(57)【要約】      （修正有）【課題】アクティブマトリックス誘電体エレクトロウェッティング（ＡＭ−ＥＷＯＤ）デバイスにおける、極性流体の入力の正確な制御が可能なデバイス及び入力方法の提供。【解決手段】ＥＷＯＤデバイス（８０）は、第１（８２）および第２の基板アセンブリ（８４）と、および、これらの間にチャネルを定義するために、第１の基板アセンブリを第２のアセンブリから間隔をおいて配置するスペーサ（８６）と、を含む。スペーサは、チャネルと流体連通している流体入力ポート（９８）を定義し、スペーサは、流体入力ポートからチャネルに流体を向けるように構成されている。スペーサは、ベース領域からチャネルに延びる交互の歯（９６）を含む、流体入力ポートを定義するための櫛状スペーサ構成を有しており、歯は、隣接する流体入力ポートをお互いに分離している。【選択図】図８
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘電体エレクトロウェッティング（ＥＷＯＤ）デバイスであって、
第１の基板アセンブリおよび第２の基板アセンブリと、ここにおいて、前記第１および第２の基板アセンブリは、対向する内側表面を有し、および、
前記第１および第２の基板アセンブリの前記対向する内側表面の間にチャネルを定義するために、前記第１の基板アセンブリの内側表面を前記第２の基板アセンブリの内側表面から間隔をおいて配置するように、前記第１の基板アセンブリと前記第２の基板アセンブリを位置づけるスペーサ部分と、を備え、
ここにおいて、前記スペーサ部分は、前記チャネルと流体連通している複数の流体入力ポートを定義し、前記スペーサ部分は、前記流体入力ポートから前記チャネルへと流体を向けるように構成されている、
ＥＷＯＤデバイス。
【請求項２】
前記スペーサ部分は、複数の流体入力部分を定義するための櫛状スペーサ構成を有しており、前記櫛状スペーサ構成は、ベース領域から前記チャネルに延びる交互の歯を含む、請求項１に記載のＥＷＯＤデバイス。
【請求項３】
前記チャネルの外部で、前記歯は隣接する流体入力ポートをお互いに分離する、請求項２に記載のＥＷＯＤデバイス。
【請求項４】
前記スペーサ部分は、前記ＥＷＯＤデバイス内にスペーサなし領域を形成するために、前記第１および第２の基板アセンブリの一部分とのみ接触する、請求項１乃至３のいずれか一項に記載のＥＷＯＤデバイス。
【請求項５】
前記スペーサ部分は、前記第１および第２の基板アセンブリの両方と接触する領域を含み、前記チャネルの均一なセルギャップを定義するために前記チャネルに延びる、請求項４に記載のＥＷＯＤデバイス。
【請求項６】
前記チャネルへの流体通路を形成する前記スペーサ部分の延長として構成された出口ポートをさらに備える、請求項１乃至５のいずれか一項に記載のＥＷＯＤデバイス。
【請求項７】
前記流体入力ポートを定義する、前記チャネルと反対側の前記スペーサ部分の一部は、円形である、請求項１乃至６のいずれか一項に記載のＥＷＯＤデバイス。
【請求項８】
前記第１の基板アセンブリまたは前記第２の基板アセンブリのうちの一つは、エレクトロウェッティング電圧を前記チャネルに印加するための薄膜電子回路を含み、前記薄膜電子回路は、前記チャネル内で能動領域を定義し、および、
前記薄膜電子回路を含む基板アセンブリは、エレクトロウェッティング電圧が印加されない、能動領域に隣接する非能動境界領域を定義する、
請求項１乃至７のいずれか一項に記載のＥＷＯＤデバイス。
【請求項９】
前記スペーサ部分は、前記複数の流体入力ポートを定義する櫛状のスペーサ構成を有しており、前記櫛状のスペーサ構成は、ベース領域から前記非能動境界領域を越えて前記チャネルに、そして、前記能動領域に延びる交互の歯を含む、請求項８に記載のＥＷＯＤデバイス。
【請求項１０】
前記非能動境界領域の幅が「ｗ」で表され、前記第１および第２の基板アセンブリの間の前記チャネルのセルギャップ寸法が「ｄ」で表される場合、前記流体入力ポートは、少なくとも半径ｗ／２、高さｄの円盤の体積に相当する入力流体の最小体積を受けるようなサイズである、請求項８乃至９のいずれか一項に記載のＥＷＯＤデバイス。
【請求項１１】
前記非能動境界領域は、前記薄膜電子回路を含む前記基板アセンブリの、少なくともいくつかの反対側のエッジ上で対称である、請求項８乃至１０のいずれか一項に記載のＥＷＯＤデバイス。
【請求項１２】
前記非能動境界領域は非対称であって、前記薄膜電子回路を含む前記基板アセンブリの異なるエッジ上で異なるサイズを有する、請求項８乃至１１のいずれか一項に記載のＥＷＯＤデバイス。
【請求項１３】
前記薄膜電子回路を含む前記基板アセンブリは、前記非能動境界領域に隣接するリッジを有する、請求項８乃至１２のいずれか一項に記載のＥＷＯＤデバイス。
【請求項１４】
前記第１の基板アセンブリは上部基板アセンブリであり、前記薄膜電子回路を含む、請求項８乃至１３のいずれか一項に記載のＥＷＯＤデバイス。
【請求項１５】
前記第２の基板アセンブリは下部基板アセンブリであり、前記薄膜電子回路を含む、請求項８乃至１３のいずれか一項に記載のＥＷＯＤデバイス。
【請求項１６】
前記薄膜電子回路を組み込んだ前記基板アセンブリの少なくとも１つのエッジは、前記能動領域と一致する、請求項８乃至１５のいずれか一項に記載のＥＷＯＤデバイス。
【請求項１７】
前記第１の基板アセンブリまたは前記第２の基板アセンブリのうちの１つは、エレクトロウェッティング電圧を前記チャネルに印加するための薄膜電子回路を含み、前記薄膜電子回路は前記チャネル内で能動領域を定義し、および、
前記能動領域の一部は、前記薄膜電子回路を含む基板アセンブリを越えて延びる、
請求項１乃至７のいずれか一項に記載のＥＷＯＤデバイス。
【請求項１８】
前記第２の基板アセンブリは下部基板アセンブリであり、前記薄膜電子回路を含む、請求項１７に記載のＥＷＯＤデバイス。
【請求項１９】
前記スペーサ部分は、前記第１の基板アセンブリあるいは前記第２の基板アセンブリのうちの一つの上に配置されたフォトレジスト層を備える、請求項１乃至１８のいずれか一項に記載のＥＷＯＤデバイス。
【請求項２０】
誘電体エレクトロウェッティング（ＥＷＯＤ）デバイスに流体を入力する方法であって、前記ＥＷＯＤデバイスは、
第１の基板アセンブリおよび第２の基板アセンブリと、ここにおいて、前記第１および第２の基板アセンブリは対向する内側表面を有し、および、
前記第１および第２の基板アセンブリの前記対向する内側表面の間にチャネルを定義するために、前記第１の基板アセンブリの内側表面を前記第２の基板アセンブリの内側表面から間隔をおいて配置するように、前記第１の基板アセンブリと前記第２の基板アセンブリを位置づけるスペーサ部分と、を備え、
ここにおいて、前記スペーサ部分は、前記チャネルと流体連通している複数の流体入力ポートを定義し、前記スペーサ部分は、前記流体入力ポートから前記チャネルへと流体を向けるように構成されており、
流体を入力する前記方法は、
前記流体入力ポートの一つを介して前記チャネルに非極性流体を入力することと、
前記スペーサ部分によって定義された前記流体入力ポートの前記一つに極性流体を入力することと、前記流体入力ポートの一つにおける前記スペーサ部分の構成は、前記チャネルに前記極性流体を向けるものであり、および、
前記極性流体を前記チャネルに移動するために、エレクトロウェッティング電圧を印加すること、
とのステップを備える、流体を入力する方法。
【請求項２１】
前記スペーサ部分は、前記ＥＷＯＤデバイス内にスペーサなし領域を形成するために、前記第１および第２の基板アセンブリの一部分とのみ接触し、前記方法は、
前記スペーサなし領域内に気泡を形成するために、前記非極性流体で前記チャネルを不完全に充填することと、および、
前記気泡と前記非極性流体が出会う境界にある前記スペーサ部分によって定義される、前記流体入力ポートの一つに極性流体を入力すること、
とのステップをさらに備える、請求項２０に記載の流体を入力する方法。
【請求項２２】
前記スペーサ部分は、前記ＥＷＯＤデバイス内にスペーサなし領域を形成するために、前記第１および第２の基板アセンブリの一部分とのみ接触し、前記方法は、
前記スペーサなし領域内に非極性流体の本体と気泡を形成するために、前記非極性流体で前記チャネルを不完全に充填することと、
前記非極性流体のシェルの中に入れられた極性流体の液滴を含む、入力液滴を形成することと、
前記非極性流体の前記本体から間隔をおいて配置された、前記スペーサ部分によって定義される前記流体入力ポートの一つに、前記入力液滴を入力することと、および、
前記非極性流体の前記本体と接触するように前記入力液滴を移動するために、エレクトロウェッティング電圧を印加すること、
とのステップを備えた、請求項２０に記載の流体を入力する方法。
【請求項２３】
前記第１の基板アセンブリあるいは前記第２の基板アセンブリのうちの一つの上に配置されたフォトレジスト層から前記スペーサ部分を形成すること、をさらに備えた、請求項２０乃至２２の何れか一項に記載の流体を入力する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液滴マイクロ流体デバイスに関し、さらに詳細には、そのようなデバイスへの強化された流体ローディングのための入力構造を含む、アクティブマトリックス誘電体エレクトロウェッティング（ＡＭ−ＥＷＯＤ：Ａｃｔｉｖｅ  Ｍａｔｒｉｘ  Ｅｌｅｃｔｒｏ-ｗｅｔｔｉｎｇ-Ｏｎ-Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ）デバイスに関する。
【背景分野】
【０００２】
誘電体エレクトロウェッティング（ＥＷＯＤ）は、電界の印加によって液滴を操作するためのよく知られた技術である。アクティブマトリクスＥＷＯＤ（ＡＭ-ＥＷＯＤ）は、たとえば、薄膜トランジスタ（ＴＦＴｓ）の使用による、トランジスタを組み込んだアクティブマトリックスアレイにおけるＥＷＯＤの実施に関連している。このように、これは、ラボオンチップ技術についてのデジタルマイクロ流体工学のための候補技術である。この技術の基本原理は、「Digitalmicrofluidics: is a true lab-on-a-chip possible?」, R.B. Fair, Microfluid Nanofluid (2007) 3:245-281に紹介されている。
【０００３】
図１は、従来のＥＷＯＤデバイスの一部の断面を示している。デバイスは、下部基板10を含み、その最上位層は、複数のアレイ素子電極１２(例えば、図１の１２Ａおよび１２Ｂ)を実装するために、パターン化された伝導性材料が形成されている。所与のアレイ素子の電極は、素子電極１２と呼ばれる。極性材料を含む液滴１４（通常、水性および／またはイオン性でもある）は、下部基板１０および上部基板１６の間の平面に束縛される。２つの基板の間の適切なギャップは、スペーサ１８によって実装され、非極性周囲流体２０（例えば、オイル）は、液滴１４によって占有されていない体積を占有するために使用されてもよい。オイルの機能は、極性液滴の表面の表面張力を削減し、エレクトロウェッティング力を増加することであり、最終的には、小さい液滴を生成して、それらを迅速に移動する能力に達することである。したがって、任意の極性流体がそこに導入される前に、オイルがデバイスのチャネル内に存在することは、通常、有益である。
【０００４】
下部基板１０の上に配置された絶縁体層２２は、伝導性素子電極１２Ａ、１２Ｂを第１の疎水性コーティング２４から分離し、その上に、液滴１４がθによって表される接触角２６をもって置かれている。疎水性コーティングは、疎水性の材料により形成されている（通常、フッ素重合体であるが、必ずしもそれに限られない）。上部基板１６の上に、液滴１４が接触できる第２の疎水性コーティング２８がある。上部基板１６と第２の疎水性コーティング２８の間には、参照電極３０が配置される。
【０００５】
接触角θは、図１に示されるように定義され、固体と液体の界面の表面張力（γSL）、液体と非極性周囲流体の界面の表面張力(γLG)、および、固体と非極性周囲流体の界面の表面張力 (γSG)の間の表面張力成分のバランスによって決定され、電圧が印加されていない場合には、次の式で表されるヤングの法則（Ｙｏｕｎｇ‘ｓ  ｌａｗ）を満足する。
【０００６】
【数１】
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【０００７】
動作中、ＥＷ駆動電圧（例えば、図１のVT, V0 and V00）と呼ばれる電圧が、異なる電極（例えば、参照電極３０, 素子電極１２,１２Ａ、１２Ｂのそれぞれ）に印加されてもよい。その結果生じた電気的な力が疎水性コーティング２４の疎水性を効果的に制御する。異なる素子電極（例えば、１２Ａ、１２Ｂ）に印加される異なるＥＷ駆動電圧（例えば、V0およびV00）について調整することにより、液滴１４は２つの基板１０および１６の間の横平面において移動することができる。
【０００８】
ＥＷＯＤデバイスの例示的な構成と動作が次に記載される。ＵＳ６９１１１３２（Ｐａｍｕｌａ他、２００５年６月２８日発行）は、二次元において液滴の位置や動きを制御する二次元ＥＷＯＤアレイを開示している。ＵＳ６５６５７２７ （Ｓｈｅｎｄｅｒｏｖ、２００３年５月２０日発行）は、さらに、液滴の分割や統合、あるいは、異なる材質の液滴の同時混合を含む他の液滴操作のための方法を開示している。ＵＳ７１６３６１２（Ｓｔｅｒｌｉｎｇ他、２００７年１月１６日発行）は、ＡＭ表示技術において使用されている回路配置に非常に近い回路配置を使用することによって、ＥＷＯＤアレイに対する電圧パルスのアドレッシングを制御するために、ＴＦＴベースの薄膜電子回路がどのように使用されるかを開示している。
【０００９】
ＵＳ７１６３６１２のアプローチは、「アクティブマトリックス誘電体エレクトロウェッティング（ＡＭ−ＥＷＯＤ）」と呼ばれている。ＥＷＯＤアレイを制御するためにＴＦＴベースの薄膜電子回路を使用することに、いくつかの有利さがある。すなわち、
・電気的駆動回路が、下部基板１０の上に集積できる。
・ＴＦＴベースの薄膜電子回路は、ＡＭ−ＥＷＯＤの適用によく適している。それらは安く製造できるため、比較的大きな基板領域が比較的安いコストで製造できる。
・通常のプロセスで製造されたＴＦＴは、通常のＣＭＯＳプロセスで製造されたトランジスタより高い電圧で動作するように設計されうる。このことは、多くのＥＷＯＤ技術が印加されるべき電圧として２０Ｖ以上のエレクトロウェッティング電圧を要求することから、重要な事項である。
【００１０】
図２は、図１の層構造を組み込んだ、模式的斜視による例示的ＡＭ−ＥＷＯＤデバイス３６の追加的詳細を示す図である。ＡＭ-ＥＷＯＤデバイス 36は、下部基板４４の上に配置された薄膜電子回路４６を有する下部基板４４を有し、参照電極（上述の参照電極３０に相当）が上部基板５４に組み込まれている。電極構成は逆でもよく、薄膜電子回路が上部基板に組み込まれ、参照電極が下部基板に組み込まれてもよい。薄膜電子回路４６は、アレイ素子電極４８を駆動するように配置されている。複数のアレイ素子電極４８が、電極内、あるいは、X＊Yのアレイ素子（X、Yは整数）を有する素子アレイ５０内に配列される。極性液体を含み、典型的には水性の液滴５２が、スペーサ５６によって分離された下部基板４４と上部基板５４の間に封入（ｅｎｃｌｏｓｅ）されるが、複数の液滴５２が存在できることも理解されるであろう。
【００１１】
代表的なＥＷＯＤ構造に関して上述したように、２つの基板によって最初に定義されたＥＷＯＤチャネルあるいはギャップは、非極性流体（オイル）で満たされる。極性材料を含む液滴１４／５２、すなわち、ＥＷＯＤデバイスの動作によって操作される液滴は、外部にある流体の「貯蔵器（ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ）」からＥＷＯＤチャネルあるいはギャップに入力されなければならない。外部の貯蔵器は、例えば、ピペットでもよいし、デバイスのプラスチックハウジングに組み込まれた構造でもよい。液滴の貯蔵器から流体が入力されると、オイルが置き換わって、ＥＷＯＤチャネルから取り除かれる。
【００１２】
流体をそのようなデバイスに入力あるいはローディングするために、異なるメカニズムが考案された。例えば、ＵＳ  ８６８６３４４  （Ｓｕｄａｒｓａｎ他、２０１４年４月１日発行）は、デバイス表面に配置された疎水層のパターニングを利用した流体ローディング方法を開示する。ＷＯ ２０１５/０２３７４７（Ｙｉ 他、２０１６年２月１９日発行）とＵＳ ２０１６/００１６１７０ （Ｌａｙ 他、２０１６年１月２１日発行）の両者は、上部および下部のＥＷＯＤ基板と、ピペットガイドとして機能するプラスチック部分を含むＥＷＯＤカートリッジアセンブリを開示している。
【００１３】
ＥＷＯＤデバイスの内部表面が疎水性のため、極性流体のＥＷＯＤチャネルへの流入を達成することは簡単なことではない。さらに、例えば、異なった隣接ポートを通った異なる流体入力が偶然一緒になったり混ざったりしないように、一旦ＥＷＯＤチャネルの中に入った流体の移動方向は制御されなければならない。
【００１４】
制御された流体流入を達成する従来の方法は、ドリルあるいは別の方法で上部基板に組み込まれた開口（穴）を有する上部基板を作ることである。上部基板の開口は、便利な流体入力を提供するが、もちろん、薄膜電子回路を下部基板上に配置することを要求する。開口は、流体入力ポートと、ＥＷＯＤデバイスの外部からＥＷＯＤチャネルへ、そして、直接、エレクトロウェッティングアレイ上への流体経路と、を定義する。しかし、上部基板に開口を用いることは、特に、上部および下部基板の好ましい材料がガラスであることから、製造するのに困難かつ高価である。ガラスは、通常のLCD製造技術と相性がいいことから、一般的には好ましい材料である。さらに、EWODデバイスを上部および下部基板と同じ材料で製造することは有利であり、EWODチャネルギャップの高い精度を達成できるとともに、デバイスが加熱されるという利用では、異なる熱膨張係数を有する異なる材料で動作するときの有害な効果を最小化することができる。通常の利用では、別個の極性流体の流入点は、上部基板内の開口の数よって決定される。上部基板の開口の数が増加するにつれて、製造コストと上部基板の脆性が上昇する。
【００１５】
他のアプローチは、上部基板（例えば、上部基板が単に長方形）に形成される開口を要求しないようなサイドローディング構成（ｓｉｄｅ−ｌｏａｄｉｎｇ  ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ）を使用することである。ＥＷＯＤチャネルに流入する流体は、上部基板の開口を通してではなく、２つの基板の間にあるＥＷＯＤチャネルの側面から入力される。開口のない上部基板を使用することによって、上部基板のコストと機械的強さは、要求される極性流体の流入点の数とは全く独立となり、上部基板が開口を有するときにＥＷＯＤデバイスに組み込まれるよりも、流体流入点のより高い密度を潜在的に可能にする。しかし、現在のサイドローディング構成では、極性流体の入力の正確な制御を達成することは困難であった。
【００１６】
ＧＢ  ２５４２３７２ （Ｗａｌｔｏｎ他、２０１７年３月２２日発行）は、現在の発明者による他の設計である。それは、流体ローディングの方法を記述し、ＥＷＯＤチャネルへの流体のサイドローディングのためのスペーサの設計を開示している。しかし、この簡単なサイドローディングは、ＥＷＯＤデバイスの外部からの極性流体入力が特にＥＷＯＤチャネルに入ることができることを確実にするような、何らかの特別なコンポーネントを組み込んではいない。
【発明の概要】
【００１７】
液滴についての極性流体の入力の方法と効率性は、ＥＷＯＤデバイスの全体的なパフォーマンスに影響しうる。本発明は、ＥＷＯＤおよびＡＭ−ＥＷＯＤマイクロ流体デバイスに関し、および、そういったデバイスの基板アセンブリ間で定義された疎水性ＥＷＯＤチャネルへ、あるいは、そこからの流体入力および出力を制御することに関する。本開示は、サイドローディングを可能にし、ＥＷＯＤデバイスの外部からの流体入力が適切に制御された方法でＥＷＯＤチャネルに入ることを確実にする追加構成を有した、強化されたスペーサ構成を記述する。
【００１８】
発明者は、従来のサイドローディング設計は上部ガラス基板の開口に対する有利さを提供するが、不完全なオイル充填ローディング方法（ＧＢ ２５４２３７２参照）が使用された場合には、流体の入力をどのように制御するかに関する欠点に遭遇することを認識した。この問題は、例えば、図３、４に示されており、図３、４は、不完全オイル充填方法が使用されるべきときに、空気ーオイル界面（air-oil interface）の位置を制御することが不十分なサイドローディングＥＷＯＤデバイス６０の例を示している。スペーサ６６によって分離された、下部基板６４上の上部ガラス基板６２が、上面視から模式的に示されている。デバイスの能動領域６７（図３）は、エレクトロウェッティング電極を含む領域として定義され、その上で液滴が操作される。操作において、液滴は、典型的には、周囲媒体としての非極性液体（例えば、オイル）内で操作される。しかし、液滴を操作するために、能動領域の全体がオイルで充填される必要はない。むしろ、オイルは液滴の境界において存在する必要があるにすぎない。これは、デバイスの充填メカニズムにおいて開発されたものであり、これにより、チャネル（オプション的には能動領域であるチャネルのいくつかも含む）は、極性流体ローディングに先立ってオイルで不完全に充填される。オイルによるこの不完全充填は、極性流体の充填を補助することができる。このように、本発明により解決すべき課題の一つは、オイルが、極性流体の充填を補助するために、チャネルの正しい部分に届くことを保証しながら、どのようにオイルを不完全に充填するかということにある。
【００１９】
典型的な操作では、オイルは、初期にデバイスにロードされる。オイル６８の初期ローディングの後、図４に示されているように、スペーサ６６が存在しない上部基板のエッジに沿って存在するように、気泡７０がそれ自体を位置づける。スペーサが存在しないEWODデバイスのエッジに沿って、流体ローディングが続いて実行される場合には、気泡を有するデバイスのエッジに沿った適切な流体ローディングができない。
【００２０】
成功および失敗のサイドローディングの対比例として、図５は、極性流体が、空気の境界に存在するオイルを有するエッジに沿って、垂直にロードされる（例えば、ピペットドック（pipette dock）を介して）場合に起きる可能性のあるシナリオを示している。図５は、図３、４に対応したEWODデバイス６０の側面図を示している。ピペット７２（図示されていないピペットドックの一部でもよい）は、極性流体７４をオイル６８にロードするのに使われてもよい。図５の左下は、成功したローディングであり、これにより極性流体７４が非極性流体（オイル）６８に接触するようになっており、そして、極性流体は、エレクトロウェッティング力を使用して、EWODチャネルに引き込まれる。しかし、一方では、極性流体７４の失敗したローディングは、極性流体７４がオイル６８に接触しないところで生ずることがある。不成功の流体ローディングが、図５の右下に示されている。この場合には、極性流体は、上部基板およびEWODチャネルから離れた方向にロードされ、EWODチャネルから空間をおいて取り残されている。このようなことが生ずると、EWODチャネルのエッジではオイルとの接触がなくなり、極性流体のローディングは、エレクトロウェッティング力を使用して達成されることはない。従来のサイドローディングの設計は、図５に示された不成功なローディングを避けるために、適切なサイドローディングが生ずることを保証するような適切な構造で構成されていない。
【００２１】
本開示のデバイスは、従来のサイドローローディングの設計に関連する上述した欠点を解消し、および、単純で、低コストのアセンブリプロセスに適合するEWODデバイスを有する、流体のサイドローディングの構造および関連する方法を開示している。開示された設計は、極性および非極性流体の両者のローディングを容易にするように構成された、スペーサコンポーネントに組み込まれた流体入力ポートを含む。本発明のサイドローディングは、有利な特徴を有している。EWODデバイスが、初期に、非極性充填流体（オイル）で不完全に充填されたとき、極性流体が非極性オイルと接触することを確実にするために、非極性充填流体は、極性流体が流体入力ポートを介して流入する位置に存在している。これは、重要である。なぜならば、極性流体が非極性充填流体と接触することは、極性流体をEWODチャネルに成功裏にローディングするための強化された状況を提供するからである。極性流体が、EWOD基板に対して実質的に直交する方向にロードされたとき、極性流体は、従来の構成では生じ得たように、EWODチャネルから離れて取り残されることはなく、常にEWODチャネルに流入する。
【００２２】
開示されたEWODデバイス構成は、EWODデバイスへの適切な流体ローディングに関連する、いくつかの重要な論点を取り扱っている。その論点は、例えば、EWODチャネルを形成するような適切なギャップによって、EWOD基板を均一に離し、間隔をおいて配置すること、デバイスが部分的にオイルで充填されたとき、そのオイルが、極性流体が実質的に導入される点に存在すること、および、EWODデバイスのEWODチャネルへの極性流体の流入を制御すること、を含む。
【００２３】
強化されたEWODデバイス構成は、サイドローディングを容易にし、上述した問題や従来の設計に関連する論点を解決する。例示的な実施例では、EWODデバイスは、スペーサ（典型的には、プラスチック製）を含む。スペーサは、上部および下部基板の間のEWODチャネルに延び、EWODチャネルの少なくとも1つのエッジに配置されている少なくともスペーサ部分を有し、スペーサ部分は、EWODチャネルからEWODデバイス外部への入力（あるいは出力）を定義するエアーギャップを含む、少なくとも１つの流体ポートを定義する。
【００２４】
他の例示的な実施態様では、スペーサ部分は、上部および下部基板の間のEWODチャネルをスペーシングするセルギャップを定義すること、EWODチャネルへ非極性（例えばオイル）あるいは極性（例えば水性）の流体を入力（あるいは出力）するために最適化された流体入力ポートの幾何学的配置（geometries）を定義すること、および、例えばピペットガイドのようなデバイスから流体を入力あるいは出力するためにEWODデバイスの外部へのインターフェースを定義すること、のうちの一つ以上の機能を含むか、あるいは、実行する。所与のEWODデバイスのためのスペーサの設計は、EWODデバイスの能動領域、EWODデバイスのオイル充填ポートの位置、極性流体が実質的にEWODチャネルにロードされる点、EWODチャネルにロードされることになっている個々の極性試薬の数と体積、EWODチャネルからアンロードあるいは取り出されることになっている個々の極性試薬の数と体積についての設計に特有になるように最適化されてもよい。
【００２５】
したがって、本発明の一面は、強化されたスペーサ構成を有するEWODデバイスであり、それによって、スペーサが、液体入力ポートを定義し、デバイスの外部からの流体入力がEWODチャネルに流入できることを確実にするように構成される。例示的な実施態様では、EWODデバイスは、第１の基板アセンブリおよび第２の基板アセンブリを含み、ここにおいて、前記第１および第２の基板アセンブリは、対向する内側表面、および、前記第１および第２の基板アセンブリの対向する内側表面の間のチャネルを定義するために、前記第１の基板アセンブリの内側表面を前記第２の基板アセンブリの内側表面から間隔をおいて配置するように、前記第１の基板アセンブリと前記基板アセンブリを位置づけるスペーサ部分と、を有し、ここにおいて、前記スペーサ部分は、前記チャネルと流体連通している複数の流体入力ポートを定義し、前記スペーサ部分は、前記流体入力ポートから前記チャネルへ流体を向けるように構成されている。前記スペーサ部分は、複数の流体入力ポートを定義するために、櫛状のスペーサ構成（a combed spacer configuration）を有し、前記櫛状のスペーサ構成は、ベース領域から前記チャネルに延びる交互の歯（alternating teeth）を含み、前記歯は、隣接する流体入力ポートをお互いに隔離している。前記スペーサ部分は、前記EWODデバイス内のスペーサなし領域を形成するために、前記第１および第２の基板アセンブリの一部分のみに接触してもよく、前記スペーサは、前記第１および第２の基板アセンブリの両方と接触し、および、前記チャネルのセルギャップを定義するように前記チャネルに延びる領域を含む。
【００２６】
本発明の上記構成あるいは更なる構成は、以下の明細書及び添付した図面を参照すれば明確であろう。明細書および図面では、本発明の本質が利用される方法のいくつかを示すものとして、本発明の特定の実施態様が詳細に開示されているが、本発明の範囲は、これに相当するものには限定されないことを理解すべきである。むしろ、本発明は、ここに添付される特許請求の範囲の精神及び用語の範囲内から得られる全ての変更、修飾および均等を含む。１つの実施態様に関連して記載および／または図示される構成は、１以上の他の実施例における同じ方法あるいは類似する方法で使用されても良く、および／または、他の実施態様の構成と組合わせて、あるいは、置き換えて使用されてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】図１は、従来のＥＷＯＤデバイスの断面図を示す図である。
【図２】図２は、模式的斜視における例示的なＡＭ−ＥＷＯＤデバイスを示す図である。
【図３】図３は、例示的なサイドローディングのＥＷＯＤデバイスを示す図である。
【図４】図４は、不完全なオイル充填を有する図３の例示的なサイドローディングのＥＷＯＤデバイスを示す図である。
【図５】図５は、成功および不成功のサイド流体ローディングを示す、例示的なサイドローディングのＥＷＯＤデバイスを示す図である。
【図６】図６は、本発明の実施態様による、第１の例示的なＥＷＯＤデバイスの平面図および異なる断面に沿った側面断面図である。
【図７】図７は、図６の例示的なＥＷＯＤデバイスの一部の拡大平面図を示す図である。
【図８】図８は、不完全なオイル充填を有する、図６の例示的なＥＷＯＤデバイスの平面図を示す図である。
【図９】図９は、成功あるいは回復可能なサイドローディングを示す、図６の例示的なＥＷＯＤデバイスの側面図を示す図である。
【図１０】図１０は、本発明の実施態様による別の例示的なＥＷＯＤデバイスの側面断面図および平面図を示す図である。
【図１１（ａ）】図１１（ａ）は、本発明の実施態様による例示的なＥＷＯＤデバイスの変形の側面断面図を示す図である。
【図１１（ｂ）】図１１（ｂ）は、本発明の実施態様による例示的なＥＷＯＤデバイスの変形の側面断面図を示す図である。
【図１１（ｃ）】図１１（ｃ）は、本発明の実施態様による例示的なＥＷＯＤデバイスの変形の側面断面図を示す図である。
【図１２】図１２は、本発明の実施態様による別の例示的なＥＷＯＤデバイスの側面断面図を示す図である。
【図１３】図１３（ａ）、１３（ｂ）、１３（ｃ）および１３（ｄ）は、本発明の実施態様による別の例示的なＥＷＯＤデバイスの側面断面図を示す図であり、図面はサイド流体ローディングの進行を示している。
【図１４】図１４は、流体ローディングのオイルシェル方法を使用したＥＷＯＤデバイスの平面図を示す図である。
【図１５】図１５は、流体ローディングのオイルシェル方法を使用した、図６の例示的なＥＷＯＤデバイスの平面図を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、本発明の実施態様が図面を参照して説明される。ここで、同じ参照番号は、全体にわたって同じ素子を参照するために使用される。図面は、必ずしも縮尺に従っていないことが理解されるべきである。
【００２９】
概略的には、本発明の一面は、強化されたスペーサ構成を有するEWODデバイスであり、それによって、スペーサ部分が、流体入力ポートを定義し、デバイスの外部からの流体入力がEWODチャネルに流入できることを確実にするように構成される。例示的な実施態様では、EWODデバイスは、第１の基板アセンブリおよび第２の基板アセンブリを有し、ここにおいて、前記第１の基板アセンブリと第２の基板アセンブリは対向する内側表面と、前記第１および第２の基板アセンブリの対向する内側表面の間のチャネルを定義するために、前記第１の基板アセンブリの内側表面を前記第２の基板アセンブリの内側表面から間隔をおいて配置するように、前記第１の基板アセンブリと前記基板アセンブリを位置づけるスペーサ部分と、を有し、ここにおいて、前記スペーサ部分は、前記チャネルと流体連通している複数の流体入力ポートを定義し、前記スペーサ部分は、前記流体入力ポートから前記チャネルへ流体を向けるように構成されている。前記スペーサ部分は、複数の流体入力ポートを定義するために、櫛状のスペーサ構成を有し、前記櫛状のスペーサ構成は、ベース領域から前記チャネルに延びる交互の歯を含み、前記歯は、隣接する流体入力ポートをお互いに隔離している。前記スペーサ部分は、前記EWODデバイス内のスペーサなし領域を形成するために、前記第１および第２の基板アセンブリの一部分のみに接触してもよく、前記スペーサ部分は、前記第１および第２の基板アセンブリの両方と接触し、および、前記チャネルのセルギャップを定義するように前記チャネルに延びる領域を含む。
【００３０】
図６は、本発明の実施態様による例示的なＥＷＯＤデバイス８０の上面図を示す図である。図６は、さらに、線Ａ−Ａ‘,Ｂ−Ｂ’,Ｃ−Ｃ‘およびＤ−Ｄ’に沿ったＥＷＯＤデバイス８０のそれぞれ異なった断面（ａ）―（ｄ）を示している。
【００３１】
ＥＷＯＤデバイス８０は、第１あるいは上部基板アセンブリ８２と第２あるいは下部基板アセンブリ８４を含む。第１／上部および第２／下部基板アセンブリは、セルギャップあるいはＥＷＯＤチャネル８８を形成するためにスペーサあるいはスペーサ部分８６によって分離された、内側で対向する表面を有する。この方法において、スペーサ／スペーサ部分８６は、第１および第２の基板アセンブリの対向する内側表面の間のＥＷＯＤチャネル８８を定義するために、第１の基板アセンブリの内側表面を第２の基板アセンブリの内側表面から間隔をおいて配置するように、第１の基板アセンブリと基板アセンブリを位置づける。主要構成の図示を簡潔にするために、ＥＷＯＤデバイスコンポーネントの個々の層は省略されている。したがって、第１および第２の基板アセンブリは、関連する基板層、絶縁層、電極層、および、当該分野で知られているＥＷＯＤデバイスを形成する関連構造を含んでもよい。典型的には、第２（下部）基板アセンブリ８４は、薄膜電子回路を含むＴＦＴ基板を構成し、第１（上部）基板アセンブリ８２は参照電極を組み込んでいる。しかし、これは逆でもよく、第１（上部）基板アセンブリ８２がＴＦＴ基板を構成し、第２（下部）基板アセンブリ８４が参照電極を組み込んでもよい。
【００３２】
２つの基板アセンブリの対向する内側表面の間でＥＷＯＤチャネル８８を定義するために、スペーサが、お互いに関連する基板を正しく位置づけるような所望の幅あるいは厚さを有するように構成される。スペーサの例示的な材料は、適切な堅いシート状プラスチック、例えば、ポリカーボネート、ＰＥＴ、ポリスチレン、ポリエステル、ポリイミド（例えば、Ｋａｏｔｏｎ（登録商標）、Ｃｉｒｌｅｘ（登録商標））、あるいは、Ｍｙｌａｒ（登録商標）を含んでもよい。スペーサは、１つ以上の粘着層、すなわち、片側あるいは両面テープを有してもよい。代替的に、スペーサ部分８６は、基板アセンブリの１つで一体的に形成されてもよく、下部基板８４上に製造するのに特に適している。一体的製造の実施態様では、スペーサ部分８６は、下部基板の一体的部分として製造されてもよく、例えば、下部基板上に配置できるフォトレジストあるいは他のパターン可能な層から形成されてもよい。同様に、この層は下部基板の部分と考えてもよく、スペーサ部分は、下部基板に対してアセンブルあるいは位置調整される必要がある別のコンポーネントとしては提供されない。むしろ、一体的製造では、スペーサ部分の位置調整は、スペーサ部分の製造時点で実行される（例えば、フォトリソグラフィーによって）。適切なフォトレジスト材料は、ＳＵ８およびＯｒｄｙｌ（登録商標）ドライフィルムフォトレジストを含む（しかし、これらに限定されない）。全体を通して、スペーサおよびスペーサ部分の用語は、個別の素子あるいは一体化して製造された素子のいずれかを含むものとして、交換可能に使用される。
【００３３】
断面図にみられるように、スペーサ８６は、基板のうちの一つ、例えば下部基板８４の上に載せられ、あるいは、製造されており、通常、他の基板、例えば上部基板８２とは、スペーサの全面において接触しなくてもよい。しかし、スペーサは、ＥＷＯＤチャネル８８に延びる少なくとも領域９０（断面図（ｂ）および（ｄ）を参照）を有し、そして、基板を離して間隔あけて適切に配置するように、両方の基板に接触しており、そうして、基板アセンブリの内側表面間に望ましい幅のＥＷＯＤチャネルを形成する。スペーサは、これにより、EWODチャネル８８の適切なセルギャップを形成するために、ＥＷＯＤ基板を均一に離し、対向する内側表面の間に適切な空間を設けるように、間隔をおいて配置するという論点を取り扱っておる。
【００３４】
スペーサ８６は、EWODチャネルへの流体のサイドローディングのために構成されている。したがって、EWODデバイスのスペーサなし領域９２があり、そこには、EWODデバイスの周囲はスペーサ部分を有していない。したがって、スペーサなし領域９２は、空気に向けて開いており、スペーサはない。図６は、非極性流体あるいはオイルで少なくとも部分的に充填されている能動領域９３を含むデバイスの平面図を示している。オイルは、毛細管現象によってスペーサに対して動かなくなる傾向があり、こうして、スペーサなし領域９２を充填するオイルはなくなる。したがって、開いたスペーサなし領域９２は、よく制御された位置および方法で、スペーサが存在しないところで極性流体のサイドローディングを可能にした。
【００３５】
スペーサ８６は、複数の流体入力ポート９８を定義するために、ベース領域９７から延びる交互の歯を含む「櫛状（combed）」スペーサとして構成されている。図７は、流体入力ポート９８を形成するスペーサのサブコンポーネントをよりよく示すために、EWODデバイスの部分の拡大を示す図である。歯9６は、ベース領域９７からEWODチャネルに延びており、これにより、スペーサ領域とオイル９４がオーバーラップする。流体入力ポートの適切な数や位置は任意に形成されてよいが、図６の例では、スペーサの対向する長手方向側に沿って２２個の流体入力ポート98が存在する。スペーサ８６の櫛状の性質を利用して流体入力ポートを形成することにより、EWODデバイス８０の構成は、ガラス基板８２あるいは８４のいずれかにドリルや他の方法で穴を開けることにより流体入力ポートを形成することを不要にする。櫛状スペーサおよび関連する流体入力ポートの構成および機能に関する更なる詳細は、以下に詳述される。
【００３６】
上述したように、ある状況では、オイルで不完全にEWODチャネルを充填し、図４において形成されたと同様の気泡の形成を可能とすることが望ましい。図８は、EWODチャネルが不完全にオイルで充填されたときのEWODデバイス８０を示す図である。EWODチャネルが不完全にオイルで充填されたとき、EWODデバイス８０の構成は、気泡１００を形成するが、その気泡はスペーサなし領域９２における制御される位置に形成され、次に、オイルが極性流体の入力によって置き換えられるとき、空気を排出することによって、うまく制御された流体ローディングを可能にする。
【００３７】
オイルで不完全に充填されたとき、オイルは、依然として、デバイスのEWODチャネルとオーバーラップするスペーサの領域に対して動かない傾向があり、したがって、気泡１００は、図８に示されるように、EWODチャネル内のスペーサがないスペーサなし領域９２にとどまる傾向があるだろう。これは、極性流体が注入される流体入力９８を櫛状スペーサが形成しているところの上部基板のエッジに沿って、極性流体が続いてロードされるのを可能にすることから、有用である。このような構成は、EWODチャネルがオイルで単に部分的あるいは不完全に充填されたとき、オイルは、極性流体が続いてEWODチャネルに入力される場所に存在するであろうということを確実にする機能を実行する。極性流体が入力されたとき、オイルは置き換えられ、そういった置き換えにより、空気は気泡１００から排出される。
【００３８】
上述したように、スペーサ歯９６は、スペーサがオイルとオーバーラップするオーバーラッピング領域を形成し、オーバーラッピング領域の間で、歯が流体入力ポート９８を定義する。流体入力ポート９８は、このように、極性流体がデバイスに入力し、オイルと接触することを可能とするように、スペーサ内で開いている。極性流体がある角度をもってロードされる状況では、極性流体は、うまく制御された方法でデバイスのEWODチャネルに容易に注入される。スペーサの櫛状の性質は、また、極性流体が制御された流体入力のためのオーバーラッピング領域以外でスペーサの部分と接触しないように、作用する。別の言い方をすれば、歯９６とベース領域９７の構成は、入力された極性流体を特定の流体入力ポート９８内に制限し、異なる極性流体と接触したり混合するのを妨げる。
【００３９】
図９は、図５に示したのと同様、側面からのEWODデバイス８０内への流体入力のシナリオを示す図であるが、スペーサ８６がどのように成功する流体入力を確実にするかを示している。図９の左下は、図５の左部分によって示された成功するローディングと同様に、ピペットされた極性流体１０２が入力時にオイルと接触したときに生ずる、通常の成功する流体ローディングを示している。エレクトロウェッティング力は、極性流体をEWODチャネルに引き込むのに使用されることができる。
【００４０】
加えて、スペーサ８６を有するEWODデバイス８０の構成は、さらに、極性流体がEWODチャネルから潜在的に取り残されるという、図５に関連した問題を解消する。むしろ、流体入力ポート９８の設計が、ここでは「回復可能なローディング（recoverable loading）」と呼ばれる、任意の後方に流れる流体がスペーサによって捕獲され、ＥＷＯＤチャネルに向けられること、を確実にするように調整されてもよい。図９の右下の部分が、回復可能なローディングを示し、スペーサ構成が、どのようにして、従来の設計（例えば、図５）の不成功のローディングに関連する問題を解消するかを示している。図９で示すように、十分な極性流体１０２がロードされた場合、流体入力ポートを定義するスペーサ８６の歯とベース領域は、回復可能なローディングの第１ステップに示されるように、任意の後方に流れる流体が、デバイスのＥＷＯＤチャネルからはるかに離れて移動することを妨げる。結果的に、ピペットから流出する流体は、オイルに接触し、回復可能なローディングの第２のステップで示されているようにピペットが引っ込む前に、デバイスのEWODチャネルに入る。要求されていることは、極性流体がEWODチャネル内でオイルと接触することなくデバイスにロードされないように、極性流体を制御することである。オイルとの接触が行われ、極性流体によるオイル置換から空気が排出するために、EWODデバイスの外部に開いている気泡（例えば、気泡１００）がデバイスのEWODチャネル内に存在している限り、極性流体はエレクトロウェッティング電圧の制御のもとでEWODチャネルに流入する。このように、EWODデバイス８０は、デバイスのEWODチャネルへの極性流体の流入をどのように制御するかという論点を取り扱う。
【００４１】
スペーサの寸法の最適設計は、ピペットあるいは極性流体を注入する他の物体の寸法や位置、流体注入の角度、下部EWOD基板との極性流体の接触角、および、極性流体の性質やスペーサ材料との親和力に依存してもよい。典型的には、注入されるべき各試薬について、スペーサ内の１つの流体入力９８があり、注入される体積が小さいほど、スペーサの後部（back）が極性流体インジェクタの終端（end）により近くなるべきである。加えて、例えば図７の拡大図に示されているように、流体入力ポートが定義されているカーブしたエッジあるいは丸くなったエッジを使用することによって、典型的には、スペーサにおける急なコーナーを避けることが有利である。典型的には、また、スペーサの開口部分の設計とは独立して、上部EWOD基板のエッジへの極性流体インジェクタの近接により決定される最小限のロード可能な体積も存在する。
【００４２】
上述した構成の主な利点は、スペーサを有する流体入力ポートを定義することによって、上部あるいは下部基板に穴を形成するための要求が取り除かれる。この利点は、上部基板と下部基板が両方ともガラスで優先的に作られているようなＡＭ−ＥＷＯＤデバイスの場合に、特に顕著となる。この利点は、多数の流体入力ポートを有するデバイスについての要求がある場合にも、特に顕著になる。上部基板が多数の穴を有している場合、それらの穴は典型的には一度に一つ（例えばドリルによって）作成されることから、そういったデバイスを製造することは困難であり高価である。また、基板の多数の穴は、基板をより脆くする。このＥＷＯＤデバイス８０は、サイドローディングを可能にし、そうして、耐久性を強化しながら、デバイスの製造コストを大きく削減する。更なる利点は、記述された配置は、アセンブリの容易さを可能にし、ＥＷＯＤチャネルギャップおよび流体入力ポートの両方の定義体として機能するように、スペーサの２つの機能を利用する。
【００４３】
記述したＥＷＯＤデバイス構成は、上述のＥＷＯＤデバイスに流体を適切にローディングすることに関連する重要な論点も取り扱い、これは、例えば、ＥＷＯＤチャネルを形成するための適切なギャップによって、ＥＷＯＤ基板を均一に離し、間隔をおいて配置すること、デバイスが部分的にオイルで充填されているとき、極性流体が続いて導入される地点において、オイルが存在していることを確実にすること、および、EWODデバイスのEWODチャネルへの極性流体の流入を制御すること、を含む。これらの論点は、従来の設計の欠点がないように容易に実装できる費用効果の良い方法で取り扱われる。
【００４４】
スペーサ８６は、また、処理された流体を取り除き、液滴操作のための新しい極性流体の流入を許可するために、流体抽出を強化するように構成されている。図６に戻ると、図６は、スペーサ８６に形成された出口ポート１２２に移動する代表的液滴１２０を示している。特に、出口ポート１２２は、EWODチャネルへの流体通路を形成するスペーサの延長として構成されてもよい。出口ポート１２２は、流体流入ポートがないスペーサ領域から延びているように示されているが、任意の適切な配置を使用してもよい。加えて、１以上のポートが提供されてもよい。
【００４５】
成功する液滴抽出のために、ポート１２２は、抽出を受けることになっている最小の液滴１２０の直径未満の直径あるいは幅寸法を有する開口を有するべきである。図６に示されるように、液滴１２０が出口ポートに移動するとき、液滴は最初に出口ポートをブロックし、本質的には、追加のオイルが出口ポートに入ってこないようにする。液滴１２０の極性流体は、それから、エレクトロウェッティングあるいは他の適切な抽出メカニズムにより、出口ポートを通して抽出される。出口ポート１２２内に既に存在している少量のオイルが抽出されるが、その量は少量で無視でき、主に、極性流体の液滴が抽出を受けることになる。
【００４６】
そういった抽出プロセスは、また、EWODチャネル内の正しい位置に極性液滴を維持するために、抽出される極性液滴に適用される、適合的電極パターンと結合されてもよい。そういった電極パターニングは、例えば、出願人による特許出願EP 16194633に記載されており、参照により本明細書に援用される。この方法で、極性液滴１２０は、抽出取り出しの（extraction draw）エレクトロウェッティング力が適用されるスペーサ出口ポート 122内の開口から移動することはなく、その結果、同時にオイルを取り出すことはほとんどなく、スムーズで連続的な液滴の抽出に帰着する。
【００４７】
続く図は、上述した事項に対する構造的なバリエーションを示している。説明の容易さのために、同様の構造は、先の図のように同様の参照番号で同定され、通常、同様に構成されている。追加的な説明は、種々の実施態様の間で異なる構造に関して提供される。関連して、EWODデバイスの種々の実施態様は、通常、上述したように作動し、構造的なバリエーションに基づいたある修正を有する実施態様は、以下に詳述される。
【００４８】
図１０は、本発明の他の実施態様による例示的なEWODデバイス８０aの側面図および平面図（平面図は、部分図および拡大図）を示す図である。この実施態様において、第１あるいは上部基板８２は、薄膜駆動電子回路１０４を含む能動基板であり、第２あるいは下部基板８４は、参照電極を組み入れている。EWODチャネル88に配置されているオイル９４が示されている。この配置は、液滴が光学的に質問（interrogate）されること、例えば、分析の結果を読み出すことをアプリケーションが要求する場合には、有利かもしれない。望ましい配列によれば、下からEWODデバイスの光学的質問を実行することが有利かもしれないが、その場合において、上部基板上でEWOD駆動電子回路（部分的に吸収性および自動蛍光性でもよい）を有することは有利かもしれない。
【００４９】
典型的には、AM-EWODアレイにおいて、表面の性質がエレクトロウェッティングによって制御可能な基板の液滴操作領域、すなわち能動領域が、下部基板のエッジに正確に延びることは、調整に不便である。これは、行および列ドライバ回路のために空間を許容する必要があること、および、通常、基板が製造される大きなマザーガラスソースから個々のデバイスをさいの目に切るために使用されるカッティングプロセスによって、ガラスエッジが定義される正確さについての許容誤差が必然的に存在すること、による。
【００５０】
したがって、EWODデバイス８０ａは、エレクトロウェッティング電圧が印加される能動領域１０６、および、能動ＥＷＯＤ制御の下にはない非能動境界領域（an inactive border region） 108を含んでもよい。したがって、この配置があることから、流体入力ポートは、流体入力がデバイスの能動領域１０６に少なくとも部分的にオーバーラップすることを確実にするように、（流体入力の各ステップについて）ロードされなければならない極性流体の最小体積を受けるようなサイズでなければならない。これは、その後、流体入力体積の全体がエレクトロウェッティング力によって能動領域１０６に更に引きつけられ、そして、ＥＷＯＤ電極によって制御される方法で続いて操作されることを確実にする。このような構成を達成するために、平面図に示されるように、歯９６が非能動領域１０８を越えて能動領域１０６に延びるように構成されており、これは、流体入力ポート９８が能動領域と接触していることを確実にする。加えて、上述し、および、図１０（さらに図７）にも示されているように、流体入力ポート９８を定義する、チャネルと反対側のスペーサ後部の部分は、円形をしている。
【００５１】
例えば、境界領域の幅を「ｗ」で表し、２つの基板間のＥＷＯＤチャネルのセルギャップ寸法を「ｄ」で表し、図１０に示されるようにスペーサの後部部分が円形であるとすると、流体入力ポートは、少なくとも半径ｗ／２、高さｄ、すなわち、πdw2/4の円盤の体積に相当する入力流体の最小体積を受けるようなサイズでなければならない。例えば、境界領域の幅が２ｍｍ、セルギャップの寸法が２５０umとすると、ロードされる最小の極性流体（かつ、依然としてＥＷＯＤアレイ上で有用なもの）は、少なくとも０．８ulである。０．８ulより少ない体積を要求するような適用は、この特定の配列には適していないであろう。なぜなら、極性流体が能動領域に到達しないからである。比較的大きな体積の流体がロードされるような適用では、この配列は、デバイスのＥＷＯＤチャネルの非能動境界領域内で極性流体体積のある量を溜めることを可能にするという点で、ある有利さを有する。その結果、大きな体積の極性流体がＥＷＯＤアレイ上の分析を実行するために要求されるならば、極性流体は、デバイスの能動領域上に貴重なスペースを確保することなく、流体ローディングの後で格納されることができる。
【００５２】
図１０の構成について、上述したように、スペーサ歯９６のオーバーラップ領域をデバイスのＥＷＯＤチャネルに延ばすことは、図１０の平面図にふたたび示されるように、スペーサ歯９６がデバイスの能動領域１０６とオーバーラップしている範囲で、有利である。これは、別々の流体入力ポート９８内のデバイスの非能動領域１０８内に、お互いに分離された異なる極性流体を更に保持することから、異なる流体の望まない混合を避けることができる。
【００５３】
図１１（ａ）、図１１（ｂ）および図１１（ｃ）は、本発明の実施態様によるＥＷＯＤデバイスの異なる例示的な代替バリエーションの側面図を示している。これらの実施態様では（先の実施態様と対比して）、第２あるいは下部基板８４は、薄膜駆動電子回路１０４を含む能動基板であり、第1あるいは上部基板８２は、参照電極を組み込んでいる。
【００５４】
これらの実施態様は、どのように非能動境界領域を構成するかに関して、異なるバリエーションを示している。図１１（ａ）のＥＷＯＤデバイス８０ｂの例では、少なくともいくつかの反対側のエッジ上で、片方の電極を有する上部基板がデバイスの能動領域１０６のエッジを越えて延びるＥＷＯＤチャネル内で、対称的な非能動領域１０８が存在している。ＥＷＯＤチャネルの非能動境界領域１０８のサイズは、片方の電極について選択されたサイズや形状によって（すなわち、能動ＥＷＯＤアレイのための駆動電極の設計によってではなく）決定されるため、境界領域のサイズや形状にわたって、より多くの制御が存在する。したがって、例えば別のＥＷＯＤデバイス構成では、非対称の境界領域１１２が、図１１（ｂ）の例示的デバイス８０ｃの例に示されるように、特定のアプリケーションにおいてロードされるべき流体体積の必要性に合うように、デバイスの異なるエッジ上で異なるサイズを有するように構成されることができる。
【００５５】
加えて、先の実施態様と関連して上述したように、非能動境界領域を有することの一つの利点は、極性流体が、液滴操作が実行されるデバイスの能動領域にもたらされる前に、極性流体のより大きな体積を格納できる可能性があることである。この特定の実施態様の更なる利点は、図１１（ｃ）の別の例示的ＥＷＯＤデバイス８０ｄの例に示されているように、上部基板８２の側面（profile）を変更することによって、更なる体積格納を容易に生成できることである。この例では、上部基板８２は、追加的な格納容量を作るために、非極性流体が毛細管現象によって動かない傾向があるところのリッジ（ridge）１１４を有している。リッジ１１４は、上部基板８２にさらに有利に形成される。なぜなら、片方の電極のEWOD基板の物理的側面は、能動EWOD基板の物理的側面よりも、より容易に変更できるからである。
【００５６】
図１２は、本発明の実施態様によるEWODデバイス８０ｅの例示的な代替的バリエーションの側面を示す図である。この実施態様では、再び、第２または下部基板８４は、薄膜駆動電子回路１０４を含む能動基板であり、第１または上部基板８２は参照電極を組み込む。上部基板８２は、極性流体がロードされるべきエッジに沿って、上部基板のエッジが能動領域１０６と一致（co-incident）するよう配置される。別の言い方をすれば、極性流体が入力されるべきＥＷＯＤデバイスのエッジに沿った非能動境界領域は存在しない。この配置は、極性流体が入力されるべきＥＷＯＤチャネルの非能動領域がなく、入力した流体がいつも能動領域と接触するために、原則として、最小のロード可能な極性試薬の体積がない、という点において有利である。関連して、ＥＷＯＤチャネルの外側の能動領域の部分は存在せず、そのため、能動領域のどの部分も浪費されることはない。先の実施態様では、境界領域（あるいは、それがない領域）は、図１１（ｂ）の実施態様のように、デバイスの異なるエッジに沿って異なるように選ばれることができ、図１１（ｃ）に示されるように、アレイ上に格納されたより大きな体積の流体によって占められる領域を最小化するために、可変側面の上部基板と組み合わされる。
【００５７】
図１３は、本発明の実施態様によるＥＷＯＤデバイス８０ｆの例示的な代替的バリエーションの側面を示す図である。この実施態様において、再び、第２または下部基板８４は、薄膜駆動電子回路１０４を含む能動基板であり、第１または上部基板８２は参照基板を組み込む。この例では、下部EWOD基板の能動領域１０６の少なくとも部分が上部基板のエッジを越えて延びるように、上部基板８２は調整されている。そういった構成は、非常に小さい体積の流体がデバイスにロードされるときに有利であり、そうでなければ、入力された流体がオイルや能動領域と接触することを一層困難にするだろう。したがって、この実施態様では、流体注入点の直接下に、能動領域ＥＷＯＤ電極の一部分がいつも存在し、それは、極性流体が未だオイルと接触せず、したがって、デバイスのＥＷＯＤチャネルに未だ入らない場所（point）において、極性流体の入力をよりよく制御することを可能にする。
【００５８】
非常に小さい体積の極性流体のローディングを容易にするために、例えば、一連の進行を示す図１３（a）−（ｄ）に示されるように、電極パターンが極性流体のローディングと同期してもよい。第１の図（ａ）において、小さい体積の極性流体１０２は、ピペットデバイスのような注入器１１６に中に配置されている。第２の図（ｂ）において、初期には、小さい体積の極性流体１０２が注入器１１６から流出し、小さい体積のために横には移動しない。したがって、能動領域１０６のＥＷＯＤ電極部分１１８は、注入器１１６が引っ込む前にＥＷＯＤチャネルに向けて極性流体１０２を導くために、極性流体が下部基板に接触したとき、印加された電極パターン内で能動化される。第３の図（ｃ）に示されるように、印加された電極パターンは、極性流体上のエレクトロウェッティング力を提供し、それはデバイスのＥＷＯＤチャネル（および、その中のオイル）に向けた流体フローの方向をバイアスし、したがって、小さな体積の極性流体の成功ローディングを助ける。第４の図（ｄ）に示されるように、小さな体積の極性流体１０２がＥＷＯＤチャネルに一旦ロードされると、注入器はデバイスから移動する。ピペットデバイスを引っ込める前に、極性流体がＥＷＯＤチャネルに移動するまで待つことにより、従来の構成で発生していた引っ込み時の極性流体の望ましくない逆流（backflow）が避けられる。
【００５９】
ＥＷＯＤデバイスがセンサーフィードバックを含む場合、このプロセスは、流体がＥＷＯＤ基板に接触するや否や、自動的に流体を検出するソフトウエア機能を利用して自動的な方法で行われ、印加されたＥＷＯＤ電極パターンを自動的な方法で適合させる。流体入力がロボットで行われる場合、極性流体がＥＷＯＤチャネルのエッジから離れて安全に移動したときにのみ注入器が引っ込むように、このソフトウエア機能はポンプにリンクする。流体入力が手動で（たとえば、ピペットによって）行われる場合、極性流体がＥＷＯＤチャネルに移動し、ピペットを安全に取り除けるようになったとき、信号（音響あるいは映像）がユーザに与えられてもよい。先の実施態様のように、この構成が、所与の適用について実行される分析の流体ローディング要求に適している場合、この構成がデバイスのいくつかのエッジのみに沿って存在するように、ＥＷＯＤデバイス８０ｆが設計されてもよい。
【００６０】
図１４、１５は、ＥＷＯＤチャネルに極性流体を入力するためにＥＷＯＤデバイス８０を使用する他の例示的な方法を示す図である。先の実施態様では、スペーサ８６の構成は、歯９６が、スペーサがデバイスのＥＷＯＤチャネルの内側にあるようなオーバーラップ領域を形成し、オイルは、極性流体をロードするために流体入力が位置付けられているスペーサのエッジに沿ってオイルを動かないようにする、というものである。この方法で、スペーサ構成は、ＥＷＯＤデバイスに極性流体を届ける物体が引っ込む前に、極性流体がデバイスのＥＷＯＤチャネル内でオイルと接触することを確実にする。
【００６１】
図１４は、流体入力の「オイルシェル（oil shell）」方法とここでは称される、代替的な流体入力方法を示している。オイルシェル方法は、極性流体とオイルを接触させるという同様の効果を達成し、オイルが上部ＥＷＯＤ基板とスペーサの関連する境界に特に存在する必要性をなくす。図１４は、オイルシェル方法の説明用のために、非特異的なＥＷＯＤデバイス１２５を図示する。図１４に示されるように、オイルシェル方法では、入力液滴１３０が、オイルシェル１３４内に入れられた極性流体の液滴１３２を含むように、形成される。例えば、流体がピペットによって届けられる場合、入力液滴１３０は、極性流体をピペット先端にロードした後、ピペット先端をオイル中に浸すことによって形成される。代替的に、二重取り出し（a double draw）がピペットで実行されてもよく、適切なオイル量と同時に、制御された極性流体量の両方を含む２つの流体が、ピペットチップに取り出される。それから、２つの流体は、入力ポートの境界にオイルが明確に存在することを必要とせずに、EWODチャネルに注入される。極性流体の周りのオイルの存在は、基板表面が疎水性であるにも関わらず、液滴の入力を可能にする。入力液滴１３０が、エレクトロウェッティング力によってオイルの本体あるいは他の望ましい位置に移動する場合には、適切な流体入力が達成される。
【００６２】
図１５は、図６に示されるＥＷＯＤデバイス８０に関連して利用されるオイルシェル方法を示す図である。オイルシェル方法は、上述の実施態様の任意のＥＷＯＤデバイスを用いて、同様に利用できることが理解されるであろ。図１５に示されるように、オイルシェル入力液滴１３０は、オイル９４の本体から離れて配置された入力ポート９８の一つで入力される。そして、エレクトロウェッティング電圧が、入力液滴１３０をオイル本体に移動するために利用されてもよい。オイルシェル方法は、例えば、図１５に示される反応プロトコルの開始時に不十分なオイル９４がロードされたときのように、余分な極性流体を、ＥＷＯＤデバイス内に存在して留まっている気泡１００にロードするように、他の実施態様の入力方法と関連して使用されてもよい。
【００６３】
本発明の一面は、強化されたスペーサ構成を有するＥＷＯＤデバイスであり、それによって、スペーサ部分は、流体入力ポートを定義し、デバイス外部からの流体入力がＥＷＯＤチャネルに入ることができることを確実にする方法で構成される。例示的な実施態様では、ＥＷＯＤデバイスは、第１の基板アセンブリと第２の基板アセンブリを含み、ここにおいて、前記第１および第２の基板アセンブリは対向する内側表面を有し、および、前記第１および第２の基板アセンブリの前記対向する内側表面の間にチャネルを定義するために、前記第１の基板アセンブリ内側表面を前記第２の基板アセンブリ内側表面から間隔をおいて配置するための、前記第１の基板アセンブリと前記基板アセンブリを位置づけるスペーサ部分と、を含み、ここにおいて、前記スペーサ部分は、前記チャネルと流体連通している複数の流体入力ポートを定義し、および、前記スペーサ部分は、前記流体入力ポートから前記チャネルへ流体を向けるように構成されている。ＥＷＯＤデバイスは、１つ以上の次のような構成を、個々にあるいは組み合わせで含んできてもよい。
【００６４】
ＥＷＯＤデバイスの例示的な実施態様では、スペーサ部分は、複数の流体入力ポートを定義するために櫛状のスペーサ構成を有しており、前記櫛状のスペーサ構成はベース領域から前記チャネルに延びる交互の歯を含んでいる。
【００６５】
ＥＷＯＤデバイスの例示的な実施態様では、前記チャネルの外部で、前記歯は、隣接する流体入力ポートをお互いに分離している。
【００６６】
EWODデバイスの例示的な実施態様では、前記スペーサ部分は、EWODデバイス内にスペーサなし領域を形成するために、前記第１および第２の基板アセンブリの一部分にのみ接触する。
【００６７】
EWODデバイスの例示的な実施態様では、前記スペーサ部分は、前記第１および第２の基板アセンブリの両方に接触し、チャネルの均一のセルギャップを定義するために前記チャネルに延びる領域を含む。
【００６８】
EWODデバイスの例示的な実施態様では、EWODデバイスは、前記チャネルへの流体通路を形成する前記スペーサ部分の延長として構成された出口ポートを更に含む。
【００６９】
EWODデバイスの例示的な実施態様では、前記流体入力ポートを定義する、前記チャネルと反対側の前記スペーサ部分の一部は、円形を有する。
【００７０】
EWODデバイスの例示的な実施態様では、前記第１の基板アセンブリあるいは前記第２の基板アセンブリのうちの１つはエレクトロウェッティング電圧を前記チャネルに印加するための薄膜電子回路を含み、前記薄膜電子回路は前記チャネル内で能動領域を定義し、および、前記薄膜電子回路を含む前記基板アセンブリは、前記エレクトロウェッティング電圧が印加されない、前記能動領域に隣接する非能動境界領域を定義する。
【００７１】
EWODデバイスの例示的な実施態様では、前記スペーサ部分は、複数の流体入力ポートを定義するために櫛状のスペーサ構成を有しており、前記櫛状のスペーサ構成は、ベース領域から前記非能動境界領域を越えて前記チャネルに、そして、前記能動領域に延びる交互の歯を含む。
【００７２】
EWODデバイスの例示的な実施態様では、非能動境界領域の幅が「ｗ」で表され、前記第１および第２の基板アセンブリの間の前記チャネルのセルギャップ寸法が「ｄ」で表されるとき、前記流体入力ポートは、少なくとも半径ｗ／２、高さｄの円盤の体積に相当する入力流体の最小体積を受けるようなサイズとなる。
【００７３】
EWODデバイスの例示的な実施態様では、前記非能動境界領域は、前記薄膜電子回路を含む前記基板アセンブリの少なくともいくつかの反対側のエッジ上で対称である。
【００７４】
EWODデバイスの例示的な実施態様では、前記非能動境界領域は非対称であって、前記薄膜電子回路を含む前記基板アセンブリの異なるエッジ上で異なるサイズを有する。
【００７５】
EWODデバイスの例示的な実施態様では、前記薄膜電子回路を含む前記基板アセンブリは、前記非能動境界領域に隣接するリッジを有する。
【００７６】
EWODデバイスの例示的な実施態様では、前記第１の基板アセンブリは、上部基板アセンブリであり、前記薄膜電子回路を含む。
【００７７】
EWODデバイスの例示的な実施態様では、前記第２の基板アセンブリは、下部基板アセンブリであり、前記薄膜電子回路を含む。
【００７８】
EWODデバイスの例示的な実施態様では、少なくとも一つのエッジにおいて、前記薄膜電子回路を組み込んだ前記基板アセンブリは、前記能動領域と一致する。
【００７９】
EWODデバイスの例示的な実施態様では、前記第１の基板アセンブリあるいは前記第２の基板アセンブリのうちの１つは、前記チャネルにエレクトロウェッティング電圧を印加するための薄膜電子回路を含み、前記薄膜電子回路は前記チャネル内で能動領域を定義し、および、前記能動領域の一部は、前記薄膜電子回路を含む前記基板アセンブリを越えて延びる。
【００８０】
EWODデバイスの例示的な実施態様では、前記第２の基板アセンブリは下部基板アセンブリであり、前記薄膜電子回路を含む。
【００８１】
EWODデバイスの例示的な実施態様では、前記スペーサ部分は、前記第１の基板アセンブリあるいは前記第２の基板アセンブリのうちの１つの上に配置されるフォトレジスト層を備える。
【００８２】
本発明の他の一面は、ＥＷＯＤデバイスに流体を入力する関連方法である。例示的な実施態様では、流体を入力する方法は、前記流体入力ポートの一つを介して前記チャネルに非極性流体を入力すること、前記スペーサ部分によって定義された前記流体入力ポートの一つに極性流体を入力し、前記流体入力ポートの一つにおける前記スペーサ部分の構成が前記極性流体を前記チャネルに向けることと、および、前記チャネルに前記極性流体を移動するために、エレクトロウェッティング電圧を印加すること、とのステップを備える。流体を入力する方法は、１以上の次の構成を、個々にあるいは組み合わせて含んでもよい。
【００８３】
流体を入力する方法の例示的な実施態様では、前記スペーサ部分は、前記ＥＷＯＤデバイス内のスペーサなし領域を形成するために前記第１および第２の基板アセンブリの一部のみに接触し、前記方法はさらに、前記スペーサなし領域内で気泡を形成するために、前記非極性流体で前記チャネルを不完全に充填すること、および、前記気泡と前記非極性流体が出会う境界にある前記スペーサ部分によって定義された、前記流体入力ポートの１つに極性流体を入力すること、とのステップを含む。
【００８４】
流体を入力する方法の例示的な実施態様では、前記スペーサ部分は、前記ＥＷＯＤデバイス内のスペーサなし領域を形成するために前記第１および第２の基板アセンブリの一部のみに接触し、前記方法はさらに、前記スペーサなし領域内で非極性流体の本体と気泡を形成するために、前記非極性流体で前記チャネルを不完全に充填すること、前記非極性流体のシェル内に入れられた前記極性流体の液滴を備える入力液滴を形成すること、前記非極性流体の本体から離れて配置されたスペーサによって定義された、流体入力ポートの１つに前記入力液滴を入力すること、および、前記非極性流体の前記本体と接触するように前記入力流体を移動するため、エレクトロウェッティング電圧を印加すること、とのステップを含む。
【００８５】
流体を入力する方法の例示的な実施態様では、前記方法はさらに、前記第１の基板アセンブリあるいは前記第２の基板アセンブリのうちの１つの上に配置されたフォトレジスト層から前記スペーサ部分を形成することを含む。
【００８６】
本発明は、ある一つの実施態様あるいは複数の実施態様に関連して示され、記載されているが、均等となる置き換えや修正は、本願明細書や添付の図面を読み、理解するにあたり、当業者であれば容易に思いつくものである。特に、上述の素子（コンポーネント、アセンブリ、デバイス、組成物等）により実行される種々の機能、そういった素子を記述するのに用いられる用語（「手段」への参照を含む）は、本発明の一実施態様あるいは複数の実施態様においてその機能を実行する開示された構成に構造的に均等でなくても、他に指示がない限り、上述した要素の特定の機能を実行する任意の素子に相当する（すなわち、機能的に均等である）。さらに、本発明の特定の構成が１または複数の実施態様に関連して上述されたが、任意の所与のあるいは特定の適用のために望まれ、および、有利であるように、そういった構成は他の実施態様の１以上の他の構成と結合されてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００８７】
上述の実施態様は、強化されたＡＭ−ＥＷＯＤデバイスを提供するために使用できる。ＡＭ−ＥＷＯＤデバイスは、ラボオンチップの一部を形成することができる。そういったデバイスは、化学、バイオ化学あるいは生理学材料を操作し、反応し、検知するときに使用される。応用範囲は、ヘルスケア診断テスト、材料テスト、化学あるいはバイオ化学材料の合成、プロテオーム、ライフサイエンスおよび法科学におけるリサーチのためのツールを含む。
【符号の説明】
【００８８】
10  −  下部基板
12  −  アレイ素子電極
12A  −  個々のアレイ素子電極
12B  −  個々のアレイ素子電極
14  −  液滴
16  −  上部基板
18  −  スペーサ
20  −  非極性周囲流体
22  −  絶縁体層
24  −  第１の疎水性コーティング
26  −  接触角
28  −  第２の疎水性コーティング
30  −  参照電極
36  −  AM-ＥＷＯＤデバイス
44  −  下部基板
46  −  薄膜電子回路
48  −  アレイ素子電極
50  −  電極または素子アレイ
52  −  液滴
54  −  上部基板
56  −  スペーサ
62  −  上部基板
64  −  下部基板
66  −  スペーサ
67  −  デバイスの能動領域
68  −  オイル
70  −  気泡
72  −  ピペット
74  −  極性流体
80/80a-f  −  ＥＷＯＤデバイス
82  −  上部基板アセンブリ
84  −  下部基板アセンブリ
86  −  スペーサ/スペーサ部分
88  −  ＥＷＯＤチャネル
90  −  スペーサの領域
92  −  スペーサなし領域
93  −  能動領域
94  −  オイル
96  −  スペーサ歯
97  −  スペーサ基板領域
98  −  流体入力ポート
100  −  気泡
102  −  ピペットされた極性流体
104  −  薄膜駆動電子回路
106  −  能動領域
108  −  非能動境界領域
114  −  リッジ
118  −  ＥＷＯＤ電極部分
120  −  液滴
122  −  出口ポート
125  −  ＥＷＯＤデバイス
130  −  入力液滴
132  −  極性流体液滴
134  −  オイルシェル
【図１】
2019018197.tif 000004
【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６】
2019018197.tif 000009
【図７】
2019018197.tif 000010
【図８】
2019018197.tif 000011
【図９】
2019018197.tif 000012
【図１０】
2019018197.tif 000013
【図１１（ａ）】
2019018197.tif 000014
【図１１（ｂ）】
2019018197.tif 000015
【図１１（ｃ）】
2019018197.tif 000016
【図１２】
2019018197.tif 000017
【図１３】
2019018197.tif 000018
【図１４】
2019018197.tif 000019
【図１５】
2019018197.tif 000020
【外国語明細書】
2019018197000001.pdf