CN101267887A - 基于有源矩阵原理的微流体设备 - Google Patents

Abstract

提出了一种用于处理流体和/或用于感测流体性质的微流体设备(1)，其包括多个部件(2)的二维阵列。每个部件(2)耦合到至少一个控制端子(9、10)上，所述至少一个控制端子(9、10)使有源矩阵能够单独改变每个部件的状态。有源矩阵包括以薄膜技术实现的电子部件(12)的二维阵列。该有源矩阵提供了高通用性的设备。薄膜技术还确保了制造大设备的高成本效益。

Description

基于有源矩阵原理的微流体设备

本发明涉及用于处理流体和/或用于感测流体性质的包括多个部件的二维阵列的微流体设备。

微流体设备在大多数生物芯片技术中处于核心地位，它们既用于流体样品的制备也用于它们的后续分析。这些样品可以例如是以血液为基础的样品。如本领域技术人员所意识到的，样品溶液可以包括任何数量的物质，包括但不限于几乎任何生物体(哺乳动物样品是优选的，人类样品是特别优选的)的体液，如血液、尿液、血清、淋巴、唾液、肛门和阴道分泌物、汗液和精液；环境样品(例如空气、农业样品、水和土壤样品)；生物战剂样品；研究样品(即在核酸的情况下，该样品可以是扩增反应(包括靶向扩增和信号扩增两者)的产物)；纯化的样品，例如纯化的基因组DNA、RNA、蛋白质等；未纯化的样品和含有(或者含有部分)细胞、细菌、病毒、寄生物或者真菌的样品。

如本领域公知的那样，已经在样品上进行了几乎任何实验操作。一般而言，术语“生物芯片”或者“芯片实验室”或者类似术语指的是如下系统，该系统包括至少一个微流体部件或者生物传感器，其迅速并可靠地调节、输送、混合并存储微量流体，以便更大数量地进行所需的物理、化学和生物化学反应。这些设备提供了人类健康评估、基因筛查和病原体检测的可能性。另外，这些设备具有许多用于操作和/或分析非生物样品的其它应用。生物芯片设备已经被用于执行一系列任务，例如细胞裂解、材料提取、洗涤、样品扩增、分析等。它们逐渐地被用于并行执行几个制备和分析任务，例如几种细菌疾病的检测。同样地，微流体设备和生物芯片已经包含了多种部件，部件的数量将随着设备变得更加有效和更加通用而增加。

许多部件是用于感测或者改良样品或者流体性质的电气部件，例如加热元件、泵送元件、阀等，并且这些部件往往通过直接在设备的衬底上制造薄膜电子器件来实现。可被感测或者改良的合适性质包括但不限于温度；流动速率或速度；压力，流体，样品或者被分析物是否存在，浓度，量，迁移率或者分布；光学特性；磁特性；电气特性；电场强度，倾向(disposition)或者极性。

这种方法的一个问题是设备上的每个电气部件都需要控制端子，以便独立地控制该部件。因此，需要比实现设备本身所需的空间更多的空间来将这些部件连接到控制设备上。最终，控制端子的数量将变得非常大，以至于将所有的端子布置在该设备的外围来形成电接触变得不切实际。实现该电接触的一种可行方案是使用电接触薄片。

为了避免大量的控制端子，美国专利6,852,287提出了以较少数量的控制端子来控制N个独立可控部件的方法的实施例。为了实现该目标，提出使用多路复用技术或者无源矩阵技术。具体而言，矩阵技术非常引人注目，这是因为它允许以最少数量的控制端子来控制最大数量的部件。在原理上，如果致动一个特定的加热元件，那么无意间还将致动多个其它的加热元件。结果，在不需要热的地方也产生了热，并且在预定加热元件上产生的热将与所需要的不同，这是因为所施加的某些电流已经流过了若干备选路径或者所施加的电压在到达将要致动的预定加热元件之前沿着行和列下降。

本发明的目的在于提供一种与基于无源矩阵的设备相比具有改进性能的微流体设备。该目的由基于有源矩阵原理在衬底上制造的诸如生物芯片等微流体设备来实现。该设备优选利用公知的大面积电子技术中的一种来制造，例如a-Si，LTPS或者有机晶体管技术。有源矩阵使得以较少数量的控制端子独立地控制所述设备上的更大数量的部件成为可能。

本发明描述了一种用于处理流体和/或用于感测流体性质的包括多个部件的二维阵列的微流体设备。每个部件都耦合到至少一个控制端子上，该至少一个控制端子使有源矩阵能够单独改变每个部件的状态。该有源矩阵包括以薄膜技术实现的电子部件的二维阵列。该有源矩阵提供了高通用性的设备。该薄膜技术还确保了制造大设备的高成本效益。

在本发明的一个有利实施例中，有源矩阵的电子部件由具有栅极、源极和漏极的薄膜晶体管形成。在该情况下，有源矩阵包括一组选择线和一组控制线，使得每个单独的部件由一条选择线和一条控制线来控制，并且每个薄膜晶体管的栅极连接到选择线。

在本发明的另一个有利实施例中，提供了存储器设备，其用于存储提供给控制端子的控制信号。

在本发明的备选实施例中，该电子部件由例如金属-绝缘体-金属(MIM)二极管等薄膜二极管形成。优选的是MIM二极管将每个部件的第一电极连接到控制线上，并且每个部件的第二电极连接到选择线上。

在本发明的另一有利实施例中，薄膜二极管是PIN或者肖特基二极管，其中第一二极管将每个部件的第一电极连接到控制线上，其中第二二极管将每个部件的第一电极连接到公共复位线上，并且其中每个部件的第二电极连接到选择线上。

在本发明的有利改进中，第一二极管由并联连接的一对二极管代替，第二二极管同样由并联连接的一对二极管代替。

在另一有利改进中，第一二极管由串联连接的一对二极管代替，第二二极管同样由串联连接的一对二极管代替。

通过阅读附有附图的下列描述，可以更好地理解本发明，并且其它的特定特点和优点将变得显而易见。在附图中：

图1是根据本发明的微流体设备的示意框图，其示出了有源矩阵的原理；

图2是微流体设备的第一实施例，它的有源矩阵基于薄膜晶体管；

图3是微流体设备的第二实施例，它的有源矩阵基于半导体二极管；以及

图4是微流体设备的第三实施例，它的有源矩阵基于金属-绝缘体-金属二极管。

图1示出了基于有源矩阵的微流体设备的一般原理。微流体设备作为整体采用附图标记1来标明。该设备包括部件2的二维阵列。每个部件2与被布置成选择性致动该部件2的开关装置3相关联。每个开关装置连接到控制线4和选择线6上。控制线4连接到公共控制驱动器7上。选择线6连接到公共选择驱动器8上。控制线4与选择线6结合形成控制端子9、10的二维阵列。

利用这种方式实现有源矩阵，以确保可以独立地驱动所有部件。部件2可以是任何电子器件，例如由电压或者电流信号驱动的加热元件、泵送元件、阀、感测部件等等。应该理解，部件2的例子是非限制性的。致动一个部件2意味着例如通过使它从导通变为关断(反之亦然)或者通过改变它的设置来改变它的状态。还应该注意到，单个开关装置3可以包括多个包含有源和/或无源电子部件的子部件。然而，不需要所有的子部件一起被致动。

图1所示的微流体设备1对单个部件2进行独立控制的操作如下：

-在非寻址状态下，所有的选择线6被设置为处于使开关装置3不导通的电压下。在这种情况下，没有部件2被致动。

-为了致动预先选择的部件2，选择驱动器8将选择信号施加到所述预先选择的部件2所耦合的选择线6上。结果，连接到同一选择线6上的所有开关装置3被切换成导通状态。

-将控制驱动器7所产生的控制信号(例如电压或者电流)施加到所述预先选择的部件2所在的控制线上。将该控制信号设置成它的期望电平，并且使其通过开关装置3传送到部件2，从而使得该部件被致动。

-所有其它控制线4中的控制信号保持在某个电平，该电平不会改变与所述预先选择的部件2所连接的选择线是同一选择线6上连接的余下部件的状态。在这个例子中，它们将保持不被致动。

-所有的其它选择线6将保持在未选择的状态下，使得与所述预先选择的部件所连接的控制线是同一控制线4上连接的其它部件2不被致动，这是因为与它们相关联的开关装置3保持在未导通状态下。

-在将所述预先选择的部件设置成所需的状态之后，不选择各个选择线6，使所有的开关装置3返回到未导通状态，从而防止所述预先选择的部件状态的任何进一步变化。

然后，该设备将保持在未被寻址的状态下，直到随后的控制信号要求改变这些部件2中的任何一个的状态，在该时间点，重复上面的操作序列。

还可以按照行和列来描述由控制线4和选择线6形成的二维阵列，其中选择线6定义行，控制线4定义列。

通过在选择的时间段期间向阵列中的一个以上的列施加控制信号，还可以同时控制给定行中的一个以上的部件2。通过使用选择驱动器来致动另一行并且向阵列中的一列或者多列施加控制信号，可以依次控制不同行中的部件。

还可以对微流体设备1进行寻址，使得部件2仅在控制信号存在的时候被致动。然而，在优选实施例中，有利的是将存储器设备并入到该部件中，由此在所选择的时间段结束之后记忆控制信号。对于存储器设备，电容器元件或者基于晶体管的存储器元件是适合的。这使得同时致动整个阵列的任意点处的多个部件变得可能。这种选择在现有技术的已知无源系统中并未提供。当然，如果具有存储器设备，那么将明确需要第二控制信号对部件进行去激活。

在已经说明了微流体设备1的一般原理和优点之后，在下面的说明中，将介绍三个具体实施例。

实施例1：基于薄膜晶体管的有源矩阵微流体设备

图2示出了有源矩阵微流体设备1，其使用薄膜晶体管(TFT)12作为开关装置3来确保所有部件可以被独立致动。每个部件2经由TFT开关12连接到控制端子的矩阵上。TFT是薄膜大面积电子器件中的公知开关元件，并且已经广泛地使用在例如平板显示器应用中。在工业上，TFT的主要制造方法基于非晶硅(a-Si)或者低温多晶硅(LTPS)技术。但是也可以使用其它技术，例如有机半导体技术或者其它基于不是Si的半导体技术，如CdSe。图2所示的设备对单个部件2进行独立控制的操作如下：

-在非寻址状态下，所有的选择线6被设置为处于使TFT不导通的电压下。在a-Si的情况下，我们典型地具有n型TFT，并由此必须向TFT的栅极施加负电压。在这种情况下，没有部件2被致动。

-为了致动预先选择的部件2，选择驱动器8将正的选择信号施加到所述预先选择的部件2所连接的选择线6上。因此，连接到该选择线上的所有TFT 12被切换到它们的导通状态。

-将控制驱动器7所产生的控制信号(电压或者电流信号)施加到所述预先选择的部件所在的列上。TFT 12将控制信号传送到与该TFT的漏极相耦合的所述预先选择的部件上，以致动该部件。

-将所有其它列中的控制信号保持在不会使该行的剩余部件的状态发生改变的电平下。在该例子中，它们将保持不被致动。

-通过施加负电压信号给TFT的栅极，将所有其它行的选择信号保持在未选择状态，使得其它部件经由未导通的TFT连接到同一列上，并且不会被致动。

-在部件被设置成所需的状态之后，将该行中的TFT 12再次设置成未导通状态，防止部件状态的任何进一步变化。

然后，该设备将保持在未被寻址的状态下，直到随后的控制信号要求改变这些部件中的任何一个的状态，在该时间点，重复上面的操作序列。

对于基于TFT的开关，通过在所选择的时间段期间向阵列中的一个以上的列施加控制信号，还可以同时控制给定行中的一个以上的部件。通过使用选择驱动器来致动另一行并且向阵列中的一列或者多列施加控制信号，可以依次控制不同行中的部件。此外，仍然可以对该系统进行寻址，使得部件仅在控制信号存在的时候被致动，或者可替换地，将存储器设备并入到该部件(例如，电容器元件，或者基于晶体管的存储器元件)中，由此在所选择的时间段结束之后记忆控制信号。

实施例2：基于二极管的有源矩阵微流体设备

图3示出了具有基于薄膜二极管技术的有源矩阵的微流体设备1的一部分。尽管提供了较少的灵活性，但是基于薄膜二极管的有源矩阵在技术上要求更少，并且因此在某些应用中非常有利。二极管有源矩阵阵列已经被用于例如有源矩阵LCD，并且可以利用几种公知的方式对其进行驱动，其中的一种公知方式是具有复位的双二极管(D2R)法。K.E.Kuijk已经在第十届国际显示研究会议(1990，阿姆斯特丹)的会议论文集的174页中提出了该方法。

特别地，图3示出了该有源矩阵阵列的并排的三种类型的像素电路12a、12b、12c。在大多数情况下，在具体的微流体设备上仅出现这些像素电路中的一种类型。然而，处理技术允许在单个微流体设备上具有不同类型的像素电路。下文，将按照从图3中的左手侧到右手侧的顺序对这些不同的像素电路进行论述。在第一像素电路12a中，经由控制线4，二极管13提供控制信号给部件2。经由公共复位线C-RST 16，二极管14从部件2处去除控制信号。阻断范围，即二极管不导通的电压范围由外部电压确定，因此该阻断范围是可调整的。这是主要的优点，其中需要更高操作电压的部件。

在第二像素电路12b中，每个二极管13、14由一对并联连接的二极管代替，因此与像素电路12a相比，增加了像素电路12b的载流能力。

类似地，通过提供串联的二极管，可以容易地承受更高的电压，这是因为这防止了单独二极管在高反向电压时击穿(因为这些二极管分摊了该电压)。图3的右手侧上示出的像素电路12c举例说明了这种结构。像素电路12c包括串联连接的两个二极管13a、13b，以用于提供控制信号，并且还包括串联连接的两个二极管14a、14b，以用于去除控制信号。

外部连接的数量等于行数+列数+1，其中“1”是公共复位线16。该电路与二极管特性无关，并且可以选择PIN(p型、本征、n型)或者肖特基二极管。通过使用串联或者并联的额外二极管，可以使该电路形成为免于发生短路或者开路错误。根据上述已经由K.E.Kuijk提出的方法，使用复位法以五个电压电平来驱动这些行。

使用简单的3层工艺可以形成PIN(或者肖特基-IN)二极管。将非晶半导体层，p型掺杂、本征和n型掺杂区的叠层夹在顶部和底部金属线之间，这些金属线垂直取向。电气性质几乎不敏感于对准(alignment)。

实施例3：基于MIM二极管的有源矩阵流体设备

类似于薄膜二极管技术，使用金属-绝缘体-金属(MIM)二极管技术(用于形成有源矩阵)的有源矩阵在技术上比使用TFT的有源矩阵相比要求较少，但是使灵活性略微降低。

传统上，当将MIM二极管有源矩阵阵列用于有源矩阵LCD时，MIM二极管有源矩阵阵列具有与美国专利6,852,287中论述的无源矩阵相类似的布局。然而，MIM二极管作为与每个部件串联的非线性电阻元件而引入，从而允许按照图4所示进行有源矩阵寻址。

通过利用薄的绝缘层和结构分开2个金属层来制造MIM器件，并且该MIM器件非常方便地以交叉结构(cross over structure)的形式实现。例子是将氢化氮化硅夹在金属Cr和金属Mo之间，如A.G.Knapp和R.A.Hartmann在第十四届国际显示研究会议(1994)的会议论文集的14页中所提出的那样。第二个例子是将Ta₂O₅绝缘体夹在Ta金属电极之间。

在图4示意性示出的微流体设备中，MIM二极管17将部件2的第一电极连接到控制线4上。两个金属层以及绝缘层也实现在同一个衬底上。部件连接可以通过下述完成：将第二电极添加到第一衬底上，并且将该第二电极与另一更厚的绝缘层分开，以作为交叉。在MIM二极管有源矩阵的备选实施例中，MIM二极管17将部件2的第一电极连接到选择线6上，同时部件2的第二电极连接到控制线4上。如上面已经引用的，A.G.Knapp和R.A.Hartmann已经描述了MIM有源矩阵的操作。第二电极提供了到选择线6的导电连接。

Claims (10)

1、用于处理流体和/或用于感测所述流体的性质的微流体设备(1)，其包括多个部件(2)的二维阵列，其中每个部件(2)耦合到至少一个控制端子(9、10)，所述至少一个控制端子(9、10)使有源矩阵能够单独改变每个部件的状态，其中所述有源矩阵包括以薄膜技术实现的电子部件(12、13、13a、13b、14、17)的二维阵列。

2、根据权利要求1所述的微流体设备(1)，其特征在于，所述有源矩阵的所述电子部件由具有栅极、源极和漏极的薄膜晶体管(12)形成。

3、根据权利要求2所述的微流体设备(1)，其特征在于，所述有源矩阵包括一组选择线(6)和一组控制线(4)，使得每个单独的部件(2)由一条选择线(6)和一条控制线(4)进行控制，并且其特征还在于，每个薄膜晶体管的所述栅极连接到选择线(6)。

4、根据权利要求1所述的微流体设备(1)，其特征在于，存储器设备被提供来存储提供给所述控制端子(9、10)的控制信号。

5、根据权利要求1所述的微流体设备(1)，其特征在于，所述电子部件由薄膜二极管(13、13a、13b、17)形成。

6、根据权利要求5所述的微流体设备(1)，其特征在于，所述薄膜二极管是金属-绝缘体-金属(MIM)二极管(17)。

7、根据权利要求6所述的微流体设备(1)，其特征在于，MIM二极管(17)将每个部件(2)的第一电极连接到控制线(4)，并且每个部件(2)的第二电极连接到选择线(6)。

8、根据权利要求5所述的微流体设备(1)，其特征在于，所述薄膜二极管是PIN或者肖特基二极管(13、13a、13b、14、14a、14b)，第一二极管(13、13a、13b)将每个部件(2)的第一电极连接到控制线(4)，第二二极管(14)将每个部件(2)的所述第一电极连接到公共复位线(16)，每个部件(2)的第二电极连接到选择线(6)。

9、根据权利要求8所述的微流体设备(1)，其特征在于，所述第一二极管(13)是并联连接的一对二极管，而所述第二二极管(14)是并联连接的一对二极管。

10、根据权利要求8所述的微流体设备(1)，其特征在于，所述第一二极管(13)是串联连接的一对二极管(13a、13b)，而所述第二二极管(14)是串联连接的一对二极管(14a、14b)。

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