(57)【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：electrowetting on dielectric）装置であって、
アレイ上の１つまたは複数の液滴を操作するよう構成された複数のアレイ素子を備え、上記アレイ素子のそれぞれは、対応するアレイ素子駆動回路を含み、
各アレイ素子駆動回路は、
上部基板上に形成された上部基板電極、および下部基板上に形成された第１の駆動電極を含み、上記上部基板電極と上記第１の駆動電極との間に１つまたは複数の液滴を配置可能であり、
上記複数のアレイ素子間で上記１つまたは複数の液滴を移動させるために、上記第１の駆動電極に対し駆動電圧を選択的に与えるよう構成された回路をさらに含み、
上記複数のアレイ素子の少なくとも１つは、
上記下部基板上にさらに形成され、上記１つまたは複数の液滴が、上記少なくとも１つのアレイ素子の上記上部基板電極および上記第１の駆動電極に挟まれたとき、上記１つまたは複数の液滴を加熱するよう構成された加熱素子と、
上記加熱素子を制御するよう構成された回路と、を備え、
上記加熱素子は第２の駆動電極を含み、上記加熱素子を制御するよう構成された上記回路は、上記第２の駆動電極を、上記第２の駆動電極によって上記１つまたは複数の液滴に対し印加されるエレクトロウェッティング力を制御するために上記第２の駆動電極に駆動電圧が与えられる第１の動作モードと、上記第２の駆動電極に対し与えられる電圧によって、上記第２の駆動電極に、上記１つまたは複数の液滴を加熱するための熱エネルギーを放出させる第２の動作モードとの間で切り替えることを特徴とする装置。
【請求項２】
上記第１の動作モードにおいて、上記加熱素子を制御するよう構成された上記回路は、上記第２の駆動電極を、上記第１の駆動電極と同じ電位に維持することを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
上記第２の動作モードにおいて、上記加熱素子を制御するよう構成された上記回路は、抵抗熱エネルギーを発生させるために、上記第２の駆動電極内で電位差を生じさせることを特徴とする請求項２に記載の装置。
【請求項４】
上記電位差は、上記第２の動作モードにおける加熱率を制御するために、パルス幅を変調させることを特徴とする請求項３に記載の装置。
【請求項５】
上記電位差の値は、上記第２の動作モードにおける加熱率を制御するために変更されることを特徴とする請求項３に記載の装置。
【請求項６】
上記第１の駆動電極に対し与えられる駆動電圧は、ＡＣ駆動スキームに従うことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の装置。
【請求項７】
上記複数のアレイ素子の上記少なくとも１つにおいて、上記第１の駆動電極は、上記第２の駆動電極の周囲を囲むように形成されることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の装置。
【請求項８】
上記第２の駆動電極は、上記第１の駆動電極のコーナーとの距離を最大化するために傾けられることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の装置。
【請求項９】
上記複数のアレイ素子の上記少なくとも１つは、複合的アレイ素子を含むことを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１０】
上記複合的アレイ素子は近接するアレイ素子を含むことを特徴とする請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
上記近接するアレイ素子の周囲を囲む第３の駆動電極をさらに含むことを特徴とする請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
上記複合的アレイ素子内の上記加熱素子を制御するよう構成された上記回路は、上記複合的アレイ素子間で共有されることを特徴とする請求項９から１１のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１３】
上記複合的アレイ素子のそれぞれは、自身が含む上記加熱素子を制御するよう構成された個別の回路を含むことを特徴とする請求項９から１１のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１４】
上記加熱素子を制御するよう構成された上記回路は、上記第１の駆動電極に対する駆動電圧を選択的に与えるよう構成された上記回路と同じ書き込み機能性によって、制御電圧を受け取るよう構成されることを特徴とする請求項１から１３のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１５】
上記複数のアレイ素子の上記少なくとも１つはさらに、温度センサを含むことを特徴とする請求項１から１４のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１６】
上記温度センサは、上記加熱素子が上記温度センサと上記１つまたは複数の液滴との間に配置されるように、上記下部基板上に形成されることを特徴とする請求項１５に記載の装置。
【請求項１７】
駆動電圧を選択的に与えるよう構成された上記回路と、上記加熱素子を制御するよう構成された上記回路とのうち少なくとも１つの全てまたは一部は、上記下部基板上に形成されることを特徴とする請求項１から１６のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１８】
駆動電圧を選択的に与えるよう構成された上記回路と、上記加熱素子を制御するよう構成された上記回路とのうち少なくとも１つの全てまたは一部は、上記下部基板から離れて形成されることを特徴とする請求項１から１６のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１９】
誘電体エレクトロウェッティング（ＥＷＯＤ：electrowetting on dielectric）装置の駆動方法であって、
上記ＥＷＯＤ装置は、
アレイ上の１つまたは複数の液滴を操作するよう構成された複数のアレイ素子を備え、上記アレイ素子のそれぞれは、対応するアレイ素子駆動回路を含み、
各アレイ素子駆動回路は、
上部基板上に形成された上部基板電極、および下部基板上に形成された第１の駆動電極を含み、上記上部基板電極と上記第１の駆動電極との間に１つまたは複数の液滴を配置可能であり、
上記複数のアレイ素子間で上記１つまたは複数の液滴を移動させるために、上記第１の駆動電極に対し駆動電圧を選択的に与えるよう構成された回路をさらに含み、
上記複数のアレイ素子の少なくとも１つは、
上記下部基板上にさらに形成され、上記１つまたは複数の液滴が、上記少なくとも１つのアレイ素子の上記上部基板電極および上記第１の駆動電極に挟まれたとき、上記１つまたは複数の液滴を加熱するよう構成され、第２の駆動電極を備える加熱素子と、
上記第２の駆動電極に対し駆動電圧を与えるよう構成された回路と、を含み、
上記方法は、
上記第２の駆動電極を、上記第２の駆動電極によって上記１つまたは複数の液滴に対し印加されるエレクトロウェッティング力を制御するために上記第２の駆動電極に駆動電圧が与えられる第１の動作モードと、上記第２の駆動電極に対し与えられる電圧によって、上記第２の駆動電極に、上記１つまたは複数の液滴を加熱するための熱エネルギーを放出させる第２の動作モードとの間で切り替える工程を含むことを特徴とする方法。
【請求項２０】
上記第１の動作モード中、上記第２の駆動電極を、上記第１の駆動電極と同じ電位に維持する工程を含むことを特徴とする請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
上記第２の動作モード中、抵抗熱エネルギーを発生させるために、上記第２の駆動電極内で電位差を生じさせる工程を含むことを特徴とする請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
上記第２の動作モードにおける加熱率を制御するために、上記電位差のパルス幅を変調する工程を含むことを特徴とする請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
上記第２の動作モードにおける加熱率を制御するために、上記電位差の値を変更する工程を含むことを特徴とする請求項２１に記載の方法。
【請求項２４】
上記第１の駆動電極に対し与えられる駆動電圧は、ＡＣ駆動スキームに従うことを特徴とする請求項１９から２３のいずれか１項に記載の方法。
【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マトリクスおよび該アレイの素子に関する。一態様において、本発明は、デジタルマイクロ流体工学に関し、より詳細には、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（ＡＭ−ＥＷＯＤ：active matrix electrowetting-on-dielectric）装置に関する。誘電体エレクトロウェッティング（ＥＷＯＤ：Electro-wetting-On-Dielectric）とは、アレイ上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ＥＷＯＤ（ＡＭ−ＥＷＯＤ）は、ＥＷＯＤを、アクティブマトリクスアレイにおいて、例えば薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を用いることによって実施することを指す。本発明はさらに、上述の装置の駆動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
誘電体エレクトロウェッティング（ＥＷＯＤ）は、電場の印加によって液滴を操作する公知の技術である。故に、ＥＷＯＤはラボオンチップ（lab-on-a-chip）技術に関するデジタルマイクロ流体工学に関して好適な技術である。上記技術の基礎的な原理への導入は、“Digital microfluidics: is a true lab-on-a-chip possible?”，R. B. Fair，Microfluid Nanofluid (2007年)第3巻245-281に見出すことができる。
【０００３】
米国特許６５６５７２７号（A. Shenderov; 2003年5月20日発行）には、液滴を、アレイを通して移動させるためのパッシブマトリクス型のＥＷＯＤ装置が開示されている。
【０００４】
米国特許６９１１１３２号（V. Pamula et al.; 2005年6月28日発行）には、２次元での液滴の位置および移動を制御するための２次元ＥＷＯＤアレイが開示されている。
【０００５】
ＥＷＯＤ技術の用途の多くは、液滴の温度の制御および／または変更を必要とする。例として、分子診断、物質合成および核酸増幅が含まれる。後者は一般に、２段階以上の温度下を循環する生化学試薬を必要とする。温度制御を達成するための手法の一つとして、装置全体およびその筐体の温度を、外的手段、例えば電熱板によって制御することが挙げられる。この手法には、達成される温度変化率が一般に低く、また、配列全体の温度が均一になるまでに長い時間を要するという不都合がある。さらに、同一の装置内の異なる液滴が同時に異なる温度を有することができない。
【０００６】
米国特許２００８０２７４５１３（A. Shenderov et al.; 2008年11月6日発行）には、１つの装置内の複数の加熱領域を異なる温度に維持する別の手法が開示されており、エレクトロウェッティングを用いて該液滴の温度を制御し、異なる領域間で液滴を移動させる手法が開示されている。
【０００７】
国際公開第２００９／００３１８４号（C. Wu; 2008年12月31日発行）にはさらに、下部および上部の基板の各裏面上に熱交換器をマウントすることで、上述のような加熱領域を実装する方法が開示されている。この方法には、上記基板は一般的に熱伝導性の低い物質（例としてガラス）によって製造されるために、上記熱交換器と液滴との間の熱抵抗が相対的に大きくなるという不都合がある。このことは、達成される温度制御の空間解像度に悪影響を及ぼすとともに、熱時定数を長くする。
【０００８】
米国特許第７１６３６１２号（J. Sterling et al.; 2007年1月16日発行）には、ＴＦＴに基づくエレクトロニクスを、ＡＭ表示技術に利用されるものと非常に類似した回路設計によって、ＥＷＯＤアレイに対する電圧パルスのアドレス制御に用いる方法が記載されている。このような手法は“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：active matrix electrowetting-on-dielectric）と称されてもよい。米国特許第７１６３６１２号における問題は、上記ＡＭ−ＥＷＯＤのＴＦＴバックプレーンを実現する回路の実施形態が一切開示されていない点である。
【０００９】
国際公開第２０１０／０４１２１４号（C. J. M. Lasance et al.; 2010年4月15日発行）には、流体チャンバーのアレイを備えるマイクロ流体装置が記載されている。各チャンバーは、当該基板に結合された、独立に制御可能なヒータを含む。各チャンバーはまた、温度センサを含む。国際公開第２０１０／０４１２１４号にはさらに、統合された電子回路を、上記ヒータおよび温度センサを駆動するために、上記基板上に配置する方法が記載されている。国際公開第２０１０／０４１２１４号における問題は、上記装置の上記異なるチャンバー間で流体を移動させる、統合された手段が一切開示されていない点である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
従来のＥＷＯＤ装置に関連する上述した問題点に鑑み、ＥＷＯＤ装置には、迅速な（すなわち、温度変化率が増大した）、高い空間解像度を有する温度制御を、簡易な加工かつ低コストにて実現することが強く求められている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の一態様に係るＥＷＯＤ装置は、二重機能を有する、アレイ素子に統合された加熱機能を備える。加熱素子は、液滴の移動の制御に用いられる層と同一の導電性層において実現される。上記加熱素子における電圧入力は、以下の２つの動作モードを促進するために制御されてもよい。
・ＥＷＯＤ制御モード：加熱素子が、液滴の移動を制御する構造の一部を形成する。従って上記液滴は当該アレイ素子上に移動することができる。
・加熱モード：加熱素子が、液滴を加熱するためのエネルギーを放出する。
【００１２】
本発明は、広い概念で捉えればアクティブマトリクス型のＥＷＯＤ装置に限定されるものではないが、本発明の実施形態の記載では、ＥＷＯＤ装置はＡＭ−ＥＷＯＤとして実施されている。上記装置は、上記加熱素子による放出熱の制御、およびＥＷＯＤによる液滴の移動の制御のためのＴＦＴ駆動回路を内蔵していてもよい。
【００１３】
本発明の一態様によれば、誘電体エレクトロウェッティング（ＥＷＯＤ：electrowetting on dielectric）装置が提供される。上記ＥＷＯＤ装置は、アレイ上の１つまたは複数の液滴を操作するよう構成された複数のアレイ素子を備え、上記アレイ素子のそれぞれは、対応するアレイ素子駆動回路を含み、各アレイ素子駆動回路は、当該二者間に１つまたは複数の液滴を配置可能であり、上部基板電極は上部基板上に形成され、第１の駆動電極は下部基板上に形成される、上部基板電極および第１の駆動電極と、上記複数のアレイ素子間で上記１つまたは複数の液滴を移動させるために、上記第１の駆動電極に対し駆動電圧を選択的に与えるよう構成された回路と、を含み、上記複数のアレイ素子の少なくとも１つは、上記下部基板上にさらに形成され、上記１つまたは複数の液滴が、上記少なくとも１つのアレイ素子の上記上部基板電極および上記第１の駆動電極に挟まれたとき、上記１つまたは複数の液滴を加熱するよう構成された加熱素子と、上記加熱素子を制御するよう構成された回路と、を含む。
【００１４】
別の態様によれば、上記加熱素子は第２の駆動電極を含み、上記加熱素子を制御するよう構成された上記回路は、上記第２の駆動電極を、上記第２の駆動電極によって上記１つまたは複数の液滴に対し印加されるエレクトロウェッティング力を制御するために上記第２の駆動電極に駆動電圧が与えられる第１の動作モードと、上記第２の駆動電極に対し与えられる電圧によって、上記第２の駆動電極に、上記１つまたは複数の液滴を加熱するための熱エネルギーを放出させる第２の動作モードとの間で切り替える。
【００１５】
別の態様に従えば、上記第１の動作モードにおいて、上記加熱素子を制御するよう構成された上記回路は、上記第２の駆動電極を、上記第１の駆動電極と同じ電位に維持する。
【００１６】
別の態様によれば、上記第２の動作モードにおいて、上記加熱素子を制御するよう構成された上記回路は、抵抗熱エネルギーを発生させるために、上記第２の駆動電極内で電位差を生じさせる。
【００１７】
さらに別の態様によれば、上記電位差は、上記第２の動作モードにおける加熱率を制御するためにパルス幅を変調させる。
【００１８】
別の態様によれば、上記電位差の値は、上記第２の動作モードにおける加熱率を制御するために変更される。
【００１９】
さらに別の態様に従えば、上記第１の駆動電極に対し与えられる駆動電圧は、ＡＣ駆動スキームに従う。
【００２０】
さらに別の態様に従えば、上記複数のアレイ素子の上記少なくとも１つにおいて、上記第１の駆動電極は、上記第２の駆動電極の周囲を囲むように形成される。
【００２１】
別の態様によれば、上記第２の駆動電極は、上記第１の駆動電極のコーナーとの距離を最大化するために傾けられる。
【００２２】
さらに別の態様によれば、上記複数のアレイ素子の上記少なくとも１つは、複合的アレイ素子を含む。
【００２３】
別の態様に従えば、上記複合的アレイ素子は近接するアレイ素子を含む。
【００２４】
別の態様によれば、上記近接するアレイ素子の周囲を囲む第３の駆動電極がさらに含まれる。
【００２５】
別の態様に従えば、上記複合的アレイ素子内の上記加熱素子を制御するよう構成された上記回路は、上記複合的アレイ素子間で共有される。
【００２６】
さらに別の態様によれば、上記複合的アレイ素子のそれぞれは、自身が含む上記加熱素子を制御するよう構成された個別の回路を含む。
【００２７】
別の態様によれば、上記加熱素子を制御するよう構成された上記回路は、上記第１の駆動電極に対する駆動電圧を選択的に与えるよう構成された上記回路と同じ書き込み機能性によって、制御電圧を受信するよう構成される。
【００２８】
さらに別の態様では、上記複数のアレイ素子の上記少なくとも１つはさらに、温度センサを含む。
【００２９】
さらに別の態様によれば、上記温度センサは、上記加熱素子が上記温度センサと上記１つまたは複数の液滴との間に配置されるように、上記下部基板上に形成される。
【００３０】
別の態様によれば、駆動電圧を選択的に与えるよう構成された上記回路と、上記加熱素子を制御するよう構成された上記回路とのうち少なくとも１つの全てまたは一部は、上記下部基板上に形成される。
【００３１】
さらに別の態様に従えば、駆動電圧を選択的に与えるよう構成された上記回路と、上記加熱素子を制御するよう構成された上記回路とのうち少なくとも１つの全てまたは一部は、上記下部基板から離れて形成される。
【００３２】
本発明の別の態様によれば、誘電体エレクトロウェッティング（ＥＷＯＤ：electrowetting on dielectric）装置の駆動方法が提供される。上記ＥＷＯＤ装置は、アレイ上の１つまたは複数の液滴を操作するよう構成された複数のアレイ素子を備え、上記アレイ素子のそれぞれは、対応するアレイ素子駆動回路を含み、各アレイ素子駆動回路は、当該二者間に１つまたは複数の液滴を配置可能であり、上部基板電極は上部基板上に形成され、第１の駆動電極は下部基板上に形成されることを特徴とする上部基板電極および第１の駆動電極と、上記複数のアレイ素子間で上記１つまたは複数の液滴を移動させるために、上記第１の駆動電極に対し駆動電圧を選択的に与えるよう構成された回路と、を含み、上記複数のアレイ素子の少なくとも１つは、上記下部基板上にさらに形成され、上記１つまたは複数の液滴が、上記少なくとも１つのアレイ素子の上記上部基板電極および上記第１の駆動電極に挟まれたとき、上記１つまたは複数の液滴を加熱するよう構成され、第２の駆動電極を備える加熱素子と、上記第２の駆動電極に対し駆動電圧を与えるよう構成された回路と、を含み、上記方法は、上記第２の駆動電極を、上記第２の駆動電極によって上記１つまたは複数の液滴に対し印加されるエレクトロウェッティング力を制御するために上記第２の駆動電極に駆動電圧が与えられる第１の動作モードと、上記第２の駆動電極に対し与えられる電圧によって、上記第２の駆動電極に、上記１つまたは複数の液滴を加熱するための熱エネルギーを放出させる第２の動作モードとの間で切り替える工程を含む。
【００３３】
別の態様に従えば、上記方法は、上記第１の動作モード中、上記第２の駆動電極を、上記第１の駆動電極と同じ電位に維持する工程を含む。
【００３４】
さらに別の態様に従えば、上記方法は、上記第２の動作モード中、抵抗熱エネルギーを発生させるために、上記第２の駆動電極内で電位差を生じさせる工程を含む。
【００３５】
さらに別の態様によれば、上記方法は、上記第２の動作モードにおける加熱率を制御するために、上記電位差のパルス幅を変調する工程を含む。
【００３６】
別の態様によれば、上記方法は、上記第２の動作モードにおける加熱率を制御するために、上記電位差の値を変更する工程を含む。
【００３７】
さらに別の態様によれば、上記第１の駆動電極に対し与えられる駆動電圧は、ＡＣ駆動スキームに従う。
【発明の効果】
【００３８】
本発明によれば、加熱素子は、上記液滴の、上記アレイ素子上への移動および上記アレイ素子からの移動を補助するとともに、上記液滴を加熱するためのエネルギーを放出するという２つの機能を実行できる。上記の加熱能力はＴＦＴ制御基板内に実装されてもよく、これにより加工が容易となるとともにコストを削減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
付属の図面において、類似の部材名は類似の部品または特徴を意味している。
【図１】本発明の第１の実施形態に係るＥＷＯＤ装置を示す図である。
【図２】上記第１の実施形態に係る装置のある種の上記アレイ素子の断面を示す図である。
【図３】上記第１の実施形態に係る薄膜電子回路の一構成を示す図である。
【図４】上記第１の実施形態に係る標準アレイ素子のアレイ素子駆動回路を示す図である。
【図５】上記第１の実施形態に係る標準アレイ素子の別のアレイ素子駆動回路を示す図である。
【図６Ａ】上記第１の実施形態に係る上記ＥＷ駆動電極の一構成を示す図である。
【図６Ｂ】上記第１の実施形態に係る加熱アレイ素子のアレイ素子駆動回路を示す図である。
【図６Ｃ】加熱アレイ素子において駆動信号を供給するための構造を示す図である。
【図７】液滴を移動させるまたは加熱するための典型的なシーケンスを示す図である。
【図８】一電極アレイ内に実装され得る複数の加熱領域を示す図である。
【図９】加熱領域を実現するための上記ＥＷ駆動電極の別の構成を示す図である。
【図１０】２×２のアレイ素子を取り囲む加熱領域を実現するための上記ＥＷ駆動電極の別の構成を示す図である。
【図１１】本発明の第２の実施形態に係るアレイ素子回路を示す図である。
【図１２Ａ】上記第２の実施形態に係る上記アレイ素子回路を動作させるための供給電圧のタイミング信号を示す図である。
【図１２Ｂ】加熱アレイ素子において駆動信号を供給するための構造を示す図である。
【図１３】上記第２の実施形態に係る、第１の構成における上記アレイ素子回路を動作させるためのタイミング信号を示す図である。
【図１４】は、上記第２の実施形態に係る、第２の構成における上記アレイ素子回路を動作させるためのタイミング信号を示す図である。
【図１５】上記第２の実施形態に係る、第３の構成における上記アレイ素子回路を動作させるためのタイミング信号を示す図である。
【図１６】上記第２の実施形態に係る、異なる構成を用いた上記アレイ素子回路を動作させるためのタイミング信号を示す図である。
【図１７】本発明の第３の実施形態に係る加熱アレイ素子のアレイ素子回路を示す図である。
【図１８】本発明の第４の実施形態に係る上記装置のある種の上記アレイ素子の断面を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００４０】
図１は、本発明の第１の典型的な実施形態に係るＡＭ−ＥＷＯＤ装置を示す図である。上記ＡＭ−ＥＷＯＤ装置は、下部基板７２を含み、下部基板７２上に薄膜電子回路７４が配置されている。複数のアドレス可能なＥＷ駆動電極３８が電極アレイ４２上に配置されており、電極アレイ４２は、Ｍ×Ｎ個の素子（Ｍ、Ｎはそれぞれ任意の数値）を有する。薄膜電子回路７４は、従来のアクティブマトリクスアドレススキームを用いて、駆動電極３８に対し、対応する駆動電圧を選択的に与えるよう構成される。ＥＷＯＤ液滴４は、基板７２と上部基板３６とに閉じ込められている。ただし、複数の液滴４が存在する構成も本発明の範疇に入ることを理解されたい。
【００４１】
図２は、上記アレイ素子の組の断面図である。先に述べたように、上記装置は、薄膜電子回路７４が、その上に配置された下部基板７２を含む。下部基板７２（薄膜電子回路層７４の一部と看做されてもよい）の最上層は、複数の駆動電極３８（図２では３８Ａおよび３８Ｂ）がそれぞれのアレイ素子に対応するようパターン配列される。駆動電極３８は、ＥＷ駆動素子３８と称されてもよい。ＥＷ駆動素子３８という用語は、特定のアレイ素子と関連付けられた駆動電極３８と、この電極３８に直接接続された電機回路のノードと、の両方に言及するために付随する文章において用いられてもよい。液滴４は、イオン物質からなり、下部基板７２と、上部基板３６との間の面に閉じ込められている。上記２つの基板間の適切な間隙はスペーサ３２によって実現されてもよく、非イオン液体３４（例えばオイル）が、液滴４が占有しない体積を占有するために用いられてもよい。絶縁体層２０は、下部基板７２上に配置されており、導電性電極３８Ａ、３８Ｂを、直上の液滴４がθで表される接触角で接する面である疎水面１６から分離する。上部基板３６の上部には、液滴４が接触するさらに別の疎水層２６が設けられている。上部基板３６と疎水層２６との間には、上部基板電極２８が設けられている。薄膜電子回路７４の設計と操作とを適切に行うことで、ＥＷ駆動電圧（例えば、ＶＴ、Ｖ０およびＶ００）と称される異なる電圧が、異なる電極（例えば、電極２８、３８Ａおよび３８Ｂの各々）に対し印加される。従って、疎水面１６の疎水性は、上記２つの基板７２と３６との間の水平方向の平面内において、複数のアレイ素子間に亘る、１つまたは複数の液滴の移動を促進するように制御され得る。
【００４２】
基板７２上の薄膜電子回路７４の構成が、図３に示されている。電極アレイ４２の各素子は、対応する駆動電極３８の電位を制御するための駆動電圧を選択的に与えるよう構成された回路を実現するアレイ素子駆動回路（詳細は後述する）を含む。統合された行駆動回路７６および列駆動回路７８が、後述するように、上記アレイ素子駆動回路に対し、対応する駆動電圧および制御信号を供給するために、薄膜電子回路７４にさらに実装されている。シリアルインターフェース８０が、連続的な入力データストリームを処理し、要求された電圧をＥＷＯＤアレイ４２に供給するためにさらに提供されてもよい。上記アレイ基板と、外部駆動エレクトロニクス、電力供給等との間の接続線８２の数は、大きなアレイサイズに対してさえ、相対的に少なくてもよい。
【００４３】
上記典型的な実施形態に係る電極アレイ４２は、２つのタイプのアレイ素子、すなわち、標準アレイ素子８４と、加熱アレイ素子８８とを含む。標準アレイ素子８４は、例えば、単一のＥＷ駆動電極３８と、該ＥＷ駆動電極３８に書き込まれるエレクトロウェッティング電圧を制御するために用いられるアレイ素子駆動回路と、を有する。
【００４４】
図４は、アレイ素子８４におけるアレイ素子駆動回路の取りうる設計を示す図である。この回路は以下を備えている。
・アレイ４２の同一列内のアレイ素子に共通であり得る、列書き込みラインＳＬ（列駆動回路７８に由来する）
・アレイ４２の同一行内のアレイ素子に共通であり得る、行選択ラインＧＬ（行駆動回路７６に由来する）
・ｎ型スイッチトランジスタ８３
・キャパシタ８６
上記回路は以下のように接続される。同一列内の全てのアレイ素子に共通の列書き込みラインＳＬは、トランジスタ８３のソースに接続される。同一行内の全てのアレイ素子に共通の行選択ラインＧＬは、トランジスタ８３のゲートに接続される。トランジスタ８３のドレインは、ＥＷ駆動電極３８（ノード３８として図示）に接続される。キャパシタ８６は、ＥＷ駆動電極３８とアースラインとの間に接続される。
【００４５】
ＥＷ駆動電極３８に電圧を書き込むために、上記列ラインＳＬに対する電圧がプログラムされる。次に、スイッチトランジスタ８３がオンに切り替えられるよう、上記行ラインＧＬに対する電圧が高くなる。次に、ＳＬに対する電圧がＥＷ駆動電極３８に書き込まれ、キャパシタ８６において保存される。典型的な構成では、駆動状態にある液滴に対応するＥＷ駆動電極３８には電圧ＶＥＷが書き込まれてもよく、脱駆動状態にある液滴に対応するＥＷ駆動電極３８には電圧０Ｖが書き込まれてもよく、上部電極２８の電位はＶＴ＝０Ｖであってもよい。このように、本発明は、上記駆動電極に対して上記駆動電圧を選択的に与えることにより、１つまたは複数の液滴を複数のアレイ素子間で移動させることができる。
【００４６】
当業者であれば、ＥＷ駆動電極３８に対する電圧の書き込みおよび保存に、他のアレイ素子駆動回路が適用可能であることを容易に理解できるであろう。例えば、図５に示すように、標準アレイ素子８４内の駆動回路として、ＳＲＡＭ（Static Random Access Memory）構成が用いられてもよい。このアレイ素子駆動回路は以下を備えている。
・同一列内のアレイ素子に共通であり得る、列書き込みラインＳＬ（列駆動回路７８に由来する）
・同一行内のアレイ素子に共通であり得る、行選択ラインＧＬ（行駆動回路７６に由来する）
・ｎ型スイッチトランジスタ１０２
・ｐ型スイッチトランジスタ１０４
・第１のインバータ１０６
・第２のインバータ１０８
上記アレイ素子駆動回路は以下のように接続される。
【００４７】
列書き込みラインＳＬは、スイッチトランジスタ１０２のソースに接続される。行選択ラインＧＬは、スイッチトランジスタ１０２のゲート、および、スイッチトランジスタ１０４のゲートに接続される。スイッチトランジスタ１０４のドレインは、スイッチトランジスタ１０２のドレイン、および、第１のインバータ１０６の入力に接続される。第１のインバータ１０６の出力は、第２のインバータ１０８の入力に接続される。第２のインバータ１０８の出力は、スイッチトランジスタ１０４のソース、および、ＥＷ駆動電極３８に接続される。
【００４８】
上記アレイ素子駆動回路は標準ＳＲＡＭ素子として動作する。ＥＷ駆動電極３８に対し高レベルの電圧を書き込むために、列書き込みラインＳＬに対し高電圧が書き込まれ、次に電圧パルスが行選択ラインＧＬに対し印加される。ＥＷ駆動電極３８に対し低レベルの電圧を書き込むためには、列書き込みラインＳＬに対し低電圧が書き込まれ、同様の手順が実行される。
【００４９】
図６Ａに示すように、各加熱アレイ素子８８は、複合駆動回路３８’を含む点において、標準アレイ素子８４と異なっている。複合駆動回路３８’は、標準ＥＷ駆動電極３８（本稿では第１のＥＷ駆動電極とも称する）および第２のＥＷ駆動電極３８Ｄの両方を含む。第２のＥＷ駆動電極３８Ｄは、ＥＷ駆動電極３８と電気的に接続されておらず、個別に駆動される。第２のＥＷ駆動電極３８Ｄは、加熱素子としての追加の機能を有する。図６Ａは、複合駆動電極３８’内に２つのＥＷ駆動電極３８および３８Ｄを形成するために用いられる薄膜導電性物質の典型的な構成の平面図である。このケースでは、標準ＥＷ駆動電極３８は、第２のＥＷ駆動電極３８Ｄの周囲を取り囲んで形成される。従って、駆動電極３８は主として、標準アレイ素子８４における、同等の電極と同様に機能する。ＡおよびＢで示される、第２のＥＷ駆動電極３８Ｄに対する２つの個別の電気的入力が形成される。第２のＥＷ駆動電極３８Ｄは、抵抗加熱素子に一般的に見られるように、蛇行形状を有している。従って、ＥＷ駆動電極３８Ｄは、第２のＥＷ駆動電極３８Ｄの構成の物質および形状の関数である抵抗Ｒを有する抵抗素子と、電気的に同等である。
【００５０】
図６Ｂに示すように、加熱アレイ素子８８に対するアレイ素子駆動回路は、上記標準アレイ素子のアレイ素子駆動回路と類似しているが、例外として、追加の制御ラインが、図６Ｂにおいて抵抗素子として示されている第２のＥＷ駆動電極３８Ｄにおけるバイアスを制御するための入力ＡおよびＢに対するそれぞれの信号電圧を与えるという点で異なる。入力ＡおよびＢに供給される電圧を制御するための制御回路は、標準デジタル技術によって実現されてもよく、外的に（例えばプリント基板によって）与えられる構成と、ＴＦＴ基板７２に組み込まれている構成とのいずれであってもよい。
【００５１】
図６Ｃに、入力ＡおよびＢを制御し、これによって上記加熱素子（第２のＥＷ駆動電極３８Ｄ）を制御するよう構成された回路となるヒータ制御回路１１０の典型例が示されている。
【００５２】
ヒータ制御回路１１０は、ＥＷＯＤＣおよびＨＥＡＴＳＩＧで表される２つのデジタル入力を有し、以下を含んでいる。
・第１のアナログスイッチ１３２
・第２のアナログスイッチ１３４
・第３のアナログスイッチ１３６
・インバータ１３８
回路１１０は以下のように接続される。デジタル入力信号ＨＥＡＴＳＩＧは、アナログスイッチ１３４の入力、インバータ１３８の入力、アナログスイッチ１３４のｎ型トランジスタのゲート、アナログスイッチ１３２のｐ型トランジスタのゲート、および、アナログスイッチ１３６のｎ型トランジスタのゲートに接続される。この回路ノードはＨＤと称される。インバータ１３８の出力は、アナログスイッチ１３２のｎ型トランジスタのゲート、アナログスイッチ１３４のｐ型トランジスタのゲート、および、アナログスイッチ１３６のｐ型トランジスタのゲートに接続されている。この回路ノードはＨＤＢと称される。アナログスイッチ１３２の出力は、抵抗加熱素子３８Ｄの端子Ａに接続されているアナログスイッチ１３４の出力に接続されている。アナログスイッチ１３６の入力は、抵抗加熱素子３８Ｄの端子Ｂに接続されている。アナログスイッチ１３６の出力は接地されている。
【００５３】
上記ヒータ制御回路の動作は以下のとおりである。デジタル入力信号ＨＥＡＴＳＩＧおよびＥＷＯＤＣは、外部から上記装置に供給され、低論理レベル＝０Ｖおよび高論理レベル＝ＶＥＷを有している。
【００５４】
デジタル入力ＨＥＡＴＳＩＧが低論理レベルにあるとき、ノードＨＤ＝０Ｖ且つノードＨＤＢ＝ＶＥＷである。この結果、アナログスイッチ１３４が閉じられ、アナログスイッチ１３２が開き、アナログスイッチ１３６が閉じられる。これらの条件の下、ノードＡおよびＢの電位は、論理レベル入力ＥＷＯＤＣによって決定される。ＥＷＯＤＣが低レベル０Ｖにある場合は、ノードＡおよびＢにおいても０Ｖの電位が取得される。ＥＷＯＤＣが高レベルＶＥＷにある場合は、ノードＡおよびＢにおいてもＶＥＷの電位が取得される。交代して、デジタル入力ＨＥＡＴＳＩＧが高論理レベルにあるとき、ノードＨＤ＝ＶＥＷ且つノードＨＤＢ＝０Ｖである。続いて、アナログスイッチ１３４が開き、アナログスイッチ１３２が閉じられ、アナログスイッチ１３６が開く。この状況において、ノードＢはアナログスイッチ１３６を介して０Ｖに放電され、ノードＡの電位はＶＥＷとなる。このように、この条件は、ＥＷ駆動電極３８Ｄとしての抵抗加熱素子における電位ＶＥＷの生成に対応する。その際、外部から供給された入力信号ＨＥＡＴＳＩＧが、有効な電流を得るために、および、適切にバッファされるために要求されることは、当業者にとっては明らかであろう。
【００５５】
上述のように、ヒータ制御回路１１０は、以下の３つの設定のうち任意の１つを任意の時点において実現するよう、上記電圧入力ＡおよびＢを制御するために構成される。
設定１：Ａ＝Ｂ＝ＶＥＷ
設定２：Ａ＝ＶＥＷ、Ｂ＝０Ｖ
設定３：Ａ＝Ｂ＝０Ｖ
設定１では、第２のＥＷ駆動電極３８Ｄの入力ＡおよびＢの両方が、高レベルの電圧ＶＥＷとなる。その結果、電極３８Ｄにおいて電位エネルギーが降下されず、上記抵抗において熱という形でエネルギーが放出されない。同時に、加熱アレイ素子８８内の標準駆動電極３８も高レベルの電圧ＶＥＷにプログラムされてもよい。従って、標準ＥＷ駆動電極３８および第２のＥＷ駆動電極３８Ｄは、高レベルの電圧ＶＥＷで組み合わさって、上記アレイ素子において液滴を駆動状態にする。設定３では、入力ＡおよびＢの両方が、低レベルの電圧０Ｖとなる。従って、上記と同様に、第２のＥＷ駆動電極３８Ｄにおいて抵抗熱エネルギーは放出されない。設定３では、標準駆動電極３８および第２のＥＷ駆動電極３８Ｄは、共に低レベルの電圧０Ｖにプログラムされ、上記アレイ素子において液滴を脱駆動状態にする。
【００５６】
設定２では、入力ＡおよびＢ間の電位差ＶＥＷ−０Ｖの結果として、電圧ＶＥＷが第２のＥＷ駆動電極３８Ｄにおいて降下される。これにより、ＶＥＷ２／Ｒの値を有する合計電力が、ジュール加熱によって駆動電極３８Ｄ内で放出される。上記抵抗Ｒの値は、加熱素子３８Ｄの配置およびこの構造を作る物質に依存する。典型的には、Ｒの値は、用途によって求められる温度まで液滴４を加熱するよう、有効な量の熱が放出されるために十分小さくなるように選択される。例えば、ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ：polymerase chain reaction）に関しては、上記液滴の温度上昇は最大摂氏９０度程度までであることが要求されてもよい。他の用途では、例えば、より小さい温度上昇が求められてもよく、例えば、多くの免疫アッセイでは、典型的な実行温度は摂氏３７度である。上記抵抗Ｒの値の選択において、上記ヒータ駆動回路における接続線および回路部品の抵抗（例えば、図６Ｃを参照すれば、オン状態であるときのアナログスイッチ１３４および１３６の抵抗）に起因する電圧降下を考慮することが必要であってもよい。この理由により、上記接続線等の抵抗に起因する電圧降下の影響が大きくなるように、抵抗Ｒの値はあまり低くならないことが好ましくてもよい。さらに考慮すれば、過度の加熱による当該素子に対する損傷（例えば素子の融解）を避けるために、Ｒの値は十分に大きいことが望ましい。これらの要素全てを考慮すれば、実際の最適なＲの値は、状況に依存するが、典型的には１００−１０Ｋオームの範囲内が期待されてもよい。
【００５７】
上記のように、第２のＥＷ駆動電極３８Ｄは、２つの動作モード間で切り替え可能である。第１の動作モードでは、第２のＥＷ駆動電極３８Ｄは、設定１と３との間で切り替わることによって、液滴に印加されるエレクトロウェッティング力を制御するために使用される。第２の動作モードでは、駆動電極３８Ｄは、設定２で用いられ、液滴４を加熱するために用いられ得る熱エネルギーを放出する。
【００５８】
このスキームの変形例において、第２のＥＷ駆動電極３８Ｄの入力Ａに供給される電圧は、一定期間上記電圧がＶＥＷとなり、残りの期間上記電圧が０Ｖとなるよう、ヒータ制御回路１１０の入力信号ＨＥＡＴＳＩＧのパルス幅変調（ＰＷＭ：Pulse Width Modulation）によって制御されてもよい。その場合、放出される合計電力は、ｎＶＥＷ２／Ｒに等しくなる（パラメータｎは、ＰＷＭによって制御されるＨＥＡＴＳＩＧ信号のデューティサイクルに対応し、０から１の値を取る）。従って、ＨＥＡＴＳＩＧ信号のデューティサイクルを変更することによって、加熱率を制御することができる。このスキームのさらなる変形例において、設定２において端子Ａに印加されるデジタル入力信号ＨＥＡＴＳＩＧの高レベル電圧は、ＶＸの値を取ってもよく、ＶＥＷと異なり、この場合に上記抵抗器において放出される電力はＶＸ２／Ｒとなる。
【００５９】
上述したように、第２のＥＷ駆動電極３８Ｄは、液滴４の移動の制御と、液滴４の加熱との両方のために用いられてもよい。図７は、上記ＡＭ−ＥＷＯＤ装置において、この二重機能がどのように利用されるかの例を示す図である。液滴４は、初めは、従来型の第１のＡＭ−ＥＷＯＤアレイ素子８４Ａの位置に存在する。ここでは、液滴４が、第２のアレイ素子８８上に移動し、第３のアレイ素子８４Ｂ（第１のアレイ素子８４Ａと同様に従来型である）に移動する前に、当該第２のアレイ素子８８上に保持されて加熱されるシーケンスを説明する。第１のアレイ素子８４Ａ上に配置されたとき、第１のアレイ素子８４のＥＷ駆動電極３８に供給される電圧はＶＥＷであり、第２のアレイ素子８８のＥＷ駆動電極３８および第２のＥＷ駆動電極３８Ｄ（入力ＡおよびＢ）に供給される電圧は０Ｖであり、第３のアレイ素子８４ＢのＥＷ駆動電極３８に供給される電圧は０Ｖである。液滴４を第２のアレイ素子８８上に移動させるために、第２のアレイ素子８８のＥＷ駆動電極３８に供給される電圧、および、第２のＥＷ駆動電極３８Ｄの入力ＡおよびＢの両者に対する電圧は、全てＶＥＷとなり、第１のアレイ素子８４ＡのＥＷ駆動電極３８に供給される電圧は０Ｖとなる。続いて、液滴４は、上記エレクトロウェッティング力の作用により、第１のアレイ素子８４Ａから第２のアレイ素子８８へと移動する。
【００６０】
第２の、加熱アレイ素子８８において、液滴４を加熱するために、ＥＷ駆動電極３８Ｄの上記入力の１つ（例えばＢ）に供給される電圧は０Ｖとなり、一方で、他方の入力（例えばＡ）に供給される電圧はＶＥＷに維持される。これらの条件下でＥＷ駆動電極３８Ｄに電流が流れ、電気的エネルギーが放出された結果ジュール加熱が生じる。これにより、液滴４を加熱するという効果を奏する。上記システムは、液滴４を当該の用途で求められる温度まで加熱するために十分な時間（例として、化学反応を生じさせるために十分な時間）、この状態に維持されてもよい。ここで、上記加熱操作中の全期間において、第２の、加熱アレイ素子８８のＥＷ駆動電極３８において、電圧ＶＥＷが維持されてもよく、これにより、この期間中は、上記液滴を第２のアレイ素子８８の位置に維持してもよい。上記加熱操作が完了すると、第２のＥＷ駆動電極３８Ｄの両方の接続における電圧は０Ｖに設定される。そして、液滴４は、第３のアレイ素子８４Ｂに移動する。これは、第２のアレイ素子８８のＥＷ駆動電極３８の電圧を０Ｖにし、第３のアレイ素子８４ＢのＥＷ駆動電極３８の電圧をＶＥＷにすることで達成される。そして、液滴４は、上記エレクトロウェッティング力により、第３のアレイ素子に移動する。これにより、操作は完了となる。
【００６１】
図８は、電極アレイ４２内に複数の加熱領域が実装され得る、本発明の一実施例を示す図である。本図は、電極アレイ４２内の異なる位置に存在する、大きさの異なる２つの液滴４Ａおよび４Ｂを示している。上記液滴は、単一のアレイ素子（４Ａ）または複数の近接するアレイ素子（４Ｂ）を覆うサイズを有していてもよい。加熱アレイ素子８８Ａ、８８Ｂ、８８Ｃ、８８Ｄ、８８Ｅ、８８Ｆ、および８８Ｇの位置によって様々な加熱領域が決定される。
【００６２】
複数の液滴（例えば４Ａ、４Ｂ）は、アレイ素子間を移動してもよく、図中の矢印が示すように、１つまたは複数の加熱領域を通過するよう構成されていてもよい。上記加熱領域は、加熱素子を含むよう構成された、単一（例えば８８Ｅ）または複数（例えば８８Ａ、８８Ｂ、８８Ｃ、８８Ｄ）の加熱アレイ素子を備えていてもよい。加熱領域内の加熱アレイ素子８８の、第２のＥＷ駆動電極３８Ｄの電気的入力ＡおよびＢは、各加熱アレイ素子において個別であってもよく、例えば、各加熱素子に対し個別のヒータ駆動回路１１０が提供されてもよい。別の例として、多数の加熱アレイ素子が、共有された共通のヒータ駆動回路１１０によって制御され得るよう、並列に接続されていてもよい。この場合、各駆動電極３８Ｄの入力Ａは互いに接続され、各駆動電極３８Ｄの入力Ｂは互いに接続される。
【００６３】
ＥＷ複合駆動電極３８’を形成するために用いられる導電性層の構成には様々な変形例が考えられ、それらは本発明の範囲に含まれ得る。図９は、そのような構成の一つを示す図であり、第２のＥＷ駆動電極３８Ｄが、ＥＷ駆動電極３８のコーナーとの距離を最大化するために、４５度傾けられている。このような構成により、液滴の運搬速度を向上させることができる。
【００６４】
図１０は、加熱領域が２×２の加熱アレイ素子８８Ａ、８８Ｂ、８８Ｃ、および８８Ｄのサブアレイからなる別の構成を示す図である。上記加熱領域は、標準アレイ素子８４（例えば８４Ａおよび８４Ｂ）によって、上記加熱領域の１（図示）または複数の辺を取り囲まれていてもよい。
【００６５】
これらの加熱アレイ素子の各々は、上述したように、ＥＷ駆動電極３８と、第２のＥＷ駆動電極３８Ｄとを含む。第２のＥＷ駆動電極３８Ｄとの電気的接続は、Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ａ４で表され、互いに接続されていてもよく、または、独立に制御されていてもよい。Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３およびＢ４についても同様である。図に示すとおり、第３のＥＷ駆動電極３８Ｅは、加熱アレイ素子８８Ａ、８８Ｂ、８８Ｃ、および８８Ｄの２×２のサブアレイの周囲を囲む環状構造を有している。第３のＥＷ駆動電極３８Ｅに対する電気的接続Ａ５およびＢ５は、図に示すとおり、上記環状構造の対側のエッジに配置されてもよい。この構造において、電流がＡ５からＢ５に流れる経路は、第３のＥＷ駆動電極３８Ｅの上部および底部を通る２経路が存在する。電気的には、第３のＥＷ駆動電極は、並列な２つの抵抗器のように振舞い、Ａ５およびＢ５への電気的接続は、第３のＥＷ駆動電極３８Ｅが、当該位置にある任意の液体の加熱に寄与するよう、電極３８Ｅ内で熱を放出するように駆動されてもよい。第３のＥＷ駆動電極３８Ｅの電位はさらに、上述の方法による、加熱領域への、または加熱領域からの液滴の移動によって評価を行えるように、（Ａ５およびＢ５に供給される電圧によって）制御可能であってもよい。
【００６６】
図１０の構成の利点は、第２のＥＷ駆動電極３８Ｄおよび第３のＥＷ駆動電極３８Ｅの抵抗の適切な選択、および、Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ａ４およびＡ５に印加されるＰＷＭ信号の適切な制御によって、上記加熱領域内の温度は、正確に制御されてもよく、該加熱領域内において均一に、または意図的に不均一に設定されてもよい。図１０に示す配置は典型的なものであり、当該の概念は、上記加熱領域が多数の加熱アレイ素子８８を包含する構成を含み得ることは明らかであろう。
【００６７】
本発明の利点は、上記ヒータ機能がＴＦＴ制御基板に実装されており、これにより、加工が容易となるとともに、低コスト化が実現される。
【００６８】
さらなる利点は、上記液滴の移動をエレクトロウェッティング制御するために、上記加熱素子（すなわち駆動電極３８Ｄ）を、ＡＭ−ＥＷＯＤ装置内の、ＥＷ駆動電極３８に用いられる層と同一の層内に統合することができる点である。これにより、特に高効率なヒータオプションが、以下の理由によって実現される。
・上記加熱素子は、上記液滴の近傍に位置し、絶縁体層２０と、疎水面１６を形成する層とのみによって分離されている。これらの層を合計した厚みは、典型的にはわずか数百ナノメートルであり、よって、加熱素子３８Ｄと液滴４との間の熱抵抗は比較的小さい。これにより、高効率な加熱が促進される（上記放出された熱エネルギーが高い割合で液滴４を加熱するために使用される）とともに、該加熱は、熱時定数が比較的短いために迅速に行われ得る。
・上記加熱素子は、ＩＴＯによって好都合に実現されてもよい。この構成の利点は、透明である（上記液滴を光学的に観測するために有用）点、および、高効率な加熱素子を実現するために好都合な電気的抵抗値を有する点である。上記加熱素子は、典型的には、ヒータとして動作するよう設定されたときに有効な熱エネルギーを放出することができるよう十分に低く、一方、流れる電流が接続線において相当の電圧ドロップを生じるようあまり低くない電気的抵抗を有するよう設計される。典型的な薄膜エレクトロニクス処理によって蒸着されたＩＴＯのシート抵抗は、加熱素子の適切な抵抗を実現するために好都合な値（典型的には〜数Ｋオーム）を取る。
【００６９】
第２のＥＷ駆動電極３８Ｄが、上記液滴の移動の制御または加熱のいずれかのために構成され得る上述の実施例は、さらに次の利点を有する。すなわち、この素子の上記二重機能がなければ、液滴４を、加熱を行うための加熱アレイ素子８８上に移動させることは困難であり得る。上記二重機能を含むことにより、第２のＥＷ駆動電極３８Ｄは、液滴４を正しい位置に操作し、続いて加熱を行うために用いられ得る。
【００７０】
さらなる利点は、本発明は、装置内の複数の加熱領域の設置を容易にすることである。これらは、液滴の温度を複数の値の間で変化させることが求められる用途、または、温度サイクリングが実施される場合（例えば、核酸合成）に用いられてもよい。
【００７１】
本発明の第２の実施形態は、図１１に示すとおり、上記第１の実施形態において、アレイ素子８４について別のアレイ素子駆動回路が用いられる例である。
【００７２】
本実施形態に係る上記アレイ素子駆動回路は、以下の構成要素を含んでいる。
・以下を備える、ＳＲＡＭセルからなるメモリ機能１１８。
・・同一列内のアレイ素子に共通であり得る、列書き込みラインＳＬ（列駆動回路７８に由来する）
・・同一行内のアレイ素子に共通であり得る、行選択ラインＧＬ（行駆動回路７６に由来する）
・・ｎ型スイッチトランジスタ１０２
・・ｐ型スイッチトランジスタ１０４
・・第１のインバータ１０６
・・第２のインバータ１０８
・以下を備える反転回路１２０
・・第１のアナログスイッチ１１４
・・第２のアナログスイッチ１１６
・・上記アレイ内の全ての素子に共通であり得る電圧供給Ｖ１
・・上記アレイ内の全ての素子に共通であり得る電圧供給Ｖ２
アレイ４２内の加熱アレイ素子８８は、図１１において、入力ＡおよびＢを接続する抵抗素子として示されているヒータ駆動電極３８Ｄと、図６Ｃに例示され、本発明の第１の実施形態にて説明したアレイ駆動回路とを含んでいてもよい。
【００７３】
図１１によれば、上記回路は以下のように接続される。
【００７４】
列書き込みラインＳＬは、スイッチトランジスタ１０２のソースに接続される。行選択ラインＧＬは、スイッチトランジスタ１０４のゲート、およびスイッチトランジスタ１０２のゲートに接続される。スイッチトランジスタ１０４のドレインは、スイッチトランジスタ１０２のドレイン、および第１のインバータ１０６の入力に接続される。第１のインバータ１０６の出力は、第２のインバータ１０８の入力、第１のアナログスイッチ１１４のｐ型トランジスタのゲート、および第２のアナログスイッチ１１６のｎ型トランジスタのゲートに接続される。第２のインバータ１０８の出力は、第１のアナログスイッチ１１４のｎ型トランジスタのゲート、第２のアナログスイッチ１１６のｐ型トランジスタのゲート、およびスイッチトランジスタ１０４のソースに接続される。電圧供給Ｖ１は、第１のアナログスイッチ１１４の入力に接続される。電圧Ｖ２は、第２のアナログスイッチ１１６の入力に接続される。第１のアナログスイッチ１１４および第２のアナログスイッチ１１６の出力は、それぞれ、ＥＷ駆動電極を形成する導電性電極３８に接続される。
【００７５】
アレイ素子回路８４の動作は以下のように表現される。
【００７６】
アレイ素子回路８４は、上述した２つの機能ブロック、すなわち、メモリ機能１１８および反転回路１２０を含む。メモリ機能１１８は、先に述べたように、標準ＳＲＡＭ回路である。
【００７７】
メモリ機能１１８に対し論理値“１”状態が書き込まれた場合、反転回路１２０は、第１のアナログスイッチ１１４がオンに切り替えられ、第２のアナログスイッチ１１６がオフに切り替えられるよう設定される。その結果、供給電圧Ｖ１が、ＥＷ駆動電極３８を形成する導電性電極に印加される。メモリ機能１１８に対し論理値“０”状態が書き込まれた場合、反転回路１２０は、第１のアナログスイッチ１１４がオフに切り替えられ、第２のアナログスイッチ１１６がオンに切り替えられるよう設定される。このケースでは、供給電圧Ｖ２が、ＥＷ駆動電極３８に印加される。供給電圧Ｖ２は、上記上部基板の電極２８に対しても印加される。その結果、液滴４において維持されているエレクトロウェッティング電圧ＶＥＷは、下記のいずれかとなる。
・上記メモリに対し論理値“０”が書き込まれた場合、０。
・上記メモリに対し論理値“１”が書き込まれた場合、Ｖ１−Ｖ２。
【００７８】
図１２Ａは、本実施形態に係る供給電圧Ｖ１および供給電圧Ｖ２の波形の時間依存性を示す図である。Ｖ１は振幅ＶＢおよび周期ｔ０を有する矩形波であり、Ｖ２はＶ１の論理反転値である。
【００７９】
従って、上記メモリに論理値“１”が書き込まれた場合、エレクトロウェッティング電圧ＶＥＷ（すなわち、Ｖ１−Ｖ２）は、ｒｍｓ振幅ＶＢを有する矩形波となる。
【００８０】
ＡＭ−ＥＷＯＤ駆動のこのＡＣ方法は、いくつかの理由により有用である。
・以下を含む様々な利点を伴う、上記ＡＭ−ＥＷＯＤの高周波のＡＣモードの動作が可能となる。
・・ＡＣ駆動スキームが、絶縁性の信頼度の向上を促進する。ＤＣ電界の作用下では、液滴４中のイオンは絶縁体層の誘電体を通過しやすいという欠陥があり、上記装置のピンホールを生じさせる。これは装置の故障を招き得る。高いＡＣ周波数においては、移動性のイオンは、ＤＣ電界よりも振動にさらされやすいため、装置はこの故障方法の影響を受けにくい。
・・ＤＣ駆動スキームで動作するＥＷＯＤ装置は、動作期間全体を通じたパフォーマンスの低下、すなわち、長期に亘り液滴の動きが緩慢になる現象を生じることが観測されている。この効果は、未だ完全には理解されていないが、上記絶縁体および／または疎水層の両極性に起因すると考えられている。ＡＣ駆動スキームで動作させることで、上記絶縁体および疎水層はＤＣ電場の影響を受けないため、この効果を避けることができる。
・・ＡＣ駆動スキームは、理由は理解されていないが、液滴の運搬、溶解等の動作のためのダイナミクスの向上を促進することができる。
・上述のＡＣ駆動の方法は、ＡＭ−ＥＷＯＤに関して特段の利点を有する。これは、上記ＴＦＴによって構成されるアナログスイッチ１１４および１１６によって切り替えられる最大電圧が、上記エレクトロウェッティング電圧に等しいもののみとなるためである。上記ＴＦＴに対する所定の最大定格電圧について、このことは、上部電極２８が定電位に維持されるＡＣ動作時よりも高いエレクトロウェッティング電圧を促進する。
【００８１】
上記ＡＣ駆動方法が用いられるとき、第２のＥＷ駆動電極３８Ｄの入力ＡおよびＢに印加される駆動電圧信号もまたＡＣ信号であってもよい。その結果、第２のＥＷ駆動電極３８Ｄは、エレクトロウェッティングによる液滴制御の補助、および、上述したジュール加熱の実現という二重機能を実行するよう構成される。
【００８２】
上記第１の実施形態について説明した方法と類似の方法によって、入力ＡおよびＢに供給される電圧信号は、多数の手段のうちいずれによって実現されてもよい。図１２Ｂは、第２のＥＷ駆動電極３８Ｄの入力ＡおよびＢに駆動信号を供給するために用いられ得る構成を示す図である。
【００８３】
上記回路は、アナログスイッチ１４０および第２のＥＷ駆動電極３８Ｄからなる。入力信号Ｐ２は、アナログスイッチ１４０の入力に接続される。アナログスイッチ１４０の出力は、第２のＥＷ駆動電極３８Ｄの端子Ａに接続される。第２のＥＷ駆動電極３８Ｄの端子Ｂは、入力信号Ｐ３に接続される。入力信号Ｐ１は、アナログスイッチ１４０のｎ型トランジスタのゲートに接続される。入力信号Ｐ１Ｂは、入力信号Ｐ１の相補的な論理値であり、アナログスイッチ１４０のｐ型トランジスタのゲートに接続される。この回路の動作は、以下のとおりである。入力信号Ｐ１が高論理レベル（およびＰ１Ｂが低論理レベル）にあるとき、アナログスイッチ１４０はオンに切り替えられる。続いて、入力信号Ｐ２およびＰ３に対し異極性の入力信号を印加することで、ジュール加熱が実行される。Ｐ２＝高論理値、Ｐ３＝低論理値のとき、ＥＷ駆動電極３８Ｄを電流が流れる方向は、Ｐ２からＰ３へ向かうものとなる。Ｐ２＝低論理値、Ｐ３＝高論理値のとき、電流が流れる方向は、Ｐ３からＰ２へ向かうものとなる。また、Ｐ１が低論理レベルにあるとき、アナログスイッチ１４０はオフに切り替えられ、ＥＷ駆動電極３８Ｄには電流は流れない。この場合、上記ＥＷ駆動電極の電位は、Ｐ３に印加される論理信号によって決定される。
【００８４】
図１３、１４および１５は、Ｖ１およびＶ２、ならびに、加熱電極への接続ＡおよびＢに供給される電圧のタイミングを、３つの動作設定について示す図である。これらの設定のそれぞれにおいて、電圧供給Ｖ２は上部電極２８にも印加される。上記３つの設定は、以下の機能を有している。
設定１：（高レベルの）エレクトロウェッティング制御のために、加熱電極３８Ｄおよび上部電極２８間で高電圧が維持される。
設定２：ジュール加熱のために、加熱電極３８Ｄの端子ＡおよびＢ間で電圧が維持される。
設定３：（低レベルの）エレクトロウェッティング制御のために、加熱電極３８Ｄおよび上部電極２８間で電圧ゼロが維持される。
【００８５】
上記第１の実施形態の上記ＰＷＭ駆動に類似した、加熱素子３８Ｄの駆動方法は、放出された時間平均のヒータ電力の制御方法として実施されてもよい。その一例に考えられるものとして、図１６は、図１２Ｂに示す駆動回路を用い、外的手段によって供給され得る入力Ｐ１、Ｐ２およびＰ３の上記タイミング信号を含む実施例についてのタイミングチャートを示す図である。ＡおよびＢで表される、第２のＥＷ駆動電極３８Ｄへの接続に供給される電圧は、或るときには設定２が採用され、加熱電極３８Ｄにおいて熱が放出されるよう設定される。他のときには、設定３が採用され、上記加熱電極において熱は放出されない。（別の例として、加熱なしの条件については設定３の代わりに設定１が採用されてもよい。）放出される加熱電力の時間依存性は、図１６の下部に示されている。
【００８６】
本実施形態の利点は、上記第１の実施形態に記載の加熱素子機能性の全てが、ＡＣ駆動スキームを利用したエレクトロウェッティングによる液滴制御の利点と組み合わせられることである。
【００８７】
当業者であれば、本実施形態に関して述べてメモリ機能１１８を、別の例として、例えば、上記第１の実施形態にて述べたように、ＤＲＡＭメモリ素子によって実施する方法は明らかに理解できるであろう。
【００８８】
さらに、当業者であれば、上記第１の実施形態に関して述べた様々な配置および加熱領域の構成を、上記第２の実施形態に記載のＡＣ駆動スキームを用いて実施および操作する方法は明らかに理解できるであろう。
【００８９】
本発明の第３の実施形態は、上記第１の実施形態において、標準アレイ素子８４のアレイ素子駆動回路は先に述べた構成を有し、別のアレイ素子駆動回路が、図１７に示すように、加熱アレイ素子８８’について実装されている構成である。
【００９０】
上記加熱アレイ素子駆動回路は、以下の要素を含んでいる。
・同一列内のアレイ素子に共通であり得る、列書き込みラインＳＬ（列駆動回路７８に由来する）
・同一行内のアレイ素子に共通であり得る、行選択ラインＧＬ（行駆動回路７６に由来する）
・ｎ型スイッチトランジスタ８３
・キャパシタ８６
・キャパシタ１２８
・ｎ型スイッチトランジスタ１２２
・ｎ型スイッチトランジスタ１２４
・ｎ型スイッチトランジスタ１２６
・加熱動作を制御するために用いられる、ヒータ許可ラインＨＥＮ
・ヒータ供給電圧入力ラインＶＡ
・ヒータ供給電圧入力ラインＶＢ
上記回路は以下のように接続される。
【００９１】
行選択ラインＧＬは、トランジスタ８３のゲート、およびトランジスタ１２２のゲートに接続される。列書き込みラインＳＬは、トランジスタ８３のソースに接続される。トランジスタ８３のドレインは、トランジスタ１２２のドレイン、およびＥＷ駆動電極３８に接続される。キャパシタ８６は、ＥＷ駆動電極３８とアース線との間に接続される。トランジスタ１２２のソースは、トランジスタ１２６のソース、および第２のＥＷ駆動電極３８Ｄの入力Ａに接続される。トランジスタ１２４のドレインは、第２のＥＷ駆動電極３８Ｄの入力Ｂに接続されている。キャパシタ１２８は、第２のＥＷ駆動電極３８Ｄの入力Ｂとアース線との間に接続されている。ヒータ許可ラインＨＥＮは、トランジスタ１２６のゲート、およびトランジスタ１２４のゲートに接続されている。トランジスタ１２６のソースは、第２のＥＷ駆動電極３８Ｄのヒータ供給電圧入力ラインＶＡに接続されており、トランジスタ１２４のドレインは、ヒータ供給電圧入力ラインＶＡに接続されている。同様に、トランジスタ１２６のドレインは、第２のＥＷ駆動電極３８Ｄの入力Ｂに接続されており、トランジスタ１２４のソースは、ヒータ供給電圧入力ラインＶＢに接続されている。
【００９２】
上記回路の動作は以下のように表現される。
【００９３】
上記アレイ素子駆動回路は２つの機能を実行する。
・ＥＷ駆動電極３８および第２のＥＷ駆動電極３８Ｄの両者に対し、エレクトロウェッティング制御電圧を書き込む。
・ＥＷ駆動電極３８に対し書き込まれた電圧を維持しながら、第２のＥＷ駆動電極３８Ｄにおいてジュール加熱を実行する。
【００９４】
ＥＷ駆動電極３８および第２のＥＷ駆動電極３８Ｄに対し電圧を書き込むために、まず、トランジスタ１２４および１２６がオフに切り替えられるよう、低レベル電圧が入力ＨＥＮに印加される。続いて、列書き込みラインＳＬが、書き込まれる電圧とともにロードされる。続いて、高レベル電圧パルスがゲートラインＧＬに印加され、これによって、トランジスタ８３および１２２をオンに切り替えるとともに、ＥＷ駆動電極３８および第２のＥＷ駆動電極３８ＤにＳＬの電圧が書き込まれる。続いて、書き込まれた電圧は、ゲートラインＧＬに対する電圧が低くなると、キャパシタ８６および１２８においてそれぞれ保持される。
【００９５】
ヒータ駆動電極３８Ｄにおいてジュール加熱を実行するよう機能するために、ヒータ供給入力ラインＶＡに電圧が印加され、ヒータ供給入力ラインＶＢには異なる電圧が印加される。続いて、トランジスタ１２４および１２６がオンに切り替えられるよう、入力ＨＥＮに対する電圧が高くなる。キャパシタ１２８が直ちに充電され／放電し、入力ＡおよびＢ間を電流が通過し、これにより第２のＥＷ駆動電極３８Ｄにおいてジュール加熱を生じる。上記電流の値は、ＶＡおよびＶＢ間の電圧差と、該電流の流路の抵抗とに依存する。上記回路は、上記ジュール加熱の大部分が第２のＥＷ駆動電極３８Ｄにおいて生じるよう、トランジスタ１２４および１２６のオン抵抗が、第２のＥＷ駆動電極３８Ｄの抵抗と比較して小さくなるように設計されてもよい。
【００９６】
ここで、多数の加熱アレイ素子８８’を含むアレイにおいて、ヒータ供給電圧入力ラインＶＡおよびＶＢへの接続は、アレイ４２内の各加熱アレイ素子８８’のすべてに及ぶものであってもよい。各加熱アレイ素子８８’の第２のＥＷ駆動電極３８Ｄに書き込まれるエレクトロウェッティング電圧は、ＥＷ駆動電極３８に対しエレクトロウェッティング電圧を書き込む場合と同一のアレイアドレッシング構造によって書き込まれるので、独立に制御されてもよい。
【００９７】
上記アレイの各加熱アレイ素子８８’のヒータ許可入力ＨＥＮへの接続は、個別に提供されてもよいし、または、上記アレイ内の複数の加熱アレイ素子８８’に共通であってもよい。個別の接続により、上記アレイにおける各加熱アレイ素子のＨＥＮ接続を制御するためにより多くの接続線が必要となるという欠点があるが、ヒータ駆動電極３８Ｄにおける加熱が、異なる加熱アレイ素子について個別に制御されるという柔軟性がもたらされる。
【００９８】
当業者であれば、放出されるヒータ電力がＨＥＮに供給される電圧パルスのデューティサイクルの関数となるよう、入力ＨＥＮに対し時間的に変化する信号を印加することで、加熱電力をＰＷＭ手段によって制御する方法は明らかに理解できるであろう。
【００９９】
さらに、当業者には、本実施形態に上記第１および第２の実施形態に記載の特徴を組み込む方法は明らかに理解されるであろう。
【０１００】
本実施形態の利点は、第２のＥＷ駆動電極３８Ｄの電圧が、ＥＷ駆動電極３８に対し電圧を書き込む場合に用いられるものと同一のアレイ書き込み機能性によって書き込まれることである。その結果、上記第１の実施形態の場合のように、異なるヒータ駆動電極３８Ｄのそれぞれに対し個別の制御信号を供給せずとも、上記アレイ中の異なるヒータ駆動電極３８Ｄに対し、異なる電圧を書き込むことができる。１つのアレイ内に多くの加熱アレイ素子８８’を含み、これらの素子のそれぞれのヒータ駆動電極３８Ｄの電圧を独立に制御することが求められる複雑な構成において、これは大きな利点である。
【０１０１】
本発明の第４の実施形態は、上述した任意の実施形態において、薄膜電極７４がさらに、先行技術に記載の温度センサ素子１３０を含む構成である。図１８は、本実施形態に係る装置の断面図である。図に示すように、温度センサ素子１３０は、ある例では、第２のＥＷ駆動電極３８Ｄの近傍、例えば、適用された加熱から迅速なフィードバック情報を得るために有利な位置に配置されてもよい。別の例では、上記装置内の異なる位置における温度特徴を決定するために、第２のＥＷ駆動電極３８Ｄから遠く離れた配置に上記温度センサを配置すること、または、上記第２のＥＷ駆動電極からの距離が異なる位置に多数の温度センサ１３０を有することが、より好ましくてもよい。１つまたは複数の温度センサ素子１３０は、温度センサ素子１３０のアレイを形成するために、各標準アレイ素子８４および／または加熱アレイ素子の位置に含まれていてもよく、上記装置における温度分布に関する空間的情報を与えてもよい。
【０１０２】
本実施形態の利点は、温度センサを含むことにより、フィードバックが促進される、すなわち、加熱を実施するために第２のＥＷ駆動電極３８Ｄに対し印加される信号が、計測された温度に応じて変更および制御されることである。
【０１０３】
ここで、本実施形態の特段の特徴は、第２のＥＷ駆動電極３８Ｄが、空間的に、温度センサと液滴との間に配置されており、これら全てが物理的に極めて近傍にあるという点である。特に、温度センサ素子１３０は、加熱素子が温度センサ１３０と液滴との間に位置するよう、下部基板７２上に形成される。これにより特段の利点がもたらされる。第１に、上記センサ素子が、ジュール加熱により引き起こされる温度変化に迅速に反応できるよう、上記加熱素子および温度センサ素子間の熱抵抗が非常に小さくなる。第２に、液滴、加熱素子および温度センサが近傍にあることにより、上記液滴付近の温度が正確に計測される。
【０１０４】
本発明の上述の実施形態は、アクティブマトリクス（Active Matrix）ＥＷＯＤ（すなわち、上記アレイ素子駆動回路、ならびに、ＥＷ駆動電極３８および３８Ｄとして同一の基板７２に統合されたＥＷ駆動電極３８および第２のＥＷ駆動電極３８Ｄに関するヒータ制御回路）に関するものであるが、当業者であれば、本発明がパッシブＥＷＯＤにも同様に適用可能であることを明らかに理解できるであろう。すなわち、上記アレイ素子駆動回路および／またはヒータ制御回路の全てまたは一部は、外部に、または、電極アレイ基板７２から分離した、例えば別個のプリント基板等において形成されてもよい。これにより、ＥＷ駆動電極３８および３８Ｄへの電気的接続は、外的に供給される。この場合は、上記ＥＷ駆動電極は、上述の、例えば図７、９または１０のうち任意の図において示された構成を有していてもよく、ヒータ機能性を含むアレイ素子のＥＷ駆動電極３８および第２のＥＷ駆動電極３８Ｄに対する電気的接続は、外部の駆動電子回路から直接供給されてもよく、例えば、別個のプリント基板によって生成されてもよい。
【０１０５】
本発明を、特定の１つのまたは複数の実施形態を参照しながら図示すると共に説明したが、当業者は、本明細書および添付の図面を読解することによって、同等の代替例および変形例に想到可能であろう。特に、上述の素子（構成部品、アセンブリ、装置、構造など）によって実行される様々な機能に関して、このような素子を説明するために用いられる用語（「手段」への言及を含む）は、他に記載がない限り、開示される、本発明の典型的な１つまたは複数の実施形態における機能を実行する構成と、構造的に同等でなくても、当該特定の機能を実行する任意の素子（すなわち、機能的に同等の素子）に対応することが意図される。さらに、本発明の特定の特徴を、１つまたは複数の実施形態だけを参照して説明してきたが、このような特徴は、他の実施形態の１つまたは複数の他の特徴と、所望のように、および、所定のまたは特定の用途にとって都合がよいように、組み合わせてもよい。
【産業上の利用可能性】
【０１０６】
上記ＡＭ−ＥＷＯＤ装置は、ラボオンチップシステムの一部を形成し得る。このような装置は、化学、生化学、または生理学物質の加工、反応および検知に用いられ得る。本発明の用途として、医療診断検査、化学または生化学物質の合成、プロテオミクス、生命科学および法医科学研究のための器具等が挙げられる。
【符号の説明】
【０１０７】
４  液滴
６  接触角θ
１６  疎水面
２０  絶縁体層
２６  疎水層
２８  電極
３２  スペーサ
３４  非イオン液体
３６  上部基板
３８  駆動電極
４２  電極アレイ
７２  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  接続線
８３  トランジスタ
８４  標準アレイ素子
８６  キャパシタ
８８  加熱アレイ素子
９０  ＶＥＷのＥＷ駆動電極
９２  ０ＶのＥＷ駆動電極
９４  ヒータとしてのＥＷ駆動電極
１０２  トランジスタ
１０４  トランジスタ
１０６  インバータ
１０８  インバータ
１１０  ヒータ制御回路
１１４  アナログスイッチ
１１６  アナログスイッチ
１１８  メモリ機能
１２０  反転回路
１２２  トランジスタ
１２４  トランジスタ
１２６  トランジスタ
１２８  キャパシタ
１３０  温度センサ
１３２  アナログスイッチ
１３４  アナログスイッチ
１３６  アナログスイッチ
１３８  インバータ
１４０  アナログスイッチ
【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６Ｃ】
0005282154.tif 000009
【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
0005282154.tif 000013
【図１１】
0005282154.tif 000014
【図１２Ａ】
0005282154.tif 000015
【図１２Ｂ】
0005282154.tif 000016
【図１３】
0005282154.tif 000017
【図１４】
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【図１５】
0005282154.tif 000019
【図１６】
0005282154.tif 000020
【図１７】
0005282154.tif 000021
【図１８】
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