CN115461152A - 用于数字微流体的可变驱动和短路保护的分段顶板 - Google Patents

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Abstract

一种数字微流体装置，包括底板和顶板。底板包括底部电极阵列，该底部电极阵列包括多个数字微流体推进电极。顶板包括分段顶部电极阵列，该分段顶部电极阵列包括多个单独电压可寻址顶部电极段。每个顶部电极段和底部电极阵列的至少两个推进电极形成装置内的一个区部。控制器可操作地耦合到顶部电极阵列和底部电极阵列，并被配置为提供至少一个区部的顶板段和底板推进电极之间的推进电压。顶板和底板设置为在其间定义微流体区域的间隔关系。

Description

用于数字微流体的可变驱动和短路保护的分段顶板
相关申请
本申请要求于2020年4月27日提交的美国临时专利申请第63/015,738号的优先权，该申请通过引用并入本文。本文公开的所有专利和出版物均通过引用整体并入。
背景技术
数字微流体装置使用独立的电极在受限环境中推进、***和连结液滴，从而提供“芯片实验室”。数字微流体装置可替代地被称为电介质上电润湿，或“EWoD”，以使该方法进一步区别于依赖电泳流和/或微泵的竞争微流体***。Wheeler在“DigitalMicrofluidics”，Annu.Rev.Anal.Chem.2012，5:413-40中对2012年的电润湿技术进行了回顾，其通过引用整体并入本文。该技术允许用微量的样品和试剂二者进行样品制备、测定和合成化学研究。近年来，利用电润湿在微流体电池中控制液滴的操纵已经具有商业可行性，并且现在存在可从大型生命科学公司(诸如Oxford Nanopore)获得的产品。
大多数关于EWoD的文献报道都涉及到直接驱动装置(又称“分段”装置)，其中，由控制器直接驱动10到20个电极。虽然分段装置易于制造，但电极的数量受到空间和驱动约束条件限制。因此，在直接驱动装置中很难进行大规模的并行测定、反应等。相比之下，“有源矩阵”装置(又称有源矩阵EWoD，也称AM-EWoD)可以具有数千、数十万或甚至数百万个可寻址电极。电极通常由薄膜晶体管(TFT)开关，并且液滴运动可采用控制器编程，使得AM-EWoD阵列可以用作通用装置，从而为用于控制多个液滴和执行同时的分析过程提供极大的自由度。
由于需要更高的性能，即更高的电压驱动和更快的开关，大多数先进的AM-EWoD装置由多晶体硅(又称多晶硅，也称聚硅)构成。然而，多晶硅制造远比非晶硅制造(即用于LCD显示工业的大规模生产的有源矩阵TFT的类型)昂贵。例如，夏普生命科学公司(Sharp LifeSciences)依靠多晶硅的改进功能来实现AM-EWoD装置，该装置在单个有源矩阵上包括推进、传感和加热功能。参见例如美国专利8,419,273、8,547,111、8,654,571、8,828,336、9,458,543号，所有这些专利都通过引用整体并入本文。
虽然多晶硅制造技术可以实现复杂的AM-EWoD装置，但多晶硅装置的生产成本，加上全球合适的制造设施的短缺，阻碍了AM-EWoD技术的广泛应用。需要可以利用现有的非晶硅制造能力的不同设计。此类装置可以以更低的成本大量生产，使得它们成为常见的诊断测试诸如免疫测定的理想选择。
发明内容
本申请通过提供一种替代的分段顶板电极架构解决了现有技术的缺点。在一个方面，提供了一种数字微流体装置，其包括底板和顶板。底板包括底部电极阵列，该底部电极阵列包括多个数字微流体推进电极。第一电介质层覆盖底部电极阵列。顶板包括分段顶部电极阵列，该分段顶部电极阵列包括多个单独电压可寻址顶部电极段，其中，每个顶部电极段和至少两个底板推进电极形成装置内的一个区部。第二电介质层覆盖顶部电极阵列。该装置还包括可操作地耦合到顶部电极阵列和底部电极阵列的控制器，其中，控制器被配置为提供至少一个区部的顶板段和底板推进电极之间的推进电压。顶板和底板设置为在其间定义微流体区域的间隔关系，以允许在底部电极阵列和分段顶部电极阵列之间施加推进电压的情况下液滴在微流体区域内运动。
在第二方面，提供了一种驱动数字微流体***的方法。该***包括：(a)底板阵列，其包括：晶体管矩阵，其中，矩阵的每个晶体管可操作地连接到栅极线、数据线和推进电极；多个栅极线，其中，每个栅极线可操作地连接到栅极驱动器；多个数据线，其中，每个数据线可操作地连接到数据驱动器；(b)分段顶部电极阵列，其包括多个单独电压可寻址顶部电极段，其中，每个顶部电极段和至少两个底板推进电极形成装置内的一个区部；(c)多个顶部电极段驱动器，其中，每个驱动器被配置为对顶部电极段进行单独寻址；(d)控制器，其可操作地连接到处理单元、栅极驱动器、数据驱动器和顶部段驱动器；(e)处理单元，其可操作地被编程为执行微流体驱动方法。该方法包括：在处理单元中接收输入指令，该输入指令与数字微流体***要执行的液滴操作有关；从处理单元向控制器输出顶部电极段指令；从控制器向第一顶部电极段的驱动器输出顶部电极段信号，以将第一电极段驱动到第一电压，该第一电压不同于第二顶部电极段的第二电压；从处理单元向控制器输出栅极线和数据线选择指令；从控制器向栅极线驱动器输出栅极线信号以驱动栅极线，以及从控制器向数据线驱动器输出数据线信号以驱动数据线。
附图说明
图1示出传统的微流体装置，该装置包括常见的顶部电极。
图2是用于EWoD装置的多个推进电极的TFT架构的示意图。
图3是包括推进电极、薄膜晶体管、存储电容器、电介质层和疏水层的AM-EWoD阵列的一部分的示意图。
图4是分段顶部电极阵列的示意图。
图5是多层分段顶部电极阵列的示意图。
图6是安装有在边缘上扇出的连接器的顶板电极阵列的示意图。
图7示出包括两个段的顶部电极阵列，每个段定义微流体装置内的一个区部。
图8示出在图7的电极之间驱动的示例性脉冲序列。
图9示出包括储存器区部和标准致动区部的配置。
图10示出用于关闭图7的装置中的损坏区部的方法。
图11是用于在本申请的微流体装置上执行液滴操作的方法的流程图。
具体实施方式
定义
除非另有说明，否则下列术语具有指示的含义。
涉及一个或多个电极的“致动”是指使一个或多个电极的电气状态发生变化，在液滴存在的情况下，这导致对液滴的操纵。
“液滴”是指电润湿疏水表面并至少部分被载液包围的一定体积的液体。例如，液滴可能完全被载液包围，或可能被载液和EWoD装置的一个或多个表面包围。液滴可以采取各种各样的形状；非限制示例通常包括圆盘形、段塞(slug)形、截球形、椭球形、球形、部分压缩球形、半球形、卵形、圆柱形，以及在液滴操作(诸如合并或***或形成)期间形成的各种形状或者由于此类形状与EWoD装置的一个或多个工作表面接触而形成的各种形状。液滴可包括诸如水的典型极性流体，如水性或非水性组合物的情况，或可以是包括水性和非水性组分的混合物或乳状液。液滴的具体成分没有特别的相关性，只要它能电润湿疏水工作表面。在各种实施例中，液滴可包括生物样本，诸如全血、淋巴液、血清、血浆、汗液、泪液、唾液、痰液、脑脊液、羊水、***、***排液、浆液、滑膜液、心包液、腹膜液、胸液、渗出液、分泌物、囊液、胆汁、尿液、胃液、肠液、粪便样本、含有单个或多个细胞的液体、含有细胞器的液体、流化组织、流化生物体、含有多细胞生物体的液体，生物拭子和生物洗液。此外，液滴可包括一种或多种试剂，诸如水、去离子水、盐溶液、酸性溶液、碱性溶液、洗涤剂溶液和/或缓冲液。液滴内容物的其它示例包括试剂，诸如用于生化方案、核酸扩增方案、基于亲和力的测定方案、酶法测定方案、基因测序方案、蛋白质测序方案和/或用于生物流体分析的方案的试剂。试剂的进一步示例包括用于生化合成方法的试剂，诸如用于合成在分子生物学和医学中具有应用的寡核苷酸和/或更多的核酸分子的试剂。该寡核苷酸可包含天然或化学修饰的碱基，并且最常用作反义寡核苷酸、小干扰治疗性RNA(siRNA)及其生物活性缀合物、用于DNA测序和扩增的引物、用于经由分子杂交检测互补DNA或RNA的探针、用于在基因编辑技术(诸如CRISPR-Cas9)的背景下靶向引入突变和限制性位点的工具，以及用于通过“合成和拼接”DNA片段来合成人工基因的工具。
“液滴操作”指对微流体装置上一个或多个液滴的任何操纵。例如，液滴操作可包括：将液滴加载到微流体装置中；从源液滴中分配一个或多个液滴；将一个液滴***、分离或分成两个或更多个液滴；沿任何方向将液滴从一个位置输送到另一个位置；将两个或更多个液滴合并或组合成单个液滴；稀释液滴；混合液滴；搅拌液滴；使液滴变形；将液滴保持在适当位置；培养液滴；加热液滴；蒸发液滴；冷却液滴；处理液滴；从微流体装置输送出液滴；本文描述的其它液滴操作；和/或上述的任何组合。术语“合并了”、“合并”、“组合了”、“组合”等用于描述由两个或更多个液滴产生一个液滴。应当理解，当此类术语参考两个或更多个液滴使用时，可以使用足以使两个或更多个液滴合并成一个液滴的液滴操作的任何组合。例如，“将液滴A与液滴B合并”可以通过输送液滴A以与静止的液滴B接触，输送液滴B以与静止的液滴A接触，或输送液滴A与液滴B以彼此接触来实现。术语“***”、“分离”和“分开”并不旨在暗示关于所得液滴的体积(即所得液滴的体积可以相同或不同)或关于所得液滴的数量(所得液滴的数量可以是2、3、4、5或更多)的任何特定结果。术语“混合”是指使得液滴内的一种或多种组分更均匀分布的液滴操作。“加载”液滴操作的示例包括微透析加载、压力辅助加载、机器人加载、被动加载和移液管加载。液滴操作可以是电极介导的。在一些情况下，通过在表面上使用亲水和/或疏水区域和/或通过物理障碍进一步促进液滴操作。
“栅极驱动器”是一种功率放大器，其接收来自控制器(例如微控制器集成电路(IC))的低功率输入，并为大功率晶体管(诸如TFT)的栅极产生大电流驱动输入。“源驱动器”是一种功率放大器，其为大功率晶体管的源极产生大电流驱动输入。“顶部段驱动器”是一种功率放大器，其为EWoD装置的顶平面电极段产生驱动输入。
“核酸分子”是单链或双链、有义或反义的DNA或RNA的总称。此类分子由核苷酸组成，核苷酸是由三个部分(moiety)组成的单体：五碳糖、磷酸基团和含氮碱基。如果糖是核糖基，则聚合物是RNA(核糖核酸)；如果糖是从核糖中提取的脱氧核糖，则聚合物是DNA(脱氧核糖核酸)。核酸分子的长度各不相同，从通常用于基因测试、研究和取证的约10至25个核苷酸的寡核苷酸到具有大约1000、10000个核苷酸或更多的序列的相对较长或极长的原核和真核基因。它们的核苷酸残基可以都是天然存在的，或者至少部分是化学修饰的，例如以减缓体内降解。可以例如通过引入核苷有机硫代磷酸盐(PS)核苷酸残基对分子骨架进行修饰。另一种可用于核酸分子的医学应用的修饰是2'糖修饰。修饰2’位糖被认为可以通过增强治疗性寡核苷酸的靶标结合能力来提高治疗性寡核苷酸的有效性，特别是在反义寡核苷酸治疗中。最常用的两种修饰是2’-O-甲基和2’-氟。
当任何形式的液体(例如液滴或连续体，无论是移动的还是静止的)被描述为“在电极、阵列、基质或表面上”、“在电极、阵列、基质或表面处”或“在电极、阵列、基质或表面上方”时，此类液体既可以直接接触电极/阵列/基质/表面，也可以接触置于液体和电极/阵列/基质/表面之间的一个或多个层或薄膜。
当液滴被描述为“在”或“加载在”微流体装置时，应该理解，液滴以便于使用装置对液滴进行一个或多个液滴操作的方式布置在装置上，液滴以便于对液滴的特性或来自液滴的信号进行感测的方式布置在装置上，和/或液滴已在液滴致动器上经受了液滴操作。
“每个”在涉及多个项使用时旨在标识集合中的单个项，但不一定指集合中的每一项。如果明确公开或上下文明确规定了其它情况，则可能会出现例外情况。
详细描述
如上所述，本申请提供了一种数字微流体装置，包括定义微流体区域的分段顶板和底板。传统装置的特征是具有单个连续电极的顶板，只允许为顶板设定一个电位。因此，需要与相邻电极不同电压的推进电极只能依靠其相应的底板电极电位来实现这一目的。此外，在液滴操作过程中遇到的缺陷可能会诱导电流流动，其迫使顶板电位发生变化，从而影响阵列中的所有像素。在此类情况下，微流体装置和/或微流体操作可能仅因推进电极底部阵列中的几个缺陷而受损。
如本文所述，底板安装有元件阵列，其中每个元件包括数字微流体致动电极，以推动各种液滴通过微流体区域。本发明的这方面的分段顶板包括划分成两个或更多个单独电压可寻址段的顶部电极阵列。耦合到顶部电极段的电路允许顶部电极阵列的每个段独立于其它段被驱动。底板阵列的至少两个元件的子集和每个段形成包括段、子集中的元件的推进电极以及其间的空间的区部。通常，每个段与推进电极(又称像素)中的在底板上该段对面的推进电极一起形成相应的区部，因此包括与该段的形状对称且与该段正对的底部电极表面的区域。该新颖的架构允许在装置的不同区部中独立地设定多个顶平面电位。可以在相邻像素上实现多个同时的电压范围，该功能有利于驱动不同类型的液滴或不同类型的功能区部，例如储存器与主阵列像素。此外，在装置操作期间形成的缺陷可以通过关闭特定区部来隔离，从而抑制损坏并允许装置的其余部分继续操作。在使用顶平面开关的情况下，装置的非有源部件可以完全关闭，以最小化磨损和保持装置性能。
装置中顶部电极段的数量可以变化以提供当前应用所需的区部数量，并且每个区部的特征可以定制以适应特定的液滴配方和工作电压。装置可以具有两个到十个或更多个分段顶部电极区部中的任何特征，例如以适应几种反应物作为分离的液滴从板周边的多个储存器中被引入的情况。同样，给定区部中的底板推进电极的数量和密度可落在几个不同的范围内，这取决于诸如区部的面积和电极密度的因素，在底板的不同位置，这些因素可能是恒定的或不同的。例如，具有1平方英寸的面积和100PPI的底板电极密度分辨率的区部将包含10000个推进电极。在更高的分辨率(例如200PPI或更大)下同样的面积将产生具有40,000个或更多个推进电极的区部。
“顶部”和“底部”的使用只是一种惯例，两个板的位置可以切换，并且装置可以以各种方式定向，例如，顶板和底板可以大致平行，而整个装置定向为使得板垂直于工作表面(而不是如图所示与工作表面平行)。顶板或底板可包括附加功能，诸如通过与微流体平台和/或温度传感集成的商用微加热器和热电偶来加热。
在代表性实施例中，该装置的底板包括具有多个阵列元件的有源矩阵电介质上电润湿(AM-EWoD)装置，每个阵列元件包括推进电极，但也可考虑用于驱动底板电极的其它配置。AM-EWoD矩阵可以采用晶体管有源矩阵背板的形式，例如薄膜晶体管(TFT)背板，其中每个推进电极可操作地附接到晶体管和电容器，从而在对其它阵列元件的电极进行寻址时主动维持电极状态。顶部电极电路独立地驱动顶板的每个段。
推进电压由阵列电极和微流体区域上与该阵列电极正对的顶部电极段之间的电压差来定义。通过调节驱动阵列电极和顶部电极段的信号的频率和幅度，可以控制阵列的每个像素的推进电压，以根据要执行的不同液滴操作在不同的操作模式下操作AM-EWoD装置。在一个实施例中，TFT阵列可以用非晶硅(a-Si)实现，从而将生产成本降低到装置可以一次性使用的程度。
传统EWoD装置的基本操作如图1的截面图像所示。该EWoD 100包括充满油102和至少一个水滴104的微流体区域。微流体区域间隙取决于要处理的液滴的尺寸，并且通常在50至200μm的范围内，但间隙可以更大。在基本配置中，如图1中所示，多个推进电极105设置在一个基板上，而单个顶部电极106设置在相对表面上。该装置还包括顶部表面和底部表面(即它们与油层接触的地方)上的疏水涂层107，以及推进电极105和疏水涂层107之间的电介质层108。(上基板也可以包括电介质层，但在图1中没有示出)。疏水层防止水滴润湿表面。当相邻电极之间未施加电压差时，液滴将保持球形以最小化与疏水表面(油和疏水层)的接触。由于液滴不会润湿表面，因此它们不太可能会污染表面或与其它液滴相互作用，除非需要这种行为。
虽然可能具有用于介电和疏水功能二者的单个层，但此类层通常需要较厚的无机层(以防止针孔)，其具有较低的介电常数，从而液滴运动需要超过100V。为了实现低电压推进，通常最好具有高电容且无针孔的薄的无机层，顶部具有薄的有机疏水层。采用该组合，可以在+/-10到+/-50V的电压范围内进行电润湿操作，该电压范围在基于非晶硅的常规TFT阵列可以提供的范围内。
疏水层可以由形成涂层的疏水材料经由适当的技术沉积在表面上制成。取决于要应用的疏水材料，示例性沉积技术包括旋涂、分子气相沉积和化学气相沉积。疏水层可以是或多或少可润湿的，通常由它们相应的接触角来定义。除非另有说明，在本文中根据上下文以度(°)或弧度(rad)为单位测量角度。为了测量表面的疏水性，术语“接触角”被理解为与去离子水(DI)有关的表面的接触角。如果水具有0°<θ<90°之间的接触角，则该表面被归为亲水的，而产生90°<θ<180°之间的接触角的表面被认为是疏水的。通常，适中接触角被认为落在约90°到约120°的范围内，而高接触角通常被认为落在约120°到约150°的范围内。在接触角为150°<θ的情况下，该表面通常被称为超级疏水的或超疏水的。表面润湿性可以通过本领域中公知的分析方法来测量，例如通过将液滴分配在表面上，并使用接触角测角仪进行接触角测量。各向异性疏水性可通过沿图案的横轴倾斜具有梯度表面润湿性的基板并检查可移动液滴的最小倾角来检验。
适中接触角的疏水层通常包括一种含氟聚合物或多种含氟聚合物的共混物，诸如PTFE(聚四氟乙烯)、FEP(氟化乙烯丙烯)、PVF(聚氟乙烯)、PVDF(聚偏氟乙烯)、PCTFE(聚氯三氟乙烯)、PFA(全氟烷氧基聚合物)、FEP(氟化乙烯丙烯)、ETFE(聚乙烯四氟乙烯)和ECTFE(聚乙烯三氟氯乙烯)。市售的含氟聚合物包括
Figure BDA0003911579340000091
(AGC Chemicals，宾夕法尼亚州埃克斯顿)和
Figure BDA0003911579340000092
AF(Chemours，德克萨斯州威尔明顿市)。含氟聚合物薄膜的一个优点是，它们可以具有高度惰性，并且即使在暴露于氧化处理(诸如电晕处理和等离子氧化)后也能保持疏水性。
当在相邻电极之间施加电压差时，一个电极上的电压吸引电介质与液滴界面处液滴中的相反电荷，并且液滴向该电极移动，同样如图1中所示。可接受的液滴推进所需的电压取决于电介质层和疏水层的特性。AC驱动用于减少由于各种电化学过程引起的液滴、电介质和电极的降解。EWoD的工作频率可以在100Hz到1MHz的范围内，但对于操作速度有限的TFT，优选使用1kHz或更低的频率。
返回到图1，顶部电极106是单个导电层，通常设定为零伏或公共电压值(VCOM)，以考虑因TFT的电容反冲引起的推进电极105上的偏移电压，该TFT用于开关电极上的电压(见图3)。顶部电极也可以被施加方波来增加液体两端的电压。此类布置允许较低的推进电压用于TFT连接的推进电极105，因为顶板电压106与由TFT提供的电压相叠加。在许多情况下，顶部电极由透光材料构成，诸如溅射在聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)薄膜上的氧化铟锡(ITO)，然而，对于大多数电介质上电润湿应用，顶部电极不必透光。可以使用其它简单的导电薄膜(诸如金属薄膜)，只要它们能充分地免受液滴层(例如油和水滴)的材料影响。
如图2中所示，推进电极的有源矩阵可以像液晶显示器中的有源矩阵一样，由数据线和栅极(选择)线来驱动。栅极(选择)线被扫描以用于逐线寻址，而数据线携带要传输到推进电极的电压以用于电润湿操作。如果不需要移动，或者如果液滴意在离开推进电极，则将向该(非目标)推进电极施加0V。如果液滴意在向推进电极移动，则将向该(目标)推进电极施加AC电压。
图3中示出了非晶硅TFT开关的推进电极的架构。电介质308必须足够薄，并具有与低压AC驱动兼容的介电常数，诸如可从用于LCD显示器的常规图像控制器获得。例如，电介质层可包括上面涂覆有200-400nm等离子沉积氮化硅的大约20-40nm的SiO2层。可替代地，电介质可以包括厚度在2和100nm之间、优选在20和60nm之间的原子层沉积的Al2O3。TFT可以通过采用本领域技术人员熟知的方法形成不同掺杂的a-Si结构的交替层以及各种电极线来构造。疏水层307可以由诸如
Figure BDA0003911579340000101
AF(Sigma-Aldrich，威斯康星州密尔沃基市)和Cytonix(马里兰州贝尔茨维尔市)的FlurorPelTM涂层的材料构造，该材料可以旋涂在电介质层308上方。
正如上文所预期的，本发明的该方面的新颖装置具有划分成多个元件的顶部电极阵列，其中每个元件包括电压可寻址段。图4是可由划分成多个条402的透明导电材料制造的分段顶部电极阵列400的示意图。(此外，导电材料对于电润湿应用不需要是透明的。然而，它确实使评估装置上发生的各种过程的进展变得更容易)。每个条都是单独电压可寻址的，并通过在接触点404处接触条的电路连接到底平面。在相邻的电极段之间***小的间隙间距，以使电极段彼此绝缘。为了避免推进电极可能缺少位于正上方的对应顶平面电极段的不连续性，间隙间距优选小于底板阵列上的电极尺寸。可选地，间隙间距可以衬有电绝缘体物质，条的侧壁可以用绝缘体涂层覆盖，或二者兼有。
顶部电极阵列设计可依赖于本领域公知的标准透明导电材料，诸如掺杂铟的氧化锡(ITO)、掺杂氟的氧化锌或二氧化钛，以实现分段顶部电极层。可以将设计扩展到两层或更多层，例如将分段电极层与迹线层相结合。在图5中示意性示出的代表性实施例中，L1描绘了铺设在第一绝缘基板上的迹线，其后是中间绝缘层L2，以及与分段顶部电极层L3的通孔连接。L3的材料可以从上面列出的标准透明导电材料中选择，并且通常与顶板和底板之间的微流体区域中的液滴接触。通常，L3的底表面涂覆有疏水层，以防止电极与微流体区域中的液体或气体之间的直接接触。
层L2可以是由真空沉积技术生产的一种绝缘体材料，其中存在几种类型，包括物理气相沉积(PVD)和化学气相沉积(CVD)的以下变体之一：低压化学气相沉积(LPCVD)、等离子体增强化学气相沉积(PECVD)和等离子体辅助CVD(PACVD)。在若干情况下，PVD和CVD的组合用于相同或连接的处理室。在一个典型实施例中，绝缘体材料是聚对二甲苯，它是用作防潮和介电屏障的各种化学气相沉积的聚(对二甲苯)聚合物的名称。其中，聚对二甲苯C(每个重复聚合单元的苯基部分具有一个氯原子取代基)因其屏障特性、成本和其它加工优势而最受欢迎。聚对二甲苯N和C具有低结晶度，并且因此通常适合作为光学材料。还可以使用其它光学透明或至少部分透明的聚合物和陶瓷绝缘体。
例如如授予Hadwen等人的美国专利8,828,336号公开的，在传感器内置于底板阵列中的数字微流体装置中，在放宽对光学检测的要求的情况下，L1可以使用更常规的材料，例如，玻璃增强环氧层压材料(诸如FR-4)、其它环氧基材料和半导体。对于L2，可以使用非透明聚合物和陶瓷，而L3可以是由抗氧化金属和合金(例如金、铂或镍铬(NiCr)，或高掺杂半导体材料)组成的电极格栅。
用于连接和/或控制顶板段电压的电路可以被容纳在顶板本身中，在底板中，例如在电极阵列的边缘上，或在装置中的其它地方，这取决于当前应用的需求和约束条件。在一个实施例中，到顶部电极阵列的连接被容纳在具有单独连接器的顶板中。在另一个实施例中，该装置安装有与底部电极阵列的连接接口，例如从边缘上扇出的连接器，如图6中所示。在该情况下，填充通孔在顶部电极段中形成并扇出到可以进行连接的位置。对于更复杂的设计，顶板电极可包括两层或更多层，因此允许各种几何形状，诸如由可以独立寻址的顶部电极段阵列形成的正方形、六角形或三角形。
在图7中所示的基本设计中，顶部电极阵列由分别标记为S1和S2的两个段组成。段S1覆盖区部Z1的底层像素，并且以电压VS1驱动，而段S2位于区部Z2的底层像素之上，并且以电压VS2驱动。区部Z1中的一个或多个底板电极以电压V1驱动，而区部Z2中的一个或多个底板电极以电压V2驱动。可以相对于底板阵列的公共接地来测量电压。如图8的脉冲序列中所示，在20Hz的频率下，Z1的电极可以以在下阈值电压-V3到上限+V3之间的AC电位V1＝VS1-VZ1驱动，而区部Z2的电极可以以在下阈值电压-V4到上阈值电压+V4之间的AC电位V2＝VS2-VZ2驱动。在操作中，区部Z1和Z2可在极性、幅度或频率方面具有不同的驱动要求，例如以在底板的不同部分中实现不同的电润湿力。因此，VS1、VS2、VZ1和VZ2中的每一个都可以独立调节以适应此类要求，并且每一个都可以是DC电位或时变AC电位。也可以将S1和Z1接地到0V，因此不需要这些电极的驱动，而在具有单个顶部电极的传统装置中，如果Z2的像素是有源的，则需要对Z1的像素施加电压以匹配顶板的电压，从而为Z1的电极保持等于0V的总电压差。在一些实施例中，控制器被配置为通过将顶部电极和底部电极设定为0V来“关闭”区部，以防止对该区域的进一步损坏或确保在装置的其它区域上进行处理的液滴不会进入该区域。例如，如果该区部中有多个失效的推进电极超出预定量，例如大于1％，例如大于2％，例如大于5％，例如大于10％，则控制器将关闭该区部。
本领域中已知，受反复低电压致动的相对较薄电介质在较高电压下往往比相对较厚电介质更容易发生故障。(Sensors&Actuators B:2012October；173:338-345)。本申请通过图9中示意性示出的配置来解决该问题，其中Z1是“储存器区部”，包括储存器R1和R2，而Z2包括标准致动电极。该配置可包括用于Z2电极的TFT背板，以及用于Z1电极或定制的直接驱动电极的相同TFT背板。顶板被分段以使得独立地，第一电压V1可以施加在区部Z1的对面，而第二电压V2可以施加在区部Z2。
在该方面的一个示例性实施例中，与Z2相比，使得Z1在更高的电压下操作。为此，具有不同厚度的电介质可沉积在装置表面的不同区部上，从而用能够承受较高电压的较厚电介质层覆盖Z1。通过采用较厚电介质与较高电压的组合，该设计能够显著减小经过多个分配周期的分配区部上的应变，从而降低其故障的可能性。该方法可以进一步扩展，以允许任何数量的区部，每个区部具有其特定的电压和电介质厚度，这取决于给定区部是否需要更多或更少的致动周期。此外，TFT阵列通常最适合在低电压范围下操作，因此本实施例的设计允许将高电压操作限制到特定区部，从而最小化对阵列其余部分的磨损。
在操作时，底板的电介质堆叠可能会经历灾难性故障，在缺陷造成顶板和底板之间的电连接的情况下，其可能会影响顶部电极的电压。在具有分段顶板的装置中，如果受影响区部不再处于操作状态，则该区部可以被关闭，并且不会影响其它无缺陷区部的功能。该方法如图10中示意性所示，其中顶板段S1被关闭，使Z2不受损坏影响。在一个实施例中，如果底部电极阵列的面积被标记为“A”，且缺陷密度被标记为“x”，则保证至少一个可操作区部所需的区部数量等于Ax+1。因此，假设缺陷迫使整个区部无法操作，则底板电极阵列可以被细分为面积A/(Ax+1)的区部。在代表性实施例中，用于关闭区部的缺陷密度阈值可设定为例如每平方厘米约25个缺陷，这转换为每10×10像素液滴约1个缺陷。
也可以建立度量“F”，其表示阵列面积A的可操作面积分数。在该情况下，所需的段数将为：x/(1-F)*a，其中x为如上所述的缺陷密度。例如，如果缺陷密度等于每平方厘米2个缺陷，则在最坏的情况下，20平方厘米的电极阵列上50％保证操作所需的段数等于80。然而，取决于缺陷的统计聚类，该数量可能更低。
可以基于在EWoD装置上要执行的液滴操作的要求，计算并实现用于特定顶板和底板电极的电极驱动序列。图11的流程图示出该过程的示例性实施例。在步骤110中，用户以指令的形式输入期望的液滴操作，这些指令被存储在由装置的处理单元访问的计算机可读介质中。该处理单元可被编程为执行具有多个顶部电极电位的驱动序列。这些指令使处理单元计算施加到参与液滴操作的顶板段和底板推进电极的每个脉冲的极性、频率和幅度(112)。然后，处理单元向控制器输出指令(114)，并且控制器向顶板电极段和底板推进电极的驱动器输出信号(116)。在底板包括TFT电极阵列的情况下，控制器将栅极线信号输出到栅极线驱动器，并将数据线信号输出到数据线驱动器，从而驱动预期的推进电极。然后，驱动所选的顶部电极段和底板推进电极以执行液滴操作(118)。
在示例性驱动序列中，第一顶部电极段被驱动到第一电压，而第二顶部电极段被驱动到在极性、频率和幅度中的至少一个上不同于第一电压的第二电压。然而，顶板可包括多于两个段，并且每个段可以设定在适应当前应用的不同的电位。控制器功能可由用于对顶部电极段进行寻址的第一子控制器和用于驱动底板推进电极的第二子控制器提供。
从前面可以看出，本发明允许在装置上独立地施加不同的电压，这进而使得在顶平面操作期间能够完全关闭像素区部，从而减少驱动电路上的应变。本发明还通过关闭有缺陷的区部来防止可能非常昂贵的微流体盒完全失效。独立电压区部的存在增加了数字微流体装置的功能多样性，并且保持在“关闭”状态的区部(可能包括装置的大部分)的驱动要求减少可降低故障率。作为额外的益处，本发明通过能够关闭有缺陷的区部而不影响阵列的其余部分，使得调节电介质堆叠密度成为可能。
对本领域技术人员将显而易见的是，可以在不脱离本发明的范围的情况下对本发明的上述具体实施例进行大量的更改和改进。因此，上面的全部描述都应以说明性而不是限制性的意义来解释。

Claims (20)

1.一种数字微流体装置，包括：
(a)底板，其包括：
底部电极阵列，其包括多个数字微流体推进电极；以及
第一电介质层，其覆盖所述底部电极阵列；
(b)顶板，其包括：
分段顶部电极阵列，其包括多个单独电压可寻址顶部电极段，
其中，每个顶部电极段和至少两个底板推进电极形成所述装置内的一个区部；
第二电介质层，其覆盖所述顶部电极阵列，以及
(c)控制器，其可操作地耦合到所述顶部电极阵列和所述底部电极阵列，其中，所述控制器被配置为提供至少一个区部中的所述单独电压可寻址顶部电极段和所述多个数字微流体推进电极之间的推进电压；
其中，所述顶板和所述底板设置为在其间定义微流体区域的间隔关系，以允许在所述单独电压可寻址顶部电极段和所述多个数字微流体推进电极之间施加推进电压的情况下液滴在所述微流体区域内运动。
2.根据权利要求1所述的数字微流体装置，其中，所述分段顶部电极阵列包括至少三个到至多十个单独电压可寻址顶部电极段。
3.根据权利要求1所述的数字微流体装置，其中，所述装置被配置为在区部变得不可操作的情况下关闭所述区部。
4.根据权利要求3所述的数字微流体装置，其中，所述装置进一步被配置为在至少一个区部在所述底部电极阵列中达到超过预定阈值的缺陷密度时关闭所述至少一个区部。
5.根据权利要求1所述的数字微流体装置，其中，用于将所述顶部电极阵列连接到所述底部电极阵列的电路包括连接接口。
6.根据权利要求1所述的数字微流体装置，其中，所述顶板进一步包括与所述分段顶部电极阵列相邻的迹线层，以及在所述迹线层与所述分段顶部电极阵列之间的绝缘层，其中，所述迹线层上的迹线通过所述绝缘层中的通孔连接到所述分段顶部电极阵列的段。
7.根据权利要求1所述的数字微流体装置，其中，所述底板进一步包括晶体管有源矩阵背板，所述背板的每个晶体管可操作地连接到栅极驱动器、数据线驱动器和一个数字微流体推进电极。
8.根据权利要求7所述的数字微流体装置，其中，所述有源矩阵背板的所述晶体管为薄膜晶体管(TFT)。
9.根据权利要求1所述的数字微流体装置，其中，所述底板进一步包括储存器区域，并且所述分段顶部电极阵列包括储存器段，其中，所述储存器段和储存器区域设置为定义储存器区部的间隔关系。
10.根据权利要求9所述的数字微流体装置，其中，所述第一电介质层包括第一部分和第二部分，所述第一部分具有第一厚度并覆盖所述多个数字微流体推进电极的一部分，所述第二部分具有第二厚度并覆盖所述储存器区域，其中，所述第二厚度大于所述第一厚度。
11.根据权利要求1所述的数字微流体装置，其中，所述控制器包括可操作地连接到所述分段顶部电极阵列的第一子控制器，以及可操作地连接到所述底部电极阵列的第二子控制器。
12.根据权利要求1所述的数字微流体装置，其中，每个区部包括至少10个数字微流体推进电极。
13.一种驱动数字微流体***的方法，所述***包括：
(a)底板阵列，其包括：
晶体管矩阵，其中，所述矩阵的每个晶体管可操作地连接到栅极线、数据线和单独的推进电极；
多个栅极线，其中，每个栅极线可操作地连接到栅极驱动器；以及
多个数据线，其中，每个数据线可操作地连接到数据驱动器；
(b)分段顶部电极阵列，其包括多个单独电压可寻址顶部电极段，
其中，每个单独电压可寻址顶部电极和至少两个推进电极形成所述装置内的一个区部；
(c)多个顶部电极段驱动器，其中，每个驱动器被配置为对顶部电极段进行单独寻址；
(d)控制器，其可操作地连接到所述栅极驱动器、所述数据驱动器和所述顶部段驱动器；
(e)处理单元，其可操作地连接到所述控制器并被编程为执行微流体驱动方法，所述方法包括：
在所述处理单元中接收输入指令，所述输入指令与所述数字微流体***要执行的液滴操作有关；
从所述处理单元向所述控制器输出顶部电极段指令；
从所述控制器向第一顶部电极段的驱动器输出顶部电极段信号，以将所述第一电极段驱动到第一电压，所述第一电压不同于第二顶部电极段的第二电压；
从所述处理单元向所述控制器输出栅极线和数据线选择指令；
从所述控制器向所述栅极驱动器输出栅极线信号以驱动所述栅极线，以及
从所述控制器向所述数据驱动器输出数据线信号以驱动所述数据线。
14.根据权利要求13所述的驱动微流体***的方法，其中，所述顶部电极阵列包括至少三个到至多十个单独电压可寻址顶部电极段。
15.根据权利要求13所述的驱动微流体***的方法，其中，第一顶部电极段的第一电压在极性、频率或幅度上不同于第二顶部电极段的第二电压。
16.根据权利要求13所述的驱动微流体***的方法，其中，所述第二顶部电极段接地到0V电压。
17.根据权利要求13所述的驱动微流体***的方法，进一步包括在第二区部变得无法操作的情况下关闭第二顶部电极段。
18.根据权利要求17所述的驱动微流体***的方法，其中，所述处理单元进一步被编程为在所述第二区部中的所述底板阵列的一部分达到超过预定阈值的缺陷密度的情况下关闭所述第二顶部电极段。
19.根据权利要求13所述的驱动微流体***的方法，其中，所述矩阵的所述晶体管为薄膜晶体管。
20.根据权利要求13所述的驱动微流体***的方法，其中，所述液滴操作包括移动包括核酸分子的液滴。
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