介质上电润湿(EWOD)器件及控制EWOD器件的方法
阅读：415发布：2020-05-12
专利汇可以提供介质上电润湿(EWOD)器件及控制EWOD器件的方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且EWOD(或AM‑EWOD)器件包括参考 电极 (28)和多个阵列元件(38)以及控制 电子 器件(43)，每个阵列元件包括阵列元件电极(38A，38B)。在针对EWOD致动优化的第一模式下，控制电子器件(43)被配置为控制到阵列元件电极(38A，38B)和参考电极(28)的时变 电压 的供应，由此产生作为阵列元件电极和参考电极处的电压之间的电位差的致动电压。参考电极(28)包括第一电连接(A)和第二电连接(B)。在第二模式下，参考电极(43)还被配置为在第一电连接(A)和第二电连接(B)之间提供 电流 流动，以产生用于控制EWOD器件的 温度 的 电阻 热。控制可以包括感测EWOD器件的温度，以及基于所感测的温度在第一模式或第二模式下的操作之间切换。，下面是介质上电润湿(EWOD)器件及控制EWOD器件的方法专利的具体信息内容。
1.一种介质上电润湿（EWOD）器件，包括：
顶部基板，其上沉积有参考电极；
多个阵列元件，包括不同于顶部基板的下基板，在所述下基板上沉积有多个阵列元件电极，所述顶部基板和所述下基板限定用于接收液滴的间隙，并且每个阵列元件包括来自所述多个阵列元件电极中的阵列元件电极；以及
控制电子器件，被配置为控制到阵列元件电极和参考电极的时变电压的供应，由此产生作为阵列元件电极和参考电极处的电压之间的电位差的致动电压；
其中所述参考电极包括第一电连接和第二电连接，并且所述控制电子器件还被配置为在第一电连接和第二电连接之间提供电流，以产生用于控制所述EWOD器件的温度的电阻热。
2.根据权利要求1所述的EWOD器件，其中，所述控制电子器件包括用于向所述第一电连接提供电压的第一电压源和用于向所述第二电连接提供电压的第二电压源。
3.根据权利要求2所述的EWOD器件，其中，所述控制电子器件还包括位于所述第二电压源和所述第二电连接之间的开关；
其中所述开关在断开位置和闭合位置之间可切换，所述断开位置对应于所述第一电连接和所述第二电连接之间没有电流流动的EWOD致动模式，并且所述闭合位置对应于电流在所述第一电连接和所述第二电连接之间流动以产生用于控制所述EWOD器件的温度的电阻热的加热模式。
4.根据权利要求3所述的EWOD器件，其中，所述控制电子器件还包括位于所述第一电压源和所述第一电连接之间、用于维持到所述第一电连接的电压供应的第一放大器。
5.根据权利要求2所述的EWOD器件，其中，所述第一电压源是交流（AC）电压源，所述第二电压源是直流（DC）电压源。
6.根据权利要求2所述的EWOD器件，其中，所述控制电子器件还包括在所述第二电压源和所述第二电连接之间的电阻器，所述电阻器进行操作以减小所述参考电极的比例电阻和所述参考电极两端的电压降。
7.根据权利要求2所述的EWOD器件，其中，所述控制电子器件还包括用于将源电压切换到所述第一电连接和所述第二电连接的双极开关。
8.根据权利要求4所述的EWOD器件，其中，所述第一电压源是交流（AC）电压源，并且所述第二电压源通过将所述第一电压源输入到电连接至所述第二电连接的第二放大器来提供，所述第二放大器具有与所述第一放大器不同的增益。
9.根据权利要求1所述的EWOD器件，其中，所述参考电极具有多个低电阻的第一区域，所述低电阻的第一区域相对于参考电极的其它第二区域具有更高的导电性。
10.根据权利要求9所述的EWOD器件，其中，所述参考电极具有多个高电阻的第三区域，所述高电阻的第三区域相对于所述参考电极的第一区域和第二区域具有更低的导电性。
11.根据权利要求10所述的EWOD器件，其中，所述第一区域和/或第三区域沿着参考电极的长度平行地延伸。
12.根据权利要求1所述的EWOD器件，还包括：
薄膜电子器件，包括控制电子器件的至少一部分；
所述薄膜电子器件设置在所述下基板上；以及
非暂时性计算机可读介质，存储计算机程序，所述计算机程序被执行以控制所述控制电子器件。
13.根据权利要求1所述的EWOD器件，其中，所述EWOD器件是有源矩阵介质上电润湿（AM-EWOD）器件。
14.一种控制介质上电润湿（EWOD）器件的方法，所述EWOD器件包括：顶部基板，在所述顶部基板上沉积有参考电极；和多个阵列元件，包括不同于顶部基板的下基板，在所述下基板上沉积有多个阵列元件电极，所述顶部基板和所述下基板限定用于接收液滴的间隙，并且每个阵列元件包括来自所述多个阵列元件电极中的阵列元件电极；所述控制方法包括以下步骤：
通过向阵列元件电极和参考电极提供时变电压，在用于优化的EWOD致动的第一模式下操作，由此产生作为阵列元件电极和参考电极处的电压之间的电位差的致动电压；以及通过提供流过参考电极的电流，进一步在用于温度控制的第二模式下操作，以产生用于控制所述EWOD器件的温度的电阻热。
15.根据权利要求14所述的控制方法，还包括：
感测所述EWOD器件的温度；以及
基于感测到的温度在第一模式或第二模式下的操作之间进行切换。
16.根据权利要求15所述的控制方法，还包括使用反馈机制来控制所述EWOD器件的温度。
17.根据权利要求14所述的控制方法，其中，在所述第二模式下所述致动电压衰减，所述方法还包括：
在所述第二模式下将致动电压维持在足以执行低电压液滴操作的电平处。
18.根据权利要求17所述的控制方法，其中，所述低电压液滴操作包括维持液滴在所述EWOD器件中的位置。
19.根据权利要求14所述的控制方法，其中，所述参考电极被至少分成第一区域和第二区域，所述控制方法还包括在所述第二模式下操作以获得在所述第一区域和所述第二区域中的不同温度。
介质上电润湿(EWOD)器件及控制EWOD器件的方法
技术领域
[0001] 本发明涉及使用介质上电润湿(EWOD)原理的微流体器件。EWOD是通过电极阵列来操纵疏水表面上的液滴的已知技术。本发明还涉及驱动这种器件并同时通过释放热来提供对该器件及其内容物的温度的控制的方法。
背景技术
[0002] 介质上电润湿(EWOD)是通过施加电场来操纵液滴的公知技术。因此，它是用于芯片实验室技术的数字微流控的候选技术。对该技术的基本原理的介绍可以在以下文献中找到：“Digital microfluidics：is a true lab-on-a-chip possible？”，R.B.Fair，Microfluid Nanofluid(2007)3：245-281)。
[0003] 图1以截面形式示出了常规EWOD器件的一部分。该设备包括下基板72，其最上层由导电材料形成，导电材料被图案化以便实现多个电极38(例如图1中的38A和38B)。给定阵列元件的电极可以被称为元件电极38。液滴4可以由极性(或部分极性)材料(其通常也是含水的和/或离子的)组成，并被约束在下基板72和顶部基板36之间的平面中。可以通过隔离件32实现这两个基板之间的合适的间隙，并且非极性流体34(例如油，比如十二烷或硅油或任何其它烷烃或矿物油)可用于占据未被液滴4占据的体积。备选地，并且可选地，未被液滴占据的体积可以用空气填充。设置在下基板72上的绝缘体层20将导电电极38A、38B与第一疏水面16分离，其中，液滴4以用θ表示的接触角6位于第一疏水涂层16上。第二疏水层26在顶部基板36上，液滴4可以与第二疏水涂层26接触。在顶部基板36和第二疏水层26之间插入顶部基板电极28。
[0005]
[0006] 在某些情况下，所涉及的材料的相对表面张力(即γSL、γLG和γSG的值)可以使得等式(1)的右手侧小于-1。这在非极性流体34是油的情况下通常可能发生。在这些条件下，液滴4可与疏水面16和26失去接触，并且可以在液滴4与疏水面16和26之间形成非极性流体34(油)的薄层。
[0007] 在操作中，可以将称为EW驱动电压(例如，图1中的VT、V0和V00)的电压从外部施加到不同的电极(例如，分别施加到元件电极38、38A和38B)。所得到的电力被建立为有效地控制疏水面16的疏水性。通过布置不同的EW驱动电压(例如，V0和V00)施加到不同的元件电极(例如，38A和38B)，液滴4可以在两个基板72和36之间的横向平面中移动。
[0008] US6565727(Shenderov，2003年5月20日授权)公开了一种用于通过阵列移动液滴的无源矩阵EWOD器件。
[0009] US6911132(Pamula等人，2005年6月28日授权)公开了一种用于控制液滴在两个维度上的位置和移动的二维EWOD阵列。
[0010] US6565727还公开了用于其他液滴操作的方法，包括液滴的分裂和合并以及将不同材料的液滴混合在一起。
[0011] US7163612(Sterling等人，2007年1月16日授权)描述了基于TFT的电子器件如何用于通过使用与有源矩阵(AM)显示技术中采用的电路布置非常相似的电路布置来控制对EWOD阵列的电压脉冲的寻址。
[0012] US7163612的方法可以被称为“有源矩阵介质上电润湿”(AM-EWOD)。使用基于TFT的电子器件来控制EWOD阵列有若干优点，即：
[0014] (b)基于TFT的电子器件非常适合AM-EWOD应用。它们生产便宜，从而可以以相对低的成本生产相对大的基板面积。
[0015] (c)以标准工艺制造的TFT可以被设计为在比标准CMOS工艺中制造的晶体管高得多的电压下操作。这是重要的，因为许多EWOD技术需要施加超过20V的EWOD致动电压。
[0017] EP2404675(Hadwen等人，2012年1月11日公开)描述了用于AM-EWOD器件的阵列元件电路。已知有各种方法用于对阵列进行编程并将EWOD致动电压施加到EWOD元件电极。所描述的电压写功能包括例如基于动态RAM(DRAM)或静态RAM(SRAM)的标准装置的存储器元件和用于对阵列元件进行编程的输入线。
[0018] 虽然EWOD(和AM-EWOD)设备可以使用DC或AC致动电压进行操作，但在实践中，如先前引用的参考文献R.B.Fair，Microfluid Nanofluid(2007)(3：245-281)中所述，存在很多理由优选AC驱动方法。可以注意到，对于范围通常从几赫兹到几千赫兹的宽范围的AC驱动频率，可以致动和操纵液滴。
[0019] 在AM-EWOD器件中实现AC驱动方法的一种方法是将地电位施加到顶部基板电极28。为了将阵列中的给定元件电极编程为非致动状态，元件电极被写入地电位。为了将给定阵列元件电极38编程为致动状态，元件电极电位38被写入具有在VEW和-VEW之间交变的电位。然而，这种驱动方法的很大缺点是必须由电路中的晶体管切换以驱动元件电极38的最大电压被要求为2VEW。
[0020] US8173000(Hadwen等人，2012年5月8日授权)描述了一种具有阵列元件电路的AM-EWOD器件和用于向电极写入AC致动电压的方法。该专利描述的AC驱动方案利用了将AC信号施加到设备的元件电极38和顶部基板电极28二者。因此，设备能够生成在+VEW和-VEW之间变化的电润湿电压(元件电极和顶部基板电极之间的电压)，而阵列元件电路中的晶体管仅需要以VEW的轨至轨电压操作。
[0021] EWOD技术的许多应用要求液滴的温度受到控制和/或变化。示例包括分子诊断、材料合成和核酸扩增。已经采取了许多方法来在微流体器件中提供温度控制。实现热控制的一种方法是通过外部装置(例如热板)来控制整个器件及其壳体的温度。其缺点是可实现的温度变化率通常较低，并且整个装置达到热平衡需要很长时间。已经描述了解决这个问题的一些其他方法。
[0022] US7815871(Pamula等人，2010年10月19日授权)公开了一种液滴微致动器系统，其包含具有用于温度控制的一个或多个加热区的EWOD器件。
[0023] US8459295(Kim等人，2013年6月11日授权)公开了根据EWOD原理的用于液滴操作的微流体器件，其中底部基板上的一个或多个电极包括图案化电极形式的加热元件。
[0024] US8339711(Hadwen等人，2012年12月25日授权)公开了一种AM-EWOD器件，其具有实现在用于控制液滴运动的同一导电层中的加热器元件。
[0025] US20130026040(Cheng等人，2013年1月31日公开的专利申请)公开了一种微流体平台，其包括具有可独立寻址的加热元件的有源矩阵阵列的AM-EWOD器件，加热元件可以形成在相同或不同的基板中，位于液滴处理区域之上或之下。该装置提供液滴的独立致动和加热。
[0026] 这些方法中的每一种都具有缺点，其中，许多涉及必须彼此对准的多个图案化材料层，这增加了制造工艺的复杂性和成本。对于芯片实验室应用来说，这是一个重要的考虑因素，特别在例如由于所用试剂和样品对表面造成生物或化学污染等原因而必须丢弃芯片的情况下。
发明内容
[0027] 本发明的一个方面是介质上电润湿(EWOD)器件。在示例性实施例中，EWOD器件包括参考电极、多个阵列元件以及控制电子器件，其中每个阵列元件包括阵列元件电极。控制电子器件被配置为控制到阵列元件电极和参考电极的时变电压的供应，由此产生作为阵列元件电极和参考电极处的电压之间的电位差的致动电压。参考电极包括第一电连接和第二电连接，并且控制电子器件还被配置为在第一电连接和第二电连接之间提供电流流动，以产生用于控制EWOD器件的温度的电阻热。
[0028] 本发明的另一方面是一种控制EWOD(或AM-EWOD)器件的方法。在示例性实施例中，所述控制方法包括以下步骤：通过向阵列元件电极和参考电极提供时变电压，在用于优化的EWOD致动的第一模式下操作，由此产生作为阵列元件电极和参考电极处的电压之间的电位差的致动电压；以及通过提供流过参考电极的电流，进一步在用于温度控制的第二模式下操作，以产生用于控制EWOD器件的温度的电阻热。附图说明
[0029] 在附图中，相同的附图标记表示相同的部件或特征。
[0030] 图1示出了现有技术并且是以截面形式描绘常规EWOD器件的示意图。
[0031] 图2示出了根据本发明的第一实施例的示例性测定测量系统。
[0032] 图3示出了根据本发明的示例性第一实施例的EWOD器件的示意图。
[0033] 图4示出了通过图3的示例性AM-EWOD器件的一些阵列元件的横截面，并且示出了根据本发明的第一和示例性实施例的产生电位差以在参考电极中产生焦耳加热的原理。
[0034] 图5是描绘图4的示例性AM-EWOD器件的顶部基板的俯视图以及制造连接以允许EWOD致动和加热的示例性方法的示意图。
[0035] 图6示出了根据第一实施例的图5中的参考电极及其电连接的电路图，允许其被驱动以实现EWOD致动和焦耳加热。
[0036] 图7是连接到图5的参考电极的电压VT1和VT2以及在电极本身上观察到的电压的图示。图7描绘了根据使用图6的电路驱动参考电极的示例性方法的它们在EWOD致动和加热模式下随时间的变化。
[0037] 图8是描绘图4的示例性AM-EWOD器件的顶部基板的俯视图以及根据示例性第二实施例的制造连接以允许EWOD致动和加热的方法的示意图。
[0038] 图9是描绘图4的示例性AM-EWOD器件的顶部基板的俯视图以及根据示例性第三实施例的制造连接以允许EWOD致动和加热的方法的示意图。
[0039] 图10示出了根据示例性第四实施例的AM-EWOD器件的一些阵列元件的横截面，其具有在底部基板上包括平面内参考电极的备选设计。
[0040] 图11是描绘具有在底部基板上包括参考电极的备选设计的AM-EWOD器件的底部基板的俯视图以及根据示例性第四实施例的制造连接以允许EWOD致动和加热的示例性方法的示意图。
[0041] 图12示出了根据示例性第五实施例的图5中的参考电极及其电连接的电路图，允许其被驱动以实现EWOD致动和焦耳加热。
[0042] 图13是连接到图5的参考电极的电压VT1和VT2以及在电极本身上观察到的电压的图示。图13描绘了根据使用图12的电路驱动参考电极的示例性方法的它们在EWOD致动和加热模式下随时间的变化。
[0043] 图14示出了根据示例性第六实施例的图5中的参考电极及其电连接的电路图，允许其被驱动以实现EWOD致动和焦耳加热。
[0044] 图15是连接到图5的参考电极的电压VT1和VT2以及在电极本身上观察到的电压的图示。图15描绘了根据使用图14的电路驱动参考电极的示例性方法的它们在EWOD致动和加热模式下随时间的变化。
具体实施方式
[0045] 提供一种具有参考电极的EWOD器件，在所述参考电极上具有至少两个分开的电连接，连接A和连接B。该器件可以在两种模式下操作：通过电润湿来实现液滴的致动的EWOD模式，以及用于控制器件中液滴的温度的加热模式。可以通过向连接A和B中的一个或两个提供电压信号来实现EWOD模式，而下基板的电极也用合适的电压信号来驱动。可以通过向连接A和B提供电压信号使得提供给连接A和连接B的电压信号不同来实现加热模式。因此，热量通过焦耳加热耗散在参考电极中。可以选择参考电极的电阻和/或提供给连接A和B的电压信号，使得液滴致动和焦耳加热可以同时发生。
[0046] 图2示出了根据本发明的示例性第一实施例的示例性液滴微流体处理系统。该系统在包括读取器40和盒44的两部分中。
[0047] 盒44可以包含AM-EWOD器件41以及(未示出)到器件的流体输入端口，以及电连接。流体输入端口可以执行将流体输入到AM-EWOD器件41中并在器件内产生液滴4的功能，例如通过在电润湿控制下从输入蓄液池中分配。可选地，盒44还可以包含外部加热器和冷却器(未示出)，其可以例如通过焦耳加热或珀尔帖(Peltier)效应来执行控制盒的内部温度的功能。如上所述，在本发明的所描述的实施例中，EWOD器件被实现为AM-EWOD，尽管在最广泛意义上本发明并不限于有源矩阵型EWOD器件。
[0049] (a)定义适当的定时信号来操纵AM-EWOD器件41上的液滴4。
[0051] (c)使用计算的传感器数据来定义适当的定时信号以操纵AM-EWOD器件41上的液滴，即以反馈模式进行动作。
[0052] (d)通过调制一个或多个加热器或冷却器(未示出)，包括AM-EWOD器件41中集成的那些装置，来定义用于控制AM-EWOD器件41的温度的适当信号。
[0054] 控制电子器件43可以向盒44提供所需的电压和定时信号，以便操纵和感测AM-EWOD器件41上的液滴4。控制电子器件43还可以提供加热电路所需的电压和定时信号，以控制AM-EWOD器件41中液滴4的温度。
[0056] 图3是描绘了根据本发明的示例性实施例的可以形成盒44的一部分的AM-EWOD器件的示意图。AM-EWOD器件具有下基板72(基板)，其中，薄膜电子器件74设置在下基板72上。薄膜电子器件74包括控制电子器件的至少一部分，并且被布置为驱动阵列元件电极38。多个阵列元件电极38布置在电极阵列42中，具有X乘Y个元件，其中X和Y可以是任何整数。可以由任何极性液体组成并且通常可以含水的液滴4被封闭在下基板72和顶部基板36之间，但是将理解的是，可以存在多个液滴4。
[0057] 图4是描绘AM-EWOD器件41(诸如图3的器件)的横截面并且包括一对包括多个阵列元件电极38A和38B的阵列元件的示意图。图3和图4的器件配置类似于图1所示的常规配置，但是图3和图4的AM-EWOD器件41还包括设置在下基板72上的薄膜电子器件74。下基板72的最上层(可以被认为是薄膜电子器件层74的一部分)被图案化，从而实现多个阵列元件电极38(例如，图4中的38A和38B)。阵列元件电极38可以统称为电极阵列42。术语阵列元件电极可以在下文中被理解为指代与特定阵列元件相关联的物理电极38和直接连接到该电极38的电路的节点二者。
[0058] 术语“参考电极28”可以在下文中被理解为表示用于向液滴4提供参考电位的最通用结构。因此，术语参考电极28可以被认为是描述包括如下各项中的任一个或多个的结构：顶部基板电极28、平面内对电极31、或者将导电结构连接到液滴的一些其它装置(例如链条)。参考电极28也可以直接与液滴4接触，或者可以经由绝缘体层和/或疏水涂层与液滴4接触。术语参考电极28也用于描述对应于物理参考电极结构的电路节点。
[0059] 图5是描绘根据本发明的第一示例性实施例的、图3的AM-EWOD器件41的顶部基板36的俯视图的示意图。参考电极28可以由例如金属、多晶硅或诸如氧化铟锡(ITO)之类的导电氧化物材料的导电材料层制成。导电层的电薄层电阻通常可以在0.5和500Ω/sq之间。可选地并且优选地，可以使用透明导电材料(例如ITO)来实现诸如荧光的光学测量技术，以便实时表征在AM-EWOD器件41内的液滴4中发生的反应。可选地，可以使用公知技术将参考电极图案化，例如光刻、蚀刻或其它合适的技术，以促进参考电极28的薄层电阻的局部变化。
可以通过诸如焊接的标准技术来制造低电阻电接触，并且允许参考电极28以连接A和B处的电压驱动，这些电压被称为VT1和VT2，如图5所示。
可以通过诸如焊接的标准技术来制造低电阻电接触，并且允许参考电极28以连接A和B处的电压驱动，这些电压被称为VT1和VT2，如图5所示。
[0060] 通常，控制电子器件被配置为控制到阵列元件电极和参考电极的时变电压的供应，以在针对EWOD致动优化的第一模式下操作。在该第一模式中，产生激励电压作为阵列元件电极和参考电极处的电压之间的电位差。此外，如上所述，参考电极包括第一电连接A和第二电连接B。控制电子器件还被配置为在第二模式下操作以在第一电连接和第二电连接之间提供电流流动。在该第二模式下，这里有时称为加热模式，流过连接A和B之间的参考电极的附加电流产生用于控制AM-EWOD器件的温度的电阻热。
[0061] 图6示出了根据第一示例性实施例的图5的参考电极28、电连接A和B以及用于驱动参考电极以用于EWOD致动和加热的电压源的电路图。由于参考电极28是导体，所以可以将其视为电路的一部分。为了促进参考电极28的有效加热，其电阻应形成加热电路的总电阻的主要部分。参考电极在图6中被建模为具有端连接VT1和VT2的电阻器。在图6的电路中，端连接A连接到第一电压源(例如，AC电压源84(第一电压源))，所述第一电压源提供用作用于EWOD致动和在加热模式期间用于加热的参考电压的电压。可选地，如图6所示，输出放大器46(第一放大器)可以被结合在AC电压源84和参考电极28之间，以便在电流被拉取时维持信号电压，例如当电路在加热模式中时。参考电极28经由端子B连接到开关48，开关48又通过电阻器50连接到诸如DC电压源86(第二电压源)的第二电压源。在AMEWOD器件41内的电路的不同部分的布置由它们在表示顶部基板36和AMEWOD器件41的框内的位置示出，尽管在顶部基板36外部示出的一些元件可以同样地并入其结构。
[0062] 如前所述，该电路被设计为在两种模式下操作：针对EWOD致动优化的第一EWOD模式，以及允许电流流过参考电极28的第二加热模式。在本实施例中，通过可在对应于第一模式的断开位置与对应于第二模式的闭合位置之间可切换的开关48来选择模式。
[0063] 在第一EWOD模式下，开关48断开，参考电极由AC电压源84驱动，导致连接A处的AC信号VT1，其中电流流动最小。在第二加热模式下，开关48闭合，连接到直流电压源86，并允许电流在电压VT1处的连接A与电压VT2处的连接B之间流过参考电极28。在使用用于EWOD驱动的TFT电子器件的AM-EWOD器件41中，通常可以使用-20和+20V之间的直流电压。开关48可以根据占空比进行操作，并且通过改变在加热模式中花费的时间的比例，可以控制加热水平，从而控制AM-EWOD器件41的温度。可以使用标准装置(例如热敏电阻和热电偶)来感测和测量AM-EWOD器件41中实现的温度，并且可以通过例如通过加热模式的占空比将热输出与使用测量的温度作为输入的闭环反馈机制(例如比例积分微分(PID)控制器)相耦合来控制温度。实现温度所需的功率将取决于在其中安装AM-EWOD器件41的盒44的设计和环境。因此，AM-EWOD器件的温度控制可以通过感测AM-EWOD器件的温度以及基于所感测的温度在第一模式或第二模式下的操作之间切换来执行。
[0064] 应当注意，在加热模式期间，EWOD参考信号将继续存在，从而允许液滴4的EWOD致动。然而，在参考电极28两端，观察到的EWOD参考电压VT将从连接A处的电压VT1(其来源于AC电压源84)的电平朝向在连接B处施加的DC电压VT2的电平衰减。将在参考电极28上的任何相应点处发生的衰减将与该相应点和连接A之间的参考电极28的电阻与整个电路(即图6中的AC电压源84和直流电压源86之间的电路)的电阻之比成比例。加热模式期间的衰减效果如图7所示。
[0065] 图7是在图6中标记的连接A和B处观察到的电压VT1和VT2以及参考电极28(未示出)中间位置处用于EWOD致动的有效参考电压VT在一个短时间段内的图示。图7显示了在连接A和B处观察到的电压VT1和VT2以及参考电极28中用于EWOD致动的有效参考电压VT的示例。VT1的波形示出了如何可以通过在+V和-V的任意电压之间变化的AC电压源84驱动VT1。在EWOD模式期间，开关48断开，参考电极28的电压VT和连接B处的VT2二者都仅由交流电压源来驱动，因此它们遵循相同的波形。在VT2的情况下，在此期间的波形被示为虚线，以强调其是无源驱动。当开关48闭合时，进入加热模式，连接B此时连接到直流电压源86并由其有源驱动，以产生此时所见到的电压VT2。在加热模式下，VT由连接在连接A处的交流电压VT1和连接在连接B处的直流电压VT2二者驱动。在图7所示的示例性方法驱动中，DC电压源被设置为-V，结果是，VT2呈现接近于-V的电压，并且因此在VT处看到的波形是叠加在基线-V上的AC波形的衰减版本。将明显的是，包括0V或+V的其它DC电压可以用于直流电压源86。
[0066] AC信号的衰减的影响将导致参考电极28中的参考EWOD电压VT与用于EWOD驱动的阵列元件电极38上的电压V0之间的电位差减小。在AC波形的频率低于特征液滴响应频率(由液滴电导率确定)的情况下，有效电润湿电压VEWOD由参考电极28上的电压VT和阵列元件28上的电压V0之间的电压差的均方根(rms)值给出。可以产生的电润湿效应和得到的致动力取决于VEWOD。因此，参考EWOD电压VT的衰减将导致EWOD致动的有效性的降低，并且在参考电极28靠近在VT2处驱动的连接B的部分中，衰减可以使得VEWOD不再足够执行需要强大EWOD驱动力的操作，例如将液滴4分成两个。然而，可以充分维持VEWOD以执行低电压液滴操作。例如，低电压液滴操作可以允许电极阵列42上液滴4的位置在加热期间保持，因为这不需要如EWOD驱动力那么强的驱动力。这是有利的，因为未被保持的液滴4可能在其他较弱的力的影响下四处漫游。当位置接近到VT2的连接时，在加热期间EWOD VT的有效参考电压的衰减将在参考电极28两端更大程度地发生。因此，外部电阻器50可以可选地包括在顶部基板36上或不在顶部基板36上，以便减小比例电阻和电压降，使得用于液滴致动的EWOD参考电压信号在加热期间保持在有效水平。
[0067] 该实施例具有一些特别的优点，包括：
[0068] (a)用作加热器的参考电极28紧邻电极阵列42上的液滴4，特别是与常规的外部加热器相比，对于更快的温度变化，这允许更有效且可能更精细地控制其温度。
[0069] (b)将单个导电层用于EWOD和加热目的，可以保持EWOD器件的设计和制造的简单性。此外，参考电极28的结构是相对较低电阻的连续层，这意味着在与液滴4接触的区域内的点之间的电压降很小。在诸如曲折电极图案的其他布置中，可以在相同电极上的附近点之间观察到电压降，使得如果液滴4与两个点接触，则电流可以流过液滴4并产生电解，导致器件损坏和液滴的化学变化，这可能会干扰其后续反应中的预期行为。因此，对于这样的系统，需要覆盖电极的其他介质层，这进一步需要增加用于EWOD致动的电压以实现相同的操作，这可能在电压被限制的情况下(例如在TFT电子产品中)引起问题。相比之下，在本发明中，顶部基板36可以被由诸如Cytop材料制成的疏水性涂层覆盖，并且不会观察到液滴4内的电流流动和电解。
[0070] (c)顶部基板在EWOD致动的同时执行加热功能的能力意味着可以操纵一个或多个液滴以执行如下功能，例如，将它们保持在原地，或者不中断加热的情况下(这是包括多功能电极的一些其他常规系统的要求)，主动混合或将它们移动到电极阵列42上。
[0071] 对于本领域技术人员显而易见的是，也可以实现图6的EWOD和加热电路的许多变型，而基本不改变电路的操作的功能或原理。例如，在图6所示的第一实施例中，AC供应电压被示为驱动VT1，因为在TFT电子器件限制了可以使用的最大电压的AM-EWOD器件中，这是用于有效EWOD致动的特别有利的模式。还应注意的是，可以通过其它布置(例如连接到该点的第二直流电压源86)来实现EWOD致动，并且只要电压VT1和VT2之间存在差异，将促进加热模式。还将明显的是，驱动VT1的供应电压可以通过在不同时间具有不同频率的波形来驱动。此外，尽管图7中示出了具有方波形状和50％占空比的AC电压源，但是将明显的是，VT1可以通过占空比不一定是50％的波形或具有不同形状(如锯齿波或S形波)的波形来驱动。
[0072] 此外，虽然参考电极28被示出为具有电压为VT1和VT2的一对连接A和B的导电材料的单个区域，但是在备选实施例中，参考电极28可以划分为形成两个或更多个的参考电极的两个或更多个区域，所述两个或更多个参考电极被分别驱动，以便允许区域性的温度控制，由此在不同区域中获得不同的温度。该实施例的缺点在于，液滴4的运动或其他操作必须仔细编排，以避免任何液滴4跨越在处于不同局部电压的两个参考电极28之间的间隙的情况，因为这产生了发生电流流动和电解的可能性。这种情况可能出现在加热模式中，在加热模式中，电极的电阻中存在变化或用于驱动电极的电压之间存在变化。
[0073] 图8是描绘根据第二示例性实施例的、图3的AM-EWOD器件41的顶部基板36的俯视图的示意图。在第二实施例中，图5所示的第一实施例的参考电极28被修改为包括多个低电阻(高电导性)的第一区域52。这可以通过图案化或以其它方式调整形成电极的导电材料(例如ITO)的厚度来实现，使得参考电极28的第二区域或其它部分具有较高的电阻，或者通过用两种或更多种不同的材料组成电极来实现，在这种情况下，低电阻区域52可以由具有较高电导性的材料制成。
[0074] 该第二实施例的优点包括
[0075] i)当将参考电极28连接到外部电路时，可以用低电阻区域52更容易地形成低电阻接触。
[0076] ii)沿着参考电极的长度平行地延伸的低电阻区域用作驱动电路的扩展，使得跨过它们之间的较高电阻区域的电流流动应该比图5的布置更均匀。
[0077] 图9是描绘根据第三示例性实施例的、图3的AM-EWOD器件41的顶部基板36的俯视图的示意图。在第三实施例中，图8所示的第二实施例的参考电极28被修改为包括多个高电阻的第三区域54，高电阻的第三区域具有比第一或第二区域更高的电阻(更低的导电性)。这可以通过图案化或以其它方式调整形成电极的导电材料(例如ITO)的厚度来实现，或者备选地通过用两种或更多种不同材料组成电极来实现。该实施例的优点包括在参考电极表面上产生不均匀加热分布的能力，其中高电阻区域54成比例地耗散更多的热量。在盒44中，AM-EWOD器件41的包围材料在加热期间可能处于比器件本身更低的温度，并且结果将是AM-EWOD器件41的边缘通过传导而失去热量的倾向，并且温度从电极阵列42的中心下降。在本实施例描述的布置中，AM-EWOD器件41的与参考电极28的边缘靠近的部分将被加热得最多，这可能会抵消传导冷却效应，从而在电极阵列42上产生更均匀的温度。对于本领域技术人员将清楚的是，在参考电极28中使用不均匀电阻的其它配置可以形成以不同的方式实现的加热，例如在电极阵列42上产生一个或多个加热和温度梯度。
[0078] 图10是描绘在本发明的备选示例性第四实施例中的诸如图3的器件的AM-EWOD器件41的横截面的示意图，其包括一对阵列元件38A和38B。图10与图4类似，但省略了顶部基板36中的顶部参考电极28，并且替代地包含图案化的导电材料层，以在底部基板72上形成在阵列元件38A和38B之间延伸的平面内参考电极31。
[0079] 图11示出了图10所示的AM-EWOD器件41的底部基板72的俯视图。平面内参考电极31被描绘为在阵列元件38之间的空间中的网格图案，以形成底部基板72上的平面内参考电极31。
[0080] 通过使用与之前描述的且如图6所示的电路相似的电路，用平面内参考电极31替换顶部基板36中的参考电极28，平面内参考电极31可以在连接A和B处由VT1和VT2驱动。在图10所示的第四实施例中，通过图案化与用于阵列元件38的导电层相同的导电层，制作平面内参考电极31，其缺点是，由于存在两条通过穿过介质层20的通路，降低了用于产生EWOD致动的给定电润湿电压VEWOD的效能。然而，如前所述，替代的结构是可能的，其不会受到这种影响，包括形成在单独层中的平面内参考电极31或介质层20的特定蚀刻或沉积，以便暴露平面参考电极31并允许其直接接触疏水层16。
[0081] 该第四实施例的优点包括简化了盒44中的电连接的设计，以及将替代的附加功能包括在顶部基板36中的能力。
[0082] 图12示出了根据示例性第五实施例的图5的参考电极28和形成用于针对EWOD致动和加热驱动其的电连接和电压的示例性模式的电路图。在这种情况下，第一实施例的AC驱动电压源84和DC吸收电压86通过双极双掷四路开关56(双极开关)连接到参考电极28，允许用于驱动VT1和VT2的电压源被切换。该实施例的优点包括选择电极阵列42的哪一部分来经历用于EWOD致动的衰减的参考电压VT的能力。
[0083] 图13是类似于图7的图示，显示了在根据使用如图12所示的电路的第五实施例的驱动下，在连接A和B处观察到的电压VT1和VT2以及参考电极28中用于EWOD致动的有效参考电压VT的示例。对于图7所示的第一实施例，系统处于EWOD模式还是加热模式主要由开关48的状态来控制。然而，在本实施例中，双极双掷开关56的状态控制VT1和VT2中的哪一个被AC信号和DC信号驱动。因此，当开关48断开时选择EWOD模式，在这种情况下，VT1、VT2和VT都将被通过双极双掷开关56连接到VT1的任何一个电压源来驱动。如在图7中，在EWOD模式期间，VT2处的波形显示为虚线，以强调其由同一电压源VT2无源驱动这一事实。当开关48闭合时选择加热模式，并且对于图7，在沿着参考电极28的相应位置处在VT处观察到的电压的波形是在连接A和B处连接的电压VT1和VT2的组合，从而得到来自AC电压源84的信号的衰减版本。为了说明的目的，在图13中示出了在将双极双掷开关56处于位置2的情况下断开开关48的对VT的影响，将参考电极仅连接到直流电压源86，尽管这种布置不太可能用于AM-EWOD驱动。AC电压源84、DC电压源86、输出放大器46、开关48、电阻器50和双极双掷开关56的组合可以构成上文提到的控制电子器件。
[0084] 图14示出了根据示例性第六实施例的图5的参考电极28和形成用于针对EWOD致动和加热驱动参考电极28的电连接和电压的备选模式的电路图。该电路的许多元件与图6中描绘的第一实施例的元件相同，其中参考电极28经由第一输出放大器46A在连接A处连接到AC电源84。然而，在第六实施例的电路中，第一实施例的直流电压源86被替换为经由第二输出放大器46B从节点VT2到AC电压电源84的单独连接，其中，第二输出放大器46B与第一输出放大器46A相比具有不同的增益。例如，输出放大器46A和46B可以分别具有1和0.7的增益。这使得能够在参考电极28两端实现电位差以产生加热，同时保持用于EWOD致动的参考电压，参考电压不小于信号乘以第二输出放大器46B的增益。电阻器50不再需要，并且可以被省略。如果第二输出放大器46B的增益是可变的，则不仅可以通过开关48控制加热模式相对于EWOD模式的占空比，而且可以通过改变增益，从而改变在连接B处观察到的电压VT2和最终产生的加热来实现温度控制。可选地，如果第二输出放大器46B的增益是可变的，则也可以省略开关48，因为仅通过将增益和电压VT1、VT2匹配，而不是断开开关48来实现仅EWOD模式。
[0085] 图15是根据图14所示器件的第五实施例的、在连接A和B处观察到的电压VT1和VT2以及参考电极28中用于EWOD致动的有效参考电压VT在短时间段内的图示。如在图7中，示出了两种不同的操作模式，其中EWOD模式通过断开开关48来促进，加热模式通过闭合同一开关48来促进。类似于图7所示的EWOD模式，在第六实施例中，在EWOD模式期间，参考电极仅通过连接A连接到从输出放大器46A发出的AC电压信号。因此，VT和VT2被驱动到与VT1相同的电压，并且再一次以虚线示出了VT2处的波形以强调它不被第二连接驱动。当开关48闭合并且加热模式被激活时，连接B连接到第二输出放大器46B，并且被示为被有源驱动为VT2，但是是由输出放大器46B的较低增益所产生的幅度减小的电压信号来驱动的。在此期间，VT因此采用了在AC电压源84的两个版本之间的中间电压。
[0086] 该第六实施例的优点包括：
[0087] i)在对EWOD致动造成更少中断的情况下进行加热的潜力，因为具有在略微降低的EWOD电压下提供更持续的加热的选项，而不是显著降低电压的短时间段。
[0088] ii)避免在其他电路实施例中发现的电阻器50中的散热。
[0089] 在本发明的所描述的实施例中，EWOD器件被实现为AM-EWOD，尽管在最广泛意义上本发明并不限于有源矩阵型EWOD器件。
[0090] 该器件的优点在于：
[0091] (a)加热器紧邻电极阵列上的液滴，这允许对其温度的更高效且更精细的控制以及允许更快的变化。
[0092] (b)顶部基板在EWOD致动的同时执行加热功能的能力意味着可以操纵一个或多个液滴以执行如下功能，例如，将它们保持在原地，以及在不中断加热的情况下在阵列上主动混合它们或使它们移动，如包括多功能电极的一些系统所要求的。
[0093] (c)将单个导电层用于EWOD和加热目的二者保持EWOD器件的设计和制造的简单性。
[0094] 因此，本发明的一个方面是介质上电润湿(EWOD)器件。在示例性实施例中，EWOD器件包括参考电极，多个阵列元件，每个阵列元件包括阵列元件电极，以及控制电子器件，所述控制电子器件被配置为控制到阵列元件电极和参考电极的时变电压的供应，由此产生作为阵列元件电极和参考电极处的电压之间的电位差的致动电压。参考电极包括第一电连接和第二电连接，并且控制电子器件还被配置为在第一电连接和第二电连接之间提供电流流动，以产生用于控制EWOD器件的温度的电阻热。
[0095] 在EWOD器件的示例性实施例中，所述控制电子器件包括用于向所述第一电连接提供电压的第一电压源和用于向所述第二电连接提供电压的第二电压源。
[0096] 在EWOD器件的示例性实施例中，所述控制电子器件还包括位于所述第二电压源和所述第二电连接之间的开关。所述开关在断开位置和闭合位置之间可切换，所述断开位置对应于所述第一电连接和所述第二电连接之间没有电流流动的EWOD致动模式，并且所述闭合位置对应于电流在所述第一电连接和所述第二电连接之间流动以产生用于控制所述EWOD器件的温度的电阻热的加热模式。
[0097] 在EWOD器件的示例性实施例中，所述控制电子器件还包括位于所述第一电压源和所述第一电连接之间、用于维持到所述第一电连接的电压供应的第一放大器。
[0098] 在EWOD器件的示例性实施例中，所述第一电压源是交流(AC)电压源，所述第二电压源是直流(DC)电压源。
[0099] 在EWOD器件的示例性实施例中，所述控制电子器件还包括在所述第二电压源和所述第二电连接之间的电阻器，所述电阻器进行操作以减小所述参考电极的比例电阻和所述参考电极两端的电压降。
[0100] 在EWOD器件的示例性实施例中，所述控制电子器件还包括用于将源电压切换到所述第一电连接和所述第二电连接的双极开关。
[0101] 在EWOD器件的示例性实施例中，所述第一电压源是交流(AC)电压源，并且所述第二电压源通过将所述第一电压源输入到电连接至所述第二电连接的第二放大器来提供，所述第二放大器具有与所述第一放大器不同的增益。
[0102] 在EWOD器件的示例性实施例中，所述参考电极具有多个低电阻的第一区域，所述低电阻的第一区域相对于参考电极的其他第二区域具有更高的导电性。
[0103] 在EWOD器件的示例性实施例中，所述参考电极具有多个高电阻的第三区域，所述高电阻的第三区域相对于参考电极的所述第一和第二区域具有更低的导电性。
[0104] 在EWOD器件的示例性实施例中，所述第一区域和/或第三区域沿着参考电极的长度平行地延伸。
[0105] 在EWOD器件的示例性实施例中，所述参考电极包括与所述阵列元件电极共面形成的导电材料。
[0106] 在EWOD器件的示例性实施例中，EWOD器件还包括薄膜电子器件，所述薄膜电子器件包括控制电子器件的至少一部分、上面设置有薄膜电子器件的基板、以及存储被执行以控制所述控制电子器件的计算机程序的非暂时性计算机可读介质。
[0107] 在EWOD器件的示例性实施例中，所述EWOD器件是有源矩阵介质上电润湿(AM-EWOD)器件。
[0108] 本发明的另一方面是一种控制介质上电润湿(EWOD)器件的方法，所述EWOD器件包括参考电极和多个阵列元件，每个阵列元件包括阵列元件电极。所述控制方法包括以下步骤：通过向阵列元件电极和参考电极提供时变电压，在用于优化的EWOD致动的第一模式下操作，由此产生作为阵列元件电极和参考电极处的电压之间的电位差的致动电压；以及通过提供流过参考电极的电流，进一步在用于温度控制的第二模式下操作，以产生用于控制EWOD器件的温度的电阻热。
[0109] 在控制方法的示例性实施例中，所述控制方法还包括感测EWOD器件的温度，以及基于所感测的温度在第一模式或第二模式下的操作之间切换。
[0110] 在控制方法的示例性实施例中，所述控制方法还包括使用反馈机制来控制所述EWOD器件的温度。
[0111] 在控制方法的示例性实施例中，在第二模式下，致动电压衰减，所述方法还包括在第二模式下将致动电压维持在足以执行低电压液滴操作的电平处。
[0112] 在控制方法的示例性实施例中，所述低电压液滴操作包括维持液滴在所述EWOD器件中的位置。
[0113] 在控制方法的示例性实施例中，所述参考电极被至少分成第一区域和第二区域，所述控制方法还包括在所述第二模式下操作以获得所述第一区域和所述第二区域中的不同温度。
[0114] 虽然已经关于特定实施例示出并描述了本发明，但在阅读和理解本说明书和附图后本领域技术人员可以想到等同替换和修改。具体地，关于由以上描述的元件(组件、装配件、设备、组成等)执行的各种功能，除非另外指示，否则用于描述这些元件的术语(包括对“装置”的引用)意在与执行所描述的元件的指定功能的任何元件相对应(即，功能上等同)，即使结构上与执行本文中本发明的一个或多个示例性实施例的功能的所公开结构不等同。另外，虽然上文可能已经仅针对若干实施例中的一个或多个实施例描述了本发明的具体特征，但是这种特征可以与其他实施例中的一个或多个其他特征相组合，这对于任何给定或具体应用而言可以是期望的和有利的。
[0115] (其他描述1)
[0116] 如上所述，EWOD器件可以是有源矩阵介质上电润湿(AM-EWOD)器件。
[0117] 控制电子器件还可以包括可在断开位置和闭合位置之间切换的开关。断开位置对应于EWOD致动模式，其中在第一电连接和第二电连接之间没有电流流动以优化EWOD致动，并且关闭位置对应于加热模式，其中电流在第一电连接和第二电连接之间流动以产生用于控制EWOD器件的温度的电阻热。
[0118] 控制方法还可以包括感测EWOD器件的温度，以及基于所感测的温度在第一模式或第二模式下的操作之间切换。
[0119] (其他描述2)
[0120] 本申请要求在2015年4月15日提交的美国专利申请No.14/636,833的优先权，通过引用将其内容并入本文。
[0121] [工业实用性]
[0122] 所描述的实施例可用于提供利用EWOD原理并且具有控制芯片上的流体温度的装置的微流体器件。AM-EWOD器件可以形成芯片上实验室系统的一部分。这样的器件可以用于操纵、反应和感测化学、生化或生理材料。应用包括健康护理诊断测试、材料测试、化学或生化材料合成、蛋白质组学、生命科学和法医学研究工具。
[0123] 附图标记列表
[0124] A、B 到参考电极的连接
[0125] 4 液滴
[0126] 6 接触角θ
[0127] 16 第一疏水面
[0128] 20 绝缘体层
[0129] 26 第二疏水面
[0130] 28 参考电极
[0131] 31 平面内对电极
[0132] 32 隔离件
[0133] 34 非极性流体
[0134] 36 顶部基板
[0135] 38/38A和38B 阵列元件电极
[0136] 40 读取器
[0137] 41 AM-EWOD器件
[0138] 42 电极阵列
[0139] 43 控制电子器件
[0140] 45 非暂时性计算机可读介质
[0141] 44 盒
[0142] 46/46A和46B 有源输出放大器(第一放大器)
[0143] 48 单极单掷开关(或简单开关)
[0144] 50 电阻器
[0145] 52 低电阻区域
[0146] 54 高电阻区域
[0147] 56 双极双掷四路开关(或简单双极开关)
[0148] 72 下基板(基板)
[0149] 74 薄膜电子器件
[0150] 82 连接线
[0151] 84 AC电压源(第一电压源)
[0152] 86 DC电压源(第二电压源)
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