本发明涉及有源矩阵阵列及其元件。在特定方面，本发明涉及数字微流体，并且更具体地涉及有源矩阵介质上电润湿(am-ewod)，并且还涉及驱动这种设备的方法。
背景技术：
介质上电润湿(ewod)是用于通过施加电场来操纵流体的液滴的公知技术。有源矩阵ewod(am-ewod)是指例如通过使用薄膜晶体管(tft)，在包含晶体管的有源矩阵阵列中实现ewod。因此，它是用于芯片上实验室技术的数字微流体的候选技术。对该技术的基本原理的介绍可以在以下中找到：“digitalmicrofluidics：isatruelab-on-a-chippossible？”，r.b.fair，microfluidnanofluid(2007)3：245-281。
图1在横截面中示出了常规ewod设备的一部分。该设备包括下基板72，其最上层由导电材料形成，导电材料被图案化以便实现多个阵列元件电极38(例如，图1中的38a和38b)。给定阵列元件的电极可以被称为阵列元件电极38。包括极性材料(其通常也是含水的和/或离子的)的液体液滴4被约束在下基板72和顶基板36之间的平面中。可以通过间隔物32实现两个基板之间的合适的间隙，并且非极性流体34(例如油)可以用于占据未被液体液滴4占据的容积。设置在下基板72上的绝缘体层20将导电元件电极38a、38b与第一疏水涂层16分离，液体液滴4以θ表示的接触角6位于第一疏水涂层16上。疏水涂层由疏水材料(通常但不一定是含氟聚合物)形成。
在上基板36上是第二疏水涂层26，液滴4可以与第二疏水涂层26接触。在顶基板36和第二疏水涂层26之间插入参考电极28。
接触角θ6如图1所示限定，并且由固液(γsl)、液气(γlg)和非极性流体(γsg)界面之间的表面张力分量的平衡来确定，并且在没有施加电压的情况下满足杨氏定律，等式由下式给出：
在某些情况下，所涉及的材料的相对表面张力(即γsl、γlg和γsg的值)可以是使得等式(1)的右手侧小于-1。这在非极性流体34是油的情况下通常可能发生。在这些条件下，液体液滴4可能与疏水性涂层16和26失去接触，并且可以在液体液滴4和疏水性涂层16和26之间形成非极性流体34(油)的薄层。
在操作中，称为ew驱动电压的电压(例如图1中的vt、v0和v00)可以从外部施加到不同的电极(例如，分别为参考电极28、阵列元件电极38、38a和38b)。所建立的结果电力有效地控制疏水涂层16的疏水性。通过安排将不同的ew驱动电压(例如v0和v00)施加于不同的元件电极(例如38a和38b)，液体液滴4可以在两个基板72和36之间的横向平面中移动。
在下面的描述中，将假定ewod设备的元件(诸如图1的设备)可以接收“数字”数据，使得该元件需要被置于“致动”状态或“非致动”状态中，在“致动”状态中，跨元件施加的电压足以使元件中的液体液滴(如果液体液滴存在于元件中)经受显著的电润湿力，在“非致动”状态中，跨元件施加的电压不足以使元件中的液体液滴(如果液体液滴存在于元件中)经受显著的电润湿力。通过跨ewod元件施加量值等于或大于阈值电压vew的电压差，可以使ewod设备的元件置于致动状态中，而如果跨ewod元件的电压差的量值小于阈值电压vew，则该元件处于其非致动状态中。阈值电压vew通常被称为“致动电压”，并且该术语在下面使用。实际上，阈值电压通常可以被确定为实现液滴操作(例如液滴的移动或分裂)所需的最小电压。实际上，非致动状态通常可以是零伏特。通常，ewod系统可以被认为是数字的，在于ewod元件被编程到致动状态或非致动状态。然而应该理解，ewod设备也可以通过提供模拟数据来操作，使得ewod元件可以被部分地致动。
us6565727(shenderov，2003年5月20日发布)公开了一种用于使液滴移动穿过阵列的无源矩阵ewod设备。
us6911132(pamula等人，2005年6月28日发布)公开了一种用于在两个维度上控制液滴的位置和移动的二维ewod阵列。
us6565727还公开了用于其他液滴操作(包括液滴的分裂和合并，以及将不同材料的液滴混合在一起)的方法。
us7163612(sterling等人，2007年1月16日发布)描述了基于tft的薄膜电子器件可以如何用于通过使用与有源矩阵(am)显示技术中采用的电路布置相似的电路布置来控制对ewod阵列的电压脉冲的寻址。
us7163612的方法可以称为“介质上有源矩阵电润湿”(am-ewod)。使用基于tft的薄膜电子器件来控制ewod阵列有若干优点，即：
(a)电子驱动电路可以集成到下基板72上。(b)基于tft的薄膜电子器件非常适合于am-ewod应用。它们生产便宜，从而可以以相对低的成本生产相对大的基板面积。
(c)在标准工艺中制造的tft可以设计成在比标准cmos工艺中制造的晶体管高得多的电压下操作。这是重要的，因为许多ewod技术需要施加超过20v的ewod致动电压。
us7163612的缺点在于它没有公开用于实现am-ewod的tft背板的任何电路实施例。
ep2404675(hadwen等人，2012年1月11日公布)描述了用于am-ewod设备的阵列元件电路。已知各种方法用于编程并将ewod致动电压施加到ewod元件电极。所描述的编程功能包括标准装置的存储器元件(例如基于动态ram(dram)或静态ram(sram))和用于对阵列元件进行编程的输入线。
虽然ewod(和am-ewod)设备可以用dc或ac致动电压操作，但实际上，如先前引用的参考文献(r.b.fair，microfluidnanofluid(2007)3：245-281)中所述，存在很多理由优选ac驱动方法。可以注意到，可以针对范围通常从几赫兹到几千赫兹的宽范围的ac驱动频率来致动和操纵液滴。
us8173000(hadwen等人，2012年5月8日发布)描述了具有阵列元件电路和ac驱动方法的am-ewod设备。
us8653832(hadwen等人，2014年2月18日发布)描述了如何可以将阻抗(电容)感测功能并入阵列元件中。阻抗传感器可以用于确定存在于阵列中的每个电极处的液体液滴的存在和大小。
本文并入作为参考的英国申请gb1500260.3描述了一种一晶体管(1t)阵列元件电路和用于实现驱动的ac驱动方法的驱动方法。
本文并入作为参考的英国申请gb1500261.1描述了一种二晶体管(2t)阵列元件电路和用于实现驱动的ac驱动方法的驱动方法。在本申请的图2中也示出了所公开的2t阵列元件致动电路。该英国申请还包括一个实施例，其示出了us8653832的阻抗(电容)感测功能可以如何与2t阵列元件致动电路组合。包括传感器功能的阵列元件电路在图3示出，并且包含总共5个晶体管、3个电容器和9个寻址线。寻址线data(数据)和enable(使能)控制对动态ram存储器电路的访问，动态ram存储器电路包括它们所连接到的晶体管和电容器。对该电容器进行编程的电压进而控制输入信号actuate(致动)是否连接直到阵列元件电极。输入信号sen还可以用于在传感器正被操作时将元件电极与actuate信号隔离。传感器功能由施加于端子rws和rst的两个电压信号控制。施加到rst的电压信号将感测晶体管(连接在vdd和col之间)的栅极处的电压复位到复位电位vrst。施加到rws的电压信号取决于存在于元件电极处的电路中的固定电容器与元件电极处存在或不存在液体液滴所呈现的电容的比率而扰动元件电极处的电压一定量。因此，电压信号耦合到感测晶体管的栅极，该电压信号通过col转换为输出电流。因此，可以测量存在于元件电极处的阻抗。
技术实现要素：
问题的解决方案
本发明的第一方面提供一种阵列元件电路和驱动有源矩阵介质上电润湿(am-ewod)设备的元件的方法，am-ewod元件具有元件电极和参考电极。
该方法包括：对可以存在于阵列元件的位置处的液体液滴进行致动；并且也感测与液滴相关联的阻抗，或者在阵列元件的位置处不存在液滴。
该液滴致动的方法包括向参考电极施加第一交流电压；以及向元件电极施加具有与第一交流电压相同的频率且与第一交流电压异相的第二交流电压，或者将元件电极保持在高阻抗状态中。
感测阻抗的方法可以包括经由参考电极施加电压信号以扰动元件电极的电位，该扰动为元件电极处呈现的阻抗的函数。感测阻抗的方法可以包括将在元件电极处呈现的阻抗与阵列元件电路中的参考阻抗进行比较。
存储电容器(其可以用于存储编程的致动状态)可以进一步参与阵列元件电路的感测功能。
根据本发明的第一方面，与传感器的操作相关联的行选择和复位操作可以由公共寻址线来执行。这可以通过将该公共寻址线连接到连接在复位电源和感测晶体管的栅极之间的晶体管的栅极来实现。
根据本发明的第二方面，用于执行传感器行选择的寻址线也可以用于在传感器操作期间从元件电极断开致动信号。
根据本发明的第三方面，传感器功能可以通过扰动单个行寻址线上的电压来实现。
传感器功能可以被配置为使得测量阵列中一个或多个元件处的液体液滴的存在对比不存在或大小。传感器功能还可以被配置为测量与阵列中的一个或多个元件处的液体液滴相关联的复阻抗。传感器功能还可以被配置为使得确定阵列中一个或多个元件处的液体液滴的电导率。
am-ewod设备可以包括以行和列的矩阵或阵列布置的多个am-ewod元件，并且其中该方法可以包括将施加到am-ewod元件的行的第二交流电压的瞬时值布置为等于在将该行的am-ewod元件的元件电极置于高阻抗状态时的第一交流电压的瞬时值。
发明的有益效果
本发明的优点在于，具有致动功能和传感器功能两者的阵列元件电路可以用最少数目的并且比现有技术中描述的电路布置更少的电路组件和寻址线来实现。由于以下若干原因，降低阵列元件电路中的复杂性和晶体管的数目是有利的：
(a)可以实现更小的阵列元件/元件电极38。结果，可以操纵更小的液体液滴4。这对于涉及单细胞或单分子的操纵或分析的应用而言尤其重要。此外，如果使用较大的液体液滴4，则可以实现致动的亚液滴分辨率。这可以提高设备的能力，例如，实现更精确的分裂或更快的混合。此外，更小的阵列元件大小便于设计和制造非常大的格式阵列，其可以具有总数超过100万的阵列元件，并且其可以能够同时且独立地操纵数十至数十万个液体液滴4。
(b)阵列元件电路的更小和更简单的设计可以便于增加制造产量，从而降低设备的成本
(c)阵列元件电路的更小和更简单的设计可以便于增加设备的光学透明度。(d)阵列元件电路的更小和更简单的设计可以释放阵列元件内的空间，以将其它电子功能实现到阵列元件中，例如，温度传感、生物传感和类似的操作。
与现有技术电路相比，本发明的另一优点是它实现了具有改进的线性度的传感器。
本发明的又一优点是可行的布置，其中可以测量液体液滴的电特性，例如其电导率。
附图说明
在附图中，相同的附图标记指示相同的部件或特征：
图1示出了现有技术，特别是在横截面中描绘常规ewod设备的示意图；
图2示出了现有技术，特别是2晶体管am-ewod阵列元件致动电路；
图3示出了现有技术，特别是具有附加阻抗传感器功能的2晶体管am-ewod阵列元件致动电路；
图4是根据本发明的第一和示例性实施例的在示意透视图中描绘am-ewod设备的示意图；
图5示出了通过图4的示例性am-ewod设备的一些阵列元件的横截面；
图6a示出了在存在液体液滴时在元件电极处呈现的电负载的电路表示；
图6b示出了在不存在液体液滴时在元件电极处呈现的电负载的电路表示；
图7是描绘了根据本发明的第一实施例的图4的示例性am-ewod设备中的薄膜电子器件的布置的示意图；
图8示出了根据本发明第一实施例的阵列元件电路的示意性布置；
图9是描绘了根据本发明的第一实施例的用于图4的示例性am-ewod设备的阵列元件中的阵列元件电路的示意图；
图10是根据本发明的第一实施例的用于驱动图9的阵列元件电路的时序图；
图10a是根据本发明的第一实施例的用于驱动图9的阵列元件电路的另一时序图；
图11是描绘了根据本发明的第二和示例性实施例的用于图4的示例性am-ewod设备的阵列元件中的阵列元件电路的示意图；
图12是根据本发明的第二实施例的用于驱动图11的阵列元件电路的时序图；
图13是描绘了根据本发明的第三和示例性实施例的用于图4的示例性am-ewod设备的阵列元件中的阵列元件电路的示意图；
图14是描绘了根据本发明的第四和示例性实施例的用于图4的示例性am-ewod设备的阵列元件中的阵列元件电路的示意图；
图15是根据本发明的第五和示例性实施例的用于驱动图11的阵列元件电路的时序图；以及
图16示出了根据本发明的第五实施例的示例性配置的阵列上的液体液滴的示例布置。
具体实施方式
图4是描绘了根据本发明的示例性实施例的am-ewod设备的示意图。am-ewod设备具有下基板72，其中薄膜电子器件74设置在下基板72上。薄膜电子器件74布置成驱动阵列元件电极38。多个阵列元件电极38布置在具有x乘y个元件的电极阵列42中，其中，x和y可以是任何整数。液体液滴4可以包括任何极性液体并且其本质上通常可以是离子的和/或含水的，液体液滴4被封闭在下基板72和顶基板36之间，尽管可以理解可以存在多个液体液滴4。非极性流体34用于填充基板之间的空间，并且可以包括油(例如正十二烷、硅油或其他烷烃油)，或者非极性流体34可以是空气。
图5是在横截面中描绘了可以用于图4的am-ewod设备中的一对阵列元件电极38a和38b的的示意图。该设备配置类似于图1所示的常规配置，其中am-ewod设备还并入设置在下基板72上的薄膜电子器件74。下基板72的最上层(可以被认为是薄膜电子器件层74的一部分)被图案化，从而实现多个阵列元件电极38(例如，元件电极的具体示例在图5中为38a和38b)。这些可以被称为阵列元件电极38。术语阵列元件电极38可以在以下内容中被理解为指代与特定阵列元件相关联的物理电极结构38，以及也指代直接连接到该物理结构的电路的节点。图5中示出了参考电极28，其设置在顶基板上，但备选地可以设置在下基板72上以实现面内参考电极28的几何形状。术语参考电极28也可以在以下内容中被理解为指代物理电极结构以及直接连接到该物理结构的电路的节点中的任意一个或二者。电润湿电压可以被定义为元件电极38和参考电极28之间的电压差。
图6a示出了在存在液体液滴4的情况下元件电极38和参考电极28之间的电负载40a的电路表示。液体液滴4典型地可以被建模为并联的电阻器22和电容器24。通常但非必要地，液体液滴4的电阻可以相对较低(例如，如果液体液滴4含有离子)，并且液体液滴4的电容可以相对较高(例如，因为极性液体的相对介电常数相对较高，例如，如果液体液滴4是含水的，则相对介电常数为约80)。在许多情况下，液滴电阻相对较小，使得在对电润湿感兴趣的频率下，液体液滴4可以在效果方面起到电短路的作用。疏水涂层16和26具有可以被建模为电容器的电特性，并且绝缘体20也可以被建模为电容器。元件电极38和参考电极28之间的总阻抗可以由电容器来近似，该电容器的值通常由绝缘体20的贡献和疏水涂层16和26的贡献来支配，并且对于典型的层厚度和材料，该电容器在值方面可以是皮法量级的。当液体液滴4完全覆盖元件电极38时，电负载40a的总值可以表示为ci。
图6b示出了在不存在液体液滴4的情况下元件电极38与参考电极28之间的电负载40b的电路表示。在这种情况下，液体液滴4组件由表示占据顶基板和下基板之间的空间的非极性流体34的电容的电容器25代替。在这种情况下，元件电极38和参考电极28之间的总阻抗可以由电容器近似，该电容器的值由非极性液体的电容支配，并且通常是小的，为毫微微法拉的量级。当在元件电极38处不存在液体液滴4时，电负载40b的总值由非极性流体34的电容支配并且可以表示为coil。
为了驱动和感测的目的，电负载40a/40b总体上在效果方面起到电容器的作用，其值取决于在给定元件电极38处是否存在液体液滴4。在存在液滴的情况下，电容相对较高(通常为皮法量级)，而如果不存在液体液滴4，则电容较低(通常为毫微微法拉量级)。如果液滴部分地覆盖给定电极38，则电容可以近似表示液体液滴4对元件电极38的覆盖程度。
图7是描绘了在下基板72上的薄膜电子器件74的示例性布置的示意图。电极阵列42的每个元件包含阵列元件电路84(为了清楚起见，图7中仅表示一个阵列元件电路)，用于控制对应的元件电极38的电极电位并感测存在于电极38处的阻抗。集成的行驱动器电路76和列驱动器电路78也被实现在薄膜电子器件74中以向阵列元件电路84提供控制信号。
还可以提供串行接口80来处理串行输入数据流并且便于将所需电压编程到阵列42中的元件电极38。电源接口83提供对应的电源电压、顶基板驱动电压以及其它必要的电压输入，如本文进一步描述的。即使对于大的阵列大小，下基板72与外部驱动电子器件、电源以及其他组件之间的连接线82的数目也可以相对较少。可选地，串行数据输入可以被部分并行化，例如，如果使用2条数据输入线，则在对列驱动电路78仅作微小的改动的情况下，第一条可以为列1至x/2提供数据，而第二条可以为列(1+x/2)至x提供数据。以这种方式，增加了能够将数据编程到阵列的速率，这是液晶显示驱动电路系统中使用的标准技术。
薄膜电子器件还附加地包含传感器行寻址电路系统88和列检测电路86，所述行寻址电路系统88用于向阵列元件电路84的传感器电路输入(例如，rw)提供控制信号，所述列检测电路86用于处理和感测来自阵列元件电路84的传感器电路部分的输出信号。
通常，包括薄膜电子器件74的示例性am-ewod设备被配置如下。am-ewod设备包括参考电极28(其可选地可以是面内参考电极28)和多个阵列元件，每个阵列元件包括阵列元件电极(例如，阵列元件电极38)。
相关地，am-ewod设备被配置为执行控制要施加到多个阵列元件的致动电压的方法。am-ewod设备包括参考电极28和多个阵列元件，每个阵列元件包括阵列元件电极38。每个阵列元件的致动电压由阵列元件电极38和参考电极28之间的电位差限定。控制致动电压的方法包括以下步骤：将电压提供给阵列元件电极38的至少一部分，以及将电压信号提供给参考电极28。
相关地，am-ewod设备还被配置为执行感测存在于多个阵列元件处的阻抗的方法。典型地，这可以涉及感测多个阵列元件电极处的阻抗，该阻抗是存在于阵列内的一个或多个液体液滴4的数目、大小、位置和成分的函数。
因此，总体上说，本发明的一个方面是一种有源矩阵介质上电润湿(am-ewod)设备。在示例性实施例中，am-ewod设备包括以行和列的阵列布置的多个阵列元件，每个阵列元件包括阵列元件电路系统、元件电极和参考电极。阵列元件电路系统包括：致动电路，所述致动电路被配置为将致动电压施加到元件电极和参考电极以用于致动阵列元件；以及阻抗传感器电路，被配置为感测阵列元件电极处的阻抗以确定阵列元件处的液滴性质。阻抗传感器电路被配置为通过扰动施加到参考电极的电位来操作。
本发明的另一方面是操作有源矩阵介质上电润湿(am-ewod)设备的对应方法，包括以下步骤：以行和列的阵列布置多个阵列元件，每个阵列元件包括阵列元件电路系统、元件电极和参考电极，并且阵列元件电路系统包括致动电路以及阻抗传感器电路；利用致动电路将致动电压施加到元件电极和参考电极以致动阵列元件；扰动施加到参考电极的电位；利用阻抗传感器电路感测阵列元件电极处的阻抗；以及基于感测到的阻抗来确定阵列元件处的液滴性质。
图8是示出了阵列元件电路84中的薄膜电子器件74的示例布置的示意图。阵列元件电路84可以包含具有输入enable(使能)、data(数据)和actuate(致动)以及连接到元件电极38的输出的致动电路46。阵列元件电路还可以包含传感器电路48。传感器电路48具有连接到元件电极的输入、一个或多个行寻址线rw和连接到输出线out(输出)的输出。可选地，某些电路组件(例如晶体管、电容器)或寻址线可以执行与致动电路46和传感器电路48两者的操作相关联的功能，并且这些电路组件可以被认为包括致动电路和传感器电路两者的一部分。
图9示出了根据本发明的第一实施例的阵列元件电路84。阵列元件电路包括n型晶体管52、54、55、58和62以及电容器56和60。示出了元件电极38、存在于元件电极38处的电负载电路40和参考电极28，因为它们在阵列元件电路84的操作中起作用。因此，参考电极可以被认为在下面的描述中形成阵列元件电路的一部分。
阵列元件电路84通常可以执行以下功能：
(i)将数据编程到包含在致动器电路内的存储器元件并存储所述数据。要编程的数据通常通过寻址线data输入，该寻址线data可以对于阵列的同一列内的所有元件是共同的。数据的编程通常可以由寻址线enable来控制，该寻址线enable通常可以对于阵列的同一行内的所有元件是共同的。
(ii)向阵列元件电极38提供电压信号，所述电压信号例如由提供给输入actuate的输入信号v1提供，或者备选地将元件电极38切换到高阻抗状态。
图9所示的根据该实施例的阵列元件电路连接如下。晶体管52的漏极连接到输入data，该输入data可以对阵列的同一列中的所有元件是共同的。晶体管52的栅极连接到输入enable，该输入enable可以对阵列的同一行中的所有元件是共同的。晶体管52的源极连接到晶体管54的栅极。电容器56连接在晶体管54的栅极和电源线vdd之间，该电源线vdd对于阵列中的所有元件可以是共同的。晶体管54的漏极连接到输入信号actuate，该输入信号actuate可以对阵列中的所有元件是共同的。晶体管55连接在晶体管54的源极和元件电极38之间。晶体管55的栅极连接到输入sen，该输入sen可以对阵列的同一行中的所有元件是共同的。电容器60连接在元件电极38和感测晶体管62的栅极之间。感测晶体管62的漏极连接到dc电压源vdd，该dc电压源vdd可以对阵列中的所有元件是共同的。晶体管62的源极连接到输出col，该输出col可以对阵列的同一列中的所有元件是共同的。晶体管58连接在感测晶体管62的栅极和电压源vrst之间，该电压源vrst可以对阵列中的所有元件是共同的。晶体管58的栅极连接到输入信号rst，该输入信号rst可以对阵列的同一行中的所有元件是共同的。致动器电路46包括晶体管52、晶体管54和晶体管55以及端子连接data、enable和actuate。传感器电路包括电容器56、电容器60、晶体管54、晶体管58、晶体管60、寻址线rst、vrst和输出线col。元件电极38、电负载40和参考电极28形成致动器电路和传感器电路两者的一部分。
阵列元件电路84的操作如下所述。阵列元件电路执行两个功能，包括(1)致动和(2)阻抗感测。
(1)致动
致动电路具有两个部分，即存储部分和致动部分。通常，存储部分被配置用于存储与阵列元件的致动状态或非致动状态对应的数据，该数据可以是数字数据，并且致动部分被配置用于将致动电压提供给元件电极和参考电极。
存储部分解释如下。晶体管52和电容器56一起包括能够在阵列元件电路84内编程和存储数据的动态ram(dram)存储器元件。为了对数据进行编程，将电压编程到列寻址线data上。然后，enable线被取为高，以使晶体管52导通。然后，将data上的电压编程到电容器56上，并且一旦enable被取为低，将data上的电压保持在那里，而不管在enable被取为低之后随后可以如何改变输入线data上的电压。在典型的操作中，编程的电压可以是数字的并且可以是约0.5xvew(用于对“0”状态编程，液体液滴4在该状态下是非致动的)或-0.5xvew伏特(用于对“1”状态编程，液体液滴4在此状态下被致动)。
致动部分解释如下。在致动期间，输入sen被取为高，使得晶体管55导通并且晶体管54的源极在效果方面连接到元件电极38。ac电压信号v1被施加到输入actuate，并且ac电压信号v2被施加到参考电极28。v1和v2被布置成反相(例如180度异相)，或基本上反相(例如，高相角异相例如大于90度异相，或大于135度异相或大于160度异相)。v1和v2中的每一个在-0.5xvew伏的低电平和0.5xvew的高电平之间切换，当v2为低时，v1为高，反之亦然。当“1”被编程到存储器(被编程到晶体管54的栅极的-0.5×vew的电压)时，元件电极38被致动。在这种情况下，晶体管54导通，因此电压信号v1被发送给元件电极38。因此，跨电负载40产生的电压(电润湿电压)是v1-v2，它是在-vew和+vew之间随时间变化的ac电压波形。
当“0”被编程到存储器(被编程到晶体管54的栅极的0.5×vew的电压)时，元件电极38未被致动。在这种情况下，晶体管54关断。因此，元件电极38以高阻抗状态存在。要考虑两种不同的情况：(1)液滴存在于元件电极38处(电负载40a如图6a所示)；和(2)没有液滴存在于元件电极38处(电负载40b如图6b所示)。
情况1——存在液滴：在存在液滴的情况下，元件电极38主要经由电负载40电耦合到参考电极28。如前所述，这种情况下的电负载40a可以由值典型地为皮法量级的电容器近似。然后，电负载40a的电容将远大于(例如，典型地为毫微微法拉量级的与晶体管54的源极-栅极电容相关联的)电路中的其他寄生阻抗。因此，元件电极38的电位将跟踪参考电极28的电位，并因此将对应于对电压信号v2的良好近似。在这种情况下，在元件电极38和参考电极28之间产生的电位将近似为零。因此，液体液滴4将处于非致动状态，液体液滴4与疏水涂层16的接触将不会被通电，并且液体液滴4将不经受电润湿力。
情况2——不存在液滴：当不存在液体液滴4时，如前所解释，元件电极38和参考电极28之间的电容非常小。因此，元件电极38现在处于高阻抗状态，并且其有效电位仅被不良地限定，这取决于电路内的多个小的寄生电容和电阻(例如，对参考电极28的小的电负载40b电容、晶体管54的小的寄生的源极到栅极的电容以及晶体管54的大的截止电阻)。因此，可能不清楚元件电极38的有效电位是什么以及因此元件电极38有效地保持非致动的程度。
然而，状况是这样的，即使在情况2中元件电极38的电位被不良地限定，该设备仍然能够支持液体液滴4的正确输送。这是因为如果任何液体液滴4确实侵入到非致动的元件电极38的位置，则参考电极28和元件电极38b之间的电容显著增加与此相关联。在这种状况下，元件电极38b的电位借助于通过液体液滴4的电容耦合而大致变为参考电极28的电位。换句话说，状况开始与情况2相比更类似接近情况1，并且元件电极38处于非致动状态。这种效果在共同待决申请uk申请gb1500261.1中进一步详细解释。
在该实施例中描述的阵列元件致动电路和驱动方法的优点是在致动状态下的电润湿电压在+vew和-vew之间切换。因此，实现了ac电润湿。这被实现，同时仅需要阵列元件电路84在电路中的任何晶体管的端子之间切换约vew(对于为什么这只可以是近似的原因，参见uk申请gb1500261.1中更详细的描述)。这是本发明的重要优点，因为通常电润湿需要相对高的电压来致动液体液滴4，同时用于实现薄膜电子器件74的典型电子器件技术对施加到晶体管的最大电压施加限制(例如，由于可靠性问题)。
(2)阻抗传感器
阻抗传感器功能的操作部分基于通过引用并入的us8653832的原理。
该电路实质上通过比较电负载40的阻抗与连接到元件电极38的其他电路阻抗(包括电容器60、与晶体管55相关联的寄生电容以及元件电极38处呈现的其他寄生电容)来工作。因此，在示例性实施例中，阻抗传感器电路包括电容器60，并且阵列元件处的阻抗基于电容器处的感测电压的变化。阻抗传感器电路还包括用于初始设置电容器60处的感测电压的两个晶体管58和62。
与us8653832相比，本发明的首要区别在于，在us8653832中，阵列元件不包含连接在rws线和元件电极之间的行选择线(在us8653832中名为rws的行寻址线)或电容器(在us8653832中名为cs)。
根据本发明，实施行选择操作和分压器动作的方法通过扰动提供给参考电极28的电压v2来完成。这导致元件电极38处的电位的扰动，其与电负载40相关联的阻抗相一致，并且依次取决于存在于被感测的阵列元件处的任何液体液滴4的存在、不存在、大小和成分。参考电极28是全局信号，并且扰动电压信号v2导致阵列中每个元件的元件电极38的同时扰动。然而，为了实现阵列感测，还需要将行选择机制并入阵列元件电路84的操作中，以便对阵列的同一列中的每个元件共同的输出col处所得到的电流仅来自该列中的阵列元件。因此，在本发明中，这是通过对复位(rst)信号施加适当的定时来实现的，所述复位(rst)信号可以在没有被感测的行的元件中解激活感测晶体管62。因此，在本发明中，信号rst执行复位和行选择的功能两者。因此，该设备包括用于复位和行选择的公共寻址线，并且阻抗传感器电路通过在公共寻址线上发送针对阵列中的所有行的复位信号以及用于选择阵列中的行的行选择信号来操作。以这种方式，通过扰动到参考电极的电压，阻抗传感器电路进一步通过扰动施加到公共寻址线的电位来操作。
参考图10中所示的示例性时序图进一步详细解释阻抗传感器功能的操作，示出了在被感测的行的传感器操作期间的寻址信号rst、v2和sen的时序。图10还示出了在阵列元件的位置处存在液滴的情况下以及在阵列元件的位置处不存在液滴的情况下，感测晶体管62的栅极处的内部电位，表示为vsense。图10a示出了未被感测的行(阵列中的所有其他行)的对应的时序。
阵列元件电路84对被感测的行的操作描述如下：
(a)在致动时段，rst可以维持为高或低(在图10和图10a中示出为维持为高)。sen维持为高，使得晶体管54的源极连接到元件电极38。信号actuate和v2如前所述进行调制，以实现ac致动方法。如前所述，在致动期间，根据驱动电路实现致动的方法，v2可以处于高状态或低状态。在图10和图10a的时序图上，v2的“高或低”状态被示出为表示为叉(x)。
(b)在致动时段结束时，信号sen在被感测的行上被取为低电平。这具有从被感测的阵列的行的元件电极38断开actuate信号的效果。因此，致动器电路包括隔离元件，隔离元件被配置为在阻抗传感器电路的操作期间将元件电极与致动电压隔离。在图9的实施例中，传感器输入线(sen)被提供用于致动阻抗传感器电路，并且隔离元件包括致动电路和阻抗传感器电路之间的接收来自传感器输入线的输入的晶体管55。对于阵列的未被检测的行，sen可以维持为高，并且在这些行未被感测的同时，这些行可以继续被致动。
(c)在致动时段结束时，v2被取为低状态(电位为-vew)。
(d)当感测时段开始时，复位信号rst继续保持为高一段时间，该段时间可以表示为复位时段。在复位时段期间，晶体管58导通，并且感测晶体管62的栅极处的电位vsense被充电(或放电)到复位电位vrst(在电位已经不在该值这种情况下)。vrst的值被选择为使得感测晶体管62被关断并且因此没有电流通过感测晶体管62被供给。
(e)在复位时段结束之后，rst被取为低，但仅在阵列的正被感测的行上。在阵列的所有其他行(未被感测的行)上，rst维持在高电平。对于未被感测的所有行中的阵列元件，晶体管58保持导通，并且感测晶体管62的栅极处的电位vsense维持固定到vrst。
(f)由于rst在被检测的行上被取为低，所以晶体管58被关断。感测晶体管62的栅极处的电位vsense基本上保持在vrst，其中此节点现在处于高阻抗状态。对于阵列内的未被感测的行，rst保持导通。对于这些行中的阵列元件，vsense保持固定在vrst。
(g)在测量时段开始时，施加到参考电极28的电压信号v2现在从-vew增加到值vs(其可以等于、大于或小于+vew)。结果，在负载电路40、电容器60和元件电极38处的任何寄生阻抗(表示为zpar)之间形成电位分压器。结果，元件电极38处的电位vee被扰动近似给出的量δvee。
其中，zc、zl分别表示电容器60和负载电路40的阻抗。在元件电极38处存在液体液滴4并且简化假设为液滴相对导电的情况下，存在于元件电极38处的主导的寄生阻抗是电容性的且值为cpar。
在元件电极38处不存在液体液滴4的情况下，如前所述，与负载电路40相关联的电容近似为coil。在这种情况下，元件电极38处的电位被扰动近似为：
由于coil通常是小的(通常为约ff)，因此方括内的项也是小的并且可能接近于零，因此在这种情况下δvee也可以是小的。
在元件电极38处不存在液体液滴4的情况下，如前所述，与负载电路40相关联的电容近似为cins。在这种情况下，元件电极38处的电位被扰动近似为：
由于cins通常是大的(例如，与cc和cpar相比)，方括号的项可以接近1，并且元件电极38处的电位的扰动可以约为vs+vew。
元件电极38处的电位的扰动进一步导致感测晶体管62的栅极处的电位的扰动，这是因为两个节点通过晶体管60进行ac耦合。将感测晶体管62的栅极处的寄生电容(例如，由于晶体管58和62)表示为cpar2，感测晶体管62的栅极处的电位被扰动，从而变为：
其中，对于不存在液滴/存在液滴的情况，δvee如式3和式4所示。
因此，调制电压信号v2的总体结果是：在元件电极38处存在液体液滴4的情况下，扰动电位vsense一大的量；以及如果在元件电极38处不存在液体液滴4的情况下，则扰动电位vsense一小的量。该扰动的结果是，感测晶体管62可以根据vsense的扰动的量值而更大或更小的程度地导通，从而导致通过col的输出电流减小。通常，可以通过列检测电路86中的标准电路系统来测量在测量时段期间通过输出col的电流。公知的是，这可以使用cmos图像传感器的标准技术来完成。
(a)在测量时段结束时，rst被取为高。因此，晶体管58再次被导通，并且感测晶体管62的栅极处的电位再次返回到静止电位vrst，并且感测晶体管62被关断。
(b)在感测时段结束时，sen可以取为高并且v2的调制重新开始，并且电路返回到致动模式。
对于阵列的未被感测的行，施加到v2的电压信号导致如式3和式4中所述的元件电极38的电位中的相同扰动。然而，针对阵列的这些行，rst在感测时段期间保持导通。这具有将感测晶体管62的栅极处的电位固定到vsense的效果，而无关元件电极38的扰动δvee。以这种方式，rst连接构成执行选要择被感测的行(行选择)的功能的公共寻址线。发明人已经认识到，公共寻址线rst因此能够执行复位vsense的电位和控制阵列内的行的选择的双重功能。
典型地，在操作中，通过将图10的定时依次应用于每行，同时将图10a的定时应用于阵列中的所有其他行，可以一次感测整个阵列。在该方法中，可以从设备中感测阻抗“图像”，阻抗“图像”可以示出阵列中的液体液滴4的位置、大小和成分。
从以上描述中将注意到，该电路的重要特征是感测晶体管62的栅极被ac耦合到元件电极38。该布置的优点是感测晶体管62的栅极处的电位vb(由rws脉冲的扰动效果和随后的电位分压产生)与元件电极38的初始电压v0无关。另一优点是可以在感测晶体管62的栅极处产生的电压的总范围可以远小于可以在元件电极38处产生的电压的范围。因此，感测晶体管62和晶体管58可以由标准低压设备构造(例如，5伏或8伏晶体管)形成。
可以注意到，与us8653832和英国申请gb1500261.1中描述的现有技术电路相比，输出信号的极性反转。这是微扰电压信号的特征：扰动电压信号操作跨负载电路4施加的电位分压器，该脉冲在元件电极38处被存在于该节点处的其他电容分压。结果，与负载电路40相关联的电容越大，则感测晶体管62的栅极处的电位增加越大，并且通过col的输出电流越大。相比之下，在us8653832和英国申请gb1500261.1中，微扰电压信号跨连接到行选择线(rws)的电容器被施加，并且被负载电路分压。在这种情况下，与负载电路40相关联的电容越大，则感测晶体管62的栅极处的电位增加越小，并且通过col的输出电流越小。
该实施例的显著优点是，具有致动和传感器两者功能的阵列元件电路84用最小数目的电路组件和寻址线实现。特别地，例如与图3的现有技术电路相比，从阵列元件电路移除rws线和rws线连接到的电容器导致实质上更小的阵列元件电路。
由于若干原因，降低阵列元件电路84中的晶体管的复杂度和数量是有利的：
(a)可以实现更小的阵列元件/元件电极38。通常情况下，最小可实现的阵列元件大小通过薄膜电子器件的限制和用于规定薄膜电子器件中的阵列元件电路84的布局的制造要求(设计规则)的设计来设置。因此，更简单的电路(更少的晶体管)使得能够设计和制造更小的阵列元件。由于至少三个原因，更小的阵列元件可以是有利的。首先，可以操纵更小的液体液滴4。这对于涉及单细胞或单分子的操纵或分析的应用尤其重要。其次，如果使用更大的液体液滴4，则可以实现致动的亚液滴分辨率。这可以改进设备的能力，例如使得能够更精确的分裂或更快的混合。第三，更小的阵列元件大小便于设计和制造非常大的格式阵列，其可以具有总数超过100万的阵列元件，并且其可以能够同时且独立地操纵数万至数十万个液体液滴4。
(b)阵列元件电路84的更小和更简单的设计可以便于提高制造产量并因此降低设备的成本。
(c)阵列元件电路84的更小和更简单的设计可以便于增加设备的光学透明度。这可以是重要的，例如，在设备用于实现化学或生物化学测试的情况下，其中所述化学或生物化学测试导致一个或多个液体液滴4的光学性质(例如荧光、吸光度)的变化，并且通过测量光学性质的这种变化，可以对设备进行感测。
(d)阵列元件电路84的更小和更简单的设计可以释放阵列元件内的空间，以将其他电子功能实现在阵列元件中，例如，温度感测、生物感测和类似的操作。
与现有技术电路相比，本发明的另一优点是它实现了具有改进的线性的传感器。在现有技术电路中，感测晶体管62的栅极处的电位变化呈现与元件电极38处呈现的电容的相互关系。在本发明中，感测晶体管62的栅极处的电位具有取决于元件电极38处呈现的电容的近似线性。这改进的线性具有可以更精确地确定液体液滴4的部分存在的优点。这可以导致比使用现有技术中描述的布置可能更精确地测量液滴的大小。
该实施例的另一优点是它仅需要n型晶体管来实现阵列元件电路。这因此可以便于利用更简单且更低成本的制造工艺来制造am-ewod设备。该实施例因此也可以特别适合于使用例如基于非晶硅tft或氧化物tft(例如氧化锌或铟镓锌氧化物tft)的单通道薄膜晶体管制造工艺所制造的am-ewod设备。
根据本发明的第二实施例的am-ewod设备与第一实施例相当，除了如图11所示采用阵列元件电路的备选设计。阵列元件电路的拓扑与第一实施例相当，除了晶体管55和电源线sen从电路中移除，并且现在将隔离电容器56连接在晶体管54的栅极和电源线rst(共同复位/行选择寻址线)之间以充当用于在阻抗传感器电路的操作期间将元件电极与致动电压隔离的隔离元件。
参考图12的时序图来说明阵列元件电路的操作，图12示出了施加到与第二实施例的操作相关联的被感测的阵列的行上的rst和v2的信号的时序，并且在阵列元件处存在液体液滴4的情况下以及在阵列元件处不存在液体液滴4的情况下，感测晶体管62的栅极处产生内部电位vsense。图12的时序图与图10的时序图相同，除了在没有信号sen的这种情况下。
阵列元件电路的操作与前面针对第一实施例描述的操作相当，除了在测量时段期间使用不同的方法将元件电极38与电源actuate隔离。将会理解，在本发明的第一实施例的描述中，晶体管54被关断，因此在测量时段的持续时间内使元件电极38与信号actuate隔离。如果情况并非如此，则元件电极38的电位将保持基本上固定于actuate的电位，并且分压器将不会如所描述的那样工作。
根据本发明的第二实施例，发明人已经认识到，可以在不依赖于附加的隔离晶体管(第一实施例中的晶体管55)的情况下，实现致动信号与元件电极38的断开。然而，在第二实施例的阵列元件电路中，晶体管54被布置成在测量时段期间履行实现将actuate与元件电极38隔离的附加功能。这是通过跨连接到rst线(公共寻址线)的隔离电容器56的电荷注入来实现的。在复位时段结束时，rst被取为低。像具有先前描述的效果一样，rst信号的下降沿执行降低晶体管54的栅极处的电位的附加功能。这具有关断晶体管54(在它尚未关断的情况下)的效果，从而将actuate与元件电极38隔离。在所有其他方面，致动和感测操作如前所述进行。
在本发明的这个实施例中，信号rst因此具有三个功能：
(a)在传感器操作开始时复位感测晶体管62的栅极处的电位。
(b)选择阵列中被感测的行。
(c)跨电容器56电荷注入以确保在感测操作期间晶体管54被关断。
与第一实施例相比，第二实施例的附加优点在于第二实施例的阵列元件电路具有少一个的晶体管和少一个的寻址线。这可以导致具有前述优点的更小的阵列元件，包括更小的液滴大小、更大的格式阵列和更高的制造良率。
根据本发明的第三实施例的am-ewod设备与第一实施例相当，其中具有图13所示的阵列元件电路的备选设计。阵列元件电路的连接性描述如下：
晶体管52的漏极连接到输入data，该输入data可以对于阵列的同一列中的所有元件是共同的。晶体管52的栅极连接到输入enable，该输入enable可以对于阵列的同一行中的所有元件是共同的。晶体管52的源极连接到元件电极38。电容器56连接在元件电极38和电源线vdd之间，该电源线vdd对于阵列中的所有元件可以是共同的。电容器56充当隔离电容器，隔离电容器充当在阻抗传感器电路的操作期间用于将元件电极与致动电压隔离的隔离元件。电容器60连接在元件电极38和感测晶体管62的栅极之间。感测晶体管62的漏极连接到dc电压源vdd，该dc电压源vdd对于阵列中的所有元件可以是共同的。晶体管62的源极连接到输出col，该输出col对于阵列的同一列中的所有元件可以是共同的。晶体管58连接在感测晶体管62的栅极和电压源vrst之间，该电压源vrst对于阵列中的所有元件可以是共同的。晶体管58的栅极连接到输入信号rst，该输入信号rst对于阵列的同一行中的所有元件可以是共同的。致动器电路46包括晶体管52和端子连接data和enable。传感器电路包括电容器56和电容器60、感测晶体管62、晶体管58、寻址线rst、vrst和输出线col。元件电极38、电负载40和参考电极28形成致动器电路和传感器电路两者的一部分。
阵列元件的操作类似于之前描述，并且如通过引用并入的英国申请gb1500260.3和us8653832中所述。晶体管52以及连接到元件电极38的电容器(电容器56和电容器60)组合起来用作动态ram存储器元件。如us8653832所述，致动状态可以被编程并且被存储为元件电极38处的电位。根据该实施例的操作，阻抗传感器通过以与前面针对本发明的第一实施例所描述的相同的方式扰动提供给参考电极28的信号v2的电位而起作用。然后，感测功能的操作与之前所述的相同，除了元件电极38中的扰动现在由等式6给出(在阵列元件的位置处不存在液体液滴4的情况下)以及由等式7给出(在存在液体液滴4的情况下)。cx表示与第一实施例相比存在于电路中的附加电容器56的电容。
如在先前的实施例中那样，rst信号提供复位感测晶体管62的栅极处的电位以及用作行选择晶体管的双重功能。
第三实施例的优点在于，其包含比第一实施例和第二实施例更少的电路组件，仅需要三个晶体管来实现致动功能和传感器功能两者。
根据第三实施例的变型，可以从电路中省略电容器56，使得编程的致动电压完全存储在电容器60上。这具有以下优点：如前所述，其可以进一步减小具有相关联的优点的阵列元件电路的大小。
根据本发明的第四实施例与第一实施例相当，其具有中图14所示的阵列元件电路的备选设计。
根据该实施例，阵列元件电路的传感器部分与先前针对第一实施例所描述的相同。电路的致动部分可以具有如由图14中的致动器电路90表示的备选设计。
阵列元件电路的连接如下：
致动电路90具有输入data以及输入enable，该输入data对于阵列的同一列中的所有元件可以是共同的，该输入enable对于阵列的同一行中的所有元件可以是共同的。晶体管55连接在致动电路的输出和元件电极38之间。晶体管55的栅极连接到致动阻抗传感器电路的传感器输入线sen，该传感器输入线sen对于阵列的同一行中的所有元件可以是共同的。接收sen输入的晶体管55在阻抗传感器电路的操作期间充当用于将元件电极与致动电压隔离的隔离元件。电容器60连接在元件电极38和感测晶体管62的栅极之间。感测晶体管62的漏极连接到dc电压源vdd，该dc电压源vdd对于阵列中的所有元件可以是共同的。晶体管62的源极连接到输出col，该输出col对于阵列的同一列中的所有元件可以是共同的。晶体管58连接在感测晶体管62的栅极和电压源vrst之间，该电压源vrst对于阵列中的所有元件可以是共同的。晶体管58的栅极连接到输入信号rst，该输入信号rst对于阵列的同一行中的所有元件可以是共同的。
致动器电路执行以下功能：
(a)存储编程的致动状态(例如，致动＝“1”，非致动＝“0”)。
(b)在致动电路90的输出处提供电压信号，并且将电压信号提供给晶体管55的漏极。
致动器电路可以具有任何已知的设计，例如，如通过引用并入本文的us8173000中所描述的，其使用sram元件来存储编程的致动状态，并且具有模拟开关，用于根据编程的致动状态将两个电源中的一个引导至元件电极38。第四实施例的优点在于，它可以将针对特定目的而优化的致动电路(例如高频ac驱动)的设计与本发明中描述的传感器电路和方法进行组合。
根据本发明的第五实施例的am-ewod设备与电路被配置为感测液体液滴4的电导率的任何前述实施例相当。前面实施例的描述大部分认为负载电路40本质上基本上是电容性的，并且与实施例1至4中的每一个相关联的不同阵列元件电路的描述已经考虑了这些电路可以如何用于检测该电容以及这可以如何用于指示存在于给定阵列元件的位置处的液体液滴4的存在、不存在或大小。然而，同样地，前述实施例的传感器功能可以被配置为确定与液体液滴4相关联的复阻抗，即图6a中已经描述和示出的近似电模型。在低频处，液体液滴4的电阻通常足够低，使得液体液滴4的电阻组件(由图6a中的电阻器22表示)是小的。液滴在电学上在效果方面起到短路的作用，并且负载电路40的总阻抗是与绝缘体层20和疏水涂层20和26相关联的串联电容器的总阻抗。然而，在较高的频率下，液体液滴4的非零电阻具有实质性的影响，并且由液体液滴4呈现的总阻抗以及由此负载电路40的总阻抗也成为液体液滴4的内部电阻22的函数。
该电阻22对传感器电路的操作的影响如下所述。等式2(之前呈现的)将元件电极38处的电压扰动的近似相关性表示为系统阻抗的函数。在测量时段期间施加到v2的电压信号具有足够高的频率的情况下，元件电极38处和感测晶体管62的栅极处的电位的扰动变成取决于液体液滴4的电阻。随着v2信号的频率增加，负载电路zl的阻抗也增加，并且感测晶体管62的栅极处的电位被扰动的量值减小。
因此，可以通过在测量时段期间配置v2信号的频率来利用这种效应，使得可以测量液滴电阻(电阻器22)。该方法在图15中示出，其示出了可以应用于驱动图11的阵列元件电路的示例电压信号的时序图。在测量时段期间，信号v2被调制，使得高频方波脉冲被施加到顶基板参考电极28。在图15的时序图上还针对情况1和情况2示出了感测晶体管62的栅极处产生的内部节点电压(表示为vsense)，在情况1中，液体液滴4具有相对较高的电导率(电阻器22具有小的值)，在情况2中，体液滴4具有相对较低的导电率(即电阻22具有大的值)。在情况1中，负载电路zl的阻抗相对较小，并且施加到v2的电压脉冲信号高效地通过传感器电路的分压器部分进行耦合，使得vsense是具有相对较大的幅度的近方波脉冲。在情况2中，负载电路zl的阻抗相对较大，并且施加到v2的电压脉冲信号无法高效地通过传感器电路的分压器部分进行耦合，使得vsense几乎不受扰动。在情况1中，整体效果是感测晶体管62在一些时间(对应于v2为高的时间)内导通，并且电流通过感测晶体管62下沉(sink)。然后，可以如前所述通过列电子器件测量该电流(或其平均值)。在情况2中，感测晶体管62在测量时段的持续时间内基本上保持关断，并且很少或没有电流通过感测晶体管62下沉。
因此，以这种方式操作电路便于测量液体液滴4(由图6a中的电阻器22表示)的电导率。对于本领域技术人员将显而易见的是，可以如何根据被测量的液滴电导率的范围来配置施加到参考电极28的电压脉冲信号v2的频率，例如针对相关系统电容通过等式2的求解(所述相关系统电容根据电路设计和施加的涂层厚度来固定)。例如，施加到v2的扰动电压信号可以具有1khz-10mhz范围中的频率或10khz-1mhz范围中的频率或100khz左右的频率。类似地，电压信号v2的多个频率可以用于测量不同范围的液滴电导率。类似地，在测量时段期间施加到v2的电压信号可以是方波(如所述)，或者可以是三角波、锯齿波或正弦波。
重要的是，已经认识到，本发明的布置(其中操作分压器的微扰电压信号被施加到参考电极28)具有优于现有技术中描述的布置的优点，其中微扰电压脉冲通过行选择线(例如现有技术图3中的rws)被施加。具体地，通过tft基板上的行寻址线施加高频电压信号需要非常低阻抗的驱动电路系统，使得高频脉冲可以被传送到阵列元件电路。在现有技术配置中的非常高的频率(例如10mhz)下，如果使用标准tft显示器制造工艺来制造设备，则由于布线电阻的限制，这可能是不可能的或不实际的。在较低频率(例如100khz-1mhz)下，这可能使缓冲器电路系统的大小变大，例如由于在物理上大的传感器行寻址电路88中使用，因此消耗了tft基板上的附加区域并增加了整个占位面积和设备的制造成本。相比之下，使用本发明的布置，可以对参考电极28进行低电阻连接，因此高频驱动信号可以被施加到v2而没有这样的困难。
根据该实施例的设备的操作的优点在于，可以测量液体液滴4的性质，特别是其导电性。这可以用于例如确定液体液滴4的离子浓度(例如，如果液体液滴4是含水的，则为盐含量)。例如，这可能是有用的，以确定化学或生物化学测试(测定)的结果或根据其离子含量区分液滴的不同种类。
作为另一示例，该方法可以有利地用于确定液体液滴内存在或不存在一个或多个颗粒，因为颗粒的存在或不存在可能影响液滴阻抗的实际和虚拟贡献，如图6的模型中表示为电阻器22和电容器24。例如，这在检测液体液滴4内存在或不存在诸如磁珠、生物细胞或沉淀之类的颗粒方面可以是有用的。
可选地，并且有利地，可以在液体液滴4的大小等于或大于元件电极38的大小的情况下使用该实施例的方法。图16示出了这种布置。这示出了电极阵列42，其中每个元件包含阵列元件电路84(阵列元件电路84包括元件电极38)。在这种情况下，液体液滴4可以同时覆盖多个元件电极38。这种布置是有利的，因为对于由液体液滴4(例如84a)完全覆盖的给定阵列元件电路，可以得出结论，测量出的阻抗中的任何可测量的差必须与液体液滴的性质(例如，电阻器22和电容器24的值)有关，而不是液体液滴4完全或部分覆盖该位置中的元件电极38的程度。
尽管在前述实施例中，已经在使用薄膜电子器件74以薄膜晶体管(tft)技术实现阵列元件电路和驱动器系统的am-ewod设备方面描述了本发明，但是本发明可以同样地使用其他标准电子制造工艺(例如，互补金属氧化物半导体(cmos)、双极结型晶体管(bjt)或其他合适的工艺)来实现。
因此，本发明的一个方面是一种有源矩阵介质上电润湿(am-ewod)设备。在示例性实施例中，am-ewod设备包括以行和列的阵列布置的多个阵列元件，每个阵列元件包括阵列元件电路系统、元件电极和参考电极。阵列元件电路系统包括：致动电路，被配置为将致动电压施加到元件电极和参考电极以用于致动阵列元件；以及阻抗传感器电路，被配置为感测所述阵列元件电极处的阻抗以确定阵列元件处的液滴性质，并且其中，阻抗传感器电路被配置为通过扰动施加到参考电极的电位来操作。am-ewod设备的示例性实施例可以单独地或组合地包括以下特征中的一个或多个。
在am-ewod设备的示例性实施例中，am-ewod设备还包括公共寻址线，并且由此阻抗传感器电路被配置为通过在公共寻址线上提供电压信号来操作以实现复位操作和用于选择阵列中的要被感测的行的操作两者。
在am-ewod设备的示例性实施例中，阻抗传感器电路被配置为通过扰动施加到参考电极的电位并且扰动施加到公共寻址线的电位来操作。
在am-ewod设备的示例性实施例中，公共寻址线对于阵列的同一行中的所有元件是共同的。
在am-ewod设备的示例性实施例中，阻抗传感器电路还包括连接在元件电极和感测晶体管的栅极之间的电容器，并且阵列元件处的阻抗基于跨电容器耦合的感测电压的变化来感测。
在am-ewod设备的示例性实施例中，阻抗传感器电路还包括用于设置感测晶体管的栅极处的电压的晶体管。
在am-ewod设备的示例性实施例中，感测晶体管和用于设置感测晶体管的栅极处的电压的晶体管是n型晶体管。
在am-ewod设备的示例性实施例中，致动器电路包括：隔离元件，其被配置为在阻抗传感器电路的操作期间将元件电极与致动电压隔离。
在am-ewod设备的示例性实施例中，am-ewod设备还包括用于致动阻抗传感器电路的传感器输入线，其中隔离元件包括在致动电路和阻抗传感器电路之间的晶体管，该晶体管接收来自传感器输入线的输入。
在am-ewod设备的示例性实施例中，隔离元件包括作为连接到行寻址线的隔离电容器。
在am-ewod设备的示例性实施例中，am-ewod设备还包括用于致动阻抗传感器电路的传感器输入线，以及在致动电路和阻抗传感器电路之间的隔离晶体管，其接收来自传感器输入线的输入。在阻抗传感器电路的操作期间，隔离晶体管将致动电路与阻抗传感器电路隔离。
在am-ewod设备的示例性实施例中，致动电路包括用于存储与阵列元件的致动状态或非致动状态对应的数据的存储部分、以及用于将致动电压提供给元件电极和参考电极的致动部分。
在am-ewod设备的示例性实施例中，致动电路由配置为动态ram元件的单个晶体管和单个电容器组成。
本发明的另一方面是操作有源矩阵介质上电润湿(am-ewod)设备的方法。在示例性实施例中，该操作方法包括以下步骤：以行和列的阵列布置多个阵列元件，每个阵列元件包括阵列元件电路系统、元件电极和参考电极，并且阵列元件电路系统包括致动电路以及阻抗传感器电路；利用致动电路将致动电压施加到元件电极和参考电极以致动阵列元件；扰动施加到参考电极的电位；利用阻抗传感器电路感测阵列元件电极处的阻抗；以及基于感测到的阻抗来确定阵列元件处的液滴性质。操作方法的示例性实施例可以单独地或组合地包括以下特征中的一个或多个。
在操作方法的示例性实施例中，am-ewod设备还包括公共寻址线，操作方法还包括在公共寻址线上提供电压信号以实现复位操作和用于选择阵列中的要被感测的行的操作两者。
在操作方法的示例性实施例中，操作方法还包括通过扰动施加到参考电极的电位并扰动施加到公共寻址线的电位来操作阻抗传感器。
在操作方法的示例性实施例中，阻抗传感器电路包括连接在元件电极和感测晶体管的栅极之间的电容器，该操作方法还包括基于跨电容器耦合的感测电压的变化来感测阵列元件处的阻抗。
在操作方法的示例性实施例中，操作方法还包括在阻抗传感器电路的操作期间将阵列元件与致动电压隔离。
在操作方法的示例性实施例中，隔离步骤包括将输入施加到传感器输入线以致动阻抗传感器电路。
在操作方法的示例性实施例中，施加致动电压包括：将与阵列元件的致动状态或非致动状态对应的数据存储在致动电路的存储部分中；以及利用致动电路的致动部分将致动电压提供给元件电极和参考电极。
虽然已经关于一个或多个特定实施例示出并描述了本发明，但在阅读和理解本说明书和附图后本领域技术人员可以想到等同替换和修改。具体地，关于由以上描述的元件(组件、装配件、设备、组成等)执行的各种功能，除非另外指示，否则用于描述这些元件的术语(包括对“装置”的引用)意在与执行所描述的元件的指定功能的任何元件相对应(即，功能上等同)，即使结构上与执行本发明的本文中示例性一个或多个实施例中的所述功能的所公开结构不等同。另外，虽然上文可能已经仅针对若干实施例中的一个实施例描述了本发明的具体特征，但是这种特征可以与其他实施例中的对于任何给定或具体应用而言可以是想要的和有利的一个或多个其它特征相组合。
可选地，设备也可以被布置成使得本发明的实施例可以仅用于整个设备的一部分或子阵列。可选地，多个不同实施例中的一些或全部可以用于设备的不同行、列或区域。
工业实用性
所描述的实施例可以用于提供增强的am-ewod设备。am-ewod设备可以形成芯片上实验室系统的一部分。这样的设备可以用于操纵、反应和感测化学、生化或生理材料。应用包括医疗诊断测试、材料测试、化学或生物化学材料合成、蛋白质组学和生命科学和法医科学研究工具。
附图标记列表
4液体液滴
6接触角θ
16第一疏水涂层
20绝缘体层
22电阻器
24电容器
25电容器
26第二疏水涂层
28参考电极
32间隔物
34非极性流体
36顶基板
38阵列元件电极
38a阵列元件电极
38b阵列元件电极
40电负载
40a电负载
40b电负载
42电极阵列
46致动电路
48传感器电路
52晶体管
54晶体管
55晶体管
56电容器
58晶体管
60电容器
62感测晶体管
72下基板
74薄膜电子器件
76行驱动器电路
78列驱动器电路
80串行接口
82连接线
83电源接口
84阵列元件电路
86列检测电路
88传感器行寻址
90致动电路