高电压微流体液滴低电压制造
高电压微流体液滴低电压制造
【技术领域】
[0001]本发明涉及通过使用标准低电压半导体制造技术，来进行从半导体制造的视角被认为是高电压应用的、对微流体液滴的致动(actuat1n)。
[0002]因为本发明使得标准半导体制造技术能够实施数字微流体系统，所以本发明能够用于改进将来的具有大规模微电子和微流体集成(large-scale microelectronic andmicrofluidic integrat1n)的数字微流体系统的构建。
【背景技术】
[0003]在基于液滴的微流体器件中，液体夹设在两个平行的板之间，并且以液滴的形式运送。基于液滴的微流体系统提供了许多优点:低功耗，并且不需要诸如泵或者阀等机械部件。近年来，基于液滴的微流体系统已经广泛应用在诸如分析物和试剂的混合、生物分子的分析、和颗粒操控等应用中。在数字微流体系统中，电介质上电润湿(EWOD)和液体介电泳(LDEP)是用于分配和操控液滴的两个主要机制。EWOD和LDEP两者均利用机电力(electromechanical force)来控制液滴。EWOD微系统通常用于创建、运送、切割以及合并液体液滴。在这些系统中，液滴夹设在两个平行的板之间，并且在致动电极与非致动电极之间的润湿性之差的作用下驱使(actuate)液滴。在LDEP微系统中，当施加电压时，液体变成可极化的，并且流向电场强度更强的区域。LDEP致动机制与EWOD致动机制之间的差别在于致动电压和频率。在EWOD致动中，施加通常在50Vrms与10Vrms之间的DC或者低频AC电压，而LDEP需要更高的致动电压(10Vrms至300Vrms)和更高的频率(50kHz至200kHz)。
[0004]为了制造微流体系统，照惯例，要求构建高电压的电极以执行液滴致动。通常，然后将顶板用作电压参考(或者接地)。
【发明内容】
[0005]已经在文献中提出了许多操控微流体液滴的方法。可以将这些技术分类为化学法、热学法、声学法和电学法。液体介电泳(LDEP)和电介质上电润湿(EWOD)是两种最常见的电学法。这两种技术均利用电流体动力(electrohydrodynamic force)，并且均在几何图形较简单的同时提供高的液滴速度。
[0006]液体DEP致动被定义为将可极化液体质量吸引到电场强度更高的区域中。基于DEP的微流体依赖于图案化在衬底上、涂布有薄介电层、并且利用AC电压通电的电极。对于大量皮升体积的液滴和电压控制型阵列混合器的快速分配，已经通过采用DEP而得以证明。然而，对于DEP致动，过度的焦耳加热是个问题，即使可以通过使用热导性更高的材料或者通过减小结构大小来减少焦耳加热。
[0007]EffOD使用电场来直接控制在固相与液相之间的界面能。与DEP致动相反，在EWOD中几乎消除了焦耳加热，这是因为覆盖电极的介电层阻挡了 DC电流。虽然存在许多用于操控微流体液滴的方法，但是“数字微流体” 一般是指采用EWOD来操控纳升液滴。EWOD指的是，通过在导电流体与涂布有介电层的固体电极之间施加电场，来调制在它们之间的界面张力。基于EWOD的数字微流体器件能够包括两个平行的玻璃板。底板包含可独立控制的电极的图案化阵列，并且顶板涂布有连续的接地电极。电极能够由薄层形式的具有导电性和透光性的组合特征的材料诸如铟锡氧化物(ITO)形成。将涂布有疏水膜诸如特氟龙AF的介电绝缘体例如聚对二甲苯C(parylene C)添加至板，用于降低表面的可润湿性并且用于增加在液滴与控制电极之间的电容。包含生化样品的液滴和填充物介质诸如硅油夹设在板之间。液滴在填充物介质内部移动。为了移动液滴，将控制电压施加至与液滴相邻的电极，并且同时将在液滴正下方的电极去激励(inactivate)。
[0008]在一些实施例中，微流体生物芯片能够集成微电子部件。高电压CMOS制造技术具有若干问题。第一个问题在于，高电压单元的大小。而且，功耗、制造技术的稳定性/成本、以及与现有CMOS设计的兼容性都是棘手的问题。因此，在本发明的一些实施例中的电极单元符合已成熟的低电压CMOS制造技术，以便进行微电子和微流体的集成。
[0009]本发明使用已成熟的低电压制造技术构建数字微流体系统。一旦在顶部驱动电极与底部驱动电极之间施加电位，则EWOD效应使电荷累积在液滴/绝缘体的界面中，从而引起跨在相邻电极之间的间隙的界面张力梯度，因此引起对液滴的运送。虽然电位的极性变化可以由于材料电介质与物理参数的差异的影响而导致在液滴/绝缘体中的电荷累积发生一定程度的变化，但是总体的液滴致动仍能够可靠地进行。
[0010]在一些实施例中，将高电压施加至顶板，并且通过不要求任何高电压部件的双状态开关技术(b1-state-switch technology)来实施底板上的电极。由此，已成熟的低电压制造技术可以用于构建数字微流体系统。
[0011]在其他的实施例中，低电压制造技术包括但不限于CM0S、TFT(薄膜晶体管)、以及能够用于构建上述器件的其他半导体制造技术。
[0012]在其它一些实施例中，双状态开关电极在其接地的情况下被激励(activate)。高阻抗模式包括:电极被去激励。双状态开关电极能够通过利用典型的半导体制造工艺制造而成，以减小成本和空间。
[0013]在一些实施例中，建立保护电路系统以:(1)增加击穿电压，⑵减少正电压的漏电流，(3)防止负电压通过p-n结对地短路，以及(4)增加双状态开关电极的高阻抗。
[0014]在一方面中，一种用于高电压液滴致动的器件包括:顶板，其包括连续电极，该连续电极设置在第一衬底的底表面上、被第一疏水层覆盖；以及底板，其包括多个电极的阵列，该多个电极的阵列设置在第二衬底的顶表面上、被第一介电层覆盖，其中该多个电极中的每一个由分隔结构隔开，其中第二疏水层设置在第一介电层上、形成疏水表面。在一些实施例中，连续电极与驱动电压源耦合。在其他的实施例中，驱动电压源配置用于提供驱动电压，该驱动电压配置用于液滴致动。
[0015]在其他一些实施例中，顶板进一步包括第二介电层。在一些实施例中，当液滴夹设在顶板与底板之间时，顶板与底板通过第一和第二介电层以及第一和第二疏水层绝缘，从而使得能够避免在顶板上的高电压驱动电压对底板的损坏。
[0016]在其他一些实施例中，底板通过双状态开关技术实施，其中致动模式是使电极短接至GND。在一些实施例中，该器件进一步包括高阻抗模式，其中连续电极、多个电极的阵列、或者两者，在高阻抗模式下被去激励。
[0017]在其他一些实施例中，双状态开关技术能够扩展为三状态开关技术(tr1-state-switch technology)，其中第三状态为逻辑‘I’状态。逻辑‘I’状态具有电源节点VDD的电压(3.5V至0.4V)。三状态开关技术能够用于如下其他的应用中，其中高阻抗和‘0’状态用于液滴致动，而‘I’状态用于检测或者自测。在其他一些实施例中，逻辑‘I’状态能够用于液滴检测，其中在底板上的电极充电至VDD然后放电。放电速度能够取决于电极的电容的RC时间常数。在其顶部上具有液滴的电极具有大于在其顶部上不具有液滴的电极的电容。通过测量放电(或者充电)速度，可以检测到液滴。
[0018]在一些实施例中，连续电极、该多个电极的阵列、或者两者，不包含高电压部件，能够通过半导体制造工艺来实施。在其他实施例中，半导体制造工艺包括制作CMOS、TFT、TTL、GaAs或者其组合的工艺。在一些实施例中，该多个电极的阵列包括与第二电极相邻的第一电极。在一些实施例中，该器件进一步包括设置在第一电极的顶部上并且与第二电极的一部分重叠的液滴。
[0019]在其 他实施例中，该器件进一步包括:系统管理单元，配置用于生成一个或者多个指令，该一个或者多个指令通过对一个或者多个所选电极顺序地进行接地、激励或去激励，来操控在该多个电极之间的一个或者多个液滴，从而驱使液滴沿着所选路线移动。在其他一些实施例中，该器件包括EWOD器件。在一些实施例中，该器件包括配置用于生成驱动电压的DEP器件，该驱动电压是具有10Vrms至300Vrms的在50kHz到200kHz范围内的AC。在其他实施例中，该器件包括通过典型的CMOS制造工艺制造的CMOS器件。在其他一些实施例中，该器件进一步包括并且/或者利用包括Si3N4/Si02或者其他氧化物材料的钝化层，作为介电层。
[0020]在一些实施例中，该器件包括CMOS器件，其中使用标准低电压(3.5V至0.4V)CMOS部件来实施双状态开关。在其他实施例中，该器件包括CMOS器件，该CMOS器件包括保护电路系统，该保护电路系统配置用于:增加击穿电压，减少正电压的漏电流，防止负电压通过P-n结对地短路，增加在断开模式下的双状态开关电极的高阻抗，或者其组合。在其他一些实施例中，该器件包括TFT器件，该TFT器件包括双状态开关，该双态开关使用由沉积的薄膜制成的晶体管。在其他实施例中，该器件进一步包括施加至DC/DC转换器的DC电源，该DC/DC转换器包括放电功能，其中通过栅极总线以接通TFT，来将该多个电极中的一个或者多个短接至GND以便对液滴进行致动。
【附图说明】
[0021]图1是图示了包括高电压驱动电极的微流体系统的示意图；
[0022]图2是图示了包括双状态开关低电压驱动电极(b1-state-switch low-voltagedriving electrode)的微流体系统的示意图；
[0023]图3是图示了使用标准CMOS制造技术来进行电极的电学设计的示意图；
[0024]图4是图示了使用标准TFT制造技术来进行电极的电学设计的示意图；
[0025]图5是图示了制作包括双状态开关低电压驱动电极的微流体系统的过程的流程图。
【具体实施方式】
[0026]在图1中图示了一种常规的电润湿微致动器机制。数字微流体器件包括分别地两个平行板102和107，具有距离间隔104。底板107包含可独立控制的电极108的阵列，并且顶板102涂布有连续的接地电极101。电极能够由薄层形式的具有导电性和透光性的组合特征的材料诸如铟锡氧化物(ITO)形成。将涂布有疏水膜103诸如特氟龙AF的介电绝缘体106例如聚对二甲苯C，添加至该板，用于降低表面的可润湿性并且用于增加在液滴与控制电极之间的电容。包含生化样品的液滴105和填充物介质诸如硅油或空气，夹设在板之间，以方便在填充物介质内部运送液滴105。为了移动液滴105，将通常在50Vrms至150Vrms范围内的并且对于大多数半导体制造技术来说过高的控制电压，施加至与在液滴105正下方的去激励的电极110相邻的电极109。
[0027]图2图示了根据一些实施例的数字微流体器件。利用双状态开关低电压方法的数字微流体器件，包括分别地两个平行板202和207，具有距离间隔204。底板207包含可独立控制的电极208的阵列，并且顶板202涂布有连续电极201。将高电压AC，诸如IKHz，供应至连续电极201。顶板能够由薄层形式的具有导电性和透光性的组合特征的材料诸如铟锡氧化物(ITO)形成。底板可以通过半导体制造技术来实施。将涂布有疏水膜203诸如特氟龙AF的介电绝缘体206例如标准CMOS制造的钝化层的Si3N4/Si02，添加至板，用于降低表面的可润湿性并且用于增加在液滴与控制电极之间的电容。包含生化样品的液滴205和填充物介质诸如硅油或空气，夹设在板之间，以方便在填充物介质内部运送液滴205。为了移动液滴205，通过使电极212处于高阻抗模式，将接地施加至与去激励的电极210相邻的电极209。电极212在液滴205的正下。电极208，诸如电极209和212，由分隔结构213电隔离并且/或者隔开。
[0028]在一些实施例中，电极由双状态开关210控制。施加逻辑低至该电极以激励对应的电极，并且施加逻辑高以去激励该电极。
[0029]在其他一些实施例中，双状态开关技术能够扩展为三状态开关技术，其中第三状态为逻辑‘I’状态。逻辑‘I’状态具有电源节点VDD的电压(3.5V至0.4V)。三状态开关技术能够用于其他应用，其中高阻抗和‘0’状态用于液滴致动，而‘I’状态用于检测或者自测。在其他一些实施例中，逻辑‘I’状态能够用于液滴检测，其中在底板上的电极充电至VDD然后放电。放电速度能够取决于电极的电容的RC时间常数。在其顶部上具有液滴的电极具有大于在其顶部上不具有液滴的电极的电容。通过测量放电(或者充电)速度，能够检测到液滴。
[0030]在如图3所指示的其他一些实施例中，将标准CMOS部件用于实施双状态开关。电极301由双状态开关320控制。VDD 310 (3.5V至0.4V)是核心电路系统使用的电源电压。D触发器302连接至双状态开关320以指示能够与微流体部件集成的电子控制/检测电路系统。建立保护电路303，以保护并且增强双状态开关的性能。
[0031]在其他一些实施例中，建立保护电路303系统以:(1)增加击穿电压，(2)减少正电压的漏电流，⑶防止负电压通过P-n结对地短路，以及(4)增加在断开模式下的双状态开关电极的尚阻抗。
[0032]在如图4所示的一些实施例中，双状态开关使用由沉积的薄膜制成的晶体管，该晶体管因此称为薄膜晶体管(TFT)411。TFT阵列衬底包含TFT 411、存储电容器413、微电极412、和互连接线(总线)414和415。在栅极总线415和数据信号总线414的每一端上，制造一组焊盘，以附接源极驱动器IC 420和栅极驱动器IC 425。通过使用包括一组IXD驱动ICOXD driving IC, LDI)芯片(诸如，源极驱动器IC 420和栅极驱动器IC 425)的驱动电路单元，AM控制器430使用来自系统控制450的数据431以驱动TFT阵列。将DC电源441施加至包括放电功能的DC/DC转换器440，通过栅极总线415以接通TFT，来使得电极412短接至地(GND)以便对液滴进行驱动。对存储电容器进行充电，并且在微电极412上的电压电平上升至施加至源极总线414的电压电平(GND)。存储电容器413的主要功能是维持在微电极上的电压，直到施加了下一个信号电压。
[0033]在一些实施例中，TFT数字微流体系统包括五个主要的块:如图4所示的有源矩阵面板410、源极驱动器420、栅极驱动器425、DC/DC转换器440、和AM控制器430。在有源矩阵面板410中，栅极总线415和源极总线414共享地被使用，但是每个电极412均可通过选择在行和列的端部的适当的两个接触焊盘而被单独地寻址。
[0034]图5是图示了制作包括双状态开关低电压驱动电极的微流体系统的过程500的流程图。过程500能够开始于步骤502。在步骤504处，制成具有连续电极的第一板。在一些实施例中，第一板与能够提供电压(诸如，IKHz AC)的电源耦合。在步骤506处，制成具有多个电极的第二板。多个电极中的每一个的电压均能够被独立地控制。顶板、底板、或者两者，能够包含覆盖该一个或者多个电极的表面的介电层。通过过程500制成的器件能够用于驱动液滴移动。液滴能够包含待检测/测量的生物物质，诸如葡萄糖。在一些实施例中，液滴可极化、带有电荷、或者两者均可。过程500能够在步骤508处停止。
[0035]当前，用于实施芯片上实验室(lab-on-a-chip，L0C)的典型CMOS (互补金属氧化物半导体 )制造技术存在一些已知的限制，特别是液滴致动所要求的高电压处理能力。芯片上实验室(LOC)能够是将一种或若干种实验室功能集成到大小仅为几毫米到几平方厘米的单个芯片上的器件。LOC能够是小型化的实验室，该小型化实验室能够通过采用对低至小于皮升的极小流体体积的处理来执行许多同时的生化反应。芯片上实验室器件能够是生物芯片的子集。其也常常被称为“微流体”。微流体是一个更广义的术语，也描述如泵和阀等机械流量控制装置、或者如流量计和粘度计等传感器。双状态开关技术使得LOC能够通过低电压CMOS技术来制造。这使得微电子和微流体的大规模集成成为可能。中央处理单元(CPU)、存储器和先进的检测电路系统可以集成到微流体LOC中，而不用考虑功耗、高电压制造技术的稳定性/成本、以及与现有CMOS设计的兼容性。尤其，基于CMOS的电容感测LOC技术的新兴领域最近已经在诸如抗原识别、DNA检测和细胞监测等生化测试LOC范围内受到了极大的关注。在一些实施例中，器件能够用于通过抗原识别来用于前列腺癌、骨质疏松、肝炎和其他疾病、药物滥用、葡萄糖的连续监测。同时，用于生物标记检测、DNA检测和细胞监测的完全集成的LOC (包括CPU、存储器等)能够通过使用该双状态开关技术来构建。
[0036]同样，该使能(enabling)双状态开关技术使得标准单元方法适用于LOC设计。因为本发明提供了完全通过使用标准CMOS部件和库来实施LOC的方法学。因此，微流体标准单元能够创建为其他标准单元，如NAND门(与非或者NOT AND) ο在数字电子学中，NAND门是逻辑门。NAND门能够是两种基本逻辑门中的一种(另一种为NOR逻辑)，由这两种逻辑门能够建立任何其他逻辑门。标准单元方法学是设计抽象的一个示例，据此将低电平超大规模集成(VLSI)布局被封装到抽象逻辑表示(诸如，NAND门)中。标准的基于单元的方法学可以使得，一个设计者关注数字设计的高级(逻辑功能)方面，同时另一设计者关注实施(物理)方面。随着半导体制造的进展，标准单元方法学已经帮助设计者将从较简单的单功能ic(具有数千个门)乃至数百万个门的复杂片上系统(SoC)器件等ASIC(应用专用集成电路)小型化。通过使用本发明的方法和器件，标准单元方法能够实施在LOS的新产品中。
[0037]本发明具有如下有利方面:在液滴致动时无需考虑液滴致动电压的极性。通过将高电压移至顶板处并且在底板的电极上实施双状态开关，低电压制造技术可以被用于制造用于高电压驱动应用的器件。本领域普通技术人员了解顶板和底板均作为示例来描述。顶板和底板的位置能够被交换或者在任何朝向上。
[0038]双状态开关技术具有两种状态:(I)当电极被激励时，电极短接至参考电压(接地)，以及(2)当电极被去激励时，电极断开(高阻抗)。
[0039]本发明能够用于通过电荷相吸/相斥，来驱动充电的/可极化的液滴在预定方向上移动。在操作中，能够按次序控制不同的充电模式(例如，激励、去激励)以控制液滴的移动。
[0040]已经借助结合细节的具体实施例，对本发明进行了描述，以方便理解本发明的构建和操作原理。本文对具体实施例及其细节的该参考，并不旨在限制本文所附权利要求书的范围。对本领域技术人员而言显而易见的是，可以在不脱离如权利要求书所限定的本发明的精神和范围的情况下，在出于说明之目的而选择的实施例中可以进行其他各种修改。
【主权项】
1.一种用于高电压液滴致动的器件，包括: a.第一板，包括连续电极，所述连续电极布置在第一衬底的第一表面、被第一疏水层覆盖；以及 b.第二板，包括多个电极的阵列，所述多个电极的阵列布置在第二衬底的第一表面、被第一介电层覆盖；其中所述多个电极中的每一个由分隔结构隔开，其中第二疏水层布置在所述第一介电层上、形成疏水表面。2.根据权利要求1所述的器件，其中所述连续电极与驱动电压源耦合。3.根据权利要求2所述的器件，其中所述驱动电压源配置用于提供驱动电压，所述驱动电压配置用于对液滴进行致动。4.根据权利要求1所述的器件，其中所述第一板进一步包括第二介电层。5.根据权利要求4所述的器件，其中当液滴夹设在所述第一板与所述第二板之间时，通过所述第一介电层和所述第二介电层以及所述第一疏水层和所述第二疏水层来使所述第一板与所述第二板绝缘，从而使得能够避免在所述第一板上的高电压驱动电压损坏所述第二板。6.根据权利要求1所述的器件，其中所述第二板通过双状态开关技术实施，其中致动模式为将电极短接至GND。7.根据权利要求1所述的器件，进一步包括高阻抗模式，其中所述连续电极、所述多个电极的阵列、或者两者在高阻抗模式下被去激励。8.根据权利要求1所述的器件，其中所述连续电极、所述多个电极的阵列、或者两者不包含高电压部件，并且能够通过半导体制造工艺实施。9.根据权利要求1所述的器件，其中所述半导体制造工艺包括制作CMOS、TFT、TTL、GaAs或者其组合的工艺。10.根据权利要求1所述的器件，其中所述多个电极的阵列包括与第二电极相邻的第一电极。11.根据权利要求10所述的器件，进一步包括液滴，所述液滴布置在所述第一电极上并且与所述第二电极的一部分重叠。12.根据权利要求1所述的器件，进一步包括:配置用于生成一个或者多个指令的系统管理单元，所述一个或者多个指令通过对一个或者多个所选电极顺序地进行接地、激励或去激励，来操控在所述多个电极之间的一个或者多个液滴，从而将液滴致动为沿着所选路线移动。13.根据权利要求1所述的器件，其中所述器件包括EWOD器件。14.根据权利要求1所述的器件，其中所述器件包括DEP器件，所述DEP器件配置用于生成驱动电压，所述驱动电压是具有10Vrms至300Vrms的在50kHz至200kHz范围内的AC015.根据权利要求1所述的器件，其中所述器件包括通过典型的CMOS制造工艺而制造的CMOS器件。16.根据权利要求15所述的器件，进一步包括钝化层。17.根据权利要求16所述的器件，其中所述钝化层包括氧化物材料，作为介电层。18.根据权利要求16所述的器件，其中所述钝化层包括Si3N4/Si02，作为介电层。19.根据权利要求1所述的器件，其中所述器件包括CMOS器件，其中使用标准低电压3.5V至0.4V CMOS部件以实施双状态开关。20.根据权利要求1所述的器件，其中所述器件包括CMOS器件，所述CMOS器件包括保护电路系统，所述保护电路系统配置用于:增加击穿电压，减少正电压的漏电流，防止负电压通过p-n结短接至接地，增加在断开模式下的双状态开关电极的高阻抗，或者其组合。21.根据权利要求1所述的器件，其中所述器件包括TFT器件，所述TFT器件包括双状态开关，所述双状态开关使用由沉积薄膜制成的晶体管。22.根据权利要求1所述的器件，进一步包括DC电源，所述DC电源被施加至DC/DC转换器，所述DC/DC转换器包括放电功能，所述放电功能通过栅极总线将所述多个电极中的一个或者多个短接至GND，以便对液滴进行致动，以接通TFT。
【专利摘要】双状态开关低电压制造技术能够用于构建微流体系统，利用已成熟的低电压半导体制造技术以实现成本更低、器件尺寸更小并且也耗时更少的高电压液滴致动应用。同时，能够通过使用已成熟的、可以用于制作大规模集成微电子产品和微流体产品的低电压CMOS制造技术，来制造该电极单元。
【IPC分类】B03C5/02
【公开号】CN104903003
【申请号】CN201380054791
【发明人】G·C-J·王
【申请人】G·C-J·王
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2013年8月22日
【公告号】US8764958, US20140054174, WO2014031896A1
【技术领域】
[0001]本发明涉及通过使用标准低电压半导体制造技术，来进行从半导体制造的视角被认为是高电压应用的、对微流体液滴的致动(actuat1n)。
[0002]因为本发明使得标准半导体制造技术能够实施数字微流体系统，所以本发明能够用于改进将来的具有大规模微电子和微流体集成(large-scale microelectronic andmicrofluidic integrat1n)的数字微流体系统的构建。
【背景技术】
[0003]在基于液滴的微流体器件中，液体夹设在两个平行的板之间，并且以液滴的形式运送。基于液滴的微流体系统提供了许多优点:低功耗，并且不需要诸如泵或者阀等机械部件。近年来，基于液滴的微流体系统已经广泛应用在诸如分析物和试剂的混合、生物分子的分析、和颗粒操控等应用中。在数字微流体系统中，电介质上电润湿(EWOD)和液体介电泳(LDEP)是用于分配和操控液滴的两个主要机制。EWOD和LDEP两者均利用机电力(electromechanical force)来控制液滴。EWOD微系统通常用于创建、运送、切割以及合并液体液滴。在这些系统中，液滴夹设在两个平行的板之间，并且在致动电极与非致动电极之间的润湿性之差的作用下驱使(actuate)液滴。在LDEP微系统中，当施加电压时，液体变成可极化的，并且流向电场强度更强的区域。LDEP致动机制与EWOD致动机制之间的差别在于致动电压和频率。在EWOD致动中，施加通常在50Vrms与10Vrms之间的DC或者低频AC电压，而LDEP需要更高的致动电压(10Vrms至300Vrms)和更高的频率(50kHz至200kHz)。
[0004]为了制造微流体系统，照惯例，要求构建高电压的电极以执行液滴致动。通常，然后将顶板用作电压参考(或者接地)。
【发明内容】
[0005]已经在文献中提出了许多操控微流体液滴的方法。可以将这些技术分类为化学法、热学法、声学法和电学法。液体介电泳(LDEP)和电介质上电润湿(EWOD)是两种最常见的电学法。这两种技术均利用电流体动力(electrohydrodynamic force)，并且均在几何图形较简单的同时提供高的液滴速度。
[0006]液体DEP致动被定义为将可极化液体质量吸引到电场强度更高的区域中。基于DEP的微流体依赖于图案化在衬底上、涂布有薄介电层、并且利用AC电压通电的电极。对于大量皮升体积的液滴和电压控制型阵列混合器的快速分配，已经通过采用DEP而得以证明。然而，对于DEP致动，过度的焦耳加热是个问题，即使可以通过使用热导性更高的材料或者通过减小结构大小来减少焦耳加热。
[0007]EffOD使用电场来直接控制在固相与液相之间的界面能。与DEP致动相反，在EWOD中几乎消除了焦耳加热，这是因为覆盖电极的介电层阻挡了 DC电流。虽然存在许多用于操控微流体液滴的方法，但是“数字微流体” 一般是指采用EWOD来操控纳升液滴。EWOD指的是，通过在导电流体与涂布有介电层的固体电极之间施加电场，来调制在它们之间的界面张力。基于EWOD的数字微流体器件能够包括两个平行的玻璃板。底板包含可独立控制的电极的图案化阵列，并且顶板涂布有连续的接地电极。电极能够由薄层形式的具有导电性和透光性的组合特征的材料诸如铟锡氧化物(ITO)形成。将涂布有疏水膜诸如特氟龙AF的介电绝缘体例如聚对二甲苯C(parylene C)添加至板，用于降低表面的可润湿性并且用于增加在液滴与控制电极之间的电容。包含生化样品的液滴和填充物介质诸如硅油夹设在板之间。液滴在填充物介质内部移动。为了移动液滴，将控制电压施加至与液滴相邻的电极，并且同时将在液滴正下方的电极去激励(inactivate)。
[0008]在一些实施例中，微流体生物芯片能够集成微电子部件。高电压CMOS制造技术具有若干问题。第一个问题在于，高电压单元的大小。而且，功耗、制造技术的稳定性/成本、以及与现有CMOS设计的兼容性都是棘手的问题。因此，在本发明的一些实施例中的电极单元符合已成熟的低电压CMOS制造技术，以便进行微电子和微流体的集成。
[0009]本发明使用已成熟的低电压制造技术构建数字微流体系统。一旦在顶部驱动电极与底部驱动电极之间施加电位，则EWOD效应使电荷累积在液滴/绝缘体的界面中，从而引起跨在相邻电极之间的间隙的界面张力梯度，因此引起对液滴的运送。虽然电位的极性变化可以由于材料电介质与物理参数的差异的影响而导致在液滴/绝缘体中的电荷累积发生一定程度的变化，但是总体的液滴致动仍能够可靠地进行。
[0010]在一些实施例中，将高电压施加至顶板，并且通过不要求任何高电压部件的双状态开关技术(b1-state-switch technology)来实施底板上的电极。由此，已成熟的低电压制造技术可以用于构建数字微流体系统。
[0011]在其他的实施例中，低电压制造技术包括但不限于CM0S、TFT(薄膜晶体管)、以及能够用于构建上述器件的其他半导体制造技术。
[0012]在其它一些实施例中，双状态开关电极在其接地的情况下被激励(activate)。高阻抗模式包括:电极被去激励。双状态开关电极能够通过利用典型的半导体制造工艺制造而成，以减小成本和空间。
[0013]在一些实施例中，建立保护电路系统以:(1)增加击穿电压，⑵减少正电压的漏电流，(3)防止负电压通过p-n结对地短路，以及(4)增加双状态开关电极的高阻抗。
[0014]在一方面中，一种用于高电压液滴致动的器件包括:顶板，其包括连续电极，该连续电极设置在第一衬底的底表面上、被第一疏水层覆盖；以及底板，其包括多个电极的阵列，该多个电极的阵列设置在第二衬底的顶表面上、被第一介电层覆盖，其中该多个电极中的每一个由分隔结构隔开，其中第二疏水层设置在第一介电层上、形成疏水表面。在一些实施例中，连续电极与驱动电压源耦合。在其他的实施例中，驱动电压源配置用于提供驱动电压，该驱动电压配置用于液滴致动。
[0015]在其他一些实施例中，顶板进一步包括第二介电层。在一些实施例中，当液滴夹设在顶板与底板之间时，顶板与底板通过第一和第二介电层以及第一和第二疏水层绝缘，从而使得能够避免在顶板上的高电压驱动电压对底板的损坏。
[0016]在其他一些实施例中，底板通过双状态开关技术实施，其中致动模式是使电极短接至GND。在一些实施例中，该器件进一步包括高阻抗模式，其中连续电极、多个电极的阵列、或者两者，在高阻抗模式下被去激励。
[0017]在其他一些实施例中，双状态开关技术能够扩展为三状态开关技术(tr1-state-switch technology)，其中第三状态为逻辑‘I’状态。逻辑‘I’状态具有电源节点VDD的电压(3.5V至0.4V)。三状态开关技术能够用于如下其他的应用中，其中高阻抗和‘0’状态用于液滴致动，而‘I’状态用于检测或者自测。在其他一些实施例中，逻辑‘I’状态能够用于液滴检测，其中在底板上的电极充电至VDD然后放电。放电速度能够取决于电极的电容的RC时间常数。在其顶部上具有液滴的电极具有大于在其顶部上不具有液滴的电极的电容。通过测量放电(或者充电)速度，可以检测到液滴。
[0018]在一些实施例中，连续电极、该多个电极的阵列、或者两者，不包含高电压部件，能够通过半导体制造工艺来实施。在其他实施例中，半导体制造工艺包括制作CMOS、TFT、TTL、GaAs或者其组合的工艺。在一些实施例中，该多个电极的阵列包括与第二电极相邻的第一电极。在一些实施例中，该器件进一步包括设置在第一电极的顶部上并且与第二电极的一部分重叠的液滴。
[0019]在其 他实施例中，该器件进一步包括:系统管理单元，配置用于生成一个或者多个指令，该一个或者多个指令通过对一个或者多个所选电极顺序地进行接地、激励或去激励，来操控在该多个电极之间的一个或者多个液滴，从而驱使液滴沿着所选路线移动。在其他一些实施例中，该器件包括EWOD器件。在一些实施例中，该器件包括配置用于生成驱动电压的DEP器件，该驱动电压是具有10Vrms至300Vrms的在50kHz到200kHz范围内的AC。在其他实施例中，该器件包括通过典型的CMOS制造工艺制造的CMOS器件。在其他一些实施例中，该器件进一步包括并且/或者利用包括Si3N4/Si02或者其他氧化物材料的钝化层，作为介电层。
[0020]在一些实施例中，该器件包括CMOS器件，其中使用标准低电压(3.5V至0.4V)CMOS部件来实施双状态开关。在其他实施例中，该器件包括CMOS器件，该CMOS器件包括保护电路系统，该保护电路系统配置用于:增加击穿电压，减少正电压的漏电流，防止负电压通过P-n结对地短路，增加在断开模式下的双状态开关电极的高阻抗，或者其组合。在其他一些实施例中，该器件包括TFT器件，该TFT器件包括双状态开关，该双态开关使用由沉积的薄膜制成的晶体管。在其他实施例中，该器件进一步包括施加至DC/DC转换器的DC电源，该DC/DC转换器包括放电功能，其中通过栅极总线以接通TFT，来将该多个电极中的一个或者多个短接至GND以便对液滴进行致动。
【附图说明】
[0021]图1是图示了包括高电压驱动电极的微流体系统的示意图；
[0022]图2是图示了包括双状态开关低电压驱动电极(b1-state-switch low-voltagedriving electrode)的微流体系统的示意图；
[0023]图3是图示了使用标准CMOS制造技术来进行电极的电学设计的示意图；
[0024]图4是图示了使用标准TFT制造技术来进行电极的电学设计的示意图；
[0025]图5是图示了制作包括双状态开关低电压驱动电极的微流体系统的过程的流程图。
【具体实施方式】
[0026]在图1中图示了一种常规的电润湿微致动器机制。数字微流体器件包括分别地两个平行板102和107，具有距离间隔104。底板107包含可独立控制的电极108的阵列，并且顶板102涂布有连续的接地电极101。电极能够由薄层形式的具有导电性和透光性的组合特征的材料诸如铟锡氧化物(ITO)形成。将涂布有疏水膜103诸如特氟龙AF的介电绝缘体106例如聚对二甲苯C，添加至该板，用于降低表面的可润湿性并且用于增加在液滴与控制电极之间的电容。包含生化样品的液滴105和填充物介质诸如硅油或空气，夹设在板之间，以方便在填充物介质内部运送液滴105。为了移动液滴105，将通常在50Vrms至150Vrms范围内的并且对于大多数半导体制造技术来说过高的控制电压，施加至与在液滴105正下方的去激励的电极110相邻的电极109。
[0027]图2图示了根据一些实施例的数字微流体器件。利用双状态开关低电压方法的数字微流体器件，包括分别地两个平行板202和207，具有距离间隔204。底板207包含可独立控制的电极208的阵列，并且顶板202涂布有连续电极201。将高电压AC，诸如IKHz，供应至连续电极201。顶板能够由薄层形式的具有导电性和透光性的组合特征的材料诸如铟锡氧化物(ITO)形成。底板可以通过半导体制造技术来实施。将涂布有疏水膜203诸如特氟龙AF的介电绝缘体206例如标准CMOS制造的钝化层的Si3N4/Si02，添加至板，用于降低表面的可润湿性并且用于增加在液滴与控制电极之间的电容。包含生化样品的液滴205和填充物介质诸如硅油或空气，夹设在板之间，以方便在填充物介质内部运送液滴205。为了移动液滴205，通过使电极212处于高阻抗模式，将接地施加至与去激励的电极210相邻的电极209。电极212在液滴205的正下。电极208，诸如电极209和212，由分隔结构213电隔离并且/或者隔开。
[0028]在一些实施例中，电极由双状态开关210控制。施加逻辑低至该电极以激励对应的电极，并且施加逻辑高以去激励该电极。
[0029]在其他一些实施例中，双状态开关技术能够扩展为三状态开关技术，其中第三状态为逻辑‘I’状态。逻辑‘I’状态具有电源节点VDD的电压(3.5V至0.4V)。三状态开关技术能够用于其他应用，其中高阻抗和‘0’状态用于液滴致动，而‘I’状态用于检测或者自测。在其他一些实施例中，逻辑‘I’状态能够用于液滴检测，其中在底板上的电极充电至VDD然后放电。放电速度能够取决于电极的电容的RC时间常数。在其顶部上具有液滴的电极具有大于在其顶部上不具有液滴的电极的电容。通过测量放电(或者充电)速度，能够检测到液滴。
[0030]在如图3所指示的其他一些实施例中，将标准CMOS部件用于实施双状态开关。电极301由双状态开关320控制。VDD 310 (3.5V至0.4V)是核心电路系统使用的电源电压。D触发器302连接至双状态开关320以指示能够与微流体部件集成的电子控制/检测电路系统。建立保护电路303，以保护并且增强双状态开关的性能。
[0031]在其他一些实施例中，建立保护电路303系统以:(1)增加击穿电压，(2)减少正电压的漏电流，⑶防止负电压通过P-n结对地短路，以及(4)增加在断开模式下的双状态开关电极的尚阻抗。
[0032]在如图4所示的一些实施例中，双状态开关使用由沉积的薄膜制成的晶体管，该晶体管因此称为薄膜晶体管(TFT)411。TFT阵列衬底包含TFT 411、存储电容器413、微电极412、和互连接线(总线)414和415。在栅极总线415和数据信号总线414的每一端上，制造一组焊盘，以附接源极驱动器IC 420和栅极驱动器IC 425。通过使用包括一组IXD驱动ICOXD driving IC, LDI)芯片(诸如，源极驱动器IC 420和栅极驱动器IC 425)的驱动电路单元，AM控制器430使用来自系统控制450的数据431以驱动TFT阵列。将DC电源441施加至包括放电功能的DC/DC转换器440，通过栅极总线415以接通TFT，来使得电极412短接至地(GND)以便对液滴进行驱动。对存储电容器进行充电，并且在微电极412上的电压电平上升至施加至源极总线414的电压电平(GND)。存储电容器413的主要功能是维持在微电极上的电压，直到施加了下一个信号电压。
[0033]在一些实施例中，TFT数字微流体系统包括五个主要的块:如图4所示的有源矩阵面板410、源极驱动器420、栅极驱动器425、DC/DC转换器440、和AM控制器430。在有源矩阵面板410中，栅极总线415和源极总线414共享地被使用，但是每个电极412均可通过选择在行和列的端部的适当的两个接触焊盘而被单独地寻址。
[0034]图5是图示了制作包括双状态开关低电压驱动电极的微流体系统的过程500的流程图。过程500能够开始于步骤502。在步骤504处，制成具有连续电极的第一板。在一些实施例中，第一板与能够提供电压(诸如，IKHz AC)的电源耦合。在步骤506处，制成具有多个电极的第二板。多个电极中的每一个的电压均能够被独立地控制。顶板、底板、或者两者，能够包含覆盖该一个或者多个电极的表面的介电层。通过过程500制成的器件能够用于驱动液滴移动。液滴能够包含待检测/测量的生物物质，诸如葡萄糖。在一些实施例中，液滴可极化、带有电荷、或者两者均可。过程500能够在步骤508处停止。
[0035]当前，用于实施芯片上实验室(lab-on-a-chip，L0C)的典型CMOS (互补金属氧化物半导体 )制造技术存在一些已知的限制，特别是液滴致动所要求的高电压处理能力。芯片上实验室(LOC)能够是将一种或若干种实验室功能集成到大小仅为几毫米到几平方厘米的单个芯片上的器件。LOC能够是小型化的实验室，该小型化实验室能够通过采用对低至小于皮升的极小流体体积的处理来执行许多同时的生化反应。芯片上实验室器件能够是生物芯片的子集。其也常常被称为“微流体”。微流体是一个更广义的术语，也描述如泵和阀等机械流量控制装置、或者如流量计和粘度计等传感器。双状态开关技术使得LOC能够通过低电压CMOS技术来制造。这使得微电子和微流体的大规模集成成为可能。中央处理单元(CPU)、存储器和先进的检测电路系统可以集成到微流体LOC中，而不用考虑功耗、高电压制造技术的稳定性/成本、以及与现有CMOS设计的兼容性。尤其，基于CMOS的电容感测LOC技术的新兴领域最近已经在诸如抗原识别、DNA检测和细胞监测等生化测试LOC范围内受到了极大的关注。在一些实施例中，器件能够用于通过抗原识别来用于前列腺癌、骨质疏松、肝炎和其他疾病、药物滥用、葡萄糖的连续监测。同时，用于生物标记检测、DNA检测和细胞监测的完全集成的LOC (包括CPU、存储器等)能够通过使用该双状态开关技术来构建。
[0036]同样，该使能(enabling)双状态开关技术使得标准单元方法适用于LOC设计。因为本发明提供了完全通过使用标准CMOS部件和库来实施LOC的方法学。因此，微流体标准单元能够创建为其他标准单元，如NAND门(与非或者NOT AND) ο在数字电子学中，NAND门是逻辑门。NAND门能够是两种基本逻辑门中的一种(另一种为NOR逻辑)，由这两种逻辑门能够建立任何其他逻辑门。标准单元方法学是设计抽象的一个示例，据此将低电平超大规模集成(VLSI)布局被封装到抽象逻辑表示(诸如，NAND门)中。标准的基于单元的方法学可以使得，一个设计者关注数字设计的高级(逻辑功能)方面，同时另一设计者关注实施(物理)方面。随着半导体制造的进展，标准单元方法学已经帮助设计者将从较简单的单功能ic(具有数千个门)乃至数百万个门的复杂片上系统(SoC)器件等ASIC(应用专用集成电路)小型化。通过使用本发明的方法和器件，标准单元方法能够实施在LOS的新产品中。
[0037]本发明具有如下有利方面:在液滴致动时无需考虑液滴致动电压的极性。通过将高电压移至顶板处并且在底板的电极上实施双状态开关，低电压制造技术可以被用于制造用于高电压驱动应用的器件。本领域普通技术人员了解顶板和底板均作为示例来描述。顶板和底板的位置能够被交换或者在任何朝向上。
[0038]双状态开关技术具有两种状态:(I)当电极被激励时，电极短接至参考电压(接地)，以及(2)当电极被去激励时，电极断开(高阻抗)。
[0039]本发明能够用于通过电荷相吸/相斥，来驱动充电的/可极化的液滴在预定方向上移动。在操作中，能够按次序控制不同的充电模式(例如，激励、去激励)以控制液滴的移动。
[0040]已经借助结合细节的具体实施例，对本发明进行了描述，以方便理解本发明的构建和操作原理。本文对具体实施例及其细节的该参考，并不旨在限制本文所附权利要求书的范围。对本领域技术人员而言显而易见的是，可以在不脱离如权利要求书所限定的本发明的精神和范围的情况下，在出于说明之目的而选择的实施例中可以进行其他各种修改。
【主权项】
1.一种用于高电压液滴致动的器件，包括: a.第一板，包括连续电极，所述连续电极布置在第一衬底的第一表面、被第一疏水层覆盖；以及 b.第二板，包括多个电极的阵列，所述多个电极的阵列布置在第二衬底的第一表面、被第一介电层覆盖；其中所述多个电极中的每一个由分隔结构隔开，其中第二疏水层布置在所述第一介电层上、形成疏水表面。2.根据权利要求1所述的器件，其中所述连续电极与驱动电压源耦合。3.根据权利要求2所述的器件，其中所述驱动电压源配置用于提供驱动电压，所述驱动电压配置用于对液滴进行致动。4.根据权利要求1所述的器件，其中所述第一板进一步包括第二介电层。5.根据权利要求4所述的器件，其中当液滴夹设在所述第一板与所述第二板之间时，通过所述第一介电层和所述第二介电层以及所述第一疏水层和所述第二疏水层来使所述第一板与所述第二板绝缘，从而使得能够避免在所述第一板上的高电压驱动电压损坏所述第二板。6.根据权利要求1所述的器件，其中所述第二板通过双状态开关技术实施，其中致动模式为将电极短接至GND。7.根据权利要求1所述的器件，进一步包括高阻抗模式，其中所述连续电极、所述多个电极的阵列、或者两者在高阻抗模式下被去激励。8.根据权利要求1所述的器件，其中所述连续电极、所述多个电极的阵列、或者两者不包含高电压部件，并且能够通过半导体制造工艺实施。9.根据权利要求1所述的器件，其中所述半导体制造工艺包括制作CMOS、TFT、TTL、GaAs或者其组合的工艺。10.根据权利要求1所述的器件，其中所述多个电极的阵列包括与第二电极相邻的第一电极。11.根据权利要求10所述的器件，进一步包括液滴，所述液滴布置在所述第一电极上并且与所述第二电极的一部分重叠。12.根据权利要求1所述的器件，进一步包括:配置用于生成一个或者多个指令的系统管理单元，所述一个或者多个指令通过对一个或者多个所选电极顺序地进行接地、激励或去激励，来操控在所述多个电极之间的一个或者多个液滴，从而将液滴致动为沿着所选路线移动。13.根据权利要求1所述的器件，其中所述器件包括EWOD器件。14.根据权利要求1所述的器件，其中所述器件包括DEP器件，所述DEP器件配置用于生成驱动电压，所述驱动电压是具有10Vrms至300Vrms的在50kHz至200kHz范围内的AC015.根据权利要求1所述的器件，其中所述器件包括通过典型的CMOS制造工艺而制造的CMOS器件。16.根据权利要求15所述的器件，进一步包括钝化层。17.根据权利要求16所述的器件，其中所述钝化层包括氧化物材料，作为介电层。18.根据权利要求16所述的器件，其中所述钝化层包括Si3N4/Si02，作为介电层。19.根据权利要求1所述的器件，其中所述器件包括CMOS器件，其中使用标准低电压3.5V至0.4V CMOS部件以实施双状态开关。20.根据权利要求1所述的器件，其中所述器件包括CMOS器件，所述CMOS器件包括保护电路系统，所述保护电路系统配置用于:增加击穿电压，减少正电压的漏电流，防止负电压通过p-n结短接至接地，增加在断开模式下的双状态开关电极的高阻抗，或者其组合。21.根据权利要求1所述的器件，其中所述器件包括TFT器件，所述TFT器件包括双状态开关，所述双状态开关使用由沉积薄膜制成的晶体管。22.根据权利要求1所述的器件，进一步包括DC电源，所述DC电源被施加至DC/DC转换器，所述DC/DC转换器包括放电功能，所述放电功能通过栅极总线将所述多个电极中的一个或者多个短接至GND，以便对液滴进行致动，以接通TFT。
【专利摘要】双状态开关低电压制造技术能够用于构建微流体系统，利用已成熟的低电压半导体制造技术以实现成本更低、器件尺寸更小并且也耗时更少的高电压液滴致动应用。同时，能够通过使用已成熟的、可以用于制作大规模集成微电子产品和微流体产品的低电压CMOS制造技术，来制造该电极单元。
【IPC分类】B03C5/02
【公开号】CN104903003
【申请号】CN201380054791
【发明人】G·C-J·王
【申请人】G·C-J·王
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2013年8月22日
【公告号】US8764958, US20140054174, WO2014031896A1
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