エレクトロウェッティングおよび誘電泳動を利用した、液体制御用アクティブマトリクス装置および駆動方法
【課題】駆動メカニズム（ＥＷＯＤまたはＤＥＰ）を、任意の時点にてアレイ素子に含まれる各列に応じて個別に選択可能なように構成されたアクティブマトリクス駆動回路を提供する。
【解決手段】マイクロ流体装置は、アレイ上の１個または複数の液滴４を操作するように構成されている複数のアレイ素子４３と、アクティブマトリクス駆動回路８４とを備えており、各アレイ素子は、上部基板３６上に形成されている上部基板電極２８と、下部基板７２上に形成されている駆動電極３８Ａ、３８Ｂとを含んでおり、上記上部基板電極および上記駆動電極の間に上記１個または複数の液滴を配置可能であり、上記アクティブマトリクス駆動回路は、上記複数のアイレ素子の、上記上部基板電極および上記駆動電極に駆動信号を与え、上記複数のアレイ素子の間で、上記１個または複数の液滴を操作するように構成されている。
【解決手段】マイクロ流体装置は、アレイ上の１個または複数の液滴４を操作するように構成されている複数のアレイ素子４３と、アクティブマトリクス駆動回路８４とを備えており、各アレイ素子は、上部基板３６上に形成されている上部基板電極２８と、下部基板７２上に形成されている駆動電極３８Ａ、３８Ｂとを含んでおり、上記上部基板電極および上記駆動電極の間に上記１個または複数の液滴を配置可能であり、上記アクティブマトリクス駆動回路は、上記複数のアイレ素子の、上記上部基板電極および上記駆動電極に駆動信号を与え、上記複数のアレイ素子の間で、上記１個または複数の液滴を操作するように構成されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アクティブマトリクスアレイおよび当該アレイの素子に関する。本発明は、その一態様において、デジタルマイクロ流体工学に関し、より詳細には、アクティブマトリクス型の誘電体エレクトロウェッティング（ＡＭ−ＥＷＯＤ：Active Matrix Electrowetting-On-Dielectric）に関する。ここで、誘電体エレクトロウェッティング（ＥＷＯＤ：Electro-Wetting-On-Dielectric）とは、アレイ上の液滴を操作する公知の技術である。アクティブマトリクスＥＷＯＤ（ＡＭ−ＥＷＯＤ）は、ＥＷＯＤを、アクティブマトリクスアレイにおいて、例えば薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を利用して、実施することを指す。また、本発明は、上述の装置の駆動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
誘電体エレクトロウェッティング（ＥＷＯＤ）は、電場の印加によって液滴を操作する公知の技術である。ゆえに、ＥＷＯＤはラボオンチップ（lab-on-a-chip）技術に関するデジタルマイクロ流体工学に対して好適な技術である。上記技術の基礎的な原理への導入は、「“Digital microfluidics: is a true lab-on-a-chip possible?”，R. B. Fair，Microfluid Nanofluid (2007年)第3巻245-281」に見出すことができる。
【０００３】
米国特許６５６５７２７号（A. Shenderov; 2003年5月20日発行）には、液滴を、アレイを通して移動させるためのパッシブマトリクス型のＥＷＯＤ装置が開示されている。
【０００４】
米国特許６９１１１３２号（V. Pamula et al.; 2005年6月28日発行）には、２次元での液滴の位置および移動を制御するための２次元ＥＷＯＤアレイが開示されている。
【０００５】
さらに、米国特許６５６５７２７号には、液滴の分割および結合ならびに液滴および他の物質の混合を含む他の液滴操作方法が開示されている。また、一般的に、典型的な液滴操作には、高電圧が必要とされる。ここで、従来技術（例えば、米国特許７３２９５４５号（Pamula et al.; 2008年2月12日発行））には、当該電圧の値を２０Ｖ〜６０Ｖの範囲にすることが開示されている。また、当該値の必要値は、絶縁体および疎水層（疎水面）の製造に利用される技術に依存して定まる。
【０００６】
ここで、ＥＷＯＤ駆動メカニズムの特筆すべき特徴としては、固体表面に対する液滴の接触角が、駆動電圧の平方に依存する点を挙げることができる。つまり、印加する電圧の正負の符号は、直接的に重要ではない。このため、ＥＷＯＤは、交流または直流の駆動スキームにより実現することができる。
【０００７】
ここで、ＥＷＯＤを交流駆動スキームにより実現することには、以下のような利点がある。
・装置の寿命劣化の抑制
・絶縁体の信頼性の改善
・液滴ダイナミクスの改善
このため、ＥＷＯＤを研究するグループの大半は、交流駆動スキームを利用しており、典型的な駆動周波数としては１０ｋＨｚ以上を利用している。
【０００８】
最近の液晶（ＬＣ）ディスプレイの多くでは、アクティブマトリクス（ＡＭ）構成を利用しており、この構成により薄膜トランジスタが、液晶層に作用する電荷を維持している。
【０００９】
ここで、ＬＣディスプレイでは、一般的に、液晶に印加する電圧は、交番（反転）されることが好ましい。これは、直流電場を適用することにより、ＬＣを構成する物質に悪影響が及ぶためである。大半のＬＣ反転スキームにおいては、ディスプレイに書き込まれる情報のフレームごとに、印加しているＬＣ電圧の正負の符号を反転させる操作が行われている。ここで、当該反転操作の周波数は、典型的には、５０Ｈｚ〜６０Ｈｚの範囲の値をとる。
【００１０】
「“Ultra-Low Power System-LCD with Pixel Memory Circuit”，Matsuda et al.，Proceedings of IDW ’09, AMD1-2」には、ピクセルメモリ駆動スキームを備えたＬＣＤが開示されている。ここで、ピクセルメモリとは、ピクセルに含まれるＳＲＡＭメモリセルを利用して、ディスプレイに書き込まれるデータを記憶する技術のことである。つまり、当該ディスプレイは、黒または白を表示できるだけの１ビットディスプレイであって、階調を有するグレーレベルを表示できるわけではない。このような構成による利点としては、ディスプレイに書き込まれる電圧を繰り返しリフレッシュする必要を抑制し、消費電力を低減可能である点を挙げることができる。ここで、ＬＣ層に印加する電圧の反転を機能させるためには、ピクセル内に反転回路をさらに追加する必要がある。これにより、反転の周波数を、ディスプレイのデータリフレッシュレートよりも高くすることができる。
【００１１】
米国特許第７１６３６１２号（J. Sterling et al.; 2007年1月16日発行）には、ＡＭディスプレイ技術において援用される構成と非常に似た回路構成により、ＥＷＯＤアレイに与える電圧パルスのアドレッシングを制御する、ＴＦＴベースの電子回路を利用する構成が開示されている。
【００１２】
このようなアプローチを、“アクティブマトリクス型の誘電体エレクトロウェッティング”（ＡＭ−ＥＷＯＤ：Active Matrix Electro-Wetting On Dielectric）と呼ぶことができる。ここで、ＴＦＴベースの電子回路を利用したＥＷＯＤアレイの制御においては、以下のような利点がある。
・駆動回路を、ＡＭ−ＥＷＯＤアレイ基板上に集積することができる点
・ＴＦＴベースの電子回路は、ＡＭ−ＥＷＯＤ用途に好適である点
・比較的大きいエリアを有している基板は比較的低コストで製造できるため、ＴＦＴベースの電子回路も安価となる点
標準的なプロセスにおいて製造されるＴＦＴは、標準的なＣＭＯＳプロセスにおいて製造されるトランジスタよりも、高い電圧で動作するように設計されている。多くのＥＷＯＤ技術において、ＥＷＯＤ駆動電圧として２０Ｖを超える電圧が必要とされるため、ＴＦＴが高い電圧で動作するように設計されていることは、重要である。
【００１３】
液滴マイクロ流体工学を実現するための他の技術として、誘電泳動（ＤＥＰ；Dielectrophoresis）が挙げられる。誘電泳動とは、誘電性の粒子に対して、変化する電場を作用させることにより、当該誘電性の粒子に力を作用させることができる現象である。
【００１４】
ＥＷＯＤが面の性質と関係する接触線に基づく現象であることとは異なり、ＤＥＰは、誘電性の粒子および当該粒子を取り巻く媒体の、異なる分極率と関係するバルク的な現象である。ここで、「“Integrated circuit/microfluidic chip to programmably trap and move cells and droplets with dielectrophoresis”，Thomas P Hunt et al，Lab Chip，2008年，8，81-87」には、デジタルマイクロ流体工学に適用可能な誘電泳動アレイを駆動するシリコン集積回路（ＩＣ）バックプレーンが開示されている。また、当該文献には、図１に示すような、アレイ素子に交流波形を印加するための集積回路が開示されている。当該回路は、データを書き込み・保存可能である標準的なＳＲＡＭメモリセル１０４、スイッチ回路１０６、および出力バッファステージ１０８から構成されている。ここで、スイッチ（トランジスタ）１１０およびスイッチ１１２を操作することにより、交流信号Ｖｐｉｘ（この例では、５Ｖかつ１ＭＨｚの矩形波として示されている）またはＶｐｉｘを反転した相補的な信号のいずれかが、ピクセルに書き込まれる。また、当該文献には、ＤＥＰの物理的性質の概要が開示されている。また、当該文献には、ＤＥＰ力がどのように電場の勾配の平方、粒子および誘電性の媒体の複素誘電率、ならびに幾何的な要因に依存するかについても開示されている。
【００１５】
「“Lab Chip”，2008年，8，1325-1331（Fan et al，2008年5月28日）”」は、ＥＷＯＤおよびＤＥＰがどのようにパッシブＥＷＯＤ装置として実現されるかについて開示している。ここで、当該装置は、液滴および液滴に含まれる粒子（の移動）の双方を制御する。図２は、当該装置に含まれる電極の基本的な配置を示す図である。ここで、大型の正方形の電極４８は、ＥＷＯＤ駆動メカニズムにより液滴の位置を操作することに利用される。なお、ＥＷＯＤ駆動メカニズムは、よく知られたメカニズムである。また、より小型の方形の電極５０は、ＤＥＰ駆動計測により液滴に含まれる誘電性の粒子を操作することに利用される。当該操作は、例えば、誘電性の粒子を液滴の片側に集中化させる操作であってもよい。
【００１６】
ここで、このようなＥＷＯＤおよび／またはＤＥＰを実現するためのパッシブアーキテクチャにおいては、別々の配線（例えば、５２）を各電極に対して個別に設けなければならない点が、特筆すべき不利な点であると言える。これにより、アレイに含まれる個別に制御可能な素子の総数が、装置の電気的な入力の数により制限される。このため、大型のアレイを実現することが、非現実的になる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
本発明では、駆動メカニズム（ＥＷＯＤまたはＤＥＰ）を、任意の時点にてアレイ素子に含まれる各列に応じて個別に選択可能なように構成されたアクティブマトリクス駆動回路を提供することを目的とする。また、本発明では、液滴に作用させる駆動信号は、液滴をＥＷＯＤにより操作する直流電圧信号もしくは低周波数の交流電圧信号、または液滴をＤＥＰにより操作する高周波数の交流電圧信号のいずれかから選択できる駆動方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明の一態様によれば、アレイ上の１個または複数の液滴を操作するように構成されている複数のアレイ素子と、アクティブマトリクス駆動回路とを備えており、各アレイ素子は、上部基板上に形成されている上部基板電極と、下部基板上に形成されている駆動電極とを含んでおり、上記上部基板電極および上記駆動電極の間に上記１個または複数の液滴を配置可能であり、上記アクティブマトリクス駆動回路は、上記複数のアイレ素子の、上記上部基板電極および上記駆動電極に駆動信号を与え、上記複数のアレイ素子の間で、上記１個または複数の液滴を操作するように構成されているマイクロ流体装置が提供される。ここで、上記アクティブマトリクス駆動回路は、１個または複数の上記アレイ素子について、誘電体エレクトロウェッティング（ＥＷＯＤ：Electro-wetting-on-Dielectric）および誘電泳動（ＤＥＰ：Dielectrophoresis）の両方によって、上記アレイ素子内にある上記１個または複数の液滴を選択的に操作するように、上記上部基板電極および上記駆動電極に上記駆動信号を与えるよう構成されている。
【００１９】
本発明の他の態様によれば、アレイ上の１個または複数の液滴を操作するように構成された複数のアレイ素子を含んでいるマイクロ流体装置を駆動する方法が提供される。ここで、当該方法は、誘電体エレクトロウェッティング（ＥＷＯＤ：Electro-wetting-on-Dielectric）および誘電泳動（ＤＥＰ：Dielectrophoresis）のそれぞれによって、上記１個または複数の液滴を操作するように、アクティブマトリクス駆動回路を利用して、上記１個または複数のアレイ素子に含まれる上記１個または複数の液滴に、直流電圧または比較的低周波数の交流電圧、および比較的高周波数の交流電圧を選択的に与える工程を含んでいる。
【００２０】
上述および関連する目的を達成するために、本発明は、本明細書において十分に説明され、特に特許請求の範囲において指摘される特徴を含む。以下の説明および添付の図面は、本発明の特定の典型的な実施形態を詳細に示すものである。これらの実施形態は、説明のためのものであるが、本発明の原理を利用することが可能である様々な方法のうちのいくつかに過ぎない。本発明の他の目的、利点、および新規の特徴は、以下の発明の詳細な説明を図面とともに考慮することによって、明らかとなろう。また、添付の図面では、同様の参照番号は、同様の部材または特徴を示すものである。
【発明の効果】
【００２１】
汎用的な形態において、再構成可能なＡＭ−ＥＷＯＤ装置に、ＤＥＰ機能をさらに付与することができる。ここで、第２の駆動メカニズムとして、ＤＥＰをさらに備えることにより、液滴に含まれる誘電性の粒子（例えば、細胞、玉）を、液滴の媒体とは分離して操作することができる。これは、サンプル洗浄および集細胞などに応用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】従来技術に係る、誘電泳動を利用した液滴制御用バックプレーンのアレイ素子回路を示す図である。
【図２】従来技術に係る、ＥＷＯＤおよびＤＥＰを実現するためのパッシブディバイスアーキテクチャーを示す図である。
【図３】本発明の典型的な実施形態に係るＡＭ−ＥＷＯＤ装置の概要を示す斜視図である。
【図４】上記ＡＭ−ＥＷＯＤ装置の複数のアレイ素子を横断する断面を示す図である。
【図５】上記ＡＭ−ＥＷＯＤ装置における薄膜電子回路の配置の概要を示す図である。
【図６】本発明の第１の実施形態に係るアレイ素子回路の概要を示す図である。
【図７】上記第１の実施形態に係る第２の列駆動回路の概要を示す図である。
【図８】上記第１の実施形態に係る駆動信号Ｖ１Ａ、Ｖ１Ｂ、およびＶ１Ｃ、の典型的なタイミング信号を示す図である。
【図９】絶縁体層、疎水層（疎水面）、および液滴の、電気的特徴を表すモデル回路を示す図である。
【図１０Ａ】ＤＥＰを利用して粒子集中化操作を実施する上記第１の実施形態に係る装置の操作中の状況を示す図である。
【図１０Ｂ】ＤＥＰを利用して粒子集中化操作を実施する上記第１の実施形態に係る装置の操作中の状況を示す図である。
【図１０Ｃ】ＤＥＰを利用して粒子集中化操作を実施する上記第１の実施形態に係る装置の操作中の状況を示す図である。
【図１１】本発明の第２の実施形態に係る薄膜電子回路の配置の概要を示す図である。
【図１２】本発明の第３の実施形態に係るアレイ素子回路の概要を示す図である。
【図１３】本発明の第４の実施形態に係る薄膜電子回路の配置の概要を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
本発明は、ＥＷＯＤおよびＤＥＰメカニズムを利用して液滴を操作するためのアクティブマトリクスアーキテクチャについての発明である。換言するならば、本発明は、ＥＷＯＤまたはＤＥＰを利用して液滴を操作可能とするアクティブマトリクス回路を実現すると言ってもよい。
【００２４】
図３は、本発明の典型的な実施形態に係る液滴マイクロ流体装置を示す図である。また、当該液滴マイクロ流体装置は、ＥＷＯＤおよびＤＥＰを利用して流体を操作可能なアクティブマトリクス装置である。さらに、当該装置は、アレイのある部位においてＥＷＯＤを利用して液滴を操作可能であるとともに、当該アレイの他の部位においてＤＥＰを利用して液滴を同時に操作可能である。また、当該装置は、ある時点でＥＷＯＤによって、かつ別の時点でＤＥＰによって、アレイの所定の部位において1個の液滴を操作可能であるように再構成されてもよい。
【００２５】
当該液滴マイクロ流体装置は、下部基板７２を有しており、下部基板７２上には薄膜電子回路７４が配されている。ここで、薄膜電子回路７４は、アレイ素子電極３８を駆動するように構成されている。また、複数のアレイ素子電極３８は、電極アレイ４２に含まれており、Ｍ×Ｎアレイの構成を有している。ここで、ＭおよびＮは、任意の数値であってもよい。なお、典型的な例においては、ＭおよびＮは２以上である。また、液滴４は、基板（下部基板）７２および上部基板３６の間に封入されている。ここで、複数の液滴４が封入されている形態も、本発明の技術的範囲に含まれている。すなわち、１個または複数の液滴４が、アレイに含まれていてもよい。また、液滴４は、内部に１個または複数の粒子４４を保持していてもよい。また、粒子４４は、液滴および／または液滴４の内部に含まれている他の粒子と異なる電気的性質を有していてもよい。
【００２６】
図４は、上記アレイ素子の対を示す断面図である。ここで、上記装置は、下部基板７２を含んでおり、下部基板７２の上には、薄膜電子回路７４が配されている。また、下部基板７２の最上部層（薄膜電子回路７４の一部と考えることもできる）には、複数の電極３８（例えば、図４に示す３８Ａおよび３８Ｂ）をなすように、パターンが形成されている。このような構成を、ＥＷ駆動素子と呼んでもよい。ここで、当該ＥＷ駆動素子は、特定のアレイ素子と関連付けられた電極３８であってもよいし、当該電極３８に直接接続された電子回路のノードであってもよい。また、イオン物質からなる液滴４が、下部基板７２と上部基板３６との間の平面に束縛されている。ここで、スペーサ３２を利用して当該２枚の基板間の合間を適切に確保してもよいし、非イオン液体３４（例えば、油）を利用して、液滴４が充填されていない空間を充填してもよい。また、下部基板７２の上に配されている絶縁体層２０は、導電性の電極３８Ａおよび電極３８Ｂを疎水層（疎水面）１６から分離する。ここで、液滴４は、疎水層（疎水面）１６上にθで表される接触角６をなして配されている。また、上部基板３６上には、液滴４に接触する他の疎水層２６が配されている。また、上部基板３６と疎水層２６との間には、上部基板電極２８が配されている。典型的な実施形態では、上部基板電極２８が、すべてのアレイ素子に共有されている。しかしながら、各アレイ素子または複数のアレイ素子のグループが、それぞれ固有の上部基板電極を有していてもよい。
【００２７】
薄膜電子回路７４を適切に設計および駆動することにより、ＥＷ駆動電圧（例えばＶＴ、Ｖ０、およびＶ００）といった異なる電圧が、異なる電極（例えば駆動素子電極２８、３８Ａ、および３８Ｂ）に印加されてもよい。また、疎水層（疎水面）１６の疎水性を制御して、２つの基板（下部基板）７２と基板（上部基板）３６との間の横平面における液滴の運動を促進してもよい。
【００２８】
図５は、基板（下部基板）７２上における薄膜電子回路７４の配置構成を示す図である。ここで、電極アレイ４２の各アレイ素子４３は、対応する電極３８の電極電位を制御するために、アレイ素子回路８４を含んでいる。また、集積された行駆動回路７６および第１の列駆動回路７８は、薄膜電子回路に実現されており、アレイ素子回路８４に制御信号を与える。また、第２の列駆動回路８６も、（薄膜電子回路に）実現されており、アレイ素子回路８４に制御信号を与える。典型的な実施形態では、行駆動回路７６、第１の列駆動回路７８、第２の列駆動回路８６、およびアレイ素子回路８４が、上部基板電極２８および各アレイ素子４３の駆動素子電極（電極）３８に駆動信号を与えるように、アクティブマトリクス駆動回路を構成する。
【００２９】
シリアルインターフェース８０は、シリアル入力データストリームを処理し、要求された電圧を電極アレイ４２に書き込むように構成されていてもよい。ここで、電圧供給インターフェース８３は、本明細書に記載されているように、対応する供給電圧、上部基板駆動電圧などを与えてもよい。また、アレイ基板（下部基板）７２と、外部の駆動電子回路または電源などとの間の接続配線８２の本数は、アレイサイズが大きい場合であっても、比較的少なくてもよい。
【００３０】
図６は、本発明の第１の実施形態に係るアレイ素子回路８４を示す図である。ここで、ＡＭ−ＥＷＯＤ装置について後述している構成以外の構成は、前述した一般的な構成と同様である。
【００３１】
各アレイ素子回路８４は、駆動電圧ＶＥＷを液滴４に印加するように構成されており、以下の構成要素を含んでいる。
・メモリ回路２２２
・反転回路２２４
ここで、メモリ回路２２２は、以下の構成要素を含んでいる。
【００３２】
・列書込線ＣＯＬ（第１の列駆動回路７８から引き出されている；同じ列に含まれるアレイ素子により共有されていてもよい）
・行選択線ＲＯＷ（行駆動回路７６から引き出されている；同じ行に含まれるアレイ素子により共有されていてもよい）
・ストレージキャパシタ２０３
・直流供給電圧Ｖｒｅｆ
・スイッチトランジスタ２０６
また、反転回路２２４は、以下の構成要素を含んでいる。
【００３３】
・第１のアナログスイッチ２１４
・第２のアナログスイッチ２１６
・供給電圧Ｖ１（第２の列駆動回路８６から供給されている；同じ列に含まれるアレイ素子により共有されていてもよい）
・第２供給電圧Ｖ２（第２の列駆動回路８６から供給されている；同じ列に含まれるすべての素子により共有されていてもよい）
・インバータ２１２
ここで、アレイ素子回路８４は、以下のように接続されている。
【００３４】
まず、列書込線ＣＯＬは、スイッチトランジスタ２０６のソースに接続されている。また、行選択線ＲＯＷは、スイッチトランジスタ２０６のゲートに接続されている。また、ストレージキャパシタ２０３は、直流供給電圧Ｖｒｅｆとスイッチトランジスタ２０６のドレインとの間に接続されている。また、スイッチトランジスタ２０６のドレインは、インバータ２１２の入力、第１のアナログスイッチ２１４のｎ型トランジスタのゲート、および第２のアナログスイッチ２１６のｐ型トランジスタのゲートに接続されている。また、インバータ２１２の出力は、第１のアナログスイッチ２１４のｐ型トランジスタのゲートおよび第２のアナログスイッチ２１６のｎ型トランジスタのゲートに接続されている。また、供給電圧Ｖ１は、第１のアナログスイッチ２１４の入力に接続されている。また、供給電圧Ｖ２は、第２のアナログスイッチ２１６の入力および上部基板電極２８に接続されている。また、第１のアナログスイッチ２１４の出力および第２のアナログスイッチ２１６の出力は、ＥＷ駆動電極を形成する電極３８にそれぞれ接続されている。
【００３５】
また、アレイ素子回路８４は、電圧信号（Ｖ１またはＶ２のいずれか一方）を各アレイ素子のＥＷ駆動電極（電極）３８に与えるように動作する。
【００３６】
ここで、アレイ素子回路８４は、以下のように動作する。
【００３７】
アレイ素子回路８４は、上述の２つの機能ブロックを含んでいる。ここで、２つの機能ブロックとは、メモリ回路２２２および反転回路２２４のことである。また、メモリ回路２２２は、標準的なＤＲＡＭ回路である。また、論理値“０”状態または論理値“１”状態で表現されるデジタル書込電圧ＶＷＲＩＴＥは、所望の電圧で列書込線ＣＯＬからロードした後に、ハイレベル電圧パルスを行選択線ＲＯＷに与えることにより、メモリへ書き込まれてもよい。これにより、スイッチトランジスタ２０６がオンされた後に、書込電圧がメモリノード２１０に書き込まれ、ストレージキャパシタ２０３に保存される。なお、スイッチトランジスタ２０６のリークのため、メモリ回路２２２は、メモリノード２１０における電圧（デジタル書込電圧）ＶＷＲＩＴＥをリフレッシュするために、繰り返し再書込みされなければならない。
【００３８】
論理値“１”状態がメモリ回路２２２に書き込まれる場合において、反転回路２２４は、第１のアナログスイッチ２１４をオンし、第２のアナログスイッチ２１６をオフするように構成されている。この結果、供給電圧Ｖ１は、ＥＷ駆動素子（電極）３８を形成している電極に与えられる。また、論理値“０”状態がメモリ機能（メモリ回路）２２２に書き込まれる場合において、反転回路２２４は、第１のアナログスイッチ２１４をオフし、第２のアナログスイッチ２１６をオンするように構成されている。この場合、供給電圧Ｖ２は、ＥＷ駆動電極（電極）３８を形成している導電性の電極に与えられる。
【００３９】
供給電圧Ｖ１および供給電圧Ｖ２は、同じ列に含まれるアレイ素子により共有され、第２の列駆動回路８６によって与えられてもよい。ここで、供給電圧Ｖ１および供給電圧Ｖ２は、列ラインＶ１および列ラインＶ２として参照される。また、第２の列駆動回路８６は、以下のように構成されてもよい。第２の列駆動回路８６は、複数の回路素子（第２の列駆動回路素子）５００を含んでおり、アレイの各列に対して１個の素子（第２の列駆動回路素子）５００が対応してもよい。ここで、図７は、第２の列駆動回路８６の素子（第２の列駆動回路素子）５００を含む回路の配置構成例を示す図である。各回路素子（第２の列駆動回路素子）５００は、以下の構成要素を含んでいる。
・３個のスイッチからなる第１のバンク５０２
・３個のスイッチからなる第２のバンク５０４
・デジタル出力選択回路５０６
・デジタル制御回路５０８
デジタル制御回路５０８は、外部クロック入力ＣＫおよび出力Ｑを有している。ここで、出力Ｑは、デジタル出力選択回路５０６のクロック入力ＣＫＡに接続されている。また、デジタル出力選択回路５０６は、ビットデータ入力ＤＡＴＡ１およびビットデータ入力ＤＡＴＡ２ならびにビット並列データ出力Ｏ１、ビット並列データ出力Ｏ２、およびビット並列データ出力Ｏ３を有している。また、デジタル出力選択回路５０６の出力（ビット並列データ出力）Ｏ１、出力（ビット並列データ出力）Ｏ２、および出力（ビット並列データ出力）Ｏ３は、スイッチからなるバンク５０２およびスイッチからなるバンク５０４に含まれる３個のスイッチを制御するために利用される。また、バンク５０２に含まれる３個のスイッチの出力は、互いに接続されており、出力Ｖ１に接続されている。ここで、出力Ｖ１は、供給電圧であり、各アレイ素子に含まれる第１のアナログスイッチ２１４に与えられる。また、バンク５０４に含まれる３個のスイッチの出力は、互いに接続されており、出力Ｖ２に接続されている。ここで、出力Ｖ２は、供給電圧であり、各アレイ素子に含まれる第２のアナログスイッチ２１６および上部基板電極２８に与えられる。また、入力Ｖ１Ａ、入力Ｖ１Ｂ、および入力Ｖ１Ｃは、３個のスイッチからなるバンク５０２の３個の入力を備えている。そして、入力Ｖ２Ａ、入力Ｖ２Ｂ、および入力Ｖ２Ｃは、３個のスイッチからなるバンク５０４の３個の入力を備えている。また、３個の入力は、装置に外部から与えられるグローバル信号であってもよい。
【００４０】
ここで、第２の列駆動回路素子５００は、以下のように動作する。まず、第２の列駆動回路素子５００の基本的な機能を説明すると、第２の列駆動回路素子５００は、入力信号Ｖ１Ａ、入力信号Ｖ１Ｂ、または入力信号Ｖ１Ｃを１つ選択して、出力Ｖ１を出力する。そして、出力Ｖ１は、アレイの特定の列に含まれるアレイ素子に入力される。同様に、入力信号Ｖ２Ａ、入力信号Ｖ２Ｂ、または入力信号Ｖ２Ｃは、１つ選択されて、出力Ｖ２が出力される。これにより、Ｖ１＝Ｖ１ＡであればＶ２＝Ｖ２Ａとなり、Ｖ１＝Ｖ１ＢであればＶ２＝Ｖ２Ｂとなり、Ｖ１＝Ｖ１ＣであればＶ２＝Ｖ２Ｃとなる。
【００４１】
また、Ｖ１として出力される入力信号は、入力（ビットデータ入力）ＤＡＴＡ１および入力（ビットデータ入力）ＤＡＴＡ２におけるデジタルワードを利用して選択される。例えば、ＤＡＴＡ１＝０、ＤＡＴＡ２＝０である場合に、Ｖ１ＡをＶ１として出力するように設定されてもよい。また、例えば、ＤＡＴＡ１＝０、ＤＡＴＡ２＝１である場合に、Ｖ１ＢをＶ１として出力するように設定されてもよい。また、例えば、ＤＡＴＡ１＝１、ＤＡＴＡ２＝０である場合に、Ｖ１ＣをＶ１として出力するように設定されてもよい。また、デジタル出力選択回路５０６は、標準的な論理素子（例えば、インバータやＮＡＮＤゲート）を標準的な方法で利用して実現されてもよい。このような構成は、広く知られている。また、デジタル制御回路５０８は、シフトレジスタ素子として実現されてもよい。例えば、フリップフロップおよびラッチを利用して、入力Ｄの論理値レベルが、クロック入力（外部クロック入力）ＣＫのエッジの立ち上がりに応じてサンプリングされ、出力Ｑに出力されてもよい。また、出力Ｑは、デジタル出力選択回路５０６のクロック入力ＣＫＡに、順番に入力される。これにより、ＤＡＴＡ１およびＤＡＴＡ２の論理値レベルがサンプリングされ、出力（ビット並列データ出力）Ｏ１、出力（ビット並列データ出力）Ｏ２、および出力（ビット並列データ出力）Ｏ３に出力される。また、ＤＡＴＡ１、ＤＡＴＡ２、Ｄ、およびＣＫの値は、シリアルインターフェース８０を介して外部ソースから第２の列駆動回路素子５００に与えられる。これは、例えば、所望の対応するアレイにおいて、ＥＷＯＤまたはＤＥＰ操作を実行するように行われる。
【００４２】
以上のように、第２の列駆動回路素子５００は、アレイの各列に対して列ラインＶ１に出力する信号（つまり、Ｖ１Ａ、Ｖ１Ｂ、またはＶ１Ｃ）を決定する。同様に、第２の列駆動回路素子５００は、アレイの各列に対して列ラインＶ２に出力する信号（つまり、Ｖ２Ａ、Ｖ２Ｂ、またはＶ２Ｃ）を決定する。
【００４３】
図８は、供給電圧Ｖ１Ａ、供給電圧Ｖ１Ｂ、および供給電圧Ｖ１Ｃの波形の時間依存性を示す図である。まず、Ｖ１Ａは、直流信号であって、その論理値がハイレベルである。また、Ｖ１Ｂは、比較的低周波数である周波数ｆ１を有している矩形波である。ここで、比較的低周波数とは、エレクトロウェッティング力が大きくなるように選択されるような周波数を意味しており、この場合、ＥＷＯＤを利用して液滴を操作することができる。また、このような周波数の例としては、１０ｋＨｚ、１ｋＨｚ、１００Ｈｚを挙げることができる。
【００４４】
次に、Ｖ１Ｃは、比較的高周波数である周波数ｆ２を有している矩形波である。ここで、周波数ｆ２は、ＤＥＰを利用して液滴に含まれる粒子を操作することに適した周波数となるように選択されてもよい。よって、このような用途に好適な周波数は、液滴４および操作される粒子の誘電的性質に依存することになる。ここで、このような用途に好適な周波数ｆ２の典型例としては、１００ｋＨｚから１０ＭＨｚの範囲の周波数を挙げることができる（例えば、１ＭＨｚであってもよい）。
【００４５】
次に、図示していないＶ２Ａ、Ｖ２Ｂ、およびＶ２Ｃは、Ｖ１Ａ、Ｖ１Ｂ、およびＶ１Ｃをそれぞれ論理反転したものである。ここで、Ｖ１Ａ、Ｖ１Ｂ、およびＶ１Ｃは、例えば、外部ＰＣＢにより与えられて生成された、グローバル信号であってもよい。
【００４６】
すなわち、周波数ｆ１および周波数ｆ２は、外部から制御可能であってもよいし、所望の操作に応じて決定および設定されてもよい。また、これらの値は、後述するような構成により簡単に与えられてもよい。
【００４７】
つまり、薄膜電子回路７４の一般的な機能を、以下のようにまとめることができる。まず、各アレイ素子回路８４は、行駆動回路７６および列駆動回路７８により書込電圧の方式によってプログラムされるような、プログラム可能な１ビットメモリ機能を備えている。ここで、書き込み電圧に基づいて、ＥＷ駆動電極３８に信号Ｖ１または信号Ｖ２のいずれが書き込まれるかが決定される。また、第２の列駆動回路８６は、アレイの所定の列のＶ１信号として、グローバル入力信号Ｖ１Ａ、グローバル入力信号Ｖ１Ｂ、またはグローバル入力信号Ｖ１Ｃ、これら３信号のうちいずれの信号が書き込まれるかを決定することに利用される。同様に、第２の列駆動回路８６は、アレイの所定の列におけるＶ２信号として、グローバル入力信号Ｖ２Ａ、グローバル入力信号Ｖ２Ｂ、またはグローバル入力信号Ｖ２Ｃのうちいずれの信号が書き込まれるかを決定することに利用される。
【００４８】
信号Ｖ１Ａ、信号Ｖ１Ｂ、および信号Ｖ１Ｃの形態は、直流エレクトロウェッテイング、交流エレクトロウェッテイング、およびＤＥＰのそれぞれ利用して液滴４を動かすように構成されている。図９は、これらの信号の機能を説明する図であって、絶縁体層２０、疎水層１６、および液滴４の電気的特性を表現する回路モデルを示す図である。ここで、当該回路モデルは、駆動電極３８と上部基板電極２８との間の回路モデルを表現しており、アレイの特定の位置に液滴４が存在している状態を表現している。ここでは、説明を簡潔にするため、液滴４内に浮遊している粒子の影響はないものと考える。さて、液滴４は、抵抗ＲＤＲＯＰおよび並列に接続されたキャパシタＣＤＲＯＰとして表現することができる。ここで、４０と記載されている回路ノードは、液滴４と疎水層（疎水面）１６との境界に相当する。また、絶縁体層２０および疎水層（疎水面）１６を組み合わせた構成は、キャパシタＣｉとして表現することができる。また、直流エレクトロウェッティング、交流エレクトロウェッティング、およびＤＥＰは、以下のように実施される。
【００４９】
直流エレクトロウェッティングを行うために、電圧供給源であるＶ２Ａは、上部基板電極２８に接続される。また、アレイ素子回路８４は、所定の位置において、Ｖ１ＡまたはＶ２Ａのいずれか一方が駆動電極３８に接続されるように、プログラムされていてもよい。ここで、Ｖ１Ａが駆動電極３８に書き込まれる場合には、Ｃｉに作用する、Ｖ１Ａ−Ｖ２Ａで表される電位差（直流の電位）は、電極３８と上部基板電極２８との間において維持される。そして、図９に示す構成によって、当該直流の電位はキャパシタＣｉに渡って完全に降下し、当該降下によって、液滴４と疎水層１６との境界において、電場をもたらす。これにより、従来技術においてよく知られているように、エレクトロウェッテイングのメカニズムにより、接触角が変化する。一方、Ｖ２Ａが駆動電極に書き込まれる場合には、電極３８と上部基板電極２８との間の電位差が０となり、液滴４と疎水層１６との境界には、電場が作用しない。つまり、異なるアレイ素子に与える信号を適切に選択することにより、従来技術においてよく知られているように、アレイにおける液滴４の位置を操作することができる。
【００５０】
次に、交流エレクトロウェッテイングについて説明する。ここで、電圧供給源であるＶ２Ｂは、上部基板電極２８に接続されている。また、アレイ素子回路８４は、所定のアレイ素子において、Ｖ１ＢまたはＶ２Ｂが駆動電極（電極）３８に接続されるように、プログラムされていてもよい。ここで、Ｖ１Ｂが駆動電極（電極）３８に書き込まれる場合には、Ｖ１Ｂ−Ｖ２Ｂで表される電位差（直流の電位）は、電極３８と上部基板電極２８との間において維持される。これは、周波数ｆ１を有している交流の電位に相当する。ここで、図９に示す構成によって、周波数ｆ１を適切に選択することにより、交流エレクトロウェッティングを利用して液滴４を制御することができる。この場合、エレクトロウェッティング力は、液滴４と疎水層（疎水面）１６との境界における電場に依存する。なお、このような構成においては、印加された電圧が液滴４自体を通しては降下せず、当該電圧の大部分がキャパシタＣｉに渡って降下することを、一般的な要件として挙げることができる。ここで、周波数は、抵抗ＲＤＲＯＰに応じて設定されてもよい。しかしながら、典型的な例において、周波数は、低い値となる（例えば、１０ｋＨｚ）。このように、周波数が低い場合には、疎水層１６と液滴４の境界（図９に示すノード４０）において交流の電場が作用し、良く知られるように、交流エレクトロウェッテイングによって液滴４が操作される。一方、Ｖ２Ｂが駆動電極に書き込まれるようにアレイ素子回路８４がプログラムされている場合には、電極３８と上部基板電極２８との間の電位差が０となり、エレクトロウェッティング力が作用しない。つまり、異なるアレイ素子に与える信号を適切に選択することにより、従来技術においてよく知られているように、エレクトロウェッティングを利用してアレイにおける液滴４の位置を操作することができる。
【００５１】
ＤＥＰを実行するために、電圧供給源であるＶ２Ａは、上部基板電極２８に接続される。また、アレイ素子回路８４は、所定の位置において、Ｖ１ＣまたはＶ２Ｃが駆動電極（電極）３８に接続されるように、プログラムされていてもよい。これにより、時間的に変化する電場が、駆動電極（電極）３８と上部基板電極２８との間に作用する。なお、ＤＥＰを実現するためには、電圧パルスＶ１Ｃおよび電圧パルスＶ２Ｃの周波数ｆ２は、電極３８と上部基板電極２８との間に作用する電位差の大部分が液滴４に渡って降下するように、充分大きな値となっていなければならない。これにより、液滴４の実体に対して時間的に変化する電場が印加され、液滴４に含まれる誘電性の粒子４４（例えば、泡や細胞であってもよい）を操作することができる。また、周波数ｆ２を精密な選択は、液滴の媒体および操作されている液滴に含まれる粒子の、誘電率の実数部および虚数部の関数である。このような周波数依存性は、ＤＥＰ現象に関する従来技術に係るよく知られたClaussius-Mossotti要因により説明することができる。基本的には、ｆ２を選択することにより、粒子を液滴４の誘電性の媒体より大きく分極させる（正のＤＥＰ）、または、液滴の誘電性の媒体を粒子４４より大きく分極させる（負のＤＥＰ）ことができる。つまり、周波数、および正または負のいずれのＤＥＰを利用するかの選択は、液滴４および操作されている粒子４４の、誘電的性質に大きく依存している。つまり、異なるアレイ素子に与える信号を適切に選択することにより、ＤＥＰを利用して液滴に含まれる粒子の位置を操作することができる。一方、信号Ｖ２Ｂを上部電極に与えることによっても、ＤＥＰを実施することができる。この操作は、基本的に上述の操作と同様であるが、Ｖ１ＣおよびＶ２Ｃの信号の極性を、Ｖ２Ｂの論理値がハイレベルであるときに、反転する必要があるという点において異なっている。これにより、Ｖ２Ｂの論理値がハイレベルであるときもロウレベルであるときも、装置における電場の大きさは同じ値になる。
【００５２】
図１０Ａ〜図１０Ｃは、どのようにＤＥＰおよびＥＷＯＤを利用して、液滴に含まれる粒子を操作できるかということについて示す図である。また、図４と同じように、図１０Ａ〜図１０Ｃは、装置の断面を示すとともに、駆動素子電極（電極）３８Ａ、駆動素子電極（電極）３８Ｂ、および駆動素子電極（電極）３８Ｃの３つの駆動素子電極を示している。ここで、液滴４は、多数の粒子４４を含んでいる。また、図１０Ａ〜図１０Ｃは、装置がどのようにＤＥＰを利用して、液滴に含まれる粒子の集中化を行うかということについて示している。また、各図、図１０Ａ、図１０Ｂ、および図１０Ｃは、時間的に処理の状況がどのように変遷するかを示している。これによると、電極３８Ａ、電極３８Ｂ、および電極３８Ｃに与える信号を時間的に変化させることにより、電場は、液滴４の片隅（つまり、図１０Ｃにおける右側）に誘電性の粒子４４を移動させるように作用する。その後、駆動メカニズムを直流ＥＷＯＤに切り替えて、液滴４を分割してもよい。以上のように、液滴４に含まれる粒子４４を集中化することができる。これは、例えば、粒子４４を取り囲む液体により、余分な試薬を除去するといった、洗浄操作に利用することができる。また、他の応用例としては、広く一般的な、化学または生化学の多くの分析に利用可能な、細胞や玉を一箇所へ集める処理を挙げることができる。
【００５３】
ここで、ＥＷＯＤおよびＤＥＰの駆動に必要な事項は似通っていると言える。また、一方と他方とを切り替えることにより、電極３８と上部基板電極２８との間に与えられる電圧波形の周波数が変化すると言える。また、２つの駆動メカニズムは、物理的には完全に異なっていると言える。ここで、エレクトロウェッティングは、基本的には表面に作用する現象であり、エレクトロウェッティング力の強さは、液滴４と疎水層（疎水面）１６との境界における電場の強さに依存している。一方、ＤＥＰは、バルク的に作用する現象であり、ＤＥＰ力は、液滴のバルクに作用し時間的に変化する電場の形態に依存している。
【００５４】
本実施形態によれば、同一のアクティブマトリックス装置を利用したＥＷＯＤおよびＤＥＰメカニズムにより、液滴４および粒子４４を、独立して制御することができる。これは、粒子の集中化、洗浄、粒子の選別などに応用することができ、ＡＭ−ＥＷＯＤ技術の応用において広く必要とされる工程に利用することができる。また、これは、例えば、ポイント・オブ・ケア診断法（Point of Care diagnostics）のための免疫学的検定に利用することができる。また、アクティブマトリクス装置におけるＥＷＯＤおよびＤＥＰによる駆動メカニズムは、汎用性を有しており、完全に再構成可能な装置の汎用的な形態を提供するものである。これは、当該装置が、複雑なデジタルマイクロ流体操作を行ったり、同一の装置により多くの操作を並列的に行ったりできるということである。
【００５５】
さらに、本実施形態によれば、上述の構成を、完全に再構成することができる。特に、アレイの任意の所定の列において、ＥＷＯＤまたはＤＥＰを任意の時点にて利用するような構成とすることができる。また、特に、異なる複数の列において、異なる機能を同時に実現することができる。換言すると、ＥＷＯＤまたはＤＥＰ駆動は、各例に対して個別に選択可能である。
【００５６】
さらに、本実施形態によれば、上述の回路の実現において、アレイ素子回路に含まれる電子部品の数を、比較的少なくすることができる。具体的には、本実施形態において単にＤＥＰだけを機能させるとしたときに利用されるトランジスタの数と、図１に示す構成および背景技術に記載の構成において利用されるトランジスタの数とは、同程度である。
【００５７】
さらに、本実施形態によれば、ＥＷＯＤおよびＤＥＰを利用した操作にそれぞれ対応している周波数ｆ１および周波数ｆ２は、完全にフレキシブルであり、独立して制御可能である。ここで、独立して制御可能であるとは、装置の操作に関連する他のタイミングパラメータとは独立して、周波数ｆ１および周波数ｆ２を制御可能であるということである。このことは、最適な操作周波数が液滴４の媒体および液滴４に含まれる任意の誘電性の粒子４４の性質に依存し得るため、有利である。
【００５８】
さらに、本実施形態によれば、Ｖ１Ａ、Ｖ１Ｂ、およびＶ１Ｃ（ならびに、これらの論理反転）の、ハイおよびロウ電圧レベルを調整し、ＥＷＯＤおよびＤＥＰ操作メカニズムの強さを制御することができる。ここで、ＤＥＰおよびＥＷＯＤを実現するために必要となる電圧レベルは、同一でなくてもよい。このことは、これにより、例えば、高周波数でＤＥＰを実施する際に過度の電力が消費されてしまうことを回避できるため、重要である。
【００５９】
本明細書の開示内容に基づけば、当業者が上述の実施形態を種々の形態に拡張して実施可能であることは明らかであろう。例えば、アレイ素子に与えられる信号Ｖ１および信号Ｖ２を、同じ行に含まれる素子に与えて共有させる構成は、同じ列に含まれる素子に与える構成を拡張して実現できるであろう。これにより、ＥＷＯＤまたはＤＥＰ駆動を各行に対して個別に選択することができる。また、第２の列駆動回路８６は、２つの選択肢だけに基づいて信号Ｖ１および信号Ｖ２を選択するように、拡張できるであろう。つまり、上述のようなＶ１ＡおよびＶ１Ｃを、直流ＥＷＯＤまたはＤＥＰを利用して液滴４を駆動する形態に応じて選択するように、拡張できるであろう。
【００６０】
以下では、本発明に係る第２の実施形態について説明する。ここで、第２の実施形態は、第１の実施形態と同様の構成となっている。また、第２の実施形態では、アレイ素子４３は、大きなアスペクト比を有するように構成されている。これにより、アレイ素子４３は、行方向よりも列方向において非常に長くなっている。このような、大きなアスペクト比は、例えば、アレイ素子４３の長辺の長さが、短辺の長さの２、５、１０、２０、または５０倍を越えるように構成することで実現できる。図１１は、本実施形態に係る薄膜電子回路７４の構成を示す図である。ここで、本実施形態において、回路構成の概要は、第１の実施形態と同様であってもよい。また、大きなアスペクト比は、公知のレイアウト技術を利用して実現されてもよい。また、アレイ素子４３を行方向において小さくし、隣接する列に含まれるアレイ素子に他のＤＥＰ駆動信号を与えることにより、電場の勾配、つまりＤＥＰ力の強さが大きくなる。例えば、Ｖ１Ｃを列Ｚに含まれるアレイ素子の電極３８に与え、Ｖ２Ｃを列Ｚ＋１に含まれるアレイ素子の電極３８に与えてもよい。つまり、本実施形態を実施することにより、ＤＥＰを利用して、行方向において液滴４に含まれる誘電性の粒子４４を選択的に操作することができる。また、アレイ素子４３の短辺方向において、ＤＥＰ力を最大化することができる。また、本実施形態によれば、ＤＥＰ力の最大化を利用して、ＤＥＰの実施の効果を大きくすることができる。ここで、ＤＥＰの実施とは、例えば、粒子の選別であってもよい。さらに、このような形状を変化させる手法によるＤＥＰ駆動力の最大化を利用することで、信号Ｖ１Ｃおよび信号Ｖ２Ｃの電圧振幅が小さい場合であっても、十分なＤＥＰ力を得ることができる。これにより、消費電力などを低減することができる。
【００６１】
ここで、アレイ素子４３の短辺を列方向に伸ばし、上述の構成と同様に動作するように、本実施形態を変更することは、当業者にとっては明らかなことであろう。
【００６２】
以下では、本発明に係る第３の実施形態について説明する。ここで、第３の実施形態は、第１の実施形態と同様の構成となっている。また、図１２に示すように、アレイ素子回路８４ａが、代替利用されている。また、ＡＭ−ＥＷＯＤ装置の他の部分は、上述の標準的な構成となっており、上部基板電極２８を有している上部基板３６を含んでいる。また、本実施形態に係るアレイ素子回路８４ａは、第１の実施形態と同様の機能を奏する。つまり、電圧ラインＶ１または電圧ラインＶ２のいずれかが、電極３８に与えられる。また、電極３８と上部基板電極２８との間に与えられる電圧信号が制御される。また、当該電圧信号が、液滴４に作用する。
【００６３】
本実施形態においてアレイ素子回路８４ａは、以下の構成要素を備えている。
・メモリ回路２２２ａ
・反転回路２２４ａ
ここで、メモリ回路２２２ａは、以下の構成要素を含んでいる。
【００６４】
・列書込線ＣＯＬ（第１の列駆動回路７８から引き出されている；同じ列に含まれるアレイ素子により共有されていてもよい）
・行選択線ＲＯＷ（行駆動回路７６から引き出されている；同じ行に含まれるアレイ素子により共有されていてもよい）
・ｎ型のスイッチトランジスタ２０６
・ｐ型のスイッチトランジスタ２３０
・第１のインバータ２２６
・第２のインバータ２２８
また、反転回路２２４ａは、以下の構成要素を含んでいる。
【００６５】
・第１のアナログスイッチ２１４
・第２のアナログスイッチ２１６
・供給電圧Ｖ１（アレイに含まれるすべての素子により共有されていてもよい）
・第２の供給電圧Ｖ２（アレイに含まれるすべての素子により共有されていてもよい）
ここで、回路（アレイ素子回路）８４ａは、以下のように接続されている。
【００６６】
まず、列書込線ＣＯＬは、スイッチトランジスタ２０６のソースに接続されている。また、行選択線ＲＯＷは、スイッチトランジスタ２０６のゲートおよびスイッチトランジスタ２３０のゲートに接続されている。また、スイッチトランジスタ２３０のドレインは、スイッチトランジスタ２０６のドレインおよび第１のインバータ２２６の入力に接続されている。また、第１のインバータ２２６の出力は、第２のインバータ２２８の入力、第１のアナログスイッチ２１４のｐ型トランジスタのゲート、および第２のアナログスイッチ２１６のｎ型トランジスタのゲートに接続されている。また、第２のインバータ２２８の出力は、第１のアナログスイッチ２１４のｎ型トランジスタのゲート、第２のアナログスイッチ２１６のｐ型トランジスタのゲート、およびスイッチトランジスタ２３０のソースに接続されている。また、電圧供給Ｖ１は、第１のアナログスイッチ２１４の入力に接続されている。また、電圧Ｖ２は、第２のアナログスイッチ２１６の入力および上部基板電極２８に接続されている。また、第１のアナログスイッチ２１４の出力および第２のアナログスイッチ２１６の出力は、ＥＷ駆動電極を形成する導電性の電極３８にそれぞれ接続されている。
【００６７】
ここで、本実施形態は、第１の実施形態と同様に動作する。まず、ハイ電圧パルスが行選択線ＲＯＷに与えられることにより、メモリにおいて書き込み動作が機能する。つまり、スイッチトランジスタ２０６およびスイッチトランジスタ２３０がオンになる。また、列書込線ＣＯＬに印加されている電圧が、メモリノード２１０に書き込まれる。また、反転回路２２４ａは、第１の実施形態と同様に動作する。しかしながら、反転回路２２４ａは、反転メモリノード信号を、インバータ（第１のインバータ）２２６とインバータ（第２のインバータ）２２８との間のノードから取得できる点において、第１の実施形態とは異なる動作をする。
【００６８】
本実施形態では、メモリ回路２２２ａがＳＲＡＭメモリ構造を有していることにより、リフレッシュを繰り返す必要がない点において有利である。これにより、ＤＲＡＭメモリ機能を利用する構成と比較して、より低消費電力で、装置を容易に動作させることができる。また、アレイ素子回路８４ａは、最少数の有効構成要素（１０個のトランジスタ）を利用して実現されている。これにより、レイアウト範囲を最小化し、生産性を最大化することができる。
【００６９】
以下では、本発明に係る第４の実施形態について説明する。ここで、第４の実施形態は、上述した実施形態と同様の構成となっている。つまり、第４の実施形態は、ＥＷＯＤ／ＤＥＰの双方の機能を、アクティブマトリクス装置の一部分だけに限定して作用させる構成となっている。図１３は、本実施形態における薄膜電子回路の構成例を示す図である。本構成において、アレイの列（Ｃｏｌ）１〜列Ｘ（図１３の左側）は、ＥＷＯＤだけを利用して液滴を操作するように設計されている。ここで、これらの列に与えられる信号Ｖ１および信号Ｖ２は、供給配線を利用した接続（例えば、Ｖ１ＡおよびＶ１Ｂ）により与えられても良く、駆動方式を切り替えるために必要とされるわけではない。つまり、列１〜列Ｘは、ＥＷＯＤだけによる液滴の操作に利用されてもよい。また、アレイの列（Ｃｏｌ）Ｘ＋１〜列Ｙは、上述のアーキテクチャにより構成されており、第２の列駆動回路８６を有している。これにより、上述の第１の実施形態のように、これらの列に含まれるアレイ素子に与えられる信号線Ｖ１および信号線Ｖ２は、Ｖ１Ａ、Ｖ１Ｂ、またはＶ１Ｃなどを選択することができる。つまり、アレイのこれらの列においては、液滴４は、ＥＷＯＤまたはＤＥＰを上述のように利用して操作することができる。また、本実施形態によれば、ＡＭ−ＥＷＯＤ装置は、専用の“ＤＥＰゾーン”４６（つまり、列Ｘ＋１〜列Ｙ）を有しており、当該ゾーンにおいてＤＥＰを実施することができる。また、装置は、ＤＥＰを実施するために、液滴を、エレクトロウェッティングを利用してＤＥＰゾーン４６内のいずれかの位置へ移動させるように、動作してもよい。また、必要なＤＥＰ操作（例えば、細胞の選別）は、液滴４をアレイの他の位置へ移動させる前に、実施されてもよい。例えば、所定の検査の次工程において、当該操作の実施が必要とされている場合に、当該操作を実施してもよい。
【００７０】
本発明の一態様によれば、アクティブマトリクス回路は、駆動メカニズム（ＥＷＯＤまたはＤＥＰ）を、任意の時点にてアレイ素子に含まれる各列に応じて個別に選択可能なように構成されている。
【００７１】
また、本発明のさらなる態様によれば、開示された駆動方法においては、液滴に与えられる駆動信号は、液滴をＥＷＯＤにより操作する直流電圧信号もしくは低周波数の交流電圧信号、または液滴をＤＥＰにより操作する高周波数の交流電圧信号のいずれかから選択できる。
【００７２】
また、本発明の一態様によれば、上記アクティブマトリクス駆動回路は、ある時点においてＥＷＯＤによって、かつ別の時点においてＤＥＰによって、上記アレイの所定の部位における上記１個または複数の液滴を操作可能とするように上記装置を再構成する。
【００７３】
また、本発明の他の態様によれば、上記アクティブマトリクス駆動回路は、上記１個または複数のアレイ素子の、上記上部基板電極および上記駆動電極に上記駆動信号を選択的に与えるように構成されており、上記１個または複数の液滴に渡る電圧波形について、ＥＷＯＤを利用する場合には、上記電圧波形が直流または比較的低周波数の交流のいずれかの電圧波形となるようにし、ＤＥＰを利用する場合には、上記駆動信号が比較的高周波数の交流の電圧波形となるようにし、上記１個または複数の液滴を操作する。
【００７４】
また、本発明の他の態様によれば、上記１個または複数のアレイ素子は、上記アレイの異なる部位に配置されており、上記アクティブマトリクス駆動回路は、ＥＷＯＤを利用した上記部位の一部分における上記１個または複数の液滴の中の複数個の液滴の操作と、ＤＥＰを利用した上記部位の他の部分における上記１個または複数の液滴の中の他の液滴の操作とを同時に行うことが可能なように構成されている。
【００７５】
また、本発明の他の態様によれば、上記アレイ素子は、Ｍ×Ｎアレイであり、上記Ｍおよび上記Ｎは、２以上である。
【００７６】
また、本発明の他の態様によれば、上記アクティブマトリクス駆動回路は、任意の時点にて、上記アレイに含まれる各列に対して、ＥＷＯＤまたはＤＥＰによる駆動を個別に選択可能であるように構成されている。
【００７７】
また、本発明の他の態様によれば、上記アクティブマトリクス駆動回路は、上記アレイに含まれる行を選択するように構成されている行駆動回路と、選択された所定の行に含まれる上記アレイ素子に書込電圧を与える第１の列駆動回路と、上記アレイに含まれる各列の、上記上部基板電極および上記駆動電極に上記駆動信号を与え、各列に含まれる上記アレイ素子に与えられる上記書込電圧に基づいて、ＥＷＯＤまたはＤＥＰを利用して、各列に含まれる上記１個または複数の液滴を選択的に操作する第２の列駆動回路とを含んでいる。
【００７８】
また、本発明の他の態様によれば、上記アクティブマトリクス駆動回路は、上記アレイに含まれる複数の列について、ＥＷＯＤのみを利用して上記１個または複数の液滴を操作し、上記アレイに含まれる他の列について、選択的に、ＥＷＯＤまたはＤＥＰを利用して上記１個または複数の液滴を操作する。
【００７９】
また、本発明の他の態様によれば、上記アクティブマトリクス駆動回路は、任意の時点において、上記アレイに含まれる各行に対して、ＥＷＯＤまたはＤＥＰによる駆動を個別に選択可能であるように構成されている。
【００８０】
また、本発明の他の態様によれば、上記駆動信号は、直流信号および比較的低周波数の信号、比較的高周波数の信号、ならびに各信号の論理否定のうちの少なくとも１つである。
【００８１】
また、本発明の他の態様によれば、上記直流信号および当該信号の論理否定は、所定のアレイ素子の、上記上部基板電極および上記駆動電極に選択的に与えられ、直流ＥＷＯＤを利用して上記１個または複数の液滴を操作する。
【００８２】
また、本発明の他の態様によれば、上記比較的低周波数の信号および当該信号の論理否定は、所定のアレイ素子の、上記上部基板電極および上記駆動電極に選択的に与えられ、交流ＥＷＯＤを利用して上記１個または複数の液滴を操作する。
【００８３】
また、本発明の他の態様によれば、上記比較的高周波数の信号および当該信号の論理否定は、所定のアレイ素子の上記上部基板電極および上記駆動電極に選択的に与えられ、ＤＥＰを利用して上記１個または複数の液滴を操作する。
【００８４】
また、本発明の他の態様によれば、上記アレイ素子は、大きなアスペクト比を有している。
【００８５】
また、本発明の他の態様によれば、上記アレイ素子は、共通の上部基板電極を有している。
【００８６】
また、本発明の他の態様に係る方法では、ある時点においてＥＷＯＤによって、かつ別の時点においてＤＥＰによって、上記アレイの所定の部位における上記１個または複数の液滴を操作する工程を含んでいる。
【００８７】
また、本発明の他の態様に係る方法では、ＥＷＯＤを利用した上記アレイの一部分における上記１個または複数の液滴の中の複数個の液滴の操作と、ＤＥＰを利用した上記アレイの他の部分における上記１個または複数の液滴の中の他の液滴の操作とを同時に行なう工程を含んでいる。
【００８８】
また、本発明の他の態様に係る方法では、上記アレイ素子は、Ｍ×Ｎアレイであり、上記Ｍおよび上記Ｎは、２以上であり、上記アクティブマトリクス駆動回路は、任意の時点において、上記アレイに含まれる各列に対して、ＥＷＯＤまたはＤＥＰによる駆動を個別に選択可能であるように構成されている。
【００８９】
また、本発明の他の態様に係る方法では、上記アクティブマトリクス駆動回路は、上記アレイに含まれる行を選択するように構成されている行駆動回路と、選択された所定の行に含まれる上記アレイ素子に書込電圧を与える第１の列駆動回路と、上記アレイに含まれる各列に駆動信号を与え、各列に含まれる上記アレイ素子に与えられる上記書込電圧に基づいて、ＥＷＯＤまたはＤＥＰを利用して、各列に含まれる上記１個または複数の液滴を選択的に操作する第２の列駆動回路とを含んでいる。
【００９０】
また、本発明は、汎用的な形態を含んでいる点において有利である。例えば、本発明に係る再構成可能なＡＭ−ＥＷＯＤ装置は、ＤＥＰ機能をさらに備えることができる。ここで、第２の駆動メカニズムとして、ＤＥＰをさらに備えることにより、液滴に含まれる誘電性の粒子（例えば、細胞、玉）を、液滴の媒体とは分離して操作することができる。これは、サンプル洗浄および集細胞などに応用することができる。
【００９１】
本発明を、特定の１つのまたは複数の実施形態を参照しながら図示するとともに説明したが、当業者は、本明細書および添付の図面を参照することによって、同等の代替例および変形例に想到できるであろう。特に、上述の素子（構成部品、アセンブリ、装置、構造など）によって実行される様々な機能に関して、このような素子を説明するために利用される用語（「手段」への言及を含む）は、他に記載がない限り、開示されている本発明の典型的な１つまたは複数の実施形態における機能を実行する構成と、構造的に同等でなくても、当該特定の機能を実行する任意の素子（すなわち、機能的に同等の素子）に対応することが意図される。さらに、本発明の特定の特徴を、１つまたは複数の実施形態だけを参照して説明してきたが、このような特徴は、他の実施形態の１つまたは複数の他の特徴と、所望のように、および、所定のまたは特定の用途にとって都合がよいように、組み合わせてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００９２】
上記ＡＭ−ＥＷＯＤ装置は、ラボオンチップシステムの一部として利用してもよい。このような装置は、化学、生化学、または生理学における物質の操作、反応および検知に利用することができる。本発明の用途としては、医療診断検査、化学または生化学における物質の合成、プロテオミクス、生命科学および法医科学研究のための器具などを挙げることができる。
【符号の説明】
【００９３】
４ 液滴
６ 接触角θ
１６ 疎水層
２０ 絶縁体層
２６ 疎水層
２８ 上部基板電極
３２ スペーサ
３４ 非イオン液体
３６ 上部基板
３８ 電極
４０ 回路ノード
４２ 電極アレイ
４３ アレイ素子
４４ 粒子
４６ ＤＥＰゾーン
４８ 電極
５０ 電極
５２ 配線
７２ 下部基板
７４ 薄膜電子回路
７６ 行駆動回路
７８ 第１の列駆動回路
８０ シリアルインターフェース
８２ 接続配線
８３ 電圧供給インターフェース
８４ アレイ素子回路
８６ 第２の列駆動回路
１０４ ＳＲＡＭメモリセル
１０６ スイッチ回路
１０８ 出力バッファステージ
１１０ スイッチトランジスタ
１１２ スイッチトランジスタ
２０３ ストレージキャパシタ
２０６ スイッチトランジスタ
２１０ メモリノード
２１２ インバータ
２１４ 第１のアナログスイッチ
２１６ 第２のアナログスイッチ
２２２ メモリ回路
２２４ 反転回路
２２６ 第１のインバータ
２２８ 第２のインバータ
２３０ スイッチトランジスタ
５００ 第２の列駆動回路素子
５０２ ３個のスイッチからなる第１のバンク
５０４ ３個のスイッチからなる第２のバンク
５０６ デジタル出力選択回路
５０８ デジタル制御回路
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アクティブマトリクスアレイおよび当該アレイの素子に関する。本発明は、その一態様において、デジタルマイクロ流体工学に関し、より詳細には、アクティブマトリクス型の誘電体エレクトロウェッティング（ＡＭ−ＥＷＯＤ：Active Matrix Electrowetting-On-Dielectric）に関する。ここで、誘電体エレクトロウェッティング（ＥＷＯＤ：Electro-Wetting-On-Dielectric）とは、アレイ上の液滴を操作する公知の技術である。アクティブマトリクスＥＷＯＤ（ＡＭ−ＥＷＯＤ）は、ＥＷＯＤを、アクティブマトリクスアレイにおいて、例えば薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を利用して、実施することを指す。また、本発明は、上述の装置の駆動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
誘電体エレクトロウェッティング（ＥＷＯＤ）は、電場の印加によって液滴を操作する公知の技術である。ゆえに、ＥＷＯＤはラボオンチップ（lab-on-a-chip）技術に関するデジタルマイクロ流体工学に対して好適な技術である。上記技術の基礎的な原理への導入は、「“Digital microfluidics: is a true lab-on-a-chip possible?”，R. B. Fair，Microfluid Nanofluid (2007年)第3巻245-281」に見出すことができる。
【０００３】
米国特許６５６５７２７号（A. Shenderov; 2003年5月20日発行）には、液滴を、アレイを通して移動させるためのパッシブマトリクス型のＥＷＯＤ装置が開示されている。
【０００４】
米国特許６９１１１３２号（V. Pamula et al.; 2005年6月28日発行）には、２次元での液滴の位置および移動を制御するための２次元ＥＷＯＤアレイが開示されている。
【０００５】
さらに、米国特許６５６５７２７号には、液滴の分割および結合ならびに液滴および他の物質の混合を含む他の液滴操作方法が開示されている。また、一般的に、典型的な液滴操作には、高電圧が必要とされる。ここで、従来技術（例えば、米国特許７３２９５４５号（Pamula et al.; 2008年2月12日発行））には、当該電圧の値を２０Ｖ〜６０Ｖの範囲にすることが開示されている。また、当該値の必要値は、絶縁体および疎水層（疎水面）の製造に利用される技術に依存して定まる。
【０００６】
ここで、ＥＷＯＤ駆動メカニズムの特筆すべき特徴としては、固体表面に対する液滴の接触角が、駆動電圧の平方に依存する点を挙げることができる。つまり、印加する電圧の正負の符号は、直接的に重要ではない。このため、ＥＷＯＤは、交流または直流の駆動スキームにより実現することができる。
【０００７】
ここで、ＥＷＯＤを交流駆動スキームにより実現することには、以下のような利点がある。
・装置の寿命劣化の抑制
・絶縁体の信頼性の改善
・液滴ダイナミクスの改善
このため、ＥＷＯＤを研究するグループの大半は、交流駆動スキームを利用しており、典型的な駆動周波数としては１０ｋＨｚ以上を利用している。
【０００８】
最近の液晶（ＬＣ）ディスプレイの多くでは、アクティブマトリクス（ＡＭ）構成を利用しており、この構成により薄膜トランジスタが、液晶層に作用する電荷を維持している。
【０００９】
ここで、ＬＣディスプレイでは、一般的に、液晶に印加する電圧は、交番（反転）されることが好ましい。これは、直流電場を適用することにより、ＬＣを構成する物質に悪影響が及ぶためである。大半のＬＣ反転スキームにおいては、ディスプレイに書き込まれる情報のフレームごとに、印加しているＬＣ電圧の正負の符号を反転させる操作が行われている。ここで、当該反転操作の周波数は、典型的には、５０Ｈｚ〜６０Ｈｚの範囲の値をとる。
【００１０】
「“Ultra-Low Power System-LCD with Pixel Memory Circuit”，Matsuda et al.，Proceedings of IDW ’09, AMD1-2」には、ピクセルメモリ駆動スキームを備えたＬＣＤが開示されている。ここで、ピクセルメモリとは、ピクセルに含まれるＳＲＡＭメモリセルを利用して、ディスプレイに書き込まれるデータを記憶する技術のことである。つまり、当該ディスプレイは、黒または白を表示できるだけの１ビットディスプレイであって、階調を有するグレーレベルを表示できるわけではない。このような構成による利点としては、ディスプレイに書き込まれる電圧を繰り返しリフレッシュする必要を抑制し、消費電力を低減可能である点を挙げることができる。ここで、ＬＣ層に印加する電圧の反転を機能させるためには、ピクセル内に反転回路をさらに追加する必要がある。これにより、反転の周波数を、ディスプレイのデータリフレッシュレートよりも高くすることができる。
【００１１】
米国特許第７１６３６１２号（J. Sterling et al.; 2007年1月16日発行）には、ＡＭディスプレイ技術において援用される構成と非常に似た回路構成により、ＥＷＯＤアレイに与える電圧パルスのアドレッシングを制御する、ＴＦＴベースの電子回路を利用する構成が開示されている。
【００１２】
このようなアプローチを、“アクティブマトリクス型の誘電体エレクトロウェッティング”（ＡＭ−ＥＷＯＤ：Active Matrix Electro-Wetting On Dielectric）と呼ぶことができる。ここで、ＴＦＴベースの電子回路を利用したＥＷＯＤアレイの制御においては、以下のような利点がある。
・駆動回路を、ＡＭ−ＥＷＯＤアレイ基板上に集積することができる点
・ＴＦＴベースの電子回路は、ＡＭ−ＥＷＯＤ用途に好適である点
・比較的大きいエリアを有している基板は比較的低コストで製造できるため、ＴＦＴベースの電子回路も安価となる点
標準的なプロセスにおいて製造されるＴＦＴは、標準的なＣＭＯＳプロセスにおいて製造されるトランジスタよりも、高い電圧で動作するように設計されている。多くのＥＷＯＤ技術において、ＥＷＯＤ駆動電圧として２０Ｖを超える電圧が必要とされるため、ＴＦＴが高い電圧で動作するように設計されていることは、重要である。
【００１３】
液滴マイクロ流体工学を実現するための他の技術として、誘電泳動（ＤＥＰ；Dielectrophoresis）が挙げられる。誘電泳動とは、誘電性の粒子に対して、変化する電場を作用させることにより、当該誘電性の粒子に力を作用させることができる現象である。
【００１４】
ＥＷＯＤが面の性質と関係する接触線に基づく現象であることとは異なり、ＤＥＰは、誘電性の粒子および当該粒子を取り巻く媒体の、異なる分極率と関係するバルク的な現象である。ここで、「“Integrated circuit/microfluidic chip to programmably trap and move cells and droplets with dielectrophoresis”，Thomas P Hunt et al，Lab Chip，2008年，8，81-87」には、デジタルマイクロ流体工学に適用可能な誘電泳動アレイを駆動するシリコン集積回路（ＩＣ）バックプレーンが開示されている。また、当該文献には、図１に示すような、アレイ素子に交流波形を印加するための集積回路が開示されている。当該回路は、データを書き込み・保存可能である標準的なＳＲＡＭメモリセル１０４、スイッチ回路１０６、および出力バッファステージ１０８から構成されている。ここで、スイッチ（トランジスタ）１１０およびスイッチ１１２を操作することにより、交流信号Ｖｐｉｘ（この例では、５Ｖかつ１ＭＨｚの矩形波として示されている）またはＶｐｉｘを反転した相補的な信号のいずれかが、ピクセルに書き込まれる。また、当該文献には、ＤＥＰの物理的性質の概要が開示されている。また、当該文献には、ＤＥＰ力がどのように電場の勾配の平方、粒子および誘電性の媒体の複素誘電率、ならびに幾何的な要因に依存するかについても開示されている。
【００１５】
「“Lab Chip”，2008年，8，1325-1331（Fan et al，2008年5月28日）”」は、ＥＷＯＤおよびＤＥＰがどのようにパッシブＥＷＯＤ装置として実現されるかについて開示している。ここで、当該装置は、液滴および液滴に含まれる粒子（の移動）の双方を制御する。図２は、当該装置に含まれる電極の基本的な配置を示す図である。ここで、大型の正方形の電極４８は、ＥＷＯＤ駆動メカニズムにより液滴の位置を操作することに利用される。なお、ＥＷＯＤ駆動メカニズムは、よく知られたメカニズムである。また、より小型の方形の電極５０は、ＤＥＰ駆動計測により液滴に含まれる誘電性の粒子を操作することに利用される。当該操作は、例えば、誘電性の粒子を液滴の片側に集中化させる操作であってもよい。
【００１６】
ここで、このようなＥＷＯＤおよび／またはＤＥＰを実現するためのパッシブアーキテクチャにおいては、別々の配線（例えば、５２）を各電極に対して個別に設けなければならない点が、特筆すべき不利な点であると言える。これにより、アレイに含まれる個別に制御可能な素子の総数が、装置の電気的な入力の数により制限される。このため、大型のアレイを実現することが、非現実的になる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
本発明では、駆動メカニズム（ＥＷＯＤまたはＤＥＰ）を、任意の時点にてアレイ素子に含まれる各列に応じて個別に選択可能なように構成されたアクティブマトリクス駆動回路を提供することを目的とする。また、本発明では、液滴に作用させる駆動信号は、液滴をＥＷＯＤにより操作する直流電圧信号もしくは低周波数の交流電圧信号、または液滴をＤＥＰにより操作する高周波数の交流電圧信号のいずれかから選択できる駆動方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明の一態様によれば、アレイ上の１個または複数の液滴を操作するように構成されている複数のアレイ素子と、アクティブマトリクス駆動回路とを備えており、各アレイ素子は、上部基板上に形成されている上部基板電極と、下部基板上に形成されている駆動電極とを含んでおり、上記上部基板電極および上記駆動電極の間に上記１個または複数の液滴を配置可能であり、上記アクティブマトリクス駆動回路は、上記複数のアイレ素子の、上記上部基板電極および上記駆動電極に駆動信号を与え、上記複数のアレイ素子の間で、上記１個または複数の液滴を操作するように構成されているマイクロ流体装置が提供される。ここで、上記アクティブマトリクス駆動回路は、１個または複数の上記アレイ素子について、誘電体エレクトロウェッティング（ＥＷＯＤ：Electro-wetting-on-Dielectric）および誘電泳動（ＤＥＰ：Dielectrophoresis）の両方によって、上記アレイ素子内にある上記１個または複数の液滴を選択的に操作するように、上記上部基板電極および上記駆動電極に上記駆動信号を与えるよう構成されている。
【００１９】
本発明の他の態様によれば、アレイ上の１個または複数の液滴を操作するように構成された複数のアレイ素子を含んでいるマイクロ流体装置を駆動する方法が提供される。ここで、当該方法は、誘電体エレクトロウェッティング（ＥＷＯＤ：Electro-wetting-on-Dielectric）および誘電泳動（ＤＥＰ：Dielectrophoresis）のそれぞれによって、上記１個または複数の液滴を操作するように、アクティブマトリクス駆動回路を利用して、上記１個または複数のアレイ素子に含まれる上記１個または複数の液滴に、直流電圧または比較的低周波数の交流電圧、および比較的高周波数の交流電圧を選択的に与える工程を含んでいる。
【００２０】
上述および関連する目的を達成するために、本発明は、本明細書において十分に説明され、特に特許請求の範囲において指摘される特徴を含む。以下の説明および添付の図面は、本発明の特定の典型的な実施形態を詳細に示すものである。これらの実施形態は、説明のためのものであるが、本発明の原理を利用することが可能である様々な方法のうちのいくつかに過ぎない。本発明の他の目的、利点、および新規の特徴は、以下の発明の詳細な説明を図面とともに考慮することによって、明らかとなろう。また、添付の図面では、同様の参照番号は、同様の部材または特徴を示すものである。
【発明の効果】
【００２１】
汎用的な形態において、再構成可能なＡＭ−ＥＷＯＤ装置に、ＤＥＰ機能をさらに付与することができる。ここで、第２の駆動メカニズムとして、ＤＥＰをさらに備えることにより、液滴に含まれる誘電性の粒子（例えば、細胞、玉）を、液滴の媒体とは分離して操作することができる。これは、サンプル洗浄および集細胞などに応用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】従来技術に係る、誘電泳動を利用した液滴制御用バックプレーンのアレイ素子回路を示す図である。
【図２】従来技術に係る、ＥＷＯＤおよびＤＥＰを実現するためのパッシブディバイスアーキテクチャーを示す図である。
【図３】本発明の典型的な実施形態に係るＡＭ−ＥＷＯＤ装置の概要を示す斜視図である。
【図４】上記ＡＭ−ＥＷＯＤ装置の複数のアレイ素子を横断する断面を示す図である。
【図５】上記ＡＭ−ＥＷＯＤ装置における薄膜電子回路の配置の概要を示す図である。
【図６】本発明の第１の実施形態に係るアレイ素子回路の概要を示す図である。
【図７】上記第１の実施形態に係る第２の列駆動回路の概要を示す図である。
【図８】上記第１の実施形態に係る駆動信号Ｖ１Ａ、Ｖ１Ｂ、およびＶ１Ｃ、の典型的なタイミング信号を示す図である。
【図９】絶縁体層、疎水層（疎水面）、および液滴の、電気的特徴を表すモデル回路を示す図である。
【図１０Ａ】ＤＥＰを利用して粒子集中化操作を実施する上記第１の実施形態に係る装置の操作中の状況を示す図である。
【図１０Ｂ】ＤＥＰを利用して粒子集中化操作を実施する上記第１の実施形態に係る装置の操作中の状況を示す図である。
【図１０Ｃ】ＤＥＰを利用して粒子集中化操作を実施する上記第１の実施形態に係る装置の操作中の状況を示す図である。
【図１１】本発明の第２の実施形態に係る薄膜電子回路の配置の概要を示す図である。
【図１２】本発明の第３の実施形態に係るアレイ素子回路の概要を示す図である。
【図１３】本発明の第４の実施形態に係る薄膜電子回路の配置の概要を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
本発明は、ＥＷＯＤおよびＤＥＰメカニズムを利用して液滴を操作するためのアクティブマトリクスアーキテクチャについての発明である。換言するならば、本発明は、ＥＷＯＤまたはＤＥＰを利用して液滴を操作可能とするアクティブマトリクス回路を実現すると言ってもよい。
【００２４】
図３は、本発明の典型的な実施形態に係る液滴マイクロ流体装置を示す図である。また、当該液滴マイクロ流体装置は、ＥＷＯＤおよびＤＥＰを利用して流体を操作可能なアクティブマトリクス装置である。さらに、当該装置は、アレイのある部位においてＥＷＯＤを利用して液滴を操作可能であるとともに、当該アレイの他の部位においてＤＥＰを利用して液滴を同時に操作可能である。また、当該装置は、ある時点でＥＷＯＤによって、かつ別の時点でＤＥＰによって、アレイの所定の部位において1個の液滴を操作可能であるように再構成されてもよい。
【００２５】
当該液滴マイクロ流体装置は、下部基板７２を有しており、下部基板７２上には薄膜電子回路７４が配されている。ここで、薄膜電子回路７４は、アレイ素子電極３８を駆動するように構成されている。また、複数のアレイ素子電極３８は、電極アレイ４２に含まれており、Ｍ×Ｎアレイの構成を有している。ここで、ＭおよびＮは、任意の数値であってもよい。なお、典型的な例においては、ＭおよびＮは２以上である。また、液滴４は、基板（下部基板）７２および上部基板３６の間に封入されている。ここで、複数の液滴４が封入されている形態も、本発明の技術的範囲に含まれている。すなわち、１個または複数の液滴４が、アレイに含まれていてもよい。また、液滴４は、内部に１個または複数の粒子４４を保持していてもよい。また、粒子４４は、液滴および／または液滴４の内部に含まれている他の粒子と異なる電気的性質を有していてもよい。
【００２６】
図４は、上記アレイ素子の対を示す断面図である。ここで、上記装置は、下部基板７２を含んでおり、下部基板７２の上には、薄膜電子回路７４が配されている。また、下部基板７２の最上部層（薄膜電子回路７４の一部と考えることもできる）には、複数の電極３８（例えば、図４に示す３８Ａおよび３８Ｂ）をなすように、パターンが形成されている。このような構成を、ＥＷ駆動素子と呼んでもよい。ここで、当該ＥＷ駆動素子は、特定のアレイ素子と関連付けられた電極３８であってもよいし、当該電極３８に直接接続された電子回路のノードであってもよい。また、イオン物質からなる液滴４が、下部基板７２と上部基板３６との間の平面に束縛されている。ここで、スペーサ３２を利用して当該２枚の基板間の合間を適切に確保してもよいし、非イオン液体３４（例えば、油）を利用して、液滴４が充填されていない空間を充填してもよい。また、下部基板７２の上に配されている絶縁体層２０は、導電性の電極３８Ａおよび電極３８Ｂを疎水層（疎水面）１６から分離する。ここで、液滴４は、疎水層（疎水面）１６上にθで表される接触角６をなして配されている。また、上部基板３６上には、液滴４に接触する他の疎水層２６が配されている。また、上部基板３６と疎水層２６との間には、上部基板電極２８が配されている。典型的な実施形態では、上部基板電極２８が、すべてのアレイ素子に共有されている。しかしながら、各アレイ素子または複数のアレイ素子のグループが、それぞれ固有の上部基板電極を有していてもよい。
【００２７】
薄膜電子回路７４を適切に設計および駆動することにより、ＥＷ駆動電圧（例えばＶＴ、Ｖ０、およびＶ００）といった異なる電圧が、異なる電極（例えば駆動素子電極２８、３８Ａ、および３８Ｂ）に印加されてもよい。また、疎水層（疎水面）１６の疎水性を制御して、２つの基板（下部基板）７２と基板（上部基板）３６との間の横平面における液滴の運動を促進してもよい。
【００２８】
図５は、基板（下部基板）７２上における薄膜電子回路７４の配置構成を示す図である。ここで、電極アレイ４２の各アレイ素子４３は、対応する電極３８の電極電位を制御するために、アレイ素子回路８４を含んでいる。また、集積された行駆動回路７６および第１の列駆動回路７８は、薄膜電子回路に実現されており、アレイ素子回路８４に制御信号を与える。また、第２の列駆動回路８６も、（薄膜電子回路に）実現されており、アレイ素子回路８４に制御信号を与える。典型的な実施形態では、行駆動回路７６、第１の列駆動回路７８、第２の列駆動回路８６、およびアレイ素子回路８４が、上部基板電極２８および各アレイ素子４３の駆動素子電極（電極）３８に駆動信号を与えるように、アクティブマトリクス駆動回路を構成する。
【００２９】
シリアルインターフェース８０は、シリアル入力データストリームを処理し、要求された電圧を電極アレイ４２に書き込むように構成されていてもよい。ここで、電圧供給インターフェース８３は、本明細書に記載されているように、対応する供給電圧、上部基板駆動電圧などを与えてもよい。また、アレイ基板（下部基板）７２と、外部の駆動電子回路または電源などとの間の接続配線８２の本数は、アレイサイズが大きい場合であっても、比較的少なくてもよい。
【００３０】
図６は、本発明の第１の実施形態に係るアレイ素子回路８４を示す図である。ここで、ＡＭ−ＥＷＯＤ装置について後述している構成以外の構成は、前述した一般的な構成と同様である。
【００３１】
各アレイ素子回路８４は、駆動電圧ＶＥＷを液滴４に印加するように構成されており、以下の構成要素を含んでいる。
・メモリ回路２２２
・反転回路２２４
ここで、メモリ回路２２２は、以下の構成要素を含んでいる。
【００３２】
・列書込線ＣＯＬ（第１の列駆動回路７８から引き出されている；同じ列に含まれるアレイ素子により共有されていてもよい）
・行選択線ＲＯＷ（行駆動回路７６から引き出されている；同じ行に含まれるアレイ素子により共有されていてもよい）
・ストレージキャパシタ２０３
・直流供給電圧Ｖｒｅｆ
・スイッチトランジスタ２０６
また、反転回路２２４は、以下の構成要素を含んでいる。
【００３３】
・第１のアナログスイッチ２１４
・第２のアナログスイッチ２１６
・供給電圧Ｖ１（第２の列駆動回路８６から供給されている；同じ列に含まれるアレイ素子により共有されていてもよい）
・第２供給電圧Ｖ２（第２の列駆動回路８６から供給されている；同じ列に含まれるすべての素子により共有されていてもよい）
・インバータ２１２
ここで、アレイ素子回路８４は、以下のように接続されている。
【００３４】
まず、列書込線ＣＯＬは、スイッチトランジスタ２０６のソースに接続されている。また、行選択線ＲＯＷは、スイッチトランジスタ２０６のゲートに接続されている。また、ストレージキャパシタ２０３は、直流供給電圧Ｖｒｅｆとスイッチトランジスタ２０６のドレインとの間に接続されている。また、スイッチトランジスタ２０６のドレインは、インバータ２１２の入力、第１のアナログスイッチ２１４のｎ型トランジスタのゲート、および第２のアナログスイッチ２１６のｐ型トランジスタのゲートに接続されている。また、インバータ２１２の出力は、第１のアナログスイッチ２１４のｐ型トランジスタのゲートおよび第２のアナログスイッチ２１６のｎ型トランジスタのゲートに接続されている。また、供給電圧Ｖ１は、第１のアナログスイッチ２１４の入力に接続されている。また、供給電圧Ｖ２は、第２のアナログスイッチ２１６の入力および上部基板電極２８に接続されている。また、第１のアナログスイッチ２１４の出力および第２のアナログスイッチ２１６の出力は、ＥＷ駆動電極を形成する電極３８にそれぞれ接続されている。
【００３５】
また、アレイ素子回路８４は、電圧信号（Ｖ１またはＶ２のいずれか一方）を各アレイ素子のＥＷ駆動電極（電極）３８に与えるように動作する。
【００３６】
ここで、アレイ素子回路８４は、以下のように動作する。
【００３７】
アレイ素子回路８４は、上述の２つの機能ブロックを含んでいる。ここで、２つの機能ブロックとは、メモリ回路２２２および反転回路２２４のことである。また、メモリ回路２２２は、標準的なＤＲＡＭ回路である。また、論理値“０”状態または論理値“１”状態で表現されるデジタル書込電圧ＶＷＲＩＴＥは、所望の電圧で列書込線ＣＯＬからロードした後に、ハイレベル電圧パルスを行選択線ＲＯＷに与えることにより、メモリへ書き込まれてもよい。これにより、スイッチトランジスタ２０６がオンされた後に、書込電圧がメモリノード２１０に書き込まれ、ストレージキャパシタ２０３に保存される。なお、スイッチトランジスタ２０６のリークのため、メモリ回路２２２は、メモリノード２１０における電圧（デジタル書込電圧）ＶＷＲＩＴＥをリフレッシュするために、繰り返し再書込みされなければならない。
【００３８】
論理値“１”状態がメモリ回路２２２に書き込まれる場合において、反転回路２２４は、第１のアナログスイッチ２１４をオンし、第２のアナログスイッチ２１６をオフするように構成されている。この結果、供給電圧Ｖ１は、ＥＷ駆動素子（電極）３８を形成している電極に与えられる。また、論理値“０”状態がメモリ機能（メモリ回路）２２２に書き込まれる場合において、反転回路２２４は、第１のアナログスイッチ２１４をオフし、第２のアナログスイッチ２１６をオンするように構成されている。この場合、供給電圧Ｖ２は、ＥＷ駆動電極（電極）３８を形成している導電性の電極に与えられる。
【００３９】
供給電圧Ｖ１および供給電圧Ｖ２は、同じ列に含まれるアレイ素子により共有され、第２の列駆動回路８６によって与えられてもよい。ここで、供給電圧Ｖ１および供給電圧Ｖ２は、列ラインＶ１および列ラインＶ２として参照される。また、第２の列駆動回路８６は、以下のように構成されてもよい。第２の列駆動回路８６は、複数の回路素子（第２の列駆動回路素子）５００を含んでおり、アレイの各列に対して１個の素子（第２の列駆動回路素子）５００が対応してもよい。ここで、図７は、第２の列駆動回路８６の素子（第２の列駆動回路素子）５００を含む回路の配置構成例を示す図である。各回路素子（第２の列駆動回路素子）５００は、以下の構成要素を含んでいる。
・３個のスイッチからなる第１のバンク５０２
・３個のスイッチからなる第２のバンク５０４
・デジタル出力選択回路５０６
・デジタル制御回路５０８
デジタル制御回路５０８は、外部クロック入力ＣＫおよび出力Ｑを有している。ここで、出力Ｑは、デジタル出力選択回路５０６のクロック入力ＣＫＡに接続されている。また、デジタル出力選択回路５０６は、ビットデータ入力ＤＡＴＡ１およびビットデータ入力ＤＡＴＡ２ならびにビット並列データ出力Ｏ１、ビット並列データ出力Ｏ２、およびビット並列データ出力Ｏ３を有している。また、デジタル出力選択回路５０６の出力（ビット並列データ出力）Ｏ１、出力（ビット並列データ出力）Ｏ２、および出力（ビット並列データ出力）Ｏ３は、スイッチからなるバンク５０２およびスイッチからなるバンク５０４に含まれる３個のスイッチを制御するために利用される。また、バンク５０２に含まれる３個のスイッチの出力は、互いに接続されており、出力Ｖ１に接続されている。ここで、出力Ｖ１は、供給電圧であり、各アレイ素子に含まれる第１のアナログスイッチ２１４に与えられる。また、バンク５０４に含まれる３個のスイッチの出力は、互いに接続されており、出力Ｖ２に接続されている。ここで、出力Ｖ２は、供給電圧であり、各アレイ素子に含まれる第２のアナログスイッチ２１６および上部基板電極２８に与えられる。また、入力Ｖ１Ａ、入力Ｖ１Ｂ、および入力Ｖ１Ｃは、３個のスイッチからなるバンク５０２の３個の入力を備えている。そして、入力Ｖ２Ａ、入力Ｖ２Ｂ、および入力Ｖ２Ｃは、３個のスイッチからなるバンク５０４の３個の入力を備えている。また、３個の入力は、装置に外部から与えられるグローバル信号であってもよい。
【００４０】
ここで、第２の列駆動回路素子５００は、以下のように動作する。まず、第２の列駆動回路素子５００の基本的な機能を説明すると、第２の列駆動回路素子５００は、入力信号Ｖ１Ａ、入力信号Ｖ１Ｂ、または入力信号Ｖ１Ｃを１つ選択して、出力Ｖ１を出力する。そして、出力Ｖ１は、アレイの特定の列に含まれるアレイ素子に入力される。同様に、入力信号Ｖ２Ａ、入力信号Ｖ２Ｂ、または入力信号Ｖ２Ｃは、１つ選択されて、出力Ｖ２が出力される。これにより、Ｖ１＝Ｖ１ＡであればＶ２＝Ｖ２Ａとなり、Ｖ１＝Ｖ１ＢであればＶ２＝Ｖ２Ｂとなり、Ｖ１＝Ｖ１ＣであればＶ２＝Ｖ２Ｃとなる。
【００４１】
また、Ｖ１として出力される入力信号は、入力（ビットデータ入力）ＤＡＴＡ１および入力（ビットデータ入力）ＤＡＴＡ２におけるデジタルワードを利用して選択される。例えば、ＤＡＴＡ１＝０、ＤＡＴＡ２＝０である場合に、Ｖ１ＡをＶ１として出力するように設定されてもよい。また、例えば、ＤＡＴＡ１＝０、ＤＡＴＡ２＝１である場合に、Ｖ１ＢをＶ１として出力するように設定されてもよい。また、例えば、ＤＡＴＡ１＝１、ＤＡＴＡ２＝０である場合に、Ｖ１ＣをＶ１として出力するように設定されてもよい。また、デジタル出力選択回路５０６は、標準的な論理素子（例えば、インバータやＮＡＮＤゲート）を標準的な方法で利用して実現されてもよい。このような構成は、広く知られている。また、デジタル制御回路５０８は、シフトレジスタ素子として実現されてもよい。例えば、フリップフロップおよびラッチを利用して、入力Ｄの論理値レベルが、クロック入力（外部クロック入力）ＣＫのエッジの立ち上がりに応じてサンプリングされ、出力Ｑに出力されてもよい。また、出力Ｑは、デジタル出力選択回路５０６のクロック入力ＣＫＡに、順番に入力される。これにより、ＤＡＴＡ１およびＤＡＴＡ２の論理値レベルがサンプリングされ、出力（ビット並列データ出力）Ｏ１、出力（ビット並列データ出力）Ｏ２、および出力（ビット並列データ出力）Ｏ３に出力される。また、ＤＡＴＡ１、ＤＡＴＡ２、Ｄ、およびＣＫの値は、シリアルインターフェース８０を介して外部ソースから第２の列駆動回路素子５００に与えられる。これは、例えば、所望の対応するアレイにおいて、ＥＷＯＤまたはＤＥＰ操作を実行するように行われる。
【００４２】
以上のように、第２の列駆動回路素子５００は、アレイの各列に対して列ラインＶ１に出力する信号（つまり、Ｖ１Ａ、Ｖ１Ｂ、またはＶ１Ｃ）を決定する。同様に、第２の列駆動回路素子５００は、アレイの各列に対して列ラインＶ２に出力する信号（つまり、Ｖ２Ａ、Ｖ２Ｂ、またはＶ２Ｃ）を決定する。
【００４３】
図８は、供給電圧Ｖ１Ａ、供給電圧Ｖ１Ｂ、および供給電圧Ｖ１Ｃの波形の時間依存性を示す図である。まず、Ｖ１Ａは、直流信号であって、その論理値がハイレベルである。また、Ｖ１Ｂは、比較的低周波数である周波数ｆ１を有している矩形波である。ここで、比較的低周波数とは、エレクトロウェッティング力が大きくなるように選択されるような周波数を意味しており、この場合、ＥＷＯＤを利用して液滴を操作することができる。また、このような周波数の例としては、１０ｋＨｚ、１ｋＨｚ、１００Ｈｚを挙げることができる。
【００４４】
次に、Ｖ１Ｃは、比較的高周波数である周波数ｆ２を有している矩形波である。ここで、周波数ｆ２は、ＤＥＰを利用して液滴に含まれる粒子を操作することに適した周波数となるように選択されてもよい。よって、このような用途に好適な周波数は、液滴４および操作される粒子の誘電的性質に依存することになる。ここで、このような用途に好適な周波数ｆ２の典型例としては、１００ｋＨｚから１０ＭＨｚの範囲の周波数を挙げることができる（例えば、１ＭＨｚであってもよい）。
【００４５】
次に、図示していないＶ２Ａ、Ｖ２Ｂ、およびＶ２Ｃは、Ｖ１Ａ、Ｖ１Ｂ、およびＶ１Ｃをそれぞれ論理反転したものである。ここで、Ｖ１Ａ、Ｖ１Ｂ、およびＶ１Ｃは、例えば、外部ＰＣＢにより与えられて生成された、グローバル信号であってもよい。
【００４６】
すなわち、周波数ｆ１および周波数ｆ２は、外部から制御可能であってもよいし、所望の操作に応じて決定および設定されてもよい。また、これらの値は、後述するような構成により簡単に与えられてもよい。
【００４７】
つまり、薄膜電子回路７４の一般的な機能を、以下のようにまとめることができる。まず、各アレイ素子回路８４は、行駆動回路７６および列駆動回路７８により書込電圧の方式によってプログラムされるような、プログラム可能な１ビットメモリ機能を備えている。ここで、書き込み電圧に基づいて、ＥＷ駆動電極３８に信号Ｖ１または信号Ｖ２のいずれが書き込まれるかが決定される。また、第２の列駆動回路８６は、アレイの所定の列のＶ１信号として、グローバル入力信号Ｖ１Ａ、グローバル入力信号Ｖ１Ｂ、またはグローバル入力信号Ｖ１Ｃ、これら３信号のうちいずれの信号が書き込まれるかを決定することに利用される。同様に、第２の列駆動回路８６は、アレイの所定の列におけるＶ２信号として、グローバル入力信号Ｖ２Ａ、グローバル入力信号Ｖ２Ｂ、またはグローバル入力信号Ｖ２Ｃのうちいずれの信号が書き込まれるかを決定することに利用される。
【００４８】
信号Ｖ１Ａ、信号Ｖ１Ｂ、および信号Ｖ１Ｃの形態は、直流エレクトロウェッテイング、交流エレクトロウェッテイング、およびＤＥＰのそれぞれ利用して液滴４を動かすように構成されている。図９は、これらの信号の機能を説明する図であって、絶縁体層２０、疎水層１６、および液滴４の電気的特性を表現する回路モデルを示す図である。ここで、当該回路モデルは、駆動電極３８と上部基板電極２８との間の回路モデルを表現しており、アレイの特定の位置に液滴４が存在している状態を表現している。ここでは、説明を簡潔にするため、液滴４内に浮遊している粒子の影響はないものと考える。さて、液滴４は、抵抗ＲＤＲＯＰおよび並列に接続されたキャパシタＣＤＲＯＰとして表現することができる。ここで、４０と記載されている回路ノードは、液滴４と疎水層（疎水面）１６との境界に相当する。また、絶縁体層２０および疎水層（疎水面）１６を組み合わせた構成は、キャパシタＣｉとして表現することができる。また、直流エレクトロウェッティング、交流エレクトロウェッティング、およびＤＥＰは、以下のように実施される。
【００４９】
直流エレクトロウェッティングを行うために、電圧供給源であるＶ２Ａは、上部基板電極２８に接続される。また、アレイ素子回路８４は、所定の位置において、Ｖ１ＡまたはＶ２Ａのいずれか一方が駆動電極３８に接続されるように、プログラムされていてもよい。ここで、Ｖ１Ａが駆動電極３８に書き込まれる場合には、Ｃｉに作用する、Ｖ１Ａ−Ｖ２Ａで表される電位差（直流の電位）は、電極３８と上部基板電極２８との間において維持される。そして、図９に示す構成によって、当該直流の電位はキャパシタＣｉに渡って完全に降下し、当該降下によって、液滴４と疎水層１６との境界において、電場をもたらす。これにより、従来技術においてよく知られているように、エレクトロウェッテイングのメカニズムにより、接触角が変化する。一方、Ｖ２Ａが駆動電極に書き込まれる場合には、電極３８と上部基板電極２８との間の電位差が０となり、液滴４と疎水層１６との境界には、電場が作用しない。つまり、異なるアレイ素子に与える信号を適切に選択することにより、従来技術においてよく知られているように、アレイにおける液滴４の位置を操作することができる。
【００５０】
次に、交流エレクトロウェッテイングについて説明する。ここで、電圧供給源であるＶ２Ｂは、上部基板電極２８に接続されている。また、アレイ素子回路８４は、所定のアレイ素子において、Ｖ１ＢまたはＶ２Ｂが駆動電極（電極）３８に接続されるように、プログラムされていてもよい。ここで、Ｖ１Ｂが駆動電極（電極）３８に書き込まれる場合には、Ｖ１Ｂ−Ｖ２Ｂで表される電位差（直流の電位）は、電極３８と上部基板電極２８との間において維持される。これは、周波数ｆ１を有している交流の電位に相当する。ここで、図９に示す構成によって、周波数ｆ１を適切に選択することにより、交流エレクトロウェッティングを利用して液滴４を制御することができる。この場合、エレクトロウェッティング力は、液滴４と疎水層（疎水面）１６との境界における電場に依存する。なお、このような構成においては、印加された電圧が液滴４自体を通しては降下せず、当該電圧の大部分がキャパシタＣｉに渡って降下することを、一般的な要件として挙げることができる。ここで、周波数は、抵抗ＲＤＲＯＰに応じて設定されてもよい。しかしながら、典型的な例において、周波数は、低い値となる（例えば、１０ｋＨｚ）。このように、周波数が低い場合には、疎水層１６と液滴４の境界（図９に示すノード４０）において交流の電場が作用し、良く知られるように、交流エレクトロウェッテイングによって液滴４が操作される。一方、Ｖ２Ｂが駆動電極に書き込まれるようにアレイ素子回路８４がプログラムされている場合には、電極３８と上部基板電極２８との間の電位差が０となり、エレクトロウェッティング力が作用しない。つまり、異なるアレイ素子に与える信号を適切に選択することにより、従来技術においてよく知られているように、エレクトロウェッティングを利用してアレイにおける液滴４の位置を操作することができる。
【００５１】
ＤＥＰを実行するために、電圧供給源であるＶ２Ａは、上部基板電極２８に接続される。また、アレイ素子回路８４は、所定の位置において、Ｖ１ＣまたはＶ２Ｃが駆動電極（電極）３８に接続されるように、プログラムされていてもよい。これにより、時間的に変化する電場が、駆動電極（電極）３８と上部基板電極２８との間に作用する。なお、ＤＥＰを実現するためには、電圧パルスＶ１Ｃおよび電圧パルスＶ２Ｃの周波数ｆ２は、電極３８と上部基板電極２８との間に作用する電位差の大部分が液滴４に渡って降下するように、充分大きな値となっていなければならない。これにより、液滴４の実体に対して時間的に変化する電場が印加され、液滴４に含まれる誘電性の粒子４４（例えば、泡や細胞であってもよい）を操作することができる。また、周波数ｆ２を精密な選択は、液滴の媒体および操作されている液滴に含まれる粒子の、誘電率の実数部および虚数部の関数である。このような周波数依存性は、ＤＥＰ現象に関する従来技術に係るよく知られたClaussius-Mossotti要因により説明することができる。基本的には、ｆ２を選択することにより、粒子を液滴４の誘電性の媒体より大きく分極させる（正のＤＥＰ）、または、液滴の誘電性の媒体を粒子４４より大きく分極させる（負のＤＥＰ）ことができる。つまり、周波数、および正または負のいずれのＤＥＰを利用するかの選択は、液滴４および操作されている粒子４４の、誘電的性質に大きく依存している。つまり、異なるアレイ素子に与える信号を適切に選択することにより、ＤＥＰを利用して液滴に含まれる粒子の位置を操作することができる。一方、信号Ｖ２Ｂを上部電極に与えることによっても、ＤＥＰを実施することができる。この操作は、基本的に上述の操作と同様であるが、Ｖ１ＣおよびＶ２Ｃの信号の極性を、Ｖ２Ｂの論理値がハイレベルであるときに、反転する必要があるという点において異なっている。これにより、Ｖ２Ｂの論理値がハイレベルであるときもロウレベルであるときも、装置における電場の大きさは同じ値になる。
【００５２】
図１０Ａ〜図１０Ｃは、どのようにＤＥＰおよびＥＷＯＤを利用して、液滴に含まれる粒子を操作できるかということについて示す図である。また、図４と同じように、図１０Ａ〜図１０Ｃは、装置の断面を示すとともに、駆動素子電極（電極）３８Ａ、駆動素子電極（電極）３８Ｂ、および駆動素子電極（電極）３８Ｃの３つの駆動素子電極を示している。ここで、液滴４は、多数の粒子４４を含んでいる。また、図１０Ａ〜図１０Ｃは、装置がどのようにＤＥＰを利用して、液滴に含まれる粒子の集中化を行うかということについて示している。また、各図、図１０Ａ、図１０Ｂ、および図１０Ｃは、時間的に処理の状況がどのように変遷するかを示している。これによると、電極３８Ａ、電極３８Ｂ、および電極３８Ｃに与える信号を時間的に変化させることにより、電場は、液滴４の片隅（つまり、図１０Ｃにおける右側）に誘電性の粒子４４を移動させるように作用する。その後、駆動メカニズムを直流ＥＷＯＤに切り替えて、液滴４を分割してもよい。以上のように、液滴４に含まれる粒子４４を集中化することができる。これは、例えば、粒子４４を取り囲む液体により、余分な試薬を除去するといった、洗浄操作に利用することができる。また、他の応用例としては、広く一般的な、化学または生化学の多くの分析に利用可能な、細胞や玉を一箇所へ集める処理を挙げることができる。
【００５３】
ここで、ＥＷＯＤおよびＤＥＰの駆動に必要な事項は似通っていると言える。また、一方と他方とを切り替えることにより、電極３８と上部基板電極２８との間に与えられる電圧波形の周波数が変化すると言える。また、２つの駆動メカニズムは、物理的には完全に異なっていると言える。ここで、エレクトロウェッティングは、基本的には表面に作用する現象であり、エレクトロウェッティング力の強さは、液滴４と疎水層（疎水面）１６との境界における電場の強さに依存している。一方、ＤＥＰは、バルク的に作用する現象であり、ＤＥＰ力は、液滴のバルクに作用し時間的に変化する電場の形態に依存している。
【００５４】
本実施形態によれば、同一のアクティブマトリックス装置を利用したＥＷＯＤおよびＤＥＰメカニズムにより、液滴４および粒子４４を、独立して制御することができる。これは、粒子の集中化、洗浄、粒子の選別などに応用することができ、ＡＭ−ＥＷＯＤ技術の応用において広く必要とされる工程に利用することができる。また、これは、例えば、ポイント・オブ・ケア診断法（Point of Care diagnostics）のための免疫学的検定に利用することができる。また、アクティブマトリクス装置におけるＥＷＯＤおよびＤＥＰによる駆動メカニズムは、汎用性を有しており、完全に再構成可能な装置の汎用的な形態を提供するものである。これは、当該装置が、複雑なデジタルマイクロ流体操作を行ったり、同一の装置により多くの操作を並列的に行ったりできるということである。
【００５５】
さらに、本実施形態によれば、上述の構成を、完全に再構成することができる。特に、アレイの任意の所定の列において、ＥＷＯＤまたはＤＥＰを任意の時点にて利用するような構成とすることができる。また、特に、異なる複数の列において、異なる機能を同時に実現することができる。換言すると、ＥＷＯＤまたはＤＥＰ駆動は、各例に対して個別に選択可能である。
【００５６】
さらに、本実施形態によれば、上述の回路の実現において、アレイ素子回路に含まれる電子部品の数を、比較的少なくすることができる。具体的には、本実施形態において単にＤＥＰだけを機能させるとしたときに利用されるトランジスタの数と、図１に示す構成および背景技術に記載の構成において利用されるトランジスタの数とは、同程度である。
【００５７】
さらに、本実施形態によれば、ＥＷＯＤおよびＤＥＰを利用した操作にそれぞれ対応している周波数ｆ１および周波数ｆ２は、完全にフレキシブルであり、独立して制御可能である。ここで、独立して制御可能であるとは、装置の操作に関連する他のタイミングパラメータとは独立して、周波数ｆ１および周波数ｆ２を制御可能であるということである。このことは、最適な操作周波数が液滴４の媒体および液滴４に含まれる任意の誘電性の粒子４４の性質に依存し得るため、有利である。
【００５８】
さらに、本実施形態によれば、Ｖ１Ａ、Ｖ１Ｂ、およびＶ１Ｃ（ならびに、これらの論理反転）の、ハイおよびロウ電圧レベルを調整し、ＥＷＯＤおよびＤＥＰ操作メカニズムの強さを制御することができる。ここで、ＤＥＰおよびＥＷＯＤを実現するために必要となる電圧レベルは、同一でなくてもよい。このことは、これにより、例えば、高周波数でＤＥＰを実施する際に過度の電力が消費されてしまうことを回避できるため、重要である。
【００５９】
本明細書の開示内容に基づけば、当業者が上述の実施形態を種々の形態に拡張して実施可能であることは明らかであろう。例えば、アレイ素子に与えられる信号Ｖ１および信号Ｖ２を、同じ行に含まれる素子に与えて共有させる構成は、同じ列に含まれる素子に与える構成を拡張して実現できるであろう。これにより、ＥＷＯＤまたはＤＥＰ駆動を各行に対して個別に選択することができる。また、第２の列駆動回路８６は、２つの選択肢だけに基づいて信号Ｖ１および信号Ｖ２を選択するように、拡張できるであろう。つまり、上述のようなＶ１ＡおよびＶ１Ｃを、直流ＥＷＯＤまたはＤＥＰを利用して液滴４を駆動する形態に応じて選択するように、拡張できるであろう。
【００６０】
以下では、本発明に係る第２の実施形態について説明する。ここで、第２の実施形態は、第１の実施形態と同様の構成となっている。また、第２の実施形態では、アレイ素子４３は、大きなアスペクト比を有するように構成されている。これにより、アレイ素子４３は、行方向よりも列方向において非常に長くなっている。このような、大きなアスペクト比は、例えば、アレイ素子４３の長辺の長さが、短辺の長さの２、５、１０、２０、または５０倍を越えるように構成することで実現できる。図１１は、本実施形態に係る薄膜電子回路７４の構成を示す図である。ここで、本実施形態において、回路構成の概要は、第１の実施形態と同様であってもよい。また、大きなアスペクト比は、公知のレイアウト技術を利用して実現されてもよい。また、アレイ素子４３を行方向において小さくし、隣接する列に含まれるアレイ素子に他のＤＥＰ駆動信号を与えることにより、電場の勾配、つまりＤＥＰ力の強さが大きくなる。例えば、Ｖ１Ｃを列Ｚに含まれるアレイ素子の電極３８に与え、Ｖ２Ｃを列Ｚ＋１に含まれるアレイ素子の電極３８に与えてもよい。つまり、本実施形態を実施することにより、ＤＥＰを利用して、行方向において液滴４に含まれる誘電性の粒子４４を選択的に操作することができる。また、アレイ素子４３の短辺方向において、ＤＥＰ力を最大化することができる。また、本実施形態によれば、ＤＥＰ力の最大化を利用して、ＤＥＰの実施の効果を大きくすることができる。ここで、ＤＥＰの実施とは、例えば、粒子の選別であってもよい。さらに、このような形状を変化させる手法によるＤＥＰ駆動力の最大化を利用することで、信号Ｖ１Ｃおよび信号Ｖ２Ｃの電圧振幅が小さい場合であっても、十分なＤＥＰ力を得ることができる。これにより、消費電力などを低減することができる。
【００６１】
ここで、アレイ素子４３の短辺を列方向に伸ばし、上述の構成と同様に動作するように、本実施形態を変更することは、当業者にとっては明らかなことであろう。
【００６２】
以下では、本発明に係る第３の実施形態について説明する。ここで、第３の実施形態は、第１の実施形態と同様の構成となっている。また、図１２に示すように、アレイ素子回路８４ａが、代替利用されている。また、ＡＭ−ＥＷＯＤ装置の他の部分は、上述の標準的な構成となっており、上部基板電極２８を有している上部基板３６を含んでいる。また、本実施形態に係るアレイ素子回路８４ａは、第１の実施形態と同様の機能を奏する。つまり、電圧ラインＶ１または電圧ラインＶ２のいずれかが、電極３８に与えられる。また、電極３８と上部基板電極２８との間に与えられる電圧信号が制御される。また、当該電圧信号が、液滴４に作用する。
【００６３】
本実施形態においてアレイ素子回路８４ａは、以下の構成要素を備えている。
・メモリ回路２２２ａ
・反転回路２２４ａ
ここで、メモリ回路２２２ａは、以下の構成要素を含んでいる。
【００６４】
・列書込線ＣＯＬ（第１の列駆動回路７８から引き出されている；同じ列に含まれるアレイ素子により共有されていてもよい）
・行選択線ＲＯＷ（行駆動回路７６から引き出されている；同じ行に含まれるアレイ素子により共有されていてもよい）
・ｎ型のスイッチトランジスタ２０６
・ｐ型のスイッチトランジスタ２３０
・第１のインバータ２２６
・第２のインバータ２２８
また、反転回路２２４ａは、以下の構成要素を含んでいる。
【００６５】
・第１のアナログスイッチ２１４
・第２のアナログスイッチ２１６
・供給電圧Ｖ１（アレイに含まれるすべての素子により共有されていてもよい）
・第２の供給電圧Ｖ２（アレイに含まれるすべての素子により共有されていてもよい）
ここで、回路（アレイ素子回路）８４ａは、以下のように接続されている。
【００６６】
まず、列書込線ＣＯＬは、スイッチトランジスタ２０６のソースに接続されている。また、行選択線ＲＯＷは、スイッチトランジスタ２０６のゲートおよびスイッチトランジスタ２３０のゲートに接続されている。また、スイッチトランジスタ２３０のドレインは、スイッチトランジスタ２０６のドレインおよび第１のインバータ２２６の入力に接続されている。また、第１のインバータ２２６の出力は、第２のインバータ２２８の入力、第１のアナログスイッチ２１４のｐ型トランジスタのゲート、および第２のアナログスイッチ２１６のｎ型トランジスタのゲートに接続されている。また、第２のインバータ２２８の出力は、第１のアナログスイッチ２１４のｎ型トランジスタのゲート、第２のアナログスイッチ２１６のｐ型トランジスタのゲート、およびスイッチトランジスタ２３０のソースに接続されている。また、電圧供給Ｖ１は、第１のアナログスイッチ２１４の入力に接続されている。また、電圧Ｖ２は、第２のアナログスイッチ２１６の入力および上部基板電極２８に接続されている。また、第１のアナログスイッチ２１４の出力および第２のアナログスイッチ２１６の出力は、ＥＷ駆動電極を形成する導電性の電極３８にそれぞれ接続されている。
【００６７】
ここで、本実施形態は、第１の実施形態と同様に動作する。まず、ハイ電圧パルスが行選択線ＲＯＷに与えられることにより、メモリにおいて書き込み動作が機能する。つまり、スイッチトランジスタ２０６およびスイッチトランジスタ２３０がオンになる。また、列書込線ＣＯＬに印加されている電圧が、メモリノード２１０に書き込まれる。また、反転回路２２４ａは、第１の実施形態と同様に動作する。しかしながら、反転回路２２４ａは、反転メモリノード信号を、インバータ（第１のインバータ）２２６とインバータ（第２のインバータ）２２８との間のノードから取得できる点において、第１の実施形態とは異なる動作をする。
【００６８】
本実施形態では、メモリ回路２２２ａがＳＲＡＭメモリ構造を有していることにより、リフレッシュを繰り返す必要がない点において有利である。これにより、ＤＲＡＭメモリ機能を利用する構成と比較して、より低消費電力で、装置を容易に動作させることができる。また、アレイ素子回路８４ａは、最少数の有効構成要素（１０個のトランジスタ）を利用して実現されている。これにより、レイアウト範囲を最小化し、生産性を最大化することができる。
【００６９】
以下では、本発明に係る第４の実施形態について説明する。ここで、第４の実施形態は、上述した実施形態と同様の構成となっている。つまり、第４の実施形態は、ＥＷＯＤ／ＤＥＰの双方の機能を、アクティブマトリクス装置の一部分だけに限定して作用させる構成となっている。図１３は、本実施形態における薄膜電子回路の構成例を示す図である。本構成において、アレイの列（Ｃｏｌ）１〜列Ｘ（図１３の左側）は、ＥＷＯＤだけを利用して液滴を操作するように設計されている。ここで、これらの列に与えられる信号Ｖ１および信号Ｖ２は、供給配線を利用した接続（例えば、Ｖ１ＡおよびＶ１Ｂ）により与えられても良く、駆動方式を切り替えるために必要とされるわけではない。つまり、列１〜列Ｘは、ＥＷＯＤだけによる液滴の操作に利用されてもよい。また、アレイの列（Ｃｏｌ）Ｘ＋１〜列Ｙは、上述のアーキテクチャにより構成されており、第２の列駆動回路８６を有している。これにより、上述の第１の実施形態のように、これらの列に含まれるアレイ素子に与えられる信号線Ｖ１および信号線Ｖ２は、Ｖ１Ａ、Ｖ１Ｂ、またはＶ１Ｃなどを選択することができる。つまり、アレイのこれらの列においては、液滴４は、ＥＷＯＤまたはＤＥＰを上述のように利用して操作することができる。また、本実施形態によれば、ＡＭ−ＥＷＯＤ装置は、専用の“ＤＥＰゾーン”４６（つまり、列Ｘ＋１〜列Ｙ）を有しており、当該ゾーンにおいてＤＥＰを実施することができる。また、装置は、ＤＥＰを実施するために、液滴を、エレクトロウェッティングを利用してＤＥＰゾーン４６内のいずれかの位置へ移動させるように、動作してもよい。また、必要なＤＥＰ操作（例えば、細胞の選別）は、液滴４をアレイの他の位置へ移動させる前に、実施されてもよい。例えば、所定の検査の次工程において、当該操作の実施が必要とされている場合に、当該操作を実施してもよい。
【００７０】
本発明の一態様によれば、アクティブマトリクス回路は、駆動メカニズム（ＥＷＯＤまたはＤＥＰ）を、任意の時点にてアレイ素子に含まれる各列に応じて個別に選択可能なように構成されている。
【００７１】
また、本発明のさらなる態様によれば、開示された駆動方法においては、液滴に与えられる駆動信号は、液滴をＥＷＯＤにより操作する直流電圧信号もしくは低周波数の交流電圧信号、または液滴をＤＥＰにより操作する高周波数の交流電圧信号のいずれかから選択できる。
【００７２】
また、本発明の一態様によれば、上記アクティブマトリクス駆動回路は、ある時点においてＥＷＯＤによって、かつ別の時点においてＤＥＰによって、上記アレイの所定の部位における上記１個または複数の液滴を操作可能とするように上記装置を再構成する。
【００７３】
また、本発明の他の態様によれば、上記アクティブマトリクス駆動回路は、上記１個または複数のアレイ素子の、上記上部基板電極および上記駆動電極に上記駆動信号を選択的に与えるように構成されており、上記１個または複数の液滴に渡る電圧波形について、ＥＷＯＤを利用する場合には、上記電圧波形が直流または比較的低周波数の交流のいずれかの電圧波形となるようにし、ＤＥＰを利用する場合には、上記駆動信号が比較的高周波数の交流の電圧波形となるようにし、上記１個または複数の液滴を操作する。
【００７４】
また、本発明の他の態様によれば、上記１個または複数のアレイ素子は、上記アレイの異なる部位に配置されており、上記アクティブマトリクス駆動回路は、ＥＷＯＤを利用した上記部位の一部分における上記１個または複数の液滴の中の複数個の液滴の操作と、ＤＥＰを利用した上記部位の他の部分における上記１個または複数の液滴の中の他の液滴の操作とを同時に行うことが可能なように構成されている。
【００７５】
また、本発明の他の態様によれば、上記アレイ素子は、Ｍ×Ｎアレイであり、上記Ｍおよび上記Ｎは、２以上である。
【００７６】
また、本発明の他の態様によれば、上記アクティブマトリクス駆動回路は、任意の時点にて、上記アレイに含まれる各列に対して、ＥＷＯＤまたはＤＥＰによる駆動を個別に選択可能であるように構成されている。
【００７７】
また、本発明の他の態様によれば、上記アクティブマトリクス駆動回路は、上記アレイに含まれる行を選択するように構成されている行駆動回路と、選択された所定の行に含まれる上記アレイ素子に書込電圧を与える第１の列駆動回路と、上記アレイに含まれる各列の、上記上部基板電極および上記駆動電極に上記駆動信号を与え、各列に含まれる上記アレイ素子に与えられる上記書込電圧に基づいて、ＥＷＯＤまたはＤＥＰを利用して、各列に含まれる上記１個または複数の液滴を選択的に操作する第２の列駆動回路とを含んでいる。
【００７８】
また、本発明の他の態様によれば、上記アクティブマトリクス駆動回路は、上記アレイに含まれる複数の列について、ＥＷＯＤのみを利用して上記１個または複数の液滴を操作し、上記アレイに含まれる他の列について、選択的に、ＥＷＯＤまたはＤＥＰを利用して上記１個または複数の液滴を操作する。
【００７９】
また、本発明の他の態様によれば、上記アクティブマトリクス駆動回路は、任意の時点において、上記アレイに含まれる各行に対して、ＥＷＯＤまたはＤＥＰによる駆動を個別に選択可能であるように構成されている。
【００８０】
また、本発明の他の態様によれば、上記駆動信号は、直流信号および比較的低周波数の信号、比較的高周波数の信号、ならびに各信号の論理否定のうちの少なくとも１つである。
【００８１】
また、本発明の他の態様によれば、上記直流信号および当該信号の論理否定は、所定のアレイ素子の、上記上部基板電極および上記駆動電極に選択的に与えられ、直流ＥＷＯＤを利用して上記１個または複数の液滴を操作する。
【００８２】
また、本発明の他の態様によれば、上記比較的低周波数の信号および当該信号の論理否定は、所定のアレイ素子の、上記上部基板電極および上記駆動電極に選択的に与えられ、交流ＥＷＯＤを利用して上記１個または複数の液滴を操作する。
【００８３】
また、本発明の他の態様によれば、上記比較的高周波数の信号および当該信号の論理否定は、所定のアレイ素子の上記上部基板電極および上記駆動電極に選択的に与えられ、ＤＥＰを利用して上記１個または複数の液滴を操作する。
【００８４】
また、本発明の他の態様によれば、上記アレイ素子は、大きなアスペクト比を有している。
【００８５】
また、本発明の他の態様によれば、上記アレイ素子は、共通の上部基板電極を有している。
【００８６】
また、本発明の他の態様に係る方法では、ある時点においてＥＷＯＤによって、かつ別の時点においてＤＥＰによって、上記アレイの所定の部位における上記１個または複数の液滴を操作する工程を含んでいる。
【００８７】
また、本発明の他の態様に係る方法では、ＥＷＯＤを利用した上記アレイの一部分における上記１個または複数の液滴の中の複数個の液滴の操作と、ＤＥＰを利用した上記アレイの他の部分における上記１個または複数の液滴の中の他の液滴の操作とを同時に行なう工程を含んでいる。
【００８８】
また、本発明の他の態様に係る方法では、上記アレイ素子は、Ｍ×Ｎアレイであり、上記Ｍおよび上記Ｎは、２以上であり、上記アクティブマトリクス駆動回路は、任意の時点において、上記アレイに含まれる各列に対して、ＥＷＯＤまたはＤＥＰによる駆動を個別に選択可能であるように構成されている。
【００８９】
また、本発明の他の態様に係る方法では、上記アクティブマトリクス駆動回路は、上記アレイに含まれる行を選択するように構成されている行駆動回路と、選択された所定の行に含まれる上記アレイ素子に書込電圧を与える第１の列駆動回路と、上記アレイに含まれる各列に駆動信号を与え、各列に含まれる上記アレイ素子に与えられる上記書込電圧に基づいて、ＥＷＯＤまたはＤＥＰを利用して、各列に含まれる上記１個または複数の液滴を選択的に操作する第２の列駆動回路とを含んでいる。
【００９０】
また、本発明は、汎用的な形態を含んでいる点において有利である。例えば、本発明に係る再構成可能なＡＭ−ＥＷＯＤ装置は、ＤＥＰ機能をさらに備えることができる。ここで、第２の駆動メカニズムとして、ＤＥＰをさらに備えることにより、液滴に含まれる誘電性の粒子（例えば、細胞、玉）を、液滴の媒体とは分離して操作することができる。これは、サンプル洗浄および集細胞などに応用することができる。
【００９１】
本発明を、特定の１つのまたは複数の実施形態を参照しながら図示するとともに説明したが、当業者は、本明細書および添付の図面を参照することによって、同等の代替例および変形例に想到できるであろう。特に、上述の素子（構成部品、アセンブリ、装置、構造など）によって実行される様々な機能に関して、このような素子を説明するために利用される用語（「手段」への言及を含む）は、他に記載がない限り、開示されている本発明の典型的な１つまたは複数の実施形態における機能を実行する構成と、構造的に同等でなくても、当該特定の機能を実行する任意の素子（すなわち、機能的に同等の素子）に対応することが意図される。さらに、本発明の特定の特徴を、１つまたは複数の実施形態だけを参照して説明してきたが、このような特徴は、他の実施形態の１つまたは複数の他の特徴と、所望のように、および、所定のまたは特定の用途にとって都合がよいように、組み合わせてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００９２】
上記ＡＭ−ＥＷＯＤ装置は、ラボオンチップシステムの一部として利用してもよい。このような装置は、化学、生化学、または生理学における物質の操作、反応および検知に利用することができる。本発明の用途としては、医療診断検査、化学または生化学における物質の合成、プロテオミクス、生命科学および法医科学研究のための器具などを挙げることができる。
【符号の説明】
【００９３】
４ 液滴
６ 接触角θ
１６ 疎水層
２０ 絶縁体層
２６ 疎水層
２８ 上部基板電極
３２ スペーサ
３４ 非イオン液体
３６ 上部基板
３８ 電極
４０ 回路ノード
４２ 電極アレイ
４３ アレイ素子
４４ 粒子
４６ ＤＥＰゾーン
４８ 電極
５０ 電極
５２ 配線
７２ 下部基板
７４ 薄膜電子回路
７６ 行駆動回路
７８ 第１の列駆動回路
８０ シリアルインターフェース
８２ 接続配線
８３ 電圧供給インターフェース
８４ アレイ素子回路
８６ 第２の列駆動回路
１０４ ＳＲＡＭメモリセル
１０６ スイッチ回路
１０８ 出力バッファステージ
１１０ スイッチトランジスタ
１１２ スイッチトランジスタ
２０３ ストレージキャパシタ
２０６ スイッチトランジスタ
２１０ メモリノード
２１２ インバータ
２１４ 第１のアナログスイッチ
２１６ 第２のアナログスイッチ
２２２ メモリ回路
２２４ 反転回路
２２６ 第１のインバータ
２２８ 第２のインバータ
２３０ スイッチトランジスタ
５００ 第２の列駆動回路素子
５０２ ３個のスイッチからなる第１のバンク
５０４ ３個のスイッチからなる第２のバンク
５０６ デジタル出力選択回路
５０８ デジタル制御回路
【特許請求の範囲】
【請求項１】
マイクロ流体装置であって、
アレイ上の１個または複数の液滴を操作するように構成されている複数のアレイ素子と、
アクティブマトリクス駆動回路とを備えており、
各アレイ素子は、
上部基板上に形成されている上部基板電極と、
下部基板上に形成されている駆動電極とを含んでおり、
上記上部基板電極および上記駆動電極の間に上記１個または複数の液滴を配置可能であり、
上記アクティブマトリクス駆動回路は、
上記複数のアイレ素子の、上記上部基板電極および上記駆動電極に駆動信号を与え、上記複数のアレイ素子の間で、上記１個または複数の液滴を操作するように構成されており、
１個または複数の上記アレイ素子について、誘電体エレクトロウェッティング（ＥＷＯＤ：Electro-wetting-on-Dielectric）および誘電泳動（ＤＥＰ：Dielectrophoresis）の両方によって、上記アレイ素子内にある上記１個または複数の液滴を選択的に操作するように、上記上部基板電極および上記駆動電極に上記駆動信号を与えるよう構成されていることを特徴とする装置。
【請求項２】
上記アクティブマトリクス駆動回路は、ある時点においてＥＷＯＤによって、かつ別の時点においてＤＥＰによって、上記アレイの所定の部位における上記１個または複数の液滴を操作可能とするように上記装置を再構成することを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
上記アクティブマトリクス駆動回路は、
上記１個または複数のアレイ素子の、上記上部基板電極および上記駆動電極に上記駆動信号を選択的に与えるように構成されており、
上記１個または複数の液滴に渡る電圧波形について、
ＥＷＯＤを利用する場合には、上記電圧波形が直流または比較的低周波数の交流のいずれかの電圧波形となるようにし、
ＤＥＰを利用する場合には、上記駆動信号が比較的高周波数の交流の電圧波形となるようにし、
上記１個または複数の液滴を操作することを特徴とする請求項１または２に記載の装置。
【請求項４】
上記１個または複数のアレイ素子は、上記アレイの異なる部位に配置されており、
上記アクティブマトリクス駆動回路は、
ＥＷＯＤを利用した上記部位の一部分における上記１個または複数の液滴の中の複数個の液滴の操作と、
ＤＥＰを利用した上記部位の他の部分における上記１個または複数の液滴の中の他の液滴の操作とを同時に行うことが可能なように構成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の装置。
【請求項５】
上記アレイ素子は、Ｍ×Ｎアレイであり、
上記Ｍおよび上記Ｎは、２以上であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の装置。
【請求項６】
上記アクティブマトリクス駆動回路は、任意の時点にて、上記アレイに含まれる各列に対して、ＥＷＯＤまたはＤＥＰによる駆動を個別に選択可能であるように構成されていることを特徴とする請求項５に記載の装置。
【請求項７】
上記アクティブマトリクス駆動回路は、
上記アレイに含まれる行を選択するように構成されている行駆動回路と、
選択された所定の行に含まれる上記アレイ素子に書込電圧を与える第１の列駆動回路と、
上記アレイに含まれる各列の、上記上部基板電極および上記駆動電極に上記駆動信号を与え、各列に含まれる上記アレイ素子に与えられる上記書込電圧に基づいて、ＥＷＯＤまたはＤＥＰを利用して、各列に含まれる上記１個または複数の液滴を選択的に操作する第２の列駆動回路とを含んでいることを特徴とする請求項５または６に記載の装置。
【請求項８】
上記アクティブマトリクス駆動回路は、
上記アレイに含まれる複数の列について、ＥＷＯＤのみを利用して上記１個または複数の液滴を操作し、
上記アレイに含まれる他の列について、選択的に、ＥＷＯＤまたはＤＥＰを利用して上記１個または複数の液滴を操作することを特徴とする請求項５から７のいずれか１項に記載の装置。
【請求項９】
上記アクティブマトリクス駆動回路は、任意の時点において、上記アレイに含まれる各行に対して、ＥＷＯＤまたはＤＥＰによる駆動を個別に選択可能であるように構成されていることを特徴とする請求項５に記載の装置。
【請求項１０】
上記駆動信号は、直流信号および比較的低周波数の信号、比較的高周波数の信号、ならびに各信号の論理否定のうちの少なくとも１つであることを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１１】
上記直流信号および当該信号の論理否定は、所定のアレイ素子の、上記上部基板電極および上記駆動電極に選択的に与えられ、直流ＥＷＯＤを利用して上記１個または複数の液滴を操作することを特徴とする請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
上記比較的低周波数の信号および当該信号の論理否定は、所定のアレイ素子の、上記上部基板電極および上記駆動電極に選択的に与えられ、交流ＥＷＯＤを利用して上記１個または複数の液滴を操作することを特徴とする請求項１０または１１に記載の装置。
【請求項１３】
上記比較的高周波数の信号および当該信号の論理否定は、所定のアレイ素子の上記上部基板電極および上記駆動電極に選択的に与えられ、ＤＥＰを利用して上記１個または複数の液滴を操作することを特徴とする請求項１０から１２のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１４】
上記アレイ素子は、大きなアスペクト比を有していることを特徴とする請求項１から１３のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１５】
上記アレイ素子は、共通の上部基板電極を有していることを特徴とする請求項１から１４のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１６】
アレイ上の１個または複数の液滴を操作するように構成された複数のアレイ素子を含んでいるマイクロ流体装置を駆動する方法であって、
誘電体エレクトロウェッティング（ＥＷＯＤ：Electro-wetting-on-Dielectric）および誘電泳動（ＤＥＰ：Dielectrophoresis）のそれぞれによって、上記１個または複数の液滴を操作するように、アクティブマトリクス駆動回路を利用して、上記１個または複数のアレイ素子に含まれる上記１個または複数の液滴に、直流電圧または比較的低周波数の交流電圧、および比較的高周波数の交流電圧を選択的に与える工程を含んでいることを特徴とする方法。
【請求項１７】
ある時点においてＥＷＯＤによって、かつ別の時点においてＤＥＰによって、上記アレイの所定の部位における上記１個または複数の液滴を操作する工程を含んでいることを特徴とする請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
ＥＷＯＤを利用した上記アレイの一部分における上記１個または複数の液滴の中の複数個の液滴の操作と、ＤＥＰを利用した上記アレイの他の部分における上記１個または複数の液滴の中の他の液滴の操作とを同時に行なう工程を含んでいることを特徴とする請求項１６または１７に記載の方法。
【請求項１９】
上記アレイ素子は、Ｍ×Ｎアレイであり、
上記Ｍおよび上記Ｎは、２以上であり、
上記アクティブマトリクス駆動回路は、任意の時点において、上記アレイに含まれる各列に対して、ＥＷＯＤまたはＤＥＰによる駆動を個別に選択可能であるように構成されていることを特徴とする請求項１６から１８のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２０】
上記アクティブマトリクス駆動回路は、
上記アレイに含まれる行を選択するように構成されている行駆動回路と、
選択された所定の行に含まれる上記アレイ素子に書込電圧を与える第１の列駆動回路と、
上記アレイに含まれる各列に駆動信号を与え、各列に含まれる上記アレイ素子に与えられる上記書込電圧に基づいて、ＥＷＯＤまたはＤＥＰを利用して、各列に含まれる上記１個または複数の液滴を選択的に操作する第２の列駆動回路とを含んでいることを特徴とする請求項１９に記載の方法。
【請求項１】
マイクロ流体装置であって、
アレイ上の１個または複数の液滴を操作するように構成されている複数のアレイ素子と、
アクティブマトリクス駆動回路とを備えており、
各アレイ素子は、
上部基板上に形成されている上部基板電極と、
下部基板上に形成されている駆動電極とを含んでおり、
上記上部基板電極および上記駆動電極の間に上記１個または複数の液滴を配置可能であり、
上記アクティブマトリクス駆動回路は、
上記複数のアイレ素子の、上記上部基板電極および上記駆動電極に駆動信号を与え、上記複数のアレイ素子の間で、上記１個または複数の液滴を操作するように構成されており、
１個または複数の上記アレイ素子について、誘電体エレクトロウェッティング（ＥＷＯＤ：Electro-wetting-on-Dielectric）および誘電泳動（ＤＥＰ：Dielectrophoresis）の両方によって、上記アレイ素子内にある上記１個または複数の液滴を選択的に操作するように、上記上部基板電極および上記駆動電極に上記駆動信号を与えるよう構成されていることを特徴とする装置。
【請求項２】
上記アクティブマトリクス駆動回路は、ある時点においてＥＷＯＤによって、かつ別の時点においてＤＥＰによって、上記アレイの所定の部位における上記１個または複数の液滴を操作可能とするように上記装置を再構成することを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
上記アクティブマトリクス駆動回路は、
上記１個または複数のアレイ素子の、上記上部基板電極および上記駆動電極に上記駆動信号を選択的に与えるように構成されており、
上記１個または複数の液滴に渡る電圧波形について、
ＥＷＯＤを利用する場合には、上記電圧波形が直流または比較的低周波数の交流のいずれかの電圧波形となるようにし、
ＤＥＰを利用する場合には、上記駆動信号が比較的高周波数の交流の電圧波形となるようにし、
上記１個または複数の液滴を操作することを特徴とする請求項１または２に記載の装置。
【請求項４】
上記１個または複数のアレイ素子は、上記アレイの異なる部位に配置されており、
上記アクティブマトリクス駆動回路は、
ＥＷＯＤを利用した上記部位の一部分における上記１個または複数の液滴の中の複数個の液滴の操作と、
ＤＥＰを利用した上記部位の他の部分における上記１個または複数の液滴の中の他の液滴の操作とを同時に行うことが可能なように構成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の装置。
【請求項５】
上記アレイ素子は、Ｍ×Ｎアレイであり、
上記Ｍおよび上記Ｎは、２以上であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の装置。
【請求項６】
上記アクティブマトリクス駆動回路は、任意の時点にて、上記アレイに含まれる各列に対して、ＥＷＯＤまたはＤＥＰによる駆動を個別に選択可能であるように構成されていることを特徴とする請求項５に記載の装置。
【請求項７】
上記アクティブマトリクス駆動回路は、
上記アレイに含まれる行を選択するように構成されている行駆動回路と、
選択された所定の行に含まれる上記アレイ素子に書込電圧を与える第１の列駆動回路と、
上記アレイに含まれる各列の、上記上部基板電極および上記駆動電極に上記駆動信号を与え、各列に含まれる上記アレイ素子に与えられる上記書込電圧に基づいて、ＥＷＯＤまたはＤＥＰを利用して、各列に含まれる上記１個または複数の液滴を選択的に操作する第２の列駆動回路とを含んでいることを特徴とする請求項５または６に記載の装置。
【請求項８】
上記アクティブマトリクス駆動回路は、
上記アレイに含まれる複数の列について、ＥＷＯＤのみを利用して上記１個または複数の液滴を操作し、
上記アレイに含まれる他の列について、選択的に、ＥＷＯＤまたはＤＥＰを利用して上記１個または複数の液滴を操作することを特徴とする請求項５から７のいずれか１項に記載の装置。
【請求項９】
上記アクティブマトリクス駆動回路は、任意の時点において、上記アレイに含まれる各行に対して、ＥＷＯＤまたはＤＥＰによる駆動を個別に選択可能であるように構成されていることを特徴とする請求項５に記載の装置。
【請求項１０】
上記駆動信号は、直流信号および比較的低周波数の信号、比較的高周波数の信号、ならびに各信号の論理否定のうちの少なくとも１つであることを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１１】
上記直流信号および当該信号の論理否定は、所定のアレイ素子の、上記上部基板電極および上記駆動電極に選択的に与えられ、直流ＥＷＯＤを利用して上記１個または複数の液滴を操作することを特徴とする請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
上記比較的低周波数の信号および当該信号の論理否定は、所定のアレイ素子の、上記上部基板電極および上記駆動電極に選択的に与えられ、交流ＥＷＯＤを利用して上記１個または複数の液滴を操作することを特徴とする請求項１０または１１に記載の装置。
【請求項１３】
上記比較的高周波数の信号および当該信号の論理否定は、所定のアレイ素子の上記上部基板電極および上記駆動電極に選択的に与えられ、ＤＥＰを利用して上記１個または複数の液滴を操作することを特徴とする請求項１０から１２のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１４】
上記アレイ素子は、大きなアスペクト比を有していることを特徴とする請求項１から１３のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１５】
上記アレイ素子は、共通の上部基板電極を有していることを特徴とする請求項１から１４のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１６】
アレイ上の１個または複数の液滴を操作するように構成された複数のアレイ素子を含んでいるマイクロ流体装置を駆動する方法であって、
誘電体エレクトロウェッティング（ＥＷＯＤ：Electro-wetting-on-Dielectric）および誘電泳動（ＤＥＰ：Dielectrophoresis）のそれぞれによって、上記１個または複数の液滴を操作するように、アクティブマトリクス駆動回路を利用して、上記１個または複数のアレイ素子に含まれる上記１個または複数の液滴に、直流電圧または比較的低周波数の交流電圧、および比較的高周波数の交流電圧を選択的に与える工程を含んでいることを特徴とする方法。
【請求項１７】
ある時点においてＥＷＯＤによって、かつ別の時点においてＤＥＰによって、上記アレイの所定の部位における上記１個または複数の液滴を操作する工程を含んでいることを特徴とする請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
ＥＷＯＤを利用した上記アレイの一部分における上記１個または複数の液滴の中の複数個の液滴の操作と、ＤＥＰを利用した上記アレイの他の部分における上記１個または複数の液滴の中の他の液滴の操作とを同時に行なう工程を含んでいることを特徴とする請求項１６または１７に記載の方法。
【請求項１９】
上記アレイ素子は、Ｍ×Ｎアレイであり、
上記Ｍおよび上記Ｎは、２以上であり、
上記アクティブマトリクス駆動回路は、任意の時点において、上記アレイに含まれる各列に対して、ＥＷＯＤまたはＤＥＰによる駆動を個別に選択可能であるように構成されていることを特徴とする請求項１６から１８のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２０】
上記アクティブマトリクス駆動回路は、
上記アレイに含まれる行を選択するように構成されている行駆動回路と、
選択された所定の行に含まれる上記アレイ素子に書込電圧を与える第１の列駆動回路と、
上記アレイに含まれる各列に駆動信号を与え、各列に含まれる上記アレイ素子に与えられる上記書込電圧に基づいて、ＥＷＯＤまたはＤＥＰを利用して、各列に含まれる上記１個または複数の液滴を選択的に操作する第２の列駆動回路とを含んでいることを特徴とする請求項１９に記載の方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０Ａ】
【図１０Ｂ】
【図１０Ｃ】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０Ａ】
【図１０Ｂ】
【図１０Ｃ】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２０１３−７８７５８（Ｐ２０１３−７８７５８Ａ）
【公開日】平成２５年５月２日（２０１３．５．２）
【国際特許分類】
【外国語出願】
【出願番号】特願２０１２−１９５５１９（Ｐ２０１２−１９５５１９）
【出願日】平成２４年９月５日（２０１２．９．５）
【出願人】（０００００５０４９）シャープ株式会社 (33,933)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月２日（２０１３．５．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−１９５５１９（Ｐ２０１２−１９５５１９）
【出願日】平成２４年９月５日（２０１２．９．５）
【出願人】（０００００５０４９）シャープ株式会社 (33,933)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]