用于EWoD阵列的高频AC驱动的锁存晶体管驱动的制作方法

用于ewod阵列的高频ac驱动的锁存晶体管驱动
1.相关申请
2.本技术要求2020年2月19日提交的第62/978,367号美国临时专利申请的优先权。本文公开的所有专利、申请和出版物均通过引用整体并入。


背景技术：

3.数字微流体(dmf)器件使用独立电极在受限环境中推动、分裂和连结液滴，从而提供“芯片实验室”。数字微流体器件已被用于致动各种体积(nl至μl)，或者被称为电介质上电润湿或“ewod”，以使该方法进一步区别于依赖电泳流动和/或微型泵的竞争微流体系统。在电润湿中，向液滴施加连续或脉冲电信号，从而切换其接触角。能够电润湿疏水表面的液体通常包括极性溶剂，例如水或离子液体，并且通常具有离子种类，如电解质水溶液的情况。wheeler在“digital microfluidics”,annu.rev.anal.chem.2012,5:413-40中对2012年的电润湿技术进行了回顾。该技术允许使用少量的样品和试剂进行样品制备、测定和合成化学研究。近年来，利用电润湿在微流控单元中控制液滴操纵已在商业上可行，并且现有可从大型生命科学公司例如oxford nanopore购得的产品。
4.通常，ewod器件包括电极堆叠、绝缘介电层以及提供工作表面的疏水层。液滴放置在工作表面上，并且电极一旦被致动就会根据施加的电压使液滴变形并润湿表面或从表面去湿。大多数关于ewod的文献报道均涉及所谓的“直接驱动”器件(又名“分段”器件)，其中，十至数百个电极由控制器直接驱动。虽然分段器件易于制造，但电极的数量受到空间和驱动约束的限制。因此，无法在直接驱动器件中进行大规模的并行测定、反应等。相比之下，“有源矩阵”器件(又名有源矩阵ewod，又名am-ewod)器件可具有数千、数十万甚至数百万个可寻址电极。在am-ewod器件中，电极通常由薄膜晶体管(tft)切换并且液滴运动是可编程的，因此am-ewod阵列可用作通用器件，从而为控制多个液滴和执行同时分析过程提供了极大的自由度。
5.am-ewod的电极通常由薄膜晶体管(tft)切换，但也可使用机电开关。通过使用与am显示技术中所采用的电路布置非常相似的电路布置，基于tft的薄膜电子器件可用于控制电压脉冲对ewod阵列的寻址。由于具有数千个可寻址像素，因此tft阵列非常适合该应用，从而允许液滴程序的大规模并行化。驱动电路可被集成到am-ewod阵列基板上，并且基于tft的电子器件非常适合am-ewod应用。tft可使用多种半导体材料制成。一种常见的材料是硅。硅基tft的特性取决于硅的结晶状态，即，半导体层可以是非晶硅(a-si)、微晶硅，或者其也可被退火为低温多晶硅(ltps)。基于a-si的tft生产成本低廉，因此能够以相对较低的成本制造相对较大的基板面积。诸如金属氧化物的更奇特的材料也可用于制造薄膜晶体管阵列，但由于处理/沉积金属氧化物需要专门的设备，此类器件的制造成本通常较高。
6.在使用tft切换显示像素的传统应用中，帧速率约为100hz。然而，当dc或低频ac信号用于ewod时，则离子可能会扩散通过顶部介电层。当离子通过它们之间的金属线和电压到达下面的tft阵列时，则会发生一系列不同的有害电化学反应。已经出现了以100hz驱动的a-si tft ewod器件的几种不同故障机制。另有报道指出，ewod阵列在用于低频驱动时趋
于减速。减速的机制尚不清楚，但在高频驱动时不会发生。因此，am-ewod应用需要比显示应用快的帧速率。
7.对于有源矩阵器件，通常将驱动信号从控制器输出到栅极和扫描驱动器，进而提供所需的电流-电压输入以激活有源矩阵中的各种tft。然而，能够接收例如图像数据并输出必要的电流-电压输入以激活tft的控制器驱动器是市售的。大多数薄膜晶体管的有源矩阵通过一次一行(又名逐行)寻址来驱动，这在绝大多数的lcd显示器中均有使用。由于低电子迁移率和大tft尺寸，所有传统的a-si tft阵列均使用一次一行寻址，这意味着电路不能有效地用于a-si tft像素。金属氧化物和ltps tft具有比a-si tft高得多的迁移率，但由于栅极和源极线上的电容性负载，即使这样也无法达到远高于200hz的帧速率。
8.驱动用于电润湿应用的tft阵列的另一种方法被称为像素内存储器。这种方法通常将高性能ltps tft存储器和制造在背板上的驱动电路相结合。像素内存储器驱动使用第一信号将像素置于“on”状态，然后不同的集成电路直接向像素提供驱动信号，直到接收到单独的控制信号以将像素移动至“off”状态，从而禁用驱动信号。像素内存储器的优点是不需要每秒多次向长栅极和源极线施加电压脉冲。这导致明显的功率降低。在先进的像素内存储器技术中，极高质量的ltps tft用于在每个像素处结合存储器和振荡器电路，并允许高频(1khz)ewod操作。然而，由于需要许多附加的掩模和沉积步骤，采用振荡器技术的像素内存储器的制造成本非常昂贵。此外，由于额外的处理步骤，成品率明显降低，超过了使用a-si的普通“简单的”am-tft设计。这些工艺不适合使用am-tft面板，因为由于像素数量随着对角线长度的增加而呈指数增长，因此故障机会的数量进一步加剧了由于额外步骤导致的低成品率。


技术实现要素：

9.在第一方面，提供了一种有源矩阵电介质上电润湿(am-ewod)系统。该系统包括处理单元、像素阵列、多个矩阵栅极驱动器、多个矩阵源极驱动器、电源、与像素阵列相对设置的顶面公共电极、以及控制器。阵列的每个像素包括：像素电极；像素晶体管，其包括源极、漏极和栅极，像素晶体管的源极可操作地连接到像素电极，并且像素晶体管的漏极可操作地连接到矩阵电源轨；锁存电路，其可操作地连接到像素晶体管的栅极、矩阵栅极线、矩阵源极线和矩阵电源轨，锁存电路被配置为将像素晶体管锁存在由矩阵栅极线的状态和矩阵源极线的状态控制的导通状态或关断状态。每个矩阵栅极驱动器可操作地连接到矩阵栅极线。每个矩阵源极驱动器可操作地连接到矩阵源极线。电源可操作地连接到多个矩阵电源轨。顶面公共电极可操作地连接到顶面公共电极驱动器并且被配置为提供时变电压。控制器可操作地连接到矩阵栅极驱动器、矩阵源极驱动器和顶面公共电极驱动器，控制器被配置为接收来自处理单元的指令以将像素晶体管锁存在导通状态或关断状态。在一些实施例中，锁存电路包括锁存晶体管，该锁存晶体管包括源极、漏极和栅极，并且锁存晶体管可操作地连接到矩阵栅极线和矩阵源极线，而锁存电容器可操作地连接到像素栅极、锁存晶体管的漏极和矩阵电源轨。在一个非排他性实施例中，像素晶体管和锁存晶体管是薄膜晶体管(tft)，例如非晶硅薄膜晶体管(a-si tft)。在另一个非排他性实施例中，顶面公共电极驱动器被配置为在至少250hz至最多5khz的范围内(例如至少500hz至最多1.5khz或至少750hz至最多1.25khz)的频率下运行。顶面公共电极驱动器可被配置为以高于或等于锁存
器驱动频率的频率运行。控制器可包括可操作地连接到矩阵栅极驱动器和矩阵源极驱动器的第一子控制器，以及可操作地连接到顶面公共电极驱动器的第二子控制器。
10.在第二方面，提供了一种驱动有源矩阵电介质上电润湿(am-ewod)系统的方法。该系统包括处理单元、像素阵列、多个矩阵栅极驱动器、多个矩阵源极驱动器、电源、与像素阵列相对设置的顶面公共电极、以及控制器。阵列的每个像素包括：像素电极；像素晶体管，其包括源极、漏极和栅极，像素晶体管的源极可操作地连接到像素电极，并且像素晶体管的漏极可操作地连接到矩阵电源轨；锁存电路，其可操作地连接到像素晶体管的栅极、矩阵栅极线、矩阵源极线和矩阵电源轨，锁存电路被配置为将像素晶体管锁存在由矩阵栅极线的状态和矩阵源极线的状态控制的导通状态或关断状态。每个矩阵栅极驱动器可操作地连接到矩阵栅极线。每个矩阵源极驱动器可操作地连接到矩阵源极线。电源可操作地连接到多个矩阵电源轨。顶面公共电极可操作地连接到顶面公共电极驱动器并被配置为提供时变电压。控制器可操作地连接到矩阵栅极驱动器、矩阵源极驱动器和顶面公共电极驱动器，控制器被配置为接收来自处理单元的指令以将像素晶体管锁存在导通状态或关断状态。该方法包括将输入指令接收到处理单元中，(输入指令与am-ewod要执行的液滴操作有关)，将来自处理单元的矩阵栅极线和矩阵源极线选择指令输出到控制器，将来自控制器的矩阵栅极线信号输出到矩阵栅极线的驱动器以及将来自控制器的矩阵源极线信号输出到矩阵源极线的驱动器，以切换至少一个像素的锁存电路，以及将来自顶面公共电极驱动器的时变顶部公共电极信号输出到顶面公共电极驱动器，以驱动锁存的像素。在一些实施例中，锁存电路包括锁存晶体管，该锁存晶体管包括源极、漏极和栅极，并且锁存晶体管可操作地连接到矩阵栅极线和矩阵源极线，而锁存电容器可操作地连接到像素栅极、锁存晶体管的漏极和矩阵电源轨。在一个非排他性实施例中，像素晶体管和锁存晶体管是薄膜晶体管(tft)，例如非晶硅薄膜晶体管(a-si tft)。在另一个非排他性实施例中，顶面公共电极驱动器被配置为以至少250hz至最多5khz(例如至少500hz至最多1.5khz或至少750hz至最多1.25khz)的范围内的频率运行。顶面公共电极驱动器可被配置为以高于或等于锁存器驱动频率的频率运行。控制器可包括可操作地连接到矩阵栅极驱动器和矩阵源极驱动器的第一子控制器，以及可操作地连接到顶面公共电极驱动器的第二子控制器。
附图说明
11.图1a是示例性ewod器件的单元的示意性横截面。图1b示出了具有dc顶面的ewod操作。图1c示出了具有tps的ewod操作。图1d是连接到栅极线、源极线和推进电极的tft的示意图。
12.图2是用于通过am-ewod推进电极阵列来控制液滴操作的示例性驱动系统的示意图。
13.图3是连接到像素晶体管的像素电极的示意图，像素晶体管又连接到锁存电路。
14.图4a是图3的像素的配置，其中，像素晶体管和锁存晶体管均导通。图4b是像素晶体管导通而锁存晶体管关断的配置。图4c是像素晶体管关断而锁存晶体管导通的配置。图4d是像素晶体管和锁存晶体管均关断的配置。
15.图5a示出了结合本发明的ewod单元。
16.图5b和5c示出了使用本发明的锁存tft ewod阵列的液滴运动。
具体实施方式
17.定义
18.除非另有说明，否则下列术语具有所示的含义。
19.针对一个或多个电极，“致动”是指实现一个或多个电极的电气状态的变化，在液滴存在的情况下，这导致对液滴的操纵。
[0020]“液滴”是指一定体积的液体，其电润湿疏水表面并至少部分地被载液包围。例如，液滴可被载液完全包围，或者可被载液和ewod器件的一个或多个表面包围。液滴可采用多种形状；非限制性示例通常包括圆盘形、弹状、截球形、椭圆形、球形、部分压缩球形、半球形、卵形、圆柱形以及在液滴操作(例如合并或分裂)的过程中形成的各种形状或者由于这些形状与ewod器件的一个或多个工作表面接触而形成的形状。液滴可包括典型的极性流体，例如水，如水性或非水性组合物的情况，或者可以是包括水性和非水性组分的混合物或乳状液。液滴的具体组成没有特别的意义，只要它电润湿疏水的工作表面即可。在各种实施方式中，液滴可包括生物样品，例如全血、淋巴液、血清、血浆、汗液、泪液、唾液、痰液、脑脊液、羊水、精液、阴道排液、浆液、滑液、心包液、腹膜液、胸水、渗出液、分泌物、囊液、胆汁、尿液、胃液、肠液、粪便样品、含有单个或多个细胞的液体、含有细胞器的液体、流化组织、流化生物体、含有多细胞生物体的液体、生物拭子和生物洗液。此外，液滴可包括一种或多种试剂，例如水、去离子水、盐溶液、酸性溶液、碱性溶液、洗涤剂溶液和/或缓冲液。液滴内容物的其他示例包括试剂，例如用于生化方案、核酸扩增方案、基于亲和力的测定方案、酶法测定方案、基因测序方案、蛋白质测序方案和/或用于分析生物流体的方案的试剂。试剂的其他示例包括生化合成方法中使用的试剂，例如用于合成在分子生物学和医学中具有应用的寡核苷酸和/或一种或多种核酸分子的试剂。寡核苷酸可包含天然或化学修饰的碱基，最常用作反义寡核苷酸、小干扰治疗性rna(sirna)及其生物活性缀合物、用于dna测序和扩增的引物、用于通过分子杂交检测互补dna或rna的探针、用于在基因编辑技术(例如crispr-cas9)的背景下有针对性地引入突变和限制性位点的工具、以及用于合成人工基因的工具。
[0021]“液滴操作”是指对微流体器件上的一个或多个液滴进行的任何操纵。例如，液滴操作可包括：将液滴加载到微流体器件中；从源液滴分配一个或多个液滴；将液滴分裂、分离或划分成两个或更多个液滴；沿任何方向将液滴从一个位置输送到另一个位置；将两个或更多个液滴合并或组合成一个液滴；稀释液滴；混合液滴；搅拌液滴；使液滴变形；将液滴保持在适当位置；培养液滴；加热液滴；蒸发液滴；冷却液滴；处理液滴；将液滴输送出微流体器件；本文所述的其他液滴操作；和/或前述的任何组合。术语“合并”、“合并了”、“组合”、“组合了”等用于描述从两个或更多个液滴产生一个液滴。应当理解，当这样的术语参考两个或更多个液滴使用时，可使用足以使两个或更多个液滴组合成一个液滴的液滴操作的任何组合。例如，“将液滴a与液滴b合并”可通过输送液滴a以与静止液滴b接触、输送液滴b以与静止液滴a接触或输送液滴a和b以相互接触来实现。术语“分裂”、“分离”和“划分”并不旨在暗示关于所得液滴的体积的任何特定结果(即所得液滴的体积可相同或不同)或关于所得液滴的数量的任何特定结果(所得液滴的数量可以是2、3、4、5或更多)。术语“混合”是指使得液滴内的一种或多种组分更均匀分布的液滴操作。“加载”液滴操作的示例包括微透析加载、压力辅助加载、机器人加载、被动加载和移液器加载。液滴操作可以是电极介导的。在某些情况下，通过在表面上使用亲水和/或疏水区域和/或通过物理障碍进一步促进液滴操
作。
[0022]“栅极驱动器”是一种功率放大器，其接收来自控制器(例如微控制器集成电路(ic))的低功率输入，并为大功率晶体管(例如tft)的栅极产生大电流驱动输入。“源极驱动器”是一种为大功率晶体管的源极产生大电流驱动输入的功率放大器。“顶面公共电极驱动器”是一种为ewod器件的顶面电极产生大电流驱动输入的功率放大器。
[0023]“核酸分子”是单链或双链、有义或反义的dna或rna的总称。这些分子由核苷酸组成，核苷酸是由三个部分组成的单体：五碳糖、磷酸基团和含氮碱基。如果糖是核糖基，则聚合物是rna(核糖核酸)；如果糖是从核糖中提取的脱氧核糖，则聚合物是dna(脱氧核糖核酸)。核酸分子的长度各不相同，从通常用于基因测试、研究和法医学的约10至25个核苷酸的寡核苷酸到具有大约1000、10000个核苷酸或更多的序列的相对较长或极长的原核和真核基因。它们的核苷酸残基可全部是天然存在的，或者至少部分是化学修饰的，例如以减缓体内降解。可例如通过引入核苷有机硫代磷酸盐(ps)核苷酸残基对分子骨架进行修饰。另一种可用于核酸分子医学应用的修饰是2’糖修饰。修饰2’位糖被认为通过增强治疗性寡核苷酸的靶标结合能力来提高治疗性寡核苷酸的有效性，特别是在反义寡核苷酸治疗中。两种最常用的修饰是2
’‑
o-甲基和2
’‑
氟。
[0024]
当任何形式的液体(例如，液滴或连续体，无论是运动的还是静止的)被描述为“在电极、阵列、基质或表面上”、“在电极、阵列、基质或表面处”或“在电极、阵列、基质或表面之上”时，该液体可与电极/阵列/基质/表面直接接触，或者可与置于液体和电极/阵列/基质/表面之间的一个或多个层或薄膜接触。
[0025]
当液滴被描述为“在”或“加载在”微流体器件上时，应当理解，液滴以有助于使用该器件对液滴进行一个或多个液滴操作的方式布置在该器件上，液滴以有助于感测液滴的性质或来自液滴的信号的方式布置在器件上，和/或液滴已在液滴致动器上经受了液滴操作。
[0026]“每个”在涉及多个项使用时旨在标识集合中的单个项，而不一定指代集合中的每一项。如果明确公开或上下文清楚地另有规定，则可能会出现例外情况。
[0027]
详细描述
[0028]
在一个方面，本发明提供了一种am-ewod阵列中的锁存晶体管驱动的新方法。该方法可通过简单的设计、标准低迁移率a-si tft来实施，以实现与高频像素内存储器技术相同的结果。非晶硅tft的成本远低于ltps，通常用于驱动面板对角线尺寸超过40英寸的大型液晶电视，因此大面积产量不是问题。锁存驱动通过使用持久锁存tft和能够以高频率(例如1khz甚至更高)驱动顶面电极的顶面电极驱动器来适应更高的ewod帧速率。每个像素的电极连接到像素晶体管，并且像素晶体管的栅极连接到锁存电路。在矩阵的整个像素阵列上扫描矩阵栅极线和源极线使每个像素的像素晶体管栅极导通或关断。锁存电路将像素晶体管保持在该状态一段时间，直到对栅极线和源极线的新扫描将像素晶体管的栅极关闭或切换到新的导通/关断模式。在锁定期望的栅极图案之后，顶面公共电极用于一次驱动整个像素阵列。仅有锁存的像素被驱动。通过这种方式，以有限的额外成本极大地简化了tft硬件在更高频率下的驱动。
[0029]
传统的栅极线寻址
[0030]
典型的am-ewod器件由薄膜晶体管背板组成，该背板具有可布置为像素的规则形
状的电极的暴露阵列。像素可作为有源矩阵进行控制，从而允许操纵样品液滴。该阵列通常涂布有介电材料，然后涂布疏水材料。在图1a-1c的截面图像中示出了典型的ewod器件的基本操作。图1a示出了示例性传统的ewod器件的单元的示意性横截面，其中，液滴104在侧面被载液102包围并被夹在顶部疏水层107和底部疏水层110之间。可例如通过单独的控制电路直接驱动推进电极105，或者可通过布置成由数据(源)和栅极(选择)线驱动的晶体管阵列来切换电极，就像液晶显示器(lcd)中的有源矩阵一样，从而产生所谓的有源矩阵(am)ewod。典型的单元间距通常在约120μm至约500μm的范围内。
[0031]
通常，介电层108沉积在推进电极105以及相关的栅极线和数据线之上。介电层108应当足够薄并且具有与低压ac驱动兼容的介电常数，例如可从用于lcd显示器的常规图像控制器获得。例如，介电层108可包括顶部涂布有200-400nm的等离子体沉积氮化硅的大约20-40nm的sio2层。可替代地，介电层108可包括5至500nm厚、优选地150至350nm厚的原子层沉积的al2o3。
[0032]
疏水层107/110可由一种含氟聚合物或含氟聚合物的混合物构成，例如ptfe(聚四氟乙烯)、fep(氟化乙烯丙烯)、pvf(聚氟乙烯)、pvdf(聚偏二氟乙烯)、pctfe(聚三氟氯乙烯)、pfa(全氟烷氧基聚合物)、fep(氟化乙烯-丙烯)、etfe(聚乙烯四氟乙烯)和ectfe(聚乙烯三氟氯乙烯)。市售的含氟聚合物af(sigma-aldrich，威斯康星州密尔沃基市)和cytonix(马里兰州贝尔茨维尔市)的fluoropel
tm
涂层可旋涂在介电层408之上。含氟聚合物薄膜的一个优点是它们可以是高度惰性的，并且即使在暴露于氧化处理(例如电晕处理和等离子体氧化)之后仍能保持疏水性。具有较高接触角的涂层可由一种或多种超疏水材料制成。超疏水材料上的接触角通常超过150
°
，这意味着仅有一小部分液滴基底与表面接触。这赋予水滴几乎球形的形状。已发现某些氟化硅烷、全氟烷基、全氟聚醚和射频等离子体形成的超疏水材料被用作电润湿应用中的涂层，并使得沿表面滑动相对更容易。某些类型的复合材料的特征在于化学异质表面，其中，一种成分提供粗糙度，另一种成分提供低表面能，从而产生具有超疏水特性的涂层。仿生超疏水涂层依靠精细的微米或纳米结构来实现其拒水性，但应当注意，因为此类结构往往很容易因磨损或清洁而损坏。
[0033]
虽然可使用单层来实现介电和疏水功能，但此类层通常需要厚无机层(以防止针孔)，从而产生低介电常数，因此液滴运动需要超过100v。为了实现低电压致动，通常最好有一个薄无机层以实现高电容并且没有针孔，顶部是薄的有机疏水层。通过这种组合，可在+/-10至+/-50v的范围内的电压下进行电润湿操作，该电压范围在常规的tft阵列可提供的范围内。
[0034]
参考本文公开的方法，存在两种驱动ewod的“模式”：“dc顶面”和“顶面切换(tps)”。图1b示出了在dc顶面模式下的ewod操作，其中，顶面电极106被设置为零伏的电势。结果，施加在单元两端的电压是有源像素上的电压，即，像素101具有与顶面不同的电压，使得导电液滴被吸引至电极。这将ewod单元中的驱动电压限制在约
±
15v，因为在a-si tft中，由于tft在高压操作下的电不稳定性，最大电压在约15v至约20v的范围内。图1c中示出了另一种顶面切换，其中，通过使顶部电极与有源像素异相供电，驱动电压被有效地加倍至
±
30v，使得顶面电压与由tft提供的电压相叠加。
[0035]
非晶硅tft板通常每个像素仅有一个晶体管。如图1d所示，晶体管连接到栅极线、数据线和推进电极。当tft栅极上具有足够大的正电压时，数据线和像素之间的阻抗较低
(vg“on”)，因此数据线上的电压被传输到像素的电极。当tft栅极上具有负电压时，则tft为高阻抗，电压存储在像素存储电容器上，并且在其他像素被寻址时不受数据线上的电压的影响(vg“off”)。理想情况下，tft应充当数字开关。在实践中，当tft处于“on”设置时，仍有一定量的电阻，因此像素需要时间充电。此外，当tft处于“off”设置时，电压可能会从vs泄漏至vp，从而导致串扰。增加存储电容器cs的电容可减少串扰，但代价是使像素更难充电。
[0036]
如背景技术中所述，用于构建晶体管的替代薄膜材料包括低温多晶硅和金属氧化物材料，例如氧化钨、氧化锡、氧化铟和氧化锌。在金属氧化物应用中，使用此类金属氧化物材料为每个晶体管形成通道形成区，从而允许更快地切换较高的电压。此类晶体管通常包括栅电极、栅极绝缘膜(通常为sio2)、金属源电极、金属漏电极和栅极绝缘膜之上的金属氧化物半导体膜，该金属氧化物半导体膜至少部分地与栅电极、源电极和漏电极重叠。包括ltps材料的合适的有源矩阵背板可从诸如sharp/foxconn的制造商处获得。包括金属氧化物半导体的合适的有源矩阵背板可从诸如lg和boe的制造商处获得。
[0037]
图2是用于通过am-ewod推进电极阵列202来控制液滴操作的示例性驱动系统200的示意图。am-ewod驱动系统200可呈粘附到支撑板的集成电路的形式。ewod器件的元件以具有多条数据线和多条栅极线的矩阵形式布置。矩阵的每个元件包含图1d所示类型的tft，用于控制相应电极的电极电位，并且每个tft分别连接到一条栅极线和一条数据线。该元件的电极表示为电容器c
p
。存储电容器cs与c
p
并联布置，在图2中未单独示出。
[0038]
所示的控制器包括微控制器204，微控制器204包括控制逻辑和开关逻辑。它从输入数据线22接收与要执行的液滴操作有关的输入数据。微控制器具有用于ewod矩阵的每条数据线的输出，提供数据信号。数据信号线206将每个输出连接到矩阵的数据线。微控制器还具有用于矩阵的每条栅极线的输出，提供栅极线选择信号。栅极信号线208将每个输出连接到矩阵的栅极线。数据线驱动器210和栅极线驱动器212分别布置在每条数据信号线和栅极信号线中。附图中只示出了用于附图所示的那些数据线和栅极线的信号线。栅极线驱动器可被集成在单个集成电路中。类似地，数据线驱动器可被集成在单个集成电路中。集成电路可包括完整的栅极驱动器组件以及微控制器。集成电路可被集成在am-ewod器件的支撑板上。集成电路可包括整个am-ewod器件驱动系统。
[0039]
数据线驱动器提供与液滴操作相对应的信号电平。栅极线驱动器提供用于选择要致动其电极的栅极线的信号。图2中示出了一个数据线驱动器210的电压序列。如前所述，当栅极线上具有足够大的正电压时，则数据线和像素之间的阻抗较低，因此数据线上的电压被传输到像素。当tft栅极上具有负电压时，则tft为高阻抗，电压存储在像素电容器上，不受数据线上的电压的影响。如果不需要运动，或者如果液滴意在远离推进电极，则将向该(非目标)推进电极施加0v。如果液滴意在朝向推进电极运动，则将向该(目标)推进电极施加ac电压。该附图显示了标记为n至n+3的四列和标记为n至n+4的五行。
[0040]
如图2所示，传统的am-ewod单元使用一次一行寻址，其中，一条栅极线n为高，而所有其他栅极线为低。然后，所有数据线上的信号被传输到第n行中的所有像素。在线时间结束时，栅极线n信号变低，下一条栅极线n+1变高，从而将下一条线的数据传输到第n+1行中的tft像素。这将继续依次扫描所有栅极线，从而驱动整个矩阵。这与几乎所有的am-lcd(例如手机屏幕、笔记本电脑屏幕和lcd-tv)中使用的方法相同，由此tft控制保持在液晶层两端和am-epd(电泳显示器)中的电压。
[0041]
对am-tft可被驱动的速度的一个限制是每个像素电极被充分充电以引起可见状态变化所需的时间。在理想驱动信号的情况下，可计算最大线时间(mlt)，其是帧时间(ft)、帧速率(fr)和栅极线数量(n)的函数：
[0042]
帧时间(ft)＝1/fr,
[0043]
mlt＝ft/n
[0044]
例如，以100hz驱动的500栅极线的ewod的mlt将是1/100/500＝20μs。在实践中，栅极线和源极线的特征还在于rc时间常数，该时间常数取决于tft设计和阵列大小。通常，rc时间常数使得tft切换比理想线时间慢。因此，在一条栅极线被切换为“off”和下一条栅极线被切换为“on”之间通常需要附加的2至3μs，从而使像素充电的实际时间通常比针对给定帧速率计算的mlt短2至3μs。通常，epd和lcd通常以60至120hz的帧速率操作。在估计线时间时，可以以100hz的速率为例。此外，am-tft显示器通常具有约一千条栅极线。利用这些数字，100hz的帧速率产生10ms的帧时间，并且1000条栅极线产生的可用的最大线时间为10ms/1000＝10μs。
[0045]
表i列出了具有不同栅极线数量的tft面板的ewod频率、tft帧速率和mlt。重要的是，tft帧速率是ewod频率的两倍，因为完整的ewod循环需要正脉冲和负脉冲。大于8μs的mlt以粗体显示，这意味着使用一次一行寻址的简单a-si tft阵列可能能够在保持令人满意的性能的同时驱动它们。小于8μs的mlt以斜体显示，这意味着具有标准驱动的a-si tft不太可能实现高ewod频率：
[0046]
表i
–
不同ewod频率的最大线时间
[0047][0048]
因此，如表i所示，对于小型阵列，即200条扫描线，可以以大于200hz驱动阵列，但对于较大的阵列，例如500条或更大的扫描线，即使是200hz快速驱动也变得不可能。在大多数情况下，使用1000hz的一次行寻址根本不可行。
[0049]
锁存晶体管驱动
[0050]
如上所述，在传统的一次一行寻址方法中，每一行被单独驱动，因此栅极周期的数量始终等于栅极线的数量。当以高帧速率驱动阵列时，这给使用a-si tft操作ewod带来了困难，因为a-si tft和驱动器无法以高频扫描矩阵源极线和栅极线并使像素电极达到足够的电荷状态。然而，驱动电润湿显示器的频率高于标准的一次一行驱动通常可能的频率有明显的益处。特别地，当在电润湿器件上驱动具有高离子强度的水溶液时，低频驱动的故障率要高得多。据推测，持续的电压电位促进了离子种类和器件中的各种金属之间的电化学反应。虽然可以用各种电介质和/或聚合物密封剂来密封像素电极和驱动线，但在实践中发现，密封层中最小的缺陷很快成为不可逆的器件损坏的途径。此外，已经发现，在液滴方案的过程中，更高频率的驱动导致液滴位置的“滑动”更少。对于持久的方案，当两个混合液滴未按计划组合时，液滴位置的较小滑动可能会导致方案失败。
[0051]
本文公开了一种am-ewod器件，其中，像素电极不再像传统方法中那样被驱动。相反，如图3的示例性实施例所示，像素电极30连接到像素晶体管303，像素晶体管303又连接到锁存电路，并且顶部公共电极307连接到顶部电极驱动器306。具体而言，像素晶体管32的源极连接到像素电极30，并且像素晶体管的漏极34连接到电源轨36。像素晶体管的栅极39
连接到锁存电路。在该结构中，锁存电路包括锁存晶体管301和存储电容器305。矩阵驱动系统的矩阵源极线和矩阵栅极线(分别为35和38)并不像传统阵列那样驱动像素电极。相反，矩阵栅极线38连接到锁存晶体管301的栅极31，并且锁存晶体管的源极33连接到矩阵源极线35。锁存晶体管301的漏极37通向像素晶体管的栅极39和锁存电容器305，锁存电容器305的功能是保持像素晶体管断开或闭合。
[0052]
通过在适当的电压下扫描矩阵源极线和栅极线，像素晶体管303和锁存晶体管301可独立地导通或关断。这允许将像素晶体管锁定在选定状态(“on”或“off”)，直到再次扫描矩阵栅极线38和矩阵源极线35以使像素晶体管保持其先前状态或改变该状态。图4a-4d中示出了这一点，其中示出了可通过在不同的电压下扫描矩阵栅极线和源极线而获得的多个状态。在图4a所示的实施例中，矩阵栅极线电位vg(+25v)和矩阵源极线电位vs(+20v)之间的差v
gs1
为5v。这足以导通锁存晶体管并将源极线的电压传输到锁存电容器305和像素晶体管的栅极39，使电位v
la
为+20v。当像素电位v
p
被设置为0v时，v
la
和v
p
之间的电压差v
gs2
等于20v，这通常是a-si tft中的通道导通的最佳v
gs
值。结果，锁存晶体管和像素晶体管均被导通。通过添加来自顶部电极驱动器306的1khz、30v幅度的正弦波，像素30(又名推进电极)和顶部公共电极307之间的任何液滴在+30v至-30v下以1khz被驱动。
[0053]
利用“正常”的逐行更新基础结构，例如栅极线和扫描线，可将锁存晶体管301上的栅极线电位vg改变为使得锁存晶体管关断的值。然而，在这种状态下，电容器305使像素晶体管303保持断开。图4b的配置例证了这一点，其中，vg被设置为-14v，使得v
gs1
为-34v，这足以关闭锁存晶体管301。尽管如此，v
la
保持在+20v不变，使像素晶体管“on”。
[0054]
作为图4b的替代方案，如图4c所示，vg可被保持在+25v不变，而源电压vs下降到-7v。所得的v
gs
等于+32v，并且源电压再次被传输到电容器，这一次使得v
la
被降至-7v。在这种状态下，锁存晶体管被开启，但像素晶体管被切换到“off”。在该“off”状态下，像素电极30基本上是悬空的，但由于通过导电液滴的导电通路，液滴上没有电位，并且液滴的接触角不受影响，就像液滴上存在电场时的情况。最后，如图4d所示，vs可以被保持在
–
7v，而vg被降至
–
14v。所得的v
gs1
为
–
7v，这也足以关闭锁存晶体管，从而重置像素。
[0055]
总之，每个像素晶体管可通过扫描矩阵栅极线和源极线而被独立地切换到期望状态并锁存在期望状态。因此，可根据液滴方案的需要在像素之间驱动液滴。这在图5a中被更详细地示出，图5a是本发明的ewod器件500的单元的示意性横截面，其中，液滴504在侧面被载液502包围并被夹在相应的介电层508上方的顶部疏水层507和底部疏水层510之间。每个推进电极505可如上所述被设置为“on”或“off”状态，其中，驱动电位通过顶部电极506提供。在许多情况下，在顶部疏水层和底部疏水层之间设置有间隔件，产生通常在约120μm至约500μm的范围内的液滴工作空间。间隔件可由任何非导电材料制成，但为了方便和可加工性，通常使用聚四氟乙烯。一旦根据期望模式选择并扫描了像素，则微控制器向顶部电极驱动器输出信号，以同时寻址整个像素电极阵列。仅驱动像素晶体管被锁存在“on”状态的像素(在此被定义为“锁存的像素”)，因此期望的像素致动模式仅需要驱动顶部公共电极一次。图5b和5c中示出了用于使液滴在第一位置和第二位置之间运动的过程。
[0056]
在大多数液滴方案中，液滴运动相对较慢，因此可通过以相对较低的频率(例如约50hz至100hz)扫描矩阵源极线和栅极线来实现通过栅极线和源极线的锁存切换，该特征使得本发明的该实施例特别适合利用tft晶体管阵列尤其是利用a-si tft来实现。同时，可以
以高得多的频率(例如在至少250hz至最多5khz的范围内)驱动顶部公共电极，从而以高得多的速率寻址像素电极。在另一个实施例中，顶部公共电极可以以至少500hz至最多1.5khz的范围内的频率被驱动。在一个实施例中，顶部公共电极可以以至少750hz至最多1.25khz范围内的频率被驱动。顶部电极驱动器可从许多供应商(例如advanced energy)处获得，并且在商业上出售用于凝胶电泳应用。合适的微控制器可从e ink公司购买。在一个示例性器件中，微控制器204向矩阵栅极驱动器、矩阵源极驱动器发出信号，就像电泳显示器一样，而顶部电极驱动器提供所需的驱动电压。顶部电极驱动可利用单独的微控制器信号进行门控。然而，如下的实施例也是可预期的并且在本发明的这一方面的范围内：控制器的功能由两个子控制器执行，第一个子控制器向矩阵栅极驱动器和源极驱动器发出信号，第二个子控制器向顶部电极驱动器发出信号。
[0057]
对于本领域技术人员将显而易见的是，在不脱离本发明的范围的情况下，可对本发明的上述特定实施例进行许多改变和修改。因此，前述描述的全部内容应被解释为说明性的而非限制性的含义。