用于数字微流体设备的电介质层制造技术

公开一种电润湿系统。所述系统包括被配置成操纵微流体空间中的流体小滴的多个电极。每个电极被耦合到可操作以选择性地向电极施加驱动电压的电路。所述系统包括电介质堆叠，所述电介质堆叠包括第一电介质对，所述第一电介质对包括具有第一介电常数的第一层和具有第二介电常数的第二层。二介电常数的第二层。二介电常数的第二层。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于数字微流体设备的电介质层
[0001]背景
[0002]数字微流体(DMF)设备使用独立电极在受限环境中推动、分裂和连接小滴，从而提供“芯片实验室(lab
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chip)”。数字微流体设备已被用于致动宽范围的体积(纳升nL至微升μL)，并且供选择地被称为电介质上电润湿或“EWoD”，以进一步将该方法区别于依赖于电泳流和/或微型泵的竞争微流体系统。在电润湿中，将连续或脉冲电信号施加至小滴，导致其接触角的切换。能够电润湿疏水表面的液体经常包括极性溶剂，诸如水或离子液体，并且经常以离子物质为特征，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中提供了2012年电润湿技术的综述。该技术允许使用微量样品和微量试剂二者进行样品制备、测定和合成化学。
[0003]EWoD数字微流体设备有两种主要架构，即开放系统和封闭系统。一般地，两种EWoD配置都包括底板，该底板以推进电极堆、绝缘电介质层和提供工作表面的疏水层为特征。然而，封闭系统还以与底板平行并包括作为所有推进电极的公共对电极的顶部电极的顶板为特征。顶板和底板以限定微流体区域的间隔关系提供，以允许在底部电极阵列和顶部电极之间施加推进电压的情况下微流体区域内的小滴运动。将小滴置于工作表面上，电极一旦致动，就会导致小滴变形，并取决于施加的电压从表面润湿或去湿。当设备的电极矩阵被驱动时，DMF设备的每个像素接收电压脉冲(即与该像素相关的两个电极之间的电压差)或电压脉冲的时间序列(即“波形”或“驱动序列(drive sequence)”或“驱动序列(driving sequence)”)以便实现从像素的一种电润湿状态到另一种电润湿状态的转变。
[0004]大多数关于EWoD的文献报告都涉及所谓的“分段”设备，其中十到几百个电极直接由控制器驱动。虽然分段设备易于制造，但电极的数量受到空间和驱动约束的限制，并且需要针对特定应用设计设备。因此，在分段设备中进行大规模平行测定、反应等可能证明是相对成问题的。相比之下，“有源矩阵”设备(又名有源矩阵EWoD，又名AM
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EWoD)设备可以具有数千、数十万甚至数百万个可寻址电极，并提供可用于许多不同应用的通用面板。
[0005]AM
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EWoD的电极经常由晶体管矩阵诸如薄膜晶体管(TFT)切换，但也可以使用电机械开关。基于TFT的薄膜电子器件可以通过使用各种电路布置控制电压脉冲到EWoD阵列的寻址。TFT阵列对于该应用是非常期望的，因为它具有数千个可寻址晶体管，从而允许小滴程序的大规模并行化。驱动电路可以集成到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。
[0006]如上所示，传统的DMF系统依赖于小滴在阵列上的连续致动，随着时间的推移，这会导致不希望的电化学反应。这又导致覆盖晶体管矩阵并且经常由电介质和/或疏水材料组成的电介质层堆叠的降解。考虑到许多DMF试剂的水性溶剂、盐和酸以及设备中施加的通常在
±
15V至
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30V的范围的相对高的电压，防止电化学降解是一项困难的任务。在文献中报道的许多分段DMF设备中，保护设备免受电化学降解是通过电介质层实现的，电介质层一般为数百纳米厚，并且通常由氧化铝、二氧化硅、聚对亚苯基二甲基或其他常见电介质制成。在这种分段设备中，电介质的厚度导致需要非常高的致动电势，在某些情况下需要数百伏的数量级的致动电势，以通过厚电介质获得小滴的适当致动。然而，在常规的基于TFT的
AM
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EWoD设备中经常不可能使用这种高电压，因为超过
±
30V范围的高电压操作易于损坏TFT电路。将致动电压保持在
±
30V以内的需要已经导致采用基于高介电常数(“κ”或“k”)材料薄层的优化结构，这降低致动DMF设备上的小滴的电压。使用原子层沉积(ALD)等先进的高质量沉积技术可能有助于使得制造能够保护DMF设备免受电化学降解的薄的、高k电介质层成为可能。然而，上述层制造技术的实施成本经常很高并且遭受制造产量低。
[0007]专利技术概述
[0008]公开一种电润湿系统。该系统包括被配置成操纵微流体空间中的流体小滴的多个电极。每个电极被耦合到可操作以选择性地向电极施加驱动电压的电路。该系统包括电介质堆叠，该电介质堆叠包括第一电介质对，该第一电介质对包括具有第一介电常数的第一层和具有第二介电常数的第二层。第二介电常数大于第一介电常数。电介质堆叠包括第二电介质对，该第二电介质对包括具有第三介电常数的第三层和具有第四介电常数的第四层。第四介电常数大于第三介电常数。第四层的厚度与第三层的厚度之比(T4:T3)在约2:1至约8:1的范围。第二电介质对比第一电介质对更薄。
[0009]在一个实施方案中，本申请提供一种用于执行小滴操作的电润湿系统，其包括：被配置为操纵微流体空间中的流体小滴的多个电极，其中每个电极被耦合到被配置为选择性地向电极施加驱动电压的电路；以及电介质堆叠，所述电介质堆叠包括：包括第一层和第二层的第一电介质对，其中第二层的介电常数大于第一层的介电常数，以及包括第三层和第四层的第二电介质对。第四层的介电常数大于第三层的介电常数。比率T4:T3在约2:1至约8:1的范围，其中T3是第三层的厚度并且T4是第四层的厚度。第二电介质对比第一电介质对更薄。
[0010]在另一个实施方案中，本申请提供一种用于执行小滴操作的电润湿系统，所述系统包括：被配置为操纵微流体空间中的流体小滴的多个电极，其中每个电极被耦合到被配置为选择性地向电极施加驱动电压的电路；以及电介质堆叠，所述电介质堆叠包括：第一电介质层，以及包括第二电介质层和第三电介质层的薄电介质对，其中：第三电介质层的介电常数大于第二层的介电常数；比率T
H
:T
L
在约3:1至约8:1的范围，其中T
H
为第三电介质层的厚度，T
L
为第二电介质层的厚度；电介质对比第一电介质层更薄。
[0011]在另一个实施方案中，本申请提供一种用于执行小滴操作的电润湿系统，所述系统包括：被配置为操纵微流体空间中的流体小滴的多个电极，其中每个电极被耦合到被配置为选择性地向电极施加驱动电压的电路；以及电介质堆叠，所述电介质堆叠包括：第一电介质层和第二电介质层，其中：第二电介质层的介电常数大于第一电介质层的介电常数；第二电介质层比第一电介质层更薄。
[0012]附图简述
[0013]图1A是示例EWoD设备的单元的横截面示意图。
[0014]图1B示出以DC顶平面模式的EWoD操作。
[0015]图1C示出具有顶平面切换(TPS)的EWoD操作。
[0016]图1D是连接到栅极线、源极线和推进电极的TFT的示本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于执行小滴操作的电润湿系统，所述系统包括：被配置为操纵微流体空间中的流体小滴的多个电极，其中每个电极被耦合到可操作以选择性地向电极施加驱动电压的电路；和电介质堆叠，其包括：包括具有第一介电常数的第一层和具有第二介电常数的第二层的第一电介质对，其中第二介电常数大于第一介电常数，以及包括具有第三介电常数的第三层和具有第四介电常数的第四层的第二电介质对，其中：第四介电常数大于第三介电常数；比率T4:T3在约2:1至约8:1的范围，其中T3是第三层的厚度，T4是第四层的厚度；和第二电介质对的总厚度比第一电介质对的总厚度更薄。2.根据权利要求1所述的电润湿系统，其中比率T4:T3在约4.5:1至约5.5:1的范围。3.根据权利要求1或权利要求2所述的电润湿系统，其中第一层和第三层各自包含独立地选自氧化铝(Al2O3)、二氧化硅(SiO2)和氮化硅(Si3N4)的材料。4.根据权利要求1
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3中任一项所述的电润湿系统，其中第二层和第四层各自包含独立地选自氧化铪(HfO2)、氧化钽(Ta2O5)、氧化钛(TiO2)、氧化锆(ZrO2)、氧化钇(Y2O3)和氧化镧(La2O5)的材料。5.根据权利要求1
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4中任一项所述的电润湿系统，其中第一、第二、第三和第四层通过原子层沉积(ALD)形成。6.根据权利要求1
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5中任一项所述的电润湿系统，其还包括第三电介质对和第四电介质对，所述第三电介...

【专利技术属性】
技术研发人员：R，
申请(专利权)人：核蛋白有限公司，
类型：发明
国别省市：