(57)【要約】      （修正有）【課題】液滴を操作可能にし、誘電体エレクトロウェッティング装置が備えた疎水性の表面における電気的な特性の変化を検知可能な、改良型ＥＷＯＤ装置を提供する。【解決手段】アレイ上に存在する流体の１つ以上の液滴を操作するための複数のアレイ素子を含む。各アレイ素子は、対応するアレイ素子回路を含む。各アレイ素子回路は、流体の１つ以上の液滴の操作を制御するために、対応するアレイ素子にデータを書き込むための書き込み回路と、対応するアレイ素子に存在するインピーダンスを検知するためのセンサ回路とを含む。センサ回路は、液滴を検知する感度を有する通常モード、または、アレイ素子の疎水性の表面の電気的な特性を検知するための高感度モードのいずれかで動作する。センサ回路は、アクティブキャパシタまたはアクティブトランジスタ等のアクティブ素子を含む。アクティブ素子の静電容量は、通常感度モードにおいて、高感度モードとは異なる。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
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（Active Matrix Electrowetting-On-Dielectric；ＡＭ−ＥＷＯＤ）装置であって、
アレイ上に存在する流体の１つ以上の液滴を操作するための複数のアレイ素子を備えており、
上記アレイ素子のそれぞれは、対応するアレイ素子回路を含んでおり、
上記アレイ素子回路のそれぞれは、
流体の上記１つ以上の液滴の操作を制御するために、対応する上記アレイ素子にデータを書き込むための書き込み回路と、
対応する上記アレイ素子に存在するインピーダンスを検知するためのセンサ回路と、を含んでおり、
上記センサ回路は、第１モードまたは第２モードによって動作し、
上記第１モードおよび上記第２モードのそれぞれは、異なる感度レンジを有していることを特徴とするＡＭ−ＥＷＯＤ装置。
【請求項２】
上記センサ回路は、アクティブ素子を含んでおり、
上記第１モードの感度と上記第２モードの感度とでは、上記アクティブ素子の静電容量が異なっていることを特徴とする請求項１に記載のＡＭ−ＥＷＯＤ装置。
【請求項３】
上記アクティブ素子に電圧を入力する行選択ラインをさらに備えており、
上記センサ回路のモードは、上記行選択ラインの電圧レベルに基づいて設定されることを特徴とする請求項２に記載のＡＭ−ＥＷＯＤ装置。
【請求項４】
上記アクティブ素子の上記静電容量は、上記行選択ラインの上記電圧レベルを切り替えることによって、上記第１モードと上記第２モードとの間において切り替えられることを特徴とする請求項３に記載のＡＭ−ＥＷＯＤ装置。
【請求項５】
上記アクティブ素子の上記静電容量は、上記行選択ラインの上記電圧レベルと、上記アレイ素子に含まれるエレクトロウェッティング駆動電極の電圧レベルとの間の電位差に基づいて決定されることを特徴とする請求項４に記載のＡＭ−ＥＷＯＤ装置。
【請求項６】
上記アクティブ素子は、アクティブキャパシタであり、
上記アクティブキャパシタは、
上記感度が上記第１モードの場合には、第１の静電容量を有しており、
上記感度が上記第２モードの場合には、第２の静電容量を有しており、
上記第１の静電容量は、上記第２の静電容量よりも大きいことを特徴とする請求項２から５のいずれか１項に記載のＡＭ−ＥＷＯＤ装置。
【請求項７】
上記第２の静電容量は、上記第１の静電容量の１０パーセント以下の値であることを特徴とする請求項６に記載のＡＭ−ＥＷＯＤ装置。
【請求項８】
上記アクティブ素子は、トランジスタであり、
上記トランジスタは、
上記感度が上記第１モードの場合には、ゲート端子と、ソース端子およびドレイン端子の少なくとも１つとの間に、第１の静電容量を有しており、
上記感度が上記第２モードの場合には、上記ゲート端子と、ソース端子およびドレイン端子の少なくとも１つとの間に、第２の静電容量を有しており、
上記第１の静電容量は、上記第２の静電容量よりも大きいことを特徴とする請求項２から５のいずれか１項に記載のＡＭ−ＥＷＯＤ装置。
【請求項９】
上記第１モードの感度は、低いレンジにおける感度に対応しており、
上記第２モードの感度は、上記第１モードの感度と比べて高いレンジにおける感度に対応していることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載のＡＭ−ＥＷＯＤ装置。
【請求項１０】
少なくとも上記第１モードおよび上記第２モードは、第３モードをさらに含み、
上記第３モードは、上記第１モードの感度と上記第２モードの感度との間における、中間的なモードの感度に対応していることを特徴とする請求項９に記載のＡＭ−ＥＷＯＤ装置。
【請求項１１】
疎水性の表面をさらに備えていることを特徴とする請求項１から１０のいずれか１項に記載のＡＭ−ＥＷＯＤ装置。
【請求項１２】
上記センサ回路は、上記第１モードの感度において、上記疎水性の表面の上に存在する液滴を検知することを特徴とする請求項１１に記載のＡＭ−ＥＷＯＤ装置。
【請求項１３】
上記センサ回路は、上記第２モードの感度において、上記疎水性の表面の電気的な特性の変化を検知することを特徴とする請求項１１または１２に記載のＡＭ−ＥＷＯＤ装置。
【請求項１４】
上記第２モードの感度において、上記疎水性の表面において検知された分子を結合するためのレセプタをさらに備えていることを特徴とする請求項１２に記載のＡＭ−ＥＷＯＤ装置。
【請求項１５】
上記複数のアレイ素子を含む第１基板をさらに備え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ＡＭ−ＥＷＯＤ装置。
【請求項１６】
上記複数のアレイ素子は、複数の行および列を有するアレイに配置されていることを特徴とする請求項１から１５のいずれか１項に記載のＡＭ−ＥＷＯＤ装置。
【請求項１７】
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（Active Matrix Electrowetting-On-Dielectric；ＡＭ−ＥＷＯＤ）装置の駆動方法であって、
上記ＡＭ−ＥＷＯＤ装置は、アレイ上に存在する流体の１つ以上の液滴を操作するための複数のアレイ素子を備えており、
上記駆動方法は、
アレイ素子の行選択ラインに、第１の電圧を印加する工程と、
上記第１の電圧に基づいて、第１モードの感度において動作するように、上記アレイ素子のセンサ回路を設定する工程と、
上記行選択ラインに、第２の電圧を印加する工程と、
上記第２の電圧に基づいて、第２モードの感度において動作するように、上記アレイ素子の上記センサ回路を設定する工程と、を含んでおり、
上記第１モードおよび上記第２モードは、異なる感度レンジを有していることを特徴とするＡＭ−ＥＷＯＤ装置の駆動方法。
【請求項１８】
上記第１モードは、低い感度のレンジを有しており、
上記第２モードは、上記第１モードと比べて高い感度のレンジを有していることを特徴とする請求項１７に記載のＡＭ−ＥＷＯＤ装置の駆動方法。
【請求項１９】
上記第１モードの感度において、上記センサ回路を用いて、上記複数のアレイ素子のうちの１つのアレイ素子の疎水性の表面に存在する液滴を検知する工程と、
上記第２モードの感度において、上記センサ回路を用いて、上記アレイ素子の上記疎水性の表面における電気的な特性の変化を検知する工程と、をさらに含んでいることを特徴とする請求項１７または１８に記載のＡＭ−ＥＷＯＤ装置の駆動方法。
【請求項２０】
上記液滴の検知結果と上記電気的な特性の変化の結果とに基づいて、操作を実行する工程をさらに含んでおり、
上記操作は、
上記アレイ素子上に存在する洗浄用の流体を含む液滴を移動させる工程、
上記疎水性の表面上に存在するレセプタに、検知された分子を結合する工程、
反応を開始するために、上記アレイ素子上に存在する複数の液滴を結合させる工程、
および、
上記アレイ素子の上記疎水性の表面に吸収された化学種または生化学種を分析する工程、
のうちの少なくとも１つを含んでいることを特徴とする請求項１９に記載のＡＭ−ＥＷＯＤ装置の駆動方法。
【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アレイ、およびその素子に関する。本発明は、特にデジタルマイクロ流体に関し、より具体的には、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（Active Matrix Electrowetting-On-Dielectric；ＡＭ−ＥＷＯＤ）装置に関する。
【０００２】
誘電体エレクトロウェッティング（ＥＷＯＤ）は、アレイ上に存在する流体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型ＥＷＯＤ（ＡＭ−ＥＷＯＤ）とは、例えば、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を用いて、アクティブマトリクスアレイにおいてＥＷＯＤを実装することを意味する。本発明は、当該装置を駆動する方法にもさらに関する。
【背景技術】
【０００３】
電界を印加することによって流体の液滴を操作する技術としては、誘電体エレクトロウェッティング（ＥＷＯＤ）が周知であり、ラボ・オン・チップ技術に用いるデジタルマイクロ流体のための候補技術となっている。当該技術の基本的な原理については、「Digital microfluidics: is a true lab-on-a-chip possible?”, R.B. Fair, Microfluid Nanofluid (2007) 3:245-281」を参照されたい。
【０００４】
図１は、従来のＥＷＯＤ装置の一部分の断面図を示す。当該装置は下層基板７２を含み、その最上層は、複数の電極３８（例えば、図１においては３８Ａおよび３８Ｂ）を備えるようにパターン化された導電性材料で形成される。
【０００５】
これらの電極は、エレクトロウェッティング（ＥＷ）駆動素子と呼ばれる。液滴４は極性物質で構成されており、下層基板７２と上層基板３６との間にある面に拘束されている。スペーサ３２を用いることによって、これらの２つの基板の間隔が適切に保たれる。そして、当該間隔による容積が、極性を有する液体である液滴４によって満たされないように、非極性流体３４（例えば、オイル）によって、当該容積を満たしてよい。
【０００６】
絶縁層２０は、下層基板７２上に配置されている。絶縁層２０は、誘電材料によって構成されることが多いが、必ずしも誘電材料によって構成される必要はない。絶縁層２０は、導電性電極３８Ａおよび３８Ｂを疎水面１６から分離する。
【０００７】
液滴４は、角θによって示される接触角６を成して、疎水面１６上に存在している。最上層３６は、もう一方の疎水面となり、当該疎水面が、液滴４に対して接触する状態となる。最上層３６と疎水層２６との間には、上層基板電極２８が挿入される。
【０００８】
駆動時において、異なる電極（例えば、駆動素子電極２８、３８Ａ、および３８Ｂ）に対して、外部から電圧（エレクトロウェッティング（ＥＷ）駆動電圧、例えば、ＶＴ、Ｖ０、およびＶ００）を印加すると、疎水性の表面１６の疎水性が制御され、２つの基板７２と３６との間の横方向の面において、液滴の移動が促進される。
【０００９】
米国特許第６５６５７２７号明細書（Shenderov，２００３年５月２０日発行）は、アレイを介して液滴を移動させるパッシブマトリクスＥＷＯＤ装置を開示している。
【００１０】
米国特許第６９１１１３２号明細書（Pamula et al.，２００５年６月２８日発行）は、二次元的な液滴の位置および移動を制御する二次元ＥＷＯＤアレイを開示している。
【００１１】
上述の米国特許第６５６５７２７号明細書は、液滴の分離、結合、および、異なる材料からなる液滴の混合を含む、液滴の他の操作方法をさらに開示している。
【００１２】
米国特許第７１６３６１２号明細書（J. Sterling et al.，２００７年１月１６日発行）は、ＥＷＯＤアレイにおいて電圧パルスを制御するために、ＴＦＴに基づく電子機器を用いる方法を説明している。当該方法は、ＡＭディスプレイにおいて用いられている回路の構成と、非常に類似する回路の構成を用いる。
【００１３】
上述の米国特許第７１６３６１２号明細書に記載された方法は、「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）と呼ばれる。ＥＷＯＤアレイを制御するために、ＴＦＴに基づく電子機器を用いる利点が複数存在する。
（１）ＡＭ−ＥＷＯＤアレイ基板の上に、駆動回路を集積できる。
（２）ＴＦＴに基づく電極は、ＡＭ−ＥＷＯＤへの適用に非常に適している。これらの電極は、安価に生産できるため、比較的広い基板領域が、比較的低いコストによって生産可能である。
（３）標準的なプロセスによって生産されたＴＦＴは、標準的なＣＭＯＳのプロセスによって生産されたトランジスタよりも、遙かに高電圧において駆動するように設計できる。ＥＷＯＤ技術においては、２０Ｖを超えるＥＷＯＤの駆動電圧が要求されるため、この点は重要である。
【００１４】
上述の米国特許第７１６３６１２号明細書は、ＡＭ−ＥＷＯＤのＴＦＴバックプレーンを実現する回路の形態を、一切開示していない。
【００１５】
欧州特許出願公開第２４０４６７５号明細書（Hadwen et al.，２０１２年１月１１日公開）は、ＡＭ−ＥＷＯＤ装置のためのアレイ素子回路を開示している。ＥＷＯＤ駆動電極にＥＷＯＤ駆動電圧をプログラムし、かつ印加するための、様々な方法が知られている。当該電圧を書き込む機能は、例えば、ダイナミックＲＡＭ（ＤＲＡＭ）またはスタティックＲＡＭ（ＳＲＡＭ）に基づくものメモリ素子等の、標準的な手段としてのメモリ素子と、当該アレイ素子をプログラムするための入力ラインとを含む。
【００１６】
米国特許出願公開第２０１２／０００７６０８号明細書（Hadwen et al.，２０１２年１月１２日公開）は、インピーダンス（静電容量）を検知する機能を上記アレイ素子に含める方法を説明している。アレイに含まれる各電極に位置する液滴の存在およびサイズを判定するために、インピーダンスセンサが用いられる。
【００１７】
米国特許第８１７３０００号明細書（Hadwen et al.，２０１２年５月８日発行）は、アレイ素子回路を備えたＡＭ−ＥＷＯＤ装置、およびＡＣ駆動電圧を電極に印加する方法を開示している。上記特許明細書は、ある時にはＡＣモードによって、またある時にはＤＣモードによって、上記装置を駆動する方法をさらに開示している。この方法により、統合されたセンサ機能の動作との互換性を実現できる。
【００１８】
米国特許出願公開第２００９／０２８０２５１号明細書（DeGuzman et al.，２００９年１１月１２日公開）は、マイクロ流体装置において、生体分子が疎水性の表面に吸収されることを緩和する手段を説明している。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
本発明によって解決される課題は、液滴を操作可能にし、ＥＷＯＤ装置が備えた疎水性の表面における電気的な特性の変化を検知可能な、改良型ＥＷＯＤ装置を提供することである。
【００２０】
液滴が操作されない場合にも、ＥＷＯＤ装置が備えたアレイ素子の疎水性の表面において、電気的な特性が変化することが発見されている。例えば、残余生体分子（例えば、タンパク質およびＤＮＡ）が疎水性の表面に付着することによって、当該変化が生じる。
【００２１】
しかし、疎水性の表面における電気的な特性の変化を検知できるほど、ＥＷＯＤ装置が備える従来のセンサ回路の感度は、十分ではなかった。従来のセンサ回路は、液滴の存在を検知し、関連する液滴を操作することに最適化されていることが通常であった。
【００２２】
しかしながら、残余生体分子の検知等の液滴の操作だけでなく、疎水性の表面における電気的な特性の変化を検知するために必要とされる高感度駆動にも、従来のセンサ回路は不十分であることが証明されている。
【００２３】
そこで、本発明は、センサ処理の２つの電位モード（第１モードおよび第２モード）を規定することに関する問題を解決する。ここで、第１モードおよび第２モードは、異なる感度を有する。
【００２４】
例えば、第１モードにおいては、比較的低い感度で液滴を検知し、関連する液滴を操作してもよい。一方、第２モードは、液滴が存在しない場合であっても、疎水性の表面における電気的な特性が変化したこと（例えば、生体分子の付着により生じるもの）を検知するために、比較的高い感度を有してよい。
【００２５】
本発明は、異なる感度を有する両モードに基づき動作するＥＷＯＤ装置に含まれるアレイ素子回路を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００２６】
本発明の一態様は、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）装置である。当該ＡＭ−ＥＷＯＤ装置は、アレイ上に存在する流体の１つ以上の液滴を操作するための複数のアレイ素子を備えており、上記アレイ素子のそれぞれは、対応するアレイ素子回路を含んでおり、上記アレイ素子回路のそれぞれは、流体の上記１つ以上の液滴の操作を制御するために、対応する上記アレイ素子にデータを書き込むための書き込み回路と、対応する上記アレイ素子に存在するインピーダンスを検知するためのセンサ回路と、を含んでおり、上記センサ回路は、第１モードまたは第２モードによって動作し、上記第１モードおよび上記第２モードのそれぞれは、異なる感度レンジを有している。
【００２７】
また、本発明の他の態様は、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）装置の駆動方法である。当該駆動方法において、上記ＡＭ−ＥＷＯＤ装置は、アレイ上に存在する流体の１つ以上の液滴を操作するための複数のアレイ素子を備えており、上記駆動方法は、アレイ素子の行選択ラインに、第１の電圧を印加する工程と、上記第１の電圧に基づいて、第１モードの感度において動作するように、上記アレイ素子のセンサ回路を設定する工程と、上記行選択ラインに、第２の電圧を印加する工程と、上記第２の電圧に基づいて、第２モードの感度において動作するように、上記アレイ素子の上記センサ回路を設定する工程と、を含んでおり、上記第１モードおよび上記第２モードは、異なる感度レンジを有している。
【００２８】
以下に説明する目的、および関連する目的を達成するために、本発明は、以下で十分に説明される特徴、およびそれぞれの請求項において特に着目される特徴を備えている。以下の記載および添付の図面は、ある特定の詳細な一例として、本発明の実施の形態を説明するものであるが、当該実施の形態は、本発明の思想を採用した様々な形態の一部を示すに過ぎない。本発明の他の目的、利点、および新規的な特徴は、図面と合わせて考慮されることにより、本発明に関する以下の詳細な記載から明らかになるであろう。なお、以降の添付図面において、類似の符号は類似の部分または特徴を示す。
【発明の効果】
【００２９】
本発明は、高い感度を有する追加的なモードにより、疎水性の表面において微小な静電容量の変化を検知することが容易になるという効果を奏する。例えば、当該変化は、生体分子（タンパク質およびＤＮＡ等）が当該表面に吸収されることによって生じる。
【００３０】
そこで、本発明は、表面結合を検知する手段を提供する。また、本発明は、表面汚染（生物付着）を検知する手段を提供する。
【００３１】
また、本発明は、回路を追加することなく、または、アレイ素子回路の複雑度を増すことなく、高い感度を有する追加的なモードを実装できるという効果を奏する。
【００３２】
さらに、本発明は、液滴の検知および関連する液滴の操作に、より適した第２モードまたは低感度のモードで動作するように、センサを切り替えることができるという効果を奏する。
【００３３】
本発明のさらに他の態様によれば、さらなる追加的な感度レンジが提供される。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】従来のＥＷＯＤ装置の断面図である。
【図２】本発明の一実施の形態に係るＡＭ−ＥＷＯＤ装置の概略図である。
【図３】本発明の一実施の形態に係るＡＭ−ＥＷＯＤ装置のアレイ素子のいくつかを含む断面を示す図である。
【図４】本発明の一実施の形態に係るＡＭ−ＥＷＯＤ装置に含まれる薄膜電子回路の一構成例を示す図である。
【図５】ＡＭ−ＥＷＯＤ装置のアレイ素子回路の第１の実施の形態を示す図である。
【図６ａ】図５に示される第１の実施の形態に係るアレイ素子回路に含まれる電圧生成回路の一設計例を示す図である。
【図６ｂ】電圧信号Ｖ１およびＶ２の時間系列の一例を示す図である。
【図７】液滴が所定のアレイ素子に存在する場合に、アレイ素子回路の書き込み電極に存在する負荷の回路的な表現を示す図である。
【図８】液滴が所定のアレイ素子に存在しない場合、アレイ素子回路の書き込み電極に存在する負荷の回路的な表現を示す図である。
【図９】アレイ素子回路におけるアクティブキャパシタ回路の構成についての薄膜テクノロジにおける一実装例を示す図である。
【図１０】図９に示された薄膜アクティブキャパシタの構成に係る静電容量−電圧特性の一例を示す図である。
【図１１】図５に示されたアレイ素子回路のセンサ機能が動作する場合の動作電圧およびタイミングを示す図である。
【図１２】第１の実施の形態に係るＡＭ−ＥＷＯＤ装置において、デュアルモードに応じた行選択パルスの電圧レベルを示す図である。
【図１３】第１の実施の形態に係るＡＭ−ＥＷＯＤ装置のシミュレーション結果の一例を示す図である。
【図１４】ＡＭ−ＥＷＯＤ装置のアレイ素子回路の第２の実施の形態を示す図である。
【図１５】ＡＭ−ＥＷＯＤ装置のアレイ素子回路の第３の実施の形態を示す図である。
【図１６】ＡＭ−ＥＷＯＤ装置のアレイ素子回路の第４の実施の形態を示す図である。
【図１７】アクティブキャパシタ回路の構成および第２のアクティブキャパシタ回路の構成に係る静電容量−電圧特性の一例を示す図である。
【図１８】並列に配置された２つのアクティブキャパシタ回路の構成に係る静電容量−電圧特性の一例を示す図である。
【図１９】第４の実施の形態に係るＡＭ−ＥＷＯＤ装置における行選択パルスの電圧レベルを示す図である。
【図２０】生体付着の検知に関連する例におけるＡＭ−ＥＷＯＤ装置の動作を示す図である。
【図２１】化学反応または生化学反応に関連する例におけるＡＭ−ＥＷＯＤ装置の動作を示す図である。
【図２２】本発明の他の実施の形態に係るＡＭ−ＥＷＯＤ装置の一部断面図を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
図２は、本発明の一実施の形態に係るＡＭ−ＥＷＯＤ装置を示す。当該ＡＭ−ＥＷＯＤ装置は、薄膜電子回路７４を上側表面に載置した、第１基板または下層基板７２を備える。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。
【００３６】
電極アレイ４２には、複数のアレイ素子電極３８が配置されており、Ｍ×Ｎ個（ＭおよびＮは任意の数）の素子が含まれる。ここで、Ｍ×Ｎ個の上記素子は、複数の行および列をなして配置されている。イオン液体である液滴４は、下層基板７２と上層基板３６との間に挟まれている。なお、本発明の範囲から外れることなく、複数の液滴４が存在し得ると解釈されてよい。
【００３７】
図３は、アレイ素子電極３８Ａおよび３８Ｂの組を含む、図２に示されたＡＭ−ＥＷＯＤ装置の一部の断面図を示す。下層基板７２は薄膜電子回路７４を備え、薄膜電子回路７４は下層基板７２に載置されている。この点において、図１に示された従来の設計と対照的である。
【００３８】
下層基板７２の最上層（薄膜電子回路７４の一部とみなされてよい）は、複数の電極３８（例えば、３８Ａおよび３８Ｂ）を実現するようにパターン化されている。これらの電極素子は、エレクトロウェッティング（ＥＷ）駆動素子とも称する。ＥＷ駆動素子の用語は、特定のアレイ素子（例えば、特定の素子３８Ａおよび３８Ｂ）に関連付けられた電極３８と、電極３８に直接接続された電気回路のノードとの両方を指すと考えてよい。
【００３９】
図４は、下層基板７２に載置された薄膜電子回路７４の配置を示す。電極アレイ４２のそれぞれの素子は、対応するアレイ素子電極３８の電極の電位を制御するために、アレイ素子回路８４を含む。制御信号をアレイ素子回路８４に供給するために、行ドライバ７６および列ドライバ７８を統合した回路も、薄膜電子回路７４に実装されている。
【００４０】
シリアルインターフェース８０は、シリアル入力のデータストリームを処理し、電極アレイ４２に必要な電圧を書き込む。ここで説明するように、電圧供給インターフェース８３は、対応する供給電圧、上層基板の駆動電圧、および、薄膜電子回路に関連する電圧を供給する。サイズの大きいアレイであっても、接続ワイヤ８２、電源、および他の電子部品の数は、比較的少なくて済む。
【００４１】
図５は、ＡＭ−ＥＷＯＤの第１の実施の形態に係るアレイ素子回路８４を示す。ＡＭ−ＥＷＯＤ装置は、図２〜図４を参照して前述した構成を備え、上層電極２８を有する上層基板３６を含むことを思い起こされたい。
【００４２】
アレイ素子回路８４のそれぞれは、以下の１〜２、
１．エレクトロウェッティング制御電圧を生成するための電圧書き込み回路１２０
２．スイッチトランジスタ６８と、キャパシタ４０と、第１のトランジスタ９４と、第２のトランジスタ４４と、キャパシタ５８等のアクティブ素子と、を含むセンサ回路
を含む。
【００４３】
アレイ素子回路８４は、次のように接続されている。入力ＤＡＴＡ（アレイの同一列における全ての素子に共通であってよい）は、電圧書き込み回路１２０の入力ＤＡＴＡに接続されている。
【００４４】
入力ＥＮＡＢＬＥ（アレイの同一行における全ての素子に共通であってよい）は、電圧書き込み回路１２０の入力ＥＮＡＢＬＥに接続されている。電圧書き込み回路１２０の出力は、スイッチトランジスタ６８のソースに接続されている。
【００４５】
スイッチトランジスタ６８のゲートは、選択ラインＳＥＬ（アレイの同一行におけるすべてのアレイ素子に共通であってよい）と接続されている。スイッチトランジスタ６８のドレインは、電極３８およびアクティブキャパシタ５８の正極に接続されている。
【００４６】
アクティブキャパシタ５８の負極は、行選択入力ＲＷＳ（アレイの同一行における全ての素子に共通であってよい）に接続されている。キャパシタ４０は、電極３８およびトランジスタ９４のゲートに接続されている。
【００４７】
第１のトランジスタ９４のドレインは、電源電圧ＶＤＤ（アレイにおける全ての素子に共通であってよい）に接続されている。第１のトランジスタ９４のソースは、センサ出力ＣＯＬ（アレイの同一列における全てのアレイ素子に共通であってよい）に接続されている。
【００４８】
第２のトランジスタ４４のソースは、第１のトランジスタのゲートに接続されており、第２のトランジスタ４４のゲートは、リセットラインＲＳＴ（アレイの同一行における全ての素子に共通であってよい）に接続されている。また、第２のトランジスタ４４のドレインは、電圧源ＶＲＳＴ（アレイにおける全ての素子に共通であってよい）に接続されている。
【００４９】
本発明の一実施の形態によれば、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）装置は、アレイ上に存在する流体の１つ以上の液滴を操作するための複数のアレイ素子を備えており、アレイ素子のそれぞれは、対応するアレイ素子回路を含んでいる。アレイ素子回路のそれぞれは、流体の上記１つ以上の液滴の操作を制御するために、対応するアレイ素子にデータを書き込むための書き込み回路１２０と、アクティブキャパシタ５８等のアクティブ素子を有する、トランジスタおよび容量性素子を含むセンサ回路と、を含む。センサ回路は、対応するアレイ素子に存在するインピーダンスを検知する。センサ回路は、第１モードおよび第２モードのいずれか一方のモードによって動作し、それぞれの異なるモード（第１モードおよび第２モード）は、異なる感度レンジを有している。
【００５０】
図６は、電圧書き込み回路１２０の１つの設計例を示す。当該電圧書き込み回路は、以下の１〜３の構成要素、
１．第１のアナログスイッチ１２２、
２．第２のアナログスイッチ１２４、
３．メモリ素子８８、
を含む。
【００５１】
電圧書き込み回路１２０は、次のように接続されている。入力ＤＡＴＡは、メモリ素子８８の入力ＤＡＴＡに接続されている。入力ＥＮＡＢＬＥは、メモリ素子８８の入力ＥＮＡＢＬＥに接続されている。
【００５２】
メモリ素子８８の出力ＯＵＴは、第１のアナログスイッチ１２２のｎ型トランジスタのゲートと、第２のアナログスイッチ１２４のｐ型トランジスタのゲートとに接続されている。
【００５３】
メモリ素子８８の反転出力ＯＵＴＢは、第２のアナログスイッチ１２４のｎ型トランジスタのゲートと、第１のアナログスイッチ１２２のｐ型トランジスタのゲートとに接続されている。
【００５４】
供給電圧波形Ｖ１は、第１のアナログスイッチ１２２の入力に接続されており、供給電圧波形Ｖ２は、第２のアナログスイッチ１２４の入力に接続されている。ここで、Ｖ１およびＶ２は、いずれもアレイにおける全ての素子に共通であってよい。
【００５５】
第１のアナログスイッチ１２２の出力は、第２のアナログスイッチ１２４の出力に接続されている。なお、第２のアナログスイッチ１２４は、電圧書き込み回路１２０の出力ＯＵＴに接続されている。
【００５６】
メモリ素子８８は、データ電圧を保持可能な標準的な手段としての電子回路（例えば、公知のダイナミックランダムアクセスメモリ（ＤＲＡＭ）セル、または、スタティックランダムアクセスメモリ（ＳＲＡＭ）セル）でよい。
【００５７】
電圧書き込み回路１２０の動作は、次に説明する通りである。すなわち、公知の標準的な手段によって、デジタルデータがメモリ素子８８に書き込まれる。ここで、当該デジタルデータの各ビットは「１」または「０」であり、各ビットは、入力ラインＤＡＴＡにプログラムされた高電圧レベルまたは低電圧レベルにそれぞれ対応する。
【００５８】
入力ＥＮＡＢＬＥが一時的に駆動された場合、データがメモリセルに書き込まれる。そして、入力ＤＡＴＡの電圧レベルにかかわらず、ＥＮＡＢＬＥが再度駆動されるまで、データは当該メモリセルに保持される。このように、アレイに含まれるそれぞれの素子に、データが順次書き込まれる。
【００５９】
アレイ素子に「１」が書き込まれた場合、メモリ素子８８の出力ＯＵＴは高電圧レベルにあり、メモリ素子８８の出力ＯＵＴＢは低電圧レベルにある。従って、当該状況においては、第１のアナログスイッチ１２２がオンになり、第２のアナログスイッチ１２４がオフになる。これにより、電圧信号Ｖ１が、電圧書き込み回路１２０の出力ＯＵＴに接続される。
【００６０】
アレイ素子に「０」が書き込まれた場合、メモリ素子８８の出力ＯＵＴは低電圧レベルにあり、メモリ素子８８の出力ＯＵＴＢは高電圧レベルにある。従って、当該状況においては、第１のアナログスイッチ１２２がオフになり、第２のアナログスイッチ１２４がオンになる。これにより、電圧信号Ｖ２が、電圧書き込み回路１２０の出力ＯＵＴに接続される。
【００６１】
すなわち、電圧書き込み回路１２０の全機能は、メモリ素子８８に書き込まれ、保持されたデータに応じて、信号Ｖ１または信号Ｖ２のいずれか一方を、電圧書き込み回路１２０の出力ＯＵＴに接続する。
【００６２】
図５に示されたアレイ素子回路８４の動作を考慮すれば、アレイ素子電極３８と上層基板３６の上層基板電極２８との間に、電気的な負荷５６が存在することに注意されたい。これについては、図７および図８を参照して後述する。
【００６３】
図７は、アレイ素子電極３８の位置に液滴４が存在する場合における、電気的な負荷５６Ａの電気的な表現を示す。値ＣＤＲＯＰを有するキャパシタ４８と並列に接続された、値ＲＤＲＯＰを有する抵抗５０によって、液滴４自体が近似的に表現できる。
【００６４】
これらの液滴は、誘電絶縁体２０と、疎水層１６および２６（例えば、図４参照）と、に直列に接続されている。ここで、図７においては、これらは値Ｃｉを有する絶縁キャパシタ４６によって、包括的に電気的に表現されている。
【００６５】
多くの状況下においては、液滴抵抗ＲＤＲＯＰは、比較的小さく、電気的な負荷５６Ａの全ての負荷のインピーダンスは、キャパシタＣｉのインピーダンスに近似するという、単純化した仮定を設定可能である。
【００６６】
図８は、アレイ素子の位置に液滴４が存在しないという別の状況における、電気的な負荷５６Ｂを示す。当該状況において、疎水層１６および２６の空隙は、非イオン流体３４（例えば、オイルであってよい）で満たされている。この空隙が、値Ｃｇａｐを有するキャパシタ５４によって電気的に示されている。
【００６７】
従って、この場合において、全ての電気的な負荷は、キャパシタＣｇａｐ５４と直列に接続されたキャパシタＣｉを構成している。セルギャップの寸法は、誘電絶縁体の寸法を大きく超過することが殆どであるため、電気的な負荷５６Ｂの全ての静電容量は、Ｃｇａｐに近似する。
【００６８】
キャパシタ素子５８等のアクティブ素子は、後述する構成および機能を備えたアクティブ（半導体）キャパシタである。図９は、薄膜トランジスタの製作に用いられる薄膜プロセスにおいて、アクティブキャパシタを実装する一例を示す。
【００６９】
キャパシタの正極７０（＋）および当該キャパシタの上側表面を形成するために、第１の導電層６９（例えば、金属）が用いられる。また、上記キャパシタの負極６０（−）を形成するために、第２導電層の６１が用いられる。装置の精密な構成および製造工程の詳細によって決定されるように、同一の、または異なる蒸着層によって、導電層６１および６９は形成されてよい。
【００７０】
導電層６１は、コンタクトホール６４を介して、高濃度ドープ半導体（例えば、ｎ＋シリコン）６２の領域に接続されている。高濃度ドープ半導体６２は、キャパシタの下側表面を形成する低濃度ドープ半導体（例えば、ｎ−シリコン）領域６６に空間的に接触している（すなわち、接続するように配置されている）。
【００７１】
半導体領域がｎ型材料で形成されている場合において、上述の構造によって形成されるアクティブキャパシタ５８の動作を、以下に説明する。
【００７２】
当該装置の正極と負極との電位差（Ｖ＋−と記載する）が、所定の閾値電圧Ｖｔｈ（Ｖｔｈは、低濃度ドープ半導体領域６６におけるｎ−ドーパント濃度の関数である）を超過した場合には、低濃度ドープ半導体領域６６は、電子を蓄積し、導電領域を形成する。
【００７３】
この結果、静電容量は、大きな値ＣＡＣＣＵＭとなる。ここで、当該静電容量の値は、キャパシタ表面と、導電層６９から低濃度ドープ半導体領域６６を分離する誘電絶縁層６７の厚みとの間の重複部分に、主に依存する。
【００７４】
電位差Ｖ＋−が、閾値電圧Ｖｔｈよりも小さい場合には、低濃度ドープ半導体領域６６において、電荷のキャリアが枯渇する。この結果、当該装置の構造において依存関係を有する構成に応じて、上述の静電容量は、微小な値ＣＤＥＰまで降下する。
【００７５】
図１０には、当該装置において生じた、静電容量−電圧の特性７１が、グラフとして示されている。適切な設計を行うことにより、比ＣＡＣＣＵＭ／ＣＤＥＰを非常に高い値とすることができる（通常、１０または１００、もしくはそれ以上の倍率となる）。
【００７６】
高濃度ドープ半導体領域６２がＰ＋ドープ物質であり、低濃度ドープ半導体領域６６がＰ−ドープ物質である場合には、アクティブキャパシタは、図９に示された構造からも実現されると理解されてよい。
【００７７】
Ｖ＋−が閾値電圧Ｖｔｈを下回り、低濃度ドープ半導体領域６６が電荷のキャリア（この場合にはホール）を蓄積する場合には、上述の静電容量は、Ｖ＋−≧Ｖｔｈの条件において高い値ＣＡＣＣＵＭを有し、Ｖ＋−≦Ｖｔｈの条件において低い値ＣＤＥＰを有する、という点を除けば、当該装置の動作は、前述した動作と非常に類似する。
【００７８】
本実施の形態においては、ｎ型半導体材料を用いてアクティブキャパシタ５８を構成することが想定されているが、当該装置への端子接続を反転させることによって、ｐ型半導体材料を用いて構成されたアクティブキャパシタも同様に用いることができる。
【００７９】
アレイ素子回路８４の動作を、以下に説明する。当該アレイ素子回路は、本質的に次の２つの機能、
１．アレイ素子電極３８に駆動電圧を書き込む機能、
２．アレイ素子電極３８に存在するインピーダンス（静電容量）を検知する機能、
を有する。
【００８０】
電極３８に駆動電圧を書き込む方法は、基本的には、米国特許第８１７３０００号明細書の背景技術欄に記載されている通りであるが、以下に簡単に説明する。
【００８１】
前述したように、書き込み回路は、第１電圧または第２電圧のうちの一方に対応するデジタルデータ入力を受け付けるように構成されたメモリ素子を含む。ここで、第１電圧は、高い電圧値をとる第２電圧と比べて低い電圧値であってもよい。
【００８２】
デジタルデータ入力が第１電圧に対応し、スイッチトランジスタ６８がオンになった場合には、書き込み回路は、さらにアレイ素子電極３８に電圧信号Ｖ１を出力する。
【００８３】
また、デジタルデータ入力が第２電圧に対応し、スイッチトランジスタ６８がオンになった場合には、書き込み回路は、アレイ素子電極３８に電圧信号Ｖ２を出力する。電圧信号Ｖ２は、上層電極３８にも接続されている。
【００８４】
従って、上述の２つの場合のそれぞれにおいて、アレイ素子電極３８と電極２８との間において蓄えられた電圧は、
・０（第１電圧が上記メモリ素子に書き込まれる場合）、
・Ｖ１−Ｖ２（上記第２電圧が上記メモリに書き込まれる場合）、
のいずれかとなる。
【００８５】
エレクトロウェッティング電圧ＶＥＷ（アレイ素子の位置に存在する液滴を動かすために用いられる電圧）に対応するように、電圧Ｖ１−Ｖ２は設定されてよい。
【００８６】
原理上は、Ｖ１およびＶ２はＤＣ電圧源（例えば、＋１０Ｖおよび−１０Ｖ）であってもよいが、Ｖ１およびＶ２が互いに逆位相の矩形波になる場合があるため、実際には、ＡＣ駆動法が好まれることが通常である。
【００８７】
図６ｂは、一般的に採用される電圧信号Ｖ１およびＶ２の一例についての時間依存性を示す。Ｖ１は時間間隔ｔ０において振幅ＶＢを有する矩形波であり、Ｖ２はＶ１の反転論理である。
【００８８】
従って、第１電圧がメモリ素子に書き込まれる場合には、エレクトロウェッティング電圧ＶＥＷは、振幅ＶＢの矩形波となる。なお、可能なＡＣ波形および駆動スキームに関する記載およびそれらの効果は、米国特許第８１７３０００号明細書の背景技術欄に開示されている。
【００８９】
従って、アレイをホールとみなした場合、当該アレイに含まれる各素子のメモリ素子に、適切な電圧データのパターンを書き込むことによって、アレイに含まれる各素子の上記メモリ素子に、任意のデータのパターンがプログラムされる。
【００９０】
その結果、当該アレイに含まれる素子のアレイ素子電極３８には、同一の任意パターンを有する電圧波形が印加される。すなわち、電圧信号Ｖ１を有するアレイ素子が存在、また、電圧信号Ｖ２を有するアレイ素子も存在する。
【００９１】
その結果、いくつかのアレイ素子が書き込みデータのパターンに応じて駆動され、アレイ素子電極３８と基板電極２８との間に、エレクトロウェッティング電圧ＶＥＷが印加される。一方、他のアレイ素子は駆動されず、アレイ素子電極３８および基板電極２８との間の電位差が０Ｖになる。
【００９２】
従って、適切なデータのパターンを与えることにより、アレイに含まれる液滴を任意に操作できる。例えば、ある液滴を、アレイの異なる素子の間を移動する他の液滴と、混合および統合することができる。または、ある液滴を、分裂によって生じる２つ以上に液滴に分離することができる。
【００９３】
上述のように液滴を移動させる制御を行うために、適切なデータのパターンを用いる方法に関する説明、および、当該制御に際して、化学反応を生じさせる、または、化学分析または生化学分析を行うために、液滴を構成する方法に関する説明については、R. B. Fair, Microfluid Nanofluid (2007) 3:245-281、米国特許第６５６５７２７号明細書、米国特許第６９１１１３２号明細書、および、米国特許第６５６５７２７号明細書等を含め、幅広い先行文献に記載されている。
【００９４】
アレイ素子電極３８に存在するインピーダンスを検知する方法は、米国特許出願公開第２０１２／０００７６０８号明細書（本背景技術においても述べている）に説明されている方法の１つを用いる。
【００９５】
本発明に係るインピーダンスを検知する方法は、従来においては説明されてこなかった新規かつ進歩的な特徴をさらに含む。特に、本発明は、２つ以上の異なる動作レンジにおいてインピーダンスを検知する方法を含むため、複数のレンジにおけるセンサ（マルチレンジセンサ；multi range sensor）を実現できる。
【００９６】
米国特許出願公開第２０１２／０００７６０８号明細書に詳細が述べられているような、インピーダンスを検知する基本方法については、図１１に示されるタイミング図を参照しながら、以下のように要約できる。
【００９７】
１．検知動作の開始時において、Ｖ１およびＶ２の両方を、同一の電圧ＶＩＮＩに設定する。図１１に示されるように、当該電圧は、エレクトロウェッティングに用いられる低レベル、エレクトロウェッティングに用いられる高レベル、または、他のＤＣレベルであってよい。
【００９８】
２．検知された行の選択ラインＳＥＬを、低電圧に切り替える。これにより、スイッチトランジスタ６８はオフになり、電圧信号Ｖ１およびＶ２の両方からアレイ素子電極３８は電気的に絶縁する。ここで、ＳＥＬが低電圧になる直前に、アレイ素子電極３８に書き込まれた電圧（アクティブキャパシタ５８に蓄積されたもの）を、ＶＩＮＩとする。
【００９９】
３．リセットＲＳＴ接続が高電圧値をとると、第２のトランジスタ４４がオンになる。この結果、電圧源ＶＲＳＴは、電位ＶＲＳＴに蓄電／放電された第１のトランジスタ９４のゲートに接続され、当該ノードの電圧を初期化する。そして、リセットＲＳＴ接続は、再度低電圧値をとり、第２のトランジスタ４４をオフにする。
【０１００】
４．行選択ラインＲＷＳにおける行選択電圧は、ＶＲＷＳＬの初期値から開始し、より高い値ＶＲＷＳＨに至るように、高い値をとる。ここで、電圧の変化量をΔＶＲＷＳとする。所定の時間ｔＲＷＳが経過すると、行選択ラインＲＷＳの電圧は、初期値ＶＲＷＳＬに戻る。
【０１０１】
選択ラインＳＥＬ、リセットＲＳＴ接続、および、行選択ラインＲＷＳに供給される電圧信号は、行駆動回路７６によってすべて生成され、アレイの同一行に含まれるそれぞれのアレイ素子に対応する接続に、共通信号が供給される。
【０１０２】
ＲＷＳパルスが駆動される時間ｔＲＷＳの期間中、アレイ素子電極３８における電気的な負荷に応じた規模で、他の回路ノードにおいて電圧が摂動する。これは以下のように説明される。
【０１０３】
１．導電性の液滴４が電極に存在する場合には、電気的な負荷５６Ａは、静電容量Ｃｌに概ね等しく、アレイ素子電極３８における電圧は、概ね以下の通りとなる。
【０１０４】
【数１】
2014109581.tif 000003
【０１０５】
また、第１のトランジスタ９４のゲートにおける電圧は、概ね以下の通りとなる。
【０１０６】
【数２】
2014109581.tif 000004
【０１０７】
ここで、Ｃｓはアクティブキャパシタ５８の静電容量であり、Ｃｃはキャパシタ４０の静電容量であり、ＣＰＡＲは第１のトランジスタ９４のゲートに存在する寄生容量（例えば、トランジスタ９４および４４の寄生容量によるもの）である。
【０１０８】
通常、Ｃｌ＞Ｃｓであり、第１のトランジスタ９４のゲートにおける電圧が、ＶＲＳＴの初期値から変化する量は、比較的小さい。
【０１０９】
２．導電性の液滴４がアレイ素子電極３８に存在しない場合には、電気的な負荷５６Ｂは、概ね静電容量Ｃｇａｐに等しく、アレイ素子電極３８における電圧は、概ね以下の通りとなる。
【０１１０】
【数３】
2014109581.tif 000005
【０１１１】
また、第１のトランジスタ９４のゲートにおける電圧は、概ね以下の通りとなる。
【０１１２】
【数４】
2014109581.tif 000006
【０１１３】
通常、Ｃｓ＞＞Ｃｇａｐであるため、初期値ＶＲＳＴからのノードの電圧摂動は、比較的大きい。
【０１１４】
上述の２つの場合において、第１のトランジスタ９４のゲートにおける電圧は、アレイ素子電極３８に最初に書き込まれた電圧ＶＩＮＩに依存しないことに注意されたい。
【０１１５】
従って、第１のトランジスタ９４のゲートにおける電圧は、行選択の電圧パルス期間にトランジスタがオンになる範囲、および、第１のトランジスタ９４を通る出力電流の大きさを決定する。
【０１１６】
アレイ素子電極３８に液滴４が存在する場合には、第１のトランジスタ９４の出力電流は比較的小さい。一方、アレイ素子電極３８に液滴４が存在しない場合には、第１のトランジスタ９４の出力電流は比較的大きい。
【０１１７】
第１のトランジスタ９４は、自身のソースと接地端子との間を適切な抵抗によって接続することにより、増幅器の入力装置（例えば、ソースフォロアー）として構成されてよい。これは、例えば、米国特許出願公開第２０１２／０００７６０８号明細書に記載されているような列増幅器回路において、アレイ素子回路に外部から実装されてよい。
【０１１８】
アレイ素子電極３８に液滴４が存在しない場合には、アレイ素子電極３８に存在する負荷５６が、図８に示されるものとは有意に異なるという特定の状況が生じ得る。このとき、総静電容量はＣｇａｐにならない。特に、疎水性の表面１６の電気的な特性に変化が生じた場合に、アレイ素子電極３８に存在する負荷５６は変化する。
【０１１９】
上述の変化は、より早い時間にアレイ素子の位置を液滴４が横断した場合に、疎水性の表面１６に生体分子（例えば、タンパク質およびＤＮＡ等）が付着することによって起こり得る。例えば、上述の生体分子は、疎水性の表面に吸収される帯電した化学種を含むため、自身の電気的な特性が変更される。より具体的には、生体分子自身の導電性が増す。
【０１２０】
また、アレイにおいて、隣接するアレイ素子の間の側面縁の静電容量が影響を受けるため、疎水性の表面１６の導電性に生じた上述の変化によって、電気的な負荷５６も変化する。
【０１２１】
従って、ＡＭ−ＥＷＯＤのセンサ機能を用いて、疎水性の表面の電気的な特性の変化を検知することが可能である。また、当該変化を検知することが望ましい場合がある。
【０１２２】
しかし、米国特許出願公開第２０１２／０００７６０８号明細書を参照して背景技術において説明したように、従来のアレイ素子回路によれば、高感度で変化を検出することは困難である。キャパシタＣｓのサイズが大きすぎることにより、疎水性の表面における変化に伴う静電容量のさらに微小な変化の検知が促進されないことが主な原因である。
【０１２３】
アレイ素子回路８４に対する各構成要素のサイズを選択する場合、従来のキャパシタよりも小さくしたサイズが、キャパシタＣｓの最適なサイズとなるが、そのサイズは、通常、Ｃｌのサイズと同じオーダーでよいと理解される。
【０１２４】
そのようなＣｓの値（数百フェムトファラドから数ピコファラドまでのレンジになり得る）は、疎水性の表面１６に対する変化を伴う、静電容量のさらに微小な変化の検知を促進するには大きすぎることが、情実の〔数４〕を参照すれば容易に理解される。
【０１２５】
すなわち、Ｃｓは、Ｃｇａｐ（数フェムトファラドまたは数十フェムトファラドになることが通常である）よりも遙かに大きいため、Ｃｇａｐの値がその規模で変化しても、第１のトランジスタ９４のゲートにおける電圧の変化は、ほとんど無視できるほど小さくなる。
【０１２６】
従って、米国特許出願公開第２０１２／０００７６０８号明細書を参照して背景技術において説明した従来のアレイ素子回路は、疎水性の表面１６に対する変化に伴う負荷５６の微小な変化について、十分な感度を有さない。
【０１２７】
本発明によれば、前述したように、静電容量Ｃｓを有するキャパシタ５８がアクティブ（半導体）キャパシタとして実現される。その結果、当該キャパシタのプレート間においてＤＣ電圧が変更されることにより、静電容量Ｃｓの値が変化する。これにより、以下の２つの方法、
１．ＲＷＳに与えられる電圧信号のＤＣレベルを修正する、
２．ＶＩＮＩの値を修正する、
のいずれか一方が実現される。
【０１２８】
以下では、方法１（ＲＷＳに与えられる電圧信号のＤＣレベルを修正する）を用いるものとする。方法２（ＶＩＮＩの値を修正する）をどのように用いるかについては後述する。
【０１２９】
図１２は、ＲＷＳ接続に与えられる電圧波形の一例を示す。閾値電圧Ｖｔｈを有するｎ型のセミコンダクタ材料によって、アクティブキャパシタ５８を構成する一例が考えられる。アクティブキャパシタ５８の静電容量Ｃｓは、２つの値で切り替えられ、少なくとも、第１モードの感度（例えば、通常（低感度））または第２モードの感度（例えば、高感度）のうちのいずれか一方において、以下のように動作する。
【０１３０】
上記の例においては、高感度または低感度のように上記感度を説明したが、より幅広く、第１モードの感度は、第２モードの感度と異なっていればよい。
【０１３１】
通常（より低感度な）モードで動作する場合、電圧パルスＶＲＷＳ１が適用される（図１２）。ここで、低レベルはＶＲＷＳＬ１であり、高レベルはＶＲＷＳＨ１である。これらの電圧レベルは、以下のように選択される。
【０１３２】
【数５】
2014109581.tif 000007
【０１３３】
かつ、
【０１３４】
【数６】
2014109581.tif 000008
【０１３５】
結果として、アクティブキャパシタ５８のプレート間の電圧は常にＶｔｈを超過し、これにより、静電容量ＣｓがＣＡＣＣＵＭと等しくなる。ＣＡＣＣＵＭが液滴の静電容量を検知する動作のための優れた範囲を与える最適値となるように、キャパシタＣｓは設計されてよい。
【０１３６】
通常、ＣＡＣＣＵＭは、Ｃｌの値の１０％から１００％までの間となるように設計されてよい。液滴の存在または不在を検知すること、および、液滴４によって覆われるアレイ素子電極３８の一部分を計測することに、通常モードの動作が特に適していることが理解される。
【０１３７】
高感度モードで動作する場合、電圧パルスＶＲＷＳ２が適用される（図１２）。ここで、低レベルはＶＲＷＳＬ２であり、高レベルはＶＲＷＳＨ２である。これらの電圧レベルは、以下のように選択される。
【０１３８】
【数７】
2014109581.tif 000009
【０１３９】
かつ、
【０１４０】
【数８】
2014109581.tif 000010
【０１４１】
結果として、アクティブキャパシタ５８のプレート間の電圧は常にＶｔｈを下回り、これにより、静電容量ＣｓがＣＤＥＰと等しくなる。通常、ＣＤＥＰは、ＣＡＣＣＵＭの値よりも小さいもの（１０％またはそれ以下）となるように設計される。
【０１４２】
従って、回路がこのモードで動作する場合には、上述の〔数４〕からも明らかであるように、アレイ素子電極３８に存在する負荷５６に微小な変化が生じたことに対して、非常に高感度となる。高感度モードにおける動作は、例えば、疎水性の表面１６の電気的な特性の変動によって生じる負荷５６の微小な変化を検知することに、特に適していることが理解される。
【０１４３】
なお、様々な標準的な手法のうちの任意の１つ（例えば、抵抗ブリッジ回路や、標準レベルのシフト回路）を用いることによって、行選択の接続に与えられる電圧パルスのＤＣオフセットを変化させる方法については、当業者に明らかである。例えば、行駆動回路７６におけるアレイ素子に、これらは外部的に最適実装される。
【０１４４】
上述の特徴によれば、一般的に、センサ回路はアクティブ素子を含み、感度が第１モードの場合と感度が第２モードの場合とで、当該アクティブ素子の静電容量が異なる。ＡＭ−ＥＷＯＤ装置は、アクティブ素子に電圧を入力する行選択ラインＲＷＳをさらに含む。
【０１４５】
ここで、センサ回路のモードは、行選択ラインの電圧に基づいて設定される。特に、アクティブ素子に含まれる静電容量は、行選択ラインの電圧レベルを切り替えることによって、第１モードと第２モードとの間で切り替えられる。
【０１４６】
この点について、アクティブ素子の静電容量は、行選択ラインＲＷＳの電圧レベルと、アレイ素子のエレクトロウェッティング駆動電極３８の電圧レベルとの間の電位差に基づいて決定される。
【０１４７】
従って、感度が第１モード（通常または低感度）の場合と、感度が第２モード（高感度）の場合とで、アクティブ素子の静電容量は異なる。当該アクティブ素子は、アクティブキャパシタであってよい。
【０１４８】
第１モードの感度の場合には、アクティブキャパシタは第１の静電容量を有し、第２モードの感度の場合には、アクティブキャパシタは第２の静電容量を有する。ただし、第１の静電容量は、第２の静電容量より大きい。
【０１４９】
図１３は、アレイ素子回路が検知動作を行った場合のシミュレーション結果の一例を示す。シミュレーションにおいて、アレイ素子電極３８に存在する電気的な負荷５６が変化し、（第１のトランジスタ９４のソースにおける）センサ出力電圧が、負荷キャパシタンスの関数として計算される。
【０１５０】
ｘ軸において示される負荷キャパシタンスは、静電容量Ｃｌの割合として表される。蓄電モードおよび放電モードにおけるアクティブキャパシタ５８の値（すなわち、それぞれＣＡＣＣＵＭおよびＣＤＥＰ）が選択され、通常モードが、アレイ素子電極３８に存在する任意の液滴の一部検知に適したものとなり、高感度モードが微小な静電容量を検知可能なものとなる。
【０１５１】
通常モードおよび高感度モードのそれぞれにおいて、正しい動作が行われるために、電圧の条件は、初期電圧ＶＩＮＩの関数となることに注意されたい。アレイ素子回路のメモリ８８に書き込まれたデータに関わらず、全てのアレイ素子について、ＶＩＮＩを単一の値に書き込めば簡便である。
【０１５２】
このため、すべての値ＶＩＮＩにおける適切な動作に矛盾しないように、２つの動作モードの間の電位差（ＶＲＷＳＬ２−ＶＲＷＳＬ１）におけるステップを減らすことが望まれる。
【０１５３】
ＳＥＬ電圧の入力が低くなる直前に、同一のＤＣレベルにＶ１およびＶ２の両方の電圧レベルを設定し、ＳＥＬが再度高くなった時に、Ｖ１およびＶ２を普段のレベル（ＥＷＯＤ駆動に釣り合うもの）に設定することによって、ＶＩＮＩは一定値に初期化される。
【０１５４】
この動作を実行することによって、検知動作の間にＥＷＯＤ駆動電圧がオフになるという若干の不利益があるが、検知動作に必要となる時間は、一般的に非常に短い（通常、１０マイクロ秒である）ため、液滴の駆動において無視できる程度の不利益であることが理解される。従って、当該不利益はわずかなものである。
【０１５５】
上述したように、アクティブキャパシタ５８の静電容量は、自身端子間の電圧によって決定される。上述の検知動作において、行選択（ＲＷＳ）信号（方法１）を適用した電圧信号のＤＣオフセット電圧を調整することによって、動作が２つのモードの間において、電位差は変化する。
【０１５６】
上述したように、ＶＩＮＩの値を変化させることによって、アクティブキャパシタ５８の電圧に影響を与えることも可能であり、回路の動作を通常モードと高感度モードとで変化させるための代替手段となる。
【０１５７】
より具体的には、通常モードと高感度モードとの間でＶＩＮＩの値を変化させることによって、動作が通常モードである場合と高感度モードである場合との間で、アクティブキャパシタ５８の静電容量が調整される。一方、ＲＷＳ電圧信号の高レベルおよび低レベル（それぞれＶＲＷＳＨおよびＶＲＷＳＬ）をそのままにした場合、両モードの動作は同じである。
【０１５８】
この場合、以下の条件を満たすように選ばれた値ＶＩＮＩＨにＶＩＮＩを設定することによって、通常モードが実現される。
【０１５９】
【数９】
2014109581.tif 000011
【０１６０】
また、以下の条件を満たすように選ばれた値ＶＩＮＩＬにＶＩＮＩを設定することによって、高感度モードが実現される。
【０１６１】
【数１０】
2014109581.tif 000012
【０１６２】
電圧駆動回路およびインピーダンスのデュアルレンジモードが、当該装置において実現されることが、本発明および本実施の形態の利点である。
【０１６３】
液滴駆動回路は、背景技術の参考文献において説明したように、標準的なＡＭ−ＥＷＯＤ装置の動作と同様の任意の方式により、アレイに含まれる１つ以上の液滴を操作するために用いられてもよい。
【０１６４】
通常または低感度モードにおいて、アレイ素子電極３８の位置において液滴４の存在または不在を検知するために、センサは非常に適している。液滴を検知する機能を提供することには大きな利点があり、多くの実用が考えられる。
【０１６５】
例えば、アレイに含まれる１つ以上の液滴の位置を判定するために、液滴を検知する機能を用いることができる。従って、検知機能からのフィードバックと組み合わせて動作するように、液滴駆動回路は構成されてよい。
【０１６６】
このとき、液滴の操作（例えば、移動または分割）は、適切なデータの電圧パターンを適用することによってプログラムされ、液滴センサは、所望の操作が正確に実行されたか否かを検証するために用いられる。
【０１６７】
液滴のサイズを計測するために、上述の検知機能をさらに応用できる。これはセンサのアナログな特性により実現でき、これにより、アレイ素子のどの部分が、液滴の全体または一部と接触しているかを検知可能となる。
【０１６８】
また、出力センサデータを受信し、処理するコンピュータプログラムとして、適切な数学的アルゴリズムを実装できる。当該アルゴリズムは、例えば、液滴４が占める面積に対応するアレイ素子であって、接触して隣接するアレイ素子の数に対する、全てのセンサの反応を統合する。従って、当該アルゴリズムは、疎水層２６に含まれる液滴４の総接触領域を判定できる。これにより、液滴４のサイズを判定できる。
【０１６９】
上述したように、センサ機能は、通常モードまたは低感度モードにおいて動作するだけでなく、高感度モードにおいても動作するように設計されている。高感度モードにおいては、アレイ素子電極３８における静電容量の微小な変化を検知することが可能な程度まで、当該センサは非常に高感度である。
【０１７０】
従って、当該モードにおいて、液滴が存在しない疎水性の表面１６の電気的な特性の変化を検知するのに適している。電気的な特性の変化は、例えば、生体分子が疎水性の表面１６に吸収されることによって生じる。なお、高感度モードのさらなる応用例および効果については、後述する実施の形態において説明する。
【０１７１】
本実施の形態に係るさらなる効果は、アレイ素子回路８４に新たに回路を追加することなく、デュアルレンジモード（すなわち、センサが高感度モードおよび低感度モードの両方を有すること）を、アレイ素子回路８４のそれぞれの素子において実現できることである。
【０１７２】
唯一の追加設計は、ＲＷＳパルスを供給する行駆動回路７６を設計することであるが、これは標準的手段であり、実装においてささいな問題にすぎない。アレイ素子回路８４に搭載する回路の数を最小化し、アレイ素子のレイアウト面積を最小化し、装置の信頼性と生産量とを最大化することは、強く望まれているため、当該効果は非常に重要である。
【０１７３】
アレイ素子回路８４に含まれる回路の数を最小化することにより、標準的なＴＦＴプロセスにおける回路の一設計例において、当該回路が占める物理的なレイアウト領域を、合理的に小さく保つ（例えば、２００μｍ×２００μｍ）ことができるため、高い空間分解能を有するアレイが実現可能となる。
【０１７４】
適切に操作可能な液滴の最小サイズは、概ねアレイ素子のサイズである。アレイ素子のサイズを小さく維持すれば、液滴の最小サイズも小さくなる。これは、デジタルポリメラーゼ連鎖反応（デジタルＰＣＲ）または液滴に含まれる細胞の複製および培養によるＤＮＡの複製を含む、ある特定の応用に有利である。
【０１７５】
例えば、論理制御パルスの状態を変化させることによって、動作が通常モードの場合と動作が高感度モードの場合とで切り替え可能となるように、装置を設計できる点に、さらなる利点がある。
【０１７６】
多くの変形例をアレイ素子回路８４に実現できることは、当業者にとって明らかであろう。例えば、アクティブキャパシタ５８の端子を入れ替え、行選択パルスＶＲＷＳ２が動作の通常モードを示し、ＶＲＷＳ１が高感度モードを示すようにすることも可能である。同様に、すでに説明したように、アクティブキャパシタ５８を、ｐ型のアクティブキャパシタとして実装することも可能である。
【０１７７】
また、ＶｔｈがＶＲＷＳＬとＶＲＷＳＨとの間の値をとるように、電圧パルスＶＲＷＳの高レベルおよび低レベルが選ばれることも理解される。この場合には、ＲＷＳにおける電圧レベルが変化するように、アクティブキャパシタ５８に与えられる電圧に応じて、アクティブキャパシタ５８の静電容量が変化する。
【０１７８】
また、この場合には、静電容量の実効値はＣＳ０となる。当該実効値は、ＣＤＥＰとＣＡＣＣＵＭとの間の値である。ＣＳ０の値は、ＣＤＥＰおよびＣＡＣＣＵＭ、電圧レベルＶＲＷＳＬおよびＶＲＷＳＨ、閾値電圧Ｖｔｈ、ならびに、ＣＤＥＰとＣＡＣＣＵＭとの間における電圧特性に対する静電容量の変化勾配に依存する。電圧レベルを選択することによって、第１のトランジスタのゲートにおける電圧が、前述した〔数４〕においてＣｓ＝Ｃｓ０となる中間的な第３の感度幅を実現可能である。
【０１７９】
図１４は、本発明の第２の実施の形態に係るアレイ素子回路８４を示す。本実施の形態は、アクティブ素子として代替的な素子が用いられる点を除いて、第１の実施の形態と同様である。具体的には、アクティブ素子としてのアクティブキャパシタ５８が、ｎ型トランジスタ１３０に置き換えられている。
【０１８０】
ソースおよびドレインがアレイ素子電極３８に接続され、ゲートが行選択パルスＲＷＳに接続されるように、ｎ型トランジスタ１３０は接続される。第２の実施の形態に係るアレイ素子回路８４は、トランジスタ１３０がアクティブキャパシタの機能を発揮し、第１の実施の形態において対応する回路とまさに同様の方式により動作する。
【０１８１】
ゲート端子と、トランジスタ１３０のソース端子およびドレイン端子の少なくとも１つとの間の電位差がＶｔｈを超過する場合には、トランジスタ１３０のチャネルが電荷のキャリアを蓄積し、ゲートと、ソースおよびドレイン端子の少なくとも１つとの間の静電容量が、第１の静電容量ＣＡＣＣＵＭに達する。
【０１８２】
一方、ゲート端子と、トランジスタ１３０のソース端子およびドレイン端子の少なくとも１つとの間の電位差がＶｔｈを下回る場合には、トランジスタ１３０のチャネルは電荷のキャリアを使い果たし、ゲートと、ソースおよびドレイン端子の少なくとも１つとの間の静電容量が、第２の静電容量ＣＤＥＰに至る。
【０１８３】
ここで、第１静電容量ＣＡＣＣＵＭは、第２静電容量ＣＤＥＰよりも大きい。ＣＡＣＣＵＭおよびＣＤＥＰのサイズおよび相対的なサイズは、トランジスタ１３０の長さＬおよび幅Ｗを拡縮することによって決まる。ＣＡＣＣＵＭはＬとＷとの積に関して概ね線形であり、ＣＤＥＰはＷに関して概ね線形である。
【０１８４】
本実施の形態の利点は、薄膜の設計プロセスにおいて通常利用可能となる、完全に標準的なコンポーネントに、アレイ素子回路を実装できることである。本実施の形態の変形的な設計も可能である（例えば、ｐ型デバイスと同様に、ｎ型トランジスタ１３０でも実現できる）ことは、当業者に明らかである。
【０１８５】
図１５は、本発明の第３の実施の形態に係るアレイ素子回路を示す。本実施の形態は、若干異なる態様でｎ型トランジスタ１３０が接続されている点を除いて、第２の実施の形態と同様である。
【０１８６】
トランジスタ１３０のドレインはアレイ素子電極３８に接続され、トランジスタ１３０のソースはスイッチトランジスタ６８のドレインに接続されている。本実施の形態に係るアレイ素子回路の動作は、第２の実施の形態のそれと本質的に同一である。
【０１８７】
ただし、トランジスタ１３０がアクティブキャパシタとしての機能を再度果たす。ここで、ＲＷＳ電圧パルスの開始時および終了時の両方において、トランジスタ１３０のソースおよびドレインは、概ね同電位となると仮定する。これにより、アクティブキャパシタとしてのトランジスタ１３０の動作は、本発明の第２の実施の形態において説明したものと本質的に同一である。
【０１８８】
一方で、トランジスタ１３０がオフになり、チャネルが電荷のキャリアを使い果たした場合、空乏層の静電容量ＣＤＥＰの値は、トランジスタ１３０のゲートとアレイ素子電極３８との間で実現され、第２の実施の形態における値よりも小さくなることが、本実施の形態の利点である。
【０１８９】
これは、トランジスタ１３０のゲートとドレインとの間の静電容量の成分は、トランジスタ１３０のゲートとドレインとの間の空乏層の静電容量ＣＤＥＰに寄与しないからである。ここで、トランジスタ１３０がオフの場合には、高感度モードにおいて、トランジスタ１３０のドレインおよびソースは、他方から電気的に隔離されている。ある特定の応用においては、比ＣＡＣＣＵＭ／ＣＤＥＰを最大化し、これにより高感度モードにおける感度が最大化されることが好ましいため、これは利点となる。
【０１９０】
図１６は、第４の実施の形態に係るアレイ素子回路を示す。本実施の形態は、追加されたアクティブキャパシタ装置５９ＣＳ２が、アレイ素子電極３８とＲＷＳとの接続の間に、接続されている点を除いては、第１の実施の形態と同様である。この場合、総静電容量は、ＣＳＴ＝ＣＳ１＋ＣＳ２となる。
【０１９１】
第２アクティブキャパシタ５９ＣＳ２は、蓄電および放電における両方の静電容量、および、第１アクティブキャパシタ５８に対する異なる閾値電圧Ｖｔｈ２を実現する。相異なる蓄電時の静電容量および放電時の静電容量（それぞれ、ＣＡＣＣＵＭ２およびＣＤＥＰ２）は、第１アクティブキャパシタ５８の領域とは異なるように、第２アクティブキャパシタ５９の領域を設計することによって実現される。
【０１９２】
第２アクティブキャパシタ５９の異なる閾値Ｖｔｈ２は、装置のチャネルに含まれるドーパントイオンの濃度が異なることを用いて実現されてよい。
【０１９３】
図１７は、アクティブキャパシタ装置５８および第２アクティブキャパシタ装置５９の電圧特性に対する静電容量の一例を示す。図１８は、２つのキャパシタを並列に組み合わせた場合における総静電容量ＣＳＴの電圧特性に対する静電容量を示す。
【０１９４】
総静電容量ＣＳＴは、自身に印加される電圧に応じた、３つの異なる値のうちの１つとなると仮定する。それぞれの範囲において、総静電容量の値は、概ね以下の通りとなる。
【０１９５】
【数１１】
2014109581.tif 000013
【０１９６】
ＲＷＳに印加された電圧信号を適切に選択することによって、３つの感度レンジのうちの１つにおいてセンサが動作するように構成される点を除いては、第４の実施の形態に係る動作は、第１の実施の形態において説明したものと同様である。図１９は、以下の３つの動作範囲に応じた、ＲＷＳ電圧信号の可能な実装例を示す。
【０１９７】
（１）第１に、最も低感度な範囲において、ＲＷＳに印加される電圧信号はＶＲＷＳ３である。ここで、ＶＲＷＳ３は、低レベルＶＲＷＳＬ３および高レベルＶＲＷＳＨ３となる。これらの電圧レベルは、ＶＲＷＳ３Ｌ＞Ｖｔｈ２となるように設定されてよい。従って、この範囲における動作では、ＣＳＴは比較的高い値（＝ＣＳＴ３）として設定され、静電容量の比較的大きな変化を検知するようにセンサが最適化される。
【０１９８】
（２）第２に、中間的な感度の範囲において、ＲＷＳに印加される電圧信号はＶＲＷＳ２である。ここで、ＶＲＷＳ２は、低レベルＶＲＷＳＬ２および高レベルＶＲＷＳＨ２となる。これらの電圧レベルは、ＶＲＷＳ２Ｈ＜Ｖｔｈ、かつ、ＶＲＷＳ２Ｌ＞Ｖｔｈ２となるように設定されてよい。従って、この範囲における動作では、ＣＳＴは中間的な値（＝ＣＳＴ２）として設定され、静電容量のやや小さな変化を検知するようにセンサが最適化される。
【０１９９】
（３）第３に、高感度な範囲において、ＲＷＳに印加される電圧信号はＶＲＷＳ１である。ここで、ＶＲＷＳ１は、ＶＲＷＳ１は、低レベルＶＲＷＳＬ１および高レベルＶＲＷＳＨ１となる。これらの電圧レベルは、ＶＲＷＳＨ１＜Ｖｔｈ２となるように設定されてよい。従って、この範囲における動作では、ＣＳＴは低い値（＝ＣＳＴ１）として設定され、静電容量の小さな変化を検知するようにセンサが最適化される。
【０２００】
アクティブキャパシタ装置５８および５９の設計によれば、静電容量のレベルＣＳＴ１、ＣＳＴ２、およびＣＳＴ３は、当該順の大きさに設計されるため、互いに異なる。
【０２０１】
本実施の形態の利点は、３つの感度レンジが実現されることである。これは実装に関して利点があり、これにより、非常に広範囲にわたって静電容量の変化を検知できるように、センサが動作可能になる。
【０２０２】
例えば、動作の高感度レンジでは、静電容量の微小な変化（例えば、疎水性の表面に生体分子が吸収されるという低レベルによるもの）を検知できる場合がある。この場合、前述した感度の第１モードと第２モード（例えば、疎水性の表面に生体分子が吸収されるという高レベルを検知するために用いられる）との間に、中間的な感度幅を有する第３の動作モード（第３モード）を実現することに利点がある。
【０２０３】
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）装置を駆動する方法は、以下の通りである。当該方法は、次の工程を含んでよい。すなわち、当該方法は、はじめに、アレイ素子の行選択ラインに、第１の電圧を印加する工程と、上記第１の電圧に基づいて、第１モードの感度において動作するように、上記アレイ素子のセンサ回路を設定する工程と、上記行選択ラインに、第２の電圧を印加する工程と、上記第２の電圧に基づいて、第２モードの感度において動作するように、上記アレイ素子の上記センサ回路を設定する工程と、を含んでいてよい。
【０２０４】
ここで、第１モードは、低感度のレンジを有している。また、第２モードは、第１モードと比べて高感度のレンジを有している。第１モードにおいて、当該装置は、センサ回路によってアレイ素子の疎水性の表面において液滴を検知する。また、第２モードにおいて、当該装置は、センサ回路によってアレイ素子の疎水性の表面の電気的な特性の変化を検知する。
【０２０５】
使用に関するより具体的な例を説明する。図２０は、疎水性の表面１６の生体付着を検知するために用いられる高感度な動作モードにおいて、前述した任意の実施の形態に係るＡＭ−ＥＷＯＤ装置が用いられる態様を示す。
【０２０６】
液滴４が生体分子（特にタンパク質）を含む場合、当該液滴が移動する装置上の経路に沿って、疎水性の表面に吸収される生体分子があることが分かる。図２０はこのことを示しており、生体分子を含む液滴４がアレイ４２を通って移動する様子を示す。矢印は、液滴４の移動経路を示す。
【０２０７】
疎水性の表面１６に生体分子が吸収されることによって、以前に液滴が存在したアレイ素子は、汚染された疎水性の表面１３２を当該位置に含む。この例の動作によれば、通常モードにおいて液滴の位置および時間内変化を判定するために、当該センサは用いられる。また、高感度モードにおいて疎水性の表面１６の生体付着の規模を検知し、定量化するためにも、当該センサは用いられる。
【０２０８】
生体付着が検知されたか否かに応じて、今後の液滴の操作を、当該装置を介して動的に再設定できる。例えば、二次汚染を防ぐ観点から、生体付着した表面は、後続の液滴操作において用いられるべきではない。
【０２０９】
生体付着の検知に関するさらなる応用は、ある特定の状況において、汚染された表面を洗浄できるという事実に関連する。例えば、洗浄用の流体を含む液滴４を、アレイ４２を通して移動させ、汚染された疎水性の表面１３２の位置を横断させることによって、アレイ４２の生体付着した箇所を洗浄できる。
【０２１０】
適当な洗浄流体は、例えば、界面活性剤および／または酵素分子を含んでよい。洗浄流体の効果は、汚染された生体分子を再度吸い上げることであり、これにより疎水性の表面１６を当初の状態に戻すことができる。
【０２１１】
上述のような洗浄動作は、センサの動作（高感度モードにおける動作）と連動して実行されてよい。当該センサは、疎水性の表面１６に吸収された生体分子の存在または不在を検知可能であるため、洗浄プロセスの効果を定量化したり、当該洗浄プロセスによって疎水性の表面１６が当初の状態に戻ったことを検証したりするために用いられてよい。
【０２１２】
上述の例の利点は、装置における生体付着を検知および定量化し、後続の動作において、装置を通る液滴の経路を適切に再設定することにより、二次汚染を最小化または回避できることである。本実施の形態のさらなる利点は、表面洗浄プロトコルの効果が監視または検証され得ることである。
【０２１３】
図２１は、表面に生体分子がゆっくりと結合することを検知するために、当該センサが用いられるように、実施の形態１−３のいずれか１つに係るＡＭ−ＥＷＯＤ装置が利用されていることを示す。
【０２１４】
この例によれば、動作が通常モードの場合には、前述したように、当該センサは、アレイ４２に含まれる液滴４の位置およびサイズを検知するための液滴センサとして機能してよい。一方、動作が高感度モードの場合、当該センサは生体センサとして機能してよい。
【０２１５】
図２１に示されるように、アレイ４２において２つの液滴４Ａおよび４Ｂが操作され、矢印の方向で示されたように結合される。例えば、当該液滴は、反応位置１３４の結合位置において反応する（当該反応は、化学反応または生化学反応であってよい）。
【０２１６】
発生した反応は、化学種または生化学種が生成されるようなものであってよい。続いて、当該化学種または生化学種は、疎水性の表面１６に吸収され、これにより、その電気的な特性が変更される。反応位置１３４に位置するアレイ素子回路８４のセンサ回路は、反応（反応部位１３４のアレイ素子に存在する負荷５６における変化を計測することによって生じたもの）の性質を定量化するために使われる。
【０２１７】
従って、上記例の利点は、当該センサが化学センサまたは生体センサとして機能することである。高感度モードで動作することにより、前述した理由と同じ理由によって、当該感度は通常モードで動作した場合と比べて大幅に強化される。
【０２１８】
図２２に示される検知に適した他の実施の形態においては、基板７２の疎水性の表面１６は、反応部位１３４に配置された生体レセプタ１３６によって機能を付加されてよい。当該生体レセプタは、公知である任意のタイプの生体センサ（例えば、機能を付加されたＤＮＡフラグメント、免疫体、抗原、アプタマー等）を含んでよく、例えば、免疫体、抗原、または、タンパク質等の特定の生体分子に結合するように設計されてよい。
【０２１９】
反応が生じることによって、特定の生化学種が形成され、反応位置１３４に配置された生体レセプタ１３６によって順次抑制される。全体として、生体レセプタ１３６に生体分子が捕捉されることによって、アレイ素子電極３８における電気的な負荷５６が変更されるという結果が生じる。このことは、高感度モードで動作するセンサ回路によって検知され得る。この実装の利点は、対象となる特定生体分子の検知に特化するように、生体センサを設計できる点にある。
【０２２０】
ここまで説明したＡＭ−ＥＷＯＤ装置は、背景技術欄の参照文献において前述したように、完全なラボ・オン・チップシステムの一部を形成できることが明らかである。そうしたシステム等に含まれる。ＡＭ−ＥＷＯＤ装置において検知および／または操作された液滴は、化学的流体または生化学的流体（例えば、血液、唾液、および尿等）となり得る。全体的な構成は、化学または生化学試験を実施するために、または、化学または生化学の化合物を合成するために設計されてもよい。
【０２２１】
アレイ素子に含まれる総合的なインピーダンス（静電容量）を検知する機能を備えたＡＭ−ＥＷＯＤ装置は、本発明の特徴の１つである。ここで、センサは、複数の異なる感度レンジにおいて動作可能である。
【０２２２】
基本的な態様によれば、少なくとも以下の２つの感度幅が存在する。
【０２２３】
（１）通常または低感度モード：液滴の存在／不在を検知する、または、液滴のサイズを検知する場合に用いられる。
【０２２４】
（２）高感度モード：小さい静電容量、または、疎水性の表面における静電容量の微小変化を検知する場合に用いられる（通常は、液滴が存在する場合に用いられる）。
【０２２５】
上述の説明によれば、本発明の一態様は、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）装置である。当該ＡＭ−ＥＷＯＤ装置は、アレイ上に存在する流体の１つ以上の液滴を操作するための複数のアレイ素子を備えており、上記アレイ素子のそれぞれは、対応するアレイ素子回路を含んでおり、上記アレイ素子回路のそれぞれは、流体の上記１つ以上の液滴の操作を制御するために、対応する上記アレイ素子にデータを書き込むための書き込み回路と、対応する上記アレイ素子に存在するインピーダンスを検知するためのセンサ回路と、を含んでおり、上記センサ回路は、第１モードまたは第２モードによって動作し、上記第１モードおよび上記第２モードのそれぞれは、異なる感度レンジを有している。
【０２２６】
当該ＡＭ−ＥＷＯＤ装置の一実施の形態において、上記センサ回路は、アクティブ素子を含んでおり、
上記第１モードの感度と上記第２モードの感度とでは、上記アクティブ素子の静電容量が異なっている。
【０２２７】
当該ＡＭ−ＥＷＯＤ装置の一実施の形態において、上記ＡＭ−ＥＷＯＤ装置は、上記アクティブ素子に電圧を入力する行選択ラインをさらに備えており、上記センサ回路のモードは、上記行選択ラインの電圧レベルに基づいて設定される。
【０２２８】
当該ＡＭ−ＥＷＯＤ装置の一実施の形態において、上記アクティブ素子の上記静電容量は、上記行選択ラインの上記電圧レベルを切り替えることによって、上記第１モードと上記第２モードとの間において切り替えられる。
【０２２９】
当該ＡＭ−ＥＷＯＤ装置の一実施の形態において、上記アクティブ素子の上記静電容量は、上記行選択ラインの上記電圧レベルと、上記アレイ素子に含まれるエレクトロウェッティング駆動電極の電圧レベルとの間の電位差に基づいて決定されること。
【０２３０】
当該ＡＭ−ＥＷＯＤ装置の一実施の形態において、上記アクティブ素子は、アクティブキャパシタであり、上記アクティブキャパシタは、上記感度が上記第１モードの場合には、第１の静電容量を有しており、上記感度が上記第２モードの場合には、第２の静電容量を有しており、上記第１の静電容量は、上記第２の静電容量よりも大きい。
【０２３１】
当該ＡＭ−ＥＷＯＤ装置の一実施の形態において、上記第２の静電容量は、上記第１の静電容量の１０パーセント以下の値である。
【０２３２】
当該ＡＭ−ＥＷＯＤ装置の一実施の形態において、上記アクティブ素子は、トランジスタであり、上記トランジスタは、上記感度が上記第１モードの場合には、ゲート端子と、ソース端子およびドレイン端子の少なくとも１つとの間に、第１の静電容量を有しており、上記感度が上記第２モードの場合には、上記ゲート端子と、ソース端子およびドレイン端子の少なくとも１つとの間に、第２の静電容量を有しており、上記第１の静電容量は、上記第２の静電容量よりも大きい。
【０２３３】
当該ＡＭ−ＥＷＯＤ装置の一実施の形態において、上記第１モードの感度は、低いレンジにおける感度に対応しており、上記第２モードの感度は、上記第１モードの感度と比べて高いレンジにおける感度に対応している。
【０２３４】
当該ＡＭ−ＥＷＯＤ装置の一実施の形態において、少なくとも上記第１モードおよび上記第２モードは、第３モードをさらに含み、上記第３モードは、上記第１モードの感度と上記第２モードの感度との間における、中間的なモードの感度に対応している。
【０２３５】
当該ＡＭ−ＥＷＯＤ装置の一実施の形態において、上記ＡＭ−ＥＷＯＤ装置は、疎水性の表面をさらに備えている。
【０２３６】
当該ＡＭ−ＥＷＯＤ装置の一実施の形態において、上記センサ回路は、上記第１モードの感度において、上記疎水性の表面の上に存在する液滴を検知する。
【０２３７】
当該ＡＭ−ＥＷＯＤ装置の一実施の形態において、上記センサ回路は、上記第２モードの感度において、上記疎水性の表面の電気的な特性の変化を検知する。
【０２３８】
当該ＡＭ−ＥＷＯＤ装置の一実施の形態において、上記ＡＭ−ＥＷＯＤ装置は、上記第２モードの感度において、上記疎水性の表面において検知された分子を結合するためのレセプタをさらに備えている。
【０２３９】
当該ＡＭ−ＥＷＯＤ装置の一実施の形態において、上記ＡＭ−ＥＷＯＤ装置は、上記複数のアレイ素子を含む第１基板をさらに備えている。
【０２４０】
当該ＡＭ−ＥＷＯＤ装置の一実施の形態において、上記複数のアレイ素子は、複数の行および列を有するアレイに配置されている。
【０２４１】
本発明の一態様は、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）装置の駆動方法である。当該方法において、上記ＡＭ−ＥＷＯＤ装置は、アレイ上に存在する流体の１つ以上の液滴を操作するための複数のアレイ素子を備えており、当該方法は、アレイ素子の行選択ラインに、第１の電圧を印加する工程と、上記第１の電圧に基づいて、第１モードの感度において動作するように、上記アレイ素子のセンサ回路を設定する工程と、上記行選択ラインに、第２の電圧を印加する工程と、上記第２の電圧に基づいて、第２モードの感度において動作するように、上記アレイ素子の上記センサ回路を設定する工程と、を含んでおり、上記第１モードおよび上記第２モードは、異なる感度レンジを有している。
【０２４２】
当該方法の一実施の形態において、上記第１モードは、低い感度のレンジを有しており、上記第２モードは、上記第１モードと比べて高い感度のレンジを有している。
【０２４３】
当該方法の一実施の形態において、上記方法は、上記第１モードの感度において、上記センサ回路を用いて、上記複数のアレイ素子のうちの１つのアレイ素子の疎水性の表面に存在する液滴を検知する工程と、上記第２モードの感度において、上記センサ回路を用いて、上記アレイ素子の上記疎水性の表面における電気的な特性の変化を検知する工程と、をさらに含んでいる。
【０２４４】
当該方法の一実施の形態において、上記方法は、上記液滴の検知結果と上記電気的な特性の変化の結果とに基づいて、操作を実行する工程をさらに含んでおり、上記操作は、上記アレイ素子上に存在する洗浄用の流体を含む液滴を移動させる工程、上記疎水性の表面上に存在するレセプタに、検知された分子を結合する工程、反応を開始するために、上記アレイ素子上に存在する複数の液滴を結合させる工程、および、上記アレイ素子の上記疎水性の表面に吸収された化学種または生化学種を分析する工程、のうちの少なくとも１つを含んでいる。
【０２４５】
ある特定の実施の形態（または複数の実施の形態）に沿って、本発明を示し、説明してきたが、本明細書および添付図面から読み取ることができ、かつ、理解できる点において、等価な代替および変形が当業者によってなされ得る。
【０２４６】
特に、上述の説明された要素（コンポーネント、アセンブリ、装置、組成）によって発揮される様々な機能に関して、上記要素を説明するために用いられた用語（「手段」と参照されるものを含む）は、たとえ本発明の実施の形態（または複数の実施の形態）における機能を発揮する開示された構造と厳密に等価でなくとも、別のものが示唆されない限り、前述した要素（すなわち、機能的に等価なもの）の特定の機能を発揮する他の要素にも対応することを意味する。
【０２４７】
また、いくつかの実施の形態のうちの１つだけまたは複数に関して、本発明の特定の特徴を説明したに過ぎず、所与のまたは特定の任意の応用に対して、好ましくもなり、利益もあるように、他の実施の形態に係る１つまたは複数の他の特徴と上記特徴とを組み合わせることもできる。
【産業上の利用可能性】
【０２４８】
ＡＭ−ＥＷＯＤ装置は、ラボ・オン・チップシステムの一部を形成できる。これらの装置は、化学的、生化学的、または生理学的な物質を操作し、反応させ、および、検知するために使われ得る。応用には、健康診断検査、化学的または生化学的物質の合成、プロテオミクス、ライフサイエンスおよび科学捜査における研究ツールが含まれる。
【符号の説明】
【０２４９】
４    液滴
６    接触角θ
１６    疎水性の表面
２０    絶縁層
２６    疎水層
２８    上層電極
３２    スペーサ
３４    非極性流体
３６    上層基板
３８    アレイ素子電極
４２    電極アレイ
４４    第２のトランジスタ
４６    絶縁キャパシタ
４８    液滴キャパシタ
５０    液滴抵抗
５４    オイルギャップキャパシタ
５６    電極における負荷の電気的なモデル
５６Ａ  電極における負荷の電気的なモデル（液滴が存在する場合）
５６Ｂ  電極における負荷の電気的なモデル（液滴が存在しない場合）
５８    アクティブキャパシタ
５９    第２のアクティブキャパシタ
６０    負極
６１    導電層
６２    高濃度ドープ半導体材料
６４    抵抗接点
６６    低濃度ドープ半導体材料
６７    誘電絶縁層
６８    スイッチトランジスタ
６９    導電層
７０    正極
７１    静電容量−電圧の特性
７２    第１基板または下層基板
７４    薄膜電子回路
７６    行駆動回路
７８    列駆動回路
８０    シリアルインターフェース
８２    接続ワイヤ
８４    アレイ素子回路
８６    列検知回路
８８    ＳＲＡＭ素子
９４    第２のトランジスタ
９６    第１のキャパシタの静電容量−電圧の特性
９８    第２のキャパシタの静電容量−電圧の特性
１００    総静電容量−電圧の特性
１２０    電圧書き込み回路
１２２    第１のアナログスイッチ
１２４    第２のアナログスイッチ
１３０    ｎ型トランジスタ
１３２    汚染された疎水性の表面
１３４    反応位置
１３６    表面の機能化
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６ａ】
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【図６ｂ】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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