使用有源矩陣原理的、基於電的微流體裝置的製作方法

2023-06-02 16:13:26

專利名稱：使用有源矩陣原理的、基於電的微流體裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種使用有源矩陣原理的基於電的微流體(Macro-fluidic) 裝置，用於在醫療、保健和健康產品中使用，尤其是在生物晶片或生物系 統中。
背景技術：
微流體晶片正日益成為用於這些產品的關鍵基礎。在所有微流體裝置 中，存在的基本需要是控制流體流動，就是說，必須將流體傳送、混合、 分離以及引導通過微通道系統，該微通道系統由通常寬度是O.lmm的多個 通道組成。已經開發並使用了各種致動機制。US 2004124384 Al公開了一 種靜電可變形薄膜，但是其是作為一種微閥的開啟與關閉元件。

發明內容
因此本發明的目的是實現微結構中的一種可編程電致動器，用於在醫 療、保健和健康產品中使用，尤其是在生物晶片或生物系統中。
由專利權利要求1的各個特徵針對生物晶片的基於電的微流體裝置而 實現了所述目的。
這個系統進一步的實施例的特徵在從屬權利要求2-10中描述。 專利權利要求ll的方法的各個特徵針對操作這個系統，尤其是生物傳 感器，而實現了所述目的。
這個方法進一步的實施例的特徵在從屬權利要求12中表述。 一種使用有源矩陣原理的、基於電的微流體裝置，用於在醫療、保健 和健康產品中使用，尤其是在生物晶片或生物系統中，其中，將多MEMS 致動器(poly-MEMS actuator) (PMA)的2維矩陣陣列布置在2維系統中，
其中，使每一單個致動器以電/電子的方式彼此獨立地操縱，以便能夠在所 述矩陣中產生一種激活圖案(pattem)。藉助於每一個PMA的激活的獨立
4可能性，可以產生每一種激活圖案，從而能夠實現每一種所選的流體泵送 效果。這對於在生物傳感器微結構裝置中的使用而言是非常有利的，以便
優化對微流量(micro-flux)的極其可選擇性的操作。
一個有利的實施例是將矩陣的致動器分為列和行，其中，每一個列 -MEM在一個電子埠上由激活驅動器並行激活，每一個列-MEM (PMA)
在另一個電子埠上由選擇驅動器並行激活，從而每一個致動器都能夠通 過選擇列和行來進行尋址，從而通過這些電2維生成坐標來激活在交叉點 上的所選MEM (PMA)。藉助於此，可以以非常容易且有效的方式驅動或 激活每一個單個PMA。
本發明進一步的實施例採用了用於激活圖案的預先確定和協調的簡易 模塊，藉助於使用電子計算和操縱模塊來為致動驅動器和選擇驅動器計算 電壓操縱信號，從而訪問微流體裝置中的預定激活圖案。
本發明進一步的有利實施例是每一個PMA都包括箔電極和激活電極， 其中，所述激活電極由電晶體開關訪問，該電晶體開關的基極觸點與該PMA 所屬的行中的每個其他PMA並行地進行切換，源極/漏極觸點之中的一個 觸點與其他的列—PMA並聯連接，源極/漏極觸點之中的另一個觸點各自都 連接到其PMA的所述激活電極上。通過使用這種薄膜電晶體，可以將該系 統完全布置在公共襯底或載體上。
這將由進一步的實施例來支持，其中，每一個箔電極都與總的公共箔 電極電接觸。
在進一步的實施例中，在該陣列襯底上集成其他的電子元件，如溫度 傳感器和/或微觀結構的風速計元件和/或發光二極體。藉助於此，該陣列可 以由局部傳感器支持，以便優化陣列的激活。
進一步的實施例是使用與所述箔電極/致動電極裝置並聯的存儲器元 件，如電容器，以便保存每一個PMA的操縱狀態的電子記憶。藉助於此， 可以僅由脈衝信號產生PMA的激活。電容器保存PMA的激活位置的記憶。
可以將PMA構成或開發為小纏繞箔，或者小圓柱形管，或者無論什麼 形狀。要點在於，這些元件可以由激活信號改變形狀，從而使其可以在流 體泵送穿過微觀結構的腔的通道時移動流體。
最後，有利的是使用了一種用於操作電微流體裝置的方法，其中，在計算單元或在計算模塊中，計算作為時間t的函數的信號或信號序列Vi，
隨後通過對致動驅動器和選擇驅動器的協調操縱來導引出該信號或信號序
列Vi，以便產生PMA激活的預定模式。
提供了該方法進一步的實施例，在前述操縱信號的評價中識別其他使 用的/集成的傳感器元件的信號。


在圖1到圖6中顯示了本發明不同的實施例。
具體實施例方式
在圖1中顯示了可以利用的便利的聚合物微致動器幾何結構1。其顯示 了雙層複合結構，包括聚合物膜2 (在此情況下是丙烯酸脂)和導電膜3 (在 此情況下是鉻)，這是在我們的實驗室中製造的。對處理迸行調整，以便使 該結構向上巻曲，且在一端附著固定。當在致動器下面的電極4與作為致 動結構一部分的導電膜3之間施加電壓差時，靜電力會將該結構拉向襯底。 結果，其會展開，並在襯底上展平。當去掉該電壓時，平板就會藉助彈性 復原返回到其原始巻曲形狀。該致動效果是雙穩態的，致動器尖端的位置 是所施加電壓的函數。對於這個特定PMA設計，"展開"電壓Vim是llV， "彈性復原"電壓Ver是5V。通常可以在IV與100V之間調整這些值，這 取決於PMA的尺寸和機械特性。
應理解，在圖1中草繪的幾何結構僅是一個可能的實施例，許多其它 幾何結構也是可以想到的直柱，圓柱形杆等。(生物)流體中聚合物微致 動器的致動會引起流體流動，即流體捧作。導致有效流體流動的典型頻率 是在1到100Hz之間。為了實現有效的流體操作(傳送、混合、旋轉或者 其它的)，必不可少的是可以對微致動器或它們的組迸行獨立尋址。這會允 許產生複雜的流體流動模式。隨後可以採用略微不同相的方式來致動該致 動器(組)，產生例如致動器集合的波狀運動，這會導致傳送流動。如果以 適當的時序進行致動器組的不同相致動，則會導致混亂的混合模式。另外， 通過對致動器的受控的局部尋址，還可以實現多種具體的流動模式。
這需要用於在各個聚合物微致動器(組)的位置處產生局部電場的模塊，即必須對電極進行獨立尋址。該說明書提供了使用有源矩陣技術對這
個要求的解決方案。大面積電極，以及例如用於薄膜電晶體(TFT)的特定 有源矩陣技術，通常在平板顯示器領域中使用，用來驅動許多顯示效果， 例如LCD， OLED及電泳的。
在此，改進了對電致動器陣列的控制，優選地基於多MEM (微機電) 致動器(PMA)原理，尤其是在微流體裝置中使用，例如在生物晶片或生 物系統中。可以用無源矩陣方案來控制PMA陣列。優選地，可以用基於大 面積電子器件的可編程電極陣列來控制PMA。更優選地，以有源矩陣陣列 的形式布置電極陣列。然而，其可以可任選地包括其他元件，例如加熱元 件，其它感測元件，例如光傳感器，溫度傳感器等。
該裝置將能夠實現多MEM元件的電致動的各種定義模式。優選地，該 裝置還能夠實現多MEM元件的電致動的一系列可控制的動態可變的定義 模式。在優選實施例中，希望利用有源矩陣裝置的高尋址速度，在引言部 分所述的l-100Hz的優選頻率範圍上獨立地致動任何PMA。
圖2顯示了本發明的第一實施例，其是電氣特徵的電路設計圖。在這 個第一實施例中，我們建議通過控制在採用無源矩陣陣列形式的一組致動 電極上的電壓的幅度，來產生多MEM元件1的電致動的多種定義模式。在 這個實施例中，可以將電極陣列連接到外部電壓驅動器。在圖2中示意性 地顯示了這種情況。為了實現這個無源矩陣布局，必須將致動電極和箔電 極構成為線的形式且這些線的方向彼此之間有一個角度。在圖2的實例中， 以列的形式構成致動電極，同時以行的形式構成箔電極。為了成功地操作 無源矩陣系統，我們需要PMA呈現出電壓閾值。如在引言中所示的，這是 這個情況；要求在Vur附近的電壓展開薄片，由此在Vt附近的電壓對於啟 動這個展開是不夠的。
使用上述的閾值實例，可以配置基於無源矩陣PMA的電傳送系統。在 此實例中，在矩陣中的每一個PMA都包括2個電極，將其配置為行-箔電 極4和列-致動電極3的形式，以構成PMA陣列。
致動電極的位置號3和箔電極的位置號4與圖1的位置號的命名法在 功能上相等。
每一個行和每一個列都可以獨立地連接到電壓源。例如，行電極可以連接到選擇驅動器10 (例如類似於AMLCD的柵極驅動器的標準移位寄存 器)，其可以在0V到Vt之間切換。列電極隨後連接到致動驅動器20。致 動驅動器20可以剛好是如例如無源或有源矩陣液晶顯示器(LCD)所用的 標準電壓數據驅動器，其輸出可以具有OV或(Vur-Vt)電平。 按如下進行操作
在休眠狀態，將所有行電極設定為0V。在此情況下，沒有任何PMA 可以展開，因為橫跨電極兩端的電壓不能超過Vt (即低於閾值)。
為了展開指定的PMA，將與包含所要求的PMA的該行PMA相關聯的 行電極切換到-Vt。所有其它行保持在OV。
在PMA所在的列電極中的電壓設置為其釋放電壓+(Vur-Vt)。橫跨所要 求PMA的電極兩端的電壓現在是Vur，導致PMA的展開。
在所有其它列中的電壓保持在不會展開PMA的電壓(在此實例中是 OV)。
如果PMA不必再展開，行電極再次被設置為OV，在該點，PMA會再 次巻曲。
還可以通過將致動信號(電壓-Vur-Vt)施加到陣列中一個以上的列(見 圖2)，來同時致動指定行中的一個以上的PMA。可以通過激活另一行(行 電壓-Vt)，並將致動信號(電壓-Vur-Vt)施加到陣列中的一個或多個列來 致動不同線中的PMA。
無源矩陣方案的弱點是，不能同時且獨立的同時致動不同行中的PMA。
這就限制了可以實現的致動模式的數量。
圖3顯示了進一步的實施例。在該實施例中，建議通過獨立控制在一 組激活電極上的電壓的幅度，來產生多MEM元件1的電致動的大量定義模 式。
在最簡單的實施例中，電極陣列可以用大面積電子器件，如簡單的開 關ll，連接到外部電壓源，開關ll被設計為將電壓從外部源傳送到一個或 多個電極。在圖3 (上部)中顯示了這種情況。對於這個實施例，開關可以 實現為(薄膜)電晶體(TFT)開關(圖3下部所示)、二極體開關或MIM (金屬-絕緣體-金屬)二極體開關，並可以用公知的有源矩陣驅動原理來執 行對一個或多個單個電極的尋址。
8在基於電晶體的有源矩陣陣列的情況下，為了獨立控制單個多MEM致 動器(PMA)，所示裝置的操作如下。
在非尋址狀態，將所有選擇線設置為開關不導通的電壓。在此情況下， 沒有PMA受到控制。
為了控制指定的PMA (並由此使其巻曲或展開)，將包含所需PMA的 部分的整個線中的開關都切換為導通狀態(例如通過施加選擇信號)。
將PMA所處列中的控制信號(例如電壓)設置為其預期電平。這個信 號通過幵關傳送到PMA的致動電極，導致PMA改變其形狀(即展開)。
在所有其它列中的控制信號保持在不會改變該行中剩餘PMA的形狀 的電平上(在該實例中，它們會保持在其巻曲狀態)。
所有其它行的選擇信號會保持在未選擇狀態，從而將其它PMA經由未 導通開關連接到同一列，且並不受到控制。
在將PMA設置為預期狀態之後，在該線中的開關再次設置為非導通狀 態，避免了PMA形狀的進一步改變(除非橫跨PMA兩端的電壓洩漏，在 這時，PMA再次巻曲)。
該裝置隨後會保持在非尋址狀態，直到需要隨後的控制信號來改變第 一個或另一個PMA的形狀，在這時，重複以上操作序列。
還可以通過在所選擇的期間內將控制信號施加到陣列中一個以上的 列，來同時控制指定行中一個以上的PMA。可以通過激活另一行(使用選 擇驅動器)並將控制信號施加到陣列中的一個或多個列，來順序地控制不 同行中的PMA。
可以對該系統進行尋址，從而在存在控制信號時僅激活該PMA。然而， 在優選實施例中，有利的是將存儲器裝置包含在PMA中，例如與PMA電 極並聯的存儲電容器元件12，或者基於電晶體的存儲器元件，從而在該選 擇期間完成之後記憶該控制信號(見圖4)。這使得可以在陣列上的任何點 處同時獲得巻曲形狀或展開形狀的PMA多樣性。當然，如果可以使用存儲 器裝置，就會明確需要第二控制信號來將PMA帶回其巻曲形狀。
在一系列優選實施例中，用薄膜電晶體(TFT)技術實現了有源矩陣 PMA電傳送裝置，以確保可以獨立地驅動所有PMA (見圖3)。 TFT是薄 膜大面積電子器件中公知的開關元件，並在例如平板顯示器應用中找到了廣泛使用。在工業上，TFT的主要製造方法基於無定形矽(a-Si)或者低溫 多晶矽(LPTS)技術，同時可以使用其它技術，例如有機半導體或其它不 基於矽的半導體技術(例如CdSe)。
在提供比使用TFT的情況相比略差的靈活性的同時，還可以實現基於 有源矩陣的PMA電傳送裝置，其使用技術上不太苛求的薄膜二極體技術或 金屬一絕緣體一金屬(MIM) 二極體技術。
圖5顯示了進一步的實施例，其中TFT與雙二極體裝置交換。在提供 比使用TFT的情況相比略差的靈活性同時，還可以實現基於有源矩陣PMA 的電傳送裝置，其使用了技術上不太苛求的薄膜二極體技術。可以以幾種 已知的方式來驅動二極體有源矩陣陣列(如已經用於例如有源矩陣LCD 的)，其中的方式之一是具有復位的雙二極體(D2R)方案。
在圖5中顯示了這個有源矩陣陣列的像素電路。二極體矩陣每個PMA 具有兩個二極體， 一個二極體經由控制線向致動電極提供控制數據， 一個 二極體經由公共復位線從電極移除控制數據。由外部電壓確定阻塞範圍， 從而使該範圍可調，所述阻塞範圍是二極體不導通狀態下的電壓範圍。其 主要優點是需要較高的操作電壓PMA。通過提供串聯二極體(因為這避免
了單獨二極體在較高反向電壓的擊穿一將該電壓劃分到這些二極體上)易 於容納較高電壓一見圖5。外部連接的數量等於行加列加一 (復位線)的數 量。該電路不受二極體特性的影響，並可以選擇Pin二極體或Schottky二極 管。通過使用額外的串聯或並聯的二極體，使得電路對於短路或開路錯誤 具有冗餘。可任選地，用5個電壓電平的復位方法來驅動行。
可以用簡單的3層工藝來構成PIN (或Schottky-IN) 二極體。將無定 形半導體層，即p摻雜、本徵的、n摻雜的堆棧區，夾在上和下金屬線之間， 這兩條金屬線方向垂直。電氣特性幾乎沒有靈敏的對齊。
圖6顯示了本發明進一步的實施例。在提供比使用TFT的情況相比略 差的靈活性同時，還可以實現基於有源矩陣PMA的電傳送裝置，其使用了 技術上不太苛求的金屬一絕緣體一金屬(MIM) 二極體13技術。
傳統上，MIM二極體13有源矩陣陣列一如用於有源矩陣LCD的，具 有與在實施例1中所述的無源矩陣相似的布局。然而，引入MIM二極體作
為與每一個組件串聯的非線性電阻元件，以允許有源矩陣尋址。
10通過藉助薄絕緣層(實例是夾在Cr或Mo金屬之間的氫化氮化矽，或 者在Ta金屬電極之間的Ta205絕緣體)分離2個金屬層，來產生該MIM 裝置，並以交叉結構(cross over structure)的形式便利地實現該MIM裝置。 MIM將選擇線或控制數據線(所示的)連接到致動電極。金屬層以及絕緣 層兩者都在同一襯底上實現。可以通過給第一襯底增加到箔的第二線電極
(用於提供選擇信號)，並用另外的(更厚的)絕緣層作為交叉將其分離， 來完成PMA連接。
圖1的PMA裝置通過在兩個電極上施加電壓以展開該裝置來工作。在 所示的裝置中，由絕緣體覆蓋襯底上的電極，同時沒有覆蓋在聚合物上的 電極。因此有利地將後一未覆蓋電極的電壓保持為儘可能接近該電極在其 中進行操作的液體的電位。這會抑制電解(如果液體是水，它會在約2V以 上出現)及其它電極腐蝕狀態的出現，在有源矩陣實施例的情況下，這意 味著未覆蓋電極可以有利地構成公共電極(保持在例如OV)。
在無源矩陣的情況下，未覆蓋電極可以有利地構成選擇電極，其在未 選擇狀態下(大多數時間)保持在0V，而當實際選擇了該線時(尋址的每 一幀僅有一次一通常<時間的1%)僅接收選擇電壓。這也會限制電解和腐 蝕。
權利要求
1、一種使用有源矩陣原理的、基於電的微流體裝置，用於在醫療、保健和健康產品中使用，尤其是在生物晶片或生物系統中使用，其中，將多MEMS致動器(PMA)的2維矩陣陣列(1)布置在2維系統中，在其中，使每一單個致動器以電/電子的方式彼此獨立地操縱，以便能夠在所述矩陣中產生一種激活圖案。
2、 如權利要求l所述的電微流體裝置，其特徵在於，將所述矩陣中的所述致動器分為列和行，其中，每一個列-MEM在一個電子埠上由激活驅動器(20)並行激活，每一個列-MEM (PMA)在另一個電子埠上由選擇驅動器(10)並行激活，從而每一個致動器都能夠通過選擇列和行來進行尋址，從而由這些電2維生成坐標來激活在交叉點上的所選MEM(PMA)。
3、 如權利要求1或2所述的電微流體裝置，其特徵在於，使用電子計算和操縱模塊，以便為所述致動器驅動器(20)和所述選擇驅動器(10)計算電壓操縱信號，以訪問在所述微流體裝置中的預定激活模式。
4、 如權利要求l、 2或3所述的電微流體裝置，其特徵在於，每一個PMA (1)都包括箔電極(3)和激活電極(4)，其中，所述激活電極(4)由電晶體開關(11)訪問，該電晶體開關(11)的基極觸點與該PMA的行中的每個其他PMA並行地進行切換，源極/漏極觸點之一與其他的列-PMA並聯連接，源極/漏極觸點之中的另一個觸點各自連接到其PMA的所述激活電極上。
5、 如權利要求1到4中任意一項所述的電微流體裝置，其特徵在於，每一個箔電極(3)都與總的公共箔電極電接觸。
6、 如權利要求5所述的電微流體裝置，其特徵在於，將所述PMA陣列布置或集成在公共襯底上。
7、 如權利要求1到6中任意一項所述的電微流體裝置，其特徵在於，在所述陣列襯底上集成其他的電子元件，如溫度傳感器和/或風速計元件和/或發光二極體。
8、 如權利要求1到7中任意一項所述的電微流體裝置，其特徵在於，使用與所述箔電極/激活電極裝置(3、4)並聯的存儲器元件，如電容器(12)，以便保存每一個PMA的操縱狀態的電子記憶。
9、 如權利要求1到8中任意一項的所述電微流體裝置，其特徵在於，不是通過所述電晶體開關(11)，而是通過具有至少兩個二極體的裝置來訪問所述激活電極(4)。
10、 如權利要求1到8中任意一項的所述電微流體裝置，其特徵在於，不是通過所述電晶體開關(11)，而是通過MIM (金屬-絕緣體-金屬)二極體裝置(13)來訪問所述激活電極(4)。
11、 用於操作根據權利要求1到10中至少一項所述的電微流體裝置的方法，其中，在計算單元或在計算模塊中，計算作為時間t的函數的信號或信號序列Vi，隨後通過對所述致動器驅動器和所述選擇驅動器的協調操縱來導引出所述信號或信號序列Vi，以便產生PMA激活的預定模式。
12、 如權利要求ll所述方法，其特徵在於，在前述操縱信號的評價中識別其他所使用/集成的傳感器元件的信號。
全文摘要
本發明涉及一種使用有源矩陣原理的、基於電的微流體裝置，用於在醫療、保健和健康產品中使用，尤其是在生物晶片或生物系統中。一種使用有源矩陣原理的、基於電的微流體裝置，用於在醫學、保健和健康產品中使用，尤其是在生物晶片或生物系統中，其中，將多MEMS致動器(PMA)的2維矩陣陣列(1)布置在2維系統中，在其中，使每一單個致動器以電/電子的方式彼此獨立地操縱，以便能夠在所述矩陣中產生一種激活圖案。
文檔編號F04D33/00GK101501333SQ200780030272
公開日2009年8月5日 申請日期2007年8月10日 優先權日2006年8月14日
發明者I·弗倫奇, J·M·J·登東德, M·F·吉利斯, M·T·詹森, M·W·G·蓬吉 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司