高電壓微流體液滴低電壓制造
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及通過使用標(biāo)準(zhǔn)低電壓半導(dǎo)體制造技術(shù)，來進(jìn)行從半導(dǎo)體制造的視角被認(rèn)為是高電壓應(yīng)用的、對微流體液滴的致動(dòng)(actuat1n)。
[0002]因?yàn)楸景l(fā)明使得標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體制造技術(shù)能夠?qū)嵤?shù)字微流體系統(tǒng)，所以本發(fā)明能夠用于改進(jìn)將來的具有大規(guī)模微電子和微流體集成(large-scale microelectronic andmicrofluidic integrat1n)的數(shù)字微流體系統(tǒng)的構(gòu)建。
【背景技術(shù)】
[0003]在基于液滴的微流體器件中，液體夾設(shè)在兩個(gè)平行的板之間，并且以液滴的形式運(yùn)送。基于液滴的微流體系統(tǒng)提供了許多優(yōu)點(diǎn):低功耗，并且不需要諸如泵或者閥等機(jī)械部件。近年來，基于液滴的微流體系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用在諸如分析物和試劑的混合、生物分子的分析、和顆粒操控等應(yīng)用中。在數(shù)字微流體系統(tǒng)中，電介質(zhì)上電潤濕(EWOD)和液體介電泳(LDEP)是用于分配和操控液滴的兩個(gè)主要機(jī)制。EWOD和LDEP兩者均利用機(jī)電力(electromechanical force)來控制液滴。EWOD微系統(tǒng)通常用于創(chuàng)建、運(yùn)送、切割以及合并液體液滴。在這些系統(tǒng)中，液滴夾設(shè)在兩個(gè)平行的板之間，并且在致動(dòng)電極與非致動(dòng)電極之間的潤濕性之差的作用下驅(qū)使(actuate)液滴。在LDEP微系統(tǒng)中，當(dāng)施加電壓時(shí)，液體變成可極化的，并且流向電場強(qiáng)度更強(qiáng)的區(qū)域。LDEP致動(dòng)機(jī)制與EWOD致動(dòng)機(jī)制之間的差別在于致動(dòng)電壓和頻率。在EWOD致動(dòng)中，施加通常在50Vrms與10Vrms之間的DC或者低頻AC電壓，而LDEP需要更高的致動(dòng)電壓(10Vrms至300Vrms)和更高的頻率(50kHz至200kHz)。
[0004]為了制造微流體系統(tǒng)，照慣例，要求構(gòu)建高電壓的電極以執(zhí)行液滴致動(dòng)。通常，然后將頂板用作電壓參考(或者接地)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]已經(jīng)在文獻(xiàn)中提出了許多操控微流體液滴的方法?？梢詫⑦@些技術(shù)分類為化學(xué)法、熱學(xué)法、聲學(xué)法和電學(xué)法。液體介電泳(LDEP)和電介質(zhì)上電潤濕(EWOD)是兩種最常見的電學(xué)法。這兩種技術(shù)均利用電流體動(dòng)力(electrohydrodynamic force)，并且均在幾何圖形較簡單的同時(shí)提供高的液滴速度。
[0006]液體DEP致動(dòng)被定義為將可極化液體質(zhì)量吸引到電場強(qiáng)度更高的區(qū)域中。基于DEP的微流體依賴于圖案化在襯底上、涂布有薄介電層、并且利用AC電壓通電的電極。對于大量皮升體積的液滴和電壓控制型陣列混合器的快速分配，已經(jīng)通過采用DEP而得以證明。然而，對于DEP致動(dòng)，過度的焦耳加熱是個(gè)問題，即使可以通過使用熱導(dǎo)性更高的材料或者通過減小結(jié)構(gòu)大小來減少焦耳加熱。
[0007]EffOD使用電場來直接控制在固相與液相之間的界面能。與DEP致動(dòng)相反，在EWOD中幾乎消除了焦耳加熱，這是因?yàn)楦采w電極的介電層阻擋了 DC電流。雖然存在許多用于操控微流體液滴的方法，但是“數(shù)字微流體” 一般是指采用EWOD來操控納升液滴。EWOD指的是，通過在導(dǎo)電流體與涂布有介電層的固體電極之間施加電場，來調(diào)制在它們之間的界面張力。基于EWOD的數(shù)字微流體器件能夠包括兩個(gè)平行的玻璃板。底板包含可獨(dú)立控制的電極的圖案化陣列，并且頂板涂布有連續(xù)的接地電極。電極能夠由薄層形式的具有導(dǎo)電性和透光性的組合特征的材料諸如銦錫氧化物(ITO)形成。將涂布有疏水膜諸如特氟龍AF的介電絕緣體例如聚對二甲苯C(parylene C)添加至板，用于降低表面的可潤濕性并且用于增加在液滴與控制電極之間的電容。包含生化樣品的液滴和填充物介質(zhì)諸如硅油夾設(shè)在板之間。液滴在填充物介質(zhì)內(nèi)部移動(dòng)。為了移動(dòng)液滴，將控制電壓施加至與液滴相鄰的電極，并且同時(shí)將在液滴正下方的電極去激勵(lì)(inactivate)。
[0008]在一些實(shí)施例中，微流體生物芯片能夠集成微電子部件。高電壓CMOS制造技術(shù)具有若干問題。第一個(gè)問題在于，高電壓單元的大小。而且，功耗、制造技術(shù)的穩(wěn)定性/成本、以及與現(xiàn)有CMOS設(shè)計(jì)的兼容性都是棘手的問題。因此，在本發(fā)明的一些實(shí)施例中的電極單元符合已成熟的低電壓CMOS制造技術(shù)，以便進(jìn)行微電子和微流體的集成。
[0009]本發(fā)明使用已成熟的低電壓制造技術(shù)構(gòu)建數(shù)字微流體系統(tǒng)。一旦在頂部驅(qū)動(dòng)電極與底部驅(qū)動(dòng)電極之間施加電位，則EWOD效應(yīng)使電荷累積在液滴/絕緣體的界面中，從而引起跨在相鄰電極之間的間隙的界面張力梯度，因此引起對液滴的運(yùn)送。雖然電位的極性變化可以由于材料電介質(zhì)與物理參數(shù)的差異的影響而導(dǎo)致在液滴/絕緣體中的電荷累積發(fā)生一定程度的變化，但是總體的液滴致動(dòng)仍能夠可靠地進(jìn)行。
[0010]在一些實(shí)施例中，將高電壓施加至頂板，并且通過不要求任何高電壓部件的雙狀態(tài)開關(guān)技術(shù)(b1-state-switch technology)來實(shí)施底板上的電極。由此，已成熟的低電壓制造技術(shù)可以用于構(gòu)建數(shù)字微流體系統(tǒng)。
[0011]在其他的實(shí)施例中，低電壓制造技術(shù)包括但不限于CM0S、TFT(薄膜晶體管)、以及能夠用于構(gòu)建上述器件的其他半導(dǎo)體制造技術(shù)。
[0012]在其它一些實(shí)施例中，雙狀態(tài)開關(guān)電極在其接地的情況下被激勵(lì)(activate)。高阻抗模式包括:電極被去激勵(lì)。雙狀態(tài)開關(guān)電極能夠通過利用典型的半導(dǎo)體制造工藝制造而成，以減小成本和空間。
[0013]在一些實(shí)施例中，建立保護(hù)電路系統(tǒng)以:(1)增加擊穿電壓，⑵減少正電壓的漏電流，(3)防止負(fù)電壓通過p-n結(jié)對地短路，以及(4)增加雙狀態(tài)開關(guān)電極的高阻抗。
[0014]在一方面中，一種用于高電壓液滴致動(dòng)的器件包括:頂板，其包括連續(xù)電極，該連續(xù)電極設(shè)置在第一襯底的底表面上、被第一疏水層覆蓋；以及底板，其包括多個(gè)電極的陣列，該多個(gè)電極的陣列設(shè)置在第二襯底的頂表面上、被第一介電層覆蓋，其中該多個(gè)電極中的每一個(gè)由分隔結(jié)構(gòu)隔開，其中第二疏水層設(shè)置在第一介電層上、形成疏水表面。在一些實(shí)施例中，連續(xù)電極與驅(qū)動(dòng)電壓源耦合。在其他的實(shí)施例中，驅(qū)動(dòng)電壓源配置用于提供驅(qū)動(dòng)電壓，該驅(qū)動(dòng)電壓配置用于液滴致動(dòng)。
[0015]在其他一些實(shí)施例中，頂板進(jìn)一步包括第二介電層。在一些實(shí)施例中，當(dāng)液滴夾設(shè)在頂板與底板之間時(shí)，頂板與底板通過第一和第二介電層以及第一和第二疏水層絕緣，從而使得能夠避免在頂板上的高電壓驅(qū)動(dòng)電壓對底板的損壞。
[0016]在其他一些實(shí)施例中，底板通過雙狀態(tài)開關(guān)技術(shù)實(shí)施，其中致動(dòng)模式是使電極短接至GND。在一些實(shí)施例中，該器件進(jìn)一步包括高阻抗模式，其中連續(xù)電極、多個(gè)電極的陣列、或者兩者，在高阻抗模式下被去激勵(lì)。
[0017]在其他一些實(shí)施例中，雙狀態(tài)開關(guān)技術(shù)能夠擴(kuò)展為三狀態(tài)開關(guān)技術(shù)(tr1-state-switch technology)，其中第三狀態(tài)為邏輯‘I’狀態(tài)。邏輯‘I’狀態(tài)具有電源節(jié)點(diǎn)VDD的電壓(3.5V至0.4V)。三狀態(tài)開關(guān)技術(shù)能夠用于如下其他的應(yīng)用中，其中高阻抗和‘0’狀態(tài)用于液滴致動(dòng)，而‘I’狀態(tài)用于檢測或者自測。在其他一些實(shí)施例中，邏輯‘I’狀態(tài)能夠用于液滴檢測，其中在底板上的電極充電至VDD然后放電。放電速度能夠取決于電極的電容的RC時(shí)間常數(shù)。在其頂部上具有液滴的電極具有大于在其頂部上不具有液滴的電極的電容。通過測量放電(或者充電)速度，可以檢測到液滴。
[0018]在一些實(shí)施例中，連續(xù)電極、該多個(gè)電極的陣列、或者兩者，不包含高電壓部件，能夠通過半導(dǎo)體制造工藝來實(shí)施。在其他實(shí)施例中，半導(dǎo)體制造工藝包括制作CMOS、TFT、TTL、GaAs或者其組合的工藝。在一些實(shí)施例中，該多個(gè)電極的陣列包括與第二電極相鄰的第一電極。在一些實(shí)施例中，該器件進(jìn)一步包括設(shè)置在第一電極的頂部上并且與第二電極的一部分重疊的液滴。
[0019]在其