(57)【要約】  流体を処理し、及び/又は流体の特性を検知する複数の部品(2)の2次元アレイを有するマイクロ流体素子(1)が提案されている。各部品(2)は少なくとも1つの制御端子(9,10)と結合する。制御端子(9,10)は、アクティブマトリックスによって各部品の状態を独立に変化させることを可能にする。アクティブマトリックスは、薄膜技術によって実現されるエレクトロニクス部品の2次元アレイを有する。アクティブマトリックスは、非常に多機能の素子を供する。薄膜技術は、大きな素子を非常に費用対効果良く製造することも保証する。
2009509155.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体を処理し、及び/又は該流体の特性を検知する複数の部品の2次元アレイを有するマイクロ流体素子であって、
各部品は、アクティブマトリックスが各部品の状態を各独立して変化させることを可能にする少なくとも1つの制御端子と結合し、かつ
前記アクティブマトリックスは、薄膜技術で実現されるエレクトロニクス部品の2次元アレイを有する、
マイクロ流体素子。
【請求項２】
前記アクティブマトリックスのエレクトロニクス部品が、ゲート、ソース、及びドレイン電極を有する薄膜トランジスタによって作製される、請求項1に記載のマイクロ流体素子。
【請求項３】
前記アクティブマトリックスは、1組の選択ライン及び1組の制御ラインを有し、
その際、各独立した部品は1本の選択ライン及び1本の制御ラインによって制御され、かつ
各薄膜トランジスタの前記ゲート電極は前記選択ラインと接続する、
ことを特徴とする、請求項2に記載のマイクロ流体素子。
【請求項４】
前記制御端子に供給される制御信号を保存するメモリ素子が供される、ことを特徴とする、請求項1に記載のマイクロ流体素子。
【請求項５】
前記エレクトロニクス部品が、薄膜ダイオードによって作製される、ことを特徴とする、請求項1に記載のマイクロ流体素子。
【請求項６】
前記薄膜ダイオードが、金属-絶縁体-金属(MIM)ダイオードである、ことを特徴とする、請求項5に記載のマイクロ流体素子。
【請求項７】
前記MIMダイオードは各部品の第1電極を制御ラインと接続し、かつ
各部品の第2電極は選択ラインに接続される、
ことを特徴とする、請求項6に記載のマイクロ流体素子。
【請求項８】
前記薄膜ダイオードがPIN又はショットキーダイオードで、
第1ダイオードは各部品の第1電極を制御ラインと接続し、
第2ダイオードは各部品の第1電極を共通の他のラインと接続し、かつ
各部品の第2電極は選択ラインと接続する、
ことを特徴とする、請求項5に記載のマイクロ流体素子。
【請求項９】
前記第1ダイオードは並列接続する1対のダイオードであり、かつ
前記第2ダイオードも並列接続する1対のダイオードである、
ことを特徴とする、請求項8に記載のマイクロ流体素子。
【請求項１０】
前記第1ダイオードは直列接続する1対のダイオードであり、かつ
前記第2ダイオードも直列接続する1対のダイオードである、
ことを特徴とする、請求項8に記載のマイクロ流体素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体の処理及び/又は流体の特性の検知に用いられる複数の部品の2次元アレイを有するマイクロ流体素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
マイクロ流体素子はほとんどのバイオチップ技術の中心であり、流体試料の調製及びその後に行われる分析の両方に用いられる。試料はたとえば血液に基づくものであって良い。当業者には明らかであるように、試料溶液は如何なる数のものを含んで良い。その中には、事実上如何なる生命体の血液、尿、血清、リンパ液、唾液、肛門の分泌物、膣の分泌物、汗、及び精液のような生体に関する流体が含まれるがそれらに限定されるわけではない。生命体の試料は、ほ乳類の試料が好適でかつヒトの試料が特に好適であって、環境中の試料（たとえば空気、農業、水、及び土壌の試料）、生物兵器試料、研究用試料（つまり核酸の場合であれば、試料は、ターゲットと信号増幅を含む増幅反応の生成物であって良い）、たとえば精製された遺伝子DNA、RNA、タンパク質等の精製された試料、未精製試料、及び、細胞、バクテリア、ウイルス、寄生虫、又は菌類を（一部として）含む試料であって良い。
【０００３】
当業者には周知であるように、事実上ほとんどの実験操作は試料上で行うことが可能である。一般的には、“バイオチップ”又は“ラボチップ(Lab-on-a-Chip)”等は、少なくとも1つのマイクロ流体部品又はバイオセンサを有するシステムのことを指す。その少なくとも1つのマイクロ流体部品又はバイオセンサは、多数の所望の物理、化学、及び生化学反応を迅速かつ高信頼性で実行するために、わずかな量の流体を、制御、輸送、混合、及び保存する。これらの素子は、ヒトの健康評価、遺伝子スクリーニング、及び病原体の検出を実現する可能性を与える。それに加えてこれらの素子は、非生体試料を操作及び/又は分析する他の用途も有する。バイオチップ素子はすでに、たとえば細胞の溶解、材料抽出、洗浄、試料増幅、分析等の一連の処理を実行するのに用いられている。これらの素子は徐々に、たとえば複数のバクテリアの病気を検出するように、複数の調製及び分析処理を並行して行うのに用いられている。そのようなものとして、マイクロ流体素子及びバイオチップはすでに多数の部品を有している。素子が効果的かつ多機能になるほど部品の数は増えるだけである。
【０００４】
部品の多くはたとえば加熱素子、ポンプ素子、バルブ等の、試料すなわち流体の特性を検知又は改質するのに用いられる電気部品である。また部品の多くは、大抵の場合素子の基板上に薄膜エレクトロニクス部品を直接作製することによって実現される。検知又は改質可能である適切な特性には、温度、流れの割合すなわち流速、圧力、又は、流体、試料若しくは検体の有無、濃度、量、移動度若しくは分布、光学特性、磁気特性、又は、電場強度、配置、若しくは極性が含まれるが、これらに限定されるわけではない。
【特許文献１】米国特許第6852287号明細書
【非特許文献１】クージック(K.E.Kujik)、第10回国際ディスプレイ研究会議録、pp.174、1990年
【非特許文献２】ナップ(A.G.Knapp)及びハートマン(R.A.Hartmann)、第14回国際ディスプレイ研究会議録、pp.14、1994年
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
この方法の問題の1つは、素子上のどの電気部品も、該部品を独立して制御するための制御端子を必要とする必要とすることである。従って部品と制御素子とを接続するのに必要とされる空間は、素子それ自体を実現するのに必要とされる空間よりも大きくなる。結果として、制御端子の数が多くなりすぎて、電気コンタクトを形成するために全ての端子を素子周辺に備えることは現実的でなくなる。電気コンタクトを実現する1つの可能性は、電気コンタクト用ホイルを用いることである。
【０００６】
制御端子数が多くなることを避けるため、特許文献1は、制御端子の数を少なくしてN個の独立制御が可能な部品を制御する方法の実施例を提案している。これを実現するため、多重化法とパッシブマトリックス法の両方の使用が提案されている。特に、マトリックス法は、最小数の制御端子で最大数の部品の制御を可能にするため、極めて魅力的である。理論上、ある特定のヒーター素子が起動する場合、いくつかの他のヒーター素子も意図せずして起動する。その結果、必要ではない場所でも熱が発生してしまう。さらには、起動させたいヒーター素子に到達する前に、印加電流の一部が別な電流経路を進行する、又は、印加電圧が行及び列に沿って降下することで、意図したヒーター素子で発生する熱は必要とされる熱とは異なってしまう。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の目的は、パッシブマトリックスに基づく素子よりも性能が改善されたマイクロ流体素子の提供である。この目的は、アクティブマトリックスの原理に基づく、基板上に作製されたマイクロ流体素子、たとえばバイオチップ、によって実現される。この素子は、周知の大面積エレクトロニクス技術のうちの1つによって作製されることが好ましい。周知の大面積エレクトロニクス技術とはたとえば、a-Si、LTPS、又は有機トランジスタ技術である。そのアクティブ素子によって、少数の制御端子によって、その素子上の多数の部品を各独立に制御することが可能となる。
【０００８】
本発明は、流体を処理し、及び/又は流体の特性を検知する複数の部品の2次元アレイを有するマイクロ流体素子について記載している。各部品は、少なくとも1つの制御端子と結合する。それによりアクティブマトリックスは各部品の状態を各独立して変化させることが可能となる。アクティブマトリックスは、薄膜技術で実現されるエレクトロニクス部品の2次元アレイを有する。そのアクティブマトリックスは、非常に多機能な素子を供する。薄膜技術は、非常に費用対効果の良い大きな素子の製造をも保証する。
【０００９】
本発明の一の有利な実施例では、アクティブマトリックスのエレクトロニクス部品は、ゲート、ソース、及びドレイン電極を有する薄膜トランジスタによって作製される。この場合、アクティブマトリックスは、1組の選択ライン及び1組の制御ラインを有する。その際、各独立した部品は1本の選択ライン及び1本の制御ラインによって制御され、かつ各薄膜トランジスタのゲート電極は選択ラインと接続する。
【００１０】
本発明の他の有利な実施例では、制御端子に供給される制御信号を保存するメモリ素子が供される。
【００１１】
本発明の代替的実施例では、エレクトロニクス部品は、たとえば金属-絶縁体-金属(MIM)ダイオードのような薄膜ダイオードによって作製される。MIMダイオードは各部品の第1電極を制御ラインと接続し、かつ各部品の第2電極は選択ラインに接続されることが好ましい。
【００１２】
本発明の他の有利な実施例では、薄膜ダイオードはPIN又はショットキーダイオードである。ここで第1ダイオードは各部品の第1電極を制御ラインと接続する。第2ダイオードは各部品の第1電極を共通の他のラインと接続する。各部品の第2電極は選択ラインと接続する。
【００１３】
本発明の有利な改良型では、第1ダイオードは並列接続する1対のダイオードによって置換され、かつ第2ダイオードも同様に並列接続する1対のダイオードによって置換される。
【００１４】
さらに他の有利な改良型では、第1ダイオードは直列接続する1対のダイオードによって置換され、かつ第2ダイオードも同様に直列接続する1対のダイオードによって置換される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
添付された図と共に以降の詳細な説明を読むことで、本発明はより良く理解され、かつ他の具体的特徴及び利点が明らかになるだろう。
【００１６】
図1は、アクティブマトリックスに基づくマイクロ流体素子の大まかな概念を図示している。マイクロ流体素子は全体として参照番号1で指定されている。当該素子は部品2の2次元アレイを有する。各部品2には、その部品2を選択的に起動させるように備えられたスイッチング手段2が付随する。各スイッチング手段は、制御ライン4及び選択ライン6に接続する。制御ライン4は共通の制御駆動装置7と接続する。選択ライン6は共通の選択駆動装置8と接続する。制御ライン4は選択ライン6と一緒になって、制御端子9,10の2次元アレイを形成する。
【００１７】
このようにして、アクティブマトリックスが、全ての部品が独立して駆動可能であることを保証することは実現される。部品2はエレクトロニクス素子であって良い。エレクトロニクス素子とはたとえば、電圧又は電流信号によって駆動する、ヒーター素子、ポンプ素子、バルブ、検知部品等である。部品2の例は限定的な意味で解されてはならないことに留意して欲しい。部品2を起動させることは、その部品2の状態をオンからオフ若しくはその逆に変化させること、又はその部品2の設定を変化させることによって、その部品2の状態を変化させることを意味する。個々のスイッチング手段3は、アクティブエレクトロニクス部品及び/又はパッシブエレクトロニクス部品を含む複数の部品を有して良い。しかし全ての部品が一緒に起動することは必要ではない。
【００１８】
単一の部品2を独立して制御する図1に図示されたマイクロ流体素子1の動作は以下の通りである。
―アドレス指定されていない状態では、全ての選択ライン6は、スイッチング素子3が非伝導状態となる電圧に設定される。この場合、起動する部品2はない。
―事前選択された部品2を起動させるため、選択駆動装置8は、事前選択された部品2が結合する選択ライン6に選択信号を供給する。その結果、同一の選択ライン6と接続する全てのスイッチング手段3が伝導状態に切り替わる。
―たとえば電圧又は電流のような、制御駆動装置7によって発生する制御信号は、事前選択された部品2が設けられている制御ラインに供給される。その制御信号は所望のレベルに設定され、かつスイッチング手段3を通過して部品2へ送られる。それによりその部品が起動する。
―他の全ての制御ライン4での制御信号は、事前選択された部品2と同一の選択ライン6と接続する他の部品の状態を変化させないレベルに保持される。この例では、他の部品は起動しないままである。
―他の全ての選択ライン6が非選択状態に保持される。それにより、事前選択された部品と同一の制御ライン4と接続する他の部品2は起動しない。その理由は、前記他の部品2に付随するスイッチング手段3は非伝導状態のままだからである。
―事前選択された部品が所望の状態に設定された後、対応する選択ライン6は非選択となり、全てのスイッチング手段3が非伝導状態に戻され、事前選択された部品の状態変化が防止される。
【００１９】
よって素子は、上述の一連の動作が繰り返される地点において、次の制御信号が部品2のいずれか1つの状態を変化させることを要求するまでは非アドレス指定状態のままである。
【００２０】
制御ライン4及び選択ライン6によって形成される2次元アレイもまた、行及び列で記述されて良い。ここで選択ライン6は行を画定し、制御ライン4は列を画定する。
【００２１】
選択期間中、アレイ中の2列以上の列に制御信号を供給することによって、ある所与の1行内に位置する2つ以上の部品2を同時に制御することも可能である。選択駆動装置を用いて他の行を起動させ、かつ制御信号をアレイ中の1以上の列に供給することによって、各異なる行に属する部品を順次制御することも可能である。
【００２２】
制御信号が存在する間、1つの部品2のみが起動するようにマイクロ流体素子1をアドレス指定することも可能である。しかし好適実施例では、選択期間完了後に制御信号を記憶するメモリ素子を部品に組み込むことが有利である。メモリ素子には、キャパシタ又はトランジスタベースのメモリ素子が適している。これにより、アレイ全体にわたる如何なる点においても多数の部品を同時に起動させることが可能となる。この選択肢は従来技術で既知となっているパッシブシステムでは利用不可能である。当然のこととして、メモリ素子が利用可能である場合、明らかに素子を起動させないように第2制御信号が必要となる。
【００２３】
以降の説明ではマイクロ流体素子1の基本概念及び利点を示した後に、3つの具体的実施例について説明する。
【実施例１】
【００２４】
薄膜トランジスタに基づくアクティブマトリックスマイクロ流体素子
図2は、全ての部品が各独立して起動可能となることを保証するためのスイッチング手段3として薄膜トランジスタ(TFT)12を用いたアクティブマトリックスマイクロ流体素子1を示している。各部品2は、TFTスイッチ12を介して制御端子のマトリックスと接続する。TFTは、大面積エレクトロニクスにおける周知のスイッチング素子であり、かつたとえばフラットパネルディスプレイ用途において発展的な利用が見いだされてきた。産業上、TFTの主な製造方法は、アモルファスシリコン(a-Si)又は低温多結晶シリコン(LTPS)技術のいずれかに基づいている。しかしたとえば有機半導体又はCdSeのような非Siベースの半導体のような他の技術が用いられても良い。単一の部品2を独立して制御する図2に図示された素子の動作は以下の通りである。
―アドレス指定されていない状態では、全ての選択ライン6は、スイッチング素子3が非伝導状態となる電圧に設定される。a-Siの場合、典型的にはTFTはn型なので、負の電圧がTFTのゲートに印加されなければならない。この場合、起動する部品2はない。
―事前選択された部品2を起動させるため、選択駆動装置8は、事前選択された部品2が結合する選択ライン6に選択信号を供給する。よって、この選択ラインと接続する全てのTFT12が伝導状態に切り替わる。
―たとえば電圧又は電流のような、制御駆動装置7によって発生する制御信号は、事前選択された部品2が設けられている列に供給される。TFT12は、その制御信号を、TFTのドレインと結合する事前選択された部品2へ通過させることによりその部品を起動させる。
―他の全ての列での制御信号は、その列の他の部品の状態を変化させないレベルに保持される。この例では、他の部品は起動しないままである。
―TFTのゲートに負電圧を印加することによって、他の全ての列の選択信号が非選択状態に保持される。それにより他の部品は、非伝導状態のTFTを介して同一列と接続するので起動しない。
―部品が所望の状態に設定された後、行中のTFT12再度は非選択となり、その部品の状態変化が防止される。
【００２５】
よって素子は、上述の一連の動作が繰り返される地点において、次の制御信号が部品のいずれか1つの状態を変化させることを要求するまでは非アドレス指定状態のままである。
【００２６】
TFTベースのスイッチを用いて、選択期間中、アレイ中の2列以上の列に制御信号を供給することによって、ある所与の1行内に位置する2つ以上の部品2を同時に制御することも可能である。選択駆動装置を用いて他の行を起動させ、かつ制御信号をアレイ中の1以上の列に供給することによって、各異なる行に属する部品を順次制御することも可能である。さらに制御信号が存在する間、1つの部品2のみが起動するようにマイクロ流体素子1をアドレス指定することも可能である。あるいは、選択期間完了後に制御信号を記憶するメモリ素子（たとえばキャパシタ又はトランジスタベースのメモリ素子）を部品に組み込むことも可能である。
【実施例２】
【００２７】
ダイオードに基づくアクティブマイクロ流体素子
図3は、薄膜ダイオード技術に基づくアクティブマトリックスを有するマイクロ流体素子の一部を示している。薄膜ダイオード技術に基づくアクティブマトリックスは多少柔軟性に欠けるとはいえ、技術的に厳しい要求が課されないので、特定の用途においては有利となりうる。ダイオードアクティブマトリックスアレイは、たとえばアクティブマトリックスLCDに用いられ、かつ複数の知られた方法での駆動が可能である。そのような知られた方法の1つが、リセット機能を有するダブルダイオード(D2R)法である。この方法は、非特許文献1で提案された。
【００２８】
詳細には、図3は、横に並んでいるこのアクティブマトリックスアレイの画素回路12a、12b、12cを3種類示している。大抵の場合、これらの画素回路のうちの1種類のみが特定のマイクロ流体素子上に存在する。しかしプロセス技術によって、単一のマイクロ流体素子上にそれぞれ異なる種類の画素回路を有することが可能である。それぞれ異なる種類の画素回路について、図3の左側から右側の順に論じる。第1画素回路12aでは、ダイオード13は、制御ライン4を介して部品2への制御信号を供する。ダイオード14は、共通リセットラインC-RST16を介して部品2から制御信号を除去する。阻止範囲、つまりダイオードが非伝導性となる電圧範囲、は外部電圧によって決定されるので調節可能である。これは、動作電圧の大きな部品が必要な場合に重要な利点である。
【００２９】
第2画素回路12bでは、各ダイオード13,14は、並列接続する1対のダイオードに置き換えられる。よって画素回路12bを流れる電流は、画素回路12aを流れる電流よりも大きくなる。
【００３０】
同様に、より高い電圧は、ダイオードを直接に供することによって容易に実現可能である。これにより高い逆電圧でそれぞれのダイオードのブレークダウンが防止される。電圧が複数のダイオードにわたって分配されるからである。図3の右側に示された画素回路12cはこの構成の典型例である。画素回路12cは、制御信号を除去する2つのダイオード14a,14bを直列接続した状態で供し、それだけではなく制御信号を供給する2つのダイオード13a,13bも直列接続した状態で供する。
【００３１】
外部接続数は、行数と列数に1を加えた数に等しい。1とは共通リセットライン16の分である。回路はダイオードの特性からかなり独立しているので、PIN（p型、真性、n型）又はショットキーダイオードが選ばれて良い。回路は、外部のダイオードを直列又は並列接続して用いることによって、回路は、回路短絡又は開放エラーにとっては不要となる。行は、非特許文献1によって提案された方法による5の電圧レベルを有するリセット法を用いて駆動される。
【００３２】
PIN（又はショットキー-IN）ダイオードは、単純な3層プロセスを用いて作製されて良い。アモルファス半導体、つまりpドープ領域、真性領域及びnドープ領域からなる積層体、は、上部金属ラインと下部金属ラインの間で挟まれる。上部金属ラインと下部金属ラインは垂直になるように配向している。電気的特性は位置合わせの影響をほとんど受けない。
【実施例３】
【００３３】
MIMダイオードに基づくアクティブマトリックス流体素子
薄膜ダイオード技術と同様に、アクティブマトリックスを作製するための金属-絶縁体-金属(MIM)ダイオード技術が用いられたアクティブマトリックスは、ある程度柔軟性が失われる代わりに、TFTを用いるよりも技術的に厳しい要求が課されない。
【００３４】
従来、アクティブマトリックスLCDに用いられてきたMIMダイオードアクティブマトリックスアレイは、特許文献1で述べられているパッシブマトリックスと同様の構造を有する。しかしMIMダイオードは、図4に図示されているように、アクティブマトリックスアドレス指定を可能にするため、各部品を直列接続した非線形抵抗素子として導入される。
【００３５】
MIM素子は、絶縁性の薄膜によって2層の金属層を分離することによって作製される。またその構造は、クロスオーバー構造によって簡便に実現される。例には、非特許文献2で提案された、Cr金属とMo金属との間に挟まれた水素化窒化シリコンがある。第2例には、Ta金属電極の間に挟まれたTa2O5絶縁体がある。
【００３６】
図4において概略的に図示されたマイクロ流体素子では、MIMダイオード17は、部品2の第1電極と制御ライン4とを接続する。両金属層及び絶縁層は、同一基板上で実現される。部品の接続は、第2電極を第1基板に追加して、かつ第2電極をクロスオーバーとしての他のより厚い絶縁層によって絶縁することによって完了する。MIMダイオードの代替実施例では、MIMダイオード17のアクティブマトリックスは、部品2の第1電極を選択ライン6に接続する。その一方で部品2の第2電極は制御ライン4と接続する。MIMアクティブマトリックスの動作は、また上述の非特許文献2にも開示されている。第2電極は、選択ライン6との伝導性接続を供する。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明によるマイクロ流体素子の概略図で、アクティブマトリックスコンセプトを図示する。
【図２】本発明によるマイクロ流体素子の第1実施例の概略図で、薄膜トランジスタに基づいたアクティブマトリックスコンセプトを図示する。
【図３】本発明によるマイクロ流体素子の第2実施例の概略図で、半導体ダイオードに基づいたアクティブマトリックスコンセプトを図示する。
【図４】本発明によるマイクロ流体素子の第3実施例の概略図で、金属-絶縁体-金属ダイオードに基づいたアクティブマトリックスコンセプトを図示する。
【図１】
2009509155.tif 000003
【図２】
2009509155.tif 000004
【図３】
2009509155.tif 000005
【図４】
2009509155.tif 000006
【国際調査報告】
2009509155.tif 000007
2009509155.tif 000008
2009509155.tif 000009