致动器上温度测量的方法
【专利说明】致动器上温度测量的方法
[0001 ] 1相关申请
[0002] 除了本文所引用的专利申请，其每一个通过引用并入本文，本专利申请涉及于 2013年7月 19 日提交的、题为 "Methods of On-Actuator Temperature Measurement" 的美 国临时专利申请No. 61/856429并要求其优先权，其全部公开内容通过引用并入本文。 2发明领域
[0003] 本发明涉及监测以及控制液滴致动器中温度的方法，其包含致动器上温度测量和 温度控制。
[0004] 3 背景
[0005] 液滴致动器典型地包括一个或多个被配置成形成用于进行液滴操作的表面或间 隙的基板。一个或多个基板建立用于进行液滴操作的液滴操作表面或间隙，并且还可以包 括布置成进行液滴操作的电极。液滴操作基板或基板之间的间隙可以用不与形成液滴的液 体混溶的填料流体涂覆或填充。液滴致动器可以包括加热区，在其中进行液滴操作。监测以 及控制加热区的现有方法可能不准确。因此，需要一种新的方法来控制液滴致动器中的温 度。
[0006] 4发明的简要说明
[0007] 本发明涉及致动器上温度测量和控制的方法，其包含在液滴致动器上提供一个或 多个液滴以及用液滴致动器上的一个或多个温度传感器测量一个或多个液滴的温度，其 中，一个或多个温度传感器中的每一个包含温度传感器布线迹线和连接部，其中，该连接部 包含多个被配置成使能施加来自电流源的一定量的电流和对电压进行测量的端子，其中， 该电压相关至温度。在一些实施例中，温度传感器布线迹线设置在印刷电路板(PCB)上。在 其他实施例中，连接部中的至少一个为开尔文电连接部（Kelvin electrical connection)，特别是其中，开尔文电连接部包含电阻器Rl，更特别地，其中，电阻器R1被配 置成测量一个或多个温度传感器的电阻。在进一步的实施例中，开尔文电连接部包含4-端 子开尔文连接部(Kelvin connection)，其包含端子Tl、端子T2、端子T3和端子T4。在又另一 个实施例中，端子Tl和端子T2包含电流端子，特别是其中，电阻器Rl被布置在端子Tl和端子 T2之间，以及更特别地，其中，端子Tl和端子T2被配置成通过恒流源驱动。在另一个实施例 中，开尔文电连接部还包含电阻器R2和电阻器R3,特别是其中，开尔文电连接部还包含一回 路，其包含电阻器RU电阻器R2、电阻器R3和电流源。在又一个实施例中，端子T3和端子T4包 含传感端子，特别是其中，端子T3和端子T4被配置成测量跨电阻器Rl的电压。在另一个实施 例中，开尔文电连接部还包含电阻器R4和电阻器R5,特别是其中，开尔文电连接部还包含一 回路，其包含电阻器Rl、电阻器R4、电阻器R5和电压。
[0008] 在致动器上温度测量和控制的方法的另一个实施例中，一个或多个温度传感器中 的一个包含第一温度传感器，其包含4-端子开尔文连接部，进一步地，其中，一个或多个附 加的温度传感器包含2-端子连接部，特别是其中，各连接部被配置成使得电流能够串行地 流过第一温度传感器和一个或多个附加的温度传感器。在进一步的实施例中，一个或多个 附加的温度传感器共享同一电流源。
[0009] 在致动器上温度测量和控制的方法的另一个实施例中，液滴致动器还包含一个或 多个加热器，其中，一个或多个加热器中的每一个包含加热器布线迹线。在进一步的实施例 中，一个或多个温度传感器中的每一个对应于加热器，从而形成一个或多个温度传感器-加 热器对，特别是其中，一个或多个温度传感器-加热器对中的每一对的温度传感器布线迹线 和加热器布线迹线包含同一布线迹线。
[0010] 在致动器上温度测量和控制的方法的另一个实施例中，液滴致动器被配置成防止 温度传感器布线迹线的温度增加超过约0. rc。在进一步的实施例中，液滴致动器被配置成 使能脉冲式测量。在又另一个实施例中，液滴致动器被配置成使用连续的测量来使能过采 样。在又另一个实施例中，液滴致动器被配置成使能从电压的测量结果中排除热电动势 (EMF)，特别是其中，液滴致动器被配置成通过经由偏移补偿方法、电流反向方法、Delta法 或锁相方法使能从电压的测量结果中排除热EMF。
[0011]在致动器上温度测量和控制的方法的另一个实施例中，温度传感器布线迹线被配 置成形成限定的形状或几何图案，特别是基本上圆形的图案或基本上方形的图案。在另一 个实施例中，温度传感器布线迹线包括7-回路温度传感器、5-回路温度传感器、3-回路温度 传感器或1-回路温度传感器。在另一个实施例中，温度传感器布线迹线还包括致动器上温 度传感器。在进一步的实施例中，连接部中的至少一个为开尔文电连接部，特别是其中，开 尔文电连接部包含电阻器R1，甚至更特别地，其中，电阻器Rl被配置成测量一个或多个温度 传感器的电阻。在进一步的实施例中，开尔文电连接部包含4-端子开尔文连接部，其包含端 子Tl、端子T2、端子T3和端子T4。在又另一个实施例中，温度传感器布线迹线包含连续的布 线迹线，特别是其中，连续的布线迹线被以包含围绕中心点的一个或多个同心圆的蛇形进 行配置。在又另一个实施例中，端子Tl和T3位于温度传感器布线迹线的一端以及端子T2和 T4位于温度传感器布线迹线的另一端。在又另一个实施例中，温度传感器布线迹线对应于 电阻器R1。在进一步的实施例中，液滴致动器还包含一个或多个加热器，其中，一个或多个 加热器中的每一个包含加热器布线迹线。在另一个实施例中，一个或多个温度传感器中的 每一个对应于加热器，从而形成一个或多个温度传感器-加热器对，特别是其中，一个或多 个温度传感器-加热器对中的每一对的温度传感器布线迹线和加热器布线迹线包含同一布 线迹线。在进一步的实施例中，一个或多个温度传感器-加热器对中的每一对被配置成使得 一个或多个印刷电路板(PCB)基板能够位于在温度传感器迹线和加热器传感器迹线内和/ 或围绕温度传感器迹线和加热器传感器迹线的空间中。在又另一个实施例中，加热器的整 体面积比温度传感器的整体面积大，特别是其中，加热器的整体面积为约5.5毫米X约5.5 毫米，以及其中，温度传感器的整体面积为约4.375毫米X约4.375毫米。
[0012]在致动器上温度测量和控制的方法的另一个实施例中，加热器布线迹线包含致动 器上加热器。在一个实施例中，温度传感器布线迹线包含约为17微米的厚度、约为125微米 的宽度、约为49.65毫米的长度、在约20 °C约为0.402欧姆的电阻R、约为54yV/°C的灵敏度和 约0.00384的阿尔法(α)，其中，α是每°C的温度系数。在另一个实施例中，温度传感器布线迹 线包含在约-l〇°C约为0.485欧姆且在约120°C约0.759欧姆的电阻R。在另一个实施例中，温 度传感器布线迹线包含在约20 °C约为0.548欧姆的电阻R和约为0.0038537的阿尔法(α)。在 另一个实施例中，温度传感器布线迹线包含约为17微米的厚度、约为125微米的宽度、约为 76.88毫米的长度、在约20°C约为0.623欧姆的电阻R。在另一个实施例中，温度传感器布线 迹线包含在约-l〇°C约为0.551欧姆且在约120°C约为0.862欧姆的电阻R。在另一个实施例 中，温度传感器布线迹线包含铜，特别是其中，温度传感器布线迹线包含半盎司铜。在另一 个实施例中，加热器布线迹线包含比铜阻性更大的材料，特别是其中，该比铜阻性更大的材 料选自由镍磷(NiP)合金、镍铬(NiCr)合金、镍铬铝硅(NCAS)、硅氧化铬(CrSiO)和碳基油墨 组成的组。
[0013] 在致动器上温度测量和控制的方法的另一个实施例中，液滴致动器包含多个加热 器，其中，多个加热器中的每一个的一个侧面共同被电连接，以及其中，多个加热器中的每 一个的其他侧面包含分离的电连接部，特别是其中，多个加热器中的每一个的被共同电连 接的侧面使用同一连接部，更特别地，其中，该连接部包含在空间上与加热器隔开的连接 器。
[0014] 在致动器上温度测量和控制的方法的另一个实施例中，一个或多个温度传感器中 的一个包含第一温度传感器，其包含4-端子开尔文连接部，以及进一步地，其中，一个或多 个附加的温度传感器包含2-端子连接部。在另一个实施例中，各连接部被配置成使得电流 能够串行地流过第一温度传感器和一个或多个附加的温度传感器，特别是其中，一个或多 个附加的温度传感器共享同一电流源。在另一个实施例中，温度传感器和加热器基本上对 齐，特别是其中，温度传感器和加热器位于底部基板的不同层，其中，液滴致动器包含被液 滴操作间隙隔开的底部基板和顶部基板。在另一个实施例中，液滴致动器包含印刷电路板 (PCB)叠层，其包含温度传感器层、加热层和电极层，特别是其中，底部基板包含多层PCB，其 包含信号层、功率层和接地层的配置，更特别地，其中，液滴操作电极设置在层Ll上，温度传 感器设置在层L2上，以及加热器设置在层L4上。在另一个实施例中，层L2上的温度传感器和 层L4上的加热器与设置在层Ll上的液滴操作电极基本上对齐，特别是其中，层L2上的温度 传感器设置在最接近液滴操作电极的PCB层上。
[0015] 在致动器上温度测量和控制的方法的另一个实施例中，多个温度传感器-加热器 对被以温度传感器-加热器对阵列进行配置。在另一个实施例中，温度传感器布线迹线和加 热器布线迹线被配置成形成限定的形状或几何图案，特别是其中，限定的形状或几何图案 选自由线性、圆形、卵形或椭圆形、方形、矩形、三角形、六角形、螺旋和分形组成的组。在另 一个实施例中，一个或多个温度传感器-加热器对中的每一对由同一布线迹线形成，从而形 成一个或多个组合的传感器/加热器迹线，特别是其中，液滴致动器被配置成使用电子多路 复用技术来控制一个或多个组合的传感器/加热器迹线，更特别地，其中，电子多路复用技 术为脉冲宽度调制。在另一个实施例中，液滴致动器被配置成通过顺序地扫描每个温度传 感器以及测量温度传感器的电阻来测量温度传感器，特别是其中，液滴致动器还包含在微 控制器的控制下的现场可编程门阵列(FPGA)，更特别地，其中，液滴致动器还包含在微控制 器的控制下的复杂可编程逻辑器件(CPLD)。在另一个实施例中，液滴致动器被配置成独立 地控制一个或多个加热器中的每一个。
[0016] 5附图的简要说明
[0017] 图1示出开尔文电连接部的示意图；
[0018] 图2、图3、图4和图5分别示出由以圆形图案布局的布线迹线形成的温度传感器的 四个例子的平面图；
[0019] 图6A示出温度传感器的另一个例子的平面图，其中，温度传感器是由以方形图案 布局的布线迹线形成；
[0020] 图6B示出被设计成基本上对应于图6A中所示的温度传感器的加热器迹线的一个 例子的平面图；
[0021 ]图7示出图6B中所示的加热器迹线的阵列的一个例子的平面图；
[0022] 图8示出液滴致动器中电极温度传感器-加热器堆叠的一个例子的横截面图；
[0023] 图9示出一组非铜加热器的一个例子的平面图；
[0024] 图10A、图IOB和图IOC示出温度传感器的连接部的配置的例子的平面图；
[0025]图11显不一组相对于液滴致动器中的热分布的曲线的加热器的一个例子；
[0026] 图12示出微流体系统的一个例子的功能框图；
[0027] 图13示出显示了图12的微流体系统和液滴致动器的校准部分的更多细节的方框 图；以及
[0028]图14显示对于铜温度传感器的电阻对温度的曲线的一个例子。
[0029] 6 定义
[0030]如本文中所使用的，以下术语具有指出的含义。
[0031] "激活"，参照一个或多个电极，意味着影响一个或多个电极的电状态的变化，在液 滴的存在时，这导致液滴操作。电极的激活可以利用交流或直流来实现。任何合适的电压都 可以使用。例如，电极可以使用高于约150伏，或高于约200伏，或高于约250伏，或从约275V 至约1000伏，或约300V的电压来激活。在使用交流的情况下，任何合适的频率都可以采用。 例如，电极可以使用频率为从约1赫兹至约10兆赫，或从约10赫兹至约60赫兹，或从约20赫 兹至约40赫兹，或约30赫兹的交流电来激活。
[0032] "珠粒"，相对于液滴致动器上的珠粒，指任何能够与在液滴致动器上或接近液滴 致动器的液滴相互作用的珠粒或粒子。珠粒可以是任何的多种形状，如球形的、大致球形 的、蛋形的、盘形的、立方体的、无定形的以及其他三维的形状。各珠粒可以，例如，能够经受 液滴致动器上的液滴中的液滴操作，或以其他方式被相对于液滴致动器以允许液滴致动器 上的液滴被抵接液滴致动器上的珠粒和/或离开液滴致动器的方式配置。珠粒可以在液滴 中，在液滴操作间隙或在液滴操作表面提供。珠粒可以在位于液滴操作间隙外部或位于离 开液滴操作表面的贮存器中提供，以及该贮存器可以与允许包括珠粒的液滴被带入液滴操 作间隙或与液滴操作表面接触的流动路径相关联。各珠粒可以使用各种各样的材料，包括 例如，树脂和聚合物，来制造。各珠粒可以是任何合适的尺寸，包括例如，微珠粒、微粒子、纳 米珠粒和纳米粒子。在某些情况下，各珠粒是磁响应的；在另一些情况下，各珠粒不是显著 地磁响应的。对于磁响应的珠粒，磁响应材料可以基本上构成所有的珠粒、珠粒的一部分或 珠粒的仅仅一个组分。珠粒的其余部分可以包括，除了其他外，聚合物材料、涂料和允许测 定试剂的附着的部分。合适的珠粒的例子包括流式细胞仪微珠粒、聚苯乙烯微粒子和纳米 粒子、功能化聚苯乙稀微粒子和纳米粒子、涂覆的聚苯乙稀微粒子和纳米粒子、二氧化娃微 珠粒、荧光微球和纳米球，功能化的荧光微球和纳米球、涂覆的荧光微球和纳米球、色染微 粒子和纳米粒子、磁性体微粒子和纳米粒子、超顺磁性微粒子和纳米粒子（例如， DYNABEADS?粒子，购自加利福尼亚州卡尔斯巴德的Invitrogen集团），荧光微粒子和 纳米粒子、涂覆的磁性体微粒子和纳米粒子、铁磁性微粒子和纳米粒子、涂覆的铁磁微粒子 和纳米粒子，以及在公开于2005年11月24日、题为"Multiplex flow assays preferably with magnetic particles as solid phase" 的美国专利公开号20050260686;公开于2003 年7月 17 日、题为 "Encapsulation of discrete quanta of fluorescent particles" 的 20030132538;公开于 2005年6 月2 日、题为"Multiplexed Analysis of Clinical Specimens Apparatus and Method" 的20050118574;公开于2005年 12月15 日、题为 "Microparticles with Multiple Fluorescent Signals and Methods of Using Same" 的 20050277197;公开于2006年7 月20 日、题为"Magnetic Microspheres for use in Fluorescence-based Applications"的20060159962中描述的那些；这些申请的全部公开 内容为了它们关于珠粒和磁响应的材料和珠粒的教导而通过引用并入本文。各珠粒可以被 预先与能够结合到生物分子并与生物分子形成复合物的生物分子或其他物质结合。各珠粒 可以被预先与抗体、蛋白质或抗原、DNA/RNA探针或任何具有对于所需靶的亲和力的其他分 子结合。用于固定磁响应珠粒和/或非磁响应珠粒且/或进行使用珠粒的液滴操作协议的液 滴致动器技术的例子被描述在于2006年12月15日提交的、题为"Droplet-Based Particle Sorting"的美国专利申请号11/639566;于2008年3月25日提交的、题为"Multiplexing Bead Detection in a Single Droplet"的美国专利申请No.61/039183;于2008年4月25日 提交的、题为 "Droplet Actuator Devices and Droplet Operations Using Beads" 的美 国专利申请Ν〇·61/047789;于2008年8月5日提交的、题为"Droplet Actuator Devices and Methods for Manipulating Beads"的美国专利申请Ν〇