用于数字微流体的空间可变介电层的制作方法

用于数字微流体的空间可变介电层
1.相关申请
2.本技术要求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。


背景技术：

3.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.2012,5:413-40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。
4.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-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。
5.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-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。
6.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。


技术实现要素：

7.本技术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，本发明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。
8.在一个方面，本技术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
9.图1示出了示例性ewod装置的基本结构。
10.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。
11.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。
12.图4a是使用标准am-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。
13.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
14.如本文所公开的，本发明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-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。
15.在am-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。
16.通常，在较高电压下操作的较厚电介质更能抵抗疲劳，而本质上更复杂和脆弱的较薄电介质在电负载下更容易失效。此外，致动所需的最小电压与电容的平方根成反比，或与厚度的平方根成比例。因此，仅通过电介质厚度的变化来实现在较低电压下的操作(对于使用高密度tft阵列是理想的)是具有挑战性的。同样，使用具有增加的介电常数的材料需要复杂的沉积工艺和与由于中间间隙电子状态、结构变形和其他因素导致的泄漏相关的固有问题。
17.示例性ewod装置的基本结构在图1的横截面图中示出。ewod 200包括填充有油的单元202和至少一个水性液滴204。单元间隔物通常在50到200μm的范围内，但间隔物可以更大。在基本配置中，如图1所示，多个推进电极205设置在基板上，单个顶部电极206设置在相对表面上。该单元还包括在与油层接触的表面上的顶部疏水层207，以及在推进电极205和底部疏水层210之间的介电层208。(上基板也可以包括介电层，但在图1中未示出)。疏水层通常为20至60nm厚，并且防止液滴润湿表面。当相邻电极之间没有施加电压差时，液滴将保持球形，以尽量减少与疏水表面(油和疏水层)的接触。
18.当在相邻电极之间施加电压差时，一个电极上的电压在电介质-液滴界面处吸引液滴中的相反电荷，并且液滴向该电极移动，同样如图1所示。如上所述，可接受的液滴推进所需的电压很大程度上取决于电介质的特性。交流驱动用于减少各种电化学对液滴、电介质和电极的降解。ewod的操作频率可以在100hz到1mhz的范围内，但对于操作速度有限的tft，最好使用1khz或更低的较低频率。
19.返回到图1，顶部电极206是单个导电层，通常设置为零伏或公共电压值(vcom)以考虑由于来自用于切换电极上的电压的tft的电容反冲而导致的推进电极205上的偏移电压(参见图2)。顶部电极也可以施加方波以增加液体两端的电压。这种布置允许将较低的推进电压用于tft连接的推进电极205，因为顶板电压206附加于由tft提供的电压。
20.如图2所示，推进电极的有源矩阵可以被布置成由数据线和栅极(选择)线驱动，非常类似于液晶显示器中的有源矩阵。扫描栅极(选择)线以进行一次一行的寻址，而数据线携带要传输到推进电极以进行电润湿操作的电压。如果不需要移动，或者如果液滴要远离推进电极，则将向该(非目标)推进电极施加0v。如果液滴要向推进电极移动，则将向该(目标)推进电极施加交流电压。
21.图3a示出了在ewod阵列100的背景下的示例性空间可变电介质结构实施例的架构。以介电常数ε1和厚度t1为特征的第一电介质102铺设在阵列的高密度区域上。具有介电常数ε2和厚度t2的第二电介质104沉积在阵列的第二低密度区域上，该第二低密度区域具有与高密度区域分离的驱动电子器件。如在图3b和3c的横截面中举例说明的，第一和第二电介质可以至少部分地相互重叠并且根据具有不同沉积顺序的多种方法形成。返回到图3a，
第三电介质106可以由第一或第二介电材料形成。可替代地，电介质106可以由不同于ε1和ε2的介电常数ε3的第三材料制成。电介质的数量可以进一步扩展到四个、五个或更多，这取决于ewod上存在的区域的数量，每个区域都需要其自己的介电常数和厚度的特定组合。在一些实施例中，一种或多种电介质可由两种或更多种材料形成，混合在一起或彼此层叠以形成具有所需有效厚度的材料。
22.等式(1)建立了致动接触角θ、静止接触角θ0、单位面积电容c、电压v和液体/环境表面张力γ之间的关系：
[0023][0024]
ewod性能高度依赖于静止接触角和致动接触角之间的差(θ-θ0)。根据等式(2)，每单位面积的电容c是介电常数ε和电介质厚度d的函数
[0025][0026]
可以看出，为了增加致动的程度，希望具有高介电常数、低厚度和高电压中的一种或多种。
[0027]
可以设想调整参数空间，使得ewod装置在击穿电压vb的75％下操作，从而使得v＝0.75
·vb
。于是，与击穿电压的关系可以在等式(3)中看出，其中f表示与接触角的差成正比的致动效率，vb表示为电介质厚度d乘以介电强度ds，vb＝ds·
d：
[0028][0029]
可以看出，假设工作电压接近vb，则致动效率在更高的厚度和电压下会增加，并且这种好处不会被更厚电介质的介电常数的降低完全抵消。
[0030]
等式(4)反映了最小电压v
min
与等式(2)的电介质厚度d的平方根成正比，α是润湿和去润湿的滞后：
[0031][0032]
这说明了为什么在低电压下操作是相当困难的，因为需要积极地减少电介质厚度或增加介电常数。在相对较低的电压范围(例如，约10v)下工作所需的电介质厚度导致装置更容易疲劳和失效。还发现，与薄膜晶体管(tft)上的传统低压平台相比，在高压范围内操作的高厚度电介质往往更坚固，并提供更大的致动接触角。
[0033]
示例性较高应力ewod操作包括具有特殊电极图案的储存器区域以及用于低分辨率操作的指定中等密度电极区域。具有特殊电极的储存器区域的示例在图4a和4b中举例说明。如图4a和4b所示，灰色代表液滴液体并且网格线代表电极。
[0034]
图4a是由相对高的电极密度网格限定的示意性储存器顶视图，并且所得液滴420可以具有不同的尺寸和不同的纵横比。然而，在图4a中，如果电极由tft开关控制，则总电压的幅度通常被限制在10到20伏特之间，例如-15v、0v和15v。为了从储存器区域450可靠地产生所需尺寸的液滴420，小电极必须以最大电压差在高频下被驱动，增加了该区域发生故障的可能性。
[0035]
作为替代方案，如图4b所示，可以实施可以用更高电压驱动的专用电极470、475。此外，由于储存器450占据了大面积，因此可以用更少的电极(例如，更低的密度)来寻址该区域，从而便于制造并降低成本。如图4b所示，各种尺寸的直接驱动(即，分段)电极可用于促进快速且一致地分割成所需样品液滴420。此外，储存器区域450通常需要更频繁的致动(恒定的或周期性的)以形成和分配液滴以防止流体从储存器区域450逸出。这导致储存器区域中的电压应变增加。本发明允许在更多的储存器区域中产生更大的电润湿力，并且能够在电压和频率方面独立于ewod阵列的其余部分来操作储存器和相邻区域。通过将专用电极470、475与低压tft电极耦合，如图4b所示，可以形成相同的液滴420，然后直接寻址，从而允许如图4a所示的可变频率操作和高级波形模式，但可靠性更高。
[0036]
图5示出了在具有不同电极密度的区域的ewod阵列500的背景下的空间可变电介质结构的架构。该实施例包括衬底502、在约10v至20v范围内操作的低压tft阵列504、以及高压电极506、508，其由外部源以可变频率直接驱动并在约100v至约300v的范围内操作。高压电极506、508包括定制的储存器电极506和相邻的低分辨率移动电极508的规则网格。较厚、较坚固的电介质覆盖高压区域506和508。较厚的电介质通常在约500纳米(nm)到约5微米(μm)的范围内，并且可以包括具有低或中等介电常数的材料。适用于厚电介质的示例材料包括聚合物，例如聚对二甲苯，氟化聚合物，例如乙烯四氟乙烯(etfe)、聚四氟乙烯(ptfe)，或陶瓷材料，例如二氧化钛和氧化铝。低压区域被具有高介电常数的薄电介质覆盖。通常，较薄的电介质在大约50nm到250nm的范围内，并且包括陶瓷材料，例如二氧化硅、氮化硅、氧化铪、氧化铝、氧化钽和钛酸锶钡。在一个示例中，覆盖tft阵列504的电介质是具有高介电常数和约50nm至250nm厚度的混合陶瓷堆叠，而覆盖低分辨率电极508的电介质是厚度约为1μm的聚对二甲苯c层。
[0037]
可以用本领域常用的沉积方法制造介电层，例如溅射、原子层沉积(ald)、旋涂、化学气相沉积(cvd)和其他真空沉积技术。可以通过例如阴影掩模、光刻以及干法或湿法蚀刻技术来实现创建具有两种或更多种不同材料和厚度的电介质的空间轮廓。如果需要，可以剥离高电介质厚度区域以重新使用，因为它们的坚固性使它们能够更好地承受重复致动。
[0038]
对于本领域技术人员显而易见的是，在不脱离本发明的范围的情况下，可以对上述本发明的具体实施例进行多种改变和修改。因此，前述描述的全部内容将被解释为说明性的而不是限制性的。