包括具有薄膜晶体管和电容感测的双基底的数字微流体设备制造技术

一种有源矩阵介质上电润湿(AM

【技术实现步骤摘要】
包括具有薄膜晶体管和电容感测的双基底的数字微流体设备
[0001]本申请是优先权日为2017年10月18日、申请号为201880061705.0、名称为“包括具有薄膜晶体管和电容感测的双基底的数字微流体设备”的专利技术专利申请的分案申请。
[0002]相关申请
[0003]本申请要求于2017年10月18日提交的第62/573,846号美国临时专利申请的优先权。在本说明书中引用的所有专利和专利申请均通过引用以其整体并入本文。

技术介绍

[0004]数字微流体设备使用独立的电极以在受限的环境中推进、分裂和结合液滴，从而提供“芯片实验室(lab
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chip)”。数字微流体设备供选择地被称为介质上电润湿设备，或称为“EWoD”，以进一步区分该方法与依赖电泳流和/或微泵的竞争性微流体系统。Wheeler在“数字微流体(Digital Microfluidics),”分析化学年度评述(Annu.Rev.Anal.Chem.)2012,5:413
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40中提供了2012年电润湿技术回顾，其通过引用整体并入本文。该技术允许使用少量的样品和少量的试剂两者进行样品制备、测定和合成化学。近年来，使用电润湿在微流体单元(cell)中的受控液滴操作已成为商业可行的；并且现在有来自大型生命科学公司如Oxford Nanopore的产品。
[0005]关于EWoD的大多数文献报道都涉及所谓的“无源矩阵”设备(也称为“分段”设备)，由此十至二十个电极用控制器直接驱动。虽然分段设备易于制造，但是电极的数量受到空间和驱动约束的限制。因此，不可能在无源矩阵设备中进行大规模的平行测定、反应等。相比之下，“有源矩阵”设备(也称为有源矩阵EWoD，也称为AM
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EWoD)设备可以具有数千个、数十万个甚至数百万个可寻址电极。电极通常通过薄膜晶体管(TFT)切换，并且液滴移动是可编程的，从而AM
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EWoD阵列可以用作通用目的设备，其为控制多个液滴和执行同时的分析过程提供极大的自由度。
[0006]由于对电场泄漏的限制要求，大多数先进的AM
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EWoD设备由多晶硅(polycrystalline silicon)(也称为多晶硅(polysilicon)，也称为多晶Si(poly
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Si))构成。然而，多晶硅制造比非晶硅制造昂贵得多，非晶硅制造即用于LCD显示工业的大量制备的有源矩阵TFT中使用的类型。多晶硅制造工艺更昂贵，因为有用于处理多晶硅的独特处理和制造步骤。世界上被配置成由多晶Si制造设备的设施也更少。然而，由于多晶硅的改善的功能，Sharp Corporation已经能够在单个有源矩阵上实现包括推进、感测和加热能力的AM
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EWoD设备。参见，例如，第8,419,273号、第8,547,111号、第8,654,571号、第8,828,336号、第9,458,543号美国专利，其全部通过引用整体并入本文。图1中示出了复杂的多晶Si AM
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EWoD的示例。
[0007]尽管多晶Si制造技术允许实现复杂的AM
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EWoD设备，但是多晶Si设备制备的成本结合全球合适制造设施的缺乏，已经阻碍了AM
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EWoD技术的广泛应用。需要可以利用现有非晶硅制造能力的不同设计。这种设备可以以较低的成本和以很大的量制备，使它们适合于做普通诊断测试如免疫测定。
[0008]专利技术概述
[0009]本专利技术通过提供一种AM
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EWoD的替代结构解决现有技术的缺点，该结构非常适合于由非晶硅基底的构造。在一个实例中，本专利技术提供了一种数字微流体设备，其包括第一基底、第二基底、间隔物以及第一控制器和第二控制器。第一基底包括耦合到第一组薄膜晶体管的第一多个电极，并且包括覆盖所述第一多个电极和第一组薄膜晶体管两者的第一电介质层。第二基底包括耦合到第二组薄膜晶体管的第二多个电极，并且包括覆盖所述第二多个电极和第二组薄膜晶体管的第二电介质层。所述间隔物将第一基底和第二基底分开，并在第一基底和第二基底之间产生微流体区域。所述第一控制器可操作地耦合到所述第一组薄膜晶体管，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，而所述第二控制器可操作地耦合到所述第二组薄膜晶体管，并且被配置为确定所述第二多个电极中的至少一个与驱动电极之间的电容。在一些实施方案中，所述第一电介质层是疏水的，并且在其他实施方案中，所述第二电介质层是疏水的。在优选的实施方案中，所述第一多个电极以阵列布置，例如每线性厘米至少有25个电极。在一些实施方案中，所述第二多个电极与驱动电极相互交叉。所述第二多个电极的宽度为0.01至5mm。在一些实施方案中，信号源耦合到驱动电极并且被配置为向驱动电极提供随时间变化的电压。在一些实施方案中，所述第二基底包括至少一个透光区域，该透光区域的面积可以例如为至少10mm2。所述数字微流体设备可以由非晶硅或多晶硅构成。
[0010]在一些实施方案中，所述第二多个电极以第一密度和第二密度布置，并且所述第一密度包括每100mm2至少三倍于所述第二密度的电极。所述第二多个电极的第一密度包括每线性厘米20至200个电极。所述第二多个电极的第二密度包括每线性厘米1至15个电极。所述设备的对应于所述第一密度的面积小于所述设备的对应于所述第二密度的面积。所述设备的对应于所述第二密度的面积是所述设备的对应于所述第一密度的面积的至少三倍。数字微流体设备将具有两个不同电极密度的区域，即，用于传感器电极侧的高密度(也被称为“高分辨率”)区域和低密度(也被称为“低分辨率”)区域。这样的设计将允许用户执行粒子询问(interrogation)(即，电容感测)以确定设备的一部分中的组成或尺寸，然后简单地监控设备的另一部分中的粒子的位置或存在。总体而言，这种配置简化了设备的制造，同时还简化了与感测功能相关的数据处理。
[0011]附图简述
[0012]图1示出现有技术EWoD设备，其在同一有源矩阵上包括推进和感测两者；
[0013]图2描绘通过在相邻电极上提供不同的电荷状态，水相液滴在相邻电极之间的移动；
[0014]图3示出用于本专利技术的EWoD设备的多个推进电极的TFT结构；
[0015]图4是第一基底的一部分的示意图，其包括推进电极、薄膜晶体管、储能电容器、电介质层和疏水层；
[0016]图5是第二基底的一部分的示意图，其包括感测电极、驱动电极、薄膜晶体管、电介质层和疏水层；
[0017]图6示出用于感测电极和驱动电极的TFT结构，其被配置为用于微流体液滴的电容感测和评估；
[0018]图7说明其中感测电极和驱动电极相互交叉作为第二基底的一部分的实施方案；
[0019]图8说明数字微流体设备的俯视图，其中感测电极被布置为具有变化的高密度区
域和低密度区域。图8所示的电极布置为许多分析功能提供本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种数字微流体设备，其包括：第一基底，其包括耦合到一组薄膜晶体管的多个推进电极，并且包括覆盖所述多个推进电极和一组薄膜晶体管两者的疏水层；第二基底，其包括在所述第二基底的第一区域中的第一多个感测电极和第一多个驱动电极，其中所述第一区域中感测电极的密度为每线性厘米20至200个感测电极；在所述第二基底的第二区域中的第二多个感测电极和第二多个驱动电极，其中所述第二区域中感测电极的密度为每线性厘米1至15个感测电极；间隔物，其将第一基底和第二基底分开，并在第一基底和第二基底之间产生微流体区域；控制器，其可操作地耦合到所述一组薄膜晶体管并且被配置为在所述多个推进电极的至少一部分与所述第一多个驱动电极和所述第二多个驱动电极之间提供推进电压。2.权利要求1所述的数字微流体设备，其中，所述一组薄膜晶体管包含非晶硅。3.权利要求1所述的数字微流体设备，其中，所述多个推进电极以阵列布置。4.权利要求3所述的数字微流体设备，其中，所述推进电极的阵列包括每线性厘...

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