)至132(NX,N2)之每一者電性地連接至複數個薄膜電晶體210(1,1)至210(NX,N2)之個別電晶體。控制系統118經由第一命令線212及第二命令線214以提供電信號至薄膜電晶體210(1,1)至210(NX,N2)之個別電晶體，而致能薄膜電晶體210(1,1)至210(NX,N2)之個別電晶體以應用電壓位能於第一電極132(1,1)至132(NX,N2)之個別電極。 例如，薄膜電晶體210(1,1)至210(NX,N2)之基底(或閘極)可經由「AND」數位邏輯閘(未展示)電性地連接至第一或第二命令線212、214。控制系統118可藉由傳送電信號至第一或第二命令線212、214之個別命令線(該等命令線與薄膜電晶體210(1,1)至210(NX,N2)之其中一者相交，該等薄膜電晶體與關注的第一電極132(1,1)至132(NX,N2)之其中一者相關聯)，來策劃電壓位能以應用至第一電極132(1,1)至132(NX,N2)之其中一者。控制系統118也可改變經由第一或第二命令線212、214傳送至薄膜電晶體210(1,1)至210(NX,N2)之個別電晶體的電信號，以將應用於第一電極132(1,1)至132(NX,N2)之個別電極的電壓位能減少至例如，相同或實質相似於第二電極134的電壓位能。在此方式中，可藉由控制系統118來改變應用至第一電極132(1,1)至132(NX,N2)之個別電極之所應用的電壓位能，以改變應用至通道112X(1)至112X(N2)的電場以移動微滴110X(1)至110X(N2)。
控制系統118指示電壓位能以應用至第一電極132(1,1)至132(NX,N2)且依賴電潤濕力F4以將微滴110X(1)至110X(N2)返回至靜止點126(1)至126(N2)以用於後續加速度之決定。第3A圖為移除間隔器204及第二疏水層135而由第一疏水層136支撐的微滴110X(2)的側截面示意視圖。為了簡化，在第3A 圖中第二電極134被測試電極300取代。將電場302描繪為：以第一電極132(4,2)、132(5,2)及測試電極300之間的電壓位能差V1應用至微滴110X(2)。可藉由功率供應120提供電壓位能差V1。電場302改變微滴110X(2)：從具有與第一疏水層136呈接觸角度θ0之形狀304A，至具有與第一疏水層136呈接觸角度θv之形狀304B。形狀304A在沒有電場302時主要由微滴之表面張力決定。在應用電壓位能V1至第一電極132(4,2)、132(5,2)而造成電場302之後，微滴110X(2)的接觸角度變形成接觸角度θv。
第一疏水層136為介電性，且在第一疏水層136的表面306A處建立電荷，表面306A相對於面對電極132的表面306B設置。具有被吸引至應用至電極132的電壓位能之電荷的微滴110X(2)之偶極及/或離子移動更靠近第一疏水層136的表面306A且造成微滴及表面306A之間的介面張力之減少。介面張力之減少增加了對θv的接觸角度且在不對稱地引導時可移動微滴110X(2)。然而，當曝露於對稱電場時，微滴的相對側上對θv增加的接觸角度導致：當中央保持靜態且微滴110X(2)「平坦化」成為形狀304B時(如第3A圖中所描繪)，微滴110X(2)之淨零移動。然而，當微滴跨立於多於一個具有不同電壓位能的第一電極132(1,2)至132(NX,2)因而對微滴110X(2)提供不對稱電場，接 著微滴110X(2)的中央沿著第一疏水層136移動或推進。
如移動微滴110X(2)的一範例，第3B圖為第1B圖的微滴沿著通道112X(2)的中央軸A0及第1A圖的感應器102之子組件116X之第一疏水層136被推進之側截面示意視圖。控制系統118僅應用電壓位能至第一電極132(4,2)，且微滴110X(2)由相對於微滴110X(2)不對稱的電場302推進。電場302應用中的不對稱導致相鄰於電極132(4,2)形成的較低數值的接觸角度θv，但接觸角度θ0保持相鄰於電極132(6,2)。電場302的不對稱應用導致電潤濕力F4沿著通道112X(2)的縱軸A0且平行於第一疏水層136移動微滴。控制系統118可應用電壓至第一電極132(1,2)至132(N2,2)之多個電極，以致能微滴110X(2)以沿著通道112X(2)移動至靜止點126(2)。在此方式中，微滴110X(2)可藉由控制系統118移動。
根據通道112X(1)至112X(N2)內的微滴110X(1)至110X(N2)的位置來識別應用電壓位能至第一電極132(1,1)至132(N2,NX)之何者。控制微滴的移動包含應用電壓位能至相鄰於最靠近所欲前進方向之接觸角度的第一電極132(1,1)至132(N2,NX)之其中一者或多者。為了應用電壓位能至與微滴110X(1)至110X(N2)所欲移動一致的電極132(1)至132(N2)中合適的電極，控制系統118識別通道112X(1)至 112X(N2)內的微滴110X(1)至110X(N2)的位置。基於來自複數個第一電極132(1,1)至132(N2,NX)及第二電極134的電信號，控制系統118藉由量測通道112X(1)至112X(N2)內的電容來決定位置。此例中具有介電特徵的第一疏水層136形同一電容器，且相鄰於第一電極132(1,1)至132(N2,NX)之其中一者的微滴110X(1)至110X(N2)之其中一者的出現改變了第一疏水層136的電容(可由控制系統118偵測)。一旦沿著通道112X(1)至112X(N2)識別出相關聯於相鄰於微滴位置的第一電極132(1,1)至132(N2,NX)的電容，接著可應用電壓至電極132(1)至132(N2)之合適的電極，以移動微滴110X(1)至110X(N2)至所欲位置。
當移動微滴110X(1)至110X(N2)，可克服微滴110X(1)至110X(N2)及第一疏水層136之間的潤濕力F1以便於微滴110X(1)至110X(N2)的移動。第一疏水層136藉由疏水性特徵308減少潤濕力F1。疏水性特徵308越大，相對於電潤濕力F4的潤濕力F1越小，藉由使用第一電極132(1)至132(N2)及第二電極134應用電潤濕力F4至微滴110X(1)至110X(N2)。可藉由第一疏水層136的材料成分或藉由添加微尺度或奈米尺度突出物至第一疏水層136的表面306A來形成疏水性特徵308。一般來說，在第一疏水層136的表面306A處的微尺度及奈米尺度突出物之出現率越高，疏水性特徵308越高(第3C圖)。例如，如第3B圖中所展 示，可在第一疏水層136的表面306A形成微尺度突出物310及奈米尺度突出物312，以提供疏水性特徵308。可預先決定沿著通道112X(2)的微尺度突出物310及奈米尺度突出物312之密度，以提供沿著通道112X(2)的多種疏水性特徵308。例如，第3B圖描繪微尺度突出物310在通道112X(2)的靜止點126(2)中以距離D5相隔。奈米尺度突出物312可在靜止點126(2)處由微尺度突出物310延伸，以進一步增加靜止點126(2)內的疏水性，以提供微滴110X(2)在靜止點126(2)處相對簡單的移動。相對比下，如第3B圖中所展示，微尺度突出物310之進一步遠離靜止點126(2)可將微尺度突出物310以距離D6分隔來定位，其中距離D6大於距離D5。此較大的距離可減少疏水性進一步遠離靜止點126(2)因而增加靜止點126(2)外部的潤濕力F1。微尺度突出物310可省略進一步遠離靜止點126(2)之奈米尺度突出物312，以進一步減少遠離靜止點126(2)之疏水性特徵308。
在此考量下，第3C圖為描繪相關於描繪於第3B圖中的感應器之靜止點126(2)的第一疏水層136之疏水性特徵308(標記為θ)的圖表。疏水性特徵308由靜止點126(2)線性地減少，但應認知疏水性特徵308也可以曲線關係式減少。在此方式中，可於遠離靜止點126(2)的距離D4之數值客制化潤濕力F1對微滴 110X(2)移動的阻抗，而導致相關聯於外力F2的個別相關聯數值之較長或較短的距離D4(第1C圖)。
現在已介紹了感應器102的子組件116X，現在揭露用於操作感應器102的示範方法400。將使用上述術語及描繪於第4圖中提供的流程圖表中的操作402a至402e來討論方法400。
在此考量下，方法400包含當被控制系統118引導時，使用電潤濕力F4來移動微滴110X(2)至感應器102的通道112X(2)內的靜止點126(2)(第4圖的操作402a)。方法400包含回應於外力F2，將微滴110X(2)移動至通道112X(2)內的置換位置128，同時微滴110X(2)保持與第一疏水層136的接觸(第4圖的操作402b)。方法400也包含基於來自沿著通道112X(2)設置的複數個第一電極132(1,2)至132(NX,2)及第二電極134的電信號，使用控制系統118決定在置換位置128處的微滴110X(2)的位置資訊(第4圖的操作402c)。方法400可包含基於在置換位置128處的微滴110X(2)的位置資訊，決定沿著縱軸A0的感應器102之加速度(第4圖的操作402d)。在決定加速度後，可使用電潤濕力F4將微滴110X(2)返回靜止點126(2)。在此方式中，可藉由外力F4決定應用至感應器102的加速度。
接下來，揭露感應器500以量測傾斜，且感應器500為第1A圖的感應器102的另一實施例。感應器 500與第1A圖的感應器102相似，所以現在為了清晰及簡潔的目地主要討論相異處。在此考量下，第5A圖為感應器500之示範通道112的側截面視圖，圖示了設置於靜止點126的微滴110及控制系統118A，控制系統118A經配置以在重力FG應用於微滴110時，基於來自複數個第一電極132(1)至132(N)及第二電極134的電信號來決定微滴110的位置資訊。在第5A圖中設置通道112於一水平位置，所以微滴110在靜止點126處保持靜態。第一疏水層136包含提供增加的遠離靜止點126的潤濕力F1的疏水性特徵308。在此方式中，感應器500可決定電子裝置100的角度位置。
第5B圖為使用第5A圖的感應器500之微滴110的側截面視圖，感應器500處於傾斜角度位置Φ T以產生應用於微滴110且平行於第一疏水層136的疏水表面306A的重力FG之分量力Fx。以三角函數關係式計算分量力Fx(Fx=FG * sin(Φ T))，其中FG為應用至微滴110的重力，而Φ T為由水平量測的角度位置。當分量力Fx可初始地較潤濕力F1大，微滴110初始地沿著通道112的縱軸A0移動。在此方式中，外力F2可包含重力FG。
第5C圖為第5B圖的微滴110及感應器500的側截面視圖，描繪微滴110在置換位置128距靜止點126距離D4處處於靜態位置。應注意距離D4可或不可與第1C圖中所展示的距離D4相同。只要潤濕力F1抵消 (或完全相對)分量力Fx，微滴110保持在靜態位置。控制系統118A偵測微滴110在置換位置128處的位置資訊，且可基於置換位置128來決定角度位置。在一個範例中，控制系統118可使用查表來決定相關聯於置換位置128的角度位置Φ T。在此方式中，感應器500可決定感應器500的角度位置(或傾斜)。
第5D圖為第5C圖的微滴110及感應器500的側截面視圖，描繪藉由使用電潤濕力F4將微滴110由置換位置128返回靜止點126，電潤濕力F4係導因於：受控制系統118A指示時，藉由第一電極132(1)至132(N)及第二電極134應用於微滴110之不對稱電場。在此方式中，微滴110變得可取得以決定感應器500的另一角度位置。
應注意第1B圖之感應器102的控制系統118可併入第5D圖之感應器500的控制系統118A的特性。在此考量下，第4圖中的方法400可包含基於微滴110的位置資訊來決定感應器500的角度位置Φ T，其中外力F2包含重力FG(第4圖的操作402e)。
應注意可針對設置於三維定向中之通道中的微滴來決定加速度及角度傾斜量測，且可使用向量計算以決定三維加速度及相對於三軸X、Y、及Z的角度位置。
為了便於理解，盡可能使用相同元件符號，以標示圖式中常見的相同元件。思量一個實施例的元件及特性可有利地併入其他實施例，而無須進一步敘述。
發明所屬領域具有通常知識者將想到許多未在此述及之修改及其他實施例，實施例所屬領域具有呈現於前述說明書及相關聯圖式之教示利益。因此，應理解說明書及申請專利範圍不限於所揭露之特定實施例，且意圖包含修改及其他實施例於所附申請專利範圍之範圍內。實施例意圖涵蓋所提供的實施例之改變及變化於所附申請專利範圍及其等效之範圍內。雖然於此使用特定用語，該等用語僅以一般的及描述性的意義來使用，且不限制其目的。
前述係本揭示案之實施例，可修改本揭示案之其他及進一步的實施例而不遠離其基本範圍，且該範圍由隨後的申請專利範圍來決定。
110X‧‧‧微滴
112X‧‧‧通道
116X‧‧‧子組件
118‧‧‧控制系統
120‧‧‧功率供應
122‧‧‧電接地
126‧‧‧靜止點
132‧‧‧電極
134‧‧‧第二電極
135‧‧‧第二疏水層
136‧‧‧第一疏水層

Claims (20)

  1. 一種感應器，包括：一基板，該基板包含沿著一通道的一縱軸安置的複數個第一電極；一疏水層(hydrophobic layer)，該疏水層形成該通道的至少一部分；一第二電極，該第二電極由該基板支撐，其中該通道設置於該第二電極及該複數個第一電極之間；一微滴，該微滴設置於該通道內，其中該微滴回應於一外力在該通道內移動至一置換位置；及一控制系統，該控制系統電性地耦合至該複數個第一電極及該第二電極，且該控制系統經配置以決定在該置換位置處該微滴的位置資訊。
  2. 如請求項1所述之感應器，其中該控制系統包含一功率來源，該功率來源經配置以誘發一電場以由該置換位置將該微滴返回至靜止點，該電場係於該複數個第一電極的其中之預先決定的電極及該第二電極之間。
  3. 如請求項1所述之感應器，其中該控制系統經配置以決定該複數個第一電極的其中之預先決定的電極及該第二電極之間的電容。
  4. 如請求項1所述之感應器，其中該疏水層包 含一疏水性特徵，該疏水性特徵在該靜止點處相較於在該置換位置處具有一較高疏水性。
  5. 如請求項4所述之感應器，其中當該縱軸處於一水平及靜態位置時，該微滴保持設置於該靜止點處。
  6. 如請求項4所述之感應器，其中該外力包含重力，且該微滴經配置以根據該縱軸的一傾斜位置沿著該縱軸移動至一預先決定位置，且該控制系統經配置以基於該微滴的該位置資訊決定該縱軸的該傾斜位置。
  7. 如請求項1所述之感應器，其中該控制系統經配置以根據週期來操作，其中該控制系統經配置以在各週期的開始處將該微滴定位至位置，且該控制系統經配置以決定位置資訊係該週期期間，其中該週期期間的該位置資訊包含：在該微滴由該靜止點移動之後，在該週期期間沿著該縱軸識別該微滴的至少一個預先決定位置。
  8. 如請求項7所述之感應器，其中該等週期的一持續時間處於由一百至五百微秒的一範圍中。
  9. 如請求項8所述之感應器，其中該控制系統經配置以在該週期期間基於該位置資訊來決定該基板的加速度。
  10. 如請求項1所述之感應器，其中該複數個第一電極之每一者及該第二電極形成複數個薄膜電電晶體。
  11. 一種用於操作一感應器的方法，包括以下步驟：在被該感應器的一控制系統引導時，使用一電潤濕力來移動一微滴至該感應器的一通道內的一靜止點；回應於一外力，移動該微滴至該通道內的一置換位置，同時該微滴保持與一疏水層接觸；及基於來自沿著該通道設置的複數個第一電極及一第二電極的電信號，使用該控制系統以決定在該置換位置處該微滴的位置資訊。
  12. 如請求項11所述之方法，其中該決定該位置資訊之步驟包含以下步驟：偵測該複數個第一電極的其中之預先決定的電極及該第二電極之間的電容之改變。
  13. 如請求項12所述之方法，進一步包括以下步驟：藉由誘發一電場以對該靜止點使用電潤濕力來移動該微滴，使用該控制系統的一功率供應將該微滴由該置換位置返回至該靜止點，該電場係於該複數個第一電極的其中之預先決定的電極及該第二電極之間。
  14. 如請求項13所述之方法，進一步包括以下步驟：根據週期來操作該控制系統及在該週期期間的該位置資訊，其中在各週期的開始處將該微滴返回至該靜止點，且該位置資訊係由該控制系統在該週期期間決定，該決定係在該微滴由該靜止點移動之後，在該週期期間沿著該縱軸識別該微滴的至少一個預先決定位置。
  15. 如請求項11所述之方法，進一步包括以下步驟：基於該微滴之該位置資訊來決定該感應器沿著該縱軸的一加速度。
  16. 如請求項15所述之方法，其中該操作該控制系統之步驟包含以下步驟：一旦經過一周期時間，起始新的週期，其中該週期時間處於由一百微秒至五百微秒的一範圍中。
  17. 如請求項11所述之方法，其中該移動該微滴至一置換位置的步驟包含以下步驟：在該置換位置處提供一增加潤濕力給該微滴的該移動，其中在該置換位置處該疏水層的一疏水性特徵較在該靜止點處的疏水性特徵低。
  18. 如請求項11所述之方法，其中該移動該微滴至該靜止點的步驟包含以下步驟：以一電場形成該電潤濕力，該電場處於依序沿著該通道的一縱軸安 置的複數個第一電極之其中多個電極及一第二電極之間，其中該通道設置於該複數個第一電極及該第二電極之間。
  19. 如請求項11所述之方法，進一步包括以下步驟：基於該微滴的該位置資訊，決定該縱軸的傾斜位置，其中該外力包含重力。
  20. 一種加速度計，包括：一基板，該基板包含沿著一縱軸依序安置的複數個第一電極，該縱軸由一第一端延伸至與該第一端相對之一第二端，其中沿著該縱軸的該複數個第一電極之相鄰電極之中央以一距離分隔開，該距離處於由150微米至1.2毫米的一範圍；一疏水層，該疏水層形成該通道的至少一部分；一第二電極，該第二電極由該基板支撐，其中該通道設置於該第二電極及該複數個第一電極之間；一微滴，該微滴設置於該通道內，其中該微滴回應於一外力在該通道內移動至一置換位置；及一控制系統，該控制系統電性地耦合至該複數個第一電極及該第二電極，且該控制系統經配置以在該複數個第一電極及該第二電極之間應用一電場，以在複數個週期之每一者的開始處使用一電潤濕力而移動該微滴至該通道內的一靜止點，該控制系統進一步經 配置以：決定在該複數個週期之每一者期間在該置換位置處該微滴的位置資訊，及決定該感應器導因於針對該複數個週期之每一者的該外力的一加速度。
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