专利名称：具有场电极的微电子装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于操纵样品的微电子装置，其包括样品室和场电极阵列。 此外，本发明还涉及将这种微电子装置用作生物传感器。
背景技术：
我们所熟知的包括生物传感器和微流体装置的集成微电子装置具有不同的名称，例如，DNA/RNA芯片、生物芯片、基因芯片和芯片上实验室。 具体而言，(微)阵列上的高吞吐量筛选是用于(例如)在诊断中采用的(生 物)化学分析的新工具中的一种。这些生物芯片装置包括在其中检验化学 或生物化学反应的小体积阱井(well)或反应器，并且其可以迅速可靠地调 节、传输、混合以及存储微量液体，以便大量地执行预期的物理、化学和 生物化学反应及分析。通过在小体积中执行化验，可以在时间以及目标、 化合物和试剂的成本上实现很大的节约。WO 03/045556 A2描述了一种微流体平台，其包括薄膜晶体管有源矩阵 液晶显示器，在该液晶显示器中对电极阵列进行选择性控制，以便通过电 润湿力使液体移动。然而，电润湿效应要求在所要移动的液体和另一种材 料，尤其是气体之间存在界面。发明内容基于这种情况，本发明的目的在于提供允许在微流体装置中对样品进 行通用操纵的装置。具体而言，希望能够在液体内引入流动，并且能够直 接影响样品中的颗粒。这些目的是通过根据权利要求1所述的微电子装置和根据权利要求22 所述的应用实现的。在从属权利要求中公开了优选实施例。根据本发明的微电子装置旨在操作样品，尤其是液体或气体化学物质， 例如可以含有颗粒的生物体液。"操作"一词将表示与所述样品的任何交互，例如测量样品的特征量、检测其性质、对其进行机械或化学等处理。该微 电子装置包括以下部件a) 样品室，可以在其中提供所要操作的样品。样品室通常是空腔或填 充了一些诸如凝胶的可以吸收样品物质的物质的腔；其可以是敞口腔、封 闭腔或通过流体连接通道连接至其他腔的腔。b) 用于至少在样品室的子区域中产生交变电场的具有相关本地振荡器 的场电极阵列。电极和振荡器之间的"相关"将表示每一个电极连接到至 少一个振荡器，反之亦然。通常，每一个场电极只连接到一个相关振荡器， 而每一个振荡器可以只连接到一个电极，或者连接到一组若干个电极。此 外，"本地"一词将表示每一个振荡器有利地位于其相关电极的附近。因此， 所述振荡器通常按照与电极类似的阵列形式分布。所述微电子装置的优点在于，将场电极耦合到相关本地振荡器可以容 易地产生交变场。电极和振荡器在空间上接近的布置尤其允许产生高频场， 因为避免了伴随高频信号的长距离传播所带来的串扰和类似负面影响。根据本发明的进一步扩展，所述微电子装置包括连接到本地振荡器和/ 或场电极的控制单元(集成到与场电极相同的衬底中，或者处于其外部)， 其用于单独控制振荡器/电极，或者用于单独控制多个由若干振荡器/电极构 成的组(其中， 一组公共控制电极例如可以建立四极)。对振荡器/电极的单 独控制提供了最大的灵活性，并且允许实现很多种不同的应用，例如，泵 送、颗粒富集(particle concentration),颗粒分离等。如前所述，每一个本地振荡器可以只和一个场电极相关。然而，在优 选实施例中，存在至少一个由两个或更多个场电极共享的本地振荡器。优 选地，在该实施例中由若干场电极共享所有的本地振荡器。这种本地振荡 器的共享允许简化设计，如果相关电极相互协作(例如，按照四极协作)， 那么尤其有可能实现这种共享。尤其可以采用场电极通过(AC或DC)电渗透、电泳、介电电泳、电流体动力学和/或这些效应的组合向样品室内的对象和/或流体施加力。就介 电电泳而言，样品中的实际生物颗粒可能对于操作而言过小，因此可以向 液体添加具有预期电特性的更大直径的颗粒，以促进混合。所述微电子装置可以任选适于采用各自不同和/或随时间而不同的频率驱动场电极。尤其可以通过对本地振荡器和/或相关控制单元的适当设计实 现这种可能性。如果采用各自不同的频率驱动电极，那么可以产生诸如介 电电泳力的频率相关效应的空间图案。如果采用随时间而不同的频率驱动 场电极，那么可以根据需要随着时间的推移改变频率相关效应。如果采用 各自不同和随时间而不同的频率的操作都是可能的，那么通过对频率相关 效应同时进行空间和时间控制来实现最大的灵活性。在本发明的另一实施例中，所述微电子装置适于在场电极阵列中产生 电活动的移动图案，尤其是行波。在本文中应当按照最为一般的意义理解 "电活动"一词，例如，其用于描述某一幅度和/或频率的电势。例如，移 动图案可以包括由场电极产生的电场的不同频率的分布或者集中在某些位 置并被零电场的区域包围的电场。如果电场用于对颗粒或流体施加力，那 么移动图案可以用于引入所述颗粒或流体的定向流动。在另一具体实施例中，在构成样品室或至少其一部分的微流体通道的 至少一侧上按照二维图案布置场电极。在该实施例中，可以在微流体通道 中操作样品，尤其可以向前驱动样品，以建立并保持流动。根据本发明的另一具体实施例，所述微电子装置包括一行彼此紧邻设 置的场电极，其工作频率沿着所述行持续增大。于是，诸如介电电泳力的 频率相关效应沿着该行电极而相应地变化，这允许例如对具有不同电1t性 的颗粒进行空间分离。可以按照图案，例如与场电极的图案相对应的图案对样品室和场电极 阵列之间的界面进行化学涂覆。因此，可以将电极的作用与化学效应相结 合。化学涂层尤其可以包括具体与样品中的目标分子结合的结合部位或杂交斑点(hybridization spot)。就细胞而言，可以采用细胞粘附层。结合部位、 杂交斑点和/或细胞粘附层尤其可以位于场电极附近或者位于场电极上方， 从而使其处于场电极作用的焦点，并且能够通过场电极的电场俘获样品物 质。此外，布置在电极上方的优点是在电极之间保留了自由空间，例如， 来自背景光源的光能够穿过所述自由空间。因此，场电极可以有助于使样 品结合到界面以供进一步分析的过程。然后，反转力的极性，以去除未结 合的材料。在另一实施例中，改变采用场电极施加的力，以混合未结合的 材料。接下来，可以使场电极再次用于俘获。此外，可以任选将至少一些场电极设置为多极，优选为四极、六极或 八极。这种设计可以有利于使颗粒集中在样品的特定聚焦位置上。在所述微电子装置的另一实施例中，本地振荡器中的至少一个为可调 谐振荡器，优选为弛豫振荡器或环形振荡器。可以通过外部命令根据需要 来调节可调谐振荡器的输出频率，从而实现各种感兴趣的应用。在前述实施例中，优选通过外部控制信号，例如控制电流或控制电压来控制可调谐本地振荡器的频率。所述控制信号可以是DC或低频率信号， 因为其只需传送预期振荡器频率的值，而非具有所述频率的信号本身。如 果希望得到高输出频率，这尤为有利，因为可以通过尽可能靠近场电极的 本地振荡器来产生所述高输出频率，而不必使其进行长距离传输。如果在前述实施例中采用控制电流，那么优选通过寻址单元将该电流 镜像到相关频率振荡器。在本发明的另一实施例中，所述微电子装置包括耦合到本地振荡器的 本地输出缓冲器，其用于产生输出信号，例如，电压或电流，其幅度与信 号的频率无关。因此，可以避免在振荡器的特定硬件实现中经常出现的输 出信号的频率相关性。所述微电子装置还可以包括本地转换器，其用于将本地振荡器的输出 或输入电压转换为电流，或者将本地振荡器的输出或输入电流转换为电压。 因此，本地转换器允许将振荡器的可用输出/输入信号转换成场电极所需的 信号形式。在所述微电子装置的另一实施例中，使每一个场电极与寻址单元、驱 动单元和/或存储单元本地相关。例如，可以通过存储控制信号的电压的电 容器实现存储单元。存储器允许在再次断开相关控制线并采用其控制其他 电极的同时，继续对场电极进行命令操作。所述微电子装置可以任选包括至少一个传感器元件，其优选为用于感 测样品室中的样品的特性的光、磁或电传感器元件。例如，在WO 2005/010543 Al和WO 2005/010542 A2中描述了一种具有磁传感器元件的 微电子装置。所述装置用作微流体生物传感器，用于检测用磁珠标记的生 物分子。所述装置设有传感器单元阵列，其包括用于产生磁场的线和用于 检测由磁化珠产生的杂散场的巨磁阻器件(GMR)。在本发明的进一步扩展中，所述微电子装置包括至少一个加热电极， 其用于在受到电能驱动时至少与样品室的子区域交换热量，其中所述加热 电极还优选为场电极。从"加热电极"这一名称可知，该电极优选将电能 转换成传输到样品室中的热量。然而，也可能在消耗电能的情况下加热电极(例如，珀耳帖元件(Peltierelement))从样品室吸收热量，并将其转移 到其他位置。存在加热电极的优点在于，可以控制样品室中的温度，这对 于很多生物样品和化验而言至关重要。在本发明的进一步扩展中，所述微电子装置包括至少一个温度感测元 件，其用于至少测量样品室的子区域的温度，其中所述温度感测元件还优 选为场电极。存在温度感测元件的优点在于，可以利用反馈，通过使用来 自温度感测元件的信号来控制样品室中的温度，所述信号与所述样品室的 温度相关，用以驱动例如前述种类的外部加热器或加热电极。根据另一实施例，所述微电子装置可以包括至少一个电导率感测元件， 其用于测量样品室中的诸如样品流体的材料的电导率。然后，例如可以将 所测到的电导率作为反馈耦合回来，用于场电极的驱动电子器件。这对于 介电电泳应用尤为有利，因为介质的电导率(在样品之间存在差异)对于 这种情况下的交越频率具有重要意义。所述微电子装置还可以任选包括至少一个用于至少照射样品室的子区 域的光源。例如，这种照明对于基于样品的荧光检测或光散射特性的检测 的研究而言是必需的。优选通过薄膜电子技术实现场电极。此外，可以采用大面积电子器件 (large area electronics (LAE))矩阵方法，优选采用有源矩阵方法以便与 所述电极接触。例如，在诸如LCD、 OLED和电泳显示器的平板显示器的 制造中应用LAE技术，尤其是例如使用薄膜晶体管(TFT)的有源矩阵技 术。本发明还涉及将上述微电子传感器装置用于分子诊断、生物样本分析、 化学样本分析、食物分析和/或法医分析。具体而言，可以在基于分子诊断 的临床应用中采用上述微电子装置。例如，可以借助于直接或间接附着于 目标分子的磁珠或荧光颗粒来完成分子诊断。
参考下文描述的实施例，本发明的这些和其他方面将变得明了且得到 阐述。将借助于附图以举例的方式描述这些实施例，附图中图1示意性地示出根据本发明的包括场电极和本地振荡器的微电子装置；图2示意性地示出具有矩阵图案的本地振荡器和场电极的阵列的连接;图3示意性地示出可以任选用作加热电极的一行场电极的顶视图； 图4示意性地示出用于分离具有不同沉淀特性的颗粒的根据本发明的 微电子装置的截面图；图5示意性地示出采用场电极的两维阵列覆盖的微流体通道的顶视图； 图6到15示出有关本地振荡器的寻址和控制的不同设计。
具体实施方式
附图中类似的附图标记表示相同或相似的部件。用于诸如分子诊断的(生物)化学分析的生物芯片将成为各种医疗、 临床、法医和食品应用的重要工具。 一般而言，生物芯片包括生物传感器， 在大多数所述生物传感器中，通过俘获分子将目标分子(例如蛋白质、DNA) 固定在生化表面上，随后例如采用光、磁或电检测方案对其进行检测。在 WO 2003/054566 、 WO 2003/054523 、 WO 2005/010542A2 、 WO 2005/010543A1和WO 2005/038911A1中描述了磁生物芯片的例子，在此通 过引用将它们并入到本文中。图1在这方面示出根据本发明的微电子装置的示意性截面图。所述装 置包括可以在其中提供所要研究的样品的样品室SC。此外，其包括芯片， 所述芯片包括构成样品室的底壁的衬底SU (例如，玻璃板)。优选利用结 合部位(未示出)涂覆所述芯片和样品室SC之间的界面，样品的目标分子 (任选利用可检测的标记进行标记)可以特定地结合到所述结合部位。将场电极FE的一维或二维阵列设置在衬底SU上，其中将每一个所述 电极耦合到相关本地振荡器OS。还将振荡器OS耦合到(外部)控制单元 CU，从而可以对其进行单独寻址。为简单起见，在图1中未示出微电子装 置的任选的其他部件，例如用于检测所结合的目标分子的传感器元件。所述装置还可以含有通过接地提供参考电压或者用于施加DC电压的电极。本 地振荡器OS利用具有选定频率的电信号驱动场电极FE，从而在样品室SC 中相应地产生交变电场E。振荡信号也可能含有DC分量。可以通过外部控 制单元CU控制这些场E的频率和空间分布。在采用大量电极时，应当采用常规大面积电子器件实现对电极的单独 寻址，而无需数量过大的与外界的连接。在图2所示的实施例中，采用有源矩阵作为分配网络，从而通过独立 电源线iPL将本地振荡器OS (或场电极)所需的电信号从中央驱动器CU 选路传送(route)到本地振荡器OS。在该例中，将本地振荡器OS设置为 由相同单元构成的规则阵列，由此通过有源矩阵的晶体管T1将这些单元连 接到驱动器CU。晶体管的栅极连接到选择驱动器(例如用于有源矩阵液晶 显示器AMLCD的标准移位寄存器栅极驱动器)，而源极连接到电极驱动器， 例如一组电压或电流驱动器。该阵列的操作如下-激活指定的本地振荡器OS，并将结合了所需振荡器的整行隔室中的 晶体管T1切换为导通状态(例如通过从选择驱动器向栅极施加正电压)。-将本地振荡器OS所在列中的独立电源线上的信号设为其预期值。将 该信号通过导通的TFT传送到振荡器。-将所有其他列中的驱动信号保持在不会导致振荡器活动的电压或电 流(这通常为0V或0A)下。同样，所述矩阵优选采用"每次一条线"的寻址原理进行工作，这与 通常由基于COMS的装置所采取的随机存取方法相反。还可以通过向所述阵列中的一个以上的列施加信号而同时激活指定行 中的一个以上的振荡器。可以通过(采用栅极驱动器)激活另一条线，并 向所述阵列中的一个或多个列施加信号而依次激活不同行中的电极。尽管在图2所示的实施例中，考虑的是一种(如果需要)能够同时向 所述阵列中的所有列提供独立信号的驱动器，但是考虑更为简单的具有多 路分配器的功能的驱动器也是可行的。在本发明的另一实施例中，提出了将单个图案化电极层FHE用于通过 依次在(电阻性)电极FHE两端施加电压(即，用于加热和温度感测，图 3a)和在电极FHE之间施加电压(即，用于流体/生物分子的电操作，图3b)来进行温度控制和对流体/生物分子进行电操作。可以利用(部分)电绝缘层(例如，SU-8、聚酰亚胺、聚碳酸酯、聚丙烯、Si02、天然金属氧化物) 和/或利用生物相容层(例如，SU-8、聚碳酸酯、聚丙烯)覆盖所述图案化 电极层。每一个电极FHE具有至少两个接触。在(电阻性)电极用于加热 或温度感测(图3a)的情况下使用至少两个接触。在电极用于对流体/生物 分子进行电操作(图3b)的情况下，通过至少一个接触施加(不同的)电 压V1、 V2、 V3、 V4。通过不止一个接触(在图3b中被示为用于最右侧的 电极)施加这些电压可以是有利的，以便减少将整个电极设置在预期电势 所用去的时间以及降低沿所述线产生电势降的可能性。可以将能够由上述微电子装置的场电极产生的交变电场用于各种用 途。在下述例子中，将电极用于向样品室中的颗粒或流体施加力。在这种 情况下，旨在提供适于操作生物传感器或生物化学反应室中的生物材料的 电极结构，尤其旨在允许对生物材料进行横向传输以及进行材料积累(例 如，在适于对样品进行后部照明，即通过含有电极结构的衬底进行照明的 位置)。在向含有生物材料的液体施加电场时，可以产生各种力。这些力包括 (介电)电泳力、电渗透力、电热力、库仑力和介电力。这些力中的第一 个，即(介电)电泳力是直接作用于生物颗粒而不是直接作用于液体或液 体中的离子上的力，因此适于选择性的颗粒操作。为了分析利用介电电泳(DEP)力对生物材料进行的操作，可以采用悬浮于水介质中的球状同质电介质颗粒作为模型。通过下式给定作用于这种颗粒上的介电电泳力FDEP:,，=2加乂 Re[一薛聰l2其中Sm是介质的介电常数，a是颗粒直径，K(o)是通过下式给定的 Clausius-Mossotti因数其中fp和"分别是颗粒和介质的复介电常数。对于各向同性的同质电介质而言，复介电常数为其中CT是电介质的电导率，(D是所施加的场的频率。DEP力可以是正的，或者可以是负的，取决于所施加的E场的频率以及所得到的Re[K(co)] 的符号。对于正DEP而言，将颗粒吸引到衬底上的高场强区域，而负DEP 将导致低场区域中的颗粒收集。将负DEP和正DEP之间的过渡频率称为交 越频率，其可以根据电导率、介质和颗粒的介电常数以及颗粒的尺寸而在 几百kHz和几MHz之间变化。为了允许对小颗粒，例如20nm的蛋白质进 行操作，需要高频E场，因此如果用于施加电压的电极具有低电阻，即所 述电极是金属的而不是诸如透明导电氧化物(例如，ITO)的其他材料，则 其是有利的。在下文中，考虑交变电场和DEP力的各种应用以及它们的具体问题。 为了解决这些应用的所有具体问题，建议在玻璃衬底上形成电极结构，可 以预见所述玻璃衬底具有标准的大面积电子器件(LAE)，从而能够对每一 个电极进行单独寻址。将具有标准的大面积电子器件的LTPS或非晶Si沉 积在玻璃衬底上。在大面积电子器件和场电极之间可以存在诸如BCB (苯 并环丁烯树脂)的平面化材料。标准情况是使用通孔，这不会带来额外成 本。此外，所沉积的杂交斑点优选与电极结构对准。所述杂交斑点甚至更 优选地设置成紧邻电极，从而可以在不妨碍光学照明/检测的情况下使用金 属电极。第一应用四极第一应用依赖于四极的使用，例如为了限制颗粒。在电场的低频下，可以产生正DEP，并且将颗粒吸引到四极的电极附近的高场区。在充分高 的频率下，可以观察到负DEP，并且在四极的中心含有颗粒。例如，在采 用荧光标志检测目标生物材料的情况下，可以利用这种状态。这些标志可 以是在DNA扩增过程中采用的光学信标(optical beacon)、带有标记的蛋 白质以及在表面上固定或杂交(带有标记的)核酸。就具有单结合事件灵 敏度的基于阵列的生物传感器而言，大生物分子具有pMol量级的低浓度， 并且结合动力学将变得受扩散限制。诸如采用四极结构的电操作提供了影 响分子与表面的结合动力学的能力，并且允许提高测量速度，这对于将测 量更低的生物标志浓度的下一代而言将变得很重要。四极中的交越频率是与颗粒相关的。因此，就在不同的室中检测不同 分子的(例如生物芯片中的)多室检测而言，颗粒的俘获和随后的操作需 要对每一个四极是可单独寻址的。其结果是，四极所需的电连接的数量等 于室的数量的四倍(如果连接极性相反的极，则将为二倍)。而且，每一个 室均需要频率振荡器。对于四极阵列而言，还必须形成通孔或跨接(cross-over)。通过所建议的LAE的使用，能够有利地满足所有这些要求。如果使用通孔，那么可以在使布线不对相邻四极造成干扰的情况下形 成四极的密集阵列。可以在俘获特定分子所需的频率下驱动每一个四极。 就矩阵而言，连接的数量并非4X (室的数量)，而是4X (行的数量加上 列的数量)。由于连接的数量不再至关重要，因此可以提高极的数量，并且 形成六极或八极。更多的极的优点在于，在距电极构造的中心相同的半径 下，VlE體卩将变得更大，因此DEP力也将更强。将生物材料聚焦在置于四极的中心的杂交斑点上将局部提高必须被检 测的材料的浓度。此外，通过切换频率，使四极在负DEP和正DEP之间切 换，从而能够冲走任何未结合的材料，由此进一步减少背景材料。此外，在玻璃衬底上的四极(或其他电极结构)的电极之间沉积杂交 斑点是有利的，因为可以在不存在电极的区域中收集样品。因此，可以采 用金属电极。这不仅为杂交斑点的沉积提供最大的自由度，而且由于电极 没有设置阻碍，因此还可以选择背部照明和渐逝场检测。或者，可以在不 存在来自电极的过度反射的情况下采用来自正面的照明。 第二应用电涂片(颗粒分类)还可以釆用DEP力对生物材料进行分类。图4所示的对细胞的电涂抹 就是这一应用的例子(还可以参考D. Homeset al.， IEEE Engineering in medicine and biology magazine, 85-90(2003))。在产生DEP的场电极FE上 方的样品室SC中产生细胞PA流。将DEP电极FE划分成能够施加具有不 同频率的电信号的区域。在左手侧，在颗粒进入室SC之后立即施加具有几 kHz的频率&的信号。随着向室的右手侧的移动，所施加的信号的频率f2、 f3……fn增大。根据细胞PA的表面特性(表面电荷、介电常数的实部和虚 部等)，在其下负DEP力-FDEp抵消沉淀力的频率将决定细胞接触底表面的 位置。利用细胞俘获材料涂覆该表面。不仅可以采用该技术分离细胞，还可以采用其分离任何其他因尺寸、表面电荷、介电常数或电介质不匀性而经受不同DEP力的生物颗粒。电涂片的分辨率由能够施加至样品以产生各种幅度的DEP力的不同频 率的数量来决定。于是对于高分辨率涂片而言，所需的连接将变得过多。 然而，矩阵构造允许连接引线的数量增加而远超过采用直接布线时可能的 连接引线数量。第三应用对颗粒的横向控制例如，需要使生物材料发生横向运动，从而使其沿微流体通道传输。 然而，在通常为300um宽的宽通道中，釆用由通道的两侧(短侧)上的电 极产生的DEP力是不够的，因为所述力仅在电极附近，即在大约O.l到lO um的范围内最强。根据图5，本发明提供的解决方案包括分布在微流体通道SC的顶侧或 底侧的整个宽度上的场电极FE的阵列。这可以通过产生电势岛来实现，因 此需要通孔结构。此外，由于必须能够采用电压对每一个岛进行寻址，因 此采用矩阵使得与外界的连接的数量不会过多是很重要的。图5的电极结 构的使用不仅为在x方向上施加电信号的行波提供了机会，而且还为例如 通过沿y轴施加产生负DEP力的行波而在y方向上操作颗粒提供了机会。尽管可以简单地在所述应用的电极结构处结合开关，但是这里建议在 每一电极处的玻璃上结合频率振荡器OS。由于小颗粒限制往往需要高频率 OlMHz)，并且由于在使用本地频率振荡器的情况下线电容不再相关(因 此允许更高的频率，并且显著降低功耗)，因此这对于四极尤为有利。另外， 这使得可以采用电阻更高的透明电极(因为此外RC延迟和功率为低)。'通常，如图6所示，使每一场电极或分组电极的子集与有源矩阵电路 相关，这样构成寻址元件、振荡元件(通常为可调谐振荡器)、存储功能元 件、任选驱动功能元件以及一个或多个电极。在这些功能元件当中，寻址 元件可以是简单的开关，并且存储功能元件通常是存储电容器。有很多形成可调谐振荡器的方法。有一类被称为弛豫振荡器的振荡器 可以通过改变提供给集成电子器件的电流对频率进行调谐；图7示出了这 类振荡器OS的例子。这里，数据电流填充开关电容C的速率决定振荡频 率。该振荡器实施例的优点在于所有TFT都具有相同的极性，这使得所述电路还可以通过a-Si技术来实现。在这类振荡器中，可以通过数据驱动电路直接提供设置振荡器频率所 需的电流，并采用图8和图9所示的电路将所述电流镜像到振荡器OS (与 任选的驱动器和场电极相关)上。图8中的电路的操作如下采样闭合S1和S2;电流I，流入T1，电流12 (-k山)流入T2和振荡 器OS。保持打开S1和S2;电流l2继续流入T2和振荡器OS。图9中的电路的操作如下1. 闭合T1和T2，电流h流入T4。2. 打开Tl和T2。3. 闭合T3，电流Ij流入T4和振荡器OS。图8示出常规的电流镜电路，而在图9中，电流镜采用相同的晶体管 T4对数据驱动器电流进行采样，并驱动振荡器。该单TFT电流镜电路的优 点在于，其进行自补偿，并且校正TFT特性(例如，迁移率和阈值电压) 的任何变化。如果采用p-Si TFT，那么这是重要的，因为此时将面临显著 的迁移率(5-10%)和阈值电压(+/-1V)变化。驱动电流的任何非均匀性 都将反映在振荡器频率的等价偏移中。或者，可以通过电压的形式对数据进行寻址，并采用图10和11所示 的电流源电路将所述电压转换为在振荡器的水平上所需的电流。在这些电 路中，向电流源TFT的栅极施加数据电压，并采用其跨导特性定义电流(电 流随着源极-栅极电压增大而增大)。图11示出基本电路的改进版本，其对 水平串扰(由于沿电源线的电压降而使得在移动穿过衬底时输出电流的降 低)的敏感度要低得多。如果n型和p型晶体管均可用(例如，p-Si技术或CMOS技术)，那么 可以形成具有更少的TFT的振荡器。这对于衬底上的可以用于后部照明和 检测的空间是有利的。可以在电子学参考书中找到这种振荡器的例子。图7所示类型的弛豫振荡器通常具有输出信号的幅度随输出频率的而 变化的特性(在图7所示的例子中，电压与电流成反比)。对于很多应用而 言，必须确保恒幅输出电压，或者更一般而言，必须确保输出电压可以独 立于频率而变化。可以通过采用输出缓冲器来实现这两种情况。在图12中给出了具有恒定输出电压缓冲器的图7所示的弛豫振荡器的实施方式的例 子。在该图中给出了在p-Si上实际实施所述电路(即，通过TFT定义电流 源和电阻)。而且确定电路部件的尺寸以提供具有300Hz-10kHz的带宽的振 荡，尽管也可以选择其他部件来实现其他带宽。图13示出了输出电压的频 率和幅度可独立变化的电路的例子。该电路将需要两个数据信号， 一个是 针对频率的(电流)， 一个是针对电压的(电压)。另一类可以通过本地可调谐振荡器电路实施的振荡器电路是环形振荡 器。图14示出了这一类振荡器的例子。在该例中，输出电压的频率和幅度 可以独立变化。而且，确定电路部件的尺寸以提供具有300Hz-10kHz的带 宽的振荡。可以通过选择其他部件来改变这一带宽。在大多数情况下，将直接采用振荡器的输出(电压)来驱动电极。在 一些情况下，电极将需要振荡输出电流。这再次可以通过采用(例如)电 流源TFT的跨导特性将振荡输出电压转换为电流来实现，如已在图10和 11中所示。通常，每一个可寻址电极将与一个本地振荡器相关，并且驱动电路能 够提供定义振荡频率(一般至少是一个处于正DEP范围内的频率和一个处 于负DEP范围内的频率)并且还具有可变幅度(以影响DEP力，并由此影 响颗粒运动的速度)的输入信号。然而，在一些情况下，还可以在至少两 个或更多电极之间共享单个本地振荡器。例如，就四极而言， 一般利用相 同的信号驱动相对的电极，因此可以与同一振荡器相关。此外，如果将利 用相同的频率但相反的极性来驱动电极，那么可以采用同一振荡器OS，其 中，如图15所示，将电极FE1、 FE2连接到两个具有不同幅度的输出缓冲 器，或者相对于接地连接对其进行不同的连接，以实现相反的极性。在两 种情况下均相对于上述实施例降低了电路复杂性。最后要指出的是，在本申请中，"包括" 一词不排除其他元件或步骤， "一"或"一个"并不排除多个，且单个处理器或其他单元可以实现若干 装置的功能。本发明体现在每个新颖的特征和特征的每种组合中。此外， 权利要求中的附图标记不应被视为限制其范围。
权利要求
1、一种用于操作样品的微电子装置，包括a)样品室(SC)；b)用于至少在所述样品室(SC)的子区域中产生交变电场(E)的具有相关本地振荡器(OS)的场电极(FE，FHE)的阵列。
2、 根据权利要求1所述的微电子装置，其特征在于，其包括控制单元(CU)，所述控制单元连接到所述本地振 荡器(OS)和/或连接到所述场电极(FE， FHE)，以对由它们构成的组进 行单独控制。
3、 根据权利要求1所述的微电子装置，其特征在于，在两个或更多个场电极(FE， FHE)之间共享至少一个 本地振荡器(OS)。
4、 根据权利要求1所述的微电子装置，其特征在于，所述场电极(FE， FHE)通过电渗透、电泳、介电电泳、 电流体动力学和/或这些效应的组合向所述样品室(SC)中的对象和/或流体 施加力。
5、 根据权利要求1所述的微电子装置，其特征在于，其适于利用各自不同和/或随时间而不同的频率驱动所述 场电极(FE， FHE)。
6、 根据权利要求1所述的微电子装置，其特征在于，其适于在所述场电极(FE， FHE)的阵列中产生电活动 的移动图案，尤其是行波。
7、 根据权利要求1所述的微电子装置，其特征在于，在微流体通道(sc)的至少一侧上按照二维图案布置所述场电极(FE， FHE)。
8、 根据权利要求1所述的微电子装置，其特征在于，利用逐渐提高的频率(&， f2，……fn)操作一行顺次的 场电极(FE， FHE)。
9、 根据权利要求1所述的微电子装置，其特征在于，按照优选相对于场电极(FE， FHE)的图案进行调整的 图案对所述样品室(SC)和所述场电极的阵列之间的界面(IN)进行化学 涂覆，尤其是利用结合部位对其进行化学涂覆。
10、 根据权利要求l所述的微电子装置，其特征在于，将场电极(FE)设置为多极，优选为四极、六极或八极。
11、 根据权利要求1所述的微电子装置，其特征在于，至少一个本地振荡器(OS)是可调谐振荡器，优选为弛 豫振荡器或环形振荡器。
12、 根据权利要求11所述的微电子装置，其特征在于，通过外部控制信号，优选通过控制电流或控制电压来控 制可调谐本地振荡器(OS)的频率。
13、 根据权利要求12所述的微电子装置，其特征在于，通过寻址单元将所述控制电流镜像到所述可调谐振荡器 (OS)。
14、 根据权利要求1所述的微电子装置，其特征在于，包括耦合到所述本地振荡器(OS)的本地输出缓冲器， 所述本地输出缓冲器用于产生具有与频率无关的幅度的输出信号。
15、 根据权利要求l所述的微电子装置，其特征在于，其包括本地转换器，所述本地转换器用于将所述本地振 荡器(OS)的输出或输入电压转换为电流，反之亦然。
16、 根据权利要求1所述的微电子装置，其特征在于，寻址单元、驱动器单元和/或存储单元与每一个场电极 (FE)本地相关。
17、 根据权利要求1所述的微电子装置，其特征在于，其包括至少一个用于感测所述样品室中的样品的特性的 传感器元件，优选为光、磁或电传感器元件。
18、 根据权利要求1所述的微电子装置，其特征在于，其包括至少一个加热电极(FHE)，所述加热电极用于在 受到电能驱动时至少与所述样品室(SC)的子区域进行热交换，其中所述 加热电极(FHE)也优选为场电极。
19、 根据权利要求1所述的微电子装置，其特征在于，其包括至少一个温度感测元件，所述温度感测元件用于 至少测量所述样品室(SC)的子区域的温度，其中所述温度感测元件也优 选为场电极。
20、 根据权利要求1所述的微电子装置，其特征在于，其包括至少一个用于测量所述样品室中的材料的电导率 的电导率感测元件。
21、 根据权利要求1所述的微电子装置，其特征在于，其包括至少一个用于至少照射所述样品室(SC)的子区 域的光源。
22、 根据权利要求1所述的微电子装置，其特征在于，其通过薄膜电子器件来实现。
23、 根据权利要求22所述的微电子装置，其特征在于，采用大面积电子器件方法，优选采用有源矩阵方法来接 触所述场电极(FE， FHE)。
24、 根据权利要求1到23中任一项所述的微电子装置在分子诊断、生 物样品分析或化学样品分析中的应用。
全文摘要
本发明涉及微电子装置，尤其涉及微电子生物传感器，其包括用于在相邻样品室(SC)中产生交变电场(E)的场电极(FE)的阵列。将所述场电极(FE)耦合到相关本地振荡器(OS)，所述本地振荡器优选为是可调谐的，并且按照矩阵图案连接到外部控制单元(CU)。所述本地振荡器(OS)允许所产生的电场(E)具有高频，从而例如可以产生介电电泳力。
文档编号B03C5/00GK101405083SQ200780009831
公开日2009年4月8日 申请日期2007年3月12日 优先权日2006年3月21日
发明者M·F·吉利斯, M·T·约翰逊, M·W·G·蓬吉 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司