(57)【要約】  温度制御セルのアレイでは、セルはアクティブ・マトリックス・アレイで駆動される。温度制御アレイは、バイオチップ、例えば底面のバイオセンサー又は底面の反応室として用いられて良い。アクティブ・マトリックスにより、複雑な駆動回路は実際のセルアレイの外部に設定されて良い。各セルは、セル回路を駆動回路と結合するスイッチを設けられる。駆動回路と結合されると、セル内のメモリー素子は加熱設定を供給されて良い。従って、セル回路は駆動回路から切断され、加熱素子はメモリー素子に格納された設定に従いセルを加熱するよう制御される。
2009520258.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
方法であって、温度制御セルのアレイを駆動し、各セルは加熱素子とスイッチ素子と温度センサーとを有する熱制御手段を有し、前記アレイは駆動回路を更に有し、前記方法は：
セルの前記熱制御手段を前記駆動回路と接続するために、前記セルのスイッチ素子を制御するアドレス信号を供給する段階；
前記温度センサーを用い実際の温度を決定する段階；
前記駆動回路から前記熱制御手段へデータ信号を供給する段階；及び
前記データ信号に応じてエネルギーを供給する段階、を有する方法。
【請求項２】
前記データ信号は設定温度を有する、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記温度センサーの出力を前記駆動回路へ供給する段階；
前記温度センサーの出力に依存して、前記駆動回路内で前記データ信号を決定する段階、を更に有する請求項１記載の方法。
【請求項４】
前記セルは第１のスイッチ素子と第２のスイッチ素子とを有し、前記方法は：
前記熱制御手段を前記駆動回路と接続し、前記データ信号を前記熱制御手段へ供給するために、前記第１のスイッチ素子に第１のアドレス信号を供給する段階；
前記熱制御手段の前記温度センサーを前記駆動回路と接続し、実際の温度信号を前記駆動回路へ供給するために、前記第２のスイッチ素子に第２のアドレス信号を供給する段階、を有する請求項３記載の方法。
【請求項５】
前記熱制御手段はメモリー素子を更に有し、前記データ信号は設定を有し、前記方法は：
前記制御信号に応じ、前記熱制御手段の前記メモリー素子を前記駆動回路と接続する段階；
前記データ信号内の設定を前記メモリー素子に格納する段階；及び
前記メモリー素子に格納された前記設定に従いエネルギーを供給する段階、を更に有する請求項１記載の方法。
【請求項６】
温度制御セルの前記アレイは行及び列に配置され、前記方法は：
前記セルの前記熱制御手段を前記駆動回路と接続するために、前記セルの前記スイッチ素子を制御する前記制御信号をセル行の各セルに供給する段階；を更に有する請求項１記載の方法。
【請求項７】
前記熱制御手段は制御回路を有し、前記方法は：
実際の温度信号を前記制御回路に供給するために、前記セルの前記温度センサーを前記制御回路と接続する段階、を有する請求項１記載の方法。
【請求項８】
前記温度信号は前記メモリー素子に格納された前記設定を変更する、請求項７記載の方法。
【請求項９】
温度制御セルのアレイであって、前記アレイはデータ駆動回路を有し、各セルは熱制御手段を有し、前記熱制御手段は：
電源と結合された加熱素子；
アドレス信号に応じて前記熱制御手段を前記データ駆動回路と接続されたデータ信号端子と結合する、アドレス信号端子と結合されたスイッチ素子；及び
実際の温度を決定する温度センサー、を有する、温度制御セルのアレイ。
【請求項１０】
前記熱制御手段は：
格納されるべき設定を受信する前記データ信号端子と接続可能なメモリー素子を有し、前記設定はデータ信号に含まれる、請求項９記載のアレイ。
【請求項１１】
前記メモリー素子は駆動トランジスターのゲートと結合されたキャパシターであり、前記駆動トランジスターは前記加熱素子へ供給されるべき電流を制御するよう構成される、請求項１０記載のアレイ。
【請求項１２】
前記温度センサーの出力を前記駆動回路へ供給するために、前記温度センサーは前記駆動回路と接続可能である、請求項９記載のアレイ。
【請求項１３】
前記セルは、第１のアドレス信号に応じて前記熱制御手段を前記データ信号端子と接続する第１のスイッチ素子、及び第２のアドレス信号に応じて前記温度センサーを前記データ信号端子と接続する第２のスイッチ素子を備えられる、請求項１２記載のアレイ。
【請求項１４】
前記データ駆動回路は、前記温度センサーにより供給される実際の温度と設定温度とに応じて加熱設定を決定し、及び前記加熱設定を前記熱制御手段へ前記データ信号を通じて供給するよう構成される、請求項１２記載のアレイ。
【請求項１５】
前記データ駆動回路は、前記実際の温度と前記設定温度とを比較して前記実際の温度が前記設定温度より高いか低いかを決定し及びそれに応じて前記熱制御手段を制御する比較器素子を有する、請求項１４記載のアレイ。
【請求項１６】
前記データ駆動回路は演算増幅器、設定温度端子と前記演算増幅器の第１の入力との間に接続された第１の抵抗器、接地と前記第１の入力端子との間に接続された第２の抵抗器、実際の温度端子と前記演算増幅器の第２の入力端子との間に接続された第３の抵抗器、及び前記第２の入力端子と前記演算増幅器の出力端子との間に接続された第４の抵抗器、を有し、前記出力端子に生成される出力信号は前記実際の温度と前記設定温度との間の差に比例する、請求項９記載のアレイ。
【請求項１７】
前記セルは行及び列に配置され、
各セル行は前記セル行の各セルにアドレス信号を供給する一式のアドレス信号端子を有し；及び
各セル列は前記セル列の各セルにデータ信号を供給する一式のデータ信号端子を有する、請求項９記載のアレイ。
【請求項１８】
前記熱制御手段は制御回路を有し、前記制御回路は温度信号を前記制御回路へ供給する前記温度センサーと接続され、前記制御回路は前記加熱素子を制御するために前記加熱素子と接続される、請求項９記載のアレイ。
【請求項１９】
前記実際の温度に応じて前記メモリー素子に格納された設定を変更するために、前記温度センサーは前記メモリー素子と結合される、請求項１８記載のアレイ。
【請求項２０】
前記アレイはバイオチップである、請求項９記載のアレイ。
【請求項２１】
使用方法であって、請求項９記載のアレイを核酸の増幅に用いる使用方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、温度制御セルのアレイを駆動する方法、及び温度制御セルのアレイに関する。
【背景技術】
【０００２】
温度制御セルのアレイは、温度制御アレイとも称され、一般に複数のセルの温度が他のセルの温度と独立に制御される装置に適用される。例としてバイオチップに適用されている。このようなバイオチップは、例えば、化学反応の実行に適している。セルは従って燃焼室を表し、セルは密閉された又は密閉可能な区画を有し、アレイはバイオチップにある各燃焼室の加熱、及び温度の制御のために用いられる。或いは、セルは、個々に温度制御される必要のあるより大きい区画の中の異なる領域を表して良い。流動体が区画を横切って又は区画の間を流れて良い。例として、温度制御アレイは、ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）のようなＤＮＡの増幅の間の熱サイクルに用いられる。これは、温度制御された、酵素が仲介する、核酸分子の増幅技術であり、通常は３段階の反応が周期的に反復される。つまり、約９２−９６℃の変性段階、約３７−６５℃の焼きなまし段階、及び約７２℃の伸長段階、である。効率的に増幅するための基本要件は急速な熱伝達であり、これが温度制御をマイクロＰＣＲシステムの重要な特徴にする。
【０００３】
特許文献１は、多数の温度制御反応ウェルを有する集積マイクロアレイ素子を開示している。各ウェルは温度制御チップを設けられて良い。各チップは、２つのアドレス線を通じて個々に駆動され、結果として複雑な、従って高価な設計になる。
【特許文献１】米国出願第２００２／００４８７６５号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
簡易で低価格な温度制御セルのアレイを提供することが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の第１の態様は温度制御セルのアレイを駆動する方法を提供する。各セルは加熱素子とスイッチ素子と温度センサーとを有する熱制御手段を有し、前記アレイは駆動回路を更に有し、前記方法は：セルの前記熱制御手段を前記駆動回路と接続するために、前記セルのスイッチ素子を制御するアドレス信号を供給する段階；前記温度センサーを用い実際の温度を決定する段階；前記駆動回路から前記熱制御手段へデータ信号を供給する段階；及び前記データ信号に応じてエネルギーを供給する段階、を有する。
【０００６】
各セルは多数の素子を備えられる。加熱素子は加熱を実行するために設けられる。加熱素子は如何なる適切な加熱素子、例えば抵抗性加熱素子、熱電素子、赤外線ヒーター、等であっても良い。更に、セルは複数の加熱素子を有して良い。加熱素子は更に冷却素子、例えば熱電素子を有して良い。ある実施例では、セルは場合によっては別個に制御可能な加熱素子及び冷却素子を有して良い。
【０００７】
温度センサーは、測定の瞬間のセルの温度を表す実際の温度を決定するために設けられる。温度センサーは如何なる適切な温度センサーであって良い。更に、上述の方法を実行するために、スイッチ素子が各セルに設けられる。当該スイッチ素子の機能は以下に詳細に説明される。
【０００８】
温度制御セルのアレイは、少なくとも１つの駆動回路を更に有する。駆動回路は、少なくとも１つの温度制御セルを駆動するのに、つまり場合によっては温度センサーにより決定された実際の温度に応じて加熱素子を制御するのに適している。
【０００９】
上述の方法では、セルは制御信号を供給される。制御信号はセルのスイッチ素子を制御する。制御信号により、スイッチ素子は切り替わり、それによりセルの熱制御手段をアレイの駆動回路に接続する。
【００１０】
温度センサーは温度制御セル内の実際の温度を決定する。決定は、スイッチ素子が熱制御手段を駆動回路に接続した後に実行されて良い。しかしながら、上述の動作は連続的であって良く、又は当該方法の間の如何なる他の適切な瞬間に実行されても良い。温度センサーは実際の温度信号を出力して良い。ある実施例では、実際の温度信号はデータ駆動回路に供給され、データ駆動回路は実際の温度信号に応じてデータ信号を決定する。
【００１１】
駆動回路はデータ信号を熱制御手段へ供給するよう構成される。データ信号は駆動回路により決定された設定を表す。設定は、加熱素子がセルを加熱する期間を示す加熱期間であって良い。当該設定は、加熱素子がセルを加熱する電力を示す加熱電力であっても良い。他の種類の設定も同様に適切であり得る。特に、当該設定は設定温度、つまり得られるべき温度、又は個々のセルに維持される温度を有して良い。当該設定は以下に記載されるようにメモリー素子に格納されて良い。
【００１２】
ある実施例では、アレイ内の温度制御セルは行及び列に配置される。行及び列は実質的に直交して配置されるが、他の異なる方法、例えば六角形又は円形構成に配置されても良い。セルは、実質的に直交したセルの行及び列に応じて方形の形状であって良く、又はセルは六角形又は円形の形状のような異なる形状を有しても良い。
【００１３】
ある実施例では、熱制御手段はメモリー素子を有する。メモリー素子は駆動回路により供給された設定を格納して良い。設定がメモリー素子に格納されると、制御信号は終了して良い。メモリー素子は駆動回路から切断され、この時、データ信号が終了して良い。次にエネルギーが加熱素子へ供給されて良い。エネルギーの量及び／又は供給期間は、メモリー素子に格納された設定に従う。
【００１４】
同時に、加熱素子が設定に従い駆動されている間、アレイの少なくとも１つの他の行の温度制御セルは制御信号及びデータ信号を供給されて良い。従って、アレイの温度制御セルは、セルへほぼ連続的に熱を供給しながら、短い時間期間の間に制御されるよう駆動される。
【００１５】
上述の方法は、簡易な温度制御セルのアレイの使用を可能にし、セル内に複雑な駆動回路が必要ないがアレイの近隣に設置し得る。
【００１６】
ある実施例では、前記セルは第１のスイッチ素子と第２のスイッチ素子とを有し、前記方法は：前記セルの前記メモリー素子を前記駆動回路と接続するために、前記第１のスイッチ素子に第１の制御信号を供給する段階；前記セルの前記温度センサーを前記駆動回路と接続し、実際の温度信号を前記駆動回路へ供給するために、前記第２のスイッチ素子に第２の制御信号を供給する段階、及び前記駆動回路により、前記実際の温度信号と設定温度に基づき前記メモリー素子へ供給されるべきデータ信号を決定する段階、を有する。
【００１７】
この実施例では、温度センサーは駆動回路と接続される。駆動回路は従って個々の温度制御セル内の実際の温度を供給される。駆動回路は設定温度、つまり得られるべき温度、又は個々の温度制御セルに維持される温度を供給される。実際の温度信号と設定温度とに基づき、設定は、駆動回路により決定されセルのメモリー素子へ供給される。次に、当該接続が切断され、他のセルとの接続が確立されて良い。
【００１８】
ある実施例では、前記熱制御手段は制御回路を有し、前記方法は：実際の温度信号を前記制御回路に供給するために、前記セルの前記温度センサーを前記制御回路と接続する段階、を有する。制御回路は、データ駆動回路からのデータ信号を供給されて良く、前記データ信号と実際の温度信号に従い加熱素子を制御して良い。データ信号はメモリー素子へ供給され、加熱素子は制御回路及びメモリー素子によりそれぞれ実際の温度信号とデータ信号とに基づき制御され良い。
【００１９】
更に、温度制御セルのアレイが設けられる。セルは行及び列に配置されて良い。各セルは、制御信号をセルへ供給する制御信号端子のセットを有する。各セルは、データ信号をセルへ供給するデータ信号端子のセットを有する。各セルは熱制御手段を有する。熱制御手段は、電源と結合された加熱素子、制御信号に応じて熱制御手段をデータ信号端子に結合する制御信号端子のセットと結合されたスイッチ素子、及び実際の温度を決定する温度センサー、を有する。アレイは、セルと接続可能なデータ駆動回路を更に有する。
【００２０】
ある実施例では、温度センサーは、実際の温度信号を駆動回路へ供給するデータ信号端子と接続可能である。更に、セルは、熱制御手段をデータ信号端子のセットと接続する第１のスイッチ、及び温度センサーをデータ信号端子のセットと接続する第２のスイッチ、を有する。
【００２１】
ある実施例では、前記熱制御手段は制御回路を有し、前記制御回路は温度信号を前記制御回路へ供給する前記温度センサーと接続され、前記制御回路は前記加熱素子を制御するために前記加熱素子と接続される。アレイのセルは行及び列に配置されて良い。行又は列の表現は、それぞれ第１の方向及び第２の方向の素子の並びを表すと考えられる。行又は列の表現は、このような素子の並びの如何なる方向も明示的に又は暗黙のうちに排除するものではない。素子の並びは直線であって良く、又は異なる形状の線でも良い。各セルは１つのこのような行の構成要素であり、１つのこのような列の構成要素である。従って、各セルは対応する行及び対応する列をアドレス指定することによりアドレス指定できる。
【００２２】
好適な実施例では、温度制御セルのアレイはバイオチップである。更に好適な実施例では、このバイオチップは化学反応を実行するのに適している。アレイは望ましくは、例えばＰＣＲ反応で核酸配列の増幅に用いられる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
図１は、温度制御セルアレイの一般的な制御モデルの実施例を示す。制御回路ＣＣは加熱素子Ｈを駆動する。加熱素子Ｈでは、電力が熱に変換される。熱制御モデルでは、生成された熱は加熱電流Ｗとして示される。物体の熱容量は、容量と熱伝導率の逆数、つまり熱抵抗のアナログ表現で表される。従って、制御モデルは、熱容量ＣＨ及び熱抵抗ＲＨＹで熱Ｈを表す。電熱器Ｈは、熱容量ＣＯを有する試料に熱的に接続される。試料は周囲に熱を放出し、熱抵抗ＲＹＺの当該試料の断熱材を通じて温度ＴＺを有する。
【００２４】
動作中、試料温度ＴＹは制御回路ＣＣへ帰還される。実際の試料温度ＴＹと設定温度ＴＸに応じて、温度制御回路ＣＣは加熱素子Ｈで消散される電力、従って加熱電流Ｗを調整し、実際のＴＹと設定温度ＴＸとの間の差を可能な限り小さくする。制御方法の安定性と精度は、制御の種類に依存する。以下の多数の帰還制御の種類が利用されて良い。
【００２５】
（１）オン−オフ制御：試料温度ＴＹが設定温度ＴＸを上回った場合に加熱が停止され、試料温度ＴＹが設定温度ＴＸを下回った場合に加熱が開始される。この方法は遅く、精度が低く、有意なオーバーシュートとアンダーシュートを有する。
【００２６】
（２）比例制御：加熱電流Ｗは実際の試料温度ＴＹと設定温度ＴＸとの間の差に比例して印加される。これは、「オン−オフ制御」の温度サイクルを除去し、円滑な作用の緩やかな温度制御を提供する。従って、Ｗ＝Ｐ（ＴＸ−ＴＹ）であり、Ｐは比例ゲインである。試料温度ＴＹが設定温度ＴＸより高い場合、加熱は停止される。
【００２７】
（３）比例差分制御：差分制御は、オーバーシュートと共鳴、又はアンダーシュートと鈍い反応を有することなく設定温度ＴＸを達成するために欠かせない減衰係数を追加する。この方法は精度を向上するが、雑音耐性が弱く、定常状態をずらしてしまう。
【００２８】
【数１】
2009520258.tif 000003
ここでＤは減衰係数である。
【００２９】
（４）比例積分差分制御：比例差分制御と比べて更に積分制御が追加され、定常状態のずれを補正する。加熱は、平均応答がゼロになる時まで変化される。
【００３０】
【数２】
2009520258.tif 000004
ここでＩは積分ゲインである。
【００３１】
（５）段階制御：上述の温度制御の種類のそれぞれが、複数段階の温度制御手法で適用されて良い。複数段階の手法では、温度制御は多数の段階に分割される。種々の温度制御が適用され、段階毎にパラメータ｛Ｐ，Ｉ，Ｄ｝が変更される。例えば、高精度であり且つオーバーシュートが無視できる３段階の高速温度制御は、「接近」段階、「引き継ぎ」段階、及び「制御」段階を有する。「接近」段階の間、温度ＴＹは高速に（例えば最大傾斜で）設定温度ＴＸへ向かって変化する。オーバーシュートを妨げるため、「引き継ぎ」段階は、実際の温度ＴＹが設定温度ＴＸから所定の温度差だけ離れると直ぐに有効にされる。「引き継ぎ」段階の間、温度は設定温度ＴＸへ導かれる。その後、「制御」段階が有効にされ、実際の温度ＴＹを設定温度ＴＸに安定させる。
【００３２】
上述の温度制御方法は、セルのセルアレイの温度を制御するために用いられて良い。このような温度制御セルのアレイは従来知られている。各セルは化学反応室として機能し、例えば所謂バイオチップで使用される。図２Ａ及び２Ｂは、本発明のある実施例による温度制御セルのアレイを図示する。図２Ａは、ｎ×ｍの温度制御セルＴＣのアレイＡＴＣを示す。セルＴＣはｎ行ｍ列に配置される。行及び列は直交して配置されるが、上述とは異なるように配置されても良い。セルＴＣの各行はアドレス駆動回路ＡＤＣと接続可能であり、セルＴＣの各列はデータ駆動回路ＤＤＣと接続可能である。アドレス駆動回路及びデータ駆動回路の機能は、以下に説明される。セルＴＣ１１−ＴＣ１ｍの第１の行は第１のアドレス駆動回路ＡＤＣ１と接続され、セルＴＣ１１−ＴＣｎ１の第１の列はデータ駆動回路ＤＤＣ１と接続される。同様に、温度制御セルＴＣｎｍはｎ番目のアドレス駆動回路ＡＤＣｎと接続可能であり、ｍ番目のデータ駆動回路ＤＤＣｍと接続可能である。
【００３３】
図２Ｂは温度制御セルＴＣをより詳細に示す。温度制御セルＴＣは加熱素子ＨＥ、任意のメモリー素子ＭＥ、スイッチ素子ＳＥ、及び温度センサーＴＳを有する。メモリー素子ＭＥは、スイッチ素子ＳＥを介しデータ駆動回路ＤＤＣと接続可能である。スイッチ素子ＳＥはアドレス駆動回路ＡＤＣと接続可能でありアドレス駆動回路ＡＤＣにより制御される。温度センサーＴＳは、データ駆動回路ＤＤＣと接続可能であり、同時にメモリー素子ＭＥと接続可能であり、アドレス駆動回路ＡＤＣにより制御される。従って、少なくとも１つのアドレス線ＡＬがセルＴＣとアドレス駆動回路との間に設けられる。また少なくとも２つの列駆動回路のデータ線ＤＬ１とＤＬ２がデータ駆動回路ＤＤＣとセルＴＣとの間に設けられる。１つのデータ線ＤＬ１は、データ駆動回路ＤＤＣからセルＴＣのメモリー素子ＭＥへデータを供給するために用いられて良い。また他のデータ線ＤＬ２は、セルＴＣからデータ駆動回路ＤＤＣへ温度帰還データを供給するために用いられて良い。
【００３４】
加熱素子Ｈは如何なる適切な加熱素子、例えば抵抗器、熱電素子、赤外線ヒーター、等であっても良い。温度センサーは如何なる適切な温度センサー、例えば従来知られている漏れ電流を供給する逆バイアスＰＮ接合ダイオード若しくはトランジスター又はバンドギャップ温度センサーであって良い。
【００３５】
動作中、図２Ａ及び２Ｂを参照すると、１つの温度制御セル行ＴＣＮ１−ＴＣＮｍは、個々のアドレス駆動回路ＡＤＣＮによりアドレス指定され、それによりＮ番目の行の各セルＴＣは個々のデータ駆動回路ＤＤＣ１―ＤＤＣｍと接続される。他の行のセルＴＣはアドレス指定されず、従ってデータ駆動装置ＤＤＣと接続されない。従って、個々のアドレス駆動回路ＡＤＣによりアドレス指定されると、対応する行の各セルＴＣのメモリー素子ＭＥは、対応するデータ線ＤＬ１と接続され、温度センサーＴＳは対応するデータ線ＤＬ２と接続される。メモリー素子がない場合、対応する行の各セルＴＣの加熱素子は、対応するデータ線ＤＬ１と接続される。
【００３６】
温度制御セルがアドレス指定されると、ＴＣはデータ駆動回路ＤＤＣと接続される。データ駆動回路ＤＤＣは温度制御回路を有する。実際のセル温度（図１のＴＹ）はデータ駆動回路ＤＤＣへ供給され、データ駆動回路ＤＤＣは実際のセル温度と設定温度との間の温度差を決定するよう構成される。従って、決定された温度差に応じて、データ駆動回路ＤＤＣは、アドレス指定されたセルＴＣのメモリー素子ＭＥに温度設定を供給する。当該温度設定は、温度制御セルＴＣへ分配されるべき熱電力の量を示す。加熱設定がメモリー素子ＭＥに格納された後、アドレス駆動回路ＡＤＣはセルＴＣをデータ駆動回路ＤＤＣから切断する。次に別のアドレス駆動回路ＡＤＣが別の温度制御セル行、例えば次のセル行ＴＣ（Ｎ＋１）１−ＴＣ（Ｎ＋１）ｍをアドレス指定して良い。温度制御セルＴＣがデータ駆動回路ＤＤＣと接続されない期間に、セルＴＣはメモリー素子ＭＥに格納された設定に基づき加熱素子ＨＥにより加熱されて良い。
【００３７】
これらの方法の段階は、セルＴＣの各行に対し繰り返されて良い。従ってアレイＡＴＣの各セルＴＣは、制御回路（データ駆動回路ＤＤＣ）を用い、各セルＴＣに複雑な制御回路を備えることなく、温度制御されて良い。全ての行を制御するために必要な期間は、以下でフィールド期間として表される。従って、１つのフィールド期間で、全ての行がアドレス指定され、フィールド期間毎に１回制御される。留意すべき点は、データ駆動回路ＤＤＣとアドレス駆動回路ＡＤＣとの接続が、列と行に関して交換されて良いことである。
【００３８】
図３Ａは、本発明によるセルアレイで用いられるメモリー素子を有さない温度制御回路の実施例を示す。温度制御回路は、それぞれ第１及び第２の電源端子ＶＤＤ、ＶＳＳを介し電源と結合される。駆動トランジスターＤＴのゲートは、第１のスイッチ・トランジスターＳＴ１のドレインと接続される。第１のスイッチ・トランジスターＳＴ１のソースは第１のデータ線ＤＬ１と接続され、ゲートはアドレス線ＡＬと接続される。駆動トランジスターＤＴのソースは第１の電源端子ＶＤＤと接続され、ドレインは加熱素子ＨＥと接続される。加熱素子ＨＥは更に第２の電源端子ＶＳＳと接続される。
【００３９】
図３Ｂは、本発明によるセルアレイで用いられるメモリー素子を有する温度制御回路の実施例を示す。温度制御回路は、それぞれ第１及び第２の電源端子ＶＤＤ、ＶＳＳを介し電源と結合される。キャパシターＣ１は、第１の電源端子ＶＤＤと駆動トランジスターＤＴのゲートとの間に結合される。駆動トランジスターＤＴのゲートは、第１のスイッチ・トランジスターＳＴ１のドレインと接続される。第１のスイッチ・トランジスターＳＴ１のソースは第１のデータ線ＤＬ１と接続され、ゲートはアドレス線ＡＬと接続される。駆動トランジスターＤＴのソースは第１の電源端子ＶＤＤと接続され、ドレインは加熱素子ＨＥと接続される。加熱素子ＨＥは更に第２の電源端子ＶＳＳと接続される。
【００４０】
図３Ａ及び３Ｂの両方で、第２のスイッチ・トランジスターＳＴ２は第２のデータ線ＤＬ２と温度センサーＴＳとに接続される。第２のスイッチ・トランジスターＳＴ２のゲートはアドレス線ＡＬ２と接続される。これは、第１のスイッチ・トランジスターＳＴ１が接続されるのと同一のアドレス線ＡＬであって良く、又は別のアドレス線であっても良い。
【００４１】
対応するアドレス駆動回路ＡＤＣがセルをアドレス指定する場合、スイッチ・トランジスターＳＴ１及びＳＴ２は、導通に切り替えられ、温度センサーＴＳとメモリー素子、つまりキャパシターＣ１（図３Ｂ）を接続するか、又は加熱素子ＤＴ（図３Ａ）の駆動トランジスターのゲートをデータ駆動回路ＤＤＣと接続する。温度センサーＴＳにより決定された実際のセル温度に応じて、データ駆動回路ＤＤＣはキャパシターＣ１（図３Ｂ）又は加熱素子（図３Ａ）の駆動トランジスターＤＴのゲートへ加熱設定を供給する。それにより、キャパシターＣ１（図３Ｂ）は所定の電位に充電される。図３Ａの実施例では、加熱素子ＨＥの駆動トランジスターＤＴのゲートは、温度制御セルを加熱する加熱素子ＨＥへエネルギーを供給するために導通に切り替えられるか、又はエネルギーを供給しないために導通に切り替えられない。
【００４２】
図３Ａ−３Ｂに示された温度制御回路が加熱素子ＨＥへ可能な限り多くの電力を分配する必要がある場合、駆動トランジスターＤＴで失われる電力は最小限であるべきである。従って、駆動トランジスターＤＴが切り替えモードで駆動され、当該駆動トランジスターＤＴのドレイン−ソース間電圧が最小である必要がある。従って、このような実施例では、加熱素子ＨＥはオン又はオフの何れかのみになる。温度は、電流が加熱素子ＨＥに駆動される時間長により制御されて良い。データ駆動回路ＤＤＣはフィールド期間毎に１回、当該時間長を制御して良い。。結果として、加熱素子ＨＥがオンである最短期間は１フィールド期間である。
【００４３】
代案として、駆動トランジスターＤＴの電力損失が許容可能な場合、駆動トランジスターＤＴは電流源として駆動されて良く、電流を制御するアナログ・データ電圧はフィールド期間に渡りキャパシターＣ１に格納されて良い。しかしながら、駆動トランジスターＤＴのドレイン端子の電圧が良好に定められず、電力、従って生成され分配される熱は良好に制御されない。電流設定及び閾電圧測定のような方法は、一層正確な電力分配を行い、セルアレイに渡り均一な電力分配を可能にするために有用である。
【００４４】
図３Ｃは、駆動トランジスターＤＴの閾値及び変動性を補償するために用いられ得る、従って一層均一な電力分配を可能にする電流ミラー回路を示す。図３Ｃに示された回路は、（図３Ｂに示された回路と比較して）２つの追加のトランジスターＴ１及びＴ２を有する。図３Ｃに示された電流ミラー回路は従来知られており、動作の詳細な説明は本願発明では量略する。一般的に、図３Ｃの制御回路は、キャパシターＣ１を変化することにより、電流の形式で設定を格納する。アドレス期間で、スイッチ・トランジスターＳＴ１のゲートは高（Ｈｉｇｈ）であり、電流は駆動トランジスターＤＴを通じて引き出され、それにより対応する所定の電流を分配するために必要な電圧までキャパシターＣ１を充電する。アドレス期間の後、所定の電流は加熱素子ＨＥへ分配される。分配された電力（Ｐ）は電流（Ｉ）と加熱素子の抵抗（Ｒ）の関数であり（つまりＰ＝Ｉ２Ｒ）、加熱素子の抵抗値（Ｒ）は一定と考えられるので、均一な加熱電力がセルに分配される。
【００４５】
図４Ａ及び４Ｂは、図２Ａ及び２Ｂに示されたアレイで用いられるデータ駆動回路ＤＤＣの実施例を示す。データ駆動回路ＤＤＣ、つまり温度制御回路は、行駆動回路として又は列駆動回路として接続されて良い。図示された実施例では、温度制御駆動回路は列駆動回路であると考えられる。しかしながら、温度制御駆動回路は行駆動回路であっても良い。
【００４６】
図４Ａは図１と関連して記載されたオン／オフ制御の実施例を示す。比較器素子ＣＥは、設定温度を表す入力として基準電圧Ｖｒｅｆを有する。比較器素子ＣＥは、更なる入力として、温度制御セルの温度センサーにより供給される信号を有する。当該信号は、適切な回路Ｃｃｏｎｖにより増幅及び／又は変換されて、温度信号Ｓｔｅｍｐを適切な温度電圧Ｖｔｅｍｐに変換して良い。比較器素子ＣＥの出力はセルのメモリー素子へ供給される。この実施例では、温度センサーからの電圧／電流は、基準電圧Ｖｒｅｆ、つまり設定温度と比較される。当該電圧／電流が基準電圧Ｖｒｅｆより小さい場合、加熱は開始又は継続される。当該電圧／電流が基準電圧Ｖｒｅｆより大きい場合、加熱は停止される。データ駆動回路のこの実施例は、デジタル方式で図３Ｂに示された回路を駆動するのに特に適する。
【００４７】
図４Ｂは比例制御に適したデータ駆動回路ＤＤＣの実施例を示す。セルの温度センサーにより供給される温度信号Ｓｔｅｍｐは、適切な変換回路Ｃｃｏｎｖにより適切な電圧Ｖｔｅｍｐに増幅され変換される。基準電圧Ｖｒｅｆが供給される。適切な温度電圧Ｖｔｅｍｐ及び基準電圧Ｖｒｅｆは、適切に選択された抵抗器Ｒ１−Ｒ４を通じ演算増幅器ＯＰ−ＡＭＰへ供給され、所定のゲインを提供する。所望のゲインを得るための抵抗器Ｒ１−Ｒ４の抵抗値の選択は、従来知られており、本願明細書で更に説明されない。演算増幅回路の出力は温度制御セルのメモリー素子へ供給される。
【００４８】
上述の実施例は断続的に動作し、従って温度データとメモリー・データはフィールド期間に１回更新される。本発明の別の実施例では、温度制御セルの中で温度帰還が行われて良い。これは一層正確な温度制御を提供する。上述の実施例では温度帰還は実質的に連続しているので、帰還はフィールド期間毎に１回だけである。メモリー素子は、フィールド期間毎に１回更新される設定温度を格納して良い。設定温度に応じた実際の温度制御は、セル内で実行される。
【００４９】
図５Ａは一般的なセル内制御方式を示す。セル内制御回路ＣＣの入力は、メモリー素子として機能するキャパシターＣ１と接続される。キャパシターＣ１は更に、スイッチ素子、つまりトランジスターＳＴ１と接続される。トランジスターＳＴ１は更に、例えばデータ駆動回路ＤＤＣと接続されたデータ線ＤＬと接続される。またトランジスターＳＴ１のゲートは、例えばアドレス駆動回路ＡＤＣと接続されたアドレス線ＡＬと接続される。制御回路ＣＣの別の入力は、温度センサーＴＳと接続される。制御回路ＣＣの出力は、加熱素子ＨＥと接続される。キャパシターＣ１により供給される基準電圧の入力、及び温度センサーＴＳにより供給される電圧に応じて、制御回路ＣＣは加熱素子ＨＥを制御する。
【００５０】
図５Ｂは加熱素子ＨＥのオン／オフ制御の実施例を示す。制御回路は比較器素子ＣＥを有する。データ線ＤＬがアドレス線ＡＬを通じて制御されるスイッチ・トランジスターＳＴ１を通じてキャパシターＣ１と接続されるアドレス期間中、キャパシターＣ１は設定温度に対応する電位まで充電されて良い。アドレス期間の後、比較器素子ＣＥはキャパシターＣ１の基準電圧と温度センサーＴＳの出力電圧を比較する。温度センサーの電圧が基準電圧より低い場合には加熱素子ＨＥはオンに切り替えられ、その他の場合には加熱素子ＨＥはオフに切り替えられる。
【００５１】
図５Ｃに示された別の実施例では、温度センサーＴＳはキャパシターＣ１と接続され、比較器素子ＣＥは入力として（図５Ｂに示された回路と比較すると）温度センサー電圧の代わりに基準電圧Ｖｒｅｆを有する。温度センサーＴＳは、キャパシターＣ１へ供給される電流を生成する。それによりキャパシターＣ１の電圧は増加する。最終的に、キャパシターＣ１の電圧は基準電圧Ｖｒｅｆに到達し、結果として加熱素子ＨＥをオフに切り替える。
【００５２】
図６Ａは上述の回路の実施例を示す。加熱素子ＨＥは、第１の電源端子ＶＳＳと駆動トランジスターＤＴとの間に接続される。駆動トランジスターＤＴは更に第２の電源端子ＶＤＤと接続される。また駆動トランジスターＤＴのゲートは第１のキャパシターＣ１及び制御トランジスターＣＴのドレインに接続される。第１のキャパシターＣ１は更に第１の電源端子ＶＤＤと接続される。制御トランジスターＣＴのソースは第１の電源端子ＶＤＤとも接続される。第２のキャパシターＣ２は、制御トランジスターＣＴのゲートと第１の電源端子ＶＤＤとの間に接続される。制御トランジスターＣＴのゲートは更にスイッチ・トランジスターＳＴと接続される。スイッチ・トランジスターＳＴは、スイッチ・トランジスターＳＴのゲートと接続されるアドレス線ＡＬの信号に依存して制御トランジスターのゲートをデータ線ＤＬと接続して良い。温度センサーＴＳは、第２の電源端子ＶＳＳと第２のキャパシターＣ２との間に接続される。
【００５３】
図６Ａに示された実施例では、駆動トランジスターの閾電圧（Ｖｔ）は基準電圧として動作する。閾電圧（Ｖｔ）より下ではトランジスターは絶縁体として動作し、閾電圧より上ではトランジスターは導体として動作する。回路は、第１のキャパシターＣ１に格納された電圧によりオン状態に保持されるトランジスターＤＴを介し加熱器に電力を分配する。第１のキャパシターＣ１はアドレス期間でＶＳＳから充電される。アドレス期間では、第２のキャパシターＣ２も設定温度を表すデータ電圧で充電される。第２のキャパシターＣ２のデータ電圧は最初に十分低く、制御トランジスターＣＴが最初にオフ状態であることを保証する。「最初に」はアドレス期間の終了直後の瞬間を表す。アドレス期間の後、電力は加熱素子ＨＥへ分配され、結果として加熱が開始される。温度センサーＴＳは、温度に比例する電流を生成し、Ｃ２を充電し、それにより最終的に制御トランジスターＣＴがオンに切り替わり第１のキャパシターＣ１を放電する。結果として加熱素子ＨＥはオフに切り替えられる。従って、電力は、パルス幅変調方式で加熱素子に分配される。加熱期間、つまりアドレス期間でない期間の間、電力は加熱期間の一部、つまりデューティー期間に印加されて良い。
【００５４】
温度を上昇するため、設定温度を表すデータ電圧、つまり第２のキャパシターＣ２の電圧は増大され、デューティー期間を最初に増大させ、それにより一層多くの電力を加熱素子へ分配する。温度が上昇すると、温度センサーＴＳはより多くの電流を生成し始め、第２のキャパシターＣ２を制御トランジスターＣＴの閾電圧まで高速に充電する。従って、デューティー期間は短縮される。最終的に、所望の設定温度で安定した定常状態が達成される。温度を低下するために、第２のキャパシターＣ２のデータ電圧は減少され、デューティー期間を短縮するか又はゼロにする。温度が下がると、温度センサーＴＳの電流が減少し、デューティー期間が増大し始める。安定した定常状態は最終的に所望の低い温度で達成される。
【００５５】
上述のように、加熱素子ＨＥは、セルを所望の温度に加熱するために必要な如何なる時間期間（デューティー期間）の間もオンに切り替えられて良い。従って、図２Ａ−４Ｂに関連して記載された制御方法と比較して良好な精度が達成される。
【００５６】
図６Ｂは、加熱素子ＨＥが比例制御を用い制御される実施例を示す。インバーター回路が用いられ所望のゲインが提供される。制御回路は、データ線ＤＬ（ソース）及びアドレス線（ゲート）と接続されたスイッチ・トランジスターＳＴを有する。スイッチ・トランジスターＳＴのドレインは、温度センサーＴＳ及びキャパシターＣと接続される。キャパシターＣは、インバーター回路に含まれる第１及び第２の制御トランジスターＣＴ１−ＣＴ２のゲートと更に接続される。第３及び第４の制御トランジスターＣＴ３−ＣＴ４は、インバーター回路と加熱素子ＨＥとの間に設けられる。第３及び第４の制御トランジスターＣＴ３−ＣＴ４のゲートは、アドレス線ＡＬと接続される。またこれらのトランジスターＣＴ３−ＣＴ４はスイッチとして動作する。インバーター回路の動作は従来知られているので本願明細書に詳細に記載されない。一般に、制御トランジスターＣＴ２のゲート電圧が高である場合、加熱素子ＨＥにかかる電圧は低である。また制御トランジスターＣＴ２のゲート電圧が低である場合、加熱素子ＨＥにかかる電圧は高である。
【００５７】
アドレス期間で、データ、つまり電圧はキャパシターＣに格納され、インバーターは当該期間の中点で保持され、従ってキャパシターＣは充電され、如何なるインバーターのオフセットも排除される。加熱素子ＨＥへの電流はまた、当該期間でオフに切り替えられる。アドレス期間の後（及び設定温度が実際の温度より高いとすると）、キャパシターＣは、その瞬間に低である温度センサーの電圧に切り替えられる。そして電流が加熱素子ＨＥを流れ、温度センサー電圧が上昇し、それにより加熱素子ＨＥへの電流が低減する。従って、適切に設計されたシステムでは、安定した温度が達成される。
【００５８】
図６Ｂの回路のゲインは正確に制御されない。ゲインを一層正確に制御するため、完全な演算増幅器が実装される必要があり、抵抗器が差動ゲインを制御するために用いられる必要がある。このような回路は図４Ｂに示された回路と類似である。
【００５９】
更に高機能なシステム、例えば図１と関連して上述された積分及び差動を備えたシステムは、更なる演算増幅器を実装する必要があって良い。しかしながら、このような回路は当業者により設計され得るので、本願明細書に記載されない。
【００６０】
上述の説明及び図面では、一般にトランジスターを参照した。実際には、温度制御セルアレイは、低温多結晶シリコン（ＬＴＰＳ）薄膜トランジスター（ＴＦＴ）を用いた製造に適している。従って、ある実施例では、以上で参照されたトランジスターはＴＦＴであって良い。特に、アレイは大面積ガラス基板にＬＴＰＳ技術を用い製造されて良い。何故ならＬＴＰＳは大面積に用いる場合に特にコスト効率が良いからである。
【００６１】
更に、本発明は低温多結晶シリコン（ＬＴＰＳ）に基づくアクティブ・マトリックス装置に関して記載されたが、非結晶質シリコン薄膜トランジスター（ＴＦＴ）、微結晶若しくは超微細結晶シリコン、高温ポリシリコンＴＦＴ、例えばＣｄＳｅ、ＳｎＯ等に基づく他の無機ＴＦＴ、又は有機ＴＦＴが用いられても良い。同様に、例えば従来知られているリセットを備えたダイオード素子（Ｄ２Ｒ）アクティブ・マトリックス・アドレス指定方法を用いたＭＩＭ、つまり金属−絶縁体−金属素子若しくはダイオード素子が用いられ、本願明細書に開示された本発明を発展させても良い。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】温度帰還を用いた一般的な温度制御方式を示す。
【図２Ａ】温度制御セルのアクティブ・マトリックス・アレイを示す。
【図２Ｂ】温度制御セルのアクティブ・マトリックス・アレイを示す。
【図３Ａ】図２Ａ及び２Ｂのアクティブ・マトリックス・アレイで用いられる制御可能な加熱回路の実施例を示す。
【図３Ｂ】図２Ａ及び２Ｂのアクティブ・マトリックス・アレイで用いられる制御可能な加熱回路の実施例を示す。
【図４Ａ】図２Ａ及び２Ｂのアクティブ・マトリックス・アレイで用いられる温度制御回路の実施例を示す。
【図３Ｂ】図２Ａ及び２Ｂのアクティブ・マトリックス・アレイで用いられる温度制御回路の実施例を示す。
【図５Ａ】セル内温度帰還を備えた制御可能な加熱回路を示す。
【図５Ｂ】セル内温度帰還を備えた制御可能な加熱回路を示す。
【図５Ｃ】セル内温度帰還を備えた制御可能な加熱回路を示す。
【図６Ａ】図２Ａ及び２Ｂのアクティブ・マトリックス・アレイで用いられる図５Ａ−５Ｃによる制御可能な加熱回路の実施例を示す。
【図６Ｂ】図２Ａ及び２Ｂのアクティブ・マトリックス・アレイで用いられる図５Ａ−５Ｃによる制御可能な加熱回路の実施例を示す。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【手続補正書】
【提出日】平成20年6月26日(2008.6.26)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
方法であって、温度制御セルのアレイを駆動し、各セルは加熱素子とスイッチ素子と温度センサーとを有する熱制御手段を有し、前記アレイは駆動回路を更に有し、前記方法は：
セルの前記熱制御手段を前記駆動回路と接続するために、前記セルのスイッチ素子を制御するアドレス信号を供給する段階；
前記温度センサーを用い実際の温度を決定する段階；
前記駆動回路から前記熱制御手段へデータ信号を供給する段階；及び
前記データ信号に従いエネルギーを供給する段階、を有する方法。
【請求項２】
前記データ信号は設定温度を有する、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記温度センサーの出力を前記駆動回路へ供給する段階；
前記温度センサーの出力に依存して、前記駆動回路内で前記データ信号を決定する段階、を更に有する請求項１記載の方法。
【請求項４】
前記セルは第１のスイッチ素子と第２のスイッチ素子とを有し、前記方法は：
前記熱制御手段を前記駆動回路と接続し、前記データ信号を前記熱制御手段へ供給するために、前記第１のスイッチ素子に第１のアドレス信号を供給する段階；
前記熱制御手段の前記温度センサーを前記駆動回路と接続し、実際の温度信号を前記駆動回路へ供給するために、前記第２のスイッチ素子に第２のアドレス信号を供給する段階、を有する請求項３記載の方法。
【請求項５】
前記熱制御手段はメモリー素子を更に有し、前記データ信号は設定を有し、前記方法は：
前記制御信号に応じ、前記熱制御手段の前記メモリー素子を前記駆動回路と接続する段階；
前記データ信号に含まれる前記設定を前記メモリー素子に格納する段階；及び
前記メモリー素子に格納された前記設定に従いエネルギーを供給する段階、を更に有する請求項１記載の方法。
【請求項６】
温度制御セルの前記アレイは行及び列に配置され、前記方法は：
前記セルの前記熱制御手段を前記駆動回路と接続するために、前記セルの前記スイッチ素子を制御する前記制御信号をセル行の各セルに供給する段階；を更に有する請求項１記載の方法。
【請求項７】
前記熱制御手段は制御回路を有し、前記方法は：
実際の温度信号を前記制御回路に供給するために、前記セルの前記温度センサーを前記制御回路と接続する段階、を有する請求項１記載の方法。
【請求項８】
温度制御セルのアレイであって、前記アレイはデータ駆動回路を有し、各セルは熱制御手段を有し、前記熱制御手段は：
電源と結合された加熱素子；
アドレス信号に応じて前記熱制御手段を前記データ駆動回路と接続されたデータ信号端子と結合する、アドレス信号端子と結合されたスイッチ素子；及び
実際の温度を決定する温度センサー、を有する、温度制御セルのアレイ。
【請求項９】
前記熱制御手段は：
格納されるべき設定を受信する前記データ信号端子と接続可能なメモリー素子を有し、前記設定はデータ信号に含まれる、請求項８記載のアレイ。
【請求項１０】
前記温度センサーの出力を前記駆動回路へ供給するために、前記温度センサーは前記駆動回路と接続可能である、請求項８記載のアレイ。
【請求項１１】
前記セルは、第１のアドレス信号に応じて前記熱制御手段を前記データ信号端子と接続する第１のスイッチ素子、及び第２のアドレス信号に応じて前記温度センサーを前記データ信号端子と接続する第２のスイッチ素子を備えられる、請求項８記載のアレイ。
【請求項１２】
前記データ駆動回路は演算増幅器、設定温度端子と前記演算増幅器の第１の入力との間に接続された第１の抵抗器、接地と前記第１の入力端子との間に接続された第２の抵抗器、実際の温度端子と前記演算増幅器の第２の入力端子との間に接続された第３の抵抗器、及び前記第２の入力端子と前記演算増幅器の出力端子との間に接続された第４の抵抗器、を有し、前記出力端子に生成される出力信号は前記実際の温度と前記設定温度との間の差に比例する、請求項８記載のアレイ。
【請求項１３】
前記セルは行及び列に配置され、
各セル行は前記セル行の各セルにアドレス信号を供給する一式のアドレス信号端子を有し；及び
各セル列は前記セル列の各セルにデータ信号を供給する一式のデータ信号端子を有する、請求項８記載のアレイ。
【請求項１４】
前記熱制御手段は制御回路を有し、前記制御回路は温度信号を前記制御回路へ供給する前記温度センサーと接続され、前記制御回路は前記加熱素子を制御するために前記加熱素子と接続される、請求項８記載のアレイ。
【請求項１５】
前記アレイはバイオチップである、請求項８記載のアレイ。
【請求項１６】
使用方法であって、請求項８記載のアレイを核酸の増幅に用いる使用方法。
【国際調査報告】
2009520258.tif 000018
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