专利名称：在生物芯片或生物系统中使用的微致动器器件的制作方法
在生物芯片或生物系统中使用 的微致动器器件
本发明涉及在生物芯片或生物系统中使用的微致动器器件。
已经开发和使用了各种致动机构。在US 2004124384A1中公开了一 个例子，其中示出和描述了静电可变形薄膜作为致动元件。该致动元 件被用作微型阀(valve)的开关元件。
微致动器结构可被用来创建流体的局部混合，或与正确的驱动脉冲 一起用来创建液体的侧向输运。如果要单独控制大量结构，则优选的 是，使用有源矩阵来驱动大量的独立微致动器。
用于生物化学或生物化学分析(如分子诊断)的生物芯片将成为各 种医学、法医和食品应用的重要工具。这样的生物芯片合并了一个桌 面机中的多个实验步骤。
在希望利用片上实验室(lab-on-a-chip)系统来执行的几乎所有规 程中，流体的输运(尤其是该流体内的生物粒子的输运)是至关重要 的。
存在多种可用于生物流体的致动的输运方法。它们包括电致动((双 向)电泳和电渗)、毛细运动、经由MEMS(微电机械)的压力驱动、温度 梯度等。
因此，本发明的一个目的是实现一种微致动器器件，其用作生物传 感器或生物系统或者至少生物芯片中的微泵，通过该器件可非常精确 有效地操纵致动。
因此，解决方案是，微致动器包括光敏元件构成，该光敏元件可通 过来自光源的光子激活而从逆基本形状变形为激活的变形形状，以便 利用此受控运动来生成气体或液体中的经定义流。
因此，通过由权利要求1限定的、在生物传感器中使用的微致动器 器件来实现所述目的。
还在从属权利要求2-15中限定了该系统或器件的其他实施例。
本发明的基本思想和作用在于，致动器被光学地激励，即借助于光子来激励。
在本发明中，提议使用会根据光激励而变形的光敏制动器元件。这
通过在光照影响下经历可逆构象(conformation)变化的液晶分子来实 现。
本发明的第 一 实施例是通过操纵由照射设备输入到光敏元件中的 光子能量来影响所生成的运动的动态参数。这通过如下描述的不同手 段来实现。
它的实施例是按以下方式构造光敏元件所述逆基本形状或基础形 状是至少部分巻绕的条，而所述变形形状是该条的至少展平的形状。 因此，运动序列可导致液体或气体的流量。
在另一实施例中，在光源的二维光子处理阵列上布置光敏致动器元 件的二维矩阵阵列，其中可相互独立地操纵每一个光照射源，以便能 够激活每一个光敏致动器元件。
在有利实施例中，光敏致动器元件的材料是液晶弹性体LCE。
用于激活的光源的一种容易的方式是发光二极管，并且在光子处理 区域的情况下，其是发光二极管的阵列。在这方面来说，使用有机发 光二极管OLED作为光源或分别作为光源是有利的。可容易地将这些二 极管布置为二维阵列，以作为折叠在它们之上的致动器阵列的激活阵 列。
在另一实施例中，在光源和光敏致动器元件之间布置光快门部件。 这样，可按已定义的预定方式来容易地生成阵列中的激活图案。
在一个实施例中，光快门部件主要地且非排它性地包括液晶设备， 通过该液晶设备，能够容易地开启和关闭没有光透射的区域，以便操 纵到光敏致动器元件的光能的量。
其他替换实施例是可能的。因而，另一实施例是在光敏致动器元件 和光源之间布置次级聚合体MEM致动器作为光快门，其能够通过热量 或静电来激活。将进一步详细描述该功能。
为了生成已定义的激活图案，光快门部件被布置为无源矩阵阵列或 者有源矩阵阵列。两种情况都是可能的并将进一步描述。
在另一实施例中，光源是扫描激光束。这是非常特殊的，但也是可 能的，并且在特殊的情况下，是非常有利的构造。尽管建议了无源矩 阵LCD或OLED,但可使用任何其他无源矩阵设备。不是使用集成光源，而是还可以使用能够局部调制的任何其他光源。例如，这可以是无机 发光二极管的无源矩阵阵列或(可替换地)扫描激光束。
在另一实施例中，布置了两个光源，致动器的每一侧上一个，以便
通过相机CCD(电荷耦合器件)阵列或光电二极管阵列来控制或反馈致 动器的机械功能。
在另一实施例中，应用特殊形式的电路，该用来操纵致动器阵列的 电路已经集成了光电二极管(Ll)作为电流源，其电流取决于入射光 源的强度，通过该光电二极管(Ll)产生致动器的光学反馈。
另外，在一个实施例中，在该电路中布置了两个开关，以便在用于 致动器的光子致动的光源(Ll)和用于致动器的位置或致动的光学反 馈的光源(L2)之间进行切换。
在附图显示并在下文中描述具体实施例。
图1至图6中示出了不同的实施例。
图1示出了可巻曲光控LCE(液晶弹性体)的原理。
图2示出了 LCE分子机制。
图3示出了受控照射。
图4示出了光子LCE寻址(addressing)的例子。 图5示出了具有集成光电二极管的LCE。 图6示出了用于光学反馈的电路。 图7示出了图6的替代例。
图1示出了光敏致动器元件1的结构。可在图1的示意横截面中看 到这些结构。该结构通常包括被丙烯酸膜覆盖的下层电极以及也被电 极覆盖的第二丙烯酸膜。这是对于致动器由静电力激励的情况。通过 光刻印刷和牺牲层蚀刻来构造第二丙烯酸膜并使第二丙烯酸膜与衬底 分离。在两个电极之间施加电压差时，上层膜可克服内部应力引起的 力而不巻曲。当移除电压时，膜再次向上巻曲到其初始位置。该结构 的长度可以在15和100nm之间。图1示出了这样的膜处于向上巻曲状 态下的显微图。即使在存在流体的情况下，也可以以20-30Hz的频率 来致动这些结构。已经示出了这样的结构可用来有效地混合流体。静 电致动的一个问题是，可能发生电解。驱动致动器所需的电压取决于说明书第4/7页
其设计，但是一般它们是数十伏。由于电极与流体(其通常是用于生 物应用的水)直接接触这一事实，这导致产生气体。为了克服这一问 题，已经提出了如光子致动之类的其他方法。对于光子致动，已开发 了基于液晶弹性体网络的材料。在此情况下，液晶分子包含在光照影 响下经历异构化的偶氮苯基团。即，分子从伸直构象变为扭结构象。
因而，用于致动器1的光学致动的光源可被布置在衬底2中或在衬底2 上，或者甚至在此构造的顶部上，这意味着临近光敏致动器或致动元 件1。
在其他附图中示出了光源的不同布置和位置。
图2示出了在光照影响下经历可逆构象变化的液晶分子。通过控制 LC分子的初始定向以及弹性体网络中的后续交叉链接，获得了在被光 照射时(如通过弯曲)总体变形的材料。当用不同波长的光照射时， 该效应是可逆的。为了有效地使用此致动机制，有必要局部地调制光。 尽管对于在片上实验室中的泵吸生物医学流体而言，聚合物结构的光 致动是令人感兴趣的，但仅仅在可局部地调制光的情况下这才是可能 的。例如，如果存在具有均匀照射的多行和多列LCE (液晶弹性体)结构， 则仅仅可能发生混合而不是流动。可按照这样的方式来驱动这些结构 以便使得沿着需要流体致动的同一轴产生延迟的向上巻曲。
可通过利用空间可变的照射源的照射，来实现向上巻曲时LCE结构 的不同区域之间的时间或相位延迟。图3(尤其是在图3(a)和3(b)中) 示意性地表示了 LCE对于均勻照射和可变照射的反应的差异。如果有 必要产生某一流动图案(pattern),则光敏致动元件1的照射可在沿着 所需运动的轴的单一方向上或者以2维在空间维度上改变。可沿着所 需流动方向改变光脉冲的强度或者光脉沖的持续时间，或者光脉沖的 频谱分布。
产生这样的可变照射需要将可单独控制的光源集成到衬底中。 由此，提出了本发明以使用无源矩阵光源，以便在必须寻址的区域 上进行扫描。无源矩阵设备利用阈值电压以使得仅仅在行和列的交叉 点处才存在用来激活光源的足够电压。尽管有可能寻址单独LCE结构， 但更有可能的是，它们将被按组来寻址。例如，这样的无源矩阵光源3 可能是发射型的，如0LED 4 (有机发光二极管)(见图4，尤其是在 图4(a)中)。使用OLED作为光源的优点在于
7-仅仅在致动所需的位置处才产生光(低功率)， -薄膜封装允许光源直接位于要致动的区域下方(无视差)，-0LED可传输LCE结构的光子调制所需的高峰值光强。可使用快门式光源(其意味着使用位于光源3、4(如图4(b)的LCD) 上方的光快门7)来致动光子LCE。 LCD使用液晶层来局部地阻挡位于 该设备后方的均匀光源。这具有能够用两个或更多个光源的优点，以 及经过多路复用可在相关时间帧中选择或取消选择LCE的优点。缺点 是在LCD和LCE之间始终有个玻璃层，这可能导致视差。在图4(c)中示出了替换实施例，其可能比无源矩阵LCD或OLED更 好。这是要利用图4(c)的可静电寻址的次级PMA (PolyMEMS致动器) 结构(例如，使用无源或有源矩阵)来致动光子LCE。此实施例中利用 以下事实静电PMA的向上巻曲具有电压阈值。通过将静电PMA置于 光子结构之下，可利用它来局部地阻挡均匀光源，并且以此方式将光 学图案转印到光子LCE上。通过这样做，事实上可保持对样本的静电 寻址，但是避免了与液体的电接触以及因此带来的电解。这样的结构 的优点是，几乎不存在视差，并且对于LCD，可使用两个光源。尽管建议了无源矩阵LCD或0LED，但也可以使用任何其他无源矩 阵设备。而不是使用集成光源，而是还可使用能够被局部调制的任何 其他光源。例如，这可以是无机发光二极管的无源矩阵阵列，或者可 替换地是扫描激光束。利用所述无源矩阵， 一次通常仅仅可以寻址一行。例如，如果有 100行，则LEC结构的可寻址群组仅仅被暴露给光源占1%的时间。为 了能够补偿这一点，与持续运行的光源相比，光源必须能够在这短时 间段内产生多100倍的光。为了能够避免这一点，因为这样的高光剂 量对于光源本身以及生物样本二者通常都是有损害的，应当采用有源 矩阵。这与无源矩阵相比可减少连接数目，并且给电路设计带来了更 大的灵活性。在最简单的实施例中，基于标准有源矩阵的显示器可位 于光子LCE结构之后并用于致动。可使用有源矩阵来驱动诸如LC、OLED、 FED或无机LED之类的光源或光快门。尽管由于几乎没有开发成本，将商业上可获得的诸如TFT-LCD之类 的单元放置到LCE结构后面是有一定吸引力的，但要改善该单元以便 驱动LCE。具体地，可采用光学反馈，以便感测LCE结构是否已经实际响应于所生成的光源。可简单地监视此信号，以检查LCE正如所需要 的那样响应于光源，或者可替换地，如果需要部分展开(roll-out)的 结构，可将信号用于光学反馈。为了实现光学反馈，发光二极管5可 被集成到有源矩阵背板中，或者可使用位于有源矩阵背板后面的相机 (例如，CCD)。在后一情况下，成像系统可以存在于有源矩阵背板和 相机之间。入射到光电二极管5或相机上的光可以是LCE结构有多开 放的度量。对于OLED的情况，其中发光层可被制成透明的，则应当将 光电二极管置于局部光源Ll(3)之下(参见图5)。通过将均匀光源L2 置于LCE的另一侧上，由光电二极管测量到的该光源的强度可被用作 对于LCE结构的开放部分(fraction)的信号。选择L2的强度和波长这 两者，以便不导致LCE的致动。为了允许这种测量，光源L1在釆样时 段期间应该被关闭，或者应选择L1的波长以使得不干扰来自L2的在 光电二极管5上的信号。在实践中，在测量期间关闭Ll有可能是必要 的。代替将均匀光源L2仅仅用于测量反馈的是，而可将其用于多种目 的。例如，利用正确的波长，有可能使用弱强度的光以生成表示LCE 有多开放(即，LCE的巻曲/不巻曲的级别)的测量信号，并使用更高 强度的光以通过使得它们放松回到展开状态来擦除LCE。在另一实施例中，光源L2可经由背面而不是经由顶部来照射LCE， 这如图5所示。在此情况下，LCE需要被置于L2和反射器之间，使得 反射光能够到达光电二极管。此构造被构建在衬底2上，在此实施例中，衬底2还包含集成驱动 电子装置6。表示适合于LCE的状态的光学反馈的电路的驱动电子装置6可在图 6中找到。在此电路中，光电二极管充当电流源，其电流取决于来自均 勻光源L2的入射光的强度。对于此实施例，我们假设光电二极管对于 Ll产生的致动光不敏感。当被寻址时，在存储电容器C上存储初始栅 极-源极电压。如果LCE被关上，则该完全电压将被施加到驱动晶体管 的栅极上，并且L1将是完全强度的。当LCE开始打开时，即，向上巻 曲或向上缠绕时，则光电二极管检测来自L2的信号并开始导通电流。 这导致减少驱动晶体管上的电压的电流，由此，Ll的强度减少。在此实施例中，两个额外的开关被集成到电路中。电路布局可在图用Ll对结构寻址的时段期间隔离光电二极管。 首先，经由数据和地址线将存储器电容充电到从Ll产生调制LCE所必 要的光所需的电压V。 Sl现在闭合(close)而S2仍然断开(open)。如 果这是第一周期，则LCE将关闭，并且没有光从L2入射到光电二极管 上，什么都不会发生。在一段时间之后，现在Sl断开而S2闭合。这 将从L1产生光并且LCE开启。这样，重新寻址像素，并且C被再次充 电到电压V。利用S2断开且闭合Sl，并且才艮据从L2透过LCE的入射 光，光电二极管将放电到一定程度。然后Sl断开并且S2闭合。这样 一次又一次的重复，直到LCE足够开放到允许正好足够的光穿越到光 电二极管，其中V从C放电并且随后Ll不被导通。附图标记1. 微致动器，表示光敏致动器元件2. 衬底3. 光源，(照射设备) 4.0LED，(照射设备)5. 光电二极管6. 驱动电子设备7. 光快门部件Ll 透明0LED，(照射设备)L2 均匀光源，(照射设备)TA，TD 晶体管 C 电容器S1，S2 开关10
权利要求
1.一种在生物芯片或生物系统中使用的微致动器器件，其中所述微致动器包括光敏致动器元件(1)，所述光敏致动器元件(1)可通过光源(3，4，L1，L2)的光子激活而从逆基本形状变形为激活的变形形状，以便利用此受控运动来产生气体或液体中的已定义流。
2. 根据权利要求1的微致动器器件，其特征在于，通过操纵由照 射设备输入到所述光敏致动器元件(l)中的光子能量来影响所产生的 运动的动态参数。
3. 根据权利要求1或2的微致动器器件，其特征在于，按以下方 式构造所述光敏致动器元件(1)，其中所述逆基本形状或基础形状是至 少部分巻绕的条，而所述变形形状是该条的至少展平的形状。
4. 根据权利要求3的微致动器器件，其特征在于，在光源的2维 光子处理阵列上布置光敏致动器元件(l)的2维矩阵阵列，其中可相互 独立地操纵每一个照射设备(3, 4， Ll， L2)，以便能够激活每一个光敏致 动器元件(l)。
5. 根据权利要求1-4之一的微致动器器件，其特征在于，所述光 敏致动器元件(1)的材料是液晶弹性体LCE。
6. 根据权利要求1-5之一的微致动器器件，其特征在于，所述光 源是发光二极管(4，L1)，并且在光子处理区域的情况下，其是发光二 极管的阵列。
7. 根据权利要求6的微致动器器件，其特征在于，所述光源分别 是有机发光二极管或所述光源是多个有机发光二极管。
8. 根据权利要求1-7之一的微致动器器件，其特征在于，在所述 光源(4， Ll)和光敏致动器元件(1)之间布置光快门部件(7)。
9. 根据权利要求1-8之一的微致动器器件，其特征在于，所述光 快门部件(7)主要地且非排它性地由液晶设备构成，通过该液晶设备， 能够容易地开启和关闭没有光透射的区域，以便操纵到所述光敏致动 器元件(l)的光能的量。
10. 根据权利要求1-8之一的微致动器器件，其特征在于，在所 述光敏致动器元件(1)和光源之间布置次级聚合体MEM致动器作为光快 门，所述光快门能够通过热量或静电来激活。
11. 根据权利要求9或10的微致动器器件，其特征在于，所述光 快门部件(7)被布置为无源矩阵阵列，或者有源矩阵阵列。
12. 根据权利要求1-5之一的微致动器器件，其特征在于，所述 光源是扫描激光束。
13. 根据权利要求1-ll之一的微致动器器件，其特征在于，布置 两个光源，致动器的每一侧上一个，以便通过相机CCD阵列或光电二极管阵列来控制或反馈致动器的机械功能。
14. 根据权利要求13的微致动器器件，其特征在于，用来操纵所 述致动器阵列的电路已经集成了光电二极管(Ll)作为电流源，其电流 取决于入射光源的强度，通过其产生所述致动器的光学反馈。
15. 根据权利要求14的微致动器器件，其特征在于，在所述电路 中布置两个开关，以便在用于所述致动器的光子致动的光源(Ll)和用 于所述致动器的位置或致动的光学反馈的光源(L2)之间进行切换。
全文摘要
本发明涉及在生物芯片或生物系统中使用的微致动器器件。为了实现用作生物传感器或生物系统或者至少生物芯片中的微泵、并且通过它可非常精确有效地操纵致动的微致动器器件，解决方案是该微致动器包括光敏致动器元件(1)，该光敏致动器元件(1)可通过光源(3，4，L1，L2)的光子激活而从逆基本形状变形为激活变形形状，以便利用此受控运动来产生气体或液体中的已定义流。
文档编号B81B3/00GK101516764SQ200780035048
公开日2009年8月26日 申请日期2007年9月19日 优先权日2006年9月20日
发明者J·M·J·登图恩德, M·F·吉利斯, M·T·约翰逊, M·W·G·庞吉 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司