用于数字微流体的空间可变介电层制造技术

一种数字微流体装置，包括由薄膜晶体管控制的推进电极的有源矩阵。该装置包括不同推进电极密度的至少两个区域。可以通过从电源或函数发生器直接驱动推进电极来驱动一个区域。在第一较高密度区域中，第一介电层覆盖推进电极。第一介电层具有第一介电常数和第一厚度。在第二较低密度区域中，第二介电层具有第二介电常数和覆盖推进电极的第二厚度。电常数和覆盖推进电极的第二厚度。电常数和覆盖推进电极的第二厚度。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于数字微流体的空间可变介电层
[0001]相关申请
[0002]本申请要求2020年1月17日提交的美国临时申请No.62/962,238的优先权。本文公开的所有参考文献、专利和专利申请均通过引用全文并入。

技术介绍

[0003]数字微流体(DMF)装置使用独立电极在受限环境中推动、分裂和结合液滴，从而提供“芯片实验室”。数字微流体装置也被称为电介质上电润湿或“EWoD”，以进一步将该方法与依赖电泳流和/或微泵的竞争微流体系统区分开来。图1示出了典型的EWoD装置，包括在同一有源矩阵上的推进和感测。Wheeler在“Digital Microfluidics,”Annu.Rev.Anal.Chem.2012,5:413
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40中提供了2012年对电润湿技术的评论。该技术允许使用少量样品和试剂进行样品制备、测定和合成化学。近年来，使用电润湿在微流体单元中控制液滴操作已在商业上可行，并且现在有来自大型生命科学公司的产品，例如Oxford Nanopore。
[0004]通常，EWoD装置包括导体堆叠、绝缘介电层和疏水层。将液滴放置在疏水层上，并且堆叠一旦启动，就会导致液滴变形并根据所施加的电压从表面润湿或去湿。大多数关于EWoD的文献报道都涉及所谓的“无源矩阵”装置(又名“分段”装置)，其中10到20个电极由控制器直接驱动。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的限制。因此，不可能在无源矩阵装置中进行大规模的并行测定、反应等。相比之下，“有源矩阵”装置(又名有源矩阵EWoD，又名AM/>‑
EWoD)装置可以具有数千、数十万甚至数百万个可寻址电极。电极通常由薄膜晶体管(TFT)切换，并且液滴运动是可编程的，使得AM
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EWoD阵列可以用作通用装置，从而为控制多个液滴和执行同时分析过程提供很大的自由。
[0005]电极通常由薄膜晶体管(TFT)切换，并且液滴运动是可编程的，使得AM
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EWoD阵列可以用作通用装置，从而为控制多个液滴和执行同时分析过程提供很大的自由。TFT阵列非常适合该应用，因为它具有数千个可寻址像素，因此允许液滴程序的大规模并行化。在一些情况下，阵列的像素电极的尺寸可以不同，例如，高密度小像素电极区域与低密度大像素电极区域相邻。不同像素尺寸的区域有助于从储存器快速分配液滴和随后的液滴分割。
[0006]传统上，在整个EWoD有源表面上使用单个介电层，包括具有不同功能的区域或具有不同像素密度的区域。因为电极的最大工作电压很大程度上取决于其电介质的特性，所以单个介电层会在整个装置上产生相对均匀的最大工作电压。然而，在大多数分析应用中，EWoD阵列的不同区域具有不同的用途，因此需要一些区域承受更大的电应变，这可能导致电压泄漏并最终击穿基板。这些失效模式在储存器区域中尤为严重，这些区域执行重复的高压过程，例如液滴分割，并且由于储存器相对于阵列不可移动，因此无法灵活地为这些过程循环不同的空间区域。

技术实现思路

[0007]本申请解决了通常与向数字微流体装置的不同区域提供不同电压和/或波形相关
联的问题，方法是引入具有空间可变电介质的新颖结构，该结构非常适合使不同电极在不同电势和频率下操作。这种架构有助于保持高应变区域(例如储存器附近)的功能。因此，本专利技术的数字微流体装置比没有这种架构的数字微流体装置具有更长的使用寿命。
[0008]在一个方面，本申请提供了一种数字微流体装置，其包括耦合到一组开关的具有第一密度的第一多个电极、可操作地耦合到所述一组开关并被配置为向第一多个电极的至少一部分提供推进电压的控制器、以及具有第二密度并且被配置为在比第一多个电极更高的电压下操作的第二多个电极。具有第一介电常数和第一厚度的第一介电层覆盖第一多个电极，并且具有第二介电常数和第二厚度的第二介电层覆盖第二多个电极。在一个实施例中，第一电极的密度大于第二电极的密度：因此，第一电极形成高分辨率区域，而第二电极形成低分辨率区域。在另一实施例中，第一介电层的介电常数大于第二层的介电常数。在另一实施例中，第一介电层的厚度小于第二介电层的厚度。第一和第二介电层可以是连续的或部分重叠的。该装置还可以包括第三多个储存器电极，其被配置为在比第一电极更高的电压下操作。在一些情况下，该装置可以仅包括第一和第三储存器电极并且不具有第二电极。在一个实施例中，第一电极被配置为在约10V和20V之间的电势下操作。在另一个非排他性实施例中，第二电极被配置为在约100V和约300V之间的电势下操作。在另外的实施例中，第三电极被配置为在约100V和约300V之间的电势下操作。在示例性实施例中，第一介电层具有约50nm和约250nm之间的厚度。在进一步的非排他性实施例中，第二介电层具有约500nm至约5μm之间的厚度。第一电极可以被配置为在第一频率下操作并且电极可以被配置为在第二频率下操作。在一个实施例中，第一电极的工作频率小于第二电极的工作频率。开关的示例类型包括薄膜晶体管(TFT)和机电开关。
附图说明
[0009]图1示出了示例性EWoD装置的基本结构。
[0010]图2是由薄膜晶体管控制的推进电极的示意图，例如在EWoD装置中常见的。
[0011]图3A示出了在电介质上电润湿(EWoD)阵列的背景下的示例性空间可变电介质结构实施例的架构。图3B是重叠的两个示例性电介质的横截面图。图3C是部分重叠的两个电介质的另一个示例的横截面图。
[0012]图4A是使用标准AM
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TFT架构的EWoD储存器的示意图。图4B是使用可以在更高电压下直接驱动的专用电极的替代储存器架构的示意图。
[0013]图5示出了在具有专用储存器电极的EWoD阵列的背景下的空间可变电介质结构的架构。
具体实施方式
[0014]如本文所公开的，本专利技术提供了包括空间可变电介质结构的有源矩阵电介质上电润湿(AM
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EWoD)装置。因此，与主阵列区域(例如，TFT像素)相比，可以在更高的电介质击穿区域(例如，覆盖有更厚的电介质的储存器)中施加大得多的电压。这种架构允许根据其介电特性在EWoD装置的不同区域内使用不同的驱动方案。在一些情况下，较高厚度的坚固电介质可以被移除并重新施加到储存器或相邻区域。这种设计可以在这些区域完全疲劳后进行回收，从而延长装置的使用寿命。
[0015]在AM
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EWoD装置的广泛区域中使用空间可变电介质允许在特定区域的装置上独立应用不同的电压和/或波形。还解决了疲劳和击穿问题，方法是允许更高应力区域在更高电压下使用更厚的电介质操作，同时防止灾难性的装置故障。此外，可变电介质结构能够增加储存器区域的致动强度，从而更容易克服来自流体输入系统的毛细力。因为可以通过施加更高的电压来增加致动强度，所以来自储存器的液滴具有更可预测的断裂，这有助于调节储存器流体的每个液滴的体积。此外，较高的致动强度扩大了可以从储存器引入装置的材料范围。
[0016]通常，在较高电本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种数字微流体装置，包括：第一多个电极，具有第一密度并且能够操作地耦合到一组开关；控制器，能够操作地耦合到所述一组开关并且被配置为向所述第一多个电极的至少一部分提供推进电压；第二多个电极，具有第二密度并且被配置为在比所述第一多个电极的推进电压更高的电压下操作；第一介电层，具有第一介电常数和第一厚度，所述第一介电层覆盖所述第一多个电极，以及第二介电层，具有第二介电常数和第二厚度，所述第二介电层覆盖所述第二多个电极。2.根据权利要求1所述的数字微流体装置，其中，所述第一多个电极的所述第一密度大于所述第二多个电极的所述第二密度。3.根据权利要求1所述的数字微流体装置，其中，所述第一介电层的所述第一介电常数大于所述第二介电层的所述第二介电常数。4.根据权利要求1所述的数字微流体装置，其中，所述第一介电层的所述第一厚度小于所述第二介电层的所述第二厚度。5.根据权利要求1所述的数字微流体装置，其中，所述第一介电层和所述第二介电层部分地相互重叠。6.根据权利要求1所述的数字微流体装置，还包括第三多个储存器电极，其被配置为在比所述第一多个电极的推进电压更高的电压下操作。7.根据权利要求1所述的数字微流体装置，其中，所述第一多个电极被配置为在约10V和约20V之间的电势下操作。8.根据权利要求1所述的数字微流体装置，其中，所述第二多个电极被配置为在约10...

【专利技术属性】
技术研发人员：D，
申请(专利权)人：核酸有限公司，
类型：发明
国别省市：