誘電体上のアクティブマトリクス液滴駆動およびその駆動方法
【課題】アクティブマトリクス上で液滴を駆動する装置及び方法を提供する。
【解決手段】マトリクス上にある１つ以上の液滴４を操作するための、複数の配列素子から構成されるアクティブマトリクス液滴駆動装置であって、各配列素子は対応する配列素子回路を備え、配列素子回路は上面基板電極２８および駆動電極３８Ａ及び３８Ｂを含んでおり、それらの間に液滴が配置され、所定の時間変化電圧波形Ｖ１またはＶ１の逆論理である時間変化電圧波形Ｖ２のいずれか一方を前記駆動電極に選択的に印加することによって配列素子にデータを書き込むように構成され、かつ、前記Ｖ２と所定のオフセット電圧の和で表される時間変化電圧波形を上面基板電極に印加する回路を有する、アクティブマトリクス液滴駆動装置、及びこの装置を用いる液滴駆動方法。
【解決手段】マトリクス上にある１つ以上の液滴４を操作するための、複数の配列素子から構成されるアクティブマトリクス液滴駆動装置であって、各配列素子は対応する配列素子回路を備え、配列素子回路は上面基板電極２８および駆動電極３８Ａ及び３８Ｂを含んでおり、それらの間に液滴が配置され、所定の時間変化電圧波形Ｖ１またはＶ１の逆論理である時間変化電圧波形Ｖ２のいずれか一方を前記駆動電極に選択的に印加することによって配列素子にデータを書き込むように構成され、かつ、前記Ｖ２と所定のオフセット電圧の和で表される時間変化電圧波形を上面基板電極に印加する回路を有する、アクティブマトリクス液滴駆動装置、及びこの装置を用いる液滴駆動方法。
【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の配列および素子に関する。特に、本発明はデジタル微小流体技術（digital microfluidics）に関し、より具体的には誘電体上のアクティブマトリクス液滴駆動（Electrowetting-On-Dielectric；ＡＭ−ＥＷＯＤ）に関する。誘電体上の液滴駆動（ＥＷＯＤ）は、配列の液滴を操作する公知技術である。アクティブマトリクスＥＷＯＤ（ＡＭ−ＥＷＯＤ）とは、例えば薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を使用することで、アクティブマトリクス配列内でＥＷＯＤを実施することを指す。本発明は、さらに、このような装置を駆動する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
誘電体上の液滴駆動（ＥＷＯＤ）は、電場を印加することによって液滴を操作する、よく知られた技術である。そのため、上記技術はラボオンチップ（lab-on-a-chip）技術のためのデジタル微小流体の候補技術である。上記技術の基本原理の序論は、“Digital microfluidics: is a true lab-on-a-chip possible?”, R.B. Fair, Microfluid Nanofluid (2007)3:245-281に載っている。
【０００３】
ＵＳ６５６５７２７（Shenderov, issued May 20, 2003）には、配列を通って液滴を移動させるためのパッシブマトリクスＥＷＯＤ装置が開示されている。
【０００４】
ＵＳ６９１１１３２（Pamula et al, issued June 28, 2005）には、液滴の位置および移動を２次元内で制御する２次元ＥＷＯＤ配列が開示されている。
【０００５】
ＵＳ６５６５７２７には、液滴の分離、結合、および異なる物質で構成された液滴の混合を含む、さらに他の液滴操作方法が開示されている。一般的に、典型的な液滴操作を実行するために必要な電圧は、比較的高い。従来技術（例えば、ＵＳ７３２９５４５(Pamula et al., issued February 12, 2008））では、２０−６０Ｖの範囲の値が示されている。必要とされる値は、原理的に、絶縁体および疎水層を形成するために用いられる技術に基づいている。
【０００６】
ＥＷＯＤの作動メカニズムの注意すべき特徴は、硬い面に対する液滴の接触角が作動電圧の２乗に依存していることである。すなわち、印加した電圧の向きは、第一義的には重要ではない。そのため、ＡＣ駆動方式またはＤＣ駆動方式のどちらの方式でも、ＥＷＯＤを実施することが可能である。図１はＡＣ駆動方式での典型的なタイミングシーケンスを示す。電圧ＶＴは上面基板の電極に印加される。簡単のため、以下では、上記上面基板は接地されているとする。ＥＷ駆動電極が低に設定されている場合、該ＥＷ駆動電極にも電圧ＶＴが印加される。ＥＷＯＤ駆動電極が高に設定されている場合、電圧Ｖ１がＥＷ駆動電極に印加される。Ｖ１は、高いレベルが＋ＶＡであり低いレベルが−ＶＡである振幅２ＶＡの矩形波形である。ＡＣ波形の周波数が、（液滴の伝導度によって決まる）固有の液滴反応周波数よりも低い場合、液滴駆動（electrowetting）電圧ＶＥＷは、Ｖ１からＶＴまでの電圧差（＝ＶＡ）の二乗平均平方根（ｒｍｓ）で与えられる。
【０００７】
ＡＣ駆動方式によるＥＷＯＤの実施にはいくつかの利点がある。その利点には、
・装置の耐用期間における滅損を減少させること
・絶縁体の信頼度を向上させること
・液滴のダイナミクスを改善させること
が含まれる。
【０００８】
これらの理由から、ＥＷＯＤについて仕事をするほとんどのグループでは、典型的には１０ｋＨｚかまたはそれ以上の駆動周波数でＡＣ駆動方式を使用する。
【０００９】
多くの現代の液晶（ＬＣ）ディスプレイでは、薄膜トランジスタが液晶層に掛かる電圧を一定に制御するアクティブマトリクス（ＡＭ）配列が使用される。
【００１０】
ＬＣディスプレイは、一般的に、ＤＣ電場の印加がＬＣ材料に対して有害な効果を持っているため、液晶に掛かる電圧が交番（”反転”）することを必要とする。ほとんどのＬＣ反転方式では、当該ディスプレイに書き込まれた情報を持つ各フレームについてＬＣ印加電圧の向きを反転させるように動作させる。これは、典型的には５０−６０Ｈｚの周波数である。
【００１１】
“Ultra-Low Power System-LCD with Pixel Memory Circuit”, Matsuda et al., Proceedings of IDW '09, AMD1-2には、画素メモリ駆動方式のＬＣＤが記載されている。画素メモリは、ディスプレイに書き込まれたデータが画素内のＳＲＡＭメモリセルによって保持されるという技術に関連する。上記ディスプレイは１ビットである、すなわち、黒または白のみを表示することができ、中間の灰色レベルは表示することができない。このような実施形態の効果は、ディスプレイに書き込まれた電圧の周期的な更新が必要なくなり、その結果、電力消費が減少することである。ＬＣ層に掛かる電圧を反転させるために、画素には追加の反転回路も含まれている。これにより、反転周波数をディスプレイのデータ更新速度よりも高くすることが可能になる。
【００１２】
ＵＳ７１６３６１２（J. Sterling et al.; issued Jan. 16, 2007）には、ＡＭディスプレイ技術で使われる構成によく似た回路構成を用いることにより、ＴＦＴに基づく電子機器（TFT based electronics）を使用してＥＷＯＤ配列に対する電圧パルスのアドレッシングを制御する方法が記載されている。
【００１３】
このようなアプローチは”誘電体上のアクティブマトリクス液滴駆動（ＡＭ−ＥＷＯＤ）”と呼ばれることもある。ＥＷＯＤ配列を制御するためにＴＦＴ電子技術を使用することにはいくつかの効果がある。すなわち、
・ＡＭ−ＥＷＯＤ配列基板上に駆動回路を集積することができる。
・ＴＦＴ電子技術はＡＭ−ＥＷＯＤの応用として大変適している。上記電子技術は安価であるため、比較的大きな基板領域を比較的低いコストで生産することができる。
・標準的な製造方法で製造されたＴＦＴは、標準的なＣＭＯＳ製造方法で製造されたトランジスタよりずっと高い電圧で作動するように設計することができる。このことは、多くのＥＷＯＤ技術が、２０Ｖを超えるＥＷＯＤ作動電圧の印加を必要とするため、重要である。
【００１４】
ＵＳ７１６３６１２（J. Sterling et al.; issued Jan. 16, 2007）の欠点は、ＡＭ−ＥＷＯＤのＴＦＴバックプレーンを実現する回路の実施例が開示されていないことである。また、この特許は、上面基板上に接地面を使用することを指定している。このことは、ＴＦＴによって切替えられる電圧が、液滴駆動電圧に少なくとも等しくなければならないという欠点を持つ。
【００１５】
しかしながら、いくつかの場合では、ＥＷＯＤ作動電圧がＴＦＴの最大電圧の見積りを超える可能性がなお存在する。よく知られている通り、ＴＦＴを高電圧で作動させることで装置が滅損または故障する可能性がある。
【００１６】
高い作動電圧の更なる欠点は、（寄生スイッチ容量の充電および放電によって）スイッチの作動による電力消費も大きくなる可能性があることである。この電力消費は電圧強度の２乗の大きさである。
【００１７】
液滴の微小流体技術を実施するその他の技術として、誘電体泳動（dielectrophoresis）がある。誘電体泳動とは、変化する電場を掛けることによって誘電体に対して力が加わる現象である。“Integrated circuit/microfluidic chip to programmably trap and move cells and droplets with dielectrophoresis”,Thomas P Hunt et al, Lab Chip,2008,8, 81-87には、デジタル微小流体技術のための誘電体泳動配列を駆動する集積回路（ＩＣ）のバックプレーンが記載されている。この文献には、図２に示すように、配列素子に対するＡＣ波形を駆動するための集積回路が記載されている。上記回路は、データを書き込み保存する標準的なＳＲＡＭ記憶セル１０４、スイッチ回路１０６、および出力発振段１０８で構成される。スイッチ１１０および１１２の作動によって、ＡＣ信号
【００１８】
【数１】
【００１９】
（この例では５Ｖ、１ＭＨｚの矩形波）または相補的信号
【００２０】
【数２】
【００２１】
のどちらかが画素に書き込まれる。ＥＷＯＤ配列の場合とは異なり、誘電体泳動システムは上面基板を必要としない。さらに、ＥＷＯＤとは異なり、このような誘電体泳動システムは、比較的低い駆動電圧（典型的には５Ｖ）で作動することができる。この電圧は、ディスプレイに使用されるシリコンＩＣおよびＴＦＴの典型的な作動電圧と互換性がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２２】
本発明は、基本的には、以下の特徴を備えるＡＣ駆動方式を有するＡＭ−ＥＷＯＤである。
・ＥＷ駆動電極に書き込まれたデータは、
１．振幅ＶＢかつ周期ｔ０の時間変化電圧波形Ｖ１、または、
２．Ｖ１の逆論理である時間変化電圧波形Ｖ２
のいずれか一方で構成される。
・上面基板電極は、時間変化電圧波形Ｖ２で駆動される。
【００２３】
作動時に印加される液滴駆動電圧ＶＥＷ＝Ｖ１−Ｖ２は、
１．周期ｔ０で高い方のレベルＶＢ、低い方のレベル−ＶＢの時間変化波形かまたは
２．０Ｖ
のいずれか一方である。
【００２４】
ほとんどの場合には、電圧レベルＶｏｆｆｓｅｔだけオフセットした波形Ｖ２であるところの時間変化波形Ｖ３によって上面基板電極を駆動することも可能である。電圧レベルＶｏｆｆｓｅｔは、ＡＣまたはＤＣの構成要素のどちらか一方または両方を原則的に有している。利点が生まれるのは、Ｖ３の高い方のレベルが電圧ＶＣだけ増加し、低い方のレベルが電圧ＶＣだけ減少する場合である。
【００２５】
この場合、印加された液滴駆動電圧ＶＥＷ＝Ｖ１−Ｖ２は、
１．周期ｔ０で高い方のレベルＶＣ＋ＶＢ、低い方のレベル−（ＶＣ＋ＶＢ）を有する時間変化波形、または
２．ＶＣ
のいずれか一方である。
【課題を解決するための手段】
【００２６】
本発明の一面によれば、配列上にある１つ以上の液滴を操作するために構成された複数の配列素子を含んでおり、上記配列素子の各々は対応する配列素子回路を含んでいる誘電体上のアクティブマトリクス液滴駆動（ＡＭ−ＥＷＯＤ）装置が提供される。上記配列素子回路の各々には、間に１つ以上の液滴が配置され得る上面基板電極および駆動電極、並びに、上記駆動電極に対して、(i)振幅ＶＢかつ周期ｔ０の時間変化電圧波形Ｖ１、または(ii)時間変化電圧波形Ｖ２（Ｖ２はＶ１の逆論理）のどちらか一方を選択的に印加し、かつ上記上面基板電極に対して時間変化電圧波形Ｖ２＋Ｖｏｆｆｓｅｔを印加することによって、対応する配列素子に対してデータを書き込めるように構成された回路が含まれる。ここで、Ｖｏｆｆｓｅｔは、ＡＣおよび／またはＤＣ成分を有していてもよいしまたゼロに等しくてもよいオフセット電圧信号を表す。
【００２７】
本発明の他の一面では、Ｖｏｆｆｓｅｔはゼロに等しい。
【００２８】
他の一面では、Ｖｏｆｆｓｅｔはゼロではない。
【００２９】
さらに他の一面では、Ｖ１およびＶ２は矩形波電圧パルスである。
【００３０】
さらに他の一面では、Ｖｏｆｆｓｅｔは上記矩形波電圧パルスＶ２と同相の矩形波電圧であって、周期ｔ０で最大振幅Ｖｃ、最小振幅−Ｖｃを有している。
【００３１】
さらに他の一面では、上記Ｖｃの値は以下の表記を満たしている。
【００３２】
【数３】
【００３３】
ここで、θｓａｔは上記配列素子内の上記１つ以上の液滴の飽和接触角を表しており、θ０はゼロ電圧における１つ以上の液滴の接触角であり、Ｃは上記配列素子内の絶縁体静電容量であり、またＹＬＧは上記配列素子内の上記１つ以上の液滴と当該液滴を囲っている非イオン液体との界面に関する表面張力である。
【００３４】
他の一面では、上記Ｖ１および上記Ｖ２は、少なくとも正弦曲線形、三角形、または櫛歯形のうちの１つである。
【００３５】
さらに他の一面では、上記複数の配列素子は１つの上面基板電極を共有している。
【００３６】
他の一面では、上記波形Ｖ１は上記複数の配列素子に共通である。
【００３７】
さらに他の一面では、上記波形Ｖ２は上記複数の配列素子に共通である。
【００３８】
さらに他の一面では、上記配列素子回路の各々は、書き込まれたデータの関数として上記波形Ｖ１を選択的に反転させることにより、上記駆動電極に上記波形Ｖ２を印加する反転回路を含んでいる。
【００３９】
他の一面では、上記配列素子回路の各々は、上記配列素子に書き込まれるデータを記憶するためのメモリ機能を含んでいる。
【００４０】
さらに他の一面では、上記メモリ機能はＤＲＡＭ回路を含んでいる。
【００４１】
さらに他の一面では、上記メモリ機能はＳＲＡＭ回路を含んでいる。
【００４２】
他の一面では、上記ＳＲＡＭ回路は複数のアナログスイッチを含んでいる。
【００４３】
他の一面では、上記回路は、ＡＣモード作動とＤＣモード作動との間で交替するように構成されている。ここで、上記ＡＣモード動作の間、上記回路は、(i)振幅ＶＢかつ周期ｔ０の上記波形Ｖ１または(ii)上記波形Ｖ２を上記駆動電極に選択的に印加し、上記上面基板電極に波形Ｖ２＋Ｖｏｆｆｓｅｔを印加することによって、対応する配列素子にデータを書き込むようになっている。また、上記ＤＣモード作動の間、上記回路は上記駆動電極および上記上面基板電極を一定の電位に保つようになっている。
【００４４】
他の一面では、上記ＤＣモード作動中の上記駆動電極および上記上面基板電極における上記一定の電位の極性は反対である。
【００４５】
さらに他の一面では、上記ＤＣモード作動のフレーム間で上記一定の電位の極性が交替する。
【００４６】
さらに他の一面では、配列上の１つ以上の液滴を操作するように構成された複数の配列素子を含んでおり、上記配列素子の各々は、間に１つ以上の液滴が配置され得る上面基板電極および駆動電極を含んでいる誘電体上のアクティブマトリクス液滴駆動（ＡＭ−ＥＷＯＤ）装置を駆動する方法が提供される。本方法は、(i)振幅ＶＢかつ周期ｔ０の時間変化電圧波形Ｖ１、もしくは(ii)時間変化電圧波形Ｖ２（Ｖ２はＶ１の逆論理）を上記駆動電極に選択的に印加すること、および、Ｖｏｆｆｓｅｔがオフセット電圧信号を表し、ＡＣおよび／またはＤＣ成分を有していてもよくまたゼロに等しくてもよいとしたとき、上記上面基板電極に時間変化電圧波形Ｖ２＋Ｖｏｆｆｓｅｔを印加することを含む。
【００４７】
他の一面では、上記Ｖｏｆｆｓｅｔはゼロに等しい。
【００４８】
さらに他の一面では、上記Ｖｏｆｆｓｅｔはゼロではない。
【００４９】
他の一面では、上記Ｖ１および上記Ｖ２は矩形波電圧パルスである。
【００５０】
他の一面では、上記Ｖｏｆｆｓｅｔは、上記矩形波電圧パルスＶ２と同相の矩形波電圧であって、周期ｔ０で最大振幅Ｖｃかつ最小振幅−Ｖｃを有している。
【００５１】
さらに他の一面では、上記Ｖｃの値は以下の関係を満たしている。
【００５２】
【数４】
【００５３】
ここで、θｓａｔは上記配列素子内の１つ以上の液滴の飽和接触角を表し、θ０は電圧ゼロにおける１つ以上の液滴の接触角であり、Ｃは上記配列素子内の絶縁体静電容量であり、ＹＬＧは上記配列素子内の上記１つ以上の液滴と該液滴を囲う非イオン液体との界面に関する表面張力である。
【００５４】
他の一面では、Ｖ１およびＶ２は少なくとも正弦曲線形、三角形または櫛歯形のうちいずれかの形状であってもよい。
【００５５】
さらに他の一面では、上記方法は、ＡＣモード作動とＤＣモード作動とを交替するステップを含んでいる。このステップでは、ＡＣモード作動の間、(i)振幅ＶＢかつ周期ｔ０の上記波形Ｖ１、もしくは(ii)上記波形Ｖ２を上記駆動電極に選択的に印加し、上記上面基板電極に上記波形Ｖ２＋Ｖｏｆｆｓｅｔを印加することによって、また、ＤＣモード作動の間、上記配列素子回路は上記駆動電極および上記上面基板電極を一定の電圧に保つことによって、対応する配列素子にデータを書き込む。
【００５６】
さらに他の一面では、ＤＣモード作動中の上記駆動電極と上記上面基板電極とにおける一定の電位の極性は反対である。
【００５７】
さらに他の一面では、上記一定の電位の極性はＤＣモード作動フレーム間で交替してもよい。
【発明の効果】
【００５８】
本発明の効果は以下の通りである。
【００５９】
・制御トランジスタ（例えばＴＦＴ）によって切替えられるために必要な最大電圧は、印加された液滴駆動電圧に等しい。液滴駆動電圧の値は、多くの場合、通常の製造法および設計規則に従って製造されたＴＦＴの最大作動電圧を超える可能性があるため、このことは重要である。そのため、所定の最大ＴＦＴ電圧において、印加可能なＥＷ駆動電圧は、ＤＣ駆動方式の標準ＡＭ−ＥＷＯＤのＥＷ駆動電圧と比べ２倍大きい。
【００６０】
・液滴全体に印加されたＡＣ波形の周波数は比較的高く、また、一般的にＡＭ−ＥＷＯＤのフレーム書き込み周波数よりもかなり高くすることができる。そのためＡＭ−ＥＷＯＤは、従来技術においてすでに議論した高周波数ＡＣ駆動の効果から利益を得ることができる。すなわち、上記利益とは、
○絶縁体の信頼性向上
○作動中の滅損の減少
○液滴のダイナミクスの改善
である。
【００６１】
・ＴＦＴ素子によって切替えられる電圧をＥＷ駆動電圧まで減少させることによって、上面基板の電圧が一定電位に保たれるＡＣ駆動方式と比較したときに、装置の動的な電力消費も減少させることができる。
【００６２】
前述の目的および関連する目的を達成するために、本発明は、以下で詳細に説明する特徴および請求項に具体的に示された特徴を含む。以下の記載および添付の図面により、本発明のいくつかの実例となる実施形態を詳細に説明する。これらの実施形態は本発明の原理が用いられるいくつかの方法を示すが、しかしこれらの実施形態が示すのはその方法の一部である。本発明のその他の目的、効果および新規な特徴は、以下の、本発明の詳細な説明を図面と組み合わせて考慮することで明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
添付図面では、同様の部材番号は同様の部材または特徴を指す。
【図１】従来技術を示しており、ＥＷＯＤ装置のＡＣ駆動方式を示す。
【図２】従来技術を示しており、誘電体泳動によって液滴を制御するためのバックプレーンの配列素子回路を示す。
【図３】本発明の一実施形態におけるＡＭ−ＥＷＯＤ装置の概略斜視図を示す。
【図４】上記装置の幾つかの配列素子を通る断面図を示す。
【図５】上記装置における薄膜電子機器の構成を示す。
【図６】第１の実施形態における配列素子回路を示す。
【図７】本発明の第１の実施形態における電圧波形を示す。
【図８】本発明の第２の実施形態における配列素子回路を示す。
【図９】本発明の第３の実施形態における配列素子回路を示す。
【図１０】本発明の第４の実施形態における電圧波形を示す。
【図１１】本発明の第５の実施形態における電圧波形を示す。
【図１２】本発明の第５の実施形態における電圧波形を示し、また集積センサが作動および非作動である時間を示す。
【００６４】
＜符号の説明＞
４ 液滴
６ 接触角θ
１６ 疎水面
２０ 絶縁層
２６ 疎水層
２８ 電極
３２ スペーサ
３４ 非イオン性液体
３６ 上面基板
３８ 電極
４２ 電極配列
７２ 基板
７４ 薄膜電子機器
７６ 行駆動回路
７８ 列駆動回路
８０ シリアルインターフェイス
８２ 接続ワイヤ
８４ 配列要素回路
１０４ ＳＲＡＭ記憶セル
１０６ スイッチ回路
１０８ 出力緩衝段
１１０ スイッチトランジスタ
１１２ スイッチトランジスタ
２０３ 容量性記憶装置
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アナログスイッチ
２１６ 第２アナログスイッチ
２２６ 第１インバータ
２２８ 第２インバータ
２３０ スイッチトランジスタ
２４０ アナログスイッチ
２４２ アナログスイッチ
【発明を実施するための形態】
【００６５】
図３を参照して、本発明の一実施形態に係るＡＭ−ＥＷＯＤ装置を示す。上記ＡＭ−ＥＷＯＤ装置は、底部基板７２を有しており、底部基板７２の上には薄膜電子機器７４が配置されている。薄膜電子機器７４は配列素子電極（例えば３８）を駆動するように構成されている。複数の配列素子電極３８は電極配列４２内に並べられており、Ｍ×Ｎの素子（ＭおよびＮは任意の数）を有する。１つのＥＷＯＤ液滴４が基板７２と上面基板３６との間に閉じ込められている。ただし、本発明の範囲から外れることなく、複数の液滴４が配置されていてもよいことが理解されるであろう。
【００６６】
図４は１組の配列素子の断面を示す。上記装置は底部基板７２を含み、該底部基板７２はその上に薄膜電子機器７４を有する。底部基板７２の一番上の層（これは薄膜電子機器層７４の一部であるとみなしてもよい）には、複数の電極３８（例えば、図４では３８Ａおよび３８Ｂ）が形成されるように、パターンが形成されている。これらはＥＷ駆動素子と呼ぶこともできる。上記ＥＷ駆動素子という用語は、以下では、特定の配列素子に関連した電極３８、および、この電極３８と直接的に接続した電子回路のノードの両者を指すことがある。イオン性物質で構成される液滴４は底部基板７２と上面基板３６との間の面内に束縛されている。上記２つの基板の間には、スペーサ３２によって適切な間隙が形成されていてもよい。また、液滴４によって占有されない容積を、非イオン性液体３４（例えばオイル）で満たしてもよい。底部基板７２の上に配置された絶縁層２０によって、液滴４がθで表される接触角６で載っている疎水面１６から伝導性電極３８Ａ、３８Ｂを分離している。上面基板３６の上には、他の疎水層２６が存在する。該他の疎水層２６に、液滴４が接触してもよい。上面基板３６と疎水層２６との間には、上面基板電極２８が挿入されている。薄膜電子機器７４の適切な構成および作動により、別の電圧、いわゆるＥＷ駆動電圧（例えばＶＴ、Ｖ０およびＶ００）が、別の電極（例えば、それぞれ駆動素子電極２８、３８Ａおよび３８Ｂ）に印加されてもよい。こうすることで、疎水面１６の疎水性の高さを制御することができ、その結果、２つの基板７２と３６との間の横方向の面における液滴移動が容易になる。
【００６７】
底部基板７２上の薄膜電子機器７４の構成を図５に示す。電極配列４２の各素子は、対応する電極３８の電極電圧を制御するための配列素子回路８４を含む。薄膜電子機器には集積された行駆動回路７６および列駆動回路７８も備えられており、配列素子回路８４に制御信号を供給するようになっている。シリアル入力データストリームを処理し、かつ、必要とされる電圧を電極配列４２に書き込むためのシリアルインターフェイス８０も備えていてもよい。電圧供給インターフェイス８３は、ここで述べるように、対応する供給電圧、上面基板駆動電圧などを供給する。配列基板７２と外部駆動電子機器（電源など）との間にある接続ワイヤ８２の数は、配列が大きなサイズであっても比較的少なくすることができる。
【００６８】
第１の実施形態における配列素子回路８４を図６に示す。上記ＡＭ−ＥＷＯＤ装置の残りの構成は前述の標準的構成であり、電極２８を有する上面基板３６を含む。
【００６９】
各配列素子回路８４は、液滴４に液滴駆動電圧ＶＥＷを印加できるように構成されており、また、以下の構成要素を含む。
・以下を含んだメモリ機能２２２
○（列駆動回路７８から伸びる）列書込ラインＣＯＬ（同じ列内の配列素子において共通であってもよい）
○（行駆動回路７６から伸びる）行選択ラインＲＯＷ（同じ行内の配列素子において共通であってもよい）
○容量性記憶装置２０３
○ＤＣ供給電圧Ｖｒｅｆ
○スイッチトランジスタ２０６。
・以下を含んだ反転回路２２４
○第１アナログスイッチ２１４
○第２アナログスイッチ２１６
○供給電圧Ｖ１（配列内の全ての素子について共通であってもよい）
○第２供給電圧Ｖ２（配列内の全ての素子について共通であってもよい）
○インバータ２１２。
【００７０】
配列素子回路８４は以下のように接続されている。
【００７１】
上記列書込ラインＣＯＬはスイッチトランジスタ２０６のソースと接続されている。上記行選択ラインＲＯＷはスイッチトランジスタ２０６のゲートと接続されている。容量性記憶装置２０３は上記ＤＣ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。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アナログスイッチ２１４におけるｎ型トランジスタのゲート、および第２アナログスイッチ２１６におけるｐ型トランジスタのゲートと接続されている。インバータ２１２の出力は、第１アナログスイッチ２１４におけるｐ型トランジスタのゲートおよび第２アナログスイッチ２１６におけるｎ型トランジスタのゲートと接続されている。上記供給電圧Ｖ１は第１アナログスイッチ２１４の入力と接続されている。上記供給電圧Ｖ２は第２アナログスイッチ２１６の入力と接続されている。第１アナログスイッチ２１４の出力および第２アナログスイッチ２１６はそれぞれ、上記ＥＷ駆動電極を形成する伝導性電極３８と接続されている。
【００７２】
配列素子回路８４の動作について以下に説明する。
【００７３】
配列素子回路８４は前述した２つの機能ブロックとして、メモリ機能２２２および反転回路２２４を含む。メモリ機能２２２は標準的なＤＲＡＭ回路である。上記列書込ラインＣＯＬに必要な電圧を充電し、その後上記行選択ラインＲＯＷに高レベル電圧パルスを印加することによって、論理“０”または論理“１”のどちらかの状態に対応するデジタル電圧ＶＷＲＩＴＥを、上記メモリに書き込んでもよい。これにより、スイッチトランジスタ２０６がオンになり、その後上記書き込み電圧がメモリノード２１０に書き込まれ、さらに容量性記憶装置２０３に蓄えられる。スイッチトランジスタ２０６は漏電するため、上記メモリに対しては、周期的に再書き込みを行うことで、メモリノード２１０における電圧を更新しなければならない。
【００７４】
メモリ機能２２２に論理“１”状態が書き込まれる場合、反転回路２２４は第１アナログスイッチ２１４がオンであり、かつ第２アナログスイッチ２１６がオフである構成になる。その結果、上記ＥＷ駆動電極を形成する伝導性電極３８に供給電圧Ｖ１が印加される。メモリ機能２２２に論理“０”状態が書き込まれる場合、反転回路２２４は第１アナログスイッチ２１４がオフであり、かつ第２アナログスイッチ２１６がオンである構成になる。この場合、上記ＥＷ駆動電極を形成する伝導性電極３８に供給電圧Ｖ２が印加される。上記供給電圧Ｖ２は、上面基板の電極２８にも印加される。その結果、液滴４において保持される液滴駆動電圧ＶＥＷは、
・０（上記メモリに論理“０”が書き込まれた場合）または
・Ｖ１−Ｖ２（上記メモリに論理“１”が書き込まれた場合）
のどちらか一方である。
【００７５】
図７は、本実施形態における供給電圧Ｖ１および供給電圧Ｖ２の波形の時間依存性を示す。Ｖ１は振幅ＶＢかつ周期ｔ０の矩形波であり、供給電圧Ｖ２はＶ１の逆論理である。
【００７６】
従って、論理“１”が上記メモリに書き込まれる場合、液滴駆動電圧ＶＥＷ（すなわちＶ１−Ｖ２）はｒｍｓ振幅ＶＢの矩形波である。
【００７７】
これまでに述べた本実施形態の効果としては、
・アナログスイッチ２１４および２１６を構成するＴＦＴによって切替えられる最大電圧は上記液滴駆動電圧に等しい。これにより、上記ＴＦＴに掛かる所定の最大電圧について、上面基板電極２８が一定の電位に保たれていたＡＣ作動の場合よりも、液滴駆動電圧を高くすることが容易になる。
・関連するさまざまな効果を備えた、上記ＡＭ−ＥＷＯＤの高周波ＡＣモード作動が可能である。
【００７８】
上記関連するさまざまな効果には、下記が含まれる。
【００７９】
○ＡＣ駆動方式により、絶縁体の信頼性向上が容易になる。ＤＣ電場における作動では、液滴４内のイオンが、欠陥位置にある絶縁層誘電体を通って移動しがちであり、装置にピンホールを生じる。その結果、装置の故障が起こりうる。高いＡＣ周波数では、移動するイオンがＤＣ電場よりむしろ振動を受けるため、装置がこのような故障に侵され難い。
【００８０】
○ＤＣ駆動方式で作動するＥＷＯＤ装置では、作動のライフタイムにおいて、液滴の動きがだんだんと緩慢になってゆくという、性能品質の悪化現象に悩まされると言われている。この効果はまだ完全には理解されていないが、絶縁層および／または疎水層の分極によるのではないかと言われている。ＡＣ駆動方式で作動すると、上記絶縁層および上記疎水層がＤＣ電場を受けていないため、この効果を避けることができる。
【００８１】
○ＡＣ駆動方式により、輸送、混合などの操作に対する液滴のダイナミクスを改善することが容易になるかもしれない。ただし、その理由については完全には理解されていない。
・ＴＦＴの電圧が減少する結果、動的電力消費が減少する。
【００８２】
本実施形態のさらなる効果は、
・ＡＣモード作動を実施するための回路は７つの作動要素（ＴＦＴ）のみを必要とする。そのため、レイアウトフットプリントを小さくし、高歩留まり／生産性を促進することができる。
・上記ＡＣ駆動信号Ｖ１およびＶ２は配列中の全ての素子と接続されている。そのため、低い出力インピーダンスを有する適切なＩＣバッファ回路によって、Ｖ１およびＶ２をチップ外から直接的に駆動することができる。これにより、高周波数でのＡＣ作動が容易になるかもしれない。
【００８３】
本実施形態に対し多くの小さな修正を行うことが可能であることは、当業者にとって明らかであろう。例えば、上記上面基板の電極２８に対して電圧Ｖ２のかわりに電圧Ｖ１を印加することが可能である。この場合、回路の動作は、前述したような動作にとても近いものになるであろう。ただし、論理“１”を上記メモリ機能に書き込むことで液滴に０Ｖを印加すること、および論理“０”を上記メモリに書き込むことで液滴に矩形波波形を印加することを除く。同様に、回路内におけるＶ１とＶ２との接続を入れ換えることもできる。
【００８４】
本発明は、ここではまず、実施形態の文脈において、供給電圧Ｖ１およびＶ２は矩形波であり、また、矩形波電圧パルスＶ１およびＶ２としても説明されていることが理解されよう。しかし、本発明は、正弦波形、三角波形、および櫛歯形波形などのような、他の形状の時間変化波形を使用することも含む。広い意味では、本発明は特定の形状の波形に限定することを意図していない。
【００８５】
例えば、前述の実施形態は非矩形波電圧パルスＶ１およびＶ２を用いて実行できることは、当業者にとって明らかであろう。例えば、前述の実施形態は、
Ｖ１＝ＶＢｓｉｎ(ｗｔ)
Ｖ２＝−ＶＢｓｉｎ(ｗｔ)
などの正弦波電圧を用いて実施することができる。
この場合、液滴駆動電圧ＶＥＷ（すなわちＶ１−Ｖ２）は
ＶＥＷ＝［ＶＢｓｉｎ(ｗｔ)］２
によって与えられ、時間平均液滴駆動電圧はＶＢ２／√２である。
【００８６】
第２の実施形態に係るＡＭ−ＥＷＯＤ装置は、配列素子回路８４が異なる他は、実施形態１と同様である。本実施形態の配列素子回路８４を図８に示す。本実施形態では、メモリ機能２２２はＳＲＡＭセルで構成される。
【００８７】
本実施形態の配列素子回路８４は、以下の構成要素を含む。
・下記を含むメモリ機能２２２
○（列駆動用回路７８から伸びる）列書込ラインＣＯＬ（同じ列の配列素子に共通であってもよい）
○（行駆動用回路７６から伸びる）行選択ラインＲＯＬ（同じ行の配列素子に共通であってもよい）
○ｎ型スイッチトランジスタ２０６
○ｐ型スイッチトランジスタ２３０
○第１インバータ２２６
○第２インバータ２２８
・下記を含む反転回路２２４
○第１アナログスイッチ２１４
○第２アナログスイッチ２１６
○電圧供給Ｖ１（配列内の全ての素子に共通であってもよい）
○第２の電圧Ｖ２（配列内の全ての素子に共通であってもよい）
上記配列素子回路は以下のように接続される。
【００８８】
上記列書込ラインＣＯＬはスイッチトランジスタ２０６のソースと接続される。上記行選択ライン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のゲートと接続される。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インバータ２２６の入力と接続される。第１インバータ２２６の出力は、第２インバータ２２８の入力、第１アナログスイッチ２１４におけるｐ型トランジスタのゲート、および第２アナログスイッチ２１６におけるｎ型トランジスタのゲートと接続される。第２インバータ２２８の出力は、第１アナログスイッチ２１４におけるｎ型トランジスタのゲート、第２アナログスイッチ２１６における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のソースと接続される。電圧供給Ｖ１は第１アナログスイッチ２１４の入力と接続される。電圧Ｖ２は第２アナログスイッチ２１６の入力と接続される。第１アナログスイッチ２１４および第２アナログスイッチ２１６の出力は、それぞれ、上記ＥＷ駆動電極を形成する伝導性電極３８と接続される。
【００８９】
本実施形態の動作は、第１の実施形態と類似のものである。上記メモリ機能は、上記行選択ラインＲＯＷに高電圧パルスを印加することによって書き込みがなされ、スイッチトランジスタ２０６および２３０をオンにする。そして、上記列書込ラインＣＯＬ上の電圧はメモリノード２１０に書き込まれる。反転回路２２４の動作については、第１の実施形態で説明した通りであるが、反転したメモリノード信号を、ＳＲＡＭセルの２つのインバータ２２６と２２８との間にあるノードと接続することによって取得できることを除く。
【００９０】
本実施形態の効果は、ＳＲＡＭのメモリ機能２２２が断続的な更新を必要としないことである。これにより、ＤＲＡＭメモリ機能で可能なよりも低い電力消費で、装置を作動させることが容易になるかもしれない。配列素子回路８４は最小限の数の能動要素（１０個のＴＦＴ）で実行されるので、その結果、レイアウトフットプリントを最小化し、かつ生産性を最大化することができる。
【００９１】
第３の実施形態を図９に示す。本実施形態は、スイッチトランジスタ２０６および２３０がアナログスイッチ２４０および２４２に置換されていることを除き、図８の第２の実施形態と同様である。上記ＲＯＷ接続部は、アナログスイッチ２４０におけるｎ型トランジスタのゲート、およびアナログスイッチ２４２におけるｐ型トランジスタのゲートと接続されている。追加の接続部ＲＯＷＢは、同じ行内の各配列素子に共通で供給される。これはＲＯＷの反転信号によって駆動され、また行駆動回路７６によっても提供される。アナログスイッチ２４２におけるｎ型トランジスタのゲートおよびアナログスイッチ２４０におけるｐ型トランジスタのゲートは、ＲＯＷＢと接続される。
【００９２】
本実施形態の動作は、第２の実施形態で説明したのと同様である。本実施形態は、１つのＳＲＡＭスイッチトランジスタ２０６，２３０をアナログスイッチ２４０，２４２に置き換えることによって、ＳＲＡＭセルにおける閾値電圧の降下による問題が避けられるという追加の効果を有する。
【００９３】
本発明の第４の実施形態に係るＡＭ−ＥＷＯＤ装置は、上面基板３６の電極２８に印加されるＡＣ電圧信号の振幅の増加という駆動方法の修正を除いて、前述の各実施形態のＡＭ−ＥＷＯＤ装置と同じである。
【００９４】
具体的には、底部基板７２上の薄膜電子機器７４に形成された配列素子回路８４は、前述の実施形態で述べた通り、供給電圧Ｖ１または供給電圧Ｖ２を切替えて、それらの一方をＥＷ駆動電極３８に供給するように構成されている。図１０を参照すると、
・供給電圧Ｖ１は、振幅ＶＢかつｔ０の周期矩形波電圧パルスで構成される。以下では、説明の簡便さのため、Ｖ１を、ローレベル０ＶかつハイレベルＶＢと定めることがある。
・供給電圧Ｖ２は、Ｖ１の逆論理すなわち振幅ＶＢかつ周期ｔ０の矩形波電圧パルスで構成される。Ｖ２のローレベルは０Ｖ、ハイレベルはＶＢであり、またＶ２はＶ１に対して逆相である。
供給電圧Ｖ３は、上面基板３６の電極２８に対して以下のように印加される。
・供給電圧Ｖ３はＶ２＋Ｖｏｆｆｓｅｔで表される矩形波電圧パルスで構成される。前述の各実施形態では、Ｖｏｆｆｓｅｔはゼロであった。本実施形態では、Ｖｏｆｆｓｅｔはゼロでなく、Ｖ２と同相の矩形波電圧であり、また周期ｔ０で最大振幅Ｖｃかつ最小振幅−Ｖｃを有する。その結果、供給電圧Ｖ３は振幅ＶＢ＋２ＶＣかつ周期ｔ０を有する。Ｖ３のローレベルは−ＶＣであり、またハイレベルはＶＢ＋ＶＣである。
【００９５】
図１０は、波形Ｖ１、Ｖ２およびＶ３の時間依存性および振幅を示す。
【００９６】
本実施形態の効果は、上面基板３６の電極２８に印加する上記信号Ｖ３（＝Ｖ２＋Ｖｏｆｆｓｅｔ）の振幅を増大させることによって、ＴＦＴによって切替えられるところの、前述の実施形態と同じ電圧（ＶＢ）を有する一方、液滴４の作動状態と非作動状態との間のエネルギー差を最大化させることができる。印加された液滴駆動電圧ＶＥＷを受ける液滴４の接触角θの依存性は、Ｌｉｐｐｍａｎｎ−Ｙｏｕｎｇの式によって表される。
【００９７】
【数５】
【００９８】
ここでθ０はゼロボルトにおける接触角、Ｃは絶縁体静電容量であり、またＹＬＧは液滴４とそれを囲う非イオン液体３４との界面に関する表面張力である。
【００９９】
作動に関する表面エネルギーはｃｏｓ（θ）にほぼ比例する。そのため、配列素子に書き込まれる“１”と“０”との状態間のエネルギー差を最大化することが望ましい。
【０１００】
ＡＭ−ＥＷＯＤ駆動電極３８に“０”が書き込まれている場合、ＥＷＯＤ駆動電極３８と上面基板２６の電極である上面基板の電極２８との間の電圧差の大きさは、ＶＢ＋ＶＣ（この電圧の正負は波形の半周期で変化するが、その振幅は一定に保たれている）に等しい。従って、接触角は、
【０１０１】
【数６】
【０１０２】
で与えられる。
【０１０３】
ＡＭ−ＥＷＯＤ駆動の電極３８に“１”が書き込まれている場合、ＥＷＯＤ駆動電極３８と上面基板の電極２８との間の電圧差の大きさは、ＶＣ（前述のように、この電圧の正負は波形の半周期で変化するが、その振幅は一定に保たれている）に等しい。従って、接触角は、
【０１０４】
【数７】
【０１０５】
で与えられる。
【０１０６】
“１”が書き込まれている場合と“０”が書き込まれている場合との間のｃｏｓ（θ）の差異は、式（３）から式（２）を減算することによって計算することができる。
【０１０７】
【数８】
【０１０８】
式（４）から、ＶＣを増加することでエネルギー差（ほぼΔ（ｃｏｓ（θ））を増加させることができることが分かる。そのため、本実施形態の駆動方法によれば、電極３８に印加する電圧信号Ｖ３の振幅を大きくすることによって、“１”状態と“０”状態との間の表面エネルギー差をより増加させることができる。上記エネルギー差を増加させることには、所定のＴＦＴ電圧における液滴のダイナミクスを改善できるという効果がある。
【０１０９】
式（４）は、ＶＣをできるかぎり大きくすることが有益であることを意味する。実際には、接触角θが最小値で飽和するため、ある値においてはこのことは当たらない。この飽和接触角は液滴４の構造および接触面の性質の関数である。従って、ＶＣには最適値が存在しており、その値は、“１”状態が書き込まれているときに上記接触角の達する飽和値θｓａｔにほぼ対応する。ＶＣの最適値は以下の式から計算することができる。
【０１１０】
【数９】
【０１１１】
第４の実施形態で述べた駆動方法を第１から第３の実施形態のいずれにも適用できることは明らかであろう。
【０１１２】
本発明の第５の実施形態は、供給電圧Ｖ１およびＶ２の時間変化方式が図１１に示すように使用されるところの、前述のすべての実施形態と同様である。
【０１１３】
本実施形態の動作によれば、本装置はＡＣ作動が“バーストモード”中にあるように構成されている。例えば、
・作動時間のある部分ではＡＣ駆動方式が用いられる。これは、図１１に“ＡＣ駆動”と図示した期間で表すような、また、前述のような、Ｖ１およびＶ２に印加された矩形波信号に対応する。
・作動時間のある部分ではＤＣ駆動方式が用いられる。これは、図１１に“ＤＣ駆動”として示した期間で示すように、および前述のように、一定の電圧に保たれたＶ１およびＶ２に対応する。なお、同じ全体的な効果を達成しつつ、Ｖ１およびＶ２を図に示したのとは反対の極性（すなわち、Ｖ１を高くＶ２を低く）に維持することも可能である。
【０１１４】
本実施形態の効果は、ＤＣ駆動で作動する一部の時間を、同時に、薄膜電子機器７４に集積された他の電子回路の作動のために使用してもよいことである。他の集積された電子回路の例として、インピーダンス感知回路および温度感知回路を含んでいてもよい。上記他の回路が作動中の期間においては、液滴駆動機能のＤＣ作動が必要であるかまたは望ましい。例えば、ＡＣ作動が行われている期間中にインピーダンス感知回路も作動中であった場合、上面基板３６の電極２８に印加されたＡＣ電圧信号Ｖ２は、上記感知回路の作動と干渉することにより望まない効果を受けるかもしれない。図１２に示すように、ＡＭ−ＥＷＯＤ装置を“バースト”モードのＡＣ作動で作動することによって、集積された感知回路の作動期間中にはＤＣ駆動方式が使用され、集積された感知回路の非作動期間中にはＡＣ駆動方式が使用されるようにタイミングを構成してもよい。
【０１１５】
図１２の構成は、ＤＣモード作動が使用される期間中のＶ１およびＶ２の極性は、ＤＣ作動における偶数フレームと奇数フレームとの間で交替して使用されることを示している。奇数フレームについては、Ｖ１は低く、かつＶ２は高い。また、偶数フレームについては、Ｖ１は高く、かつＶ２は低い。このモードの作動は、適切な長い期間について平均したとき、Ｖ１およびＶ２電圧信号の時間平均は同一であるという、特有の効果を有する。その結果、この長い期間については、正味、上記液滴に掛かり続けるＤＣ電圧成分が存在しない。これにより、前述のように、信頼性の向上、滅損の減少などの効果を奏する。
【０１１６】
本実施形態のさらなる効果は、ＤＣモード作動がＡＣモード作動と比較してより電力を消費しないことである。バーストモードで作動することにより、作動時間全体においてＡＣ駆動方式が用いられた場合よりも電力消費を少なくしつつ、ＡＣモード作動の効果を（多かれ少なかれ）達成することができるかもしれない。
【０１１７】
本実施形態の延長として、供給電圧Ｖ１およびＶ２を、異なる時刻において異なる周波数の波形によって駆動してもよいことは明らかであろう。さらに、Ｖ１およびＶ２を、必ずしも５０％ではないデューティ周期を有する波形により駆動することができることは明らかであろう。
【０１１８】
本実施形態のさらなる延長として、供給電圧Ｖ１およびＶ２を、例えば三角波形、正弦波形などの非矩形波で駆動してもよいことは明らかであろう。
【０１１９】
ＡＭ−ＥＷＯＤ装置は、従来技術において示されたように、完全なラボオンチップシステムの一部を形成してもよいことも明らかであろう。そのようなシステムでは、ＡＭ−ＥＷＯＤ装置内で感知および／または操作される液滴は、血液、唾液、尿などの化学的または生物学的な液体であってもよい。また、全体的な構成としては、化学的または生物学的な検査を実行するように、あるいは化学的または生物学的な合成物を合成するように構成されてもよい。
【０１２０】
ある１つまたは複数の実施例に関して、本発明を示し、また説明してきたが、当業者は、この具体例および添付図面を読み理解することで、同義の変形または修正に想到するかもしれない。とくに、前述の素子（成分、集合物、装置、および構成物など）によって実行されるさまざまな機能について、このような素子を説明するために使用される用語（“手段”についても含む）は、指摘がない限り、本発明の実施形態例中に開示されたその機能を実行する構造と構造的に等しくない素子であろうとも、前述の素子の特定の機能を実行するいかなる素子（すなわち機能的に等価な素子）にも対応する。さらに、ただ１つまたはそれ以上のいくつかの実施形態に関して、本発明の具体的な特徴をこれまで説明してきたが、このような特徴は、任意のまたは具体的な応用のために望ましくかつ効果を奏するように、他の実施形態における他の特徴の１つまたは複数と組み合わせてもよい。
【産業上の利用可能性】
【０１２１】
上記ＡＭ−ＥＷＯＤ装置は、ラボオンチップシステムの一部を形成してもよい。 このような装置は、化学的、生物学的または生理学的な物質の操作、反応、および感知において使用してもよい。応用としては、健康診断検査、化学的または生物学的な物質合成、プロテオミクス、および、生命科学と犯罪科学のための研究用具が含まれる。
【技術分野】
【０００１】
本発明はアクティブマトリクスの配列および素子に関する。特に、本発明はデジタル微小流体技術（digital microfluidics）に関し、より具体的には誘電体上のアクティブマトリクス液滴駆動（Electrowetting-On-Dielectric；ＡＭ−ＥＷＯＤ）に関する。誘電体上の液滴駆動（ＥＷＯＤ）は、配列の液滴を操作する公知技術である。アクティブマトリクスＥＷＯＤ（ＡＭ−ＥＷＯＤ）とは、例えば薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を使用することで、アクティブマトリクス配列内でＥＷＯＤを実施することを指す。本発明は、さらに、このような装置を駆動する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
誘電体上の液滴駆動（ＥＷＯＤ）は、電場を印加することによって液滴を操作する、よく知られた技術である。そのため、上記技術はラボオンチップ（lab-on-a-chip）技術のためのデジタル微小流体の候補技術である。上記技術の基本原理の序論は、“Digital microfluidics: is a true lab-on-a-chip possible?”, R.B. Fair, Microfluid Nanofluid (2007)3:245-281に載っている。
【０００３】
ＵＳ６５６５７２７（Shenderov, issued May 20, 2003）には、配列を通って液滴を移動させるためのパッシブマトリクスＥＷＯＤ装置が開示されている。
【０００４】
ＵＳ６９１１１３２（Pamula et al, issued June 28, 2005）には、液滴の位置および移動を２次元内で制御する２次元ＥＷＯＤ配列が開示されている。
【０００５】
ＵＳ６５６５７２７には、液滴の分離、結合、および異なる物質で構成された液滴の混合を含む、さらに他の液滴操作方法が開示されている。一般的に、典型的な液滴操作を実行するために必要な電圧は、比較的高い。従来技術（例えば、ＵＳ７３２９５４５(Pamula et al., issued February 12, 2008））では、２０−６０Ｖの範囲の値が示されている。必要とされる値は、原理的に、絶縁体および疎水層を形成するために用いられる技術に基づいている。
【０００６】
ＥＷＯＤの作動メカニズムの注意すべき特徴は、硬い面に対する液滴の接触角が作動電圧の２乗に依存していることである。すなわち、印加した電圧の向きは、第一義的には重要ではない。そのため、ＡＣ駆動方式またはＤＣ駆動方式のどちらの方式でも、ＥＷＯＤを実施することが可能である。図１はＡＣ駆動方式での典型的なタイミングシーケンスを示す。電圧ＶＴは上面基板の電極に印加される。簡単のため、以下では、上記上面基板は接地されているとする。ＥＷ駆動電極が低に設定されている場合、該ＥＷ駆動電極にも電圧ＶＴが印加される。ＥＷＯＤ駆動電極が高に設定されている場合、電圧Ｖ１がＥＷ駆動電極に印加される。Ｖ１は、高いレベルが＋ＶＡであり低いレベルが−ＶＡである振幅２ＶＡの矩形波形である。ＡＣ波形の周波数が、（液滴の伝導度によって決まる）固有の液滴反応周波数よりも低い場合、液滴駆動（electrowetting）電圧ＶＥＷは、Ｖ１からＶＴまでの電圧差（＝ＶＡ）の二乗平均平方根（ｒｍｓ）で与えられる。
【０００７】
ＡＣ駆動方式によるＥＷＯＤの実施にはいくつかの利点がある。その利点には、
・装置の耐用期間における滅損を減少させること
・絶縁体の信頼度を向上させること
・液滴のダイナミクスを改善させること
が含まれる。
【０００８】
これらの理由から、ＥＷＯＤについて仕事をするほとんどのグループでは、典型的には１０ｋＨｚかまたはそれ以上の駆動周波数でＡＣ駆動方式を使用する。
【０００９】
多くの現代の液晶（ＬＣ）ディスプレイでは、薄膜トランジスタが液晶層に掛かる電圧を一定に制御するアクティブマトリクス（ＡＭ）配列が使用される。
【００１０】
ＬＣディスプレイは、一般的に、ＤＣ電場の印加がＬＣ材料に対して有害な効果を持っているため、液晶に掛かる電圧が交番（”反転”）することを必要とする。ほとんどのＬＣ反転方式では、当該ディスプレイに書き込まれた情報を持つ各フレームについてＬＣ印加電圧の向きを反転させるように動作させる。これは、典型的には５０−６０Ｈｚの周波数である。
【００１１】
“Ultra-Low Power System-LCD with Pixel Memory Circuit”, Matsuda et al., Proceedings of IDW '09, AMD1-2には、画素メモリ駆動方式のＬＣＤが記載されている。画素メモリは、ディスプレイに書き込まれたデータが画素内のＳＲＡＭメモリセルによって保持されるという技術に関連する。上記ディスプレイは１ビットである、すなわち、黒または白のみを表示することができ、中間の灰色レベルは表示することができない。このような実施形態の効果は、ディスプレイに書き込まれた電圧の周期的な更新が必要なくなり、その結果、電力消費が減少することである。ＬＣ層に掛かる電圧を反転させるために、画素には追加の反転回路も含まれている。これにより、反転周波数をディスプレイのデータ更新速度よりも高くすることが可能になる。
【００１２】
ＵＳ７１６３６１２（J. Sterling et al.; issued Jan. 16, 2007）には、ＡＭディスプレイ技術で使われる構成によく似た回路構成を用いることにより、ＴＦＴに基づく電子機器（TFT based electronics）を使用してＥＷＯＤ配列に対する電圧パルスのアドレッシングを制御する方法が記載されている。
【００１３】
このようなアプローチは”誘電体上のアクティブマトリクス液滴駆動（ＡＭ−ＥＷＯＤ）”と呼ばれることもある。ＥＷＯＤ配列を制御するためにＴＦＴ電子技術を使用することにはいくつかの効果がある。すなわち、
・ＡＭ−ＥＷＯＤ配列基板上に駆動回路を集積することができる。
・ＴＦＴ電子技術はＡＭ−ＥＷＯＤの応用として大変適している。上記電子技術は安価であるため、比較的大きな基板領域を比較的低いコストで生産することができる。
・標準的な製造方法で製造されたＴＦＴは、標準的なＣＭＯＳ製造方法で製造されたトランジスタよりずっと高い電圧で作動するように設計することができる。このことは、多くのＥＷＯＤ技術が、２０Ｖを超えるＥＷＯＤ作動電圧の印加を必要とするため、重要である。
【００１４】
ＵＳ７１６３６１２（J. Sterling et al.; issued Jan. 16, 2007）の欠点は、ＡＭ−ＥＷＯＤのＴＦＴバックプレーンを実現する回路の実施例が開示されていないことである。また、この特許は、上面基板上に接地面を使用することを指定している。このことは、ＴＦＴによって切替えられる電圧が、液滴駆動電圧に少なくとも等しくなければならないという欠点を持つ。
【００１５】
しかしながら、いくつかの場合では、ＥＷＯＤ作動電圧がＴＦＴの最大電圧の見積りを超える可能性がなお存在する。よく知られている通り、ＴＦＴを高電圧で作動させることで装置が滅損または故障する可能性がある。
【００１６】
高い作動電圧の更なる欠点は、（寄生スイッチ容量の充電および放電によって）スイッチの作動による電力消費も大きくなる可能性があることである。この電力消費は電圧強度の２乗の大きさである。
【００１７】
液滴の微小流体技術を実施するその他の技術として、誘電体泳動（dielectrophoresis）がある。誘電体泳動とは、変化する電場を掛けることによって誘電体に対して力が加わる現象である。“Integrated circuit/microfluidic chip to programmably trap and move cells and droplets with dielectrophoresis”,Thomas P Hunt et al, Lab Chip,2008,8, 81-87には、デジタル微小流体技術のための誘電体泳動配列を駆動する集積回路（ＩＣ）のバックプレーンが記載されている。この文献には、図２に示すように、配列素子に対するＡＣ波形を駆動するための集積回路が記載されている。上記回路は、データを書き込み保存する標準的なＳＲＡＭ記憶セル１０４、スイッチ回路１０６、および出力発振段１０８で構成される。スイッチ１１０および１１２の作動によって、ＡＣ信号
【００１８】
【数１】
【００１９】
（この例では５Ｖ、１ＭＨｚの矩形波）または相補的信号
【００２０】
【数２】
【００２１】
のどちらかが画素に書き込まれる。ＥＷＯＤ配列の場合とは異なり、誘電体泳動システムは上面基板を必要としない。さらに、ＥＷＯＤとは異なり、このような誘電体泳動システムは、比較的低い駆動電圧（典型的には５Ｖ）で作動することができる。この電圧は、ディスプレイに使用されるシリコンＩＣおよびＴＦＴの典型的な作動電圧と互換性がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２２】
本発明は、基本的には、以下の特徴を備えるＡＣ駆動方式を有するＡＭ−ＥＷＯＤである。
・ＥＷ駆動電極に書き込まれたデータは、
１．振幅ＶＢかつ周期ｔ０の時間変化電圧波形Ｖ１、または、
２．Ｖ１の逆論理である時間変化電圧波形Ｖ２
のいずれか一方で構成される。
・上面基板電極は、時間変化電圧波形Ｖ２で駆動される。
【００２３】
作動時に印加される液滴駆動電圧ＶＥＷ＝Ｖ１−Ｖ２は、
１．周期ｔ０で高い方のレベルＶＢ、低い方のレベル−ＶＢの時間変化波形かまたは
２．０Ｖ
のいずれか一方である。
【００２４】
ほとんどの場合には、電圧レベルＶｏｆｆｓｅｔだけオフセットした波形Ｖ２であるところの時間変化波形Ｖ３によって上面基板電極を駆動することも可能である。電圧レベルＶｏｆｆｓｅｔは、ＡＣまたはＤＣの構成要素のどちらか一方または両方を原則的に有している。利点が生まれるのは、Ｖ３の高い方のレベルが電圧ＶＣだけ増加し、低い方のレベルが電圧ＶＣだけ減少する場合である。
【００２５】
この場合、印加された液滴駆動電圧ＶＥＷ＝Ｖ１−Ｖ２は、
１．周期ｔ０で高い方のレベルＶＣ＋ＶＢ、低い方のレベル−（ＶＣ＋ＶＢ）を有する時間変化波形、または
２．ＶＣ
のいずれか一方である。
【課題を解決するための手段】
【００２６】
本発明の一面によれば、配列上にある１つ以上の液滴を操作するために構成された複数の配列素子を含んでおり、上記配列素子の各々は対応する配列素子回路を含んでいる誘電体上のアクティブマトリクス液滴駆動（ＡＭ−ＥＷＯＤ）装置が提供される。上記配列素子回路の各々には、間に１つ以上の液滴が配置され得る上面基板電極および駆動電極、並びに、上記駆動電極に対して、(i)振幅ＶＢかつ周期ｔ０の時間変化電圧波形Ｖ１、または(ii)時間変化電圧波形Ｖ２（Ｖ２はＶ１の逆論理）のどちらか一方を選択的に印加し、かつ上記上面基板電極に対して時間変化電圧波形Ｖ２＋Ｖｏｆｆｓｅｔを印加することによって、対応する配列素子に対してデータを書き込めるように構成された回路が含まれる。ここで、Ｖｏｆｆｓｅｔは、ＡＣおよび／またはＤＣ成分を有していてもよいしまたゼロに等しくてもよいオフセット電圧信号を表す。
【００２７】
本発明の他の一面では、Ｖｏｆｆｓｅｔはゼロに等しい。
【００２８】
他の一面では、Ｖｏｆｆｓｅｔはゼロではない。
【００２９】
さらに他の一面では、Ｖ１およびＶ２は矩形波電圧パルスである。
【００３０】
さらに他の一面では、Ｖｏｆｆｓｅｔは上記矩形波電圧パルスＶ２と同相の矩形波電圧であって、周期ｔ０で最大振幅Ｖｃ、最小振幅−Ｖｃを有している。
【００３１】
さらに他の一面では、上記Ｖｃの値は以下の表記を満たしている。
【００３２】
【数３】
【００３３】
ここで、θｓａｔは上記配列素子内の上記１つ以上の液滴の飽和接触角を表しており、θ０はゼロ電圧における１つ以上の液滴の接触角であり、Ｃは上記配列素子内の絶縁体静電容量であり、またＹＬＧは上記配列素子内の上記１つ以上の液滴と当該液滴を囲っている非イオン液体との界面に関する表面張力である。
【００３４】
他の一面では、上記Ｖ１および上記Ｖ２は、少なくとも正弦曲線形、三角形、または櫛歯形のうちの１つである。
【００３５】
さらに他の一面では、上記複数の配列素子は１つの上面基板電極を共有している。
【００３６】
他の一面では、上記波形Ｖ１は上記複数の配列素子に共通である。
【００３７】
さらに他の一面では、上記波形Ｖ２は上記複数の配列素子に共通である。
【００３８】
さらに他の一面では、上記配列素子回路の各々は、書き込まれたデータの関数として上記波形Ｖ１を選択的に反転させることにより、上記駆動電極に上記波形Ｖ２を印加する反転回路を含んでいる。
【００３９】
他の一面では、上記配列素子回路の各々は、上記配列素子に書き込まれるデータを記憶するためのメモリ機能を含んでいる。
【００４０】
さらに他の一面では、上記メモリ機能はＤＲＡＭ回路を含んでいる。
【００４１】
さらに他の一面では、上記メモリ機能はＳＲＡＭ回路を含んでいる。
【００４２】
他の一面では、上記ＳＲＡＭ回路は複数のアナログスイッチを含んでいる。
【００４３】
他の一面では、上記回路は、ＡＣモード作動とＤＣモード作動との間で交替するように構成されている。ここで、上記ＡＣモード動作の間、上記回路は、(i)振幅ＶＢかつ周期ｔ０の上記波形Ｖ１または(ii)上記波形Ｖ２を上記駆動電極に選択的に印加し、上記上面基板電極に波形Ｖ２＋Ｖｏｆｆｓｅｔを印加することによって、対応する配列素子にデータを書き込むようになっている。また、上記ＤＣモード作動の間、上記回路は上記駆動電極および上記上面基板電極を一定の電位に保つようになっている。
【００４４】
他の一面では、上記ＤＣモード作動中の上記駆動電極および上記上面基板電極における上記一定の電位の極性は反対である。
【００４５】
さらに他の一面では、上記ＤＣモード作動のフレーム間で上記一定の電位の極性が交替する。
【００４６】
さらに他の一面では、配列上の１つ以上の液滴を操作するように構成された複数の配列素子を含んでおり、上記配列素子の各々は、間に１つ以上の液滴が配置され得る上面基板電極および駆動電極を含んでいる誘電体上のアクティブマトリクス液滴駆動（ＡＭ−ＥＷＯＤ）装置を駆動する方法が提供される。本方法は、(i)振幅ＶＢかつ周期ｔ０の時間変化電圧波形Ｖ１、もしくは(ii)時間変化電圧波形Ｖ２（Ｖ２はＶ１の逆論理）を上記駆動電極に選択的に印加すること、および、Ｖｏｆｆｓｅｔがオフセット電圧信号を表し、ＡＣおよび／またはＤＣ成分を有していてもよくまたゼロに等しくてもよいとしたとき、上記上面基板電極に時間変化電圧波形Ｖ２＋Ｖｏｆｆｓｅｔを印加することを含む。
【００４７】
他の一面では、上記Ｖｏｆｆｓｅｔはゼロに等しい。
【００４８】
さらに他の一面では、上記Ｖｏｆｆｓｅｔはゼロではない。
【００４９】
他の一面では、上記Ｖ１および上記Ｖ２は矩形波電圧パルスである。
【００５０】
他の一面では、上記Ｖｏｆｆｓｅｔは、上記矩形波電圧パルスＶ２と同相の矩形波電圧であって、周期ｔ０で最大振幅Ｖｃかつ最小振幅−Ｖｃを有している。
【００５１】
さらに他の一面では、上記Ｖｃの値は以下の関係を満たしている。
【００５２】
【数４】
【００５３】
ここで、θｓａｔは上記配列素子内の１つ以上の液滴の飽和接触角を表し、θ０は電圧ゼロにおける１つ以上の液滴の接触角であり、Ｃは上記配列素子内の絶縁体静電容量であり、ＹＬＧは上記配列素子内の上記１つ以上の液滴と該液滴を囲う非イオン液体との界面に関する表面張力である。
【００５４】
他の一面では、Ｖ１およびＶ２は少なくとも正弦曲線形、三角形または櫛歯形のうちいずれかの形状であってもよい。
【００５５】
さらに他の一面では、上記方法は、ＡＣモード作動とＤＣモード作動とを交替するステップを含んでいる。このステップでは、ＡＣモード作動の間、(i)振幅ＶＢかつ周期ｔ０の上記波形Ｖ１、もしくは(ii)上記波形Ｖ２を上記駆動電極に選択的に印加し、上記上面基板電極に上記波形Ｖ２＋Ｖｏｆｆｓｅｔを印加することによって、また、ＤＣモード作動の間、上記配列素子回路は上記駆動電極および上記上面基板電極を一定の電圧に保つことによって、対応する配列素子にデータを書き込む。
【００５６】
さらに他の一面では、ＤＣモード作動中の上記駆動電極と上記上面基板電極とにおける一定の電位の極性は反対である。
【００５７】
さらに他の一面では、上記一定の電位の極性はＤＣモード作動フレーム間で交替してもよい。
【発明の効果】
【００５８】
本発明の効果は以下の通りである。
【００５９】
・制御トランジスタ（例えばＴＦＴ）によって切替えられるために必要な最大電圧は、印加された液滴駆動電圧に等しい。液滴駆動電圧の値は、多くの場合、通常の製造法および設計規則に従って製造されたＴＦＴの最大作動電圧を超える可能性があるため、このことは重要である。そのため、所定の最大ＴＦＴ電圧において、印加可能なＥＷ駆動電圧は、ＤＣ駆動方式の標準ＡＭ−ＥＷＯＤのＥＷ駆動電圧と比べ２倍大きい。
【００６０】
・液滴全体に印加されたＡＣ波形の周波数は比較的高く、また、一般的にＡＭ−ＥＷＯＤのフレーム書き込み周波数よりもかなり高くすることができる。そのためＡＭ−ＥＷＯＤは、従来技術においてすでに議論した高周波数ＡＣ駆動の効果から利益を得ることができる。すなわち、上記利益とは、
○絶縁体の信頼性向上
○作動中の滅損の減少
○液滴のダイナミクスの改善
である。
【００６１】
・ＴＦＴ素子によって切替えられる電圧をＥＷ駆動電圧まで減少させることによって、上面基板の電圧が一定電位に保たれるＡＣ駆動方式と比較したときに、装置の動的な電力消費も減少させることができる。
【００６２】
前述の目的および関連する目的を達成するために、本発明は、以下で詳細に説明する特徴および請求項に具体的に示された特徴を含む。以下の記載および添付の図面により、本発明のいくつかの実例となる実施形態を詳細に説明する。これらの実施形態は本発明の原理が用いられるいくつかの方法を示すが、しかしこれらの実施形態が示すのはその方法の一部である。本発明のその他の目的、効果および新規な特徴は、以下の、本発明の詳細な説明を図面と組み合わせて考慮することで明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
添付図面では、同様の部材番号は同様の部材または特徴を指す。
【図１】従来技術を示しており、ＥＷＯＤ装置のＡＣ駆動方式を示す。
【図２】従来技術を示しており、誘電体泳動によって液滴を制御するためのバックプレーンの配列素子回路を示す。
【図３】本発明の一実施形態におけるＡＭ−ＥＷＯＤ装置の概略斜視図を示す。
【図４】上記装置の幾つかの配列素子を通る断面図を示す。
【図５】上記装置における薄膜電子機器の構成を示す。
【図６】第１の実施形態における配列素子回路を示す。
【図７】本発明の第１の実施形態における電圧波形を示す。
【図８】本発明の第２の実施形態における配列素子回路を示す。
【図９】本発明の第３の実施形態における配列素子回路を示す。
【図１０】本発明の第４の実施形態における電圧波形を示す。
【図１１】本発明の第５の実施形態における電圧波形を示す。
【図１２】本発明の第５の実施形態における電圧波形を示し、また集積センサが作動および非作動である時間を示す。
【００６４】
＜符号の説明＞
４ 液滴
６ 接触角θ
１６ 疎水面
２０ 絶縁層
２６ 疎水層
２８ 電極
３２ スペーサ
３４ 非イオン性液体
３６ 上面基板
３８ 電極
４２ 電極配列
７２ 基板
７４ 薄膜電子機器
７６ 行駆動回路
７８ 列駆動回路
８０ シリアルインターフェイス
８２ 接続ワイヤ
８４ 配列要素回路
１０４ ＳＲＡＭ記憶セル
１０６ スイッチ回路
１０８ 出力緩衝段
１１０ スイッチトランジスタ
１１２ スイッチトランジスタ
２０３ 容量性記憶装置
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アナログスイッチ
２１６ 第２アナログスイッチ
２２６ 第１インバータ
２２８ 第２インバータ
２３０ スイッチトランジスタ
２４０ アナログスイッチ
２４２ アナログスイッチ
【発明を実施するための形態】
【００６５】
図３を参照して、本発明の一実施形態に係るＡＭ−ＥＷＯＤ装置を示す。上記ＡＭ−ＥＷＯＤ装置は、底部基板７２を有しており、底部基板７２の上には薄膜電子機器７４が配置されている。薄膜電子機器７４は配列素子電極（例えば３８）を駆動するように構成されている。複数の配列素子電極３８は電極配列４２内に並べられており、Ｍ×Ｎの素子（ＭおよびＮは任意の数）を有する。１つのＥＷＯＤ液滴４が基板７２と上面基板３６との間に閉じ込められている。ただし、本発明の範囲から外れることなく、複数の液滴４が配置されていてもよいことが理解されるであろう。
【００６６】
図４は１組の配列素子の断面を示す。上記装置は底部基板７２を含み、該底部基板７２はその上に薄膜電子機器７４を有する。底部基板７２の一番上の層（これは薄膜電子機器層７４の一部であるとみなしてもよい）には、複数の電極３８（例えば、図４では３８Ａおよび３８Ｂ）が形成されるように、パターンが形成されている。これらはＥＷ駆動素子と呼ぶこともできる。上記ＥＷ駆動素子という用語は、以下では、特定の配列素子に関連した電極３８、および、この電極３８と直接的に接続した電子回路のノードの両者を指すことがある。イオン性物質で構成される液滴４は底部基板７２と上面基板３６との間の面内に束縛されている。上記２つの基板の間には、スペーサ３２によって適切な間隙が形成されていてもよい。また、液滴４によって占有されない容積を、非イオン性液体３４（例えばオイル）で満たしてもよい。底部基板７２の上に配置された絶縁層２０によって、液滴４がθで表される接触角６で載っている疎水面１６から伝導性電極３８Ａ、３８Ｂを分離している。上面基板３６の上には、他の疎水層２６が存在する。該他の疎水層２６に、液滴４が接触してもよい。上面基板３６と疎水層２６との間には、上面基板電極２８が挿入されている。薄膜電子機器７４の適切な構成および作動により、別の電圧、いわゆるＥＷ駆動電圧（例えばＶＴ、Ｖ０およびＶ００）が、別の電極（例えば、それぞれ駆動素子電極２８、３８Ａおよび３８Ｂ）に印加されてもよい。こうすることで、疎水面１６の疎水性の高さを制御することができ、その結果、２つの基板７２と３６との間の横方向の面における液滴移動が容易になる。
【００６７】
底部基板７２上の薄膜電子機器７４の構成を図５に示す。電極配列４２の各素子は、対応する電極３８の電極電圧を制御するための配列素子回路８４を含む。薄膜電子機器には集積された行駆動回路７６および列駆動回路７８も備えられており、配列素子回路８４に制御信号を供給するようになっている。シリアル入力データストリームを処理し、かつ、必要とされる電圧を電極配列４２に書き込むためのシリアルインターフェイス８０も備えていてもよい。電圧供給インターフェイス８３は、ここで述べるように、対応する供給電圧、上面基板駆動電圧などを供給する。配列基板７２と外部駆動電子機器（電源など）との間にある接続ワイヤ８２の数は、配列が大きなサイズであっても比較的少なくすることができる。
【００６８】
第１の実施形態における配列素子回路８４を図６に示す。上記ＡＭ−ＥＷＯＤ装置の残りの構成は前述の標準的構成であり、電極２８を有する上面基板３６を含む。
【００６９】
各配列素子回路８４は、液滴４に液滴駆動電圧ＶＥＷを印加できるように構成されており、また、以下の構成要素を含む。
・以下を含んだメモリ機能２２２
○（列駆動回路７８から伸びる）列書込ラインＣＯＬ（同じ列内の配列素子において共通であってもよい）
○（行駆動回路７６から伸びる）行選択ラインＲＯＷ（同じ行内の配列素子において共通であってもよい）
○容量性記憶装置２０３
○ＤＣ供給電圧Ｖｒｅｆ
○スイッチトランジスタ２０６。
・以下を含んだ反転回路２２４
○第１アナログスイッチ２１４
○第２アナログスイッチ２１６
○供給電圧Ｖ１（配列内の全ての素子について共通であってもよい）
○第２供給電圧Ｖ２（配列内の全ての素子について共通であってもよい）
○インバータ２１２。
【００７０】
配列素子回路８４は以下のように接続されている。
【００７１】
上記列書込ラインＣＯＬはスイッチトランジスタ２０６のソースと接続されている。上記行選択ラインＲＯＷはスイッチトランジスタ２０６のゲートと接続されている。容量性記憶装置２０３は上記ＤＣ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。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アナログスイッチ２１４におけるｎ型トランジスタのゲート、および第２アナログスイッチ２１６におけるｐ型トランジスタのゲートと接続されている。インバータ２１２の出力は、第１アナログスイッチ２１４におけるｐ型トランジスタのゲートおよび第２アナログスイッチ２１６におけるｎ型トランジスタのゲートと接続されている。上記供給電圧Ｖ１は第１アナログスイッチ２１４の入力と接続されている。上記供給電圧Ｖ２は第２アナログスイッチ２１６の入力と接続されている。第１アナログスイッチ２１４の出力および第２アナログスイッチ２１６はそれぞれ、上記ＥＷ駆動電極を形成する伝導性電極３８と接続されている。
【００７２】
配列素子回路８４の動作について以下に説明する。
【００７３】
配列素子回路８４は前述した２つの機能ブロックとして、メモリ機能２２２および反転回路２２４を含む。メモリ機能２２２は標準的なＤＲＡＭ回路である。上記列書込ラインＣＯＬに必要な電圧を充電し、その後上記行選択ラインＲＯＷに高レベル電圧パルスを印加することによって、論理“０”または論理“１”のどちらかの状態に対応するデジタル電圧ＶＷＲＩＴＥを、上記メモリに書き込んでもよい。これにより、スイッチトランジスタ２０６がオンになり、その後上記書き込み電圧がメモリノード２１０に書き込まれ、さらに容量性記憶装置２０３に蓄えられる。スイッチトランジスタ２０６は漏電するため、上記メモリに対しては、周期的に再書き込みを行うことで、メモリノード２１０における電圧を更新しなければならない。
【００７４】
メモリ機能２２２に論理“１”状態が書き込まれる場合、反転回路２２４は第１アナログスイッチ２１４がオンであり、かつ第２アナログスイッチ２１６がオフである構成になる。その結果、上記ＥＷ駆動電極を形成する伝導性電極３８に供給電圧Ｖ１が印加される。メモリ機能２２２に論理“０”状態が書き込まれる場合、反転回路２２４は第１アナログスイッチ２１４がオフであり、かつ第２アナログスイッチ２１６がオンである構成になる。この場合、上記ＥＷ駆動電極を形成する伝導性電極３８に供給電圧Ｖ２が印加される。上記供給電圧Ｖ２は、上面基板の電極２８にも印加される。その結果、液滴４において保持される液滴駆動電圧ＶＥＷは、
・０（上記メモリに論理“０”が書き込まれた場合）または
・Ｖ１−Ｖ２（上記メモリに論理“１”が書き込まれた場合）
のどちらか一方である。
【００７５】
図７は、本実施形態における供給電圧Ｖ１および供給電圧Ｖ２の波形の時間依存性を示す。Ｖ１は振幅ＶＢかつ周期ｔ０の矩形波であり、供給電圧Ｖ２はＶ１の逆論理である。
【００７６】
従って、論理“１”が上記メモリに書き込まれる場合、液滴駆動電圧ＶＥＷ（すなわちＶ１−Ｖ２）はｒｍｓ振幅ＶＢの矩形波である。
【００７７】
これまでに述べた本実施形態の効果としては、
・アナログスイッチ２１４および２１６を構成するＴＦＴによって切替えられる最大電圧は上記液滴駆動電圧に等しい。これにより、上記ＴＦＴに掛かる所定の最大電圧について、上面基板電極２８が一定の電位に保たれていたＡＣ作動の場合よりも、液滴駆動電圧を高くすることが容易になる。
・関連するさまざまな効果を備えた、上記ＡＭ−ＥＷＯＤの高周波ＡＣモード作動が可能である。
【００７８】
上記関連するさまざまな効果には、下記が含まれる。
【００７９】
○ＡＣ駆動方式により、絶縁体の信頼性向上が容易になる。ＤＣ電場における作動では、液滴４内のイオンが、欠陥位置にある絶縁層誘電体を通って移動しがちであり、装置にピンホールを生じる。その結果、装置の故障が起こりうる。高いＡＣ周波数では、移動するイオンがＤＣ電場よりむしろ振動を受けるため、装置がこのような故障に侵され難い。
【００８０】
○ＤＣ駆動方式で作動するＥＷＯＤ装置では、作動のライフタイムにおいて、液滴の動きがだんだんと緩慢になってゆくという、性能品質の悪化現象に悩まされると言われている。この効果はまだ完全には理解されていないが、絶縁層および／または疎水層の分極によるのではないかと言われている。ＡＣ駆動方式で作動すると、上記絶縁層および上記疎水層がＤＣ電場を受けていないため、この効果を避けることができる。
【００８１】
○ＡＣ駆動方式により、輸送、混合などの操作に対する液滴のダイナミクスを改善することが容易になるかもしれない。ただし、その理由については完全には理解されていない。
・ＴＦＴの電圧が減少する結果、動的電力消費が減少する。
【００８２】
本実施形態のさらなる効果は、
・ＡＣモード作動を実施するための回路は７つの作動要素（ＴＦＴ）のみを必要とする。そのため、レイアウトフットプリントを小さくし、高歩留まり／生産性を促進することができる。
・上記ＡＣ駆動信号Ｖ１およびＶ２は配列中の全ての素子と接続されている。そのため、低い出力インピーダンスを有する適切なＩＣバッファ回路によって、Ｖ１およびＶ２をチップ外から直接的に駆動することができる。これにより、高周波数でのＡＣ作動が容易になるかもしれない。
【００８３】
本実施形態に対し多くの小さな修正を行うことが可能であることは、当業者にとって明らかであろう。例えば、上記上面基板の電極２８に対して電圧Ｖ２のかわりに電圧Ｖ１を印加することが可能である。この場合、回路の動作は、前述したような動作にとても近いものになるであろう。ただし、論理“１”を上記メモリ機能に書き込むことで液滴に０Ｖを印加すること、および論理“０”を上記メモリに書き込むことで液滴に矩形波波形を印加することを除く。同様に、回路内におけるＶ１とＶ２との接続を入れ換えることもできる。
【００８４】
本発明は、ここではまず、実施形態の文脈において、供給電圧Ｖ１およびＶ２は矩形波であり、また、矩形波電圧パルスＶ１およびＶ２としても説明されていることが理解されよう。しかし、本発明は、正弦波形、三角波形、および櫛歯形波形などのような、他の形状の時間変化波形を使用することも含む。広い意味では、本発明は特定の形状の波形に限定することを意図していない。
【００８５】
例えば、前述の実施形態は非矩形波電圧パルスＶ１およびＶ２を用いて実行できることは、当業者にとって明らかであろう。例えば、前述の実施形態は、
Ｖ１＝ＶＢｓｉｎ(ｗｔ)
Ｖ２＝−ＶＢｓｉｎ(ｗｔ)
などの正弦波電圧を用いて実施することができる。
この場合、液滴駆動電圧ＶＥＷ（すなわちＶ１−Ｖ２）は
ＶＥＷ＝［ＶＢｓｉｎ(ｗｔ)］２
によって与えられ、時間平均液滴駆動電圧はＶＢ２／√２である。
【００８６】
第２の実施形態に係るＡＭ−ＥＷＯＤ装置は、配列素子回路８４が異なる他は、実施形態１と同様である。本実施形態の配列素子回路８４を図８に示す。本実施形態では、メモリ機能２２２はＳＲＡＭセルで構成される。
【００８７】
本実施形態の配列素子回路８４は、以下の構成要素を含む。
・下記を含むメモリ機能２２２
○（列駆動用回路７８から伸びる）列書込ラインＣＯＬ（同じ列の配列素子に共通であってもよい）
○（行駆動用回路７６から伸びる）行選択ラインＲＯＬ（同じ行の配列素子に共通であってもよい）
○ｎ型スイッチトランジスタ２０６
○ｐ型スイッチトランジスタ２３０
○第１インバータ２２６
○第２インバータ２２８
・下記を含む反転回路２２４
○第１アナログスイッチ２１４
○第２アナログスイッチ２１６
○電圧供給Ｖ１（配列内の全ての素子に共通であってもよい）
○第２の電圧Ｖ２（配列内の全ての素子に共通であってもよい）
上記配列素子回路は以下のように接続される。
【００８８】
上記列書込ラインＣＯＬはスイッチトランジスタ２０６のソースと接続される。上記行選択ライン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のゲートと接続される。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インバータ２２６の入力と接続される。第１インバータ２２６の出力は、第２インバータ２２８の入力、第１アナログスイッチ２１４におけるｐ型トランジスタのゲート、および第２アナログスイッチ２１６におけるｎ型トランジスタのゲートと接続される。第２インバータ２２８の出力は、第１アナログスイッチ２１４におけるｎ型トランジスタのゲート、第２アナログスイッチ２１６における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のソースと接続される。電圧供給Ｖ１は第１アナログスイッチ２１４の入力と接続される。電圧Ｖ２は第２アナログスイッチ２１６の入力と接続される。第１アナログスイッチ２１４および第２アナログスイッチ２１６の出力は、それぞれ、上記ＥＷ駆動電極を形成する伝導性電極３８と接続される。
【００８９】
本実施形態の動作は、第１の実施形態と類似のものである。上記メモリ機能は、上記行選択ラインＲＯＷに高電圧パルスを印加することによって書き込みがなされ、スイッチトランジスタ２０６および２３０をオンにする。そして、上記列書込ラインＣＯＬ上の電圧はメモリノード２１０に書き込まれる。反転回路２２４の動作については、第１の実施形態で説明した通りであるが、反転したメモリノード信号を、ＳＲＡＭセルの２つのインバータ２２６と２２８との間にあるノードと接続することによって取得できることを除く。
【００９０】
本実施形態の効果は、ＳＲＡＭのメモリ機能２２２が断続的な更新を必要としないことである。これにより、ＤＲＡＭメモリ機能で可能なよりも低い電力消費で、装置を作動させることが容易になるかもしれない。配列素子回路８４は最小限の数の能動要素（１０個のＴＦＴ）で実行されるので、その結果、レイアウトフットプリントを最小化し、かつ生産性を最大化することができる。
【００９１】
第３の実施形態を図９に示す。本実施形態は、スイッチトランジスタ２０６および２３０がアナログスイッチ２４０および２４２に置換されていることを除き、図８の第２の実施形態と同様である。上記ＲＯＷ接続部は、アナログスイッチ２４０におけるｎ型トランジスタのゲート、およびアナログスイッチ２４２におけるｐ型トランジスタのゲートと接続されている。追加の接続部ＲＯＷＢは、同じ行内の各配列素子に共通で供給される。これはＲＯＷの反転信号によって駆動され、また行駆動回路７６によっても提供される。アナログスイッチ２４２におけるｎ型トランジスタのゲートおよびアナログスイッチ２４０におけるｐ型トランジスタのゲートは、ＲＯＷＢと接続される。
【００９２】
本実施形態の動作は、第２の実施形態で説明したのと同様である。本実施形態は、１つのＳＲＡＭスイッチトランジスタ２０６，２３０をアナログスイッチ２４０，２４２に置き換えることによって、ＳＲＡＭセルにおける閾値電圧の降下による問題が避けられるという追加の効果を有する。
【００９３】
本発明の第４の実施形態に係るＡＭ−ＥＷＯＤ装置は、上面基板３６の電極２８に印加されるＡＣ電圧信号の振幅の増加という駆動方法の修正を除いて、前述の各実施形態のＡＭ−ＥＷＯＤ装置と同じである。
【００９４】
具体的には、底部基板７２上の薄膜電子機器７４に形成された配列素子回路８４は、前述の実施形態で述べた通り、供給電圧Ｖ１または供給電圧Ｖ２を切替えて、それらの一方をＥＷ駆動電極３８に供給するように構成されている。図１０を参照すると、
・供給電圧Ｖ１は、振幅ＶＢかつｔ０の周期矩形波電圧パルスで構成される。以下では、説明の簡便さのため、Ｖ１を、ローレベル０ＶかつハイレベルＶＢと定めることがある。
・供給電圧Ｖ２は、Ｖ１の逆論理すなわち振幅ＶＢかつ周期ｔ０の矩形波電圧パルスで構成される。Ｖ２のローレベルは０Ｖ、ハイレベルはＶＢであり、またＶ２はＶ１に対して逆相である。
供給電圧Ｖ３は、上面基板３６の電極２８に対して以下のように印加される。
・供給電圧Ｖ３はＶ２＋Ｖｏｆｆｓｅｔで表される矩形波電圧パルスで構成される。前述の各実施形態では、Ｖｏｆｆｓｅｔはゼロであった。本実施形態では、Ｖｏｆｆｓｅｔはゼロでなく、Ｖ２と同相の矩形波電圧であり、また周期ｔ０で最大振幅Ｖｃかつ最小振幅−Ｖｃを有する。その結果、供給電圧Ｖ３は振幅ＶＢ＋２ＶＣかつ周期ｔ０を有する。Ｖ３のローレベルは−ＶＣであり、またハイレベルはＶＢ＋ＶＣである。
【００９５】
図１０は、波形Ｖ１、Ｖ２およびＶ３の時間依存性および振幅を示す。
【００９６】
本実施形態の効果は、上面基板３６の電極２８に印加する上記信号Ｖ３（＝Ｖ２＋Ｖｏｆｆｓｅｔ）の振幅を増大させることによって、ＴＦＴによって切替えられるところの、前述の実施形態と同じ電圧（ＶＢ）を有する一方、液滴４の作動状態と非作動状態との間のエネルギー差を最大化させることができる。印加された液滴駆動電圧ＶＥＷを受ける液滴４の接触角θの依存性は、Ｌｉｐｐｍａｎｎ−Ｙｏｕｎｇの式によって表される。
【００９７】
【数５】
【００９８】
ここでθ０はゼロボルトにおける接触角、Ｃは絶縁体静電容量であり、またＹＬＧは液滴４とそれを囲う非イオン液体３４との界面に関する表面張力である。
【００９９】
作動に関する表面エネルギーはｃｏｓ（θ）にほぼ比例する。そのため、配列素子に書き込まれる“１”と“０”との状態間のエネルギー差を最大化することが望ましい。
【０１００】
ＡＭ−ＥＷＯＤ駆動電極３８に“０”が書き込まれている場合、ＥＷＯＤ駆動電極３８と上面基板２６の電極である上面基板の電極２８との間の電圧差の大きさは、ＶＢ＋ＶＣ（この電圧の正負は波形の半周期で変化するが、その振幅は一定に保たれている）に等しい。従って、接触角は、
【０１０１】
【数６】
【０１０２】
で与えられる。
【０１０３】
ＡＭ−ＥＷＯＤ駆動の電極３８に“１”が書き込まれている場合、ＥＷＯＤ駆動電極３８と上面基板の電極２８との間の電圧差の大きさは、ＶＣ（前述のように、この電圧の正負は波形の半周期で変化するが、その振幅は一定に保たれている）に等しい。従って、接触角は、
【０１０４】
【数７】
【０１０５】
で与えられる。
【０１０６】
“１”が書き込まれている場合と“０”が書き込まれている場合との間のｃｏｓ（θ）の差異は、式（３）から式（２）を減算することによって計算することができる。
【０１０７】
【数８】
【０１０８】
式（４）から、ＶＣを増加することでエネルギー差（ほぼΔ（ｃｏｓ（θ））を増加させることができることが分かる。そのため、本実施形態の駆動方法によれば、電極３８に印加する電圧信号Ｖ３の振幅を大きくすることによって、“１”状態と“０”状態との間の表面エネルギー差をより増加させることができる。上記エネルギー差を増加させることには、所定のＴＦＴ電圧における液滴のダイナミクスを改善できるという効果がある。
【０１０９】
式（４）は、ＶＣをできるかぎり大きくすることが有益であることを意味する。実際には、接触角θが最小値で飽和するため、ある値においてはこのことは当たらない。この飽和接触角は液滴４の構造および接触面の性質の関数である。従って、ＶＣには最適値が存在しており、その値は、“１”状態が書き込まれているときに上記接触角の達する飽和値θｓａｔにほぼ対応する。ＶＣの最適値は以下の式から計算することができる。
【０１１０】
【数９】
【０１１１】
第４の実施形態で述べた駆動方法を第１から第３の実施形態のいずれにも適用できることは明らかであろう。
【０１１２】
本発明の第５の実施形態は、供給電圧Ｖ１およびＶ２の時間変化方式が図１１に示すように使用されるところの、前述のすべての実施形態と同様である。
【０１１３】
本実施形態の動作によれば、本装置はＡＣ作動が“バーストモード”中にあるように構成されている。例えば、
・作動時間のある部分ではＡＣ駆動方式が用いられる。これは、図１１に“ＡＣ駆動”と図示した期間で表すような、また、前述のような、Ｖ１およびＶ２に印加された矩形波信号に対応する。
・作動時間のある部分ではＤＣ駆動方式が用いられる。これは、図１１に“ＤＣ駆動”として示した期間で示すように、および前述のように、一定の電圧に保たれたＶ１およびＶ２に対応する。なお、同じ全体的な効果を達成しつつ、Ｖ１およびＶ２を図に示したのとは反対の極性（すなわち、Ｖ１を高くＶ２を低く）に維持することも可能である。
【０１１４】
本実施形態の効果は、ＤＣ駆動で作動する一部の時間を、同時に、薄膜電子機器７４に集積された他の電子回路の作動のために使用してもよいことである。他の集積された電子回路の例として、インピーダンス感知回路および温度感知回路を含んでいてもよい。上記他の回路が作動中の期間においては、液滴駆動機能のＤＣ作動が必要であるかまたは望ましい。例えば、ＡＣ作動が行われている期間中にインピーダンス感知回路も作動中であった場合、上面基板３６の電極２８に印加されたＡＣ電圧信号Ｖ２は、上記感知回路の作動と干渉することにより望まない効果を受けるかもしれない。図１２に示すように、ＡＭ−ＥＷＯＤ装置を“バースト”モードのＡＣ作動で作動することによって、集積された感知回路の作動期間中にはＤＣ駆動方式が使用され、集積された感知回路の非作動期間中にはＡＣ駆動方式が使用されるようにタイミングを構成してもよい。
【０１１５】
図１２の構成は、ＤＣモード作動が使用される期間中のＶ１およびＶ２の極性は、ＤＣ作動における偶数フレームと奇数フレームとの間で交替して使用されることを示している。奇数フレームについては、Ｖ１は低く、かつＶ２は高い。また、偶数フレームについては、Ｖ１は高く、かつＶ２は低い。このモードの作動は、適切な長い期間について平均したとき、Ｖ１およびＶ２電圧信号の時間平均は同一であるという、特有の効果を有する。その結果、この長い期間については、正味、上記液滴に掛かり続けるＤＣ電圧成分が存在しない。これにより、前述のように、信頼性の向上、滅損の減少などの効果を奏する。
【０１１６】
本実施形態のさらなる効果は、ＤＣモード作動がＡＣモード作動と比較してより電力を消費しないことである。バーストモードで作動することにより、作動時間全体においてＡＣ駆動方式が用いられた場合よりも電力消費を少なくしつつ、ＡＣモード作動の効果を（多かれ少なかれ）達成することができるかもしれない。
【０１１７】
本実施形態の延長として、供給電圧Ｖ１およびＶ２を、異なる時刻において異なる周波数の波形によって駆動してもよいことは明らかであろう。さらに、Ｖ１およびＶ２を、必ずしも５０％ではないデューティ周期を有する波形により駆動することができることは明らかであろう。
【０１１８】
本実施形態のさらなる延長として、供給電圧Ｖ１およびＶ２を、例えば三角波形、正弦波形などの非矩形波で駆動してもよいことは明らかであろう。
【０１１９】
ＡＭ−ＥＷＯＤ装置は、従来技術において示されたように、完全なラボオンチップシステムの一部を形成してもよいことも明らかであろう。そのようなシステムでは、ＡＭ−ＥＷＯＤ装置内で感知および／または操作される液滴は、血液、唾液、尿などの化学的または生物学的な液体であってもよい。また、全体的な構成としては、化学的または生物学的な検査を実行するように、あるいは化学的または生物学的な合成物を合成するように構成されてもよい。
【０１２０】
ある１つまたは複数の実施例に関して、本発明を示し、また説明してきたが、当業者は、この具体例および添付図面を読み理解することで、同義の変形または修正に想到するかもしれない。とくに、前述の素子（成分、集合物、装置、および構成物など）によって実行されるさまざまな機能について、このような素子を説明するために使用される用語（“手段”についても含む）は、指摘がない限り、本発明の実施形態例中に開示されたその機能を実行する構造と構造的に等しくない素子であろうとも、前述の素子の特定の機能を実行するいかなる素子（すなわち機能的に等価な素子）にも対応する。さらに、ただ１つまたはそれ以上のいくつかの実施形態に関して、本発明の具体的な特徴をこれまで説明してきたが、このような特徴は、任意のまたは具体的な応用のために望ましくかつ効果を奏するように、他の実施形態における他の特徴の１つまたは複数と組み合わせてもよい。
【産業上の利用可能性】
【０１２１】
上記ＡＭ−ＥＷＯＤ装置は、ラボオンチップシステムの一部を形成してもよい。 このような装置は、化学的、生物学的または生理学的な物質の操作、反応、および感知において使用してもよい。応用としては、健康診断検査、化学的または生物学的な物質合成、プロテオミクス、および、生命科学と犯罪科学のための研究用具が含まれる。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
配列上にある１つ以上の液滴を操作するように構成された複数の配列素子であって、各々が、対応する配列素子回路を含んでいる配列素子を含み、
各配列素子回路は、
間に、１つ以上の液滴が配置され得る上面基板電極および駆動電極と、
(i)振幅ＶＢかつ周期ｔ０の時間変化電圧波形Ｖ１または
(ii)Ｖ１の逆論理である時間変化電圧波形Ｖ２のどちらか一方
を上記駆動電極に選択的に印加することによって、対応する配列素子にデータを書き込むように構成され、かつ、ＶｏｆｆｓｅｔがＡＣおよび／またはＤＣ成分を有していてもよいしまたゼロに等しくてもよいオフセット電圧信号を表すとき、上記上面基板電極に時間変化電圧波形Ｖ２＋Ｖｏｆｆｓｅｔを印加する回路と、を含んでいるアクティブマトリクス液滴駆動（ＡＭ−ＥＷＯＤ）装置。
【請求項２】
Ｖｏｆｆｓｅｔはゼロに等しい請求項１記載の装置。
【請求項３】
Ｖｏｆｆｓｅｔはゼロではない請求項１記載の装置。
【請求項４】
Ｖ１およびＶ２は矩形波電圧パルスである請求項１〜３のいずれか１項に記載の装置。
【請求項５】
Ｖｏｆｆｓｅｔは矩形波電圧パルスＶ２と同相の矩形波電圧であり、また、周期ｔ０で最大振幅Ｖｃかつ最小振幅−Ｖｃを有する請求項４記載の装置。
【請求項６】
θｓａｔは上記配列素子内の１つ以上の液滴の飽和接触角であり、θ０はゼロ電圧における１つ以上の液滴の接触角であり、Ｃは上記配列素子内部の絶縁体静電容量であり、またＹＬＧは上記配列素子内の１つ以上の液滴と該液滴を囲う非イオン性液体との間の界面に関する表面張力であるとしたとき、Ｖｃの値は以下の表記を満たしている請求項５記載の装置。
【数１】
【請求項７】
Ｖ１およびＶ２は少なくとも、正弦曲線形、三角形、または櫛歯形のいずれか１つの形状である請求項１〜３のいずれか１項に記載の装置。
【請求項８】
上記複数の配列素子は共通の上面基板電極を共有する請求項１〜７のいずれか１項に記載の装置。
【請求項９】
上記波形Ｖ１は上記複数の配列素子において共通である請求項１〜８のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１０】
上記波形Ｖ２は上記複数の配列素子において共通である請求項１〜９のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１１】
配列素子回路の各々は、上記配列素子に書き込まれたデータの関数として上記波形Ｖ１を選択的に反転させることによって、上記駆動電極に上記波形Ｖ２を印加する反転回路を含んでいる請求項１〜１０のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１２】
上記配列素子回路の各々は、上記配列素子に書き込んだデータを記憶するメモリ機能を含んでいる請求項１〜１１のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１３】
上記回路は、ＡＣモード作動とＤＣモード作動との間で交替するように構成されており、上記ＡＣモード作動の間、上記回路は、(i)振幅ＶＢかつ周期ｔ０の上記波形Ｖ１、または(ii)上記波形Ｖ２のいずれか一方を上記駆動電極に選択的に印加し、かつ、上記上面基板電極に波形Ｖ２＋Ｖｏｆｆｓｅｔを印加することによって、対応する配列素子にデータを書き込み、また、上記ＤＣモード作動の間、上記回路は、上記駆動電極および上記上面基板電極を一定の電位に保つ請求項１〜１２のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１４】
上記ＤＣモード作動の間、上記駆動電極および上記上面基板電極における上記一定の電位の極性が反対である請求項１３記載の装置。
【請求項１５】
上記一定の電位の極性が、上記ＤＣモード作動のフレーム間で交替する請求項１４記載の装置。
【請求項１６】
誘電体上のアクティブマトリクス液滴駆動（ＡＭ−ＥＷＯＤ）装置であり、配列上の１つ以上の液滴を操作するように構成された複数の配列素子を含み、上記配列素子の各々は、間に、１つ以上の液滴が配置され得る上面基板電極および駆動電極を含んでいる上記装置を駆動する方法であって、
(i)振幅ＶＢかつ周期ｔ０の時間変化電圧波形Ｖ１、または
(ii)Ｖ１の逆論理である時間変化電圧波形Ｖ２
のどちらか一方を上記駆動電極に選択的に印加し、
Ｖｏｆｆｓｅｔを、ＡＣおよび／またはＤＣ成分を有していてもよくゼロに等しくてもよいオフセット電圧信号であるとしたとき、上記上面基板電極に時間変化電圧波形Ｖ２＋Ｖｏｆｆｓｅｔを印加する方法。
【請求項１７】
Ｖ１およびＶ２は矩形波電圧パルスである請求項１６記載の方法。
【請求項１８】
上記Ｖｏｆｆｓｅｔは、上記矩形波電圧パルスＶ２と同相の矩形波電圧であり、また、周期ｔ０で最大振幅Ｖｃかつ最小振幅−Ｖｃを有している請求項１７記載の方法。
【請求項１９】
θｓａｔは上記配列素子内の１つ以上の液滴の飽和接触角であり、θ０はゼロ電圧における１つ以上の液滴の接触角であり、Ｃは上記配列素子内部の絶縁体静電容量であり、ＹＬＧは上記配列素子内の１つ以上の液滴と該液滴を囲う非イオン性液体との間の界面に関する表面張力であるとしたとき、Ｖｃの値は以下の表記を満たす請求項１８記載の方法。
【数２】
【請求項２０】
ＡＣモード作動とＤＣモード作動との間で交替するステップを含み、上記ＡＣモード作動の間では、(i)振幅ＶＢかつ周期ｔ０の上記波形Ｖ１、または(ii)上記波形Ｖ２のいずれか一方を上記駆動電極に選択的に印加し、かつ、上記上面基板電極に上記波形Ｖ２＋Ｖｏｆｆｓｅｔを印加することによって、対応する配列素子にデータが書き込まれ、また、上記ＤＣモード作動の間では、上記駆動電極および上記上面基板電極を一定の電位に保つ請求項１６〜１９のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１】
配列上にある１つ以上の液滴を操作するように構成された複数の配列素子であって、各々が、対応する配列素子回路を含んでいる配列素子を含み、
各配列素子回路は、
間に、１つ以上の液滴が配置され得る上面基板電極および駆動電極と、
(i)振幅ＶＢかつ周期ｔ０の時間変化電圧波形Ｖ１または
(ii)Ｖ１の逆論理である時間変化電圧波形Ｖ２のどちらか一方
を上記駆動電極に選択的に印加することによって、対応する配列素子にデータを書き込むように構成され、かつ、ＶｏｆｆｓｅｔがＡＣおよび／またはＤＣ成分を有していてもよいしまたゼロに等しくてもよいオフセット電圧信号を表すとき、上記上面基板電極に時間変化電圧波形Ｖ２＋Ｖｏｆｆｓｅｔを印加する回路と、を含んでいるアクティブマトリクス液滴駆動（ＡＭ−ＥＷＯＤ）装置。
【請求項２】
Ｖｏｆｆｓｅｔはゼロに等しい請求項１記載の装置。
【請求項３】
Ｖｏｆｆｓｅｔはゼロではない請求項１記載の装置。
【請求項４】
Ｖ１およびＶ２は矩形波電圧パルスである請求項１〜３のいずれか１項に記載の装置。
【請求項５】
Ｖｏｆｆｓｅｔは矩形波電圧パルスＶ２と同相の矩形波電圧であり、また、周期ｔ０で最大振幅Ｖｃかつ最小振幅−Ｖｃを有する請求項４記載の装置。
【請求項６】
θｓａｔは上記配列素子内の１つ以上の液滴の飽和接触角であり、θ０はゼロ電圧における１つ以上の液滴の接触角であり、Ｃは上記配列素子内部の絶縁体静電容量であり、またＹＬＧは上記配列素子内の１つ以上の液滴と該液滴を囲う非イオン性液体との間の界面に関する表面張力であるとしたとき、Ｖｃの値は以下の表記を満たしている請求項５記載の装置。
【数１】
【請求項７】
Ｖ１およびＶ２は少なくとも、正弦曲線形、三角形、または櫛歯形のいずれか１つの形状である請求項１〜３のいずれか１項に記載の装置。
【請求項８】
上記複数の配列素子は共通の上面基板電極を共有する請求項１〜７のいずれか１項に記載の装置。
【請求項９】
上記波形Ｖ１は上記複数の配列素子において共通である請求項１〜８のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１０】
上記波形Ｖ２は上記複数の配列素子において共通である請求項１〜９のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１１】
配列素子回路の各々は、上記配列素子に書き込まれたデータの関数として上記波形Ｖ１を選択的に反転させることによって、上記駆動電極に上記波形Ｖ２を印加する反転回路を含んでいる請求項１〜１０のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１２】
上記配列素子回路の各々は、上記配列素子に書き込んだデータを記憶するメモリ機能を含んでいる請求項１〜１１のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１３】
上記回路は、ＡＣモード作動とＤＣモード作動との間で交替するように構成されており、上記ＡＣモード作動の間、上記回路は、(i)振幅ＶＢかつ周期ｔ０の上記波形Ｖ１、または(ii)上記波形Ｖ２のいずれか一方を上記駆動電極に選択的に印加し、かつ、上記上面基板電極に波形Ｖ２＋Ｖｏｆｆｓｅｔを印加することによって、対応する配列素子にデータを書き込み、また、上記ＤＣモード作動の間、上記回路は、上記駆動電極および上記上面基板電極を一定の電位に保つ請求項１〜１２のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１４】
上記ＤＣモード作動の間、上記駆動電極および上記上面基板電極における上記一定の電位の極性が反対である請求項１３記載の装置。
【請求項１５】
上記一定の電位の極性が、上記ＤＣモード作動のフレーム間で交替する請求項１４記載の装置。
【請求項１６】
誘電体上のアクティブマトリクス液滴駆動（ＡＭ−ＥＷＯＤ）装置であり、配列上の１つ以上の液滴を操作するように構成された複数の配列素子を含み、上記配列素子の各々は、間に、１つ以上の液滴が配置され得る上面基板電極および駆動電極を含んでいる上記装置を駆動する方法であって、
(i)振幅ＶＢかつ周期ｔ０の時間変化電圧波形Ｖ１、または
(ii)Ｖ１の逆論理である時間変化電圧波形Ｖ２
のどちらか一方を上記駆動電極に選択的に印加し、
Ｖｏｆｆｓｅｔを、ＡＣおよび／またはＤＣ成分を有していてもよくゼロに等しくてもよいオフセット電圧信号であるとしたとき、上記上面基板電極に時間変化電圧波形Ｖ２＋Ｖｏｆｆｓｅｔを印加する方法。
【請求項１７】
Ｖ１およびＶ２は矩形波電圧パルスである請求項１６記載の方法。
【請求項１８】
上記Ｖｏｆｆｓｅｔは、上記矩形波電圧パルスＶ２と同相の矩形波電圧であり、また、周期ｔ０で最大振幅Ｖｃかつ最小振幅−Ｖｃを有している請求項１７記載の方法。
【請求項１９】
θｓａｔは上記配列素子内の１つ以上の液滴の飽和接触角であり、θ０はゼロ電圧における１つ以上の液滴の接触角であり、Ｃは上記配列素子内部の絶縁体静電容量であり、ＹＬＧは上記配列素子内の１つ以上の液滴と該液滴を囲う非イオン性液体との間の界面に関する表面張力であるとしたとき、Ｖｃの値は以下の表記を満たす請求項１８記載の方法。
【数２】
【請求項２０】
ＡＣモード作動とＤＣモード作動との間で交替するステップを含み、上記ＡＣモード作動の間では、(i)振幅ＶＢかつ周期ｔ０の上記波形Ｖ１、または(ii)上記波形Ｖ２のいずれか一方を上記駆動電極に選択的に印加し、かつ、上記上面基板電極に上記波形Ｖ２＋Ｖｏｆｆｓｅｔを印加することによって、対応する配列素子にデータが書き込まれ、また、上記ＤＣモード作動の間では、上記駆動電極および上記上面基板電極を一定の電位に保つ請求項１６〜１９のいずれか１項に記載の方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１２−１７６３９７（Ｐ２０１２−１７６３９７Ａ）
【公開日】平成２４年９月１３日（２０１２．９．１３）
【国際特許分類】
【外国語出願】
【出願番号】特願２０１２−４４５７（Ｐ２０１２−４４５７）
【出願日】平成２４年１月１２日（２０１２．１．１２）
【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２４年９月１３日（２０１２．９．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−４４５７（Ｐ２０１２−４４５７）
【出願日】平成２４年１月１２日（２０１２．１．１２）
【出願人】（０００００５０４９）シャープ株式会社 (33,933)
【Ｆターム（参考）】
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