本发明涉及液滴微流体器件，更具体地涉及有源矩阵介质上电润湿(am-ewod)器件以及这种器件的阵列元件的阵列元件电路用以优化液滴感测能力的配置。
背景技术：
介质上电润湿(ewod)是一种众所周知的通过施加电场来操纵液滴的技术。有源矩阵ewod(am-ewod)指的是在包含晶体管的有源矩阵阵列中实现ewod，例如通过使用薄膜晶体管(tft)。因此，它是一种用于芯片上实验室技术的数字微流体技术的候选技术。microfluidnanofluid(2007)3：245-281中r.b.fair的“数字微流体：芯片上实验室是否可行？”(digitalmicrofluidics：isatruelab-on-a-chippossible？)中介绍了该技术的基本原理。
图1是描绘示例性的基于ewod的微流体系统的图。在图1的示例中，微流体系统包括读取器32和药筒34。药筒34可包含微流体器件诸如am-ewod器件36、以及(未示出的)进入器件的流体输入端口和常规的电气连接。流体输入端口可以执行将流体输入到am-ewod器件36中并在器件内生成液滴的功能，例如，通过电润湿控制从输入容器中分配流体。如以下进一步详细描述，微流体器件包括电极阵列，该电极阵列被配置成接收输入的液滴。
微流体系统还可以包括控制系统，该控制系统被配置成控制施加到微流体器件的电极阵列的致动电压，以对液滴执行操纵操作。例如，读取器32可以包含配置成控制电子器件38的控制系统、以及可以存储任何应用软件和与该系统相关联的任何数据的存储器件40。控制电子器件38可以包括合适的电路和/或处理器件，其被配置成执行与am-ewod器件36(诸如cpu、微控制器或微处理器)的控制有关的各种控制操作。
在图1的示例中，提供了用于传感器液滴性质的外部传感器模块35。例如，可以将本领域中已知的光学传感器用作用于感测液滴性质的外部传感器。合适的光学传感器包括相机器件、光传感器、电荷耦合器件(ccd)和类似的图像传感器等。附加地或替代地，传感器可以被配置成内部传感器电路，该内部传感器电路作为驱动电路的一部分并入每个阵列元件中。这类传感器电路可以通过检测阵列元件处的电特性诸如阻抗或电容来感测液滴性质。
图2是以透视图描绘示例性am-ewod器件36的附加细节的图。am-ewod器件36具有下基板组件44，在下基板组件44上布置有薄膜电子器件46。薄膜电子器件46布置为驱动阵列元件电极48。多个阵列元件电极48以电极或元件二维阵列50布置，该阵列具有n行×m列的阵列元件，其中n和m可以是任何整数。可以包括任何极性液体并且通常可以是水性的液滴52被封闭在由间隔物56隔开的下基板44和顶基板54之间，但是应当理解，可以存在多个液滴52。
图3是描绘通过图2的示例性am-ewod36设备的一些阵列元件的截面的图。在图3所示的am-ewod器件的部分中，该设备包括一对以截面示出的阵列元件电极48a和48b，其可以在图2的am-ewod器件36的电极或元件阵列50中使用。am-ewod器件36还并入了设置在下基板44上的薄膜电子器件46，该下基板通过间隔物56与顶基板54隔开。下基板44的最上层(其可以被认为是薄膜电子器件层46的一部分)被图案化，使得实现多个阵列元件电极48(例如，图3中的阵列元件电极的具体示例是48a和48b)。术语元件电极48可以在下文中既指与特定阵列元件相关联的物理电极结构48，又指直接连接到该物理结构的电路的节点。在图3中示出了参考电极58，其设置在顶基板54上，但是替代地，该参考电极可以设置在下基板44上，以实现平面内参考电极几何形状。术语参考电极58在下文中也既可以指物理电极结构中的一个或两个，又指直接连接到该物理结构的电路的节点。
在am-ewod器件36中，可以使用非极性流体60(例如，油)来占据未被液滴52占据的体积。可以在分离导电元件电极48a和48b与第一疏水涂层64的下基板44上设置绝缘体层62，液滴52以θ表示的接触角66位于该第一疏水涂层上。疏水涂层由疏水材料(通常，但不一定是含氟聚合物)形成。第二疏水涂层68在顶基板54上，液滴52可以与该第二疏水涂层接触。参考电极58介于顶基板54和第二疏水涂层68之间。
如图3所示限定了液滴的接触角θ，并由固液(γsl)、液气(γlg)和非离子流体(γsg)界面之间的表面张力分量的平衡来确定，并且在不施加电压的情况下满足杨氏定律，等式如下：
在操作中，被称为ew驱动电压的电压(例如，图3中的vt、v0和v00)可以从外部施加到不同的电极(例如，分别是参考电极58、元件电极48a和48b)。建立的所得电力有效地控制了疏水涂层64的疏水性。通过布置不同的ew驱动电压(例如，v0和v00)以施加到不同的元件电极(例如，48a和48b)，液滴52可以在两个基板之间的侧向平面中移动。
图4a示出了在存在液滴52的情况下在元件电极48和参考电极58之间的电负载70a的电路表示。通常可以将液滴52建模为并联的电阻器和电容器。通常，液滴的电阻将相对较低(例如，如果液滴包含离子)，并且液滴的电容将相对较高(例如，由于极性液体的相对介电常数较高，例如，如果液滴为水性，则约为80)。在许多情况下，液滴电阻相对较小，使得在电润湿感兴趣的频率下，液滴52可以有效地用作电短路。疏水涂层64和68具有可以建模为电容器的电特性，并且绝缘体62也可以建模为电容器。元件电极48和参考电极58之间的总阻抗可以通过电容器来近似，该电容器的值通常由绝缘体62的贡献以及疏水性涂层64和68的贡献所决定，并且对于典型的层厚度和材料而言，其值可以为微微法拉级。
图4b示出了在不存在液滴的情况下在元件电极48和参考电极58之间的电负载70b的电路表示。在这种情况下，液滴组件被表示非极性流体60的电容的电容器代替，该电容器占据了顶基板和下基板之间的空间。在这种情况下，可以通过电容器来近似元件电极48和参考电极58之间的总阻抗，该电容器的值主要由非极性流体的电容决定，并且通常很小，为毫微微法拉级。
为了驱动和感测阵列元件，电负载70a/70b总体上实际上起到电容器的作用，其值取决于在给定的元件电极48处是否存在液滴52。在存在液滴的情况下，电容相对较高(通常为微微法拉级)，而如果没有液滴存在，则电容较低(通常为毫微微法拉级)。如果液滴部分地覆盖给定的电极48，则电容可以近似表示液滴52对元件电极48的覆盖程度。
us7,163,612(sterling等人，2007年1月16日发布)描述了如何使用基于tft的薄膜电子器件来通过使用与有源矩阵显示技术中所使用的非常相似的电路布置，来控制对ewod阵列的电压脉冲寻址。us7,163,612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的薄膜电子器件来控制ewod阵列有几个优点，即：
·电子驱动器电路可以集成到下基板上。
·基于tft的薄膜电子器件非常适合am-ewod应用。它们的生产便宜，因此可以以相对较低的成本生产相对较大的基板面积。
·与标准cmos工艺制造的晶体管相比，标准工艺制造的tft可以设计为在更高得多的电压下工作。这很重要，因为许多ewod技术要求施加超过20v的电润湿电压。
图5是描绘图2的示例性am-ewod器件36中的薄膜电子器件46的示例性布置的图。薄膜电子器件46位于下基板44上。元件阵列50中的每个阵列元件51包含用于控制对应元件电极48的电极电位的阵列元件电路72。集成的行驱动器74和列驱动器76电路也在薄膜电子器件46中实现以向阵列元件电路72提供控制信号。阵列元件电路72还可以包含用于检测阵列元件的位置中存在或不存在液滴的传感器能力。集成的传感器行寻址78和列检测电路80可以进一步在薄膜电子器件中实现，以用于寻址和读出每个阵列元件中的传感器电路。
还可以提供串行接口82以处理串行输入数据流，并利于对阵列50中的元件电极48的所需电压的编程。电压源接口84提供对应的供应电压、顶基板驱动电压和其他必要的电压输入，如本文进一步所述。即使对于大阵列尺寸，下基板44与外部控制电子器件、电源和任何其他组件之间的许多连接线86也可以相对较少。可选地，串行数据输入可以部分并行化。例如，如果使用两条数据输入线，则第一条可以为列1至x/2提供数据，而第二条可以为列(1 x/2)至m提供数据，其中对列驱动器电路76进行了较小的修改。通过这种方式，可以增加数据编程到阵列的速率，这是液晶显示器驱动电路中使用的标准技术。
已经描述了控制am-ewod器件以感测液滴并执行期望的液滴操纵的各种方法。例如，us2017/0056887(hadwen等人，2017年3月2日公布)描述了使用电容检测来感测试剂的动态特性而作为确定测定结果的一种方法。这样的公开内容结合了集成的阻抗传感器电路，该集成的阻抗传感器电路具体地结合到每个阵列元件的阵列元件电路中。
因此，如上所述，已经尝试将集成的阻抗感测电路优化到阵列元件结构中，特别是作为阵列元件电路的一部分。图6是描绘包括具体实施申请人的先前设计的am-ewod器件的示例性阵列元件电路在内的阵列元件的图。该基本电路具有三个薄膜晶体管(tftt1、t2和t3)和两个电容器(c1和c2)，并且与七个寻址线相关联。此处和全文中的像素电路均使用以下约定来绘制。像素的边界由虚线表示。示出了行和列寻址线，其分别在水平和垂直方向上穿过像素。原则上可以以行线或列线提供的电源连接由短水平线示出(例如，图6中的vcca)。连接线示出为具有焊点，在没有焊点的情况下，不连接交叉线。rdrop和cdrop表示从参考(顶)电极tp到液滴可能位于其上的疏水涂层之间的间隙中的电阻和电容的近似模型，并且用电容ci表示在元件电极和参考电极之间并入器件的任何其他绝缘层。rdrop和cdrop的值将基于液滴的存在或不存在而变化，如上面关于图4a和图4b所述。具有此基本电路设计的示例am-ewod器件在申请人共同转让的us8,653,832(hadwen等人，2014年2月18日发布)和us2018/0078934(hadwen等人，2018年3月22日发布)中进行了描述。
图6的电路通常如下操作。为了通过向所述阵列元件写入电压数据来对阵列元件进行编程，将要编程的电压加载到寻址线sl上，并且将脉冲施加到适合于被编程的行的栅极线gl。这导通了驱动晶体管t1，并且连接到电极的电路节点被充电至编程电压。当gl取低时，该电压被保留，并存储在存储电容器c1中。通常，c1比第二电容器或传感器电容器c2大至少约一个数量级。为了执行感测，在重置步骤中，重置晶体管t2通过rst信号而被导通，因此传感器读出晶体管t3的栅极充电至vcca。在常规配置中，vcca是被选择为低于t3阈值电压的重置电位，以使t3保持断开并且清除任何先前的电压。在感测步骤中，将rst信号设置为低电平，以便不驱动传感器读出晶体管t3的栅极，并向寻址线rws施加脉冲。在rws脉冲的持续时间内，电极电位被扰动到更高的电压。所实现的电压变化原则上是电容器c1与电极处总电容之比的函数，其包括与液滴存在或不存在相关的负载。该扰动通过传感器电容器c2耦合到t3的栅极，并且晶体管t3相应地导通到由耦合的脉冲幅度确定的程度。像素电压源vpix提供电压输入，以便产生通过t3的输出电流，该输出电流再次取决于耦合到t3的栅极的电压。所得电流通过t3并向下沉入传感器输出列线col，然后可以由列的底部(未示出)处的检测电路感测到。
还可以修改图6的基本阵列元件电路，这对于某些应用或情况可能是有利的。图7是描绘包括具体实施申请人的另一先前设计的am-ewod器件的示例性阵列元件电路在内的阵列元件的图。在申请人共同转让的us2017/0076676(hadwen，2017年3月16日发布)中描述了相当的配置。在该实现方式中，us8,653,832的三个晶体管/两个电容器感测电路可以与两个晶体管/一个电容器阵列元件致动电路组合。因此，该实现方式总共包含五个晶体管、三个电容器和九个寻址线，并且附加的致动电路与所描述的阻抗传感器电路组合在一起。寻址线控制对包括晶体管t4和存储电容器c3在内的附加动态ram存储电路的访问。编程到该电容器的电压继而取决于被写入c3的电压是否足以导通t5，而控制来自致动电路的输入信号是否连通阵列元件电极。当操作感测功能时，输入信号sel还可以用于将元件电极与致动信号隔离。在其他方面，感测功能可以与关于图6所描述那样相当地进行。
在图6和图7的上述感测电路的变型中，阵列元件不包含连接到电容器c1(在us8,653,832中被称为cs)的行选择线(在us8,653,832中被称为rws的行寻址线)，在us8,653,832中该电容器c1连接在rws线和元件电极之间。然而，在类似的感测操作中，重置晶体管t2的栅极再次由信号rst导通，因此传感器读出晶体管t3的栅极同样向vcca充电。再次，在常规配置中，选择重置电位vcca低于t3的阈值电压，使得t3保持断开并且任何先前的电压被清除。
图8是描绘包括具体实施申请人的另一先前设计的am-ewod器件的示例性阵列元件电路的阵列元件的图。在申请人共同转让的us8,173,000(hadwen等人，2012年5月8日发布)中描述了相当的配置。在该实现方式中，us8,653,832的三个晶体管/两个电容器阻抗传感器电路可以与结合有sram单元的致动电路和存储功能组合。存储功能包括n型开关晶体管t4、p型开关晶体管t5、第一反相器i1和第二反相器i2。该实现方式还包括具有两个模拟开关s1和s2的反相电路。电容ch和ci是指包括疏水涂层和绝缘体层的器件层的电容。如us8,173,000中所述，通过施加电压脉冲以导通开关晶体管t4或t5中的一个来写入存储功能。这样写入的输入电压被提供给反相电路。反相电路的操作提供了反相存储节点信号，该反相存储节点信号可以通过连接到sram单元的两个反相器之间的节点获得。在其他方面，感测功能可以与关于图6和图7所描述那样相当地进行。
精确的液滴感测已成为am-ewod器件领域的重要发展课题。例如，f.azamshaik等人2017年的micromechmicroeng.27054001(shaik)是东京大学最近发表的一篇论文，描述了一种具有单晶体管/单电容器(1t/1c)阵列元件电路的am-ewod器件。这篇论文描述了通过以1vp-pac电压对电源线施加脉冲来测量列线之间的互电容，从而感测液滴，同时测量从相邻电源线输出的电流。因此，这篇论文描述了一种采用通过感测不同列线之间的电容来感测电极之间的电位的感测方案，在本领域中称为互电容感测。尽管为此类互电容感测提供了实验基础，但实际系统对于实字器件应用而言并不切实际。测量完全由外部感测设备完成，并且没有集成的感测或其他任何种类的集成列电路。对于大型阵列，因为需要对阵列的每一列进行外部连接，所以此类外部组件的实验使用是不切实际的。互电容感测尚未充分集成到阻抗传感器电路中，该阻抗传感器电路专门集成为阵列元件电路的一部分。
即使具有基于tft的am-ewod器件的优势，分析挑战仍然存在。尽管这种集成的阻抗感测电路提供了有效的感测，但是必须增大阵列元件电路的尺寸。在用于基于电容的测量的学术研究的shaik器件中，阵列元件电路具有1t/1c配置，因为整个感测和测量装置均从ewod器件阵列外部提供。然而，如上所述，在大多数情况下，外部感测不是实际的解决方案。在图6和图7的集成感测电路的示例中，每个阵列元件具有较大的3t/2c配置，其还可以与如图8所示的期望的致动电路的附加元件组合。因此，期望改进的电路操作以针对各种情况提高感测精度，同时使集成的感测电路保持紧凑的布置。
技术实现要素：
本发明提供了一种集成到am-ewod器件阵列元件的阵列元件电路中的增强型感测电路，其通过对第一阵列元件中的元件电极的电位进行扰动(“扰动阵列元件电极”)，并测量第二相邻阵列元件的元件电极上的响应输出(“感测阵列元件电极”)，以在互电容模式下工作。
具有集成阵列元件电路的液滴感测的已知配置通常通过以下两种方式中的一个来工作：(1)测量在将刺激施加到同一阵列元件电极时被感测的阵列元件电极的电(电压)扰动(称为自-电容感测模式)，或(2)测量将刺激施加到顶部或参考电极时被感测的阵列元件的阵列元件电极的电(电压)扰动。这些常规布置都难以检测两个液滴何时融合或无法融合。在某些反应协议中，液滴融合的感测可能至关重要，因为不正确的液滴融合或无法融合会破坏结果，因此应该可通过阵列元件的阻抗感测电路确定这种情况。
根据本发明的实施例，阵列元件的集成阻抗感测电路在互电容模式下操作，由此：(1)扰动的阵列元件具有被电压脉冲δv扰动的元件电极，以及(2)，扰动导致通过器件通道间隙中的流体耦合到相邻的传感阵列元件电极。耦合程度是通道间隙中任何液滴的大小、位置和组成的函数。不存在液滴的情况下，即在被感测的阵列元件处仅存在非极性流体(油)，仅导致较小的耦合，而存在极性液滴会导致相对较大的耦合。因此，使用集成到阵列元件电路中的感测电路来感测感测阵列元件电极处的扰动，可以从输出线测量扰动。
与其他已知布置不同，本发明的集成感测电路的互电容操作能够基于在扰动阵列元件电极和感测阵列元件电极之间是否存在极性液体连续体来检测两个液滴是否已融合。本发明的实施例通常利用可与图6至图8的配置相当的集成阻抗传感器电路配置，其可能具有或不具有较小的拓扑修改，具有扰动和感测以提供互电容操作模式，该模式特别适合于感测液滴的融合状态。在示例性实施例中，限定通道间隙的顶基板组件不具有顶部或参考电极，因此可以采用平面内电极布置。
因此，本发明的一个方面是一种操作有源矩阵介质上电润湿(am-ewod)器件的方法，其使用集成的阻抗感测电路来提供增强的互电容感测。在示例性实施例中，am-ewod器件包括以行和列的阵列布置的多个阵列元件，阵列元件中的每一个包括阵列元件电路和阵列元件电极。每个阵列元件的阵列元件电路包括致动电路和阻抗传感器电路，该致动电路被配置成向阵列元件电极施加致动电压以用于致动阵列元件，该阻抗传感器电路被集成到阵列元件电路中并被配置成感测阵列元件电极处的阻抗，该传感器电路包括传感器电容器和传感器读出晶体管，该传感器读出晶体管输出用于感测的输出电流。该操作方法包括以下步骤：对施加到第一阵列元件的阵列元件电极的电压进行扰动；将电压扰动耦合到不同于第一阵列元件的第二阵列元件的阵列元件电极；并且测量来自第二阵列元件的传感器读出晶体管的输出电流，以响应于电压扰动而进行感测。可以通过执行存储在非暂时性计算机可读介质上的程序代码的am-ewod控制系统来执行根据任何实施例的方法。
参考以下描述和附图，本发明的这些和进一步的特征将变得显而易见。在说明书和附图中，已经详细公开了本发明的特定实施例，以指示可以采用本发明的原理的一些方式，但是应当理解，本发明的范围不被相应地限制。更确切而言，本发明包括落入所附权利要求书的精神和范围内的所有改变、修改和等效物。相对于一个实施例所描述和/或示出的特征可以在一个或多个其他实施例中以相同的方式或以类似的方式使用，和/或与其他实施例的特征组合或替代地使用。
附图说明
图1是描绘示例性的基于ewod的微流体系统的图。
图2是以透视图描绘示例性am-ewod器件的图。
图3是描绘贯穿图2的示例性am-ewod器件的一些阵列元件的横截面的图。
图4a是描绘当存在液滴时在元件电极处呈现的电负载的电路表示的图。
图4b是描绘当不存在液滴时在元件电极处呈现的电负载的电路表示的图。
图5是描绘图2的示例性am-ewod器件中的薄膜电子器件的示例性布置的图。
图6是描绘包括具体实施申请人的先前设计的am-ewod器件的示例性阵列元件电路的阵列元件的图。
图7是描绘包括具体实施申请人的另一先前设计的am-ewod器件的示例性阵列元件电路的阵列元件的图。
图8是描绘包括具体实施申请人的另一先前设计的am-ewod器件的示例性阵列元件电路的阵列元件的图。
图9是描绘包括基于图6的阵列元件电路的示例性阵列元件电路的多个阵列元件的图。
图10是描绘时序图的图，该时序图示出了图9的实施例在互电容模式下的示例性操作。
图11是描绘示例性元件阵列的图，该元件阵列包括以行和列布置的多个阵列元件，并且液滴跨越不同行中的某些阵列元件。
图12a和图12b是描绘相邻行中的阵列元件的对应截面图的图，特别是当如图11的列p中所示那样存在液滴时(图12a)以及当如图11的列q所示那样不存在液滴时(图12b)。
图13a和图13b是描绘图9和图10的实施例的操作的图，示出了液滴的融合状态的确定。
图14是描绘根据本发明实施例的在互电容模式下操作的平面内电极结构的图。
图15是描绘使用图14的平面内电极配置的示例的图，其中液滴足够接近以形成液滴界面双层。
图16是使用列基极电压扰动描绘包括基于图6的阵列元件电路的示例性阵列元件电路的多个阵列元件的图。
图17是描绘包括使用图16的电路操作的以行和列布置的多个阵列元件的示例性元件阵列的图。
图18是描绘替代时序图的图，其示出了图9的实施例的另一示例性操作。
图19是描绘根据图18的时序图进行操作的元件阵列的图。
图20是描绘根据图18的时序图进行操作的元件阵列的图，其示出了通过对扰动阵列元件块和从其测量输出的感测行进行扰动的操作。
图21是描绘包括与图7的阵列元件电路相当的示例性阵列元件电路的多个阵列元件的图。
图22是描述时序图的图，其示出了图21的实施例在互电容模式下的操作。
图23是描绘图7和图21的电路的变型的图，其中并入第六晶体管以施加扰动电压。
图24是描绘包括与图8的阵列元件电路相当的示例性阵列元件电路的多个阵列元件的图。
图25是描绘时序图的图，其示出了图24的实施例在互电容模式下的操作。
图26是描绘时序图的图，其示出了根据本发明实施例的用于示例性操作的时序信号脉冲。
具体实施方式
现在将参考附图描述本发明的实施例，其中相同的附图标记始终用于表示相同的元件。将理解的是，附图不一定按比例绘制。
本发明涉及am-ewod器件中的集成阵列元件电路的增强配置，其因集成在阵列元件内而实现了阻抗感测电路的改进的灵敏度。尤其改进了感测电路，以用于感测在被感测的器件阵列的区域中的液滴的融合状态。为了实现这种增强的灵敏度，本发明通过对第一阵列元件中的元件电极的电位进行扰动(“扰动阵列元件电极”)并测量第二相邻阵列元件的元件电极处的响应输出(“感测阵列元件电极”)，以在互电容模式下提供集成阵列元件电路的操作。
阵列元件的集成感测电路在互电容模式下工作，其中：(1)扰动阵列元件的电极受到电压脉冲δv的扰动，并且(2)扰动导致通过器件通道间隙中的流体耦合到相邻的传感阵列元件电极。耦合程度是通道间隙中任何液滴的大小、位置和组成的函数。不存在液滴的情况下，即在被感测的阵列元件处仅存在非极性流体(油)，仅导致较小的耦合，而存在极性液滴会导致相对较大的耦合。因此，使用集成到阵列元件电路中的感测电路来感测感测阵列元件电极处测得的扰动。在示例性实施例中，限定通道间隙的顶基板组件不具有顶部或参考电极，因此可以采用平面内电极布置。
因此，本发明的一个方面是一种操作有源矩阵介质上电润湿(am-ewod)器件的方法，其使用集成的阻抗感测电路来提供增强的互电容感测。在示例性实施例中，am-ewod器件包括以行和列的阵列布置的多个阵列元件，阵列元件中的每一个包括阵列元件电路和阵列元件电极。每个阵列元件的阵列元件电路包括致动电路和阻抗传感器电路，该致动电路被配置成向阵列元件电极施加致动电压以用于致动阵列元件，该阻抗传感器电路被集成到阵列元件电路中并被配置成感测阵列元件电极处的阻抗，该传感器电路包括传感器电容器和传感器读出晶体管，该传感器读出晶体管输出用于感测的输出电流。该操作方法包括以下步骤：对施加到第一阵列元件的阵列元件电极的电压进行扰动；将电压扰动耦合到不同于第一阵列元件的第二阵列元件的阵列元件电极；并且测量来自第二阵列元件的传感器读出晶体管的输出电流，以响应于电压扰动而进行感测。可以通过执行存储在非暂时性计算机可读介质上的程序代码的am-ewod控制系统来执行根据任何实施例的方法。
作为这类实施例的示例，图9是描绘包括基于图6的阵列元件电路的示例性阵列元件电路在内的多个阵列元件的图。图10是示出图9的实施例的操作的时序图。图9描绘了以定位在相邻行(分别是行(n)和行(n 1))中的列(m)和列(m 1)布置的元件阵列的2×2部分。将理解的是，可以将本实施例和其他实施例的原理扩展为任何合适的元件阵列尺寸。
编程和致动可以如关于图6描述那样进行。类似地，如关于图6所描述，用于阻抗感测的该基本电路具有三个薄膜晶体管(tftt1、t2和t3)，并带有存储电容器c1和传感器电容器c2(3t/2c布置)。rdrop和cdrop表示从参考(顶部)电极tp到液滴可能位于其上的疏水涂层的整个器件的电阻和电容。下器件组件——包括疏水涂层和并入该器件的任何其他绝缘体层——的电容由电容ci表示。如上文关于图4a和图4b所描述，对间隙的电阻抗进行建模的rdrop和cdrop的值将基于极性液滴的存在或不存在而变化。
操作阵列元件以实现感测的互电容模式，由此将电压扰动提供给阵列中的一个元件电极，并在阵列中相邻阵列元件中的另一元件电极处检测到电压扰动。在该特定实施例中，扰动阵列元件在行(n)中，并且感测阵列元件在行(n 1)中。参考图10的时序图，如下进行感测操作。行(n 1)中的重置信号rst(n 1)取高，并且接通重置晶体管t2以用于对应行(n 1)中的阵列元件。因此，将传感器读出晶体管t3的栅极重置为初始化电位vcca，并且选择初始化电压以使得t3断开以进行感测。然后，将行(n)的行选择信号rws(n)脉冲为高电平。因此，如图10中所示，经由行(n)中的电容器c1将行(n)的阵列元件的元件电极处的电位升高为高。
行(n)中阵列元件电极的扰动耦合到行(n 1)中的阵列元件电极，其程度取决于行(n)和行(n 1)中的阵列元件上是否存在极性液滴及其覆盖程度。电压扰动继而通过传感器电容器c2耦合到传感器读出晶体管t3的栅极，从该传感器读出晶体管t3沿着col线向下读出输出电流。在图10的时序图中示出耦合程度，其中与没有液滴跨越行(n)和行(n 1)的阵列元件电极之间的间隙时相比，当液滴跨越行(n)和行(n 1)的阵列元件电极之间的间隙时，耦合到行(n 1)中的阵列元件电极的电压脉冲会更大。在时序图中进一步示出了这种差异，其中与没有液滴跨越行(n)和行(n 1)的阵列元件电极之间的间隙时相比，当液滴跨越行(n)和行(n 1)的阵列元件电极之间的间隙时，沿着输出列线col向下测量的输出电流会更大。以这种方式，最终可以通过测量来自与感测阵列元件相关联的传感器读出晶体管的输出col线来确定液滴覆盖的广度。
参考图11和图12a/图12b进一步示出了该差异。图11是描绘包括以行和列布置的多个阵列元件102(再次，可以采用任何合适的阵列尺寸)的示例性元件阵列100的图。在该示例中，相对于感测行106示出了在其上施加rws电压脉冲的扰动行104(行(n))，从该行沿着输出col线向下行(n 1)读出输出信号。液滴108进一步被描绘为跨越行(n)104和行(n 1)106中的阵列元件。附加列指示在图11中表示为列p和列q，其中列p包括其中存在液滴108的阵列元件，而列q包括其中不存在液滴的阵列元件。图12a和图12b示出了行(n)104和行(n 1)106中的阵列元件的对应截面图，特别是当如图11的列p中所示那样存在液滴108时(图12a)以及当如图11的列q所示那样不存在液滴时(图12b)。
参考图12a和12b的截面图，每个阵列元件如上所述相当地配置。通道间隙110可以由第一疏水涂层112和第二疏水涂层114限定，该通道间隙填充有可以向其中分配液滴108的非极性流体或油116。这些图中描绘的每个阵列元件包括不同行的相应阵列元件电极118(电极(n))和120(电极(n 1))，它们通过离子阻挡层和绝缘体层122与第二疏水涂层隔开。阵列元件结构还可以包括相对于第一疏水涂层112在通道间隙的相对侧上的顶部电极或参考电极124。电容ct表示第一疏水涂层112相对于顶部电极的电容，而电容c11和c12分别表示第二疏水涂层114与离子阻挡层和绝缘体122层相对于第一阵列元件电极118和第二阵列元件电极120中的每一个的组合电容。在存在液滴108的图12a中，rd/cd组合是近似于与电极层之间的液滴108相关联并且通过相邻阵列元件118和120之间的液滴本身的电特性(电阻和电容)的表示。在不存在液滴的图12b中，coil指示表示填充流体或油116的电性能，其作为非极性流体本质上仅是与电极层之间的填充流体/油116相关联并且通过相邻阵列元件118和120之间的油本身的电容。因为油的介电常数通常在1-10的范围内，或者通常约为2，因此coil的代表值通常比cd小1-2个数量级，液滴的电容率(如果是水基的)通常约为80。
如图12a中所示，对应于图11的列p，液滴108覆盖电极(n)118和电极(n 1)120的一部分。当液滴108如通常那样相对导电时(通常如果盐浓度＞1mm)，则电极(n)和电极(n 1)之间的阻抗大约与电容器ci1和ci2的串联组合成比例，只要极性液滴本质上起短路作用即可。在这种情况下，电极(n)118与电极(n 1)120牢固地电容耦合，其中典型的耦合电容约为几pf的量级。因此，施加在电极(n)118上的扰动电压耦合到电极(n 1)120，导致如图10的时序图中所示的col输出，其指示何时存在跨越电极(n)118和电极(n 1)120之间的间隙的液滴。
相反，如图12b中所示，对应于图11的列q，不存在跨越任何阵列元件电极118和120的液滴。因此，从电极(n)118到电极(n 1)120的耦合仅经由通道间隙110中的填充流体或油116。因为油是非极性的，所以电学特性主要由油决定，如图12b中的电容coil网所示。基于am-ewod器件的典型物理尺寸(例如，相邻电极118和120之间的典型间距约为3-10μm；典型的单元间隙高度在30-250μm范围内)，总耦合电容远小于存在极性液滴时的电容，典型地约为10pf的量级。因此，施加在电极(n)118上的扰动电压仅细微地耦合到电极(n 1)120，导致图10的时序图中所示的col输出，其指示何时不存在跨越电极(n)118和电极(n 1)120之间的间隙的液滴。
在典型的元件阵列感测实现方式中，通过对所选择的行(n)中的阵列元件进行扰动、并通过测量从传感阵列元件的传感器读出晶体管中输出的col来感测相邻行(n 1)中的阵列元件，而一次一行地感测整个阵列。可以通过逐行按顺序地循环所选择的行(n)和行(n 1)而映射整个阵列来感测整个阵列。同样将理解的是，行(n 1)可以被扰动并且行(n)被感测，即，被扰动的行和被感测的行的精确定位可以互换。
作为上述互电容模式的有利操作的示例，这种操作特别适合于感测液滴的融合状态，即，两个分离的液滴是否已经融合。根据这样的应用，图13a和图13b是描绘图9和图10的实施例的操作的图，示出了液滴的融合状态的确定。在这样的示例中，使两个液滴接近，从而它们可以融合或可以不融合。图13a从平面图(俯视图)和侧视图(仰视图)示出了其中两个液滴已经成功地融合成单个融合液滴128的布置。在这种情况下，穿过融合液滴128的极性液体连续体导致两个元件电极118和120之间的高度耦合，其中耦合阻抗约是包括ci1和ci2的串联组合的阻抗，就像如图12a中所示的单个液滴108一样(换言之，融合液滴128本质上可以是较大的液滴，但是仍然是单个液滴)。
相反，图13b以平面图(俯视图)和侧视图(仰视图)示出了两个单个液滴128a和128b不能融合的情况。在这种情况下，液滴之间的间隙(本质上仅包括非极性流体(油))电学上由电容cgap表示。当液滴128a和128b不能融合时，即使当间隙很小(例如，在微米或更小的量级)时，基于cgap的两个元件电极118和120之间的总阻抗也存在相当大的差异，因为两个非融合液滴之间的油(非极性)间隙会中断导电连续性。因此，总阻抗基于ci1和ci2的串联组合，进一步与ct1和ct2串联组合，这种组合与cgap并联。因此，由于仅微米左右的未融合液滴之间的非极性间隙引起的间隙电容是显著的，并且可以通过沿着与相关的感测阵列元件相关联的col线向下输出的测量差异来检测。因此，该布置非常适合于检测液滴是否已经融合。
该系统检测液滴融合的能力显著优于常规感测操作。液滴可能由于多种原因而无法融合，包括例如电极之间的间隙的影响，特别是当单独的液滴之间的间隙与元件电极之间的间隙对准时。由于时序误差，液滴也可能无法融合，例如，在定义成实现液滴融合的致动模式施加的时间太短时，可能会发生错误。无法融合的另一个原因可能是未优化的表面活性剂平衡，这可能会导致液滴的表面能过低，从而使液滴接触而不融合或相互“反弹”。因为系统操作具有检测液滴无法融合的能力，所以控制软件可以根据需要调整操作以执行自动校正动作，包括例如重复融合操作，和/或系统可以向用户报告错误。
图14是描绘根据本发明实施例的平面内电极结构的图。图14的阵列元件结构与例如在图12和图13中所示的阵列元件结构相当，除了将顶部参考电极替换为非电极基板层132诸如例如玻璃基板之外。因此，电极仅是阵列元件电极118和120，因此所有电极基本上在同一平面中。在平面内电极结构中，通过使用未致动的阵列元件来执行参考电极的功能而实现液滴的致动和移动，其中由已致动和未致动的平面内阵列元件电极之间的电位差产生电湿润力。
使用平面内参考电极的am-ewod器件构造具有某些一般优势。通过使用不具有顶部或参考电极的顶部玻璃基板，简化了整体结构，从而简化了制造过程并降低了成本。同样，不需要用于与顶部参考电极进行电接触的导电通孔结构，从而又简化了制造过程并降低了成本。还可以提高可靠性。在操作中，没有电场通过顶基板的疏水涂层。这可能是优选的，因为通过疏水涂层的电场会损害功效或导致在填充流体或液滴中产生气泡。另一方面，缺点在于利用平面内配置可能难以更精确地产生电润湿力，因此具有顶部参考电极的前述实施例可能更适合于操纵非常小的液滴。
关于感测，平面内配置在感测中可以具有优势，因为通过去除顶部参考电极而去除了图12和图13的附加电容路径ct。例如，图14示出了其中两个液滴134a和134b无法融合的情况，其被非常小的间隙136隔开，该间隙小于相邻电极之间的电极间隙(例如，约1μm或更小)，并且具有电容cgap。因为图13b的电容ct1和ct2已从系统中移除，因此两个电极之间的总电容为ci1、ci2和cgap的串联组合。因此，与存在顶部电极的图13b的情况相比，总电容甚至更加强烈地取决于cgap(三个电容值中的最小值)。因此，图14的平面内电极配置能够检测两个液滴134a和134b之间极小距离的间隙136的存在，即，小于电极间间隙，其可以约为1μm或更少。
图15示出了使用图14的平面内电极配置的另一示例，其中液滴134a和134b足够接近以形成液滴界面双层138，其中两个液滴基本上接触，但是两个液滴仍不融合。对应于液滴界面双层的间隙距离约为10nm或更小。在这种情况下，上述互电容操作模式特别有价值。在这种情况下，两个液滴会聚在一起以保持接触，但不会融合。通过在系统中适当选择表面活性剂，脂质双层在液滴之间的界面处形成了液滴界面双层(dib)。dib在ewod应用中具有多种应用，包括例如形成用于膜片钳感测的结构(如martelandcross，biomicrofluidics，6,012813(2012)中所述)，或在将纳米孔插入dib中时对dna进行排序的结构，如gb1721649.0中所述。
因此，从本质上讲，相对于(1)图13b的间隙130，该间隙的距离约为相邻元件电极118和120之间的电极间隙的量级(通常为3-100μm)；相对于(2)图14的间隙136，该间隙的距离通常小于相邻元件电极之间的电极间隙约1μm；相对于(3)当液滴基本上接触但不融合(例如，约10nm或更小的间隙距离)时形成的dib获得了不同的col输出。平面内电极布置可以特别适合于区分液滴间隙距离变化的每种情况。在顶部参考电极配置或平面内电极配置中，被扰动和感测的行可以直接相邻(例如，行(n)和行(n 1))，或者所述行可以被一个或多个中间行隔开。在布置成检测液滴是否已融合或是否已形成dib的实现方式中，扰动和感测行通常应位于两个液滴之间的间隙的任一例。
图16是描绘包括示例性阵列元件电路的多个阵列元件的图，该阵列元件电路在很大程度上可与图9的阵列元件电路相当，因此，相同的组件用相同的标号标识。在该实施例中，消除了行选择线rws(参见图9)，取而代之的是将存储电容器c1连接到列寻址线cws以提供扰动电压。该实施例根据图10的时序图操作，除了用cws线脉冲代替rws线脉冲之外。在这样的配置下，扰动电压脉冲通过存储电容器c1以列为基础而不是以行为基础被施加到阵列元件电极。
因此，图16的实施例的操作与图9的操作相当，除了诸如列(m)的列中的元件电极被扰动而诸如行(n)的行中的电极被感测之外。在图17中示出这样的操作，其示出了元件阵列100，该元件阵列指示了与感测行142有关的扰动列140，其中液滴108跨越了感测行内的相邻列中的阵列元件。因此，在该操作中，阵列元件(m，n)144在自电容模式下操作，因为从被感测的相同阵列元件上测量了col输出，而感测行中的其余阵列元件在互电容模式操作下，因为这类阵列元件位于与扰动列不同的列中。优点在于在这种布置中，当液滴处于不同的列中时，感测操作能够检测液滴是否已经融合，这是相对于先前实施例的横向方向。
图18是描绘替代时序图的图，该时序图示出了图9的实施例的另一示例性操作。通常，从源极线sl而不是通过rws线向扰动阵列元件的元件电极提供扰动电压脉冲，其通过驱动晶体管t1耦合到元件电极。类似于图10的时序图，通过向行(n 1)的重置晶体管t2的栅极施加重置脉冲rst而开始感测操作。这再次将传感器读出晶体管t3的栅极初始化为初始化电压vcca，选择初始化电压vcca以使感测阵列元件的t3断开。在该实施例中，通过对行(n)的栅极线gl(n)的操作来选择被感测的行，以导通所选择的行的驱动晶体管t1，然后对选择线sl(m)进行脉冲以脉冲所选择的扰动阵列元件(n，m)，如图18中所示。以这种方式，继而通过驱动晶体管t1将sl(m)脉冲耦合到扰动阵列元件的元件电极。
然后，类似于图10的时序图所示进行感测。如图18中所示，行(n)中阵列元件电极的扰动耦合到行(n 1)中的阵列元件电极，其程度取决于在行(n)和行(n 1)中的阵列元件上是否存在极性液滴及其覆盖范围。电压扰动继而通过传感器电容器c2耦合到传感器读出晶体管t3的栅极，从该传感器读出晶体管t3沿着col线向下读出输出电流。在图18的时序图中示出耦合程度，其中与没有液滴跨越行(n)和行(n 1)的阵列元件电极之间的间隙时相比，当液滴跨越行(n)和行(n 1)的阵列元件电极之间的间隙时，耦合到行(n 1)的阵列元件电极的电压脉冲会更大。在图18的时序图中进一步示出了这种差异，其中与没有液滴跨越行(n)和行(n 1)的阵列元件电极之间的间隙相比，当液滴跨越行(n)和行(n 1)的阵列元件电极之间的间隙时，沿着输出列线col向下测量的输出电流会更大。以这种方式，最终可以通过测量来自与行(n 1)的感测阵列元件相关联的传感器读出晶体管的输出col线来确定液滴覆盖的广度。
在图19中进一步示出了这种操作，该图描绘了元件阵列100，其中液滴108再次跨越相邻行中的阵列元件。通过对gl(n)施加栅极线脉冲的(n)值选择单个行(n)，并且通过对源极线脉冲sl(m)扰动的(m)的值选择单个列(m)，从而选择扰动阵列元件146。从中测量col输出的被感测行(在图19中表示为行(o))可以与行(n)不同或相同。
该实施例的优点是扰动和感测阵列元件的更灵活的可配置性。液滴之间相对于扰动阵列元件(n，m)的任何间隙的位置可以通过适当选择行(o)来测量扰动阵列元件(n，m)与元件阵列100中的任何其他像素之间的阻抗来评估。在一个变型中，多个阵列元件可以被扰动以利用任何所选择的行(o)中的感测阵列元件来增强感测操作。例如，图20是描绘元件阵列100并示出了替代布置的图，其中对2x2阵列元件148块进行扰动并且感测到所选择的感测行150。阵列元件的扰动块通常可以是任何矩形，如根据要寻址的列源极线sl和行栅极线gl所确定。扰动多个阵列元件的这种操作可用作增强从感测阵列元件的col输出线测量的被感测信号的幅度，从而增加感测信噪比(snr)的方法。
可以将在互电容模式下使用集成阻抗传感器电路的所述操作与任何合适的致动电路相结合。例如，图21是描绘包括基于图7所示的电路配置的示例性阵列元件电路的多个阵列元件的图。图22是示出图21的实施例的操作的时序图。因此，图21还描绘了以定位在相邻行(分别是行(n)和行(n 1))中的列(m)和列(m 1)布置的元件阵列的2×2部分。类似地，如关于图7所述，除了连接到列寻址线sen的驱动晶体管t1之外，该基本阵列元件电路采用五个晶体管布置(该示例实施例采用其中省略了连接到rws线的附加电容器c1的变型)。
除了从致动线act通过晶体管t5向扰动阵列元件传递扰动信号之外，操作原理类似于前述实施例。如在先前实施例中一样，再次将行(n 1)中的重置信号rst(n 1)取高，以将初始化电位vcca施加到传感器读出晶体管t3的栅极。参考图22的时序图，为了将行(n)中的扰动信号从线act传递到扰动元件电极，必须首先将包括存储电容器c3的dram元件写入为高，以确保t5接通。否则，操作类似于先前描述的操作。如图22的时序图中所示，通过对行(n)的栅极线gl(n)和对列(m)的sen(m)线进行操作来选择扰动行。这样的操作导通了扰动阵列元件中的晶体管t1和t4。如上所述，源极线sl(m)也受到脉冲以使dram元件取高以导通t5。以这种方式，选择扰动阵列元件(n，m)，并且通过向致动线act施加经由晶体管t5和t1施加到元件电极的脉冲来扰动这种阵列元件电极(n，m)上的电压。
然后，与先前实施例类似地进行感测。如图22中所示，元件(m，n)中的阵列元件电极的扰动耦合到行(n 1)中的阵列元件电极，其程度取决于行(n)和行(n 1)中的阵列元件上是否存在极性液滴及其覆盖范围。电压扰动继而通过传感器电容器c2耦合到传感器读出晶体管t3的栅极，从该传感器读出晶体管t3沿着col线向下读出输出电流。在图22的时序图中示出耦合程度，其中与没有液滴跨越行(n)和行(n 1)的阵列元件电极之间的间隙时相比，当液滴跨越行(n)和行(n 1)的阵列元件电极之间的间隙时，耦合到行(n 1)的阵列元件电极的电压脉冲会更大。在图22的时序图中进一步示出了这种差异，其中与没有液滴跨越行(n)和行(n 1)的阵列元件电极之间的间隙相比，当液滴跨越行(n)和行(n 1)的阵列元件电极之间的间隙时，沿着输出列线col向下测量的输出电流会更大。以这种方式，最终可以通过测量来自与行(n 1)的感测阵列元件相关联的传感器读出晶体管的输出col线来确定液滴覆盖的广度。
作为另一个示例，图23是描绘图7和图21的电路的变型的图，其中结合了第六晶体管t6以用于将来自致动线act的扰动电压施加到太多阵列元件电极。通过在感测阶段期间向列寻址线sen(m)施加脉冲以导通t6来操作t6的栅极。在t6导通的情况下，将act线的扰动脉冲施加到行(n)的阵列元件电极。这种配置的优点在于不需要以在电路上增加附加晶体管为代价而重写存储元件以进行感测。以其他方式进行的感测通常可与先前实施例相当。
作为另一个示例，图24是描绘包括基于图8中所示的电路配置的示例性阵列元件电路的多个阵列元件的图。图25是示出图24中的实施例在互电容模式下操作的时序图。图24描绘了以列(m)布置并位于相邻行(分别是行(n)和行(n 1))中的元件阵列的2×1部分。类似地，如关于图8所述，除了连接到列寻址线sen的驱动晶体管t1之外，该实施例使用结合有包括sram单元的致动电路和存储功能的三个晶体管阻抗传感器电路。与先前的实施例一样，在行(n)处将电压扰动施加到元件电极，而从行(n 1)的传感器读出晶体管t3测量输出。
参考图25的时序图，如在先前的实施例中一样，行(n 1)中的重置信号rst(n 1)被取高以将初始化电位vcca施加到传感器读出晶体管t3的栅极。sen(m)线与两个驱动线act(n)和actb(n)一起受到脉冲。受到扰动的行(n)的act和actb寻址线是共同驱动的。由于开关s1和s2中的任何一个在任何时候都处于接通状态(根据sram被写入“1”还是“0”)，因此act/actb上的公共信号无论如何都通过s1和s2中的一个，并且最终通过驱动晶体管t1到达元件电极，因为t1也通过寻址线sen(m)的脉冲而导通。因此，在所述行(n)中，行(n)的阵列元件的元件电极处的电位被升高为高。
然后，与先前实施例类似地进行感测。如图25中所示，元件(m，n)中的阵列元件电极的扰动耦合到行(n 1)中的阵列元件电极，其程度取决于行(n)和行(n 1)中的阵列元件上是否存在极性液滴及其覆盖范围。电压扰动继而通过传感器电容器c2耦合到传感器读出晶体管t3的栅极，从该传感器读出晶体管t3沿着col线向下读出输出电流。在图25的时序图中示出耦合程度，其中与没有液滴跨越行(n)和行(n 1)的阵列元件电极之间的间隙时相比，当液滴跨越行(n)和行(n 1)的阵列元件电极之间的间隙时，耦合到行(n 1)中的阵列元件电极的电压脉冲会更大。在图25的时序图中进一步示出了该差异，其中与没有液滴跨越行(n)和行(n 1)的阵列元件电极之间的间隙相比，当液滴跨越行(n)和行(n 1)的阵列元件电极之间的间隙时，沿着输出列线col向下测量的输出电流会更大。以这种方式，最终可以通过测量来自与行(n 1)的感测阵列元件相关联的传感器读出晶体管的输出col线来确定液滴覆盖的广度。
可以如上所述驱动图24的电路配置，以实现与上述图19中所示相当的操作结果，其中受到扰动的阵列元件在器件阵列上具有列“m”和行“n”的任意值。该实施例的变型将是将驱动晶体管t1的栅极连接到行寻址线。在这样的配置中，将实现与以上关于图11所描述相当的操作结果，其中整个行被同时扰动。
图26是描绘时序图的图，该时序图示出了根据本发明实施例的用于示例性操作的时序信号。根据任何前述实施例，扰动电压可以被施加为高频脉冲序列，如图26中所示，如通过rws(n)的描绘所例示。根据上述实施例中的任何一个，可经由其他寻址线将可相当的脉冲序列施加为扰动电压。
对于高频脉冲序列，从扰动阵列元件电极到感测阵列元件电极的电压扰动的耦合更强烈地取决于构成极性液滴的材料的电阻率(如果存在这种极性液滴的话)。特别地，对于导电性较高的液滴，高频扰动信号通过液滴更强烈地耦合，并且本质上，输出信号波形基本上对应于扰动电压波形，如图26的部分所示，其对应于高导电性液滴的存在。相反，对于导电性较低的液滴，高频扰动电压波形通过液滴的耦合更弱，并且实质上，输出信号的边缘会由于液滴的电阻分量而偏斜。等效地，低导电性液滴的行为遵循用作低通滤波器的液滴的rc模型，在图26的底部示出该模型，其对应于低导电性液滴的存在。
因此，检测到的用于感测的输出信号是扰动电压脉冲序列的频率和可能存在的液滴的电阻率的函数。因此，通过适当选择扰动电压频率，该驱动模式可以用于检测液滴的电阻率。扰动电压频率的选择将取决于整个系统的几何形状，包括要使用的液滴的大小和器件通道间隙的高度。所选择的频率通常可以在1khz-1mhz的范围内，从而允许检测到0.001-1ms/cm范围内的液滴导电性。感测液滴导电性有用的示例应用是例如us5202261中所述的导电测定法。这种测定法可用于测试诊断器件中以确定液体测试样品中预定分析物的存在或浓度，其中预定的分析物通过氧化酶相互作用从而导致液滴导电性的变化来测定。
因此，本发明的一个方面是一种操作有源矩阵介质上电润湿(am-ewod)器件的方法，其使用集成的阻抗感测电路来提供增强的互电容感测。在示例性实施例中，am-ewod器件包括以行和列的阵列布置的多个阵列元件，阵列元件中的每一个包括阵列元件电路和阵列元件电极。每个阵列元件的阵列元件电路包括致动电路和阻抗传感器电路，该致动电路被配置成向阵列元件电极施加致动电压以用于致动阵列元件，该阻抗传感器电路被集成到阵列元件电路中并被配置成感测阵列元件电极处的阻抗，该传感器电路包括传感器电容器和传感器读出晶体管，该传感器读出晶体管输出用于感测的输出电流。该操作方法包括以下步骤：对施加到第一阵列元件的阵列元件电极的电压进行扰动；将电压扰动耦合到不同于第一阵列元件的第二阵列元件的阵列元件电极；并且测量来自第二阵列元件的传感器读出晶体管的输出电流，以响应于电压扰动而进行感测。可以通过执行存储在非暂时性计算机可读介质上的程序代码的am-ewod控制系统来执行根据任何实施例的方法。该操作方法可以单独地或组合地包括以下一个或多个特征。
在该操作方法的示例性实施例中，每个阵列元件的阵列元件电路还包括连接到阵列元件电极的存储电容器，并且电压扰动包括对输入至第一阵列元件的存储电容器的电压进行扰动，该存储电容器耦合到第一阵列元件的阵列元件电极。
在该操作方法的示例性实施例中，经由行寻址线施加到存储电容器的输入。
在该操作方法的示例性实施例中，经由列寻址线施加到存储电容器的输入。
在该操作方法的示例性实施例中，电压扰动包括对输入至第一阵列元件的驱动晶体管的电压进行扰动，该驱动晶体管耦合到第一阵列元件的阵列元件电极。
在该操作方法的示例性实施例中，阵列元件电路还包括与连接到阵列元件电极的驱动晶体管不同的第二晶体管，并且电压扰动包括对输入至第一阵列元件的第二晶体管的电压进行扰动，该第二晶体管耦合到第一阵列元件的阵列元件电极。
在该操作方法的示例性实施例中，该方法还包括：在对施加到第一阵列元件的阵列元件电极的电压进行扰动之前，将第二阵列元件的传感器读出晶体管的栅极处的电压重置到初始化电压，该初始化电压使第二阵列元件的传感器读出晶体管断开。
在该操作方法的示例性实施例中，电压扰动通过第二阵列元件的传感器电容器从第二阵列元件的阵列元件电极耦合到第二阵列元件的传感器读出晶体管。
在该操作方法的示例性实施例中，第一阵列元件和第二阵列元件在不同的行中。
在该操作方法的示例性实施例中，第一阵列元件和第二阵列元件在不同的列中。
在该操作方法的示例性实施例中，第一阵列元件和第二阵列元件是阵列内的相邻阵列元件。
在该操作方法的示例性实施例中，第一阵列元件和第二阵列元件是阵列内的不相邻阵列元件。
在该操作方法的示例性实施例中，该方法还包括：对施加到多个第一阵列元件的阵列元件电极的电压进行扰动；将电压扰动耦合到不同于多个第一阵列元件的第二阵列元件的阵列元件电极；并且测量来自第二阵列元件的传感器读出晶体管的输出电流，以响应于电压扰动而进行感测。
在该操作方法的示例性实施例中，该方法还包括基于所测量的输出电流来确定极性液滴是否跨越第一阵列元件和第二阵列元件之间的间隙。
在该操作方法的示例性实施例中，该方法还包括基于所测量的输出电流来确定第一极性液滴和第二极性液滴是否已经融合。
在该操作方法的示例性实施例中，该方法还包括基于所测量的输出电流来确定在第一极性液滴和第二液滴之间是否已经形成了液滴界面双层。
在该操作方法的示例性实施例中，电压扰动包括脉冲序列。
在该操作方法的示例性实施例中，脉冲序列的频率在1khz至1mhz的范围内。
在该操作方法的示例性实施例中，该方法还包括基于所测量的输出电流来确定极性液滴的导电性。
尽管已经关于一个或多个特定实施例示出和描述了本发明，但是本领域的其他技术人员在阅读和理解本说明书和附图之后可以想到等效的变更和修改。特别地，关于由上述元件(组件、组合件、器件、组合物等)执行的各种功能，除非另有说明，否则用于描述此类元件的术语(包括对“器件”的引用)旨在对应于执行所描述的元件的指定功能(即，功能上等效的)的任何元件，但在结构上不等效于执行本文的本发明一个或多个示例性实施例中的功能的公开结构。此外，尽管以上可能仅针对几个实施例中的一个或多个描述了本发明的特定特征，但是如对任何给定或特定的应用所期望的和有利的，可以将这种特征与其他实施例的一个或多个其他特征组合。
工业适用性
所描述的实施例可以用于提供增强型am-ewod器件。am-ewod器件可以形成芯片上实验室系统的一部分。这类器件可以用于生化或生理材料的光学检测，诸如用于细胞检测和细胞计数。应用包括医疗保健诊断测试、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。
附图标记列表
32-读取器
34-药筒
35-外部传感器模块
36-am-ewod器件
38-控制电子器件
40-存储器件
44-下基板组件
46-薄膜电子器件
48-阵列元件电极
48a-阵列元件电极
48b-阵列元件电极
50-二维元件阵列
51-阵列元件
52-液滴
54-顶基板
56-间隔物
58-参考电极
60-非极性流体
62-绝缘层
64-第一疏水涂层
66-接触角
68-第二疏水涂层
70a-存在液滴情况下的电负载
70b-不存在液滴情况下的电负载
72-阵列元件电路
74-集成的行驱动器
76-列驱动器
78-集成的传感器行寻址
80-列检测电路
82-串行接口
84-电压源接口
86-连接线
100-示例性元件阵列
102-阵列元件
104-扰动行
106-感测行
108-液滴
110-通道间隙
112-第一疏水涂层
114-第二疏水涂层
116-非极性流体/油
118-第一阵列元件电极
120-第二阵列元件电极
122-绝缘层
124-顶部或参考电极
128-单个融合液滴
128a-第一液滴
128b-第二液滴
130-液滴之间的间隙
132-非电极基板层
134a-第一液滴
134b-第二液滴
136-液滴之间的小间隙
138-液滴界面双层
140-扰动列
142-感测行
144-阵列元件
146-扰动阵列元件
148-阵列元件
150-感测行。
1.一种有源矩阵介质上电润湿am-ewod器件的操作方法，
其中，所述am-ewod器件包括以行和列的阵列布置的多个阵列元件，所述阵列元件中的每一个包括阵列元件电路和阵列元件电极；并且
其中，每个阵列元件的阵列元件电路包括致动电路和阻抗传感器电路，所述致动电路被配置成向所述阵列元件电极施加致动电压以用于致动所述阵列元件，所述阻抗传感器电路被集成到所述阵列元件电路中并被配置成感测所述阵列元件电极处的阻抗，所述阻抗传感器电路包括传感器电容器和传感器读出晶体管，所述传感器读出晶体管输出用于感测的输出电流；
所述操作方法包括以下步骤：
对施加到第一阵列元件的阵列元件电极的电压进行扰动；
将电压扰动耦合到与所述第一阵列元件不同的第二阵列元件的阵列元件电极；以及
测量来自所述第二阵列元件的传感器读出晶体管的输出电流，以响应于所述电压扰动而进行感测。
2.根据权利要求1所述的操作方法，其中，每个阵列元件的阵列元件电路还包括连接到所述阵列元件电极的存储电容器，并且所述电压扰动包括对输入至所述第一阵列元件的存储电容器的电压进行扰动，所述第一阵列元件的存储电容器耦合到所述第一阵列元件的阵列元件电极。
3.根据权利要求2所述的操作方法，其中，经由行寻址线来施加对所述存储电容器的输入。
4.根据权利要求2所述的操作方法，其中，经由列寻址线来施加对所述存储电容器的输入。
5.根据权利要求1所述的操作方法，其中，所述电压扰动包括对输入至所述第一阵列元件的驱动晶体管的电压进行扰动，所述第一阵列元件的驱动晶体管耦合到所述第一阵列元件的阵列元件电极。
6.根据权利要求1所述的操作方法，其中，所述阵列元件电路还包括与连接到所述阵列元件电极的驱动晶体管不同的第二晶体管，并且所述电压扰动包括对输入至所述第一阵列元件的第二晶体管的电压进行扰动，所述第一阵列元件的第二晶体管耦合到所述第一阵列元件的阵列元件电极。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的操作方法，还包括：在对施加到所述第一阵列元件的阵列元件电极的电压进行扰动之前，将所述第二阵列元件的传感器读出晶体管的栅极处的电压重置到初始化电压，所述初始化电压使所述第二阵列元件的传感器读出晶体管断开。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的操作方法，其中，所述电压扰动通过所述第二阵列元件的传感器电容器从所述第二阵列元件的阵列元件电极耦合到所述第二阵列元件的传感器读出晶体管。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的操作方法，其中，所述第一阵列元件和所述第二阵列元件在不同的行中。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的操作方法，其中，所述第一阵列元件和所述第二阵列元件在不同的列中。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的操作方法，其中，所述第一阵列元件和所述第二阵列元件是所述阵列内的相邻阵列元件。
12.根据权利要求1至10中任一项所述的操作方法，其中，所述第一阵列元件和所述第二阵列元件是所述阵列内的不相邻阵列元件。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的操作方法，包括：
对施加到多个第一阵列元件的阵列元件电极的电压进行扰动；
将电压扰动耦合到与所述多个第一阵列元件不同的第二阵列元件的阵列元件电极；并且
测量来自所述第二阵列元件的传感器读出晶体管的输出电流，以响应于所述电压扰动而进行感测。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的操作方法，还包括：基于测量到的输出电流来确定极性液滴是否跨越所述第一阵列元件与所述第二阵列元件之间的间隙。
15.根据权利要求1至14中任一项所述的操作方法，还包括：基于测量到的输出电流来确定第一极性液滴和第二极性液滴是否已经融合。
16.根据权利要求15所述的操作方法，还包括：基于测量到的输出电流来确定在所述第一极性液滴与所述第二液滴之间是否已经形成了液滴界面双层。
17.根据权利要求1至16中任一项所述的操作方法，其中，所述电压扰动包括脉冲序列。
18.根据权利要求17所述的操作方法，其中，所述脉冲序列的频率在1khz至1mhz的范围内。
19.根据权利要求17至18中任一项所述的操作方法，还包括：基于测量到的输出电流来确定极性液滴的导电性。
20.一种有源矩阵介质上电润湿am-ewod系统，包括：
am-ewod器件，包括以行和列的阵列布置的多个阵列元件，所述阵列元件中的每一个包括阵列元件电路和阵列元件电极；
其中，每个阵列元件的阵列元件电路包括致动电路和阻抗传感器电路，所述致动电路被配置成向所述阵列元件电极施加致动电压以用于致动所述阵列元件，所述阻抗传感器电路被集成到阵列元件电路中并被配置成感测所述阵列元件电极处的阻抗，所述阻抗传感器电路包括传感器电容器和传感器读出晶体管，所述传感器读出晶体管输出用于感测的输出电流；以及
控制系统，被配置成通过以下步骤操作所述am-ewod器件：
对施加到第一阵列元件的阵列元件电极的电压进行扰动；
其中，电压扰动耦合到与所述第一阵列元件不同的第二阵列元件的阵列元件电极；以及
测量来自所述第二阵列元件的传感器读出晶体管的输出电流，以响应于所述电压扰动而进行感测。
21.根据权利要求20所述的am-ewod系统，其中，所述控制系统还被配置成操作所述am-ewod器件以执行根据权利要求2至19中任一项所述的方法。
22.根据权利要求20至21中任一项所述的am-ewod器件，其中，以行和列的阵列布置的多个阵列元件具有平面内电极结构。
23.一种与有源矩阵介质上电润湿am-ewod器件一起使用的非暂时性计算机可读介质，
其中，所述am-ewod器件包括以行和列的阵列布置的多个阵列元件，所述阵列元件中的每一个包括阵列元件电路和阵列元件电极；并且
其中，每个阵列元件的阵列元件电路包括致动电路和阻抗传感器电路，所述致动电路被配置成向所述阵列元件电极施加致动电压以用于致动所述阵列元件，所述阻抗传感器电路被集成到阵列元件电路中并被配置成感测所述阵列元件电极处的阻抗，所述阻抗传感器电路包括传感器电容器和传感器读出晶体管，所述传感器读出晶体管输出用于感测的输出电流；
所述非暂时性计算机可读介质存储程序代码，所述程序代码在由计算机执行时执行以下步骤：
对施加到第一阵列元件的阵列元件电极的电压进行扰动；
其中，电压扰动耦合到与所述第一阵列元件不同的第二阵列元件的阵列元件电极；以及
测量来自所述第二阵列元件的传感器读出晶体管的输出电流，以响应于所述电压扰动而进行感测。
24.根据权利要求22所述的非暂时性计算机可读介质，其中，所述程序代码由计算机执行，以进一步执行根据权利要求2至19中任一项所述的方法。
技术总结