使用有源矩阵原理的、基于电的微流体装置.pdf

本发明涉及一种使用有源矩阵原理的、基于电的微流体装置，用于在医疗、保健和健康产品中使用，尤其是在生物芯片或生物系统中。一种使用有源矩阵原理的、基于电的微流体装置，用于在医学、保健和健康产品中使用，尤其是在生物芯片或生物系统中，其中，将多MEMS致动器(PMA)的2维矩阵阵列(1)布置在2维系统中，在其中，使每一单个致动器以电/电子的方式彼此独立地操纵，以便能够在所述矩阵中产生一种激活图案。

1、  一种使用有源矩阵原理的、基于电的微流体装置，用于在医疗、保健和健康产品中使用，尤其是在生物芯片或生物系统中使用，其中，将多MEMS致动器(PMA)的2维矩阵阵列(1)布置在2维系统中，在其中，使每一单个致动器以电/电子的方式彼此独立地操纵，以便能够在所述矩阵中产生一种激活图案。

2、  如权利要求1所述的电微流体装置，其特征在于，将所述矩阵中的所述致动器分为列和行，其中，每一个列-MEM在一个电子端口上由激活驱动器(20)并行激活，每一个列-MEM(PMA)在另一个电子端口上由选择驱动器(10)并行激活，从而每一个致动器都能够通过选择列和行来进行寻址，从而由这些电2维生成坐标来激活在交叉点上的所选MEM(PMA)。

3、  如权利要求1或2所述的电微流体装置，其特征在于，使用电子计算和操纵模块，以便为所述致动器驱动器(20)和所述选择驱动器(10)计算电压操纵信号，以访问在所述微流体装置中的预定激活模式。

4、  如权利要求1、2或3所述的电微流体装置，其特征在于，每一个PMA(1)都包括箔电极(3)和激活电极(4)，其中，所述激活电极(4)由晶体管开关(11)访问，该晶体管开关(11)的基极触点与该PMA的行中的每个其他PMA并行地进行切换，源极/漏极触点之一与其他的列-PMA并联连接，源极/漏极触点之中的另一个触点各自连接到其PMA的所述激活电极上。

5、  如权利要求1到4中任意一项所述的电微流体装置，其特征在于，每一个箔电极(3)都与总的公共箔电极电接触。

6、  如权利要求5所述的电微流体装置，其特征在于，将所述PMA阵列布置或集成在公共衬底上。

7、  如权利要求1到6中任意一项所述的电微流体装置，其特征在于，在所述阵列衬底上集成其他的电子元件，如温度传感器和/或风速计元件和/或发光二极管。

8、  如权利要求1到7中任意一项所述的电微流体装置，其特征在于，使用与所述箔电极/激活电极装置(3、4)并联的存储器元件，如电容器(12)，以便保存每一个PMA的操纵状态的电子记忆。

9、  如权利要求1到8中任意一项的所述电微流体装置，其特征在于，不是通过所述晶体管开关(11)，而是通过具有至少两个二极管的装置来访问所述激活电极(4)。

10、  如权利要求1到8中任意一项的所述电微流体装置，其特征在于，不是通过所述晶体管开关(11)，而是通过MIM(金属-绝缘体-金属)二极管装置(13)来访问所述激活电极(4)。

11、  用于操作根据权利要求1到10中至少一项所述的电微流体装置的方法，其中，在计算单元或在计算模块中，计算作为时间t的函数的信号或信号序列Vi，随后通过对所述致动器驱动器和所述选择驱动器的协调操纵来导引出所述信号或信号序列Vi，以便产生PMA激活的预定模式。

12、  如权利要求11所述方法，其特征在于，在前述操纵信号的评价中识别其他所使用/集成的传感器元件的信号。

使用有源矩阵原理的、基于电的微流体装置
技术领域
本发明涉及一种使用有源矩阵原理的基于电的微流体(Macro-fluidic)装置，用于在医疗、保健和健康产品中使用，尤其是在生物芯片或生物系统中。
背景技术
微流体芯片正日益成为用于这些产品的关键基础。在所有微流体装置中，存在的基本需要是控制流体流动，就是说，必须将流体传送、混合、分离以及引导通过微通道系统，该微通道系统由通常宽度是0.1mm的多个通道组成。已经开发并使用了各种致动机制。US 2004124384 A1公开了一种静电可变形薄膜，但是其是作为一种微阀的开启与关闭元件。
发明内容
因此本发明的目的是实现微结构中的一种可编程电致动器，用于在医疗、保健和健康产品中使用，尤其是在生物芯片或生物系统中。
由专利权利要求1的各个特征针对生物芯片的基于电的微流体装置而实现了所述目的。
这个系统进一步的实施例的特征在从属权利要求2-10中描述。
专利权利要求11的方法的各个特征针对操作这个系统，尤其是生物传感器，而实现了所述目的。
这个方法进一步的实施例的特征在从属权利要求12中表述。
一种使用有源矩阵原理的、基于电的微流体装置，用于在医疗、保健和健康产品中使用，尤其是在生物芯片或生物系统中，其中，将多MEMS致动器(poly-MEMS actuator)(PMA)的2维矩阵阵列布置在2维系统中，其中，使每一单个致动器以电/电子的方式彼此独立地操纵，以便能够在所述矩阵中产生一种激活图案(pattern)。借助于每一个PMA的激活的独立可能性，可以产生每一种激活图案，从而能够实现每一种所选的流体泵送效果。这对于在生物传感器微结构装置中的使用而言是非常有利的，以便优化对微流量(micro-flux)的极其可选择性的操作。
一个有利的实施例是将矩阵的致动器分为列和行，其中，每一个列-MEM在一个电子端口上由激活驱动器并行激活，每一个列-MEM(PMA)在另一个电子端口上由选择驱动器并行激活，从而每一个致动器都能够通过选择列和行来进行寻址，从而通过这些电2维生成坐标来激活在交叉点上的所选MEM(PMA)。借助于此，可以以非常容易且有效的方式驱动或激活每一个单个PMA。
本发明进一步的实施例采用了用于激活图案的预先确定和协调的简易模块，借助于使用电子计算和操纵模块来为致动驱动器和选择驱动器计算电压操纵信号，从而访问微流体装置中的预定激活图案。
本发明进一步的有利实施例是每一个PMA都包括箔电极和激活电极，其中，所述激活电极由晶体管开关访问，该晶体管开关的基极触点与该PMA所属的行中的每个其他PMA并行地进行切换，源极/漏极触点之中的一个触点与其他的列-PMA并联连接，源极/漏极触点之中的另一个触点各自都连接到其PMA的所述激活电极上。通过使用这种薄膜晶体管，可以将该系统完全布置在公共衬底或载体上。
这将由进一步的实施例来支持，其中，每一个箔电极都与总的公共箔电极电接触。
在进一步的实施例中，在该阵列衬底上集成其他的电子元件，如温度传感器和/或微观结构的风速计元件和/或发光二极管。借助于此，该阵列可以由局部传感器支持，以便优化阵列的激活。
进一步的实施例是使用与所述箔电极/致动电极装置并联的存储器元件，如电容器，以便保存每一个PMA的操纵状态的电子记忆。借助于此，可以仅由脉冲信号产生PMA的激活。电容器保存PMA的激活位置的记忆。
可以将PMA构成或开发为小缠绕箔，或者小圆柱形管，或者无论什么形状。要点在于，这些元件可以由激活信号改变形状，从而使其可以在流体泵送穿过微观结构的腔的通道时移动流体。
最后，有利的是使用了一种用于操作电微流体装置的方法，其中，在计算单元或在计算模块中，计算作为时间t的函数的信号或信号序列Vi，随后通过对致动驱动器和选择驱动器的协调操纵来导引出该信号或信号序列Vi，以便产生PMA激活的预定模式。
提供了该方法进一步的实施例，在前述操纵信号的评价中识别其他使用的/集成的传感器元件的信号。
附图说明
在图1到图6中显示了本发明不同的实施例。
具体实施方式
在图1中显示了可以利用的便利的聚合物微致动器几何结构1。其显示了双层复合结构，包括聚合物膜2(在此情况下是丙烯酸脂)和导电膜3(在此情况下是铬)，这是在我们的实验室中制造的。对处理进行调整，以便使该结构向上卷曲，且在一端附着固定。当在致动器下面的电极4与作为致动结构一部分的导电膜3之间施加电压差时，静电力会将该结构拉向衬底。结果，其会展开，并在衬底上展平。当去掉该电压时，平板就会借助弹性复原返回到其原始卷曲形状。该致动效果是双稳态的，致动器尖端的位置是所施加电压的函数。对于这个特定PMA设计，“展开”电压Vun是11V，“弹性复原”电压Ver是5V。通常可以在1V与100V之间调整这些值，这取决于PMA的尺寸和机械特性。
应理解，在图1中草绘的几何结构仅是一个可能的实施例，许多其它几何结构也是可以想到的：直柱，圆柱形杆等。(生物)流体中聚合物微致动器的致动会引起流体流动，即流体操作。导致有效流体流动的典型频率是在1到100Hz之间。为了实现有效的流体操作(传送、混合、旋转或者其它的)，必不可少的是可以对微致动器或它们的组进行独立寻址。这会允许产生复杂的流体流动模式。随后可以采用略微不同相的方式来致动该致动器(组)，产生例如致动器集合的波状运动，这会导致传送流动。如果以适当的时序进行致动器组的不同相致动，则会导致混乱的混合模式。另外，通过对致动器的受控的局部寻址，还可以实现多种具体的流动模式。
这需要用于在各个聚合物微致动器(组)的位置处产生局部电场的模块，即必须对电极进行独立寻址。该说明书提供了使用有源矩阵技术对这个要求的解决方案。大面积电极，以及例如用于薄膜晶体管(TFT)的特定有源矩阵技术，通常在平板显示器领域中使用，用来驱动许多显示效果，例如LCD，OLED及电泳的。
在此，改进了对电致动器阵列的控制，优选地基于多MEM(微机电)致动器(PMA)原理，尤其是在微流体装置中使用，例如在生物芯片或生物系统中。可以用无源矩阵方案来控制PMA阵列。优选地，可以用基于大面积电子器件的可编程电极阵列来控制PMA。更优选地，以有源矩阵阵列的形式布置电极阵列。然而，其可以可任选地包括其他元件，例如加热元件，其它感测元件，例如光传感器，温度传感器等。
该装置将能够实现多MEM元件的电致动的各种定义模式。优选地，该装置还能够实现多MEM元件的电致动的一系列可控制的动态可变的定义模式。在优选实施例中，希望利用有源矩阵装置的高寻址速度，在引言部分所述的1-100Hz的优选频率范围上独立地致动任何PMA。
图2显示了本发明的第一实施例，其是电气特征的电路设计图。在这个第一实施例中，我们建议通过控制在采用无源矩阵阵列形式的一组致动电极上的电压的幅度，来产生多MEM元件1的电致动的多种定义模式。在这个实施例中，可以将电极阵列连接到外部电压驱动器。在图2中示意性地显示了这种情况。为了实现这个无源矩阵布局，必须将致动电极和箔电极构成为线的形式且这些线的方向彼此之间有一个角度。在图2的实例中，以列的形式构成致动电极，同时以行的形式构成箔电极。为了成功地操作无源矩阵系统，我们需要PMA呈现出电压阈值。如在引言中所示的，这是这个情况；要求在Vur附近的电压展开薄片，由此在Vt附近的电压对于启动这个展开是不够的。
使用上述的阈值实例，可以配置基于无源矩阵PMA的电传送系统。在此实例中，在矩阵中的每一个PMA都包括2个电极，将其配置为行-箔电极4和列-致动电极3的形式，以构成PMA阵列。
致动电极的位置号3和箔电极的位置号4与图1的位置号的命名法在功能上相等。
每一个行和每一个列都可以独立地连接到电压源。例如，行电极可以连接到选择驱动器10(例如类似于AMLCD的栅极驱动器的标准移位寄存器)，其可以在0V到Vt之间切换。列电极随后连接到致动驱动器20。致动驱动器20可以刚好是如例如无源或有源矩阵液晶显示器(LCD)所用的标准电压数据驱动器，其输出可以具有0V或(Vur-Vt)电平。
按如下进行操作：
在休眠状态，将所有行电极设定为0V。在此情况下，没有任何PMA可以展开，因为横跨电极两端的电压不能超过Vt(即低于阈值)。
为了展开指定的PMA，将与包含所要求的PMA的该行PMA相关联的行电极切换到-Vt。所有其它行保持在0V。
在PMA所在的列电极中的电压设置为其释放电压+(Vur-Vt)。横跨所要求PMA的电极两端的电压现在是Vur，导致PMA的展开。
在所有其它列中的电压保持在不会展开PMA的电压(在此实例中是0V)。
如果PMA不必再展开，行电极再次被设置为0V，在该点，PMA会再次卷曲。
还可以通过将致动信号(电压＝Vur-Vt)施加到阵列中一个以上的列(见图2)，来同时致动指定行中的一个以上的PMA。可以通过激活另一行(行电压-Vt)，并将致动信号(电压＝Vur-Vt)施加到阵列中的一个或多个列来致动不同线中的PMA。
无源矩阵方案的弱点是，不能同时且独立的同时致动不同行中的PMA。这就限制了可以实现的致动模式的数量。
图3显示了进一步的实施例。在该实施例中，建议通过独立控制在一组激活电极上的电压的幅度，来产生多MEM元件1的电致动的大量定义模式。
在最简单的实施例中，电极阵列可以用大面积电子器件，如简单的开关11，连接到外部电压源，开关11被设计为将电压从外部源传送到一个或多个电极。在图3(上部)中显示了这种情况。对于这个实施例，开关可以实现为(薄膜)晶体管(TFT)开关(图3下部所示)、二极管开关或MIM(金属-绝缘体-金属)二极管开关，并可以用公知的有源矩阵驱动原理来执行对一个或多个单个电极的寻址。
在基于晶体管的有源矩阵阵列的情况下，为了独立控制单个多MEM致动器(PMA)，所示装置的操作如下。
在非寻址状态，将所有选择线设置为开关不导通的电压。在此情况下，没有PMA受到控制。
为了控制指定的PMA(并由此使其卷曲或展开)，将包含所需PMA的部分的整个线中的开关都切换为导通状态(例如通过施加选择信号)。
将PMA所处列中的控制信号(例如电压)设置为其预期电平。这个信号通过开关传送到PMA的致动电极，导致PMA改变其形状(即展开)。
在所有其它列中的控制信号保持在不会改变该行中剩余PMA的形状的电平上(在该实例中，它们会保持在其卷曲状态)。
所有其它行的选择信号会保持在未选择状态，从而将其它PMA经由未导通开关连接到同一列，且并不受到控制。
在将PMA设置为预期状态之后，在该线中的开关再次设置为非导通状态，避免了PMA形状的进一步改变(除非横跨PMA两端的电压泄漏，在这时，PMA再次卷曲)。
该装置随后会保持在非寻址状态，直到需要随后的控制信号来改变第一个或另一个PMA的形状，在这时，重复以上操作序列。
还可以通过在所选择的期间内将控制信号施加到阵列中一个以上的列，来同时控制指定行中一个以上的PMA。可以通过激活另一行(使用选择驱动器)并将控制信号施加到阵列中的一个或多个列，来顺序地控制不同行中的PMA。
可以对该系统进行寻址，从而在存在控制信号时仅激活该PMA。然而，在优选实施例中，有利的是将存储器装置包含在PMA中，例如与PMA电极并联的存储电容器元件12，或者基于晶体管的存储器元件，从而在该选择期间完成之后记忆该控制信号(见图4)。这使得可以在阵列上的任何点处同时获得卷曲形状或展开形状的PMA多样性。当然，如果可以使用存储器装置，就会明确需要第二控制信号来将PMA带回其卷曲形状。
在一系列优选实施例中，用薄膜晶体管(TFT)技术实现了有源矩阵PMA电传送装置，以确保可以独立地驱动所有PMA(见图3)。TFT是薄膜大面积电子器件中公知的开关元件，并在例如平板显示器应用中找到了广泛使用。在工业上，TFT的主要制造方法基于无定形硅(a-Si)或者低温多晶硅(LPTS)技术，同时可以使用其它技术，例如有机半导体或其它不基于硅的半导体技术(例如CdSe)。
在提供比使用TFT的情况相比略差的灵活性的同时，还可以实现基于有源矩阵的PMA电传送装置，其使用技术上不太苛求的薄膜二极管技术或金属—绝缘体—金属(MIM)二极管技术。
图5显示了进一步的实施例，其中TFT与双二极管装置交换。在提供比使用TFT的情况相比略差的灵活性同时，还可以实现基于有源矩阵PMA的电传送装置，其使用了技术上不太苛求的薄膜二极管技术。可以以几种已知的方式来驱动二极管有源矩阵阵列(如已经用于例如有源矩阵LCD的)，其中的方式之一是具有复位的双二极管(D2R)方案。
在图5中显示了这个有源矩阵阵列的像素电路。二极管矩阵每个PMA具有两个二极管，一个二极管经由控制线向致动电极提供控制数据，一个二极管经由公共复位线从电极移除控制数据。由外部电压确定阻塞范围，从而使该范围可调，所述阻塞范围是二极管不导通状态下的电压范围。其主要优点是需要较高的操作电压PMA。通过提供串联二极管(因为这避免了单独二极管在较高反向电压的击穿—将该电压划分到这些二极管上)易于容纳较高电压—见图5。外部连接的数量等于行加列加一(复位线)的数量。该电路不受二极管特性的影响，并可以选择Pin二极管或Schottky二极管。通过使用额外的串联或并联的二极管，使得电路对于短路或开路错误具有冗余。可任选地，用5个电压电平的复位方法来驱动行。
可以用简单的3层工艺来构成PIN(或Schottky-IN)二极管。将无定形半导体层，即p掺杂、本征的、n掺杂的堆栈区，夹在上和下金属线之间，这两条金属线方向垂直。电气特性几乎没有灵敏的对齐。
图6显示了本发明进一步的实施例。在提供比使用TFT的情况相比略差的灵活性同时，还可以实现基于有源矩阵PMA的电传送装置，其使用了技术上不太苛求的金属—绝缘体—金属(MIM)二极管13技术。
传统上，MIM二极管13有源矩阵阵列—如用于有源矩阵LCD的，具有与在实施例1中所述的无源矩阵相似的布局。然而，引入MIM二极管作为与每一个组件串联的非线性电阻元件，以允许有源矩阵寻址。
通过借助薄绝缘层(实例是夹在Cr或Mo金属之间的氢化氮化硅，或者在Ta金属电极之间的Ta2O5绝缘体)分离2个金属层，来产生该MIM装置，并以交叉结构(cross over structure)的形式便利地实现该MIM装置。MIM将选择线或控制数据线(所示的)连接到致动电极。金属层以及绝缘层两者都在同一衬底上实现。可以通过给第一衬底增加到箔的第二线电极(用于提供选择信号)，并用另外的(更厚的)绝缘层作为交叉将其分离，来完成PMA连接。
图1的PMA装置通过在两个电极上施加电压以展开该装置来工作。在所示的装置中，由绝缘体覆盖衬底上的电极，同时没有覆盖在聚合物上的电极。因此有利地将后一未覆盖电极的电压保持为尽可能接近该电极在其中进行操作的液体的电位。这会抑制电解(如果液体是水，它会在约2V以上出现)及其它电极腐蚀状态的出现，在有源矩阵实施例的情况下，这意味着未覆盖电极可以有利地构成公共电极(保持在例如0V)。
在无源矩阵的情况下，未覆盖电极可以有利地构成选择电极，其在未选择状态下(大多数时间)保持在0V，而当实际选择了该线时(寻址的每一帧仅有一次—通常<时间的1％)仅接收选择电压。这也会限制电解和腐蚀。