高电压微流体液滴低电压制造

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高电压微流体液滴低电压制造
【技术领域】
[0001]本发明涉及通过使用标准低电压半导体制造技术,来进行从半导体制造的视角被认为是高电压应用的、对微流体液滴的致动(actuat1n)。
[0002]因为本发明使得标准半导体制造技术能够实施数字微流体系统,所以本发明能够用于改进将来的具有大规模微电子和微流体集成(large-scale microelectronic andmicrofluidic integrat1n)的数字微流体系统的构建。
【背景技术】
[0003]在基于液滴的微流体器件中,液体夹设在两个平行的板之间,并且以液滴的形式运送。基于液滴的微流体系统提供了许多优点:低功耗,并且不需要诸如泵或者阀等机械部件。近年来,基于液滴的微流体系统已经广泛应用在诸如分析物和试剂的混合、生物分子的分析、和颗粒操控等应用中。在数字微流体系统中,电介质上电润湿(EWOD)和液体介电泳(LDEP)是用于分配和操控液滴的两个主要机制。EWOD和LDEP两者均利用机电力(electromechanical force)来控制液滴。EWOD微系统通常用于创建、运送、切割以及合并液体液滴。在这些系统中,液滴夹设在两个平行的板之间,并且在致动电极与非致动电极之间的润湿性之差的作用下驱使(actuate)液滴。在LDEP微系统中,当施加电压时,液体变成可极化的,并且流向电场强度更强的区域。LDEP致动机制与EWOD致动机制之间的差别在于致动电压和频率。在EWOD致动中,施加通常在50Vrms与10Vrms之间的DC或者低频AC电压,而LDEP需要更高的致动电压(10Vrms至300Vrms)和更高的频率(50kHz至200kHz)。
[0004]为了制造微流体系统,照惯例,要求构建高电压的电极以执行液滴致动。通常,然后将顶板用作电压参考(或者接地)。

【发明内容】

[0005]已经在文献中提出了许多操控微流体液滴的方法。可以将这些技术分类为化学法、热学法、声学法和电学法。液体介电泳(LDEP)和电介质上电润湿(EWOD)是两种最常见的电学法。这两种技术均利用电流体动力(electrohydrodynamic force),并且均在几何图形较简单的同时提供高的液滴速度。
[0006]液体DEP致动被定义为将可极化液体质量吸引到电场强度更高的区域中。基于DEP的微流体依赖于图案化在衬底上、涂布有薄介电层、并且利用AC电压通电的电极。对于大量皮升体积的液滴和电压控制型阵列混合器的快速分配,已经通过采用DEP而得以证明。然而,对于DEP致动,过度的焦耳加热是个问题,即使可以通过使用热导性更高的材料或者通过减小结构大小来减少焦耳加热。
[0007]EffOD使用电场来直接控制在固相与液相之间的界面能。与DEP致动相反,在EWOD中几乎消除了焦耳加热,这是因为覆盖电极的介电层阻挡了 DC电流。虽然存在许多用于操控微流体液滴的方法,但是“数字微流体” 一般是指采用EWOD来操控纳升液滴。EWOD指的是,通过在导电流体与涂布有介电层的固体电极之间施加电场,来调制在它们之间的界面张力。基于EWOD的数字微流体器件能够包括两个平行的玻璃板。底板包含可独立控制的电极的图案化阵列,并且顶板涂布有连续的接地电极。电极能够由薄层形式的具有导电性和透光性的组合特征的材料诸如铟锡氧化物(ITO)形成。将涂布有疏水膜诸如特氟龙AF的介电绝缘体例如聚对二甲苯C(parylene C)添加至板,用于降低表面的可润湿性并且用于增加在液滴与控制电极之间的电容。包含生化样品的液滴和填充物介质诸如硅油夹设在板之间。液滴在填充物介质内部移动。为了移动液滴,将控制电压施加至与液滴相邻的电极,并且同时将在液滴正下方的电极去激励(inactivate)。
[0008]在一些实施例中,微流体生物芯片能够集成微电子部件。高电压CMOS制造技术具有若干问题。第一个问题在于,高电压单元的大小。而且,功耗、制造技术的稳定性/成本、以及与现有CMOS设计的兼容性都是棘手的问题。因此,在本发明的一些实施例中的电极单元符合已成熟的低电压CMOS制造技术,以便进行微电子和微流体的集成。
[0009]本发明使用已成熟的低电压制造技术构建数字微流体系统。一旦在顶部驱动电极与底部驱动电极之间施加电位,则EWOD效应使电荷累积在液滴/绝缘体的界面中,从而引起跨在相邻电极之间的间隙的界面张力梯度,因此引起对液滴的运送。虽然电位的极性变化可以由于材料电介质与物理参数的差异的影响而导致在液滴/绝缘体中的电荷累积发生一定程度的变化,但是总体的液滴致动仍能够可靠地进行。
[0010]在一些实施例中,将高电压施加至顶板,并且通过不要求任何高电压部件的双状态开关技术(b1-state-switch technology)来实施底板上的电极。由此,已成熟的低电压制造技术可以用于构建数字微流体系统。
[0011]在其他的实施例中,低电压制造技术包括但不限于CM0S、TFT(薄膜晶体管)、以及能够用于构建上述器件的其他半导体制造技术。
[0012]在其它一些实施例中,双状态开关电极在其接地的情况下被激励(activate)。高阻抗模式包括:电极被去激励。双状态开关电极能够通过利用典型的半导体制造工艺制造而成,以减小成本和空间。
[0013]在一些实施例中,建立保护电路系统以:(1)增加击穿电压,⑵减少正电压的漏电流,(3)防止负电压通过p-n结对地短路,以及(4)增加双状态开关电极的高阻抗。
[0014]在一方面中,一种用于高电压液滴致动的器件包括:顶板,其包括连续电极,该连续电极设置在第一衬底的底表面上、被第一疏水层覆盖;以及底板,其包括多个电极的阵列,该多个电极的阵列设置在第二衬底的顶表面上、被第一介电层覆盖,其中该多个电极中的每一个由分隔结构隔开,其中第二疏水层设置在第一介电层上、形成疏水表面。在一些实施例中,连续电极与驱动电压源耦合。在其他的实施例中,驱动电压源配置用于提供驱动电压,该驱动电压配置用于液滴致动。
[0015]在其他一些实施例中,顶板进一步包括第二介电层。在一些实施例中,当液滴夹设在顶板与底板之间时,顶板与底板通过第一和第二介电层以及第一和第二疏水层绝缘,从而使得能够避免在顶板上的高电压驱动电压对底板的损坏。
[0016]在其他一些实施例中,底板通过双状态开关技术实施,其中致动模式是使电极短接至GND。在一些实施例中,该器件进一步包括高阻抗模式,其中连续电极、多个电极的阵列、或者两者,在高阻抗模式下被去激励。
[0017]在其他一些实施例中,双状态开关技术能够扩展为三状态开关技术(tr1-state-switch technology),其中第三状态为逻辑‘I’状态。逻辑‘I’状态具有电源节点VDD的电压(3.5V至0.4V)。三状态开关技术能够用于如下其他的应用中,其中高阻抗和‘0’状态用于液滴致动,而‘I’状态用于检测或者自测。在其他一些实施例中,逻辑‘I’状态能够用于液滴检测,其中在底板上的电极充电至VDD然后放电。放电速度能够取决于电极的电容的RC时间常数。在其顶部上具有液滴的电极具有大于在其顶部上不具有液滴的电极的电容。通过测量放电(或者充电)速度,可以检测到液滴。
[0018]在一些实施例中,连续电极、该多个电极的阵列、或者两者,不包含高电压部件,能够通过半导体制造工艺来实施。在其他实施例中,半导体制造工艺包括制作CMOS、TFT、TTL、GaAs或者其组合的工艺。在一些实施例中,该多个电极的阵列包括与第二电极相邻的第一电极。在一些实施例中,该器件进一步包括设置在第一电极的顶部上并且与第二电极的一部分重叠的液滴。
[0019]在其
再多了解一些
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