TWI510295B

TWI510295B - 基於微電極陣列結構的現場可程式設計晶片實驗室與液滴處理方法

Info

Publication number: TWI510295B
Application number: TW101105384A
Authority: TW
Inventors: Gary Wang; Ching Yen Ho; Wen Jang Hwang; Wilson Wang
Original assignee: Gary Wang; Ching Yen Ho; Wen Jang Hwang; Wilson Wang
Priority date: 2011-02-17
Filing date: 2012-02-17
Publication date: 2015-12-01
Also published as: TW201250929A; TW201244824A; TW201244825A; TWI515831B; TWI510296B

Description

基於微電極陣列結構的現場可程式設計晶片實驗室與液滴處理方法

本發明係關於晶片實驗室(lab-on-a-chip，LOC)微流體系統和方法。更具體地，本發明特別係關於採用微電極陣列結構的現場可程式設計晶片實驗室(FPLOC)系統。

相關申請的交叉參考

本申請通過參考的方式併入2011年2月17日提交的名稱為“Droplet Manipulations on EWOD Microelectrode Array Architecture”的聯合待審美國專利申請No.13,029,137 、2011年2月17日提交的名稱為“Field-Programmable Lab-on-a-Chip and Droplet Manipulations Based on EWOD Micro-Electrode Array Architecture”的聯合待審美國專利申請No.13,029,138 以及2011年2月17日提交的名稱為“Microelectrode Array Architecture”的聯合待審美國專利申請No.13,029,140 的全部內容。

FPLOC可被現場程式設計用於微流體應用，這些微流體應用包括(但不限於)基於液滴的微流體操作、基於連續的微流體操作、基於介質上電潤濕(EWOD)的激勵(actuation)或基於(介電電泳)DEP的激勵。

FPLOC通過利用類似於現場可程式設計閘陣列(FPGA)的結構為LOC設計者提供了更為便利的解決方案。與獨有的硬連線解決方案相比，現場可程式設計微流體平臺在無需複雜的硬體設計和封裝技術的條件下通過軟體程式設計來實現LOC設計，這提供了顯著優於其它平臺的優勢。FPLOC可以以簡單靈活的方式實現不同的應用專用系統(測定)就像利用明確表徵、大規模生產和封裝的FPGA一樣。結果，在微流體領域通過利用半導體行業經驗可以實現在上市時間、大規模生產、容錯性、低成本方面的優勢以及很多其它優點。

為了實現某些化學、物理或生物技術處理技術的可能性，微流體技術在過去十年間迅速成長。微流體指的是通常在微升到毫微升範圍內的微量流體的操縱。用於實施小容量化學的平面流體裝置的使用由分析化學家首次提出，為了這一概念，生物化學家使用了術語“小型化總化學分析系統”(μTAS)。來自生物化學以外的很多學科的越來越多的研究者採納了μTAS的基礎流體原理，作為一種開發化學和生物學應用的新研究工具的方式。為了反映出這種擴展了的範圍，除了μTAS之外，現今經常使用更廣義的術語“微流體”和“晶片實驗室(LOC)”。

第一代微流體技術基於流經微細加工的通道的連續液體流的操縱。液體流的激勵由外部壓力源、集成機械微型泵或由電動結構來實現。連續流系統能滿足很多明確定義的簡單的生物化學應用的需要，但是它們不適於需要高程度的靈活性或複雜的流體操縱的更複雜的任務。基於液滴的微流體是連續流系統的替代方式，其中液體被分成離散的獨立可控的液滴，並且這些液滴可被操縱為在通道中或在襯底上移動。通過利用離散的單位體積的液滴，微流體功能可以被簡化為一組重複的基本操作，即，一個單位的情況下移動一個單位的流體。在文獻中已經提出了很多用於操縱微流體液滴的方法。這些技術可被分類成化學、熱學、聲學和電學方法。在所有方法中，用以激勵液滴的電學方法近年來受到了廣泛關注。

在基於液滴的微流體裝置中，液體夾在兩個平行板之間並以液滴的形式輸送。基於液滴的微流體系統提供了很多優點：它們具有低的功耗並且不需要諸如泵或閥之類的機械元件。近年來，基於液滴的微流體系統已經被廣泛用於諸如混合分析物和反應物、分析生物分子以及操縱顆粒之類的多種應用中。在數位微流體系統中，介質上電潤濕(EWOD)和液體介電電泳(LDEP)是用於分配和操縱液滴的兩種主要機制。EWOD和LDEP都採用電機械力來控制液滴。EWOD微系統通常用於產生、輸送、切割和合併液滴。在這些系統中，液滴夾在兩個平行板之間並且在被激勵和未被激勵的電極之間的潤濕性差異的作用下被激勵。在LDEP微系統中，液滴置於共面電極上。當施加電壓時，液體變為可極化的，並且朝著更強電場強度的區域流動。LDEP和EWOD激勵機制之間的差別在於激勵電壓和頻率。在EWOD激勵中，施加通常小於100V的DC或低頻AC電壓，而LDEP需要更高的激勵電壓(200-300Vrms)以及更高的頻率(50-200kHz)。

介質上電潤濕(EWOD)是最常見的電學方法之一。諸如晶片實驗室(LOC)之類的數位微流體通常是指利用EWOD技術的液滴操縱。傳統的基於EWOD的LOC裝置通常包括兩個平行玻璃板。底板包含單獨可控電極的圖案化陣列，頂板塗覆有連續的地電極。優選地通過類似氧化銦錫(ITO)的材料形成電極，使其在薄層中具有導電性和透光性的組合特徵。塗覆有疏水膜的介電絕緣體被添加到板上，以降低表面的潤濕性並增加在液滴與控制電極之間的電容。含有生物化學樣品的液滴和填充媒介夾在板之間，同時液滴在填充媒介內部移動。為了移動液滴，向鄰近於液滴的電極施加控制電壓，同時在液滴正下方的電極被去除激勵。

近年來，LDEP也吸引了廣泛的關注，因為它易於實施並且能夠分配和操縱從毫微升到微微升範圍的極小液滴。液體DEP激勵被定義為朝著更高電場強度的區域吸引可極化的液體堆(liquid mass)。液體DEP液滴分配器的基本結構包括兩個共面電極，這兩個共面電極塗覆有介電層以保護它們不被電解。Ahmed和Jones優化了液體DEP液滴分配，並在共面電極上產生了微微升液滴。表面塗覆的作用以及與使用共面電極的液體DEP的可靠激勵有關的關鍵因素已被報告。Fan等人將共面LDEP電極改為兩個平行LDEP電極。平行結構的LDEP裝置已被微混合器採用，並集成有EWOD微系統。輸送、分裂和合併介電液滴由平行板(雙平面)裝置中的DEP實現，其將數位微流體的流體從僅導電和水性的範圍擴展到涵蓋非導電的範圍。介電液滴的雙平面DEP激勵通過在平行電極之間施加電壓來實現，通過DEP將具有相對較高介電常數的液體介電液滴泵到具有相對較低介電常數(例如空氣)的區域。

不利的是，至今所建立的採用EWOD技術的常規LOC系統仍然高度專用於特定的應用。當前的LOC系統很大程度上依賴於手動操縱和優化來作生物測定。此外，LOC系統中的當前應用和功能是耗時的，並且需要昂貴的硬體設計、測試和維護程式。關於這些系統的最大缺點在於“硬連線”電極。“硬連線”是指電極的形狀、尺寸、位置和關於電極控制器的電佈線軌跡物理地受限於永久性蝕刻的結構。一旦電極被製造出，不管它們的功能是什麼，它們的形狀、尺寸、位置和軌跡就不能改變。因此，這意味著相對於LOC設計的高昂的一次性工程費用以及在出貨之後有限的更新功能或局部重新配置部分的LOC的能力。

本領域存在對用於減少與利用液滴操縱產生微流體系統相關聯的人力和成本的系統和方法的需要。本領域期望使LOC設計提升到應用級，以減輕LOC設計者在手動優化生物測定、耗時的硬體設計、昂貴的測試和維護程式方面的負擔。

本領域存在對用於減少與利用液滴操縱產生微流體系統相關聯的人力和成本的系統和方法的需要。微電極陣列結構技術可以提供現場可程式設計性，其中LOC的電極和整體佈局可以是軟體可程式設計的。微流體裝置或嵌入系統如果其(存儲在諸如ROM之類的非易失性記憶體中的)固件可以“在場中”被修改，而無需拆解裝置或將裝置返回其製造商，則可以說是現場可程式設計的或現現場可程式設計的。這往往是非常期望的特徵，因為這可以減少用於替換有問題的或退化的固件所需的費用和周轉時間。在出貨之後更新功能的能力、局部重新配置部分的設計以及相對於LOC設計的較低的一次性工程費用將為很多應用提供優勢。

此外，基於新穎的微電極陣列結構，可以顯著改進LOC系統中的操縱液滴的技術。在基於EWOD微電極陣列結構的產生、輸送、混合和切割過程中的先進的液滴操縱方面，本發明提供了各種實施方式。

可以相信，採用微電極陣列結構的現場可程式設計晶片實驗室(FPLOC)由於具有基於場應用來動態地程式設計新LOC系統的能力，因此能夠提供優於常規數位流體系統的大量優點。現場可程式設計性能夠顯著改進LOC設計的周轉時間，還可以使LOC設計提升到應用層次，以減輕LOC設計者在手動優化生物測定、耗時的硬體設計、昂貴的測試和維護程式方面的負擔。

本文公開一種採用微電極陣列結構的現場可程式設計晶片實驗室(FPLOC)裝置，包括：a.底板，包括置於襯底的頂表面上的多個微電極的陣列，所述多個微電極由介電層覆蓋，其中每個所述微電極連接到接地結構中的至少一個接地元件，在所述介電層和所述接地元件的頂部設置有疏水層，以生成具有液滴的疏水表面；b.現場可程式設計結構，用於程式設計一組配置電極，以便以選定的形狀和尺寸產生微流體元件和佈局；以及c.FPLOC功能塊，包括：I/O埠；樣品製備單元；液滴操縱單元；檢測單元；和系統控制單元。

在另一實施方式中，一種採用CMOS技術製成品的FPLOC裝置包括：a.CMOS系統控制塊，包括：控制器塊，用於提供處理器單元、記憶體空間、介面電路和軟體程式設計能力；晶片佈局塊，用於存儲配置電極配置資料以及FPLOC佈局資訊和資料；液滴位置地圖，用於存儲液滴的實際位置；和流體操作管理器，用於將所述佈局資訊、所述液滴位置地圖以及來自所述控制器塊的FPLOC應用轉譯成液滴的物理激勵；以及b.多個流體邏輯塊，包括：一個微電極，位於CMOS襯底的頂表面上；一個記憶體地圖資料存儲單元，用於保持所述微電極的激勵資訊；以及控制電路塊，用於管理控制邏輯。

在又一實施方式中，一種採用薄膜電晶體TFT技術製成品的FPLOC裝置包括：a.TFT系統塊，包括：控制器塊，用於提供處理器單元、記憶體空間、介面電路和軟體程式設計能力；晶片佈局塊，用於存儲配置電極配置資料以及FPLOC佈局資訊和資料；液滴位置地圖，用於存儲液滴的實際位置；和流體操作管理器，用於將來自所述佈局資訊、所述液滴位置地圖以及FPLOC應用的資料轉譯成用於激勵微電極的物理液滴激勵資料，所述FPLOC應用來自所述控制器塊，其中所述物理液滴激勵資料包括以逐幀的方式發送給有源矩陣塊的對配置電極的成組、激勵和去除激勵；以及b.有源矩陣塊，包括：用於單獨激勵每個微電極的有源矩陣面板，包含柵極匯流排、源極匯流排、薄膜電晶體、存儲電容器和微電極；有源矩陣控制器，包含源極驅動器和柵極驅動器，用於通過將驅動資料發送給驅動晶片，利用來自TFT系統控制塊的資料來驅動TFT陣列；和DC/DC轉換器，用於向所述源極驅動器和所述柵極驅動器施加驅動電壓。

在又一實施方式中，一種自下而上程式設計和設計FPLOC裝置的方法包括：a.擦除FPLOC的記憶體；b.配置具有選定形狀和尺寸的一組配置電極的微流體元件，所述一組配置電極包括在現場可程式設計結構中以陣列形式佈置的多個微電極，所述微流體組件包括貯液器、電極、混合室、檢測視窗、廢棄物貯存器、液滴路徑以及指定功能電極；c.配置所述微流體元件的物理分配；以及d.設計用於樣品製備、液滴操縱和檢測的微流體操作。

在又一實施方式中，一種自上而下程式設計和設計FPLOC裝置的方法包括：a.通過硬體描述語言設計FPLOC的功能；b.依據硬體描述語言產生排序圖模型；c.通過硬體描述語言執行類比以驗證FPLOC的功能；d.根據所述排序圖模型利用體系級合成來產生具體執行過程；e.將來自微流體模組庫和來自設計規範的設計資料登錄到合成處理中；f.產生晶片上資源的測定操作的映射檔、測定操作的時間表檔以及來自合成處理的內置自測試檔；g.利用設計規範的輸入執行幾何級合成，以產生生物晶片的二維物理設計；h.根據結合有具體物理資訊的生物晶片的二維物理設計，產生三維幾何模型，所述具體物理資訊來自所述微流體模組庫；i.通過使用三維幾何模型執行物理級類比和設計驗證；以及j.將FPLOC設計載入到空白FPLOC中。

在又一實施方式中，一種設計FPLOC庫的方法包括：a.通過創建測試工作臺來類比由硬體描述語言編寫的微流體操作的功能模組描述，所述硬體描述語言包括VHDL或Verilog，所述測試工作臺構成測試系統並用於類比所述系統和觀察結果；b.通過合成引擎將所述功能模組描述映射到連線表；c.將所述連線表轉譯成門級描述；d.模擬所述門級描述；e.通過物理類比將傳播延遲添加到所述連線表；以及f.通過具有所述傳播延遲的連線表，運行整個系統類比。

在另一實施方式中，本發明的EWOD微電極陣列結構採用“點矩陣印刷機”的概念，其中，多個微電極(例如“點”)成組並且可被同時激勵/去除激勵以形成各種形狀和尺寸的電極，以便滿足在場應用中的流體操作功能的要求。

在另一實施方式中，所有的EWOD微流體元件可由微電極產生，這些微流體元件包括(但不限於)貯液器、電極、混合室、液滴路徑等。並且，對於I/O埠、貯液器、電極、路徑以及電極網路的位置的LOC物理佈局都可通過配置微電極來實現。

在另一實施方式中，除了配置電極的用以執行典型微流體操作的常規控制之外，微電極的確定控制順序可提供在操縱液滴時的先進的微流體操作。

在另一實施方式中，基於EWOD微電極陣列結構的液滴操縱方法可包括：產生液滴；輸送液滴；切割液滴；以及混合液滴。

公開FPLOC的各種實施方式。在一個實施方式中，FPLOC的設計基於EWOD微電極陣列結構。FPLOC可根據不同的應用和功能被動態地場程式設計，其中由很多微電極構成的所有電極可通過軟體設計並重新配置。在配置或重新配置之後，與基於EWOD的LOC系統的總體構思類似，LOC設計中的基於EWOD技術的流體操作可通過控制和操縱電極來實現。

在另一實施方式中，FPLOC系統的各種形狀和尺寸的電極比如貯液器、電極、混合室、液滴路徑等都能夠通過軟體程式設計或重新配置，以滿足在場應用中的操作功能的要求。

此外，軟體程式設計或重新配置可執行對輸入埠、貯液器、電極、路徑和電極網路的位置的FPLOC物理佈局。

在又一實施方式中，FPLOC將低級微流體操作封裝到應用級呈現中，以便設計者關注高級的應用層面。微電極的用以執行具體流體操作的配置資料和激勵控制順序作為庫專案被產生和測試，其中FPLOC設計者可以挑選所述庫專案來組合其微流體應用。

在另一實施方式中，操縱液滴的EWOD微電極陣列結構的設計可基於共面結構，其中EWOD激勵可發生在不具有頂板的單板配置中。

在又一實施方式中，操縱液滴的EWOD微電極陣列結構的設計可採用雙平面結構，其中在系統中設置上部頂板。

儘管公開多個實施方式，但是本發明的其它實施方式對於所屬領域技術人員來說在研究下文的詳細說明之後也將變得顯而易見，詳細說明並描述了本發明的示例性實施方式。將意識到，在不脫離本發明的精神和範圍的條件下，本發明在多個方面能夠有多種改型。相應地，附圖和詳細說明在性質上應當被視為示例性的而非限制性的。

在圖1A中說明常規的電潤濕微激勵器結構(僅為了例示的目的，以較小尺寸說明)。基於EWOD的數位微流體裝置包括兩個相互平行的玻璃板120和121。底板121包含單獨可控電極130的圖案化陣列，頂板120塗覆有連續的地電極140。優選地通過諸如氧化銦錫(ITO)之類的材料形成電極，使其在薄層中具有導電性和透光性的組合特徵。將塗覆有諸如聚四氟乙烯AF之類的疏水膜160的介電絕緣體170(例如聚對二甲苯C)添加到板上，以降低表面的潤濕性並增加在液滴與控制電極之間的電容。含有生物化學樣品的液滴150和諸如矽油或空氣之類的填充媒介夾在板之間，以有助於液滴150在填充媒介內部的輸送。為了移動液滴150，向鄰近於液滴的電極180施加控制電壓，同時在液滴150正下方的電極被去除激勵。

圖1B是概括說明在二維電極陣列190上的常規EWOD的頂視圖。液滴150從電極130移動到被激勵的電極180中。電極180呈黑色表明施加有控制電壓。EWOD作用使得電荷積聚在液滴/絕緣體介面中，導致在相鄰電極130和180之間的間隙135上產生介面張力梯度，由此實現液滴150的輸送。通過改變沿著線性電極陣列的電位，可利用電潤濕來沿著此電極線移動毫微升體積的液滴。可通過在0-90V的範圍內調節控制電壓來控制液滴的速率，並且液滴可以以高達20cm/s的速度移動。液滴151和152也可在無需微型泵和微型閥的條件下，通過二維電極陣列以使用者限定的圖案在時鐘電壓控制下輸送。

基於EWOD的LOC裝置利用相鄰電極之間的間隙上的介面張力梯度來激勵液滴。電極的設計包括每個電極的期望形狀、尺寸以及各兩個電極之間的間隙。在基於EWOD的LOC佈局設計中，液滴路徑通常由連接LOC的不同區域的多個電極構成。這些電極可用於輸送過程，也可用於其它更為複雜的操作比如在液滴操縱中的混合和切割過程。

在一個實施方式中，可如圖2所示構建用於操縱介電液滴的雙平面DEP裝置。在底部襯底245上圖案化多個微電極261。每個配置電極260包括多個微電極261。頂板240包含未被圖案化的參考電極220。一層低表面能材料(比如聚四氟乙烯)210塗覆在兩個板上，以減小液滴250與固體表面之間的介面力，這有助於可再現的液滴處理並消除操作期間的介電液體殘留物。間隙高度或液滴厚度270由間隔物的厚度確定。通過在參考電極220與一個驅動微電極之間施加電壓，將介電液滴泵到處於激勵狀態的微電極上，如圖2中的箭頭所示。在間隙高度為150mm的平行板裝置中測試介電液滴(癸烷介電液滴(350V_DC )、十六烷介電液滴(470V_DC )以及矽油介電液滴(250V_DC ))的激勵。所施加的DC電壓的極性對液滴驅動沒有影響，同時，經測試達到1kHz頻率的AC信號成功地激勵介電液滴。

LDEP和EWOD激勵機制之間的差別在於激勵電壓和頻率。因此在EWOD和DEP之間共用物理雙平面電極結構以及配置是可行的。通常在EWOD激勵中，施加通常小於100V的DC或低頻AC電壓，優選地驅動電壓在DC到10kHz的AC的範圍並且小於150V；而LDEP需要更高的激勵電壓(200-300Vrms)以及更高的頻率(50-200kHz)，優選地驅動電壓在50kHz到200kHz的AC的範圍並且具有100-300Vrms。在下文對本發明的描述中，將利用EWOD技術來解釋本發明的實施方式，但是在大多數情況下通過適當改變激勵電壓和頻率，本發明也涵蓋DEP激勵。

本發明採用了“點矩陣印刷機”的概念，即，微電極陣列結構中的每個微電極是可用於形成所有微流體元件的“點”。換言之，微電極陣列中的每個微電極可被配置為以不同的形狀和尺寸形成各種微流體元件。根據客戶的需求，多個微電極可被視為成組的(grouped)並且可被同時激勵以形成不同電極並執行微流體操作的“點”。“激勵”指的是向電極施加所需的電壓，從而EWOD作用使得電荷積聚在液滴/絕緣體介面中，導致在相鄰電極之間的間隙上產生介面張力梯度，由此實現液滴的輸送；或者DEP作用使得液體變得可極化並朝著較強電場強度的區域流動。“去除激勵”指的是去除施加到電極的電壓。

圖3說明基於本發明的微電極陣列結構的FPLOC的一個實施方式。在本實施方式中，微電極陣列300包括多個(30×23個)同樣的微電極310。此微電極陣列300是基於標準微電極規範(這裡表示為微電極310)以及獨立於最終的LOC應用和具體微流體操作規範的製造技術製造的。換言之，此微電極陣列300是“空白”或“預配置”FPLOC。然後，基於應用需要，此微電極陣列可被配置或軟體程式設計到期望的LOC中。如圖3所示，每個配置電極320包括100個微電極310(即10×10個微電極)。“配置電極”指的是10×10個微電極310組合在一起以用作集成電極320，並且將一起被同時激勵或去除激勵。通常來說，配置資料存儲在非易失性記憶體(比如ROM)中，並且可“在場中”被修改，而無需拆解裝置或將裝置返回其製造商。圖3說明液滴350位於中心配置電極320。

如圖3所示，本發明配置電極的尺寸和形狀可基於應用需要而設計。液滴350的體積與電極320的尺寸成比例。換言之，通過控制電極320的尺寸，液滴350的體積也被限制以與電極320的設計尺寸相適應，由此可以控制液滴的體積。尺寸受到控制的配置電極的例子是電極320和340。電極320具有10×10個微電極的尺寸，而電極340具有4×4個微電極的尺寸。除了電極尺寸的配置，還可通過利用微電極陣列來配置電極的不同形狀。儘管電極320是方形，電極330是包括2×4個微電極的矩形。電極360是左側齒狀的方形，而電極370是圓形。

隨著微電極的數量增加，可以通過FPLOC程式設計整個LOC設計，如圖4A所示，輸送路徑440、檢測視窗450和混合室460的配置電極的形狀為方形。貯液器430是確定形狀的大尺寸配置電極。廢棄物貯存器420是四角形。

圖4B和4C說明圖4A中的貯液器430的放大版本。圖4B說明通過常規EWOD-LOC系統製造的物理蝕刻的貯液器結構431。其元件顯示為永久性蝕刻的貯液器431和四個永久性蝕刻的電極471。與圖4B(常規設計)相比，圖4C說明場程式設計LOC結構，其具有類似尺寸的配置貯液器432以及成組的電極472。配置貯液器432可通過將多個微電極411組合成期望的尺寸和形狀以製作這種貯液器元件來製造。成組的電極472包含4×4個微電極411。

在設定了所需微流體組件的形狀和尺寸之後，還很重要的是設定微流體元件的位置以及如何將這些微流體元件連接在一起作為線路或網路。圖4A說明這些微流體元件所處的物理位置以及這些微流體元件如何連接在一起以用作功能LOC。這些微流體組件為：配置電極470、貯液器430、廢棄物貯存器420、混合室460、檢測視窗450以及連接LOC的不同區域的輸送路徑440。如果是現場可程式設計LOC，則在佈局設計之後，會有一些未使用的微電極410。在FPLOC被充分檢驗合格之後，設計者可以嘗試硬連線版本以節約成本，然後未使用的微電極410可被移除。

FPLOC中的微電極的形狀可以不同的方式物理地實現。在本發明的一個實施方式中，圖5A說明多個方形微電極的陣列，並且其中的一個微電極被突出顯示為501。6×6個微電極構成配置電極502。圖5A總共有3×2個配置電極。在另一實施方式中，圖5B說明多個六邊形微電極的陣列，並且其中的一個微電極被突出顯示為503。6×6個微電極構成配置電極504，圖5B中有3×2個配置電極。六邊形微電極的交叉指型邊緣在沿著配置電極之間的間隙移動液滴時具有優勢。在又一實施方式中，圖5C說明佈置在牆磚佈局中的多個方形微電極的陣列，其中的一個微電極被突出顯示為505。6×6個微電極構成配置電極506，圖5C中有3×2個配置電極。六邊形微電極的交叉指型邊緣在沿著配置電極之間的間隙移動液滴時具有優勢，但這只發生在x軸上。還可實現很多其它形狀的微電極，而不僅限於這裡所討論的三種形狀。

常規的LOC設計基於雙平面結構(其具有包含圖案化電極陣列的底板以及塗覆有連續地電極的頂板)或者共面結構(其中激勵可發生在不具有頂板的單板配置中)。共面設計可適應更寬範圍的不同體積尺寸的液滴，而不受頂板的限制。雙平面結構在頂板之間具有固定間隙，並且在適應寬範圍的體積尺寸的液滴方面存在限制，但是雙平面結構確實提供更穩定的微流體操作。基於共面結構的LOC裝置仍可以增加用於密封測試表面的無源頂板，以保護流體操作或者為了保護測試媒介具有更長的上架保存(shelf storage)壽命的目的。

為了適應FPLOC的最寬範圍的應用，在本發明的一個實施方式中，FPLOC裝置基於混合板結構，其中激勵可發生在共面配置或雙平面配置中。圖6A說明開關610，其可被控制為在共面模式和雙平面模式之間切換微電極結構。在雙平面模式中，在蓋板620上的連續地電極640連接到地，在電極板621上的接地網680與地斷開連接。另一方面，在共面模式中，電極板621上的接地網680連接到地，而在蓋板620上的地電極640與地斷開連接。

在一個實施方式中，圖6A中所示的一個物理共面微電極(630和680)可以是接地網結構。接地網結構在圖6B中說明，其具有驅動微電極631、地線681以及在631與681之間的間隙615。當電極被激勵時，驅動微電極631由DC或方波驅動電壓充電。地線681與驅動微電極631處於相同的板上以實現共面結構。間隙681用以確保在631與681之間無垂直重疊。在圖6B中說明不同尺寸的兩個液滴651和652，它們都與接地網681和相鄰微電極631充分重疊，並且可被有效地操縱。在另一實施方式中，共面接地網可以不與地斷開連接，只要額外的接地不會給雙平面結構操作帶來任何問題即可。

圖6C說明FPLOC微電極結構的另一實施方式。在驅動微電極632的四個角處具有接地焊盤682，並且在632與682之間具有間隙616。代替圖6B中所示的實施方式中的地線，本實施方式使用接地焊盤來實現共面結構。本發明的此實施方式利用了群組接地(group grounding)，由此接地焊盤、微電極和液滴653的一致重疊保證了可靠的液滴操作。此外，在另一實施方式中，共面接地網可以不與地斷開連接，只要額外的接地不會給雙平面結構操作帶來任何問題即可。

圖6D說明FPLOC微電極“配置接地焊盤”共面結構的另一實施方式。在與微電極相同的板上不具有地線或接地焊盤。而是，一些微電極用作接地焊盤以實現共面電極結構。圖6D說明4×4個同樣的方形微電極633，在微電極之間具有間隙617。在本實施方式中，任一個微電極633可被配置為通過物理連接為電性接地而用作地電極。在本實施方式中，四個角的微電極被配置為地電極683。此外，現場可程式設計性以及微型微電極對“配置電極”以及“配置接地焊盤”的動態配置提供了更高的靈活性和更高的細微性。為了例示的目的，地微電極被程式設計在四個角上，但這不是固定的佈局。包含對地電極或激勵電極的改變的臨時步驟可被實施以獲得液滴操縱的最佳結果。這種“現場可程式設計”微電極接地結構是實現FPLOC的混合板結構的最靈活的方式，但是將需要更高的驅動電壓以激勵液滴。

在另一實施方式中，在FPLOC的混合結構中採用可拆卸的、可調節的和透明的頂板，以優化在如圖7所示的頂板710與電極板720之間的間隙距離。電極板720通過微電極陣列結構技術來實現，其中用於液滴730的配置電極的側視圖包括三個微電極(顯示為黑色)。用於液滴740的配置電極包括六個微電極，用於液滴750的配置電極包括十一個微電極。本實施方式在諸如FPLOC之類的應用中尤其有用。儘管微電極陣列結構在配置所述配置電極的形狀和尺寸時提供了現場可程式設計性，但是仍然高度需要能夠適應最寬範圍的尺寸和體積的液滴的系統結構。這是因為FPLOC可適應的液滴的尺寸和體積的範圍越寬，就可實現越多的應用。優化的間隙距離可被調節為適合期望尺寸的液滴。在本發明中，優化的間隙可通過三種方式實現：首先，所有的液滴可在不接觸頂板710的條件下被操縱。這種方式通常應用於共面結構中。在第二種方式中，所有的液滴可通過接觸頂板被操縱，其中液滴夾在頂板710與電極板720之間。第二種方式通常應用於雙平面結構中。第三種方式或混合方式合併了共面結構以及在頂蓋710與共面電極板720之間的可調節間隙的功能。這種混合方式可用於提供具有最寬範圍的液滴。如圖7所示，位於間隙內的液滴730和液滴740可在不接觸頂板710的條件下被操縱。液滴750被操縱為夾在頂板710與電極板720之間。本發明不限於EWOD微電極陣列結構技術，也可在液滴尺寸的可應用範圍可被限制的同時應用於其它常規的電極板。

在FPLOC800的一個實施方式中，FPLOC需要五個基礎功能塊，如圖8所示，包括I/O埠(810、811、812和813)、樣品製備820、液滴操縱830、檢測840以及系統控制850。在下面的段落中將詳細公開FPLOC的五個功能塊的實施方式。

輸入/輸出埠(810、811、812和813)是在外部世界與FPLOC800之間的介面。在另一實施方式中，存在FPLOC的四種輸入/輸出埠，它們與下述四個功能塊相關聯：樣品輸入埠810、液滴I/O埠811、檢測I/O埠812以及系統控制I/O埠813，如圖8所示。

樣品輸入埠(圖8中的810)：由於現實世界樣品(微升)以及晶片實驗室(毫微升)在比例上的巨大差異，流體輸入埠的設計富有挑戰性。將樣品(圖8中的825)和反應物(圖8中的833)裝載到LOC上需要微流體裝置與外部世界之間的介面。本發明的一個實施方式基於混合板結構，其中在樣品或反應物裝載到FPLOC上之後可添加蓋，因而不需要固定的輸入埠。圖9A說明通過針960將樣品950直接裝載到共面電極板970上。樣品的裝載不必非常精確，因為貯液器的位置可根據需要動態地調節，以補償物理裝載偏差。圖9B表示在裝載樣品950之後放置無源蓋980。圖9C說明本發明的一個實施方式，其中在FPLOC的四個角有可調節的間隔物930，以調節在蓋板980與電極板970之間的間隙高度。液滴950夾在它們之間。圖9D說明本發明的另一實施方式，其中FPLOC採用了鉸接裝置940連接蓋板980和電極板970，以方便裝載樣品和反應物950並實現更好的物理系統集成。

液滴I/O埠(圖8中的811)：在本發明的一個實施方式中，反應物裝載器(圖8中的833)通過液滴I/O埠連接到FPLOC。廢棄物(圖8中的835)可儲存在FPLOC800上的廢棄物貯存器中，或者可通過廢棄物埠(圖8中的811)沖走。

檢測I/O埠(圖8中的812)：越來越多的研究論文在探討將檢測集成到微流體晶片的技術，尤其是那些相比吸光率或螢光檢測在尺寸微型化上更好的技術。但是，一些成熟和穩定的檢測技術，例如可包括使用視頻檢測和鐳射誘導螢光(LIF)分析的光學檢測(圖10中的1035)以及磁性納米顆粒檢測(圖10中的1036)，將難以集成到FPLOC中。由於穩固性、高信噪比以及靈敏度，光學檢測方法相比用於LOC的其它方法仍占主導地位。光學檢測最容易與基於電潤濕的LOC平臺集成。僅需要將位於將用於光學檢測的區域中包括頂板1020、底板1021、介電層1040和1070以及電極1090的所有材料做成透明的即可。共面設計可適應比上述更多的檢測機制，因而增加了系統開發的靈活性。為了外部檢測的目的，我們將使用檢測I/O埠(圖8中的812)。檢測I/O埠也可用於光學感測和回饋以控制FPLOC內部的快速液體運動的目的。

系統控制I/O埠(圖8中的813)：在本發明的一個實施方式中，需要系統控制I/O埠813來程式設計晶片851，顯示測試結果852，進行資料管理853以及很多其它系統工作，如圖8所示。根據需要，諸如印表機、USB記憶體或網路介面之類的所需週邊元件854可通過系統控制I/O埠連接到FPLOC。FPLOC還通過系統控制I/O埠連接到電源，以提供所需的AC/DC電力。

在本發明的一個實施方式中，FPLOC利用現場可程式設計永久顯示技術來顯示如圖11A和11B所示的測試結果或其它重要消息，而不需要外部顯示裝置。在圖11A中，當系統通過對微電極1111進行激勵或去除激勵而正在執行其它微流體操作時，顯示墨水框架1110不被接觸。在完成測試或目標微流體操作之後，自圖11B中的黑色墨水(或其它顏色和液體)框架1114產生的液滴移動到右側位置，以顯示圖形或文本。本實施方式的兩個優點在於：(1)幾乎沒有用於顯示測試結果或其它消息的額外費用，因為用於測試或其它微流體操作的電極用作顯示圖元；以及(2)即使電力自微激勵器斷開，顯示也是永久性的，因此可用作測試記錄。

樣品製備(圖8中的820)：樣品製備中的主題將是自整個血液中分離出細胞，以獲取血清或血漿，以及樣品預濃縮(pre-concentration)。樣品預濃縮在待檢測的分子在數量上很少的測定中變得很重要。為了下述兩個原因首先完成樣品稀釋：為了減少干擾物質的影響，以及為了增大裝置操作的線性範圍。至今，已經採用了很寬範圍的各種技術比如利用聲學力、磁力、光學力、毛細管電泳(CE)、介電電泳(DEP)力等來分離顆粒和細胞。本發明的一個實施方式如圖12A的頂視圖所示，其中液滴1250和懸浮顆粒分別利用EWOD和DEP通過方形配置電極(1210、1211、1212和1213)和條形配置電極(1220、1221、1222、1223、1224、1225和1226)被激勵。“配置(configured)”是指圖12B和12C是橫截面視圖，其中通過從左到右(從1220到1226)在條形電極上施加高頻信號(VHF)1230，液滴內部的非均勻電場1256利用DEP將顆粒驅動到右側。通過在方形電極1221和1222上施加低頻信號(VLF)1235，利用EWOD獲取具有不同顆粒濃度的兩個子液滴1251和1252。作為例子，從左到右在條形電極之一上施加2MHz和60Vrms信號1230時，通過正性DEP吸引顆粒。在細胞聚集到液滴中的右側之後，通過在兩個方形配置電極上施加80Vrms和1kHz，利用EWOD將液滴分裂成兩個子液滴。結果，通過激勵從左到右單一迴圈的條形電極，細胞被聚集(右側子液滴1251)或稀釋(左側子液滴1251)，如圖12D所示。

圖13說明利用液滴等分技術的FPLOC樣品製備的另一實施方式。共用樣品製備步驟之一是從全血中去除血細胞，以獲取用於免疫測定的等離子體。如圖13所示，經由微電極1340利用液滴等分技術，產生更小的液滴(此液滴太小以至於不能承載一些或任一血細胞1380)，然後經由小尺寸的垂直間隙1370移動小液滴1345，以形成期望液滴1350。液滴等分技術和小間隙1370的組合可有效地將小液滴1345從貯液器/液滴1360經通道1370移動，以形成更大的液滴1350，同時阻擋血細胞1380。這裡的物理阻擋主要用於說明液滴等分技術，並且可以採用除了方形之外的不同形狀來利用微電極產生更小的液滴。它並不用作去除血細胞的主要原因。通過利用液滴等分技術，此樣品製備發明不僅能從液滴去除顆粒，而且能夠製備用於診斷測試的合適尺寸的液滴。

液滴操縱(圖8中的830)：在又一實施方式中，所有的典型微流體操作可通過配置並控制FPLOC的“配置電極”來執行。“微流體操作”指的是在FPLOC上的液滴的任何操縱。例如，微流體操作可以包括：將液滴裝載到FPLOC中；從源液滴分配一個或多個液滴；分裂、分離或分割一個液滴為兩個或更多個液滴；將液滴沿任何方向從一個位置輸送到另一位置；將兩個或更多個液滴合併或組合為單個液滴；稀釋液滴；混合液滴；攪拌液滴；將液滴變形；將液滴保持在適當的位置上；培育(incubating)液滴；佈置液滴；將液滴輸送出FPLOC；本文所述的其它微流體操作；和/或上述的任何組合。

在又一實施方式中，除了FPLOC的“配置電極”的用以執行典型微流體操作的常規控制之外，微電極的具體控制順序(sequence)能夠提供在操縱液滴時的先進的微流體操作。FPLOC的先進的微流體操作可包括：沿對角線或沿任何方向輸送液滴；利用臨時橋接技術經物理間隙輸送液滴；利用電極列激勵輸送液滴；洗刷殘留液滴(dead volume)；在較低驅動電壓的情形下輸送液滴；以受控的低速度輸送液滴；執行精確的切割；執行對角線切割；執行共面切割；沿對角線合併液滴；使液滴變形以加速混合；通過不均勻往復混合器改進混合速度；通過迴圈混合器改進混合速度；通過多層混合器改進混合速度；本文所述的其它先進的微流體操作；和/或上述的任何組合。

液體儲存和液滴產生：來自埠的液體儲存在貯液器中。貯液器可以在EWOD裝置上以允許液滴進、出的大電極區域的形式產生。基本LOC應當最少具有三個貯液器：一個用於樣品裝載，一個用於反應物，一個用於收集廢液滴，但這取決於應用。可能會需要第四個貯液器用於校準溶液(calibrating solution)。每個貯液器應具有用以允許產生液滴或收集液滴的獨立控制。

在另一實施方式中，FPLOC具有自調節所裝載的樣品或反應物相對於貯液器的位置的能力。這意味著可以避免對精確定位輸入埠的需要以及避免經輸入埠將樣品和反應物傳遞到貯液器的困難操作。圖14A說明裝載的樣品斷開成液滴1420和液滴1430，它們都未精確定位在貯液器1440的頂部。液滴1420甚至與貯液器1440不具有任何重疊。對於常規的LOC，難以將液滴1420重定位到貯液器1440中。而即使樣品液滴1420被裝載為偏離了貯液器，通過激勵臨時配置電極1460以將液滴1420拉到與貯液器1440重疊的位置，也可實現本發明的這種自定位實施方式。隨後對臨時配置電極1460去除激勵並且對貯液器1440進行激勵，以將樣品準確地定位到貯液器中，如圖14B所示。

圖15表示FPLOC液滴產生過程的一個實施方式。常規地，必須要用專門形狀的貯液器1530以及疊置電極1535來產生液滴。在本發明中，貯液器1530的形狀可以是方形(方形貯液器1515)，並且不需要疊置電極1535。在另一實施方式中，貯液器1515的形狀可以通過設計微電極陣列根據設計需要而為任何其它形狀。如圖15所示，液滴的產生是指從方形貯液器1515擠出液滴1550的過程。為了啟動液滴產生過程，首先激勵臨時電極1530作為拉回(pull-back)電極，然後激勵另一臨時電極1535以擠壓液體。隨後，通過激勵相鄰序號的配置電極1540，從貯液器1515擠出液體指狀物(liquid finger)，最終產生液滴1550。每個配置電極1540包括配置的4×4個微電極，因而為方形。在本發明中，配置電極1540的尺寸可以在從幾十微米到幾毫米的範圍，但不限於此範圍。配置電極的形狀可以為方形或其它形狀。在本發明中，貯液器可以是方形、圓形或其它具體形狀。

圖16說明本發明的稱為“液滴等分”的具體液滴產生過程的實施方式。液滴等分是使用微電極陣列結構首先通過微電極或小尺寸的配置電極從貯液器1610產生更小的液滴1615，然後通過激勵配置電極1620將更小的液滴1615收集在一起，以形成更大的液滴1630。常規地，液滴尺寸近似於電極的尺寸，並不存在用以控制液滴體積的更精確的方式。本發明中，液滴等分可用於實現對液滴體積的更精確的控制。此外，以反向方式，此技術可用於通過計算從液滴1630可產生多少個更小的液滴1615來測量更大液滴1630的體積，如圖16所示。

液滴的輸送：圖17是說明FPLOC的液滴輸送實施方式的圖。如圖所示，有9個相鄰的配置電極1731到1739。每個配置電極包括配置的10×10個微電極，因而為方形。液滴1750位於中心配置電極1735的頂部。在常規的微流體輸送操作中，液滴1750在這種方形電極設置下只能沿南北和東西方向由配置電極1735激勵。例如，通過激勵配置電極1734並對配置電極1735去除激勵，將使液滴從配置電極1735移動到配置電極1734上。但是，這種常規操作將不能夠使液滴1735從配置電極1735沿對角線移動到任一個配置電極1731、1733、1737或1739上，因為這四個配置電極與液滴1750不具有物理重疊。這種液滴不覆蓋四個角的限制總是存在於從典型液滴產生過程產生液滴的情況中。為了沿對角線移動液滴，本發明的一個實施方式是作為臨時步驟激勵配置電極1760，然後激勵期望的配置電極1733並對臨時配置電極1760去除激勵，因而可將液滴1750沿對角線移動到期望的配置電極1733中。如圖17所示，基於本發明，液滴1750可在方形電極設置中沿所有8個方向移動。此外，液滴的輸送不限於8個方向。如果相鄰配置電極處於這8個方向之外，則仍可激勵臨時配置電極以將液滴輸送到目的地。

液滴路由：常規地，LOC具有用以連接LOC的不同部分以輸送液滴的輸送路徑電極440，如圖4A所示。本發明中，FPLOC的液滴路由的一個實施方式不需要用於輸送液滴的固定輸送路徑，如圖18所示。而是利用液滴路由將多個液滴從多個起始位置同時移動到目的地。很明顯，FPLOC的路由處理將非常不同於常規的微流體設計並且比常規的微流體設計更為有效，因為通過激勵不同的微電極，基本上可沿包括對角線在內的任何方向移動。液滴1850、1851和1852處於它們的起始位置，如圖18所示。液滴1850和液滴1852將在配置電極1810處混合，並且液滴1851將輸送到配置電極1820。與傳統的VLSI路由問題不同，除了路由路徑選擇，生物晶片路由問題需要解決在由流體屬性施加的實際限制以及合成結果的時序限制下的液滴時間表安排的問題。如果不考慮污染，則可通過選擇路線1860使液滴1851首先移動，並且可通過選擇路線1840使液滴1852移動。這裡所需要考慮的是安排液滴1851和1852的輸送時序，使得它們在移動到它們的目的地的同時不會碰撞在一起。如果考慮污染，則1851可以選擇路線1861以避免液滴移動路線上的任何重疊。此外，對於要在配置電極1810處合併的兩個液滴1850和1852，必須要考慮安排液滴激勵的時序，因此路線1830和路線1840的長度差可成為考慮因素，從而具有最佳的混合效果。當在FPLOC上執行的應用越來越複雜時，將需要自上而下的設計自動化，以限定FPLOC上的液滴的路由和時序。在定義了生物醫療微流體功能之後，利用體系級(architectural-level)合成來向FPLOC資源提供微流體功能並且將微流體功能映射到激勵的時間步驟中。

臨時橋接：本發明利用FPLOC輸送和移動液滴的稱為“臨時橋接技術”的另一實施方式如圖19A-19C所示。液滴切割和蒸發有時會使液滴變得太小，液滴不能由電極可靠地激勵。圖19A表示由間隙1960彼此分離的兩個配置電極1930和1940。液滴1950位於左側配置電極1930上。在兩個配置電極1930與1940之間的間隙1960足夠寬，以便能隔離兩個配置電極1930和1940，使得位於左側配置電極1930上的液滴1950不會接觸下一個相鄰配置電極1940。圖19A說明在常規的液滴輸送中，液滴1950從配置電極1930到配置電極1940中的移動通常失敗，因為配置電極1940與液滴1950不具有用以改變其表面張力的物理重疊。圖19B說明來自圖19A的液滴1950輸送到期望的配置電極1940中。在這個過程中，由“齒狀”區域1970覆蓋的微電極被激勵。齒狀配置電極1970局部覆蓋左側配置電極1930、間隙1960以及整個下一個配置電極1940。如圖19B所示，“齒狀”配置電極1970與液滴1950具有物理重疊，並且如圖19B所示，配置電極1970的激勵將使液滴1950在配置電極1970的頂部移動。圖19C說明完成向期望的配置電極1940的液滴輸送。在液滴1950移動到期望的配置電極1970之後，“齒狀”配置電極1970被去除激勵，下一個配置電極1940被激勵，以將液滴1950佈置和定位到期望的方形配置電極1940中。

電極列激勵：本發明利用FPLOC輸送和移動液滴的又一實施方式稱為“電極列激勵”。液滴切割和蒸發有時會使液滴變得太小，液滴不能由電極可靠地激勵。如圖20A所示，有時液滴2050變得太小以至於小於電極2010並且與相鄰的電極2011不具有物理重疊。在這種情形下，即使電極2011被激勵，液滴2050也不會移動到電極2011中，液滴會粘留在系統中。沖走粘留液滴的一種有效方式是利用電極列激勵。激勵電極佈置成多列以執行電極列激勵，如圖20B所示。這裡，每列配置電極列2020包括1×10個微電極，三列配置電極列組合在一起以執行電極列激勵，如圖20B中標記為黑色的部分所示。默認的列寬度是一個微電極，但是取決於應用也可以是其它數量。最有效的電極列激勵是具有一組電極列，其寬度稍大於液滴的半徑。這就是為什麼在這裡將三列組合在一起的原因。列的長度取決於應用，通常情況下越長越好。對於用以移動液滴2050的這種三列配置，在首位的配置電極列2022之前，配置電極列2021被激勵，尾隨的配置電極列2022被去除激勵。以這種方式，不管液滴的尺寸如何，三列配置電極列總是提供最大有效長度的接觸線。結果，液滴能夠有效、平滑地移動，因為液滴上的毛細力是一致的並且被最大化。因此，液滴能在比常規液滴操作中的驅動電壓低得多的驅動電壓下移動。這種電極列驅動技術可用於通過在低得多的驅動電壓下的平滑移動來輸送液滴。此外，由於這種技術的一致的毛細力，通過以低速推進配置電極列，可以實現對液滴速度(尤其在低速情形中)的控制。實驗表明：在臨界驅動電壓下，電極列激勵的這種平滑、有效的驅動能力更為明顯。已經觀察到：在低於8Vp-p 1kHz方波驅動電壓並且在80μm的間隙的條件下，在10cSt矽油中緩慢但平穩地移動DI水滴(1.1mm直徑)。長度可以被配置為LOC的總長度，使得電極列激勵的單次沖刷可以洗刷掉LOC中的所有無效液滴(dead droplet)。圖20C說明小液滴2050移出配置電極2010。

液滴切割：使用FPLOC的三個配置電極來切割液滴。本發明用於執行FPLOC的液滴的典型三電極切割的一個實施方式如圖21A-21C所示。使用三個配置電極，並且待切割的液滴位於如圖21A所示內部配置電極2111的頂部並與外部配置電極2110和2112具有部分重疊。在切割期間，外部的兩個配置電極2110和2112被激勵，並且內部配置電極2111被去除激勵，液滴2150擴展開來從而潤濕外部兩個電極。通常而言，兩個外部配置電極2110和2112引發的親水力拉伸液滴，同時中央的疏水力將液體夾斷為兩個子液滴2151和2152，如圖21C所示。

精確切割：本發明用以實現類似於三電極切割的精確切割的一個實施方式如圖22A-22C所示。精確切割也起始於待切割的液滴位於內部配置電極的頂部。但是代替使用外部的兩個配置電極2210和2212來切割液滴，利用電極列激勵技術來朝著配置電極2210和2212緩慢但穩固地拉動液滴2250，如圖22A所示。這裡，使用兩組5列配置電極列2215和2216(在圖22A中標記為黑色)來拉開液滴。圖22B說明通過一次推進一個微電極列，使得兩組電極列組保持相分離地移動。兩組電極列組2215和2216引發的親水力拉伸液滴。當電極列組2215和2216到達配置電極2210和2212的外緣時，所有配置電極列被去除激勵，並且配置電極2210和2212被激勵，以將液體夾斷為兩個子液滴2251和2252，如圖22C所示。

對角線切割：圖23A-23C說明本發明用以執行對角線切割的實施方式。對角線切割起始於將待切割液滴移動到臨時配置電極2312上，其中臨時配置電極2312位於四個配置電極2310、2311、2313和2314的接合角(joint corner)的中心。在液滴完全位於四個配置電極的接合角的中心之後，臨時配置電極2312被去除激勵，並且配置電極2310和配置電極2311被激勵，液滴2350被拉伸到液體柱中，如圖23B所示。為了將液體夾斷為兩個子液滴，需要將配置電極2310和2311的內角去除激勵，以在液滴2350的中部產生必要的疏水力。圖23C說明L形臨時配置電極2315和2316被激勵，以進一步拉伸液滴使其間僅具有薄的頸部，在中部的疏水力隨後有助於將液滴2350夾斷為兩個子液滴2351和2352。最後，配置電極2310和2311被再次激勵，以將液滴2351和2352中心定位到配置電極2310和2311中，如圖23D所示。

圖24A-24C說明在FPLOC的開放表面上的液滴切割過程。圖24A說明液滴2450位於左側配置電極2440上。液滴2450將被切割成兩個子液滴2470，如圖24C所示。液滴切割過程大致包括下面兩個過程。首先，通過在適當的電壓下激勵配置電極2430，將待切割液滴2450拉伸為薄的液體柱2460。這可以從圖24B中看出。這種“薄的”液體柱通常是指具有小於起始液滴直徑的寬度的液體柱。接下來，激勵兩個預選的配置電極2440和2420，以切割液滴2470並將其中心定位到這兩個配置電極2440和2420中，如圖24C所示。共面切割的關鍵在於在液滴與外部的兩個配置電極之間具有足夠的重疊，以便具有足夠的毛細力來克服液滴的曲率以執行切割。在一個實施方式中，當液體柱2460由於水動力不穩定性而被切割成多個液滴時，發生被動切割。在另一實施方式中，被動和主動切割都被本發明採用。在液滴被拉伸成薄的液體柱的同時，可利用被動力或主動力來將起始液滴斷開成兩個更小的液滴。當利用被動力時，對液體柱長度的計算很重要。當利用主動力時，優化的長度並不重要。不管是被動切割還是主動切割，在切割過程的最後步驟，配置電極2440和2420被正常地激勵，以便將液滴定位到期望的配置電極中。在另一實施方式中，被動或主動切割過程在FPLOC的開放表面結構下進行。圖24C說明當液滴2450被切割成兩個液滴2470時完成切割。

混合、培育和反應：混合分析物和反應物是實現FPLOC時的關鍵步驟。液滴用作虛擬混合室，並且通過沿著電極陣列輸送液滴來發生混合。在利用最小區域的同時快速地混合液體的能力極大地改善了產量。然而，隨著微流體裝置接近子毫微升時代，降低的體積流速和非常低的雷諾(Reynolds)數導致難以以合理的時標(time scale)實現對這種液體的混合。改進的混合基於兩個原理：以這種小尺寸產生渦流的能力，或者可選地，產生多層以經由擴散實現快速混合的能力。

有時也需要在升高的溫度下的培育步驟，例如用於PCR放大。在如圖25所示的FPLOC的一個實施方式中，液滴2550放置在被集成到襯底2521中的微加熱元件2530上方。還通過CMOS製造技術建立加熱器控制/監視器2532，並將其集成到FPLOC中。

本發明用於執行FPLOC的基本合併或混合操作的一個實施方式如圖26A-26B所示，其中兩個液滴2650和2651被組合成單個液滴2653。在本發明中，術語“合併”和“混合”可互換地使用，用以表示兩個或更多個液滴的組合。這是因為合併兩個液滴並不總是直接或立即地導致初始分離的液滴的成分的完全混合。在圖26A中，兩個液滴2650和2651初始位於配置電極2610和2612上，並由至少一個其間的配置電極2611分離。兩個液滴2650和2651與配置電極2611至少都具有部分重疊。如圖26B所示，外部的兩個配置電極2610和2612被去除激勵，中心配置電極被激勵，由此液滴2650和2651沿著中心配置電極2611相互牽引，以合併成一個更大的液滴2653，如圖26B中的箭頭所示。

圖27A-27C說明通過用以產生FPLOC的渦流的不均勻幾何運動來實施液滴操縱的有效混合過程。通過激勵配置電極2751和2771，使液滴2750和2770變形，如圖27B所示；由此使液滴2750變高，使液滴2770變胖。然後，中心配置電極2760被激勵，以將液滴2750和2770拉到混合配置電極2760(標記為黑色)中，如圖27C所示。在圖27B中，黑色區域表示兩個被激勵的配置電極2751和2771不僅使兩個液滴2750和2770變形，並且將它們局部牽引到中心配置電極2760中。圖27B所示的這種臨時激勵步驟也有助於兩個液滴的平滑混合移動。圖27B-27C中的黑色區域和變形液滴的形狀僅為例示的目的。在本發明中，這些形狀根據需要可以為任意類型。

圖28A和28B說明用於改進混合速度的微電極陣列混合器。在一個實施方式中，可使用不均勻往復混合器來加速液滴混合。這可通過激勵一組微電極以產生不可逆轉圖案來實現，其中不可逆轉圖案破壞了兩個迴圈的對稱性以改進混合速度。初始狀態在圖28A中說明，其中液滴2850包含樣品和反應物，並位於配置電極2840的頂部。用於不均勻往復混合的第一個步驟是激勵配置電極2860以使液滴2850朝著圖28B中所示的箭頭方向變形。然後，配置電極2860被去除激勵，並且配置電極2840被激勵以將液滴拉回到圖28A所示的初始位置。往復混合可執行多次，以實現優化的混合效果。此外，圖28A和28B中的配置電極2840和變形液滴的形狀僅為例示的目的。在本發明中，這些形狀可以為任意類型的設計，只要它們具有產生渦流的能力，或可選地，具有產生多層的能力。

在基於PFLOC液滴的混合過程的又一實施方式中，圖29說明用於改進混合速度的迴圈混合器。這可通過激勵更小的微電極組的序列以產生不可逆轉水準迴圈來實現，其中不可逆轉水準迴圈破壞了垂直層迴圈的對稱性以加速混合。如圖29所示的一個實施方式是形成包圍液滴2990的八個配置電極(2910、2920、2930、2940、2950、2960、2970和2980)，然後以迴圈的方式順序地逐個激勵配置電極。例如，作為第一個步驟，配置電極2910被激勵較短的時間段，以導致表面張力改變並且朝著配置電極2910在液滴2990的內部產生迴圈。接下來，配置電極2910被去除激勵，隨後激勵下一個相鄰配置電極2920。通過全部八個配置電極(2910到2980)重複迴圈激勵過程，以在液滴2990內部產生水準迴圈。此迴圈流激勵可根據需要執行多次。此外，迴圈流可順時針、逆時針或者這兩種方式的交替混合來執行，以實現最佳混合效果。此外，配置電極2910到2980以及迴圈的形狀僅為例示的目的。在本發明中，這種迴圈混合可以是任何類型的設計，只要它們具有產生渦流的能力，或可選地，具有產生多層的能力。

多層混合器：本發明以小尺寸(2×2個配置電極)但有效的混合器產生多層以加速混合的一個實施方式可以如圖30A-30F所示。這種多層混合器對於低縱橫比(<1)的情形尤其有用。縱橫比是指電極板和接地板之間的間隙與電極尺寸的比。低縱橫比意味著更難以在液滴內部產生渦流，因而產生多層的能力變得更加重要。在此具體混合器中利用對角線混合和對角線切割。在圖30A中，在配置電極3014處的黑色液滴3051與在配置電極3011處的白色液滴3050混合。臨時配置電極3010將成為混合室，並將被激勵以拉入液滴3051和3050。為了啟動多層混合，第一個步驟是沿對角線合併兩個液滴。液滴合併的對角線方向可以是45度或135度，但是隨後對角線切割的方向需要垂直於合併操作。圖30B表示將液滴3051和液滴3050第一次合併成為黑白液滴3052。由於低雷諾數和低縱橫比，液滴3052具有單純基於擴散的靜態混合，其導致較長的混合時間，因此液滴顯示為一半為白色，一半為黑色。第二個步驟是要對液滴3052執行與起始對角線混合呈90度的對角線切割，如圖30C所示。在臨時配置電極3010被去除激勵的同時，配置電極3012和3013以及其它臨時配置電極被激勵，以將液滴3052沿對角線切割成兩個子液滴3053和3054，如圖30C所示。對角線切割的細節已在前面的段落中討論。由於低混合率，因此兩個子液滴3053和3054在對角線切割之後以相同的方位保持黑/白疊層。然後，多層混合的第三個步驟是將兩個液滴移回到起始配置電極上，以重複對角線混合和切割。在圖30D中，液滴3054從配置電極3012移動到配置電極3011上，並且液滴3053從配置電極3013移動到配置電極3014上。需要考慮的是在液滴3053和3054移動的同時避免它們的合併。對配置電極3012和3013去除激勵以及對配置電極3011和3014激勵的簡單液滴移動操縱可能會導致兩個液滴在移動的同時發生物理接觸，然後兩個液滴可能會合並在一起。因此，臨時配置電極3015和3016需要首先被激勵，以在兩個液滴之間產生保護區，用以在兩個液滴朝著它們的目的地移動的同時防止出現任何意外合併。在液滴3053和3054移動到配置電極3016和3015中之後，徑直向前將兩個液滴移動到配置電極3011和3014中。第一個步驟到第三個步驟可以重複，以產生用以加速混合的必要數量的多層。作為重複從第一個步驟到將圖30D中的液滴3053和3054沿對角線合併成為液滴3055的結果，圖30E說明四層液滴3055。圖30F說明在經歷了從多層混合的第一個步驟到第三個步驟的另一迴圈之後得到的八層液滴3056。

檢測(圖8中的840)：通常以下述方式之一來發出檢測信號：研究帶標籤和不帶標籤的分析物的競爭性結合；使用專用於固相分析物的帶標籤的分子；形成夾心測定；或執行酶聯免疫吸附測定(ELISA)，其中添加活性酶襯底以在與酶聯分析物交互作用時改變顏色或螢光。越來越多的研究論文在探討將檢測集成到微流體晶片的技術，尤其是那些相比吸光率或螢光檢測在尺寸微型化上更好的技術。本發明的一個實施方式是基於CMOS技術將感測裝置集成到FPLOC中，如圖31所示，其中感測器(3130、3131和3132)可以與底板3121、頂板3120、液滴3150&3151、感測器探針3180以及微電極3130相關聯地設置。通常基於無電流情況下的電位測量執行操作的集成電位計感測器3130正在通過感測器探針3180測量液滴3150。通常利用在兩個電極之間施加電位時產生的電流執行操作的安培計感測器3132被顯示為通過感測器探針3181測量液滴3151。阻抗計感測器3131被集成到了底板3121中，以監視酶的催化反應或者特異結合蛋白、凝集素、受主、核酸、全細胞、抗體或抗體相關物質的生物分子識別事件。檢測I/O埠也可用於光學感測及回饋以控制FPLOC內部的快速液體運動的目的。

系統控制(圖8中的850)：本發明用於FPLOC系統控制塊的一個實施方式如圖32所示。系統控制塊的主要功能在於實現FPLOC的現場可程式設計能力。從軟體和硬體的角度來看，對FPLOC的數位可程式設計能力存在不同等級的要求。圖32表示FPLOC的分級軟體結構。場程式設計管理(FPM)軟體3210是最低層的軟體，其將FLB配置到微流體元件以及用於微流體元件的佈局/網路中，以形成FPLOC。微流體操作程式設計管理(MOPM)3220軟體是上升一級(one level up)的功能，用以控制和管理微流體操作。此步驟設定了微流體操作將如何在FPLOC中執行以及微流體操作的順序。對於想關注應用的用戶而言，他們可以利用一組預定義的和經驗證的微流體元件並且利用對流體操作排序的可程式設計性的優點，完成FPLOC的整個設計。對於想優化FPLOC的整個設計並利用FPLOC的靈活結構的優點的更高級的用戶而言，他們可以直接建立微流體元件並直接程式設計微流體操作。FPM軟體和MOPM軟體都是FPLOC晶片級的軟體。系統管理3230是管理應用專用要求的應用級功能，其包括系統分隔和集成3231、檢測3232、資料管理3233以及週邊元件管理3234。

系統分隔和集成(圖32中的3231)：商用裝置的總體趨勢已成為製造簡單的一次性裝置，它們被設計為與容納所需的控制電子器件、反應物供應、檢測器以及程式設計的更昂貴的盒子進行介面連接。因而微流體裝置可能僅執行有限的一組操作，比如液體輸送、分離或感測。然後此裝置被使用了一次因而被丟棄。這種複雜度也產生了對系統元件的可能分隔以分開哪些是一次性的、哪些是可再利用的需求，以減少整個解決方案的成本。

檢測和資料存儲/顯示(圖32中的3232)：尤其對於同時發生的多個定量測量的測定，將需要CPU能力和軟體。在這個過程期間，也將需要一些測定校準。在獲取測定結果之後，將需要定義和實現如何以具體格式顯示、報告和存儲資料。

至少具有幾個不同的可能的系統組態用於FPLOC：(1)原型和測試系統組態；(2)桌面機器配置；(3)可擕式機器配置；以及(4)獨立式生物晶片配置。

用於FPLOC的原型和測試系統組態的一個實施方式如圖33所示。從根本上講，原型和測試系統組態提供了一種技術評估和開發的工具，用以使研究者在概念系統級原型環境的證明下快速、有效地實現其微流體技術。原型和測試系統組態是相對開放和用戶可存取的，其經由提供標準模組功能塊和這些塊之間的標準介面來實施。原型和測試系統組態的功能塊在圖33中說明。原型和測試系統組態包括：用於流體泵送的流體介面3340；用以固定FPLOC3360的固定裝置3350；用於提供輔助驅動器(功能產生器3321和高壓放大器3322)和資料管理A-D卡3323的驅動器子系統3320；FPGA板3330；光學模組3370；以及用於控制和分析晶片功能的PC3310。然後，原型和測試系統組態提供用於FPLOC原型的硬體、軟體驅動器、晶片佈局、設計檢查以及現場可程式設計性，從而實現在微流體中的概念證明(proof-of-concept)研究。原型和測試系統組態可能支援用於微流體媒介的光學表徵的兩個主要工具：視頻檢測和鐳射誘導螢光分析(LIF)。視頻功能是用於微流體操作的功能的攝影記錄。提供使用者介面來經由電腦控制泵、流量計、壓力感測器和鐳射誘導螢光分析(LIF)單元。原型和測試系統組態包括支援這些功能的主機PC。與這種中央驅動器電腦的連接是通過RS-232和USB連接實現的。

參照圖34A，在桌面機器配置的一些實施方式中，提供程式設計的FPLOC作為具有桌面裝置3415的測試生物晶片3410。圖34A說明桌面裝置3415的外觀以及用於插入程式設計的FPLOC3410的槽3416。在桌面裝置3415中包括用於感測測試結果的內置檢測感測器、裝置控制按鈕3418以及顯示器3417。

參照圖34B，在可擕式機器配置的另一實施方式中，提供程式設計的FPLOC作為具有可擕式裝置3425的測試生物晶片3420。圖34B說明可擕式裝置3425的外觀以及用於插入程式設計的FPLOC3420的槽3426。在可擕式裝置3425中包括用於感測測試結果的內置檢測感測器、裝置控制按鈕3428以及顯示器3427。本發明的FPLOC的便攜性有助於在診所、手術室、急診室、小型實驗室等寬範圍的各種場所中以及在用於能在關鍵情形下帶來較快周轉時間的快速診斷的領域中的醫療點(point-of-care)或需要點(point-of-need)使用。

圖34C說明獨立式生物晶片配置的另一實施方式，其中提供程式設計的FPLOC作為獨立式生物晶片3430。圖34C說明獨立式生物晶片3430的外觀以及用於將樣品收集到晶片中的樣品收集裝置3439。用於感測測試結果的檢測感測器、預裝載的反應物以及系統控制單元都集成到晶片中。通過使用微電極陣列，應用現場可程式設計永久顯示技術來顯示測試結果3437。此外，由於即使晶片斷電，顯示的結果也不會消失，因此可用於測試記錄。如圖34C所示的大規模製造的低成本的一次性的發明可有助於在診所、手術室、急診室、小型實驗室等寬範圍的各種場所中以及在用於能在關鍵情形下帶來較快周轉時間的快速診斷的領域中的醫療點或需要點使用。

資料管理和轉移(圖32中的3233)：FPLOC的一個實施方式是使用新興資訊技術，其允許FPLOC的不同技術配置必要地連接到醫療保健資訊系統。需要FPLOC通信設計用以：(1)使FPLOC分析器自資訊系統可存取；(2)通過標準化格式組織所有的以多種方式獲取的資料；(3)允許FPLOC對於非專業用戶而言容易使用；(4)保持不同的存取等級，以避免對這種敏感性資料的未授權操縱。

其它週邊元件(圖32中的3234)：在FPLOC系統組態的另一實施方式中，應當考慮諸如小型熱印表機之類的其它週邊元件，以在需要測定結果的立即硬拷貝的情況下使用。或者考慮可將存儲的測定資料輸送到LAB或其它資料庫以用於處理的USB記憶體。條碼掃描器也是流行的用於管理樣品的現有POCT裝置。在聯網能力可被集成到系統中之前，以有線連接或無線連接聯網的能力也被視為通信週邊元件功能。

在製造FPLOC的一些實施方式中，取決於應用需要，用於FPLOC的底層製造技術可以是基於半導體、薄膜電晶體(TFT)陣列、PCB、塑膠或紙張的技術。標準CMOS和TFT製造技術是優選的技術。

通過利用標準CMOS製造工藝來製造FPLOC的一個實施方式如圖35的框圖所示。FPLOC的兩個主塊是系統控制塊3550和流體邏輯塊(FLB)3510。正常情況下，根據應用和製造技術的限制，系統僅需要一個系統控制塊3550，但需要多個FLB3510。

微電極陣列通過以菊鏈方式連接在一起的FLB來實現。FLB的數量由應用以及主要地由製造技術的限制來確定。一個FLB包括高壓驅動微電極3530、一位(one bit)記憶體地圖資料3520以及控制電路3540。高壓驅動微電極3530是可通過施加必要的電壓被激勵以便激勵液滴的物理微電極。一位元記憶體地圖資料3520保持微電極的激勵的邏輯值，典型地，“1”代表對微電極進行激勵而“0”代表對微電極去除激勵。控制電路3540管理控制邏輯並形成FLB的菊鏈結構。

系統控制3550包括四個主塊：控制器3560、晶片佈局3570、液滴位置地圖3580以及流體操作管理器3590。控制器3560是CPU，並具有必要的記憶體空間、介面電路和軟體程式設計能力。取決於製造技術，控制器3560可被集成作為製成品的一部分，或者可以為附接的外部裝置。晶片佈局塊3570是存儲配置電極的配置資料以及FPLOC佈局資訊和資料的記憶體。液滴位置地圖3580反映出FPLOC上的液滴的實際位置。通過激勵“配置電極”序列，流體操作管理器3590將佈局資訊、液滴位置地圖以及來自控制器3560的FPLOC應用轉譯成對液滴實施的物理激勵。

在一個實施方式中，FPLOC提供現場可程式設計性，使得LOC的電極和整體佈局都可通過軟體程式設計。微流體裝置或嵌入系統如果其(存儲在諸如ROM之類的非易失性記憶體中的)固件可以“在場中”被修改，而無需拆解裝置或將裝置返回其製造商，則可以說是現場可程式設計的或現現場可程式設計的。FPLOC的現場可程式設計性或軟體配置通過系統控制3550和FLB3510來實現。電極的形狀和尺寸設計以及FPLOC佈局資訊和資料被存儲在晶片佈局塊3570內部的非易失性記憶體中，如圖35所示。包括臨時電極的被激勵電極的資訊被存儲在液滴位置地圖3580中的非易失性記憶體中。然後，軟體配置資料通過一位元記憶體地圖資料3520傳遞給每個微電極3530。一組微電極的成組(grouping)、激勵、去除激勵實際上通過FLB3510的配置來執行。此外，所有的FLB3510都是軟體可連接的，並且在物理上為可利用標準製造技術製造的單片集成形式。

圖36說明FLB陣列3600的電學設計的一個實施方式，其中FLB陣列3600包括基於標準CMOS製造技術以菊鏈配置的很多FLB3620。菊鏈是在電學工程設計中使用的佈線方式。在微電極的尺寸持續縮小並且微電極的數量持續增長的同時，互連將呈指數性增多，並將變得太複雜以至於不能管理系統的規模。通過利用菊鏈方式，簡化了每個FLB3620之間的連接，並且FLB的互連將不會隨著FLB的數量增加而增多，由此可實現可擴展的並且更簡潔的佈局設計。每個FLB3620包含用於存儲激勵資訊的存儲裝置(比如D觸發器3610)以及用於激勵微電極3630的高壓電路。當施加信號VIN時，根據觸發器3610的輸出值，微電極3630將被激勵或去除激勵。SQ信號控制方波而不是穩態DC施加到微電極。在激勵微電極陣列之前，通過資料信號ED中的時鐘來載入觸發器3620的值。諸如D觸發器3610之類的一位元存儲裝置也可以是其它觸發器設計或其它資料存儲應用。

圖37說明FLB陣列製成品的橫截面。在一個實施方式中，使用了三層金屬層以及一層聚乙烯層(poly layer)。底層是襯底3760，它上面的層是控制電路層3750。控制電路、觸發器和高壓驅動器都包含在位於微電極3740和3770正下方的3751的區域中。三層金屬層用於製作微電極3740、3770以及地線3730。此電極和地線結構的頂視圖如圖5A所示。利用電壓來應用被激勵的微電極3740，並且微電極3770是待用的。微電極的頂部是介電層3710。在本實施方式中，地線3730不被介電層3710覆蓋，以減小所需的激勵電壓。在最上面，塗覆有疏水膜3720以降低表面的潤濕性。如果從頂部觀看，僅能看到微電極陣列，而不會看見隱藏在微電極下麵的電路。這種自包含微電極結構是在製造FLB時具有極高可擴展性的關鍵。

通過利用薄膜電晶體(TFT)陣列製造工藝來製造PFLOC的另一實施方式如圖38A中的框圖所示。兩個主塊是系統控制塊3850和有源矩陣塊(AMB)3800。系統控制塊3850包括四個主塊：控制器3860、晶片佈局3870、液滴位置地圖3880以及流體操作管理器3890。控制器3860是CPU，並具有必要的記憶體空間、介面電路和軟體程式設計能力。晶片佈局塊3870是存儲配置電極的配置資料以及LOC佈局資訊和資料的記憶體。液滴位置地圖3880反映出LOC上的液滴的實際位置。通過激勵“配置電極”序列，流體操作管理器3890將佈局資訊、液滴位置地圖以及來自控制器3860的LOC應用轉譯成對液滴實施的物理激勵。

在一個實施方式中，LOC的現場可程式設計性或軟體配置由系統控制3850來實現。控制器3860是CPU，並具有必要的記憶體空間、介面電路和軟體程式設計能力。取決於製造技術，控制器可被集成作為製成品的一部分，或者可以為附接的外部裝置。電極的形狀和尺寸設計以及L0C佈局資訊和資料被存儲在晶片佈局塊3870內部的非易失性記憶體中，如圖38A所示。液滴位置地圖反映出FPLOC上的液滴的實際位置。包括臨時電極的被激勵電極的資訊被存儲在液滴位置地圖3880中的非易失性記憶體中。流體操作管理器3890將佈局資訊、液滴位置地圖以及來自控制器的FPLOC應用轉譯成通過激勵“配置電極”序列對液滴實施的物理激勵。然後，對配置電極的成組、激勵和去除激勵的資料以逐幀的方式發送給有源矩陣塊(AMB)3800。

在另一實施方式中，AMB3800包括五個主塊：有源矩陣面板3810、源極驅動器3820、柵極驅動器3825、DC/DC轉換器3840以及AM控制器3830，如圖38B所示。在有源矩陣面板3810中，在共用的基礎上使用柵極匯流排3815和源極匯流排3814，但是每個微電極3812通過選擇位於行端部和列端部的兩個適當接觸焊盤而為單獨可定址的，如圖38B所示。開關裝置使用由沉積的薄膜製成的電晶體(因此稱為薄膜電晶體(TFT)3811)。TFT陣列襯底包含TFT3811、存儲電容器3813、微電極3812以及互連佈線3814和3815。在柵極匯流排3815和資料信號匯流排3814的每個端部製造一組接合焊盤，以附接源極驅動器IC3820和柵極驅動器IC。AM控制器3830利用來自系統控制3850的資料3831通過驅動電路單元驅動TFT陣列，其中驅動電路單元包括一組LCD驅動LC(LDI)晶片3820和3825。將LC電源3841施加到DC/DC轉換器3840，DC/DC轉換器3840通過柵極匯流排3815向柵極施加正脈衝，以導通TFT。存儲電容器被充電，並且微電極3812上的電壓電平上升達到被施加到源極匯流排3814的電壓電平。存儲電容器3813的主要功能是保持微電極上的電壓，直到施加下一信號電壓為止。

在一個實施方式中，基於TFT陣列的微電極陣列的頂視圖如圖38C所示。微電極3812、TFT3811以及存儲電容器3813在典型的TFT LCD佈局中說明。在另一實施方式中，實現如圖4B所示的六邊形TFT陣列佈局，以減少與在相鄰微電極之間的相對較大的間隙3816的碰撞。

在另一實施方式中，基於TFT技術的FPLOC製成品是在如圖38D所示的雙平面結構中。TFT3803是在具有微電極3804的玻璃襯底3801上製造的，並且添加塗覆有疏水膜3805的介電絕緣體3806，以降低表面的潤濕性，並增加在液滴與微電極之間的電容。在頂板3802上，除了塗覆有疏水膜3805的連續地電極3808之外，可能還需要由不透明金屬製成的黑色矩陣(BM)3807，用以遮擋a-Si TFT，使其免受雜散光的照射。

在任何程式設計或配置之前，空白FPLOC將看起來像圖39A中所說明的那樣。它具有FLB(流體邏輯塊)3910的矩陣，並且每個FLB在物理上是可被組合在一起並被同時激勵的微電極。程式設計空白FPLOC的各種實施方式至少包括：(1)手動自下而上程式設計處理；以及(2)自上而下設計方法。

通過利用手動自下而上程式設計處理來程式設計FPLOC的一個實施方式如圖39A和39B所示。在任何程式設計或配置之前，空白FPLOC3901可如圖39A所示。這種空白FPLOC3901包括多個FLB3910的陣列、FPLOC系統控制3920以及I/O介面3930。在本發明的一個實施方式中，I/O介面3930的數量可根據設計需要為單個或多個。在另一實施方式中，I/O介面3930和FPLOC系統控制3920的放置位置可以是位於FLB3910的陣列的下方或者在同一晶片上緊鄰FLB3910的陣列(如圖39A所示)。FPLOC系統控制3920提供系統分隔、配置、控制、管理和其它系統相關功能。I/O介面3930提供在FPLOC和外部裝置之間進行連接以程式設計晶片、顯示測試結果、校準以及資料管理的功能。在另一實施方式中，I/O介面3930也可提供向印表機、USB記憶體裝置或網路介面的連接。I/O介面3930還提供通往對FPLOC供電所需的電源的通路。FPLOC的第一個設計步驟(或最低級的工作)是對所有微流體元件(比如貯液器、混合區域、檢測區域以及輸送路徑)的物理位置、尺寸和形狀以及FPLOC的整體佈局手動地進行場程式設計。圖39B說明對空白FPLOC3901進行程式設計以實現配置LOC的設計3902的一個實施方式。此配置LOC3902具有包括電極3940和貯液器3970、廢棄物貯存器3990、混合室3960、檢測視窗3950以及輸送路徑3980的微流體元件，其中輸送路徑3980由連接FPLOC的不同區域的電極構成。在FPLOC的佈局設計之後，在圖39B中也存在一些未使用的微電極3910。設計FPLOC的第二個步驟是定義晶片的微流體操作。基本的流體操作包括：產生液滴、輸送、切割和混合。如前面的段落所討論的，基於微電極陣列結構可以實現更多的先進的流體操作。FPLOC的設計者可以選擇使用基礎建立塊FLB來建立包含流體操作的整個FPLOC。但是為了設計者設計的便利性以及為了能夠擴展FPLOC的設計，高度期望用於微流體操作的應用級呈現。

FPLOC設計和程式設計：在一個實施方式，FPLOC的自上而下的設計方法在圖40中說明。FPLOC的自上而下的設計起始於由生物晶片使用者提供的生物測定協定4010。為了定義FPLOC的行為(behavior)，用戶提供作為“高階語言描述”4012的硬體描述語言(HDL)或者作為“排序圖模型”4015的示意性設計。“排序圖模型”4015可自用以描述這種測定協議的“高階語言描述”4012產生。這種模型可用於執行“行為級模擬”4013以驗證高級測定功能。HDL表更適於與大型結構一起工作，因為通過數位即可指定它們，而無需用手畫出每一件。然而，示意性目錄可實現更容易的設計視覺化。在這一層，定義應用級功能和LOC的用途。接下來，利用“體系級合成”4020來根據排序圖模型產生具體的執行過程。“微流體模組庫”4021和“設計規範”4022也被提供作為合成處理的輸入。這種模組庫，類似於在基於細胞的VLSI設計中使用的標準細胞庫，包括諸如混合器和存儲單元之類的不同微流體功能模組。緊湊的模型用於不同的微流體功能模組以及諸如寬度、長度以及裝置類比或實驗室實驗的操作持續時間之類的參數。此外，一些設計規範也被賦予了先驗(priori)，例如，完成時間的上限、晶片面積尺寸的上限以及不可重新配置的資源(比如晶片上貯液器/分配埠和集成光學檢測器)的組合。合成處理4020的輸出包括測定操作到晶片上資源4042的映射(或映射檔)，測定操作4023的時間表(或時間表檔)以及內置自測試(BIST)(或內置自測試檔)4025。然後，在幾何級4032上通過設計規範的輸入，發生幾何級合成4030。合成處理試圖找到既符合輸入規範又能優化一些品質因數(比如性能和面積)的期望的設計點。在合成之後，生物晶片的二維物理設計4033(即模組放置和路由)可與來自(與一些製造技術相關聯的)模組庫的具體物理資訊相結合，以獲得三維幾何模型4040。這種模型可用於執行物理級類比4045以及低級設計驗證4050。在物理驗證之後，FPLOC設計可被載入到空白FPLOC中。

從示意性/HDL原始檔案到實際FPLOC配置：在一個實施方式中，原始檔案被饋送給適於FPLOC設計的軟體，其中將通過不同的步驟產生一個檔。然後，將該檔通過序列介面(JTAG)轉移給FPLOC或類似EEPROM的外部記憶體裝置。

最常見的HDL是VHDL和Verilog，儘管在降低HDL設計的複雜度方面作出了努力，但是相比等同的組合語言，通過引入替代語言而提高了抽象程度。也可利用圖形程式設計語言(比如美國國家儀器LabVIEW)，使得FPLOC附加模組可用於定向及程式設計FPLOC硬體。圖形程式設計語言方式極大地簡化了FPLOC程式設計處理。

在又一實施方式中，為了簡化FPLOC中的複雜系統的設計，可利用已被測試和優化的預定義複雜功能的庫來加速FPLOC設計過程。這些預定義的微流體庫可以是諸如“對角線切割”或“以x：y顯示‘OK’”之類的先進微流體操作。在典型的設計流程中，FPLOC應用開發者將在整個設計過程中多階段地模擬設計。初始地，以VHDL或Verilog進行的描述通過創建用以類比系統和觀察結果的測試工作臺來模擬。然後，在合成引擎已經將設計映射到連線表之後，連線表被轉譯成門級描述，其中重複模擬以確認無差錯地進行合成。最後，設計被佈局在FPLOC中，這時可以添加傳播延遲，並且通過將這些值返回注釋(back-annotated)到連線表上，整個系統類比再次運行。

在各種實施方式中，代替基於液滴的微流體操作，EWOD微電極陣列結構可執行連續流微流體操作。連續微流體操作在控制上非常簡單，但是能提供實施微流體操作的非常有效的方式。圖41A-C說明從貯液器4110產生確定體積的液體4130。如圖41A所示，細的微電極線形成了在目標配置電極4160與貯液器4110之間的橋4115。當橋4115和目標配置電極4160被激勵時，使液體從貯液器流到目標配置電極4160中。4130表示液體從橋流到配置電極4160中。這裡橋是一條微電極線。這種橋配置具有連續流和基於液滴的系統的特點。它具有通道的所有優點，即，一旦橋配置電極被激勵，液體就將通過它流動，而無需對激勵時序和速度進行額外控制和考慮。同時它也具有基於液滴的系統的所有優點，即，一旦橋4115被去除激勵，則所有的液體都將被拉回到貯液器或者目標配置電極4160，並且在通道中不存在殘留液滴。一旦目標配置電極4160被填滿，則橋4115被去除激勵，以將來自貯液器4110的液體4130切斷，如圖41B所示。配置電極4160的液體填滿是自動化的，即，一旦橋和配置電極的所有微電極被液體填滿，則將停止從貯液器4110流出液體，因此這個過程的時序控制並不重要。可通過激勵適當的微電極4160以及橋的中斷點來精確地控制液體4130的產生。如圖41B所示，通過首先對微電極4116去除激勵然後對橋去除激勵，液體4130從貯液器4110斷開。這個過程將確保形成橋的大部分液體將被拉回到貯液器4110，並且液體4130將通過配置電極4160的微電極的數量而被精確地控制。在圖41B中，配置電極4160包括10×10個微電極。可定義配置電極的其它尺寸和形狀以產生不同的液體尺寸和形狀。圖41C說明液體橋的消失，並且通過激勵貯液器4110和配置電極4160產生液體4130。

在一個實施方式中，可利用液體的相同產生過程來將液體切割成兩種子液體，如圖41D所示。在對配置電極4160去除激勵之後，橋配置電極4117和目標配置電極4171被激勵，液體從橋流到4170的區域中。對橋配置電極4117去除激勵，然後對配置電極4161和4171進行激勵，使得液體斷裂並形成兩種子液體4170和4130，如圖41E所示。只要配置電極4161和4171的尺寸被預先計算為期望的尺寸，這種切割處理就可產生不同尺寸的兩種子液體。

在另一實施方式中，圖42A-C說明通過連續流微流體操作實施的混合過程。圖42A說明通過激勵橋4215和4225以及激勵配置電極4216和4226，液體從貯液器4210和4220經橋流到混合室4230中。這裡，與配置電極4216和4226相關聯的液體在形狀上發生改變以便進行更好的混合，此外液體的尺寸也不同以便進行比例混合(ratio mixing)。在配置電極4216和4226之間具有間隙，以防止過早混合。一旦液體填滿了配置電極4216和4226，則配置電極4230(10×10個微電極)被激勵，兩種液體將被混合，如圖42B所示。然後，兩個橋電極被去除激勵，如圖42C所示。

在這種簡單的混合微流體操作中，實際上所有的基礎微流體操作被解釋為：(1)產生：液體4216和4226以精確的方式自貯液器4210和4220產生；(2)切割：液體4216與液體4210被切斷，液體4226與液體4220被切斷；(3)輸送：橋4215和4225將液體輸送到混合室；以及(4)混合：液體4216和4226在4230處混合。很明顯，這種連續流技術不僅可用以執行所有的微流體操作，而且可以以更精確的方式執行，因為精度的解析度取決於小尺寸微電極。

儘管已經參考優選實施方式描述了本發明，所屬領域的技術人員將意識到，在不脫離本發明的精神和範圍的條件下可在形式和細節上作出各種改變。

120．．．玻璃板(頂板)

121．．．玻璃板(底板)

130．．．電極

135．．．間隙

140．．．地電極

150．．．液滴

151．．．液滴

152．．．液滴

160．．．疏水膜

170．．．介電絕緣體

180．．．電極

190．．．二維電極陣列

210．．．低表面能材料

220．．．參考電極

245．．．底部襯底

250．．．液滴

260．．．配置電極

261．．．微電極

270．．．間隙高度(液滴厚度)

300．．．微電極陣列

310．．．微電極

320．．．電極(配置電極)

330．．．電極

340．．．電極

350．．．液滴

360．．．電極

370．．．電極

410．．．微電極

411．．．微電極

420．．．廢棄物貯存器

430．．．貯液器

431．．．貯液器結構

432．．．配置貯液器

440．．．輸送路徑(輸送路徑電極)

450．．．檢測視窗

460．．．混合室

470．．．配置電極

471．．．電極

472．．．電極

501．．．微電極

502．．．配置電極

503．．．微電極

504．．．配置電極

505．．．微電極

506．．．配置電極

610．．．開關

615．．．間隙

616．．．間隙

617．．．間隙

620．．．蓋板

621．．．電極板

630．．．共面微電極

631．．．微電極

632．．．驅動微電極

633．．．微電極

640．．．地電極

651．．．液滴

652．．．液滴

653．．．液滴

680．．．接地網(共面微電極)

681．．．地線(接地網)

682．．．接地焊盤

683．．．地電極

710．．．頂板(頂蓋)

720．．．電極板

730．．．液滴

740．．．液滴

750．．．液滴

810．．．I/O埠(輸入/輸出埠)

811．．．I/O埠(輸入/輸出埠)

812．．．I/O埠(輸入/輸出埠)

813．．．I/O埠(輸入/輸出埠)

820．．．樣品製備

825．．．樣品

830．．．液滴操控

833．．．反應物

835．．．廢棄物

840．．．檢測

850．．．系統控制

851．．．晶片

852．．．測試結果

853．．．資料管理

854．．．周邊元件

930．．．間隔物

940．．．鉸接裝置

950．．．樣品(液滴、反應物)

960．．．針

970．．．電極板

980．．．蓋板

1020．．．頂板

1021．．．底板

1035．．．光學檢測

1036．．．磁性納米顆粒檢測

1040．．．介電層

1070．．．介電層

1090．．．電極

1110．．．墨水框架

1111．．．微電極

1114．．．框架

1210．．．方形配置電極

1211．．．方形配置電極

1212．．．方形配置電極

1213．．．方形配置電極

1220．．．條型配置電極

1221．．．條型配置電極

1222．．．條型配置電極

1223．．．條型配置電極

1224．．．條型配置電極

1225．．．條型配置電極

1226．．．條型配置電極

1230．．．信號

1250．．．液滴

1251．．．子液滴

1252．．．子液滴

1256．．．非均勻電場

1340．．．微電極

1345．．．液滴

1350．．．液滴

1360．．．液滴

1370．．．間隙(通道)

1380．．．血細胞

1420．．．液滴

1430．．．液滴

1440．．．貯液器

1460．．．臨時配置電極

1515．．．方形貯液器(貯液器)

1530．．．貯液器(電極)

1535．．．電極

1540．．．配置電極

1550．．．液滴

1610．．．貯液器

1615．．．液滴

1620．．．配置電極

1630．．．液滴

1731．．．配置電極

1732．．．配置電極

1733．．．配置電極

1734．．．配置電極

1735．．．配置電極

1736．．．配置電極

1737．．．配置電極

1738．．．配置電極

1739．．．配置電極

1750．．．液滴

1760．．．配置電極

1810．．．配置電極

1820．．．配置電極

1830．．．路線

1840．．．路線

1850．．．液滴

1851．．．液滴

1852．．．液滴

1860．．．路線

1861．．．配置電極

1930．．．配置電極

1940．．．配置電極

1950．．．液滴

1960．．．間隙

1970．．．配置電極

2010．．．電極

2011．．．電極

2020．．．配置電極列

2021．．．配置電極列

2022．．．配置電極列

2050．．．液滴

2110．．．配置電極

2111．．．配置電極

2112．．．配置電極

2151．．．子液滴

2152．．．子液滴

2210．．．配置電極

2212．．．配置電極

2215．．．配置電極列

2216．．．配置電極列

2250．．．液滴

2251．．．子液滴

2252．．．子液滴

2310．．．配置電極

2311．．．配置電極

2312．．．配置電極

2313．．．配置電極

2314．．．配置電極

2315．．．配置電極

2316．．．配置電極

2350．．．液滴

2351．．．子液滴

2352．．．子液滴

2420．．．配置電極

2430．．．配置電極

2440．．．配置電極

2450．．．液滴

2460．．．液體柱

2470．．．液滴

2521．．．襯底

2530．．．微加熱元件

2532．．．加熱器控制/監視器

2550．．．液滴

2610．．．配置電極

2611．．．配置電極

2612．．．配置電極

2650．．．液滴

2651．．．液滴

2653．．．液滴

2750．．．液滴

2751．．．配置電極

2760．．．配置電極

2770．．．液滴

2771．．．配置電極

2840．．．配置電極

2850．．．液滴

2860．．．配置電極

2910．．．配置電極

2920．．．配置電極

2930．．．配置電極

2940．．．配置電極

2950．．．配置電極

2960．．．配置電極

2970．．．配置電極

2980．．．配置電極

2990．．．液滴

3010．．．配置電極

3011．．．配置電極

3012．．．配置電極

3013．．．配置電極

3014．．．配置電極

3015．．．配置電極

3016．．．配置電極

3050．．．液滴

3051．．．液滴

3052．．．液滴

3053．．．液滴

3054．．．液滴

3055．．．液滴

3056．．．液滴

3120．．．頂板

3121．．．底板

3130．．．感測器(微電極)

3131．．．感測器

3132．．．感測器

3150．．．液滴

3151．．．液滴

3180．．．感測器探針

3210．．．場程式設計管理(FPM)軟體

3220．．．微流體操作程式設計管理(MOPM)

3230．．．系統管理

3231．．．系統分隔和集成

3232．．．檢測和資料

3233．．．資料管理和轉移

3234．．．週邊元件

3310．．．用於控制和分析晶片功能的PC

3320．．．驅動器子系統

3321．．．功能產生器

3330．．．FPGA板

3340．．．流體介面

3350．．．固定裝置

3360．．．FPLOC

3370．．．光學模組

3410．．．測試生物晶片(FPLOC)

3415．．．桌面裝置

3417．．．顯示器

3418．．．裝置控制按鈕

3420．．．測試生物晶片(FPLOC)

3425．．．可擕式裝置

3427．．．顯示器

3428．．．裝置控制按鈕

3430．．．獨立式生物晶片

3437．．．測試結果

3439．．．樣品收集裝置

3510．．．流體邏輯塊(FLB)

3520．．．位元記憶體地圖資料

3530．．．高壓驅動微電極

3540．．．控制電路

3550．．．系統控制塊

3560．．．控制器

3570．．．晶片佈局塊

3580．．．液滴位置地圖

3590．．．流體操作管理器

3600．．．FLB陣列

3610．．．D觸發器

3620．．．FLB(觸發器)

3630．．．微電極

3710．．．介電層

3720．．．疏水膜

3730．．．地線

3740．．．微電極

3760．．．襯底

3770．．．微電極

3800．．．有源矩陣塊(AMB)

3802．．．頂板

3803．．．TFT

3804．．．微電極

3805．．．疏水膜

3806．．．介電絕緣體

3807．．．黑色矩陣(BM)

3808．．．地電極

3810．．．有源矩陣面板

3811．．．TFT

3812．．．微電極

3813．．．存儲電容器

3814．．．源極匯流排(互連佈線)

3815．．．柵極匯流排(互連佈線)

3816．．．間隙

3820．．．源極驅動器

3825．．．柵極驅動器

3830．．．AM控制器

3831．．．資料

3840．．．DC/DC轉換器

3841．．．DC電源

3850．．．系統控制塊

3860．．．控制器

3870．．．晶片佈局

3880．．．液滴位置地圖

3890．．．流體操作管理器

3901．．．FPLOC

3902．．．LOC

3910．．．FLB(流體邏輯塊、微電極)

3920．．．FPLOC系統控制

3930．．．I/O介面

3940．．．電極

3950．．．檢測視窗

3960．．．混合室

3970．．．貯液器

3980．．．輸送路徑

3990．．．廢棄物貯存器

4010．．．生物測定協定

4012．．．高階語言描述

4013．．．行為級模擬

4015．．．排序圖模型

4020．．．體系級合成

4021．．．微流體模組庫

4022．．．設計規範

4023．．．測定操作

4025．．．內置自測試(BIST)(或內置自測試檔)

4030．．．幾何級合成

4032．．．幾何級

4033．．．二維物理設計

4040．．．三維幾何模型

4042．．．資源

4045．．．物理級類比

4050．．．低級設計驗證

4110．．．貯液器

4115．．．橋

4116．．．微電極

4117．．．橋配置電極

4130．．．液體

4160．．．配置電極

4161．．．配置電極

4170．．．液體

4171．．．配置電極

4210．．．貯液器

4215．．．橋

4216．．．配置電極(液體)

4220．．．貯液器(液體)

4225．．．橋

4226．．．配置電極(液體)

4230．．．混合室

圖1A是概括說明常規的夾置的EWOD系統的橫截面視圖。

圖1B是概括說明在二維電極陣列上的常規EWOD的頂視圖。

圖2是用於操縱介電液滴的雙平面DEP裝置的圖。

圖3是說明微電極陣列的圖，其中微電極陣列中的配置電極(configured-electrode)可被配置成各種形狀和尺寸。

圖4A是利用微電極陣列結構的LOC佈局的圖。

圖4B是常規的物理蝕刻的結構的圖。

圖4C是配置電極的圖，其中說明貯液器(reservoir)和配置電極的放大部分。

圖5A說明多個方形微電極的陣列，其中的一個微電極被突出顯示。

圖5B說明多個六邊形微電極的陣列，其中的一個微電極被突出顯示。

圖5C說明佈置在牆磚(wall-brick)佈局中的多個方形微電極的陣列，其中的一個微電極被突出顯示。

圖6A說明混合板結構，其中混合板結構可被控制為在共面模式和雙平面模式之間切換微電極結構。

圖6B說明接地網(ground grid)微電極共面結構。

圖6C說明另一具有接地焊盤的FPLOC微電極共面結構。

圖6D說明另一具有可程式設計接地焊盤的FPLOC微電極共面結構。

圖7是說明混合系統結構的圖，其中混合系統結構具有可拆卸的、可調節的並且透明的頂板，用以適應最寬範圍的液滴尺寸和體積。

圖8是說明FPLOC所需的五個基礎功能塊的圖。

圖9A、9B、9C和9D說明利用可調節的另一鉸接的無源蓋來裝載樣品。

圖10是說明檢測I/O埠的圖。

圖11A和11B說明FPLOC利用現場可程式設計永久顯示技術來顯示測試結果或其它重要消息。

圖12A說明液滴和懸浮顆粒由分別通過EWOD和DEP利用方形配置電極和條形配置電極激勵的頂視圖。

圖12B和12C是說明從左到右施加到條形配置電極的高頻信號；在液滴內部的非均勻電場通過DEP將顆粒驅動到右側的橫截面視圖。

圖12D說明施加在方形配置電極上以通過EWOD產生具有不同顆粒濃度的兩個子液滴的低頻信號。

圖13說明利用液滴等分技術的FPLOC樣品製備的另一實施方式。

圖14A和14B說明自調節所裝載的樣品或反應物相對於貯液器的位置的能力。

圖15說明FPLOC液滴產生過程的一個實施方式。

圖16說明稱為“液滴等分”的具體液滴產生過程。

圖17是說明FPLOC的液滴的輸送的圖。

圖18是說明FPLOC的液滴路由的圖。

圖19A、19B和19C是說明利用FPLOC的臨時橋接處理輸送液滴的圖。

圖20A、20B和20C是說明電極列激勵的圖。

圖21A、21B和21C是說明FPLOC的液滴切割的圖。

圖22A、22B和22C是說明FPLOC的液滴的精確切割的圖。

圖23A、23B和23C是說明FPLOC的液滴的對角線切割的圖。

圖24A、24B和24C說明在FPLOC的開放表面上的液滴切割過程。

圖25是說明集成到FPLOC的襯底中的微加熱元件的圖。

圖26A和26B是說明FPLOC的基本合併/混合的圖。

圖27A、27B和27C是說明通過用以加速混合的不均勻幾何運動來實施的液滴操縱的有效混合過程的圖。

圖28A和28B說明用於加速液滴混合的不均勻往復混合器。

圖29是說明基於EWOD微電極陣列結構的流體循環混合器的圖。

圖30A-30F是說明多層混合器的圖，其中多層混合器對於低縱橫比(<1)的情形尤其有用。

圖31是說明基於CMOS技術的感測裝置集成到FPLOC中的圖。

圖32是說明用於FPLOC的分級軟體結構的框圖。

圖33是說明用於FPLOC的原型和測試系統組態的框圖。

圖34A說明FPLOC應用的桌面機器配置。

圖34B說明FPLOC應用的可擕式機器配置。

圖34C說明FPLOC應用的獨立式生物晶片配置。

圖35是利用標準CMOS製造工藝來製造FPLOC的框圖。

圖36說明基於標準CMOS製造技術的FLB陣列的電學設計。

圖37說明基於標準CMOS製造技術的FLB陣列製成品的橫截面視圖。

圖38A是利用薄膜電晶體(TFT)陣列製造工藝來製造FPLOC的框圖。

圖38B說明有源矩陣塊(AMB)的框圖。

圖38C是基於TFT陣列的微電極陣列的頂視圖。

圖38D是說明在雙平面結構中基於TFT技術的FPLOC製成品的橫截面視圖。

圖39A說明在任何程式設計或配置之前的空白FPLOC。

圖39B說明配置LOC的設計的實例。

圖40是說明用於FPLOC設計和程式設計的自上而下設計方法的流程圖。

圖41A、41B和41C說明通過連續流激勵來產生液體。

圖41D和41E說明通過連續流激勵來切割液體。

圖42A、42B和42C說明通過連續流激勵來合併/混合液體。

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