Am-ewod device, method of driving am-ewod device by ac drive at variable voltage

本発明は、アクティブマトリクスアレイ、およびその素子に関する。 本発明は、特にデジタルマイクロ流体に関し、より具体的には、アクティブマトリクス型の誘電体エレクトロウェッティング（Active Matrix Electrowetting-On-Dielectric；ＡＭ−ＥＷＯＤ）デバイスに関する。

誘電体エレクトロウェッティング（ＥＷＯＤ）は、アレイ上に存在する流体の液滴を操作する公知の技術である。 アクティブマトリクス型ＥＷＯＤ（ＡＭ−ＥＷＯＤ）とは、例えば、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を用いて、アクティブマトリクスアレイにおいてＥＷＯＤを実装することを意味する。 本発明は、当該デバイスを駆動する方法にもさらに関する。

電界を印加することによって流体の液滴を操作する技術としては、誘電体エレクトロウェッティング（ＥＷＯＤ）が周知であり、ラボ・オン・チップ技術に用いるデジタルマイクロ流体のための候補技術となっている。 当該技術の基本的な原理については、「Digital microfluidics: is a true lab-on-a-chip possible?”, RB Fair, Microfluid Nanofluid (2007) 3:245-281」を参照されたい。

図１は、従来のＥＷＯＤデバイスの一部分の断面図を示す。 当該デバイスは下層基板７２を含み、その最上層は、複数の電極３８（例えば、図１においては３８Ａおよび３８Ｂ）を備えるようにパターン化された導電性材料で形成される。

これらの電極は、ＥＷ駆動素子と呼ばれる。 液滴４は極性の物質で構成されており、下層基板７２と上層基板３６との間にある面に拘束されている。 スペーサ３２を用いることによって、これらの２つの基板の間隔が適切に保たれる。 そして、当該間隔による容積が、極性を有する液体である液滴４によって満たされないように、非極性流体３４（例えば、油）によって、当該容積を満たしてよい。

絶縁層２０は、下層基板７２上に配置されている。 絶縁層２０は、導電性電極３８Ａおよび３８Ｂを疎水面１６から分離する。 液滴４は、角θによって示される接触角６を成して、疎水面１６上に存在している。 上層基板３６は、第２の疎水面２６となり、当該疎水面が、液滴４に対して接触する状態となる。 上層基板３６と疎水層２６との間には、上層基板電極２８が挿入される。

接触角θは、図１に示されるように定義されている。 接触角θは、固体−液体間（γ _ＳＬ ）、液体−気体間（γ _ＬＧ ）、および非イオン流体の界面（γ _ＳＧ ）との間の表面張力の成分の釣り合いとして定められている。 電圧が印可されていない場合には、ヤングの法則が成立し、以下の数式（式１）が与えられる。

ある状況では、関連する物質の相対的な表面張力（すなわち、γ _ＳＬ 、γ _ＬＧ 、およびγ _ＬＧ ）は、（式１）の右辺が−１よりも小さくなるような数値となる場合がある。 このことは、非イオン流体が油である場合に通常起こり得る。

このような状況においては、液滴４は、疎水面１６および２６と接触しない状態となり、非極性流体３４（油）の薄膜が、（ｉ）液滴４と、（ｉｉ）疎水面１６および２６と、の間に形成され得る。

駆動時において、異なる電極（例えば、駆動素子電極２８、３８Ａ、および３８Ｂのそれぞれ）に対して、ＥＷ駆動電圧と称される電圧（例えば、図１のＶ _Ｔ 、Ｖ _０ 、およびＶ _００ ）が、外部から印加されてよい。 電圧の印加によって生じた電気的な力によって、疎水面１６の疎水性が有効に制御される。

異なるＥＷ駆動電圧（例えば、Ｖ _０およびＶ _００ ）が印加されるように、異なる駆動素子電極（例えば、３８Ａおよび３８Ｂ）を配置することにより、液滴４を、２つの基板（すなわち、下層基板７２および上層基板３６）の間の横方向の面において、移動させることができる。

米国特許第６５６５７２７号明細書（Shenderov，２００３年５月２０日発行）は、アレイを介して液滴を移動させるパッシブマトリクスＥＷＯＤデバイスを開示している。

米国特許第６９１１１３２号明細書（Pamula et al.，２００５年６月２８日発行）は、二次元的な液滴の位置および移動を制御する二次元ＥＷＯＤアレイを開示している。

上述の米国特許第６５６５７２７号明細書は、液滴の分離、結合、および、異なる材料からなる液滴の混合を含む、液滴の他の操作方法をさらに開示している。

米国特許第７１６３６１２号明細書（Sterling et al.，２００７年１月１６日発行）は、ＥＷＯＤアレイにおいて電圧パルスを制御するために、ＴＦＴに基づく電子機器を用いる方法を説明している。 当該方法は、ＡＭディスプレイにおいて用いられている回路構成と非常に類似する回路構成を用いている。

上述の米国特許第７１６３６１２号明細書に記載された方法は、「アクティブマトリクス型の誘電体エレクトロウェッティング」（ＡＭ−ＥＷＯＤ）と呼ばれる。 ＥＷＯＤアレイを制御するために、ＴＦＴに基づく電子機器を用いることにより、以下のような複数の利点がある。

・ＡＭ−ＥＷＯＤアレイ基板の上に、駆動回路を集積できる。

・ＴＦＴに基づく電極は、ＡＭ−ＥＷＯＤへの適用に非常に適している。 これらの電極は、安価に生産できるため、比較的広い基板領域が、比較的低いコストによって生産可能である。

・標準的なプロセスによって生産されたＴＦＴは、標準的なＣＭＯＳのプロセスによって生産されたトランジスタよりも、遙かに高電圧において駆動するように設計できる。 ＥＷＯＤ技術においては、２０Ｖを超えるＥＷＯＤの駆動電圧が要求されるため、この点は重要である。

上述の米国特許第７１６３６１２号明細書は、ＡＭ−ＥＷＯＤのＴＦＴバックプレーンを実現する回路の形態を、一切開示していない。

欧州特許出願公開第２４０４６７５号明細書（Hadwen et al.，２０１２年１月１１日公開）は、ＡＭ−ＥＷＯＤデバイスのためのアレイ素子回路を開示している。 ＥＷＯＤ駆動電極にＥＷＯＤ駆動電圧をプログラムし、かつ印加するための、様々な方法が知られている。 当該電圧を書き込む機能は、例えば、ダイナミックＲＡＭ（ＤＲＡＭ）またはスタティックＲＡＭ（ＳＲＡＭ）に基づくメモリ素子等の、標準的な手段としてのメモリ素子と、当該アレイ素子をプログラムするための入力ラインとを含む。

米国特許第８１７３０００号明細書（Hadwen et al.，２０１２年５月８日発行）は、アレイ素子回路を備えたＡＭ−ＥＷＯＤデバイス、および、ＡＣ駆動電圧を電極に印加する方法を開示している。 当該特許明細書に記載されたＡＣドライブ方式では、当該デバイスの駆動素子電極および上層基板電極の両方に、ＡＣ信号を印加している。

それゆえ、当該デバイスは、＋Ｖ _ＥＷと−Ｖ _ＥＷとの間において変化する、電極間の電位差を生じさせることができる。 一方、アレイ素子内のトランジスタに要求されることは、レール間電圧Ｖ _ＥＷにおいて動作することのみである。

当該特許明細書は、ある時にはＡＣモードによって、またある時にはＤＣモードによって、デバイスを駆動する方法をさらに開示している。 この方法により、統合されたセンサ機能の動作との互換性を実現できる。

米国特許出願公開第２０１２／０００７６０８号明細書（Hadwen et al.，２０１２年１月１２日公開）は、インピーダンス（静電容量）を検知する機能をアレイ素子に含める方法を説明している。 アレイに含まれる各電極に位置する液滴の存在およびサイズを判定するために、インピーダンスセンサが用いられる。

米国特許出願公開第２０１１／０１８０５７１号明細書（Srinivasan et al.，２０１１年７月２８日公開）は、（ｉ）液滴４と、（ｉｉ）疎水面１６および２６と、の間に形成された油膜の安定性を維持するために、調整可能なエレクトロウェッティング電圧を利用する方法を開示している。

当該特許明細書は、液滴と液滴アクチュエータの表面との間の油膜を維持する方法は、液滴アクチュエータを最適に動作させるための重要な要因となることを開示している。 油膜を安定化させることにより、吸収および再吸収による汚染等を、さらに低減することできる。 加えて、油膜の維持により、さらに直接的なエレクトロウェッティング、および、液滴に操作のために、より低い電圧を利用することが可能となる。

当該特許明細書はさらに、異なる操作を実行するために異なる電圧を利用する方法を開示している。 例えば、隣接するアレイ素子間において液滴を移動させるために用いられる電圧に比べて、さらに高い電圧が、リザーバから液滴を抽出するために利用される。

本発明によって解決される課題は、改良型のＥＷＯＤデバイスを提供することである。 当該ＥＷＯＤデバイスは、ＡＣ駆動の方法によってデバイスを動作させると同時に、動作電圧を調整するための改良された手段を有している。

特に、液滴の分割または混合等の、特定のＥＷＯＤの動作は、比較的高い動作電圧によって実行される必要がある。 他方、液滴の移動または結合等の他の動作は、より低い動作電圧によって実行されてもよい。

さらに、高電圧を使用することによる弊害が生じ得る。 特に、操作中の液滴を内包する油膜が劣化するという弊害が生じ得る。 このことは、デバイスの信頼性を低下させ、表面の汚染または生物付着の原因となり得る。

そこで、可変な動作電圧を有するＥＷＯＤデバイスが望まれる。 当該デバイスにおいて、高電圧の動作モードは、特に有用である場合にのみ、液滴の操作に利用される。 また、当該デバイスは、デバイスの劣化を少なくするために、その他の時間においては、低電圧の動作モードでの動作を行う。

本発明の一態様は、改良されたＡＣ駆動の方法に関するＡＭ−ＥＷＯＤデバイスである。 第１の実施の形態によれば、時間変動信号Ｖ２は、基板電極の上部、および、駆動されていないアレイ素子のドライブ電極に印加される。 時間変動信号Ｖ１は、駆動されているアレイ素子のドライブ電極に印加される。 これにより、与えられる動作電圧はＶ１−Ｖ２に等しい。 信号Ｖ１の振幅を変化させる一方で、信号Ｖ２を不変にすることによって、動作電圧を調整する手段が提供される。

本発明の別の態様は、アクティブマトリクス型の誘電体エレクトロウェッティング（ＡＭ−ＥＷＯＤ）デバイスの複数のアレイ素子に印加される動作電圧を制御する方法である。 当該方法において、上記ＡＭ−ＥＷＯＤデバイスは、基板電極および複数の上記アレイ素子を有しており、上記アレイ素子のそれぞれは、アレイ素子電極を有しており、上記動作電圧は、上記基板電極と上記アレイ素子電極との間の電位差によって定義される。 当該方法は、上記アレイ素子電極の少なくとも一部に対して、第１の時間変動信号Ｖ１を印加する工程と、上記基板電極に対して、第２の時間変動信号Ｖ２を印加する工程と、上記動作電圧を調整するために上記第１の時間変動信号Ｖ１を調整することによって、上記動作電圧を制御する工程と、を含んでいる。 上記動作電圧を調整するために上記第１の時間変動信号Ｖ１の振幅が調整され得る一方で、上記第２の時間変動信号Ｖ２の振幅は不変である。

以下に説明する目的、および関連する目的を達成するために、本発明は、以下で十分に説明される特徴、およびそれぞれの請求項において特に着目される特徴を備えている。 以下の記載および添付の図面は、ある特定の詳細な一例として、本発明の実施の形態を説明するものであるが、当該実施の形態は、本発明の思想を採用した様々な形態の一部を示すに過ぎない。 本発明の他の目的、利点、および新規的な特徴は、図面と合わせて考慮されることにより、本発明に関する以下の詳細な記載から明らかになるであろう。 なお、以降の添付図面において、類似の符号は類似の部分または特徴を示す。

本発明の利点は、液滴の特定の操作（特に、移動および結合）を、液滴の他の操作（混合および分離）に必要とされる電圧よりも低い動作電圧によって実行することができる点にある。

可能な時点において、より低い動作電圧によって液滴の操作を実行することにより、油膜を保持することでデバイスの信頼性を向上させ、表面の汚染（生物付着）を低減させ、デバイスの電力消費を最小限にすることができる。

本発明によって、アレイ素子をＡＣによって駆動する方法が実現される。 ＡＣ駆動は、ＤＣ駆動の方法に比べて、有意に優れていることが知られている。 ＡＣによるアレイ素子の駆動方法は、高電圧の動作モードおよび低電圧の動作モードでの駆動方法を実現するための、特に単純な実装方法によって実現される。 これら２つの動作モードは、必要とされる最小限の電子回路の追加によって実現され得る。

従来のＥＷＯＤデバイスの断面図である。

本発明の第１の実施の形態に係るＡＭ−ＥＷＯＤデバイスの概略図である。

図２に示されたＡＭ−ＥＷＯＤデバイスのアレイ素子のいくつかを含む断面を示す図である。

図２に示されたＡＭ−ＥＷＯＤデバイスにおける薄膜電子回路の構成を示す図である。

図２に示されたＡＭ−ＥＷＯＤデバイスのアレイ素子内において用いられるアレイ素子回路を示す図である。

図２に示されたＡＭ−ＥＷＯＤデバイスにおいて用いられる、駆動信号Ｖ１およびＶ２のタイミングおよび電圧レベルをグラフとして表す図である。

図２に示されたＡＭ−ＥＷＯＤデバイスにおいて用いられる、高電圧の動作モードおよび低電圧の動作モードにおける、液滴の操作の一例を示す概略図である。

図２に示されたＡＭ−ＥＷＯＤデバイスにおいて用いられる、液滴の操作のさらなる例を示す図である。

図２に示されたＡＭ−ＥＷＯＤデバイスにおいて用いられる、液滴の操作のさらなる例を示す図である。

図２に示されたＡＭ−ＥＷＯＤデバイスにおいて用いられる、液滴の操作のさらなる例を示す図である。

図２に示されたＡＭ−ＥＷＯＤデバイスにおいて用いられる、液滴の操作のさらなる例を示す図である。

本発明の第２の実施の形態に係るＡＭ−ＥＷＯＤデバイスにおける薄膜電子回路の構成を示す図である。

図９に示された薄膜電子回路に用いられる信号生成回路の一例を示す図である。

本発明の第３の実施の形態に係る薄膜電子回路に用いられる信号生成回路の一例を示す図である。

本発明の第３の実施の形態に係るセンサフィードバックを用いた電圧制御の実装の一例を示す図である。

図２は、本発明の一実施の形態に係るＡＭ−ＥＷＯＤデバイスを示す。 当該ＡＭ−ＥＷＯＤデバイスは、下層基板７２を備える。 下層基板７２の上には、薄膜電子回路７４が配置されている。 薄膜電子回路７４は、アレイ素子電極３８を駆動するように構成されている。

電極アレイ４２には、複数のアレイ素子電極３８が配置されており、Ｍ×Ｎ個（ＭおよびＮは任意の数）の素子が含まれる。 極性の液体である液滴４は、下層基板７２と上層基板３６との間に挟まれている。 なお、複数の液滴４が存在し得ると解釈されてよい。

図３は、図２に示されたＡＭ−ＥＷＯＤデバイスに用いられる、アレイ素子電極３８Ａおよび３８Ｂの断面を示す。 図２および図３の構成のデバイスは、図１に示された従来の構成と類似している。

図２および図３のＡＭ−ＥＷＯＤデバイスは、下層基板７２の上に配置された、薄膜電子回路７４をさらに備えている。 下層基板７２の最上層（薄膜電子回路７４の一部とみなされてよい）は、複数の電極３８（例えば、図３の３８Ａおよび３８Ｂ）を実現するようにパターン化されている。

これらの電極は、ＥＷ駆動素子とも称される。 ＥＷ駆動素子という用語は、特定のアレイ素子に関連付けられた電極３８、および、電極３８に直接的に接続された電気回路のノードの両方を指すと理解されてよい。

図４は、下層基板７２の上に配置された薄膜電子回路７４の構成を示す。 電極アレイ４２のそれぞれの素子は、対応するアレイ素子電極３８の電極の電位を制御するためのアレイ素子回路８４を含む。 アレイ素子回路８４に制御信号を供給するために、行ドライバ７６および列ドライバ７８を統合した回路も、薄膜電子回路７４に実装されている。

シリアルインターフェース８０は、シリアル入力のデータストリームを処理し、電極アレイ４２に必要な電圧を書き込むために設けられている。 ここで説明するように、電圧供給インターフェース８３は、対応する供給電圧、上層基板の駆動電圧、および、他の必要とされる電圧を供給する。 サイズの大きいアレイであっても、アレイの基板７２と外部駆動電子回路との間の接続ワイヤ８２の数、および電源等の数は、比較的少なくて済む。

アレイ素子回路８４は、センサ機能を追加的に含んでいてもよい。 例えば、アレイ素子回路８４は、電極アレイ４２におけるそれぞれのアレイ素子の位置において液滴４が存在していることを検出し、かつ、当該液滴のサイズを検出するための手段を含んでいてもよい。

従って、薄膜電子回路７４は、各アレイ素子からセンサデータを読み出し、当該データを１つ以上のシリアル出力信号に統合するための列検出回路８６を含んでいてもよい。 当該シリアル出力信号は、シリアルインターフェース８０を介して与えられ、１つ以上の接続ワイヤ８２によって、デバイスから出力されてよい。

一般的に、薄膜電子回路７４を含む例示的なＡＭ−ＥＷＯＤデバイスは、以下のように構成される。 ＡＭ−ＥＷＯＤデバイスは、基板電極（例えば、上層基板電極２８）と複数のアレイ素子とを備えている。 各アレイ素子は、アレイ素子電極（例えば、アレイ素子電極３８）を備えている。

また、以下に説明するように、ＡＭ−ＥＷＯＤデバイスは、（ｉ）アレイ素子電極の少なくとも一部に、第１の時間変動信号Ｖ１を与える第１の回路と、（ｉｉ）基板電極に第２の時間変動信号Ｖ２を与える第２の回路と、を備えている。

動作電圧は、Ｖ２とＶ１との間の電位差によって決定される。 さらに、第１の回路は、動作電圧を調整するために、Ｖ１の振幅を調整する。 本実施形態において、動作電圧を調整するためにＶ１が調整される一方で、Ｖ２は不変である。

これに関連して、ＡＭ−ＥＷＯＤデバイスは、複数のアレイ素子に印加される動作電圧を制御するための方法を実行する。 ＡＭ−ＥＷＯＤデバイスは、基板電極と複数のアレイ素子とを備えている。 各アレイ素子は、アレイ素子電極を有している。 動作電圧は、基板電極とアレイ素子電極との間の電位差によって決定される。

動作電圧を制御するための方法は、（ｉ）アレイ素子電極の少なくとも一部に、第１の時間変動信号Ｖ１を与える工程と、（ｉｉ）基板電極に第２の時間変動信号Ｖ２を与える工程と、（ｉｉｉ）動作電圧を調整するために、Ｖ１の振幅を調整することによって動作電圧を制御する工程と、を含んでいる。

図５は、第１の実施の形態に係るアレイ素子回路８４の例示的な構成を示す図である。 ＡＭ−ＥＷＯＤデバイスの残りの部分は、は、図２〜図４を参照して前述した従来の構成を備えており、上層基板電極２８を有する上層基板３６を含む。

図５の例示的な構成において、アレイ素子回路８４のそれぞれは、
・メモリ素子１００
・第１のアナログスイッチ１０６を有する第１の回路 ・第２のアナログスイッチ１０８を有する第２の回路 ・スイッチトランジスタ１１０
を備えている。

また、アレイ素子回路は、
・センサ回路１１６
を追加的に備えてもよい。 アレイ素子回路８４は、次のように接続されている。

入力ＤＡＴＡ（アレイの同一列における全ての素子に共通であってよい）は、メモリ素子１００の入力ＤＡＴＡに接続されている。

入力ＥＮＡＢＬＥ（アレイの同一行における全ての素子に共通であってよい）は、メモリ素子１００の入力ＥＮＡＢＬＥに接続されている。

メモリ素子１００の出力ＯＵＴは、第１のアナログスイッチ１０６のｎ型トランジスタのゲートと、第２のアナログスイッチ１０８のｐ型トランジスタのゲートと、に接続されている。

メモリ素子１００の出力ＯＵＴＢは、第１のアナログスイッチ１０６のｐ型トランジスタのゲートと、第２のアナログスイッチ１０８のｎ型トランジスタのゲートと、に接続されている。

供給される電圧波形Ｖ１は、第１のアナログスイッチ１０６の入力に接続されており、供給される電圧波形Ｖ２は、第２のアナログスイッチ１０８の入力に接続されている。 Ｖ１およびＶ２の両方は、アレイ内における全ての素子に共通であってよい。

第１のアナログスイッチ１０６の出力は、第２のアナログスイッチ１０８の出力に接続されている。 また、第２のアナログスイッチ１０８の出力は、スイッチトランジスタ１１０のソースに接続されている。

入力ＳＥＮ（アレイの同一行における全ての素子に共通であってよい）は、スイッチトランジスタ１１０のゲートに接続されている。 スイッチトランジスタ１１０のドレインは、電極３８に接続されている。 出力ＳＥＮＳＥを有するセンサ回路１１６もまた、電極３８に接続されてよい。

メモリ素子１００は、データ電圧を保持可能な標準的な手段としての電子回路であってよい。 メモリ素子１００は、例えば、公知のダイナミックランダムアクセスメモリ（ＤＲＡＭ）セル、またはスタティックランダムアクセスメモリ（ＳＲＡＭ）セル等の、当業者が一般的に使用するものであってよい。

アレイ素子電極３８と上層基板電極２８との間に存在する電気的な負荷は、アレイ素子の位置に液滴４が存在するか否かによって変化する。 当該電気的な負荷は、図５に示されるように、キャパシタとして近似的に表現されてよい。

駆動電圧Ｖ２（アレイ内の全ての素子に共通であってよい）もまた、上層基板電極２８に接続されている。 所定のアレイ素子における動作電圧は、アレイ素子電極３８と上層基板電極２８との間の電位差として定められてもよい。

センサ回路１１６は、物体の存在を検出する機能を有する、または、アレイ素子の位置において液滴４が存在していることに関連する特性を検出する機能を有する、標準的な手段の電子回路であってよい。 センサ回路の構成の例は、背景技術において参照した米国特許出願公開第２０１２／０００７６０８号明細書に記載されている。

アレイ素子回路８４の動作は、以下に説明する通りである。 公知の標準的な手段によって、デジタルデータがメモリ素子１００に書き込まれてよい。 ここで、当該データの各ビットは「１」または「０」であり、各ビットは、入力ラインＤＡＴＡにプログラムされた高電圧レベルまたは低電圧レベルにそれぞれ対応する。

入力ＥＮＡＢＬＥが一時的に駆動された場合、データはメモリセル１００に書き込まれる。 そして、入力ＤＡＴＡの電圧レベルにかかわらず、ＥＮＡＢＬＥが再度駆動されるまで、データはメモリセル１００に保持される。 このように、アレイ内のメモリ素子１００のそれぞれに、データが順次書き込まれる。

メモリ素子に「１」が書き込まれた場合には、出力ＯＵＴは高電圧レベルとなり、出力ＯＵＴＢは低電圧レベルとなる。 従って、当該状況においては、第１のアナログスイッチ１０６がオンになり、第２のアナログスイッチ１０８がオフになる。 そして、入力ＳＥＮもまた高電圧レベルに保持されている場合には、スイッチトランジスタ１１０がＯＮ状態となり、電圧信号Ｖ１が、アレイ素子電極に接続される。

アレイ素子に「０」が書き込まれた場合には、出力ＯＵＴは低電圧レベルとなり、出力ＯＵＴＢは高電圧レベルとなる。 従って、当該状況においては、第１のアナログスイッチ１０６がオフになり、第２のアナログスイッチ１０８がオンになる。 そして、入力ＳＥＮによってスイッチトランジスタ１１０がＯＮ状態となる場合には、電圧信号Ｖ２が、アレイ素子電極に接続される。

それゆえ、メモリ素子に書き込まれ、かつ保持されたデータに応じて、信号Ｖ１または信号Ｖ２のいずれか一方は、電極３８に電気的に接続される。

スイッチトランジスタ１１０は、入力ＳＥＮによってＯＮ状態となる。 それゆえ、動作電圧は、
・Ｖ１−Ｖ２（メモリ素子１００に、「１」が書き込まれている場合）
・Ｖ２−Ｖ２＝０Ｖ（メモリ素子１００に、「０」が書き込まれている場合）
として与えられる。

スイッチトランジスタ１１０は、信号Ｖ１およびＶ２から、電極３８を隔離することを目的としている。 入力ＳＥＮが低電圧レベルとなる場合には、このような電気的な隔離が生じ、トランジスタ１１０はＯＦＦ状態となる。 背景技術において参照した米国特許出願公開第２０１２／０００７６０８号明細書の例と同様にして、当該電気的な隔離は、センサ回路１１６の動作時に必要とされてもよい。

図６は、信号Ｖ１およびＶ２の時間系列および電圧レベルの例を、グラフとして示している。 信号Ｖ２は、高電圧レベルＶ _ＥＷ１と低電圧レベル−Ｖ _ＥＷ１とを有する、矩形波の電圧パルスである。 信号Ｖ１は、信号Ｖ２と逆位相の矩形波の電圧パルスである。 すなわち、Ｖ２が高電圧レベルとなる時点では、Ｖ１は低電圧レベルとなる。 また、逆の場合も同様である。

上述のように、第１の時間変動信号を供給するための第１の回路は、電圧供給回路、メモリ素子１００に関連する回路、および第１のアナログスイッチ１０６を含んでいてもよい。

また、上述のように、第２の時間変動信号を供給するための第２の回路は、電圧供給回路、メモリ素子１００に関連する回路、および第２のアナログスイッチ１０８を含んでいてもよい。

第１の時間変動信号を供給するための第１の回路は、自身の高電圧レベルと低電圧レベルとが調整可能であるように構成される。 従って、ＡＭ−ＥＷＯＤデバイスが、以下の高電圧モードまたは低電圧モードのいずれかにおいて動作するように、Ｖ１が設定されてよい。

・高電圧モードにおいて、（ｉ）Ｖ１の高レベル電圧は、Ｖ _ＥＷ１であり、（ｉｉ）Ｖ１の低レベル電圧は、−Ｖ _ＥＷ１である。

・低電圧モードにおいて、（ｉ）Ｖ１の高レベル電圧は、Ｖ _ＥＷ１ −Ｖ _Ｒであり、（ｉｉ）Ｖ１の低レベル電圧は、−Ｖ _ＥＷ１ ＋Ｖ _Ｒである。

ここで、Ｖ _Ｒは、０とＶ _ＥＷ１との間の値を取り得るＤＣ電圧レベルである。 Ｖ _Ｒは、第１の時間変動信号Ｖ１に印加される。

メモリ素子１００に「１」が書き込まれ、スイッチトランジスタ１１０がＯＮ状態となった場合には、アレイ素子電極３８と上層基板電極２８との間に、信号Ｖ _{ＡＣＴＵＡＴＥ} ＝Ｖ１−Ｖ２が与えられる。 この信号の特徴は、以下の通りである（図６を再び参照されたい）。

・高電圧モードにおいて、Ｖ _{ＡＣＴＵＡＴＥ} ＝Ｖ１Ａである。 Ｖ _{ＡＣＴＵＡＴＥ}は、高レベル電圧Ｖ _ＥＷ１および低レベル電圧−Ｖ _ＥＷ１を有する、矩形波信号である（また、ピーク間振幅は、２Ｖ _ＥＷ１である。）。

・低電圧モードにおいて、Ｖ _{ＡＣＴＵＡＴＥ} ＝Ｖ１Ｂである。 Ｖ _{ＡＣＴＵＡＴＥ}は、高レベル電圧Ｖ _ＥＷ１ −Ｖ _Ｒおよび低レベル電圧−Ｖ _ＥＷ１ ＋Ｖ _Ｒを有する、矩形波信号である（また、ピーク間振幅は、２Ｖ _ＥＷ１ −２Ｖ _Ｒである。）。

高電圧の動作モードおよび低電圧の動作モードの両方において、信号Ｖ _{ＡＣＴＵＡＴＥ}のＤＣ成分は零である。

Ｖ _Ｒは、０とＶ _ＥＷ１との間の値を取り得るＤＣ電圧レベルであることが好ましい。 それゆえ、低電圧の動作モードにおけるＶ _{ＡＣＴＵＡＴＥ}のピーク間振幅は、０Ｖから２Ｖ _ＥＷまでの間の任意の値に調整可能である。

信号Ｖ１およびＶ２は、例えば、ドライバのプリント基板（ＰＣＢ）等によって、外部において生成されてもよい。 ＰＣＢは、Ｖ _Ｒの値を変更するための手段を含んでおり、交流の信号Ｖ１のいずれかを生成可能とするために、Ｖ１の振幅を切り替えてもよい（例えば、Ｖ１Ａは高電圧の動作モードのために要求されており、Ｖ１Ｂは低電圧の動作モードのために要求されている。）。

また、基板７２の上に配置された薄膜電子回路７４は、信号Ｖ１およびＶ２を生成するために用いられてもよい。

いずれの場合も、信号Ｖ１を生成するための第１の回路は、この信号の高電圧および低電圧を調整するための手段（すなわち、Ｖ _Ｒの値）をも含んでいてもよい。 こうした手段は、通常の回路設計技術によって実現されてよい。 回路設計技術としては、例えば、レベルシフト回路またはＩＣ等が、当業者によって周知である。

例示的な実施形態にて説明されているＡＭ−ＥＷＯＤデバイスにおいて、第１の回路は、第１の時間変動信号Ｖ１を時間的に調整する。

第１の回路は、（ｉ）第１の時刻ｔ１において、第１の振幅Ｖ１Ａを有する電圧を複数のアレイ素子に印加し、（ｉｉ）第２の時刻ｔ２において、第２の振幅Ｖ１Ｂを有する電圧を複数のアレイ素子に印加することによって、第１の時間変動信号Ｖ１を時間的に調整してもよい。

ＡＭ−ＥＷＯＤデバイスは、時刻ｔ１において第１の液滴操作の動作を実行し、時刻ｔ２において第２の液滴操作の動作を実行してもよい。 従って、例えば、Ｖ _Ｒの値は、ＡＭ−ＥＷＯＤデバイスにおける液滴操作の様々な使用法および用途に応じて、第１の時刻と第２の時刻との間において調整可能であってよい。

このＶ _Ｒの調整により、Ｖ１Ｂの様々な振幅レベルが実現される。 Ｖ _Ｒの調整は、当該デバイスによって実行される液滴操作に応じて行われてもよい。 例えば、Ｖ _Ｒは０Ｖという値と、他の値Ｖ _Ｒ１との間において切り替え可能であるように設定されてもよい。 なお、Ｖ _Ｒ１は、０ＶとＶ _ＥＷ１との間の値である。

これにより、上述の高電圧の動作モードおよび低電圧の動作モードが実現され、デバイスにおいてこれら２つの動作モードを切り替えることが可能となる。

図７は、本実施形態に係るＡＭ−ＥＷＯＤデバイスの動作の一例を概略的に示す図である。 本実施形態において、動作電圧を調整するために、Ｖ１が時間的に調整されてもよい。

この動作の一例においては、液滴を移動させる操作を実行するために、低電圧の動作モードが利用されている。 また、液滴を分離させる操作を実行するために、高電圧の動作モードが利用されている。

一般的に、高電圧の動作モードは、高い動作電圧に特に利点がある場合に、デバイスが液滴の操作を実行する時などに利用されてもよい。 例えば、液滴の分離、またはリザーバから液滴の溶離を行う場合に、高電圧の動作モードが利用されてもよい。

また、例えば、液滴の移動、２つの液滴の結合、または液滴の混合といった、その他の液滴の操作に関しては、低電圧の動作モードが好ましい。 このように、ＡＭ−ＥＷＯＤデバイスの動作、具体的には動作電圧、より具体的には電圧パルスＶ１の高電圧レベルおよび低電圧レベルの使用は、実行中の液滴の操作に応じて制御される。

背景技術において参照した米国特許第８１７３０００号明細書に記載されているように、当該デバイスは、ＡＣ駆動タイプのデバイスを操作すると同時に、動作電圧を調整する手段を提供する。 さらに、当該デバイスは、信号Ｖ１のみの電圧レベルを変化させることによって、こうした可変電圧によるＡＣ駆動方法を実現する手段を提供する。

当該デバイスおよび関連する操作方法の利点は、以下の通りである。

・可能である場合には、低電圧の動作モードを実行することにより、液滴４と疎水面１６との間に、油の薄膜を保持させることができる。

・可能である場合には、低電圧の動作モードを実行することにより、デバイスによる電力消費を低減することができる。

なお、当該関連する操作方法では、高電圧の動作モードが十分に有効である場合（例えば、液滴を移動させる場合）に、高電圧の動作モードが液滴の操作のみに用いられるように、動作電圧を変更させている。 また、油膜を保持することには、以下の利点がある。

・油膜を保持することにより、疎水面に生物が付着する可能性を低減することができる。

・油膜を保持することにより、デバイスの信頼性を向上させることができる。 例えば、絶縁層２０の欠陥に起因するピンホール欠陥の発生率を、最小限度に抑制することができる。

・油膜を保持することにより、液滴の動作性が向上する場合がある。

本発明のさらなる利点は、ＡＣによるアレイ素子の駆動方法を実装できる点である。 背景技術の参考文献においてさらに詳細に説明されているように、ＡＣによる駆動方法は、ＤＣによる駆動方法に比べて有意に優れていることは、当業者にとって公知である。

本発明のさらなる利点は、ＡＣによるアレイ素子の駆動方法が実装されることにより、操作が容易化される点である。 下層基板７２の上に形成された薄膜電子回路のトランジスタ素子によって切り替えられる電圧信号の振幅は、Ｖ _ＥＷを超える値である必要はない。 このため、背景技術において参照した米国特許第８１７３０００号明細書の利点が実現される。

本発明の別の利点は、高電圧の動作モードでと低電圧の動作モードとを実現するための実装が特に容易である点である。 これら２つのモードでの動作は、必要とされる最小限の電子回路の追加によって実装されてよい。

当該ＡＭ−ＥＷＯＤデバイスに係る別の実施の形態において、第１の回路は、第１の時間変動信号Ｖ１を空間的に調整する。 特に、第１の回路は、（ｉ）第１の振幅Ｖ１Ａを有する電圧を、複数のアレイ素子の第１の部分に印加し、（ｉｉ）第２の振幅Ｖ１Ｂを有する電圧を、複数のアレイ素子の第２の部分に印加することによって、第１の時間変動信号Ｖ１を空間的に調整してもよい。

このような場合には、複数のアレイ素子の第１の部分は、第１の液滴操作の動作を実行するための第１の動作ゾーンを構成してもよい。 また、複数のアレイ素子の第２の部分は、第２の液滴操作の動作を実行するための第２の動作ゾーンを構成してもよい。

図８Ａ〜図８Ｄは、様々な液滴の操作を実現するために、空間的に調整された第１の時間変動信号Ｖ１が利用されている例を概略的に示す図である。 図８Ａ〜図８Ｄは、２つの指定されたゾーン（すなわち、高電圧の動作ゾーン１２４および低電圧の動作ゾーン１２６）を有する例示的なアレイにおける動作を示す。

本実施形態によれば、全ての液滴が低電圧の動作ゾーン１２６から除去された場合にのみ、デバイスは高電圧モードによって動作する。 図８Ａ〜図８Ｄは、一連の動作の例を示す。

初期時刻ｔ０における初期状態は、図８Ａに示されている。 アレイ上には２つの液滴４Ａおよび４Ｂが存在している。 初期状態において、液滴４Ａおよび４Ｂは、ともに低電圧の動作ゾーン１２６に存在している。

目的とする液滴の操作は、例えば、液滴４Ｂを２つの副次的な液滴に分割することであってよい。 このような処理を行うための手順の例は、以下の通りである。

（１）はじめに、液滴４Ａおよび４Ｂを、低電圧の動作ゾーン１２６から高電圧の動作ゾーン１２４へと移動させる。 この「移動」の動作を実行するために、デバイスは低電圧モード（信号Ｖ１＝Ｖ１Ｂ）によって動作する。 図８Ｂには、後の時刻ｔ１において、この動作が完了した状態が示されている。

（２）そして、液滴４Ｂを、２つの液滴４Ｃおよび４Ｄへと分割する。 この「分割」の動作を実行するために、デバイスは高電圧モード（Ｖ１＝Ｖ１Ａ）によって動作する。 この動作が行われる期間に亘って、全ての液滴は高電圧のゾーン１２４の内部に位置している。 図８Ｃには、後の時刻ｔ２における、この動作が完了した後の状態が示されている。

（３）そして、液滴４Ａ、４Ｃ、および４Ｄを、高電圧のゾーン１２４から低電圧のゾーン１２６へと、再び移動させる。 この「移動」の動作を実行するために、デバイスは低電圧モード（信号Ｖ１＝Ｖ１Ｂ）によって動作する。 図８Ｄには、時刻ｔ３において、この動作が完了した状態が示されている。

この処理の例における全体を通じた結果は、液滴４Ｂを副次的な液滴４Ｃおよび４Ｄに分割することであった。 このように動作を実行することにより、流体が低電圧のゾーン１２６に存在している状態において、高電圧モードでのデバイスの動作が実行されることなく、液滴の分割が行われる。 それゆえ、低電圧のゾーン１２６を設けることによって、当該低電圧のゾーンにおいて液滴が信号Ｖ１Ａによって操作されるという状況が生じないようにしてもよい。

本実施形態の利点は、デバイス内に低電圧のゾーンを規定することができる点である。 液滴が低電圧のゾーン内に存在している全ての時間範囲および空間範囲に亘って、油膜が連続的に保持されているため、低電圧のゾーンへの汚染／生物付着は生じない。

ＡＭ−ＥＷＯＤデバイスの第２の実施の形態は、薄膜電子回路７４の代替的な設計に関するものであるが、上述の第１の実施の形態に類似したものとして構成されてよい。

図９は、本発明の第２の実施の形態に係る薄膜電子回路７４の一部の構成の例を概略的に示す図である。 アレイ素子回路８４、行ドライバ回路７６、列ドライバ回路７８、および列検出回路８６の全ては、第１の実施形態のものと類似または同一の設計であってよい。

薄膜電子回路７４もまた、第１の実施の形態において説明されているが、図９には含まれていないさらなる構成を有していてもよい。 例えば、薄膜電子回路は、シリアルインターフェース８０および接続ワイヤ８２を有していてもよい。

薄膜電子回路７４は、信号生成回路８８をさらに有している。 信号生成回路８８は、信号Ｖ１（Ｖ１ＡまたはＶ１Ｂ等）を生成し、当該信号Ｖ１をアレイのそれぞれの列に個別に印加するために用いられてもよい。 信号Ｖ１ＡおよびＶ１Ｂは、第１の実施の形態に応じて特定され、高電圧モードおよび低電圧モードのそれぞれにおける動作に用いられてもよい。

信号Ｖ１Ａは、アレイの特定の行に印加されてもよい。 また、信号Ｖ１Ｂは、アレイのその他の行に印加されてもよい。 例えば、図９の構成では、合成８つの行を有しているアレイにおいて、信号Ｖ１Ａがｒｏｗ１からｒｏｗ４までのそれぞれの行に印加され、信号Ｖ１Ｂがｒｏｗ５からｒｏｗ８までのそれぞれの行に印加されてもよい。

さらに、アレイの様々な行に対して、信号Ｖ１ＡおよびＶ１Ｂを印加する構成は任意に変更されてよいことは、当業者であれば自明であろう。 例えば、アレイの異なる列に異なる信号Ｖ１を印加するために、信号Ｖ１ＡとＶ１Ｂとを替えて構成してもよいことも、理解されるであろう。

図１０は、第２の実施の形態に係る第１の信号生成回路８８の好適な設計の一例を概略的に示す図である。 第１の信号生成回路８８は、
・当業者に公知の標準的な構成の、第１のレベルシフタ回路９０Ａと、
・同様に、当業者に公知の標準的な構成の、第２のレベルシフタ回路９０Ｂと、
を有している。

第１の信号生成回路８８は、入力Ｓ１、ＶＢＩＡＳ１、ＶＢＩＡＳ２、ＶＢＩＡＳ３、およびＶＢＩＡＳ４を有している。 第１の信号生成回路８８の接続関係は、以下の通りである。

入力ＶＢＩＡＳ１は、第１のレベルシフタ回路９０Ａの入力ＶＨに接続されている。 入力ＶＢＩＡＳ２は、第１のレベルシフタ回路９０Ａの入力ＶＬに接続されている。 入力ＶＢＩＡＳ３は、第２のレベルシフタ回路９０Ｂの入力ＶＨに接続されている。 入力ＶＢＩＡＳ４は、第２のレベルシフタ回路９０Ｂの入力ＶＬに接続されている。

入力Ｓ１は、第１のレベルシフタ回路９０Ａの入力ＶＩＮ、および第２のレベルシフタ回路９０Ｂの入力ＶＩＮに接続されている。

第１のレベルシフタ回路９０Ａの出力ＶＯＵＴは、ｒｏｗ１、ｒｏｗ２、ｒｏｗ３、およびｒｏｗ４の出力Ｖ１Ａに接続されている。 第２のレベルシフタ回路９０Ｂの出力ＶＯＵＴは、ｒｏｗ５、ｒｏｗ６、ｒｏｗ７、およびｒｏｗ８の出力Ｖ１Ｂに接続されている。

入力信号Ｓ１は、論理信号を含んでいてもよい。 論理信号は、例えば、５Ｖの振幅を有しており、駆動波形Ｖ１を生成するために用いられる信号パターンに対応するものであってよい。

入力ＶＢＩＡＳ１、ＶＢＩＡＳ２、ＶＢＩＡＳ３、およびＶＢＩＡＳ４は、
・ＶＢＩＡＳ１＝Ｖ _ＥＷ
・ＶＢＩＡＳ２＝−Ｖ _ＥＷ
・ＶＢＩＡＳ３＝Ｖ _ＥＷ −Ｖ _Ｒ
・ＶＢＩＡＳ４＝−Ｖ _ＥＷ ＋Ｖ _Ｒ
という値を有するＤＣ電源の電圧である。

第１のレベルシフタ回路９０Ａおよび第２のレベルシフタ回路９０Ｂは、入力信号ＶＩＮのレベルをシフトするために動作する。 これにより、出力信号ＶＯＵＴは、高レベル電圧ＶＨおよび低レベル電圧ＶＬを有する。

それゆえ、第１のレベルシフタ回路９０Ａの出力は、信号Ｖ１Ａ（高レベル電圧ＶＢＩＡＳ１＝Ｖ _ＥＷ 、および低レベル電圧ＶＢＩＡＳ２＝−Ｖ _ＥＷを有している）を生成する。 そして、第２のレベルシフタ回路９０Ｂの出力は、信号Ｖ１Ｂ（高レベル電圧ＶＢＩＡＳ３＝Ｖ _ＥＷ −Ｖ _Ｒ 、および低レベル電圧ＶＢＩＡＳ４＝−Ｖ _ＥＷ ＋Ｖ _Ｒを有している）を生成する。

従って、上述のように、第１の信号生成回路８８は、（ｉ）電圧信号Ｖ１Ａを生成し、この信号Ｖ１Ａをアレイのｒｏｗ１〜ｒｏｗ４に印加し、かつ、（ｉｉ）電圧信号Ｖ１Ｂを生成し、この信号Ｖ１Ｂをアレイのｒｏｗ５〜ｒｏｗ８に印加するように動作する。

第２の実施の形態の動作によれば、図９および図１０に示された薄膜電子回路７４の構成により、アレイのｒｏｗ１〜ｒｏｗ４は高電圧モードによって動作する一方で、アレイのｒｏｗ５〜ｒｏｗ８は低電圧モードによって動作する。

第２の実施の形態においても、第１の実施の形態と同様に、信号Ｖ２は、アレイ内の全ての素子に共通の上層基板電極２８に印加されていることに注意されたい。

さらに、第２の実施の形態は、
（１）アレイの異なる領域に異なる動作電圧を供給し、
（２）同時に、ＡＣ駆動による方法によって動作し、
（３）さらに同時に、薄膜電子回路７４のトランジスタにおいて切り替えられるべき電圧をＶ _ＥＷまでに制限している、
という点に注意されたい。

動作（１）〜（３）を同時に実装することは、ここで説明した駆動方法によって実現される。 当該駆動方法において、高電圧の動作モードと低電圧の動作モードとの間の相違点は、信号Ｖ１が高レベルであるか低レベルであるかという点のみである。 従って、高電圧の動作モードおよび低電圧の動作モードにおいて、信号Ｖ２は不変のままである。

第２の実施の形態の動作によれば、ＡＭ−ＥＷＯＤデバイスは、高電圧の動作ゾーンと低電圧の動作ゾーンとを、専用の領域として実現することができる。 従って、高電圧の動作ゾーンと低電圧の動作ゾーンとは、試料の分析のための一部分として、液滴に対する異なる操作に用いられてよい。

例えば、図９の構成では、ｒｏｗ１〜ｒｏｗ４は、液滴を溶離し、それらの液滴を副次的な液滴に分割することが必要とされる分析工程に対してのみ用いられてもよい。 従って、ｒｏｗ５〜ｒｏｗ８は、液滴の移動、混合、および結合等の、低電圧での動作に対してのみ用いられてもよい。

第２の実施の形態の利点は、高電圧での動作、および低電圧での動作のための、専用の各領域を有するアレイ構造を実現することができる点にある。 両方のゾーンは、同時に、かつ、それぞれ異なる動作電圧によって駆動されてよい。

図１１は、第３の実施の形態を概略的に示す図である。 第３の実施の形態は、第２の実施の形態に類似したものであるが、第２の信号生成回路の代替的な設計に関するものである。

第２の信号生成回路８８Ｂは、
・第２の実施の形態と同様の、第１のレベルシフタ回路９０Ａおよび第２のレベルシフタ回路９０Ｂと、
・各行の出力ｒｏｗＮ（Ｎは行を示す整数である。例えば、図１１には、出力ｒｏｗ１、ｒｏｗ２、およびｒｏｗ３が示されている）に応じたマルチプレクサ回路９２と、
を備えていてもよい。

第２の信号生成回路８８Ｂの接続関係は、以下の通りである。 入力ＶＢＩＡＳ１は、第１のレベルシフタ回路９０Ａの入力ＶＨに接続されている。 入力ＶＢＩＡＳ２は、第１のレベルシフタ回路９０Ａの入力ＶＬに接続されている。 入力ＶＢＩＡＳ３は、第２のレベルシフタ回路９０Ｂの入力ＶＨに接続されている。 入力ＶＢＩＡＳ４は、第２のレベルシフタ回路９０Ｂの入力ＶＬに接続されている。

入力Ｓ１は、第１のレベルシフタ回路９０Ａの入力ＶＩＮ、および第２のレベルシフタ回路９０Ｂの入力ＶＩＮに接続されている。

第１のレベルシフタ回路９０Ａの出力ＶＯＵＴは、各マルチプレクサ回路９２の入力ＩＮ１に接続されている。 第２のレベルシフタ回路９０Ｂの出力ＶＯＵＴは、各マルチプレクサ回路９２の入力ＩＮ２に接続されている。

入力Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３…等は、マルチプレクサ回路９２の行１、２、３…等の入力Ｒに接続されている。 各マルチプレクサ回路９２の出力ＯＵＴは、対応する出力であるｒｏｗＮ（ｒｏｗ１、ｒｏｗ２、ｒｏｗ３…等）に接続されている。

第２の信号生成回路８８の動作は、以下の通りである。 ここで、ＤＣ電源の電圧は、
・ＶＢＩＡＳ１＝Ｖ _ＥＷ
・ＶＢＩＡＳ２＝−Ｖ _ＥＷ
・ＶＢＩＡＳ３＝Ｖ _ＥＷ −Ｖ _Ｒ
・ＶＢＩＡＳ４＝−Ｖ _ＥＷ ＋Ｖ _Ｒ
という値を有している。 それゆえ、上述のように、第１のレベルシフタ回路９０Ａの出力は、信号Ｖ１Ａである。 また、第２のレベルシフタ回路９０Ｂの出力は、信号Ｖ１Ｂである。

マルチプレクサ回路９２のそれぞれは、入力Ｒの論理値に基づいて、入力ＩＮ１またはＩＮ２のいずれか一方が、出力ＯＵＴに受け渡されるように構成されている。

回路構成は、マルチプレクサごとに個別のものであってもよい。 このため、ｒｏｗＮにおけるマルチプレクサ回路の入力Ｒに基づいて、それぞれの行における出力ｒｏｗＮに対して、信号Ｖ１ＡおよびＶ１Ｂのいずれか一方が生成される。

本実施の形態によれば、アレイの各行は、個別に構成および再構成されてもよい。 これにより、高電圧モードおよび低電圧モードでの動作が可能となる。 本実施形態の利点は、アレイが完全に再構成可能であり、任意の時点において、高電圧モードまたは低電圧モードにおいて動作するように、各行を個別に構成することが可能となる点である。

上述の各実施形態に対する様々な変更が可能であることは、当業者にとっては自明であろう。 例えば、高電圧の動作ゾーンおよび低電圧の動作ゾーンは、列ごとではなく、行ごとに実現されてもよい。

また、上述の各実施形態の方式は、２つを超える異なる動作電圧レベル、および２つを超える動作ゾーンを有するＡＭ−ＥＷＯＤデバイスの動作にも拡張されてもよいことも理解される。

図１２は、第４の実施の形態を概略的に示す図である。 第４の実施の形態は、上述の実施の形態のいずれか（および、その好適な変形例）を実装するためのシステムを示す。 第４の実施の形態は、フィードバックの利用をさらに含んでいてもよい。

図１２には、上述の他の実施形態と同様に、下層基板の上に薄膜電子回路７４を有しているＡＭ−ＥＷＯＤデバイスが示されている。 上述のように、薄膜電子回路７４は、アレイ素子に電圧Ｖ１およびＶ２を印加するために、第１の回路および第２の回路をそれぞれ有している。

また、上述のように、薄膜電子回路７４に対する電気的な入力は、論理信号Ｓ１、ならびにバイアス電圧ＶＢＩＡＳ１、ＶＢＩＡＳ２、ＶＢＩＡＳ３、およびＶＢＩＡＳ４を含んでいてもよい。 また、電気的な入力は、第２の信号生成回路８８Ｂを有するマルチプレクサ回路を構成するために利用可能なシリアルデータＲを含んでいてもよい。

また、上述のように、薄膜電子回路は、出力ＳＥＮＳＥ＿ＯＵＴを有するセンサ機能を備えていてもよい。 下層基板は、外部ドライブ電子回路１１８に接続されている。 外部ドライブ電子回路１１８は、例えば、プリント基板（ＰＣＢ）によって構成されてよい。

外部ドライブ電子回路１１８は、例えば、ＤＣバイアス電圧を生成する電圧生成回路１２０と、タイミング信号Ｓ１を含む複数のタイミング信号を生成するタイミング生成回路１１９（例えば、マイクロコントローラ、またはフィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ））とを有していてもよい。

外部ドライブ電子回路１１８は、コンピュータ読み取り可能でかつ非一時的な記録媒体に格納されたアプリケーションソフトウェア１２３を実行するコンピュータ１２２に接続され、かつ制御される。

アプリケーションソフトウェア１２３は、外部ドライブ電子回路を制御するために、例えば、ＤＣバイアス電圧ＶＢＩＡＳ１、ＶＢＩＡＳ２、ＶＢＩＡＳ３、およびＶＢＩＡＳ４のレベルを制御するために、および、実行されている液滴の操作に応じて、論理信号Ｓ１およびシリアルデータＲを制御するために、コンピュータによって実行されてもよい。

また、アプリケーションソフトウェア１２３は、外部ドライブ電子回路のフィードバック制御を実装するために、センサ回路から得られる測定された出力信号ＳＥＮＳＥ＿ＯＵＴに応じて、これらの入力を制御してもよい。 アプリケーションソフトウェア１２３によって実装される制御機能は、以下の動作ルールの一部または全てを含んでいてもよい。

・実行されている液滴の操作に応じて、動作電圧を設定する。

・専用の高電圧の動作ゾーンおよび低電圧の動作ゾーンを維持するために、動作電圧を設定する。

・操作中の液滴の特性に応じて、動作電圧を設定する。 例えば、異なる動作電圧が、異なる材料（異なる界面活性剤濃度、または異なる粘度を有する材料）の液滴を移動または分割されるために必要とされてもよい。

アレイ内における液滴の位置を決定するために用いられ得るセンサ出力ＳＥＮＳＥ＿ＯＵＴと組み合わせて、アプリケーションソフトウェア１２３はさらに、以下の動作ルールの一部または全てを含んでいてもよい。

・要求される液滴の操作を問題なく実行するために必要な電圧の最小値を決定するために、動作電圧を調整する。 例えば、位置Ａから位置Ｂへ液滴を移動させる場合には、駆動された電極の適切なパターンがデバイスにおいて規定され得る。 そして、移動の操作を有効に行うために必要な動作電圧に達するまで、動作電圧を段階的に増加させる。 センサ出力ＳＥＮＳＥ＿ＯＵＴによって決定された、検出された液滴の位置から、動作の動作が問題なく実行されたことが確認されてもよい。

・センサ出力ＳＥＮＳＥ＿ＯＵＴから得られる、測定された液滴のサイズに応じて、動作電圧を調整する。

さらに、上述のＡＭ−ＥＷＯＤデバイスは、完全なラボ・オン・チップシステムの一部を形成されもよいことは、明らかであろう。 このようなシステムにおいて、ＡＭ−ＥＷＯＤデバイスによって検出、および／または操作された液滴は、化学的な流体または生物学的な流体（例えば、血、唾液、または尿等）であってもよい。 そして、全体の構成は、化学的な試験または生物学的な試験を行うために、または、化学的な化合物または生物学的な化合物を合成するために設けられてもよい。

本発明のさらなる実施の形態によれば、高電圧の動作ゾーンおよび低電圧の動作ゾーンを実現するために、異なる時刻、および／または、デバイスの異なる空間的な領域において、信号Ｖ１の振幅が異なるように設定されてもよい。

本発明のさらなる実施の形態によれば、液滴の異なる操作（例えば、結合および移動）は、異なる動作電圧によって、および／または、信号Ｖ１の異なる振幅によって動作する異なる動作ゾーンにおいて、実行されてよい。

本発明のさらなる実施の形態によれば、液滴の異なる操作は、異なる動作電圧によって、および／または、検知された液滴の特性に応じた動作ゾーンにおいて、実行されてよい。 液滴の特性は、例えば、液滴の位置、液滴のサイズ、または、液滴を異なる動作電圧によって操作するための、検知された静電容量に関する液滴の特性である。

従って、本発明の一態様は、アクティブマトリクス型の誘電体エレクトロウェッティング（ＡＭ−ＥＷＯＤ）デバイスである。 当該ＡＭ−ＥＷＯＤデバイスは、基板電極、複数のアレイ素子、第１の回路、および第２の回路を備えており、上記アレイ素子のそれぞれは、アレイ素子電極を有している。 上記第１の回路は、上記アレイ素子電極の少なくとも一部に対して、第１の時間変動信号Ｖ１を印加し、上記第２の回路は、上記基板電極に対して、第２の時間変動信号Ｖ２を印加し、動作電圧は、上記第２の時間変動信号Ｖ２と上記第１の時間変動信号Ｖ１との間の電位差によって定義される。 上記第１の回路はさらに、上記動作電圧を調整するために、上記第１の時間変動信号Ｖ１の振幅を調整する。 上記動作電圧を調整するために上記第１の時間変動信号Ｖ１の振幅が調整され得る一方で、上記第２の時間変動信号Ｖ２の振幅は不変である。

上述の通り、本発明の一態様は、アクティブマトリクス型の誘電体エレクトロウェッティング（ＡＭ−ＥＷＯＤ）デバイスである。 当該ＡＭ−ＥＷＯＤデバイスは、基板電極、複数のアレイ素子、第１の回路、および第２の回路を備えており、上記アレイ素子のそれぞれは、アレイ素子電極を有している。 上記第１の回路は、上記アレイ素子電極の少なくとも一部に対して、第１の時間変動信号Ｖ１を印加し、上記第２の回路は、上記基板電極に対して、第２の時間変動信号Ｖ２を印加し、動作電圧は、上記第２の時間変動信号Ｖ２と上記第１の時間変動信号Ｖ１との間の電位差によって定義される。 上記第１の回路はさらに、上記動作電圧を調整するために、上記第１の時間変動信号Ｖ１の振幅を調整する。

当該ＡＭ−ＥＷＯＤデバイスの一実施の形態において、上記第１の回路は、第１の振幅Ｖ１Ａと第２の振幅Ｖ１Ｂとの間において、上記第１の時間変動信号Ｖ１の振幅を調整し、上記第１の振幅Ｖ１Ａは、上記第２の振幅Ｖ１Ｂよりも大きく、上記第１の振幅Ｖ１Ａは、高電圧の動作モードと関連付けられており、上記第２の振幅Ｖ１Ｂは、低電圧の動作モードと関連付けられている。

当該ＡＭ−ＥＷＯＤデバイスの一実施の形態において、上記第１の回路はさらに、上記第１の時間変動信号Ｖ１にＤＣ電圧Ｖ _Ｒを印加することによって、上記第１の時間変動信号Ｖ１の振幅を、上記第１の振幅Ｖ１Ａから上記第２の振幅Ｖ１Ｂに調整する。

当該ＡＭ−ＥＷＯＤデバイスの一実施の形態において、上記ＤＣ電圧Ｖ _Ｒは、上記第２の振幅Ｖ１Ｂの異なる振幅レベルを実現するために調整可能である。

当該ＡＭ−ＥＷＯＤデバイスの一実施の形態において、上記第１の回路は、上記第１の時間変動信号Ｖ１を時間的に調整するように構成されている。 上記第１の回路は、（ｉ）第１の時刻ｔ１において、上記複数のアレイ素子に上記第１の振幅Ｖ１Ａを有する電圧を印加し、（ｉｉ）第２の時刻ｔ２において、上記複数のアレイ素子に上記第２の振幅Ｖ１Ｂを有する電圧を印加することによって、上記第１の時間変動信号Ｖ１を時間的に調整する。 上記ＡＭ−ＥＷＯＤデバイスは、（ｉ）上記第１の時刻ｔ１において、第１の液滴操作を実行し、（ｉｉ）上記第２の時刻ｔ２において、第２の液滴操作を実行する。

当該ＡＭ−ＥＷＯＤデバイスの一実施の形態において、上記第１の回路は、上記第１の時間変動信号Ｖ１を空間的に調整するように構成されている。 上記第１の回路は、（ｉ）上記複数のアレイ素子の第１の部分に対して、上記第１の振幅Ｖ１Ａを有する電圧を印加し、（ｉｉ）上記複数のアレイ素子の第２の部分に対して、上記第２の振幅Ｖ１Ｂを有する電圧を印加することによって、上記第１の時間変動信号Ｖ１を空間的に調整する。

当該ＡＭ−ＥＷＯＤデバイスの一実施の形態において、上記複数のアレイ素子の上記第１の部分は、第１の液滴操作を実行するための第１の動作ゾーンであり、上記複数のアレイ素子の上記第２の部分は、第２の液滴操作を実行するための第２の動作ゾーンである。

当該ＡＭ−ＥＷＯＤデバイスの一実施の形態において、上記第１の動作ゾーンは、高電圧の動作ゾーンであり、上記第２の動作ゾーンは、低電圧の動作ゾーンである。

当該ＡＭ−ＥＷＯＤデバイスの一実施の形態において、上記第１の回路は、上記複数のアレイ素子の上記第１の部分に対して、上記第１の振幅Ｖ１Ａを有する電圧を印加する第１のレベルシフタ回路と、上記複数のアレイ素子の上記第２の部分に対して、上記第２の振幅Ｖ１Ｂを有する電圧を印加する第２のレベルシフタ回路と、を備えている。

当該ＡＭ−ＥＷＯＤデバイスの一実施の形態において、上記動作電圧を調整するために上記第１の時間変動信号Ｖ１の振幅が調整される一方で、上記第２の時間変動信号Ｖ２の振幅は不変である。

当該ＡＭ−ＥＷＯＤデバイスの一実施の形態において、薄膜電子回路、基板、外部ドライブ電子回路、センサ回路、およびコンピュータ読み取り可能でかつ非一時的な記録媒体を、さらに備えており、上記薄膜電子回路は、上記第１の回路および上記第２の回路を有しており、上記基板の上には、上記薄膜電子回路が配置されており、上記外部ドライブ電子回路は、上記薄膜電子回路の上記第１の回路および上記第２の回路を駆動し、上記センサ回路は、上記外部ドライブ電子回路のフィードバック制御を行い、上記コンピュータコンピュータ読み取り可能でかつ非一時的な記録媒体は、上記外部ドライブ電子回路を制御するために実行されるコンピュータプログラムを格納している。

本発明の別の態様は、アクティブマトリクス型の誘電体エレクトロウェッティング（ＡＭ−ＥＷＯＤ）デバイスの複数のアレイ素子に印加される動作電圧を制御する方法である。 当該方法において、上記ＡＭ−ＥＷＯＤデバイスは、基板電極および複数の上記アレイ素子を有しており、上記アレイ素子のそれぞれは、アレイ素子電極を有しており、上記動作電圧は、上記基板電極と上記アレイ素子電極との間の電位差によって定義される。 当該方法は、上記アレイ素子電極の少なくとも一部に対して、第１の時間変動信号Ｖ１を印加する工程と、上記基板電極に対して、第２の時間変動信号Ｖ２を印加する工程と、上記動作電圧を調整するために上記第１の時間変動信号Ｖ１を調整することによって、上記動作電圧を制御する工程と、を含んでいる。

当該動作電圧の制御方法の一実施の形態において、上記第１の時間変動信号Ｖ１の振幅は、第１の振幅Ｖ１Ａと第２の振幅Ｖ１Ｂとの間において調整され、上記第１の振幅Ｖ１Ａは、上記第２の振幅Ｖ１Ｂよりも大きく、上記第１の振幅Ｖ１Ａは、高電圧の動作モードと関連付けられており、上記第２の振幅Ｖ１Ｂは、低電圧の動作モードと関連付けられている。

当該動作電圧の制御方法の一実施の形態において、上記第１の時間変動信号Ｖ１にＤＣ電圧Ｖ _Ｒを印加することによって、上記第１の時間変動信号Ｖ１の振幅は、上記第１の振幅Ｖ１Ａから上記第２の振幅Ｖ１Ｂに調整される。

当該動作電圧の制御方法の一実施の形態において、上記ＤＣ電圧Ｖ _Ｒは、上記第２の振幅Ｖ１Ｂの異なる振幅レベルを実現するために調整可能である。

当該動作電圧の制御方法の一実施の形態において、上記第１の時間変動信号Ｖ１は、（ｉ）第１の時刻ｔ１において、上記複数のアレイ素子に上記第１の振幅Ｖ１Ａを有する電圧を印加し、（ｉｉ）第２の時刻ｔ２において、上記複数のアレイ素子に上記第２の振幅Ｖ１Ｂを有する電圧を印加することによって、時間的に調整される。 上記ＡＭ−ＥＷＯＤデバイスは、（ｉ）上記第１の時刻ｔ１において、第１の液滴操作を実行し、（ｉｉ）上記第２の時刻ｔ２において、第２の液滴操作を実行する。

当該動作電圧の制御方法の一実施の形態において、上記第１の時間変動信号Ｖ１は、（ｉ）上記複数のアレイ素子の第１の部分に対して、上記第１の振幅Ｖ１Ａを有する電圧を印加し、（ｉｉ）上記複数のアレイ素子の第２の部分に対して、上記第２の振幅Ｖ１Ｂを有する電圧を印加することによって、空間的に調整される。

当該動作電圧の制御方法の一実施の形態において、上記複数のアレイ素子の上記第１の部分は、第１の液滴操作を実行するための第１の動作ゾーンであり、上記複数のアレイ素子の上記第２の部分は、第２の液滴操作を実行するための第２の動作ゾーンである。

当該動作電圧の制御方法の一実施の形態において、上記第１の動作ゾーンは、高電圧の動作ゾーンであり、上記第２の動作ゾーンは、低電圧の動作ゾーンである。

当該動作電圧の制御方法の一実施の形態において、上記動作電圧を調整するために上記第１の時間変動信号Ｖ１の振幅が調整される一方で、上記第２の時間変動信号Ｖ２の振幅は不変である。

ある特定の実施の形態（または複数の実施の形態）に沿って、本発明を示し、説明してきたが、本明細書および添付図面から読み取ることができ、かつ、理解できる点において、等価な代替および変形が当業者によってなされ得る。

特に、上述の説明された要素（コンポーネント、アセンブリ、デバイス、組成）によって発揮される様々な機能に関して、上述の要素を説明するために用いられた用語（「手段」と参照されるものを含む）は、たとえ本発明の実施の形態（または複数の実施の形態）における機能を発揮する開示された構造と厳密に等価でなくとも、別のものが示唆されない限り、前述した要素（すなわち、機能的に等価なもの）の特定の機能を発揮する他の要素にも対応することを意味する。

また、いくつかの実施の形態のうちの１つだけまたは複数に関して、本発明の特定の特徴を説明したに過ぎず、所与のまたは特定の任意の応用に対して、好ましくもなり、利益もあるように、他の実施の形態に係る１つまたは複数の他の特徴と上述の特徴とを組み合わせることもできる。

ＡＭ−ＥＷＯＤデバイスは、ラボ・オン・チップシステムの一部を形成できる。 これらのデバイスは、化学的、生化学的、または生理学的な物質を操作し、反応させ、および、検知するために使われ得る。 応用には、健康診断検査、化学的または生化学的物質の合成、プロテオミクス、ライフサイエンスおよび科学捜査における研究ツールが含まれる。

４ 液滴 ６ 接触角θ
１６ 第１の疎水面 ２０ 絶縁層 ２６ 第２の疎水面 ２８ 上層基板電極 ３２ スペーサ ３４ 非イオン流体 ３６ 上層基板 ３８ アレイ素子電極 ３８Ａ アレイ素子電極 ３８Ｂ アレイ素子電極 ４２ 電極アレイ ７２ 下層基板 ７４ 薄膜電子回路 ７６ 行ドライバ回路 ７８ 列ドライバ回路 ８０ シリアルインターフェース ８２ 接続ワイヤ ８３ 電圧供給インターフェース ８４ アレイ素子回路 ８６ 列検出回路 ８８ 第１の信号生成回路 ８８Ｂ 第２の信号生成回路 ９０Ａ 第１のレベルシフタ回路 ９０Ｂ 第２のレベルシフタ回路 ９２ マルチプレクサ１００ メモリ素子１０６ 第１のアナログスイッチ１０８ 第２のアナログスイッチ１１０ スイッチトランジスタ１１６ センサ回路１１８ 外部ドライブ電子回路１１９ タイミング生成回路１２０ 電圧生成回路１２２ 制御コンピュータ１２３ アプリケーションソフトウェア１２４ 高電圧の動作ゾーン１２６ 低電圧の動作ゾーン