用于EWoD阵列的高频AC驱动的锁存晶体管驱动制造技术

用于驱动包括薄膜晶体管的有源矩阵电介质上电润湿器件的方法和系统，用于将推进电极的开关频率提高到超出逐行有源矩阵驱动的典型频率。通过使用锁存电路，可选择性地在“ON”和“OFF”状态之间切换特定的推进(像素)电极，其中，处于“ON”状态的推进电极可通过顶部电极上的时变驱动电压来驱动，该时变驱动电压的频率比非晶硅薄膜晶体管阵列通常可能的频率高得多。更快的驱动频率改善了电润湿器件的性能，尤其是在与具有高离子强度的水滴一起使用时。时。时。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于EWoD阵列的高频AC驱动的锁存晶体管驱动
[0001]相关申请
[0002]本申请要求2020年2月19日提交的第62/978,367号美国临时专利申请的优先权。本文公开的所有专利、申请和出版物均通过引用整体并入。

技术介绍

[0003]数字微流体(DMF)器件使用独立电极在受限环境中推动、分裂和连结液滴，从而提供“芯片实验室”。数字微流体器件已被用于致动各种体积(nL至μL)，或者被称为电介质上电润湿或“EWoD”，以使该方法进一步区别于依赖电泳流动和/或微型泵的竞争微流体系统。在电润湿中，向液滴施加连续或脉冲电信号，从而切换其接触角。能够电润湿疏水表面的液体通常包括极性溶剂，例如水或离子液体，并且通常具有离子种类，如电解质水溶液的情况。Wheeler在“Digital Microfluidics”,Annu.Rev.Anal.Chem.2012,5:413
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40中对2012年的电润湿技术进行了回顾。该技术允许使用少量的样品和试剂进行样品制备、测定和合成化学研究。近年来，利用电润湿在微流控单元中控制液滴操纵已在商业上可行，并且现有可从大型生命科学公司例如Oxford Nanopore购得的产品。
[0004]通常，EWoD器件包括电极堆叠、绝缘介电层以及提供工作表面的疏水层。液滴放置在工作表面上，并且电极一旦被致动就会根据施加的电压使液滴变形并润湿表面或从表面去湿。大多数关于EWoD的文献报道均涉及所谓的“直接驱动”器件(又名“分段”器件)，其中，十至数百个电极由控制器直接驱动。虽然分段器件易于制造，但电极的数量受到空间和驱动约束的限制。因此，无法在直接驱动器件中进行大规模的并行测定、反应等。相比之下，“有源矩阵”器件(又名有源矩阵EWoD，又名AM
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EWoD)器件可具有数千、数十万甚至数百万个可寻址电极。在AM
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EWoD器件中，电极通常由薄膜晶体管(TFT)切换并且液滴运动是可编程的，因此AM
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EWoD阵列可用作通用器件，从而为控制多个液滴和执行同时分析过程提供了极大的自由度。
[0005]AM
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EWoD的电极通常由薄膜晶体管(TFT)切换，但也可使用机电开关。通过使用与AM显示技术中所采用的电路布置非常相似的电路布置，基于TFT的薄膜电子器件可用于控制电压脉冲对EWoD阵列的寻址。由于具有数千个可寻址像素，因此TFT阵列非常适合该应用，从而允许液滴程序的大规模并行化。驱动电路可被集成到AM
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EWoD阵列基板上，并且基于TFT的电子器件非常适合AM
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EWoD应用。TFT可使用多种半导体材料制成。一种常见的材料是硅。硅基TFT的特性取决于硅的结晶状态，即，半导体层可以是非晶硅(a
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Si)、微晶硅，或者其也可被退火为低温多晶硅(LTPS)。基于a
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Si的TFT生产成本低廉，因此能够以相对较低的成本制造相对较大的基板面积。诸如金属氧化物的更奇特的材料也可用于制造薄膜晶体管阵列，但由于处理/沉积金属氧化物需要专门的设备，此类器件的制造成本通常较高。
[0006]在使用TFT切换显示像素的传统应用中，帧速率约为100Hz。然而，当DC或低频AC信号用于EWoD时，则离子可能会扩散通过顶部介电层。当离子通过它们之间的金属线和电压到达下面的TFT阵列时，则会发生一系列不同的有害电化学反应。已经出现了以100Hz驱动的a
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Si TFT EWoD器件的几种不同故障机制。另有报道指出，EWoD阵列在用于低频驱动时趋
于减速。减速的机制尚不清楚，但在高频驱动时不会发生。因此，AM
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EWoD应用需要比显示应用快的帧速率。
[0007]对于有源矩阵器件，通常将驱动信号从控制器输出到栅极和扫描驱动器，进而提供所需的电流
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电压输入以激活有源矩阵中的各种TFT。然而，能够接收例如图像数据并输出必要的电流
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电压输入以激活TFT的控制器驱动器是市售的。大多数薄膜晶体管的有源矩阵通过一次一行(又名逐行)寻址来驱动，这在绝大多数的LCD显示器中均有使用。由于低电子迁移率和大TFT尺寸，所有传统的a
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Si TFT阵列均使用一次一行寻址，这意味着电路不能有效地用于a
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Si TFT像素。金属氧化物和LTPS TFT具有比a
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Si TFT高得多的迁移率，但由于栅极和源极线上的电容性负载，即使这样也无法达到远高于200Hz的帧速率。
[0008]驱动用于电润湿应用的TFT阵列的另一种方法被称为像素内存储器。这种方法通常将高性能LTPS TFT存储器和制造在背板上的驱动电路相结合。像素内存储器驱动使用第一信号将像素置于“ON”状态，然后不同的集成电路直接向像素提供驱动信号，直到接收到单独的控制信号以将像素移动至“OFF”状态，从而禁用驱动信号。像素内存储器的优点是不需要每秒多次向长栅极和源极线施加电压脉冲。这导致明显的功率降低。在先进的像素内存储器技术中，极高质量的LTPS TFT用于在每个像素处结合存储器和振荡器电路，并允许高频(1kHz)EWoD操作。然而，由于需要许多附加的掩模和沉积步骤，采用振荡器技术的像素内存储器的制造成本非常昂贵。此外，由于额外的处理步骤，成品率明显降低，超过了使用a
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Si的普通“简单的”AM
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TFT设计。这些工艺不适合使用AM
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TFT面板，因为由于像素数量随着对角线长度的增加而呈指数增长，因此故障机会的数量进一步加剧了由于额外步骤导致的低成品率。

技术实现思路

[0009]在第一方面，提供了一种有源矩阵电介质上电润湿(AM
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EWoD)系统。该系统包括处理单元、像素阵列、多个矩阵栅极驱动器、多个矩阵源极驱动器、电源、与像素阵列相对设置的顶面公共电极、以及控制器。阵列的每个像素包括：像素电极；像素晶体管，其包括源极、漏极和栅极，像素晶体管的源极可操作地连接到像素电极，并且像素晶体管的漏极可操作地连接到矩阵电源轨；锁存电路，其可操作地连接到像素晶体管的栅极、矩阵栅极线、矩阵源极线和矩阵电源轨，锁存电路被配置为将像素晶体管锁存在由矩阵栅极线的状态和矩阵源极线的状态控制的导通状态或关断状态。每个矩阵栅极驱动器可操作地连接到矩阵栅极线。每个矩阵源极驱动器可操作地连接到矩阵源极线。电源可操作地连接到多个矩阵电源轨。顶面公共电极可操作地连接到顶面公共电极驱动器并且被配置为提供时变电压。控制器可操作地连接到矩阵栅极驱动器、矩阵源极驱动器和顶面公共电极驱动器，控制器被配置为接收来自处理单元的指令以将像素晶体管锁存在导通状态或关断状态。在一些实施例中，锁存电路包括锁存晶体管，该锁存晶体管包括源极、漏极和栅极，并且锁存晶体管可操作地连接到矩阵栅极线和矩阵源极线，而锁存电容器可操作地连接到像素栅极、锁存晶体管的漏极和矩阵电源轨。在一个非排他本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种有源矩阵电介质上电润湿(AM
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EWoD)系统，所述系统包括：(i)处理单元；(ii)像素阵列，每个像素包括：像素电极；像素晶体管，其包括源极、漏极和栅极，所述像素晶体管的源极能够操作地连接到所述像素电极，并且所述像素晶体管的漏极能够操作地连接到矩阵电源轨；锁存电路，其能够操作地连接到所述像素晶体管的栅极、矩阵栅极线、矩阵源极线和所述矩阵电源轨，所述锁存电路被配置为将所述像素晶体管锁存在由所述矩阵栅极线的状态和所述矩阵源极线的状态控制的导通状态或关断状态；(iii)多个矩阵栅极驱动器，每个矩阵栅极驱动器能够操作地连接到矩阵栅极线；(iv)多个矩阵源极驱动器，每个矩阵源极驱动器能够操作地连接到矩阵源极线；(v)电源，其能够操作地连接到多个矩阵电源轨；(vi)顶面公共电极，其与所述像素阵列相对设置，所述顶面公共电极能够操作地连接到顶面公共电极驱动器并被配置为提供时变电压；以及(vii)控制器，其能够操作地连接到所述矩阵栅极驱动器、所述矩阵源极驱动器和所述顶面公共电极驱动器，所述控制器被配置为接收来自所述处理单元的指令以将所述像素晶体管锁存在导通状态或关断状态。2.根据权利要求1所述的AM
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EWoD系统，其中，所述锁存电路包括：锁存晶体管，其包括源极、漏极和栅极，所述锁存晶体管能够操作地连接到所述矩阵栅极线和所述矩阵源极线；以及锁存电容器，其能够操作地连接到所述像素栅极、所述锁存晶体管的漏极和所述矩阵电源轨。3.根据权利要求2所述的AM
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EWoD系统，其中，所述像素晶体管和所述锁存晶体管是薄膜晶体管(TFT)。4.根据权利要求3所述的AM
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EWoD系统，其中，所述像素晶体管和所述锁存晶体管包括非晶硅(a
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SiTFT)层。5.根据权利要求3所述的AM
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EWoD系统，其中，所述像素晶体管和所述锁存晶体管包括金属氧化物半导体层。6.根据权利要求1所述的AM
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EWoD系统，其中，所述顶面公共电极驱动器被配置为提供频率在250Hz和5kHz之间的时变电压。7.根据权利要求1所述的AM
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EWoD系统，其中，所述顶面公共电极驱动器被配置为提供频率在500Hz和1.5kHz之间的时变电压。8.根据权利要求1所述的AM
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EWoD系统，其中，所述顶面公共电极驱动器被配置为提供频率在750Hz和1.25kHz之间的时变电压。9.根据权利要求1所述的AM
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EWoD系统，其中，所述顶面公共电极驱动器被配置为以高于或等于锁存器驱动频率的频率运行。10.根据权利要求1所述的AM
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EWoD系统，其中，所述控制器包括能够操作地连接到所述矩阵栅极驱动器和所述矩阵源极驱动器的第一子控制器，以及能够操作地连接到所述顶面
公共电极驱动器的第二子控制器。11.根据权利要求1所述的AM
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EWoD系统，还包括在所述像素阵列和所述顶面公共电极之间的间隔件。12.一种驱动有源矩阵电介质上电润湿(AM
‑
EWoD)系统的方法，所述系统包括：(i)处理单元；(ii)像素阵列，每个像素包括：像素电...

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