(57)【要約】  アクティブ式マトリックス誘電体接触エレクトロウェッティング（ＡＭ−ＥＷＯＤ）装置は、アレイ状に配置された複数のアレイ要素を含み、上記アレイ要素の各々はアレイ要素回路、要素電極および参照電極を含んでいる。上記アレイ要素回路は、上記電極へ作動電圧を印加するように構成された作動回路と、上記アレイ要素において小滴の性質を測定するためのアレイ要素電極においてインピーダンスを検知するように構成されたインピーダンスセンサ回路とを含んでいる。上記インピーダンスセンサ回路は、上記参照電極に印加される電位に摂動を起こすことによって稼働させられる。上記ＡＭ−ＥＷＯＤ装置は、共通の横配列アドレシングラインを含んでいる。上記インピーダンスセンサ回路は更には、再設定操作と、検知される上記アレイ中の横配列を選択するための操作とに影響する上記共通アドレシングライン上に電圧信号を供給することによって、稼働させられる。上記回路は、上記インピーダンスセンサ回路が稼働している間、上記アレイ要素を上記作動電圧から絶縁する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
縦横に配列された複数のアレイ要素を備え、
上記アレイ要素の各々は、アレイ要素回路、要素電極および参照電極を含み、
上記アレイ要素回路は、
上記アレイ要素の作動に対して上記要素電極および参照電極へ作動電圧を印加するように構成された作動回路と、
上記アレイ要素電極においてインピーダンスを検知し上記アレイ要素における小滴の性質を測定するように構成されたインピーダンスセンサ回路とを含み、
上記インピーダンスセンサ回路は上記要素電極へ印加された電位に摂動を起こすことによって稼働するように構成されている、
アクティブ式マトリックス誘電体接触エレクトロウェッティング（ｅｌｅｃｔｒｏ−ｗｅｔｔｉｎｇ）（ＡＭ−ＥＷＯＤ）装置。
【請求項２】
共通アドレシングラインをさらに備え、上記インピーダンスセンサ回路は、上記共通アドレシングラインを介した電圧信号の供給により、リセット動作と、上記アレイにおける検知すべき列を選択する動作との両方をもたらすように稼働する
請求項１に記載のＡＭ−ＥＷＯＤ装置。
【請求項３】
上記インピーダンスセンサ回路が、上記参照電極に印加される電位に摂動を起こさせることによって、および上記共通アドレシングラインに印加される電位に摂動を起こさせることによって稼働するように構成されている、
請求項２に記載のＡＭ−ＥＷＯＤ装置。
【請求項４】
上記共通アドレシングラインが、上記アレイの当該同一横配列中の全ての要素に共通である、
請求項１から３のいずれか１項に記載のＡＭ−ＥＷＯＤ装置。
【請求項５】
上記インピーダンスセンサ回路は、上記要素電極と検知トランジスタのゲートとの間に接続されたキャパシタをさらに備え、上記アレイ要素におけるインピーダンスが、上記キャパシタに結合された検知電圧の変化に基づいて検知される、
請求項１から４のいずれか１項に記載のＡＭ−ＥＷＯＤ装置。
【請求項６】
上記インピーダンスセンサ回路が、上記検知トランジスタのゲートにおける上記電圧の設定用のトランジスタをさらに備える、
請求項５に記載のＡＭ−ＥＷＯＤ装置。
【請求項７】
上記検知トランジスタおよび上記検知トランジスタのゲートにおける上記電圧の設定用の上記トランジスタが、ｎ型トランジスタである、
請求項６に記載のＡＭ−ＥＷＯＤ装置。
【請求項８】
上記作動回路は、上記インピーダンスセンサ回路が稼働している間、上記要素電極を作動電圧から絶縁するように構成された絶縁要素を備える、
請求項１から７のいずれか１項に記載のＡＭ−ＥＷＯＤ装置。
【請求項９】
上記インピーダンスセンサ回路の作動用のセンサ入力ラインをさらに含み、上記絶縁要素は、上記作動回路と、上記センサ入力ラインから入力を受け取る上記インピーダンスセンサ回路との間に、トランジスタを含む、
請求項８に記載のＡＭ−ＥＷＯＤ装置。
【請求項１０】
上記絶縁要素は、横配列アドレシングラインへ接続された絶縁キャパシタを含む、
請求項８に記載のＡＭ−ＥＷＯＤ装置。
【請求項１１】
上記インピーダンスセンサ回路の作動用のセンサ入力ライン、および上記作動回路と、上記センサ入力ラインからの入力を受け取る上記インピーダンスセンサ回路との間の絶縁トランジスタをさらに含み、上記絶縁トランジスタは、上記作動回路を、上記インピーダンスセンサ回路が稼働している間、上記インピーダンスセンサ回路から絶縁する、
請求項１から６のいずれか１項に記載のＡＭ−ＥＷＯＤ装置。
【請求項１２】
作動回路が、上記アレイ要素が作動状態か非作動状態かのいずれかに対応するデータの格納用の記憶部と、当該要素電極および当該参照電極への上記作動電圧の供給用の作動部とを備える、
請求項１から１１のいずれか１項に記載のＡＭ−ＥＷＯＤ装置。
【請求項１３】
上記作動回路が、ＤＲＡＭ要素として構成された単一のトランジスタおよび単一のキャパシタから成る、
請求項１２に記載のＡＭ−ＥＷＯＤ装置。
【請求項１４】
縦横のアレイに複数のアレイ要素を配置する工程であって、当該アレイ要素の各々はアレイ要素回路、要素電極、および参照電極を備えており、上記アレイ要素回路は作動回路およびインピーダンスセンサ回路を備えている工程と、
上記アレイ要素を作動させるために、上記作動回路を用いて上記要素および参照電極に作動電圧を印加する工程と、
上記参照電極へ印加された電位に摂動を起こす工程と、
上記インピーダンスセンサ回路を用いて、上記アレイ要素電極におけるインピーダンスを検知する工程と、
当該検知されたインピーダンスに基づいて、上記アレイ要素における液滴の性質を決定する工程と、
を含む、アクティブ式マトリックス誘電体接触エレクトロウェッティング（ＡＭ−ＥＷＯＤ）装置の稼働方法。
【請求項１５】
上記ＡＭ−ＥＷＯＤ装置はさらに共通アドレシングラインを備え、再設定操作および検知されるべき当該アレイ中の横配列選択のための操作の両方をもたらす、上記共通アドレシングラインにのせた電圧信号を供給する工程をさらに含む、
請求項１４に記載の稼働方法。
【請求項１６】
上記参照電極へ印加された電位に摂動を起こすことによる、および上記共通アドレシングラインに印加された電位に摂動を起こすことによる、上記インピーダンスセンサ回路の操作をさらに含む、
請求項１５に記載の稼働方法。
【請求項１７】
インピーダンスセンサ回路は、上記要素電極と検知トランジスタのゲートとの間に接続されたキャパシタを含み、上記稼働方法は、上記キャパシタに接続された検知電圧の変化に基づいて、上記アレイ要素において上記インピーダンスを検知する工程をさらに備える、
請求項１４から１６のいずれか１項に記載の稼働方法。
【請求項１８】
上記インピーダンスセンサ回路が稼働している間、上記アレイ要素を上記作動電圧から絶縁する工程をさらに含む、
請求項１３から１７のいずれか１項に記載の稼働方法。
【請求項１９】
上記絶縁する工程は、上記インピーダンスセンサ回路を作動させるために、センサ入力ラインへの入力を供給する工程を含む、
請求項１８に記載の稼働方法。
【請求項２０】
上記作動電圧を印加する工程は、
上記アレイ要素の作動状態または非作動状態のいずれかに対応して、上記作動回路の記憶部にデータを格納する工程と、
上記作動回路の作動部を用いて上記作動電圧を上記要素電極および上記参照電極へ供給する工程と、
を備える、請求項１３から１９のいずれか１項に記載の稼働方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はアクティブ式マトリックスアレイおよびその要素に関する。詳細な態様において、本発明はデジタル式マイクロ流体工学に関し、より特定的には、アクティブ式マトリックス誘電体接触エレクトロウェッティング（ｅｌｅｃｔｒｏ−ｗｅｔｔｉｎｇ）（ＡＭ−ＥＷＯＤ）に関し、更にはそのような装置の駆動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
誘電体接触エレクトロウェッティング（ＥＷＯＤ）とは、電場の適用によって流体の小滴を操作するための、よく知られた技術である。アクティブ式マトリックスＥＷＯＤ（ＡＭ−ＥＷＯＤ）は、例えば薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）の使用によって、トランジスタを組み込んでいるアクティブ式マトリックスアレイでのＥＷＯＤの実装に関連している。したがって、ｌａｂ−ｏｎ−ａ−ｃｈｉｐ技術向けのデジタル式マイクロ流体工学に対し、将来性のある技術である。上記技術の基本原則の概論は、”Ｄｉｇｉｔａｌ  ｍｉｃｒｏｆｌｕｉｄｉｃｓ：  ｉｓ  Ａ  ｔｒｕｅ  ｌａｂ−ｏｎ−Ａ−ｃｈｉｐ  ｐｏｓｓｉｂｌｅ？”、  Ｒ．Ｂ．Ｆａｉｒ、  Ｍｉｃｒｏｆｌｕｉｄ  Ｎａｎｏｆｌｕｉｄ  （２００７）  ３：２４５−２８１）中に記載されている。
【０００３】
図１は従来のＥＷＯＤ装置の一部を断面図で示している。上記装置は、当該最上部層が導電性材料から形成される下部回路基板７２を含み、導電性材料は複数のアレイ要素電極３８（例えば、図１の３８Ａおよび３８Ｂ）が実現されるように形成されている。所与のアレイ要素の電極は、アレイ要素電極３８と呼称され得る。液滴４は、極性材料（一般に水性および／またはイオン性である）を備え、下部回路基板７２と頂部回路基板３６との間の平面に束縛されている。適切なギャップがそれら２つの基板の間にスペーサ３２によって実現されてもよいし、非極性流体３４（例えば、油）が液滴４によって占有されていない容積を占有するために使用されてもよい。下部回路基板７２上に配置された絶縁体層２０は、導電性要素電極３８Ａ、３８Ｂを、液滴４がθによって代表される接触角６を有して位置する、第一の疎水性コーティング１６から、分離する。疎水性コーティングは疎水性材料（必須ではないが、一般にフッ素重合体）から形成される。
【０００４】
上端回路基板３６上には第二の疎水性コーティング２６があり、それにより液滴４が入り込み接触しても良い。頂部回路基板３６と第二の疎水性コーティング２６との間に挿入されるのは参照電極２８である。
【０００５】
接触角θ６は図１に示されるように定義され、固液間（γＳＬ）、気液間（γＬＧ）、および非極性流体（γＳＧ）界面間の表面張力成分のつり合いによって決定され、電圧が印加されていない場合にはＹｏｕｎｇの法則を満たし、その式は下記のように与えられている。
【０００６】
【数１】
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ある場合には、関わる材料の相対的表面張力（すなわち、上記γＳＬ、γＬＧおよびγＳＧの値）は、式（１）の右辺が−１より小さくなるものであってもよい。これは、一般に、非極性流体３４が油である場合で起こる。このような状況下では、液滴４は疎水性コーティング１６および２６との接触を失うかもしれず、液滴４と疎水性コーティング１６および２６との間に非極性流体３４（油）の薄い層が形成され得る。
【０００７】
操作中には、ＥＷ駆動電圧と呼称される電圧（例えば、図１のＶＴ、Ｖ０、およびＶ００）が、異なる電極（例えば、それぞれ、参照電極２８、アレイ要素電極３８、３８Ａ、および３８Ｂ）に外部的に印加されてもよい。結果として得られる、支給された電力によって、疎水性コーティング１６の疎水性が効果的に制御される。異なるＥＷ駆動電圧（例えば、Ｖ０およびＶ００）が異なる要素電極（例えば、３８Ａおよび３８Ｂ）に印加されるように配置することによって、液滴４を、２つの回路基板７２および３６の間の側方（lateral）平面中で移動させてもよい。
【０００８】
下記では、図１の装置のようなＥＷＯＤ装置の要素は、当該要素が「作動」状態、または、「非作動」状態のいずれかにされることを要求するための「デジタル」データを受け取ってもよい。「作動」状態は、要素全体に印加された電圧は、当該要素内の液滴（もし要素内に存在していれば）に対してかなりのエレクトロウェッティング力を経験させるのに十分な状態である。「非作動」状態は、要素全体に印加された電圧は、当該要素内の液滴（もし要素内に存在していれば）に対してかなりのエレクトロウェッティング力を経験させるのに不十分な状態である。ＥＷＯＤ装置の要素は、ＥＷＯＤ要素全体に閾電圧ＶＥＷ以上の電位差を印加することによって作動状態にさせられてもよい。一方、ＥＷＯＤ装置の要素は、ＥＷＯＤ要素全体に閾電圧ＶＥＷ未満の電位差を印加することによって非作動状態にさせられてもよい。閾電圧ＶＥＷはしばしば「作動電圧」として言及され、この用語を以下において使用する。実際的に、閾電圧は小滴操作のため、例えば小滴の移動または分割をもたらすために要求される最小の電圧として典型的に決定され得る。実際的に、非作動状態は典型的にゼロボルトになる。典型的に、ＥＷＯＤシステムは、ＥＷＯＤ要素が作動状態または非作動状態のいずれかへとプログラムされる点で、デジタル式であると考えられても良い。しかしながら、ＥＷＯＤ装置は部分的に作動させられるなど、アナログデータを供給することによって操作されてもよいことは理解されるべきである。
【０００９】
ＵＳ６５６５７２７号（Ｓｈｅｎｄｅｒｏｖ、２００３年５月２０日発行）は、アレイを通して小滴を動かす動的マトリックスＥＷＯＤ装置を開示している。
【００１０】
ＵＳ６９１１１３２号（Ｐａｍｕｌａら、２００５年６月２８日発行）は、二次元での小滴の位置および動きを制御する二次元ＥＷＯＤアレイを開示している。
【００１１】
ＵＳ６５６５７２７号は、さらに、小滴の分割および合流を含む他の小滴の操作、および、異なる物質の小滴の混合のための方法を開示している。
【００１２】
ＵＳ７１６３６１２号（Ｓｔｅｒｌｉｎｇら、２００７年１月１６日発行）は、ＴＦＴに基づく薄膜エレクトロニクスがどのように、アクティブ式マトリックス（ＡＭ）ディスプレイ技術において採用されているものと類似の回路配置を用いることによって、ＥＷＯＤアレイへ電圧パルスのアドレシングを制御するために用いられ得るかについて記載している。
【００１３】
ＵＳ７１６３６１２号のアプローチは、「アクティブ式マトリックス誘電体接触エレクトロウェッティング」（ＡＭ−ＥＷＯＤ）と呼称され得る。ＥＷＯＤアレイを制御するためにＴＦＴに基づく薄膜エレクトロニクスを用いることにはいくつかの利点がある。すなわち、
（ａ）エレクトロニクス駆動回路は下部回路基板７２上へと統合されうる。
【００１４】
（ｂ）ＴＦＴに基づく薄膜エレクトロニクスは、ＡＭ−ＥＷＯＤ応用例によく適合している。相対的に大きな回路基板領域が相対的に低いコストで製造されうるため、それらを製造することは安価である。
【００１５】
（ｃ）標準的過程中で製作されたＴＦＴは、標準的ＣＭＯＳプロセス中で製作されたトランジスタよりもずっと高い電圧において作動するように設計されうる。多くのＥＷＯＤ技術が２０Ｖを超えるＥＷＯＤ作動電圧の印加を必要とするため、このことは重要である。
【００１６】
ＵＳ７１６３６１２号の不都合な所は、ＡＭ−ＥＷＯＤのＴＦＴバックプレーンを実現するためのいかなる回路の実施形態も開示していないことである。
【００１７】
ＥＰ２４０４６７５号（Ｈａｄｗｅｎら、２０１２年１月１１日公開）は、ＡＭ−ＥＷＯＤ装置のためのアレイ要素回路をについて記載している。ＥＷＯＤ要素電極へＥＷＯＤ作動電圧をプログラムし、印加するための様々な方法が知られている。記載されたプログラミング機能は、標準的手段のメモリ要素、例えば、ダイナミックＲＡＭ（ＤＲＡＭ）または静的ＲＡＭ（ＳＲＡＭ）およびアレイ要素をプログラムするための入力ラインに基づいたものを含む。
【００１８】
前述の引用された参考文献（Ｒ．Ｂ．Ｆａｉｒ、Ｍｉｃｒｏｆｌｕｉｄ  Ｎａｎｏｆｌｕｉｄ  （２００７）  ３：２４５−２８１）中で検討されたように、ＥＷＯＤ（およびＡＭ−ＥＷＯＤ）装置は、ＤＣ作動電圧またはＡＣ作動電圧のいずれかによって操作されうるが、実際には、ＡＣ駆動方法が好まれるような多くの理由がある。小滴は、幅広いレンジの、典型的には数ヘルツから数ｋＨｚの幅を有するＡＣ駆動周波数に対して、作動および操作されうるということを書き留めるべきである。
【００１９】
ＵＳ８１７３０００号（Ｈａｄｗｅｎら、２０１２年５月８日発行）は、アレイ要素回路とＡＣ駆動方法とを備えるＡＭ−ＥＷＯＤ装置について記載している。
【００２０】
ＵＳ８６５３８３２号（Ｈａｄｗｅｎら、２０１４年２月１８日発行）は、どのようにインピーダンス（キャパシタンス）検知機能がアレイ要素内へと組み込まれうるかを記載している。インピーダンスセンサは、アレイ中の各々の電極において存在する液滴の存在および寸法を決定するために使用されてもよい。
【００２１】
ここで言及することによって編入される、英国出願ＧＢ１５００２６０．３号は、１つのトランジスタ（１Ｔ）アレイ要素回路、および、駆動工程のＡＣ駆動方法を実行するための駆動方法を記載している。
【００２２】
ここで言及することによって編入される、英国出願ＧＢ１５００２６１．１号は、２つのトランジスタ（２Ｔ）アレイ要素回路、および、駆動のＡＣ駆動方法を実行するための駆動方法を記載している。開示もされている２Ｔアレイ要素作動回路は、本応用例の図２に示されている。英国出願は、更に、どのようにＵＳ８６５３８３２号に記載のインピーダンス（キャパシタンス）検知機能がどのように２Ｔアレイ要素作動回路と併用されうるかを示す実施形態を含む。センサ機能を含むアレイ要素回路は、図３に示され、計５つのトランジスタ、３つのキャパシタ、および９つのアドレシングラインを含んでいる。アドレシングラインＤＡＴＡおよびＥＮＡＢＬＥは、結合されたトランジスタおよびキャパシタを備えるＤＲＡＭメモリ回路へのアクセスを制御する。このキャパシタへプログラムされた電圧は、次に、入力信号ＡＣＴＵＡＴＥがアレイ要素電極へと通して結合されているかどうかを制御する。入力信号ＳＥＮは、更に、センサが操作中である際に要素電極をＡＣＴＵＡＴＥ信号から絶縁するために使用されてもよい。センサ機能は、電極ＲＷＳおよびＲＳＴに印加された２つの電圧信号によって制御されている。ＲＳＴに印加された電圧信号は、検知トランジスタ（ＶＤＤとＣＯＬとの間に結合された）のゲートにおける電圧を、再設定電位ＶＲＳＴへと再設定する。ＲＷＳに印加された電圧信号は、要素電極において存在する回路中の固定キャパシタと要素電極における液滴の存在または不在によって与えられるキャパシタンスとの比に依存する量により、要素電極における電圧に摂動をおこす。このように、電圧信号は、ＣＯＬを通して出力電流へと変換される検知トランジスタのゲートへ結合されている。このように、要素電極において与えられたインピーダンスは測定され得る。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２３】
本発明の第一の態様は、アレイ要素回路とアクティブ式マトリックス誘電体接触エレクトロウェッティング（ＡＭ−ＥＷＯＤ）装置の要素を駆動する駆動方法、要素電極および参照電極とを持つ上記ＡＭ−ＥＷＯＤ要素を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
上記方法は、上記アレイ要素の位置において存在し得る液滴の作動、および上記アレイ要素の位置における小滴の存在または不在と関連付けられたインピーダンスを検知する工程をさらに備える。
【００２５】
上記小滴作動の方法は、（１）第一の交流電圧を上記参照電極へ印加する工程、および、（２）上記第一の交流電圧と同一の周波数を持ち、かつ上記第一の交流電圧とは外れた位相を持つ第二の交流電圧を上記要素電極へ印加する工程か、あるいは上記要素電極を高インピーダンス状態に保持する工程かのいずれか、を備えている。
【００２６】
上記インピーダンスの検知方法は、上記要素電極の上記電位に摂動を起こすために上記参照電極を介した電圧信号を印加する工程を備えていてもよく、当該摂動（perturbation）は上記要素電極において提供された上記インピーダンスの関数となっている。上記インピーダンスの検知方法は、上記要素電極において提供された上記インピーダンスと上記アレイ要素回路中の参照インピーダンスとを比較する工程を備えていてもよい。
【００２７】
記憶キャパシタ（プログラムされた上記作動状態を記憶するために使用され得る）は、更に、上記アレイ要素回路の上記検知機能に参加してもよい。
【００２８】
本発明の第一の様態によれば、上記センサの上記操作と関連付けられた横配列選択および再設定操作は、共通アドレシングラインによって実行されてもよい。これは、再設定電圧供給と上記検知トランジスタのゲートとの間に接続されたトランジスタの上記ゲートへ、この共通アドレシングラインを接続することによって実行されてもよい。
【００２９】
本発明の第二の様態によれば、センサ横配列選択の実行に使用される上記アドレシングラインは、上記センサ操作の間、作動信号を上記要素電極から切断するために使用されてもよい。
【００３０】
本発明の第三の態様によれば、上記センサ機能は単一横配列アドレシングライン上の上記電圧に摂動をおこすことによって実行されてもよい。
【００３１】
上記センサ機能は、上記アレイ中の１つ以上の要素における液滴の存在／不在、または液滴の寸法を計測するように構成されていてもよい。上記センサ機能は、更には上記アレイ中の１以上の要素における液滴と関連付けられた上記複雑なインピーダンスを計測するように構成されていてもよい。上記センサ機能は、さらに、上記アレイ中の１以上の要素における上記液滴の電気伝導性を測定するために構成されていてもよい。
【００３２】
上記ＡＭ−ＥＷＯＤ装置は、マトリックス、すなわち横配列と縦配列のアレイ中に配置された複数のＡＭ−ＥＷＯＤ要素を備えてもよく、上記方法は、ＡＭ−ＥＷＯＤ要素の横配列へ印加される上記第二の交流電圧の瞬時値が、上記横配列のＡＭ−ＥＷＯＤ要素の上記要素電極を上記高インピーダンス状態中にする時における上記第一の交流電圧の瞬時値と等しくなるように配置する工程を備えてもよい。
【発明の効果】
【００３３】
本発明の利点は、作動とセンサの両方の機能を持つアレイ要素回路が、最小限の数の回路構成およびアドレシングラインをもって実現されてもよく、上記先行技術中に記載された回路配置よりも少なくてもよいことである。複雑さおよび上記アレイ要素回路中のトランジスタの上記数を減少させることは、いくつかの理由により有利である。
【００３４】
（ａ）より小さなアレイ要素／要素電極３８が実現されてもよい。結果として、より小さな液滴４が操作されてもよい。これは、上記操作または１つのセルまたは一つの微小片の分析に関する応用に対して特に重要である。さらに、もし、より大きな液滴４を用いれば、小滴の分解能以下の作動が達成されうる。例えば、より正確な分割を可能としたり、より素早い混合を可能としたり、上記装置の性能を改善しうる。また、より小さなアレイ要素寸法は、百万以上のアレイ要素の合計数を有し、数十から数十万の液滴４を同時にかつ独立に操作できるような非常に大きなフォーマットのアレイの設計及び製造を促進し得る。
【００３５】
（ｂ）より小さく、また、より単純な上記アレイ要素回路の設計は、より高い製造収量、および、それによる上記装置のコスト低下を促進してもよい。
【００３６】
（ｃ）より小さく、また、より単純な上記アレイ要素回路の設計は、上記装置のより高い光学的透過率を促進しても良い。
【００３７】
（ｄ）より小さく、また、より単純な上記アレイ要素回路の設計は、上記アレイ要素内にて、例えば、温度検知、生物的検知、およびそのような操作など他の電気的機能を実行するために、上記アレイ要素内の空間を解放し得る。
【００３８】
本発明利点の更なる利点は、上記先行技術回路に比べてより改善された線形性をもっているセンサを実現することである。
【００３９】
また、本発明の更なる利点は、上記液滴の電気的性質、例えばその電気伝導性、が計測されうる配置が可能であることである。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】図１は、先行技術を示す図であり、特に、従来のＥＷＯＤ装置の断面を示した概略図を示している。
【図２】図２は、先行技術を示す図であり、特に、２−トランジスタＡＭ−ＥＷＯＤアレイ要素作動回路を示している。
【図３】図３は、先行技術を示す図であり、特に、追加的インピーダンスセンサ機能を有する２−トランジスタＡＭ−ＥＷＯＤアレイ要素作動回路を示している。
【図４】図４は、本発明の第一の例示的な実施形態に従って、ＡＭ−ＥＷＯＤ装置を概要的斜視図で示す概略図である。
【図５】図５は図４に示す例示的なＡＭ−ＥＷＯＤ装置の、いくつかのアレイ要素を通した断面を示している。
【図６Ａ】図６Ａは、液滴が存在する時、要素電極において提供された電気的負荷の代表回路を示している。
【図６Ｂ】図６Ｂは、液滴が存在しない時、要素電極において提供された電気的負荷の代表回路を示している。
【図７】図７は、本発明の第一の実施形態に従って、図４の例示的なＡＭ−ＥＷＯＤ装置中の薄膜エレクトロニクスの配置を示す概略図である。
【図８】図８は、本発明の第一の実施形態に従って、アレイ要素回路の概略配置を示している。
【図９】図９は、概略図であり、本発明の第一の実施形態に従って、図４の例示的なＡＭ−ＥＷＯＤ装置のアレイ要素中の使用のためのアレイ要素回路を描画している。
【図１０】図１０は、本発明の第一の実施形態に従った図９のアレイ要素回路の駆動についての、タイミング図である。
【図１０ａ】図１０ａは、本発明の第一の実施形態に従った、図９のアレイ要素回路の駆動についての、別のタイミング図である。
【図１１】図１１は、概略図であり、本発明の第二の例示的な実施形態に従った、図４の例示的なＡＭ−ＥＷＯＤ装置のアレイ要素回路中での使用のためのアレイ要素回路を描画している。
【図１２】図１２は、本発明の第二の実施形態に従った、図１１のアレイ要素回路の駆動についてのタイミング図である。
【図１３】図１３は、概略図であり、本発明の第三の例示的な実施形態に従った、図４の例示的なＡＭ−ＥＷＯＤ装置のアレイ要素中での使用のためのアレイ要素回路を描画している。
【図１４】図１４は、概略図であり、本発明の第四の例示的な実施形態に従った、図４の例示的なＡＭ−ＥＷＯＤ装置のアレイ要素中での使用のためのアレイ要素回路を描画している。
【図１５】図１５は、本発明の第五の例示的な実施形態に従った、図１１のアレイ要素回路の駆動についてのタイミング図である。
【図１６】図１６は、本発明の第五の実施形態の例示的な構成に従って、アレイ上の液滴配置例を示している。
【発明を実施するための形態】
【００４１】
図４は、本発明の例示的な実施形態に従ってＡＭ−ＥＷＯＤ装置を描画した概略図である。ＡＭ−ＥＷＯＤ装置は、下部回路基板７２上に配置された薄膜エレクトロニクス７４を有する下部回路基板７２を備えている。薄膜エレクトロニクス７４は、アレイ要素電極３８を駆動するために配置されている。複数のアレイ要素電極３８は、電極アレイ４２に配置され、ＸかけるＹ要素を有しており、ＸおよびＹは任意の整数であってもよい、液滴４は、任意の極性液体を含んでいてもよく、典型的には、自然においてイオン性および／または水性の性質であってよい。複数の液滴４が存在できるものの、液滴４は、下部回路基板７２と上端回路基板３６との間に閉じ込められている。非極性流体３４は、回路基板間の空間を満たすように用いられ、また油（例えばＮ−ドデカン、シリコン油または他のアルカン油）を含んでいてもよく、または、非極性流体３４は、空気であってもよい。
【００４２】
図５は、図４のＡＭ−ＥＷＯＤ装置中で用いられ得るアレイ要素電極３８Ａおよび３８Ｂの対を断面図で描画した概略図である。装置の構成は、（下部回路基板７２上に配置された薄膜エレクトロニクス７４を更に組み込んでいるＡＭ−ＥＷＯＤ装置を有する、）図１に示された従来の構成と類似である。下部回路基板７２の最上部層（薄膜エレクトロニクス層７４の一部と考えられてもよい）は、複数のアレイ要素電極３８（例えば、要素電極の特定の例は図５の３８Ａおよび３８Ｂである）が実現されるよう形成される。これらは、アレイ要素電極３８と呼称されてもよい。以下の記載において、アレイ要素電極３８という用語は、特定のアレイ要素に関連付けられた物理的電極構造３８と、またこの物理的構造に直接接続された電子回路のノードとの両方を指すものとする。図５に示される、上端回路基板の上に配置された参照電極２８は、しかし、代替として、平面内参照電極２８構造を実現するために下部回路基板７２の上に配置されてもよい。参照電極２８という用語は、以下の記載において、物理的電極構造と、またこの物理的構造に直接接続された電子回路のノードとの両方またはいずれか一方を指すものとする。エレクトロウェッティング（ｅｌｅｃｔｒｏ−ｗｅｔｔｉｎｇ）電圧は、要素電極３８と参照電極２８との間の電圧間の差として定義されてもよい。
【００４３】
図６Ａは、液滴４が存在する場合での、要素電極３８と参照電極２８との間の電気的負荷４０Ａの回路表現を示している。液滴４は、典型的には並列なレジスタ２２およびキャパシタ２４としてモデル化されてもよい。典型的に、しかし必須ではないが、液滴４の抵抗は相対的に低（例えば、もし液滴４がイオンを含むなら）であってもよく、液滴４のキャパシタンスは相対的に高（例えば、極性液体の相対誘電率が相対的に高いゆえに、例えばもし液滴５が水性なら、相対誘電率は〜８０である）であってもよい。多くの状況で、小滴抵抗は、相対的に小さく、エレクトロウェッティング（ｅｌｅｃｔｒｏ−ｗｅｔｔｉｎｇ）に関して重要な周波数において、液滴４は電気的短絡回路として実効的に機能し得る。疎水性コーティング１６および２６は、キャパシタとしてモデル化されてもよい電気的性質を有しており、絶縁体２０もまた、キャパシタとしてモデル化されてもよい。要素電極３８と参照電極２８との間の合計インピーダンスは、（インピーダンス値が典型的に絶縁体２０の寄与と疎水性コーティング１６および２６の寄与によって支配される）キャパシタによって近似されてもよく、典型的な層の厚さおよび材料に対しては、値がピコファラッドのオーダーであってもよい。液滴４が完全に要素電極３８を覆う時の電気的負荷４０Ａの合計値は、ＣＩと表記されてもよい。
【００４４】
図６Ｂは、液滴４が存在しない場合での、要素電極３８と参照電極２８との間の電気的負荷４０Ｂの回路表現を示している。この場合、液滴４部は、（上端および下部回路基板の間の空間を占める非極性流体３４のキャパシタンスを表現する）キャパシタ２５によって置換される。この場合、要素電極３８と参照電極２８との間の合計インピーダンスは、インピーダンス値が非極性流体のキャパシタンスによって支配され、典型的には小さく、フェムトファラッドのオーダーのキャパシタによって近似されても良い。要素電極３８において液滴４が存在しない時の電気的負荷４０Ｂの合計値は、非極性流体３４のキャパシタンスによって支配され、ＣＯＩＬとして表記されてもよい。
【００４５】
駆動および検知の目的のために、電気的負荷４０Ａ／４０Ｂ全体は、実効的に、（値が所与の要素電極３８における液滴４の有無に依存する）キャパシタとして機能する。小滴が存在する場合では、キャパシタンスは相対的に高（典型的にはピコファラッドオーダー）であり、一方でもし液滴４が存在しないならばキャパシタンスは低（典型的にはフェムトファラッドオーダー）である。もし小滴が部分的に所与の電極３８を覆うならば、その際、キャパシタンスは液滴４による要素電極３８の被覆の程度に近似的に相当してもよい。
【００４６】
図７は、下部回路基板７２上の薄膜エレクトロニクス７４の例示的な配置を描画している概略図である。電極アレイ４２の要素の各々には、要素電極３８に対応する電極電位の制御および、電極３８において存在するインピーダンスの検知のための、アレイ要素回路８４（明快さのため、図７にはただ一つのアレイ要素回路が記されている）が、含まれる。統合された横配列駆動回路７６および縦配列駆動回路７８もまた、制御信号をアレイ要素回路８４へと供給するために、薄膜エレクトロニクス７４に実装されている。
【００４７】
シリアル入力データストリームを処理するため、およびアレイ４２の要素電極３８への要求電圧のプログラミングを容易にするために、シリアルインターフェイス８０もまた提供され得る。電圧供給インターフェイス８３は、ここにさらに記載されるように、対応する供給電圧、上端回路基板駆動電圧、および他の必須電圧入力を提供する。下部回路基板７２と外部駆動エレクトロニクス、電源供給、および他の部材との間の結線ワイヤ８２の数は、大きなアレイ寸法に対してすらも、相対的にごく少数にされ得る。選択的にはシリアルデータ入力は、部分的に並列化されていてもよく、例えばもし２つのデータ入力ラインが使用されているならば、第一の縦配列１からＸ／２に対してデータを供給してもよく、第二の縦配列（１＋Ｘ／２）からＸに対して、列駆動回路７８へのマイナーな修正とともに供給しても良い。この方法により、データがアレイへとプログラムされる事ができる速度は増加し、その方法は液晶ディスプレイ駆動回路中で使用される標準的技法である。
【００４８】
また、薄膜エレクトロニクスには、付加的にはアレイ要素回路８４のセンサ回路入力（例えば、ＲＷ）への制御信号の供給のためのセンサ横配列アドレシング回路８８と、アレイ要素回路８４のセンサ回路部からの出力信号の処理および読み出し用の縦配列検出回路８６とが含まれる。
【００４９】
一般的に、薄膜エレクトロニクス７４を含む例示的なＡＭ−ＥＷＯＤ装置は、以下のように構成される。ＡＭ−ＥＷＯＤ装置は、参照電極２８（選択的には、平面内参照電極２８とすることができる）と、複数のアレイ要素とを含み、アレイ要素の各々はアレイ要素電極（例えば、アレイ要素電極３８）を含んでいる。
【００５０】
関連して、ＡＭ−ＥＷＯＤ装置は複数のアレイ要素に印加される作動電圧を制御する方法を実行するように構成される。ＡＭ−ＥＷＯＤ装置は、参照電極２８と、複数のアレイ要素とを含み、アレイ要素の各々はアレイ要素電極３８を含んでいる。アレイ要素電極３８と参照電極２８との間の電位差によって、アレイ要素の各々における作動電圧は、定義される。作動電圧の制御の方法は、アレイ要素電極３８の少なくとも一部へ電圧を供給する工程と参照電極２８へ電圧信号を供給する工程とを含む。
【００５１】
関連して、別に複数のアレイ要素において存在するインピーダンスの検知の方法を実行するように、ＡＭ−ＥＷＯＤ装置は構成される。典型的に検知方法は複数のアレイ要素電極におけるインピーダンスの検知を含んでもよく、このインピーダンスがアレイ中に存在する１以上の液滴４の数、寸法、位置および構成の関数となっている。
【００５２】
それゆえ、一般的に本発明の態様は、アクティブ式マトリックス誘電体接触エレクトロウェッティング（ｅｌｅｃｔｒｏ−ｗｅｔｔｉｎｇ）（ＡＭ−ＥＷＯＤ）装置である。例示的な実施形態において、ＡＭ−ＥＷＯＤ装置には、縦横のアレイ中に配置された複数のアレイ要素が含まれ、アレイ要素の各々には、アレイ要素回路、要素電極、および参照電極が含まれる。アレイ要素回路には、アレイ要素の作動に対して要素電極および参照電極へ作動電圧を印加するように構成された作動回路と、アレイ要素電極においてインピーダンスを検知しアレイ要素における小滴の性質を測定するように構成されたインピーダンスセンサ回路とが含まれる。インピーダンスセンサ回路は、要素電極へ印加された電位に摂動を起こすことによって稼働するように構成されている。
【００５３】
本発明の別の態様は、アクティブ式マトリックス誘電体接触エレクトロウェッティング（ｅｌｅｃｔｒｏ−ｗｅｔｔｉｎｇ）（ＡＭ−ＥＷＯＤ）装置の、対応する操作の方法であり、次に示す工程を含む。すなわち、縦横に並んだ複数のアレイ要素を配置し、アレイ要素の各々はアレイ要素回路、要素電極、および参照電極を備える工程と、アレイ要素回路は作動回路およびインピーダンスセンサ回路を備える工程と、作動回路を用いて作動電圧を要素および参照電極に印加しアレイ要素を作動させる工程と、参照電極へ印加された電位に摂動を起こす工程と、インピーダンスセンサ回路を用いてアレイ要素電極におけるインピーダンスを検知する工程と、アレイ要素における小滴の性質を検知されたインピーダンスに基づいて測定する工程である。
【００５４】
図８はアレイ要素回路８４の薄膜エレクトロニクス７４の配置の例を示す概略図である。アレイ要素回路８４は作動回路４６を含んでも良く、作動回路４６は、入力ＥＮＡＢＬＥ、ＤＡＴＡおよびＡＣＴＵＡＴＥ、ならびに要素電極３８へと接続されている出力を有している。アレイ要素回路は更にはセンサ回路４８を含んでもよい。センサ回路４８は、要素電極へ接続されている入力、１つのまたはより多くの横配列アドレシングラインＲＷ、および出力ラインＯＵＴへ接続されている出力を有している。選択的には、ある回路構成要素（例えば、トランジスタ、キャパシタ）またはアドレシングラインは、作動回路４６とセンサ回路４８との両方の操作に関連付けられた機能を実行してもよく、これらの回路構成要素は、作動回路およびセンサ回路の両方の部を備えると考えられてもよい。
【００５５】
図９は、本発明の第一の実施形態に従って、アレイ要素回路８４を示している。アレイ要素回路は、ｎ−型トランジスタ５２、５４、５５、５８および６２、ならびにキャパシタ５６および６０を備える。要素電極３８、要素電極３８において存在する電気的負荷回路４０および参照電極２８が示されているのは、それらがアレイ要素回路８４の作動の中で役割を果たすためである。参照電極は、したがって続く記述中のアレイ要素回路の一部を形成すると考えられてもよい。
【００５６】
アレイ要素回路８４は、典型的に次の機能を実行してもよい。（ｉ）センサ回路中に含まれたメモリ要素へデータをプログラミングする機能および前述のデータを格納する機能。プログラムされるデータは、典型的に、アレイの同一縦配列中の全要素に共通であってもよいアドレシングラインＤＡＴＡによって入力される。データのプログラミングは、典型的に、アレイの同一横配列中の全要素に典型的には共通であってもよいアドレシングラインＥＮＡＢＬＥによって制御されてもよい。
【００５７】
（ｉｉ）例えば入力ＡＣＴＵＡＴＥへ供給された入力信号Ｖ１によって供給されたときに、または代替的に要素電極３８を高インピーダンス状態へ切り替えたときに、アレイ要素電極３８へ電圧信号を供給する機能。
【００５８】
この実施形態および図９に示されるものによれば、アレイ要素回路は、以下に示されるように接続されている。トランジスタ５２のドレインは、アレイの同一縦配列中の全要素に共通であってもよい入力ＤＡＴＡに接続されている。トランジスタ５２のゲートは、アレイの同一横配列中の全要素に共通であってもよい入力ＥＮＡＢＬＥに接続されている。トランジスタ５２のソースは、トランジスタ５４のゲートに接続されている。キャパシタ５６は、トランジスタ５４のゲートとアレイ中の全要素に共通であってもよい電源供給ラインＶＤＤとの間に接続されている。トランジスタ５４のドレインは、アレイ中の全要素に共通であってもよい入力ＡＣＴＵＡＴＥに接続されている。トランジスタ５５は、トランジスタ５４のソースと要素電極３８との間に接続されている。トランジスタ５５のゲートは、アレイの同一横配列中の全要素に共通であってもよい入力ＳＥＮに接続されている。キャパシタ６０は、要素電極３８と検知トランジスタ６２のゲートとの間に接続されている。トランジスタ６２のドレインは、アレイ中の全要素に共通であってもよいＤＣ電圧源ＶＤＤに接続されている。検知トランジスタ６２のソースは、アレイの同一縦配列中の全要素に共通であってもよい出力ＣＯＬに接続されている。トランジスタ５８は、検知トランジスタ６２のゲートと、アレイ中の全要素に共通であってもよい電圧供給ＶＲＳＴとの間に接続されている。トランジスタ５８のゲートは、アレイの同一横配列中の全要素に共通であってもよい入力信号ＲＳＴに接続されている。作動回路４６は、トランジスタ５２、トランジスタ５４およびトランジスタ５５ならびに電極接続ＤＡＴＡ、ＥＮＡＢＬＥおよびＡＣＴＵＡＴＥを備える。センサ回路は、キャパシタ５６、キャパシタ６０、トランジスタ５４、トランジスタ５８、トランジスタ６０、アドレシングラインＲＳＴ、ＶＲＳＴおよび出力ラインＣＯＬを備える。要素電極３８、電極負荷４０および参照電極２８は、作動回路とセンサ回路の両方の一部を形成する。
【００５９】
アレイ要素回路８４の動作は、以下のように記述される。アレイ要素回路は、（１）作動、および（２）インピーダンス検知を含む２つの機能を実行する。
【００６０】
（１）作動
作動回路は、記憶部および作動部という２つの部を有している。一般に、記憶部は、アレイ要素の作動状態あるいは非作動状態のいずれかに応じて、デジタルデータであり得るデータを格納するように構成されており、作動部は、要素電極および参照電極へ作動電圧を供給するように構成されている。
【００６１】
記憶部は、以下のように説明される。トランジスタ５２およびキャパシタ５６はともに、データをアレイ要素回路８４にプログラムし、格納することが可能なダイナミックＲＡＭ（ＤＲＡＭ）記憶素子を備えている。データをプログラムするために、電圧は、縦配列アドレシングラインＤＡＴＡ上にプログラムされる。次に、ＥＮＡＢＬＥラインは高状態にされ、トランジスタ５２がオンへと切り替わる。次に、ＤＡＴＡ上の電圧は、ＥＮＡＢＬＥが低くされた後に引き続いてどのように入力ラインＤＡＴＡ上の電圧が変えられるかによらず、キャパシタ５６上へとプログラムされ、ひとたびＥＮＡＢＬＥが低状態にされれば、そこに保たれる。典型的な操作では、プログラム電圧はデジタル式であってもよく、約０．５ｘＶＥＷボルト（「０」状態のプログラムに対応して、液滴はこの状態で非作動にされる）または約−０．５ｘＶＥＷボルト（「１」状態のプログラムに対応して、液滴はこの状態で作動状態にされる）であってもよい。
【００６２】
作動部は、以下のように説明される。作動の間、入力ＳＥＮは高状態にされ、その結果、トランジスタ５５はオンになり、トランジスタ５４のソースは実効的に要素電極３８へ接続される。ＡＣ電圧信号Ｖ１は入力ＡＣＴＵＡＴＥに印加され、ＡＣ電圧信号Ｖ２は参照電極２８に印加される。Ｖ１およびＶ２はアンチフェーズ（例えば、１８０度外れた位相）になるように、または実質的にアンチフェーズ（例えば、高い位相角で位相が外れた、例えば９０度よりも大きく位相が外れた、または１３５度以上位相が外れた、または１６０度以上位相が外れた）になるように調整される。Ｖ１およびＶ２の各々は−０．５ｘＶＥＷボルトという低レベルと０．５ｘＶＥＷボルトという高レベルとの間で切替えられ、Ｖ２が低いときＶ１は高く、逆も同様である。要素電極３８は、「１」が記憶にプログラムされているとき（−０．５ｘＶＥＷの電圧がトランジスタ５４のゲートへプログラムされたとき）に作動させられる。この場合トランジスタ５４はオンにされ電圧信号Ｖ１は要素電極３８へ伝達される。電気的負荷４０に生成された電圧（エレクトロウェッティング電圧）は、それゆえに、−ＶＥＷと＋ＶＥＷとの間で時間変動するＡＣ電圧波形Ｖ１−Ｖ２である。
【００６３】
「０」がメモリへプログラムされたとき（０．５ｘＶＥＷの電圧がトランジスタ５４のゲートへプログラムされたとき）、要素電極３８は非作動である。この場合、トランジスタ５４はオフになる。それゆえ、要素電極３８は、高インピーダンス状態である。（１）要素電極３８に小滴が存在する場合（電気的負荷４０Ａは図６Ａに示すようなものである）、および（２）要素電極３８に小滴が存在しない場合（電気的負荷４０Ｂは図６Ｂに示すようなものである）という、２つの異なる場合が想定され得る。
【００６４】
ケース１−小滴が存在する場合。小滴が存在するケースでは、要素電極３８の優位な電気結合は電気的負荷４０を介した参照電極に対する結合である。前述のように、この場合４０Ａ中の電気的負荷は、典型的にピコファラッドオーダーの値を有するキャパシタによって近似され得る。電気的負荷４０Ａのキャパシタンスは、回路中の他の寄生インピーダンス（例えば、トランジスタ５４のソース−ゲートキャパシタンスと関連付けられたインピーダンス、典型的にはフェムトファラッドオーダー）に対して優位となるであろう。それゆえ、要素電極３８の電位は、参照電極２８の電位を追従し、したがって、電圧信号Ｖ２に対する良い近似に対応するだろう。この場合、要素電極３８と参照電極２８との間に生成された電位は、ほぼゼロになるであろう。液滴４は、それゆえに非作動状態にあり、液滴４と疎水性コーティング１６の接点は電圧を加えられず、液滴４は、エレクトロウェッティング力を受けないであろう。
【００６５】
ケース２−小滴が存在しない場合。小滴が存在しないケースでは、要素電極３８と参照電極２８との間のキャパシタンスは、前述のように非常に小さい。それゆえ、今、要素電極３８は高インピーダンス状態にあり、その実効的電位は、回路中の複数の小さな寄生キャパシタンスおよび抵抗（例えば、参照電極２８への小さな電気的負荷４０Ｂキャパシタンス、トランジスタ５４のゲートキャパシタンスへの小さな寄生的ソース、トランジスタ５４の大きなオフ抵抗）に依存しているものとしてわずかに規定されるのみである。それゆえ、要素電極３８の実効電位が何であるかは不明瞭であり、要素電極３８が実効的に非作動のままになる程度は不明瞭であり得る。
【００６６】
しかしながら、ケース２において要素電極３８の電位がわずかに規定されている状況であっても、装置はなお液滴４の適切な輸送を支持することができる。この理由は、任意の液滴４が非作動の要素電極３８の位置に入って邪魔をしても、参照電極２８と要素電極３８Ｂとの間のキャパシタンスが有意に増加することと関連するからである。この状況で、要素電極３８Ｂの電位は、近似的に液滴４を通じた容量的結合によって参照電極２８のそれになる。換言すれば、状況は、場合２よりも場合１に類似するようになり、要素電極３８は非作動状態となる。この効果は、同時係属中の英国出願ＧＢ１５００２６１．１号にて更に詳細に説明されている。
【００６７】
この実施形態に記載されたアレイ要素作動回路および駆動の方法の利点は、作動状態のエレクトロウェッティング電圧が＋ＶＥＷと−ＶＥＷとの間で切替えられることである。それゆえ、交流エレクトロウェッティングが実装される。アレイ要素回路８４に、回路（これは近似のみであり得るため、英国出願ＧＢ１５００２６１．１号におけるより詳細な記述を参照されたい）中の任意のトランジスタの電極間でも近似的にＶＥＷを切り替えることだけを要求する一方、このことが達成される。このことは、本発明の重要な利点である。なぜなら、エレクトロウェッティングが、液滴４を作動させるために、典型的には、相対的に高い電圧を要求するからである。一方、薄膜エレクトロニクス７４を実現するための典型的なエレクトロニクス技術は、トランジスタへ印加される最大電圧に制限を強要する（例えば、信頼性の問題による）。
【００６８】
（２）インピーダンスセンサ
インピーダンスセンサ機能の操作は、ここで言及することによって編入されるＵＳ８６５３８３２号の原則に部分的に基づいている。
【００６９】
キャパシタ６０、トランジスタ５５に関する寄生的キャパシタンス、および要素電極３８において提供された他の寄生的キャパシタンスを備えている回路は、電気的負荷４０のインピーダンスを、要素電極３８へ接続された他の回路インピーダンスと比較することによって実質的に働く。それゆえ、例示的な実施形態において、インピーダンスセンサ回路はキャパシタ６０を含み、アレイ要素におけるインピーダンスは、キャパシタにおける検知電圧の変化に基づいている。インピーダンスセンサ回路は、キャパシタ６０における検知電圧を当初に設定するための２つのトランジスタ５８および６２をさらに含む。
【００７０】
ＵＳ８６５３８３２号と本発明とを比較しての主な差異は、アレイ要素が、（ＵＳ８６５３８３２号にてＲＷＳと呼称されている横配列アドレシングライン）横配列選択ラインまたは（ＵＳ８６５３８３２号にてＣｓと呼称されている）ＲＷＳラインとＵＳ８６５３８３２号の要素電極との間に接続されているキャパシタを含んでいないことである。
【００７１】
本発明によれば、横配列選択操作および電位分割動作の実装の方法は、参照電極２８へ供給される電圧Ｖ２に摂動を起こすことによって達成される。このことは、要素電極３８における電位の摂動に帰着する。その摂動は、電気的負荷４０と関連したインピーダンスに従い、検知されているアレイ要素において存在する任意の液滴４の、存在、不在、寸法および組成に対応して、依存する。参照電極２８は、グローバルな信号であり、電圧信号Ｖ２の摂動は、アレイ中の各要素の要素電極３８の同時的な摂動に帰着する。しかしながら、アレイの同一縦配列中の要素の各々に共通である出力ＣＯＬにおける派生電流が、その縦配列中のアレイ要素からのみ派生するためには、アレイ検知の達成のため、横配列選択メカニズムをアレイ要素回路８４の操作に組み込む事もまた必要である。したがって、これは本発明においては、適切なタイミングを、検知されていない横配列の要素中の検知トランジスタ６２を非作動にし得る再設定（ＲＳＴ）信号へ適用することにより、達成される。したがって、本発明中では信号ＲＳＴは、再設定と横配列選択との両方の機能を実行する。それゆえ、装置は、再設定および横配列選択のための共通アドレシングラインを含み、インピーダンスセンサ回路は、アレイ中の全ての横配列への再設定信号とアレイ中の全ての横配列の選択のための横配列選択信号との両方を、共通アドレシングラインによって送信する事により可動させられる。この方法により、参照電極への電圧に摂動が起きるため、更なるインピーダンスセンサ回路は、共通アドレシングラインに印加された電位に摂動を起こすことにより稼働させられる。
【００７２】
図１０に示された例示的なタイミング図を参考に、インピーダンスセンサ機能の操作は、更に詳細に説明される。図１０は、横配列の検知用のセンサ動作の間のアドレシング信号ＲＳＴ、Ｖ２およびＳＥＮのタイミングを、示している。図１０には、検知トランジスタ６２のゲートにおける内部電位が示されており、アレイ要素の位置において小滴が存在する場合およびアレイ要素の位置において小滴が存在しない場合、ＶＳＥＮＳＥと記される。検知されていない横配列（アレイ中の全ての他の横配列）のための対応するタイミングは、図１０ａ中に示されている。
【００７３】
検知されている横配列用のアレイ要素回路８４の操作は、以下のように記述される。
【００７４】
（ａ）作動期間の間、ＲＳＴは高もしくは低（図１０および図１０ａ中では高に維持されたものが示されている）のいずれかに維持されてもよい。ＳＥＮは高に維持され、トランジスタ５４のソースは要素電極３８に接続される。信号ＡＣＴＵＡＴＥおよびＶ２は、交流の作動の方法を実装するために、前述のように変調される。作動期間の間、作動を達成する回路駆動の方法に従って、Ｖ２は、前述のように、高または低状態のいずれかになることができる。Ｖ２の”高または低のいずれか”の状態は、図１０および図１０ａのタイミング図上のクロス（Ｘ）に相当し示されている。
【００７５】
（ｂ）作動期間の末期において、信号ＳＥＮは、検知される横配列上で低レベル状態にされる。このことは、検知されるアレイの横配列に対し、ＡＣＴＵＡＴＥ信号を要素電極３８から分離するという効果を有する。それゆえに、インピーダンスセンサ回路が稼働している間、要素電極を作動電圧から絶縁するように構成された絶縁要素を作動回路は含む。図９の実施形態において、センサ入力ライン（ＳＥＮ）は、インピーダンスセンサ回路を作動させるために提供され、絶縁要素は、作動回路と、センサ入力ラインからの入力を受け取るインピーダンスセンサ回路との間のトランジスタ５５を含む。検知されていないアレイの横配列のために、ＳＥＮは高状態に維持されてもよくこれらの横配列はこれらの横配列が検知されない間作動させられ続けても良い。
【００７６】
（ｃ）作動期間の末期において、Ｖ２は低状態（電位が−ＶＥＷである）にされる。
【００７７】
（ｄ）検知期間が始まるとき、再設定信号ＲＳＴは、再設定期間とも表される時間の間、高く維持され続ける。再設定期間の間、トランジスタ５８はオンにされ、検知トランジスタ６２のゲートにおける電位、ＶＳＥＮＳＥは、再設定電位ＶＲＳＴへ充電される（または放電される）（そのような場合電位はもはやこの値ではない）。検知トランジスタ６２がオフにされるようなＶＲＳＴの値が選択され、それゆえに電流は検知トランジスタ６２を通して供給されない。
【００７８】
（ｅ）再設定期間の終結に引き続いて、ＲＳＴは低状態にされ、しかし検知されているのはアレイの横配列上のみである。アレイの他の全ての横配列上（検知されていない横配列）で、ＲＳＴは、高レベルにおいて維持される。検知されていない全ての横配列中のアレイ要素に対し、トランジスタ５８は、オンへ切り替えられた状態に残存し、検知トランジスタ６２のゲートにおける電位ＶＳＥＮＳＥは、ＶＲＳＴへ留められた状態を維持する。
【００７９】
（ｆ）検知されている横配列上でＲＳＴが低状態にされる結果として、トランジスタ５８は、オフにされる。このノードがいまや高インピーダンス状態中のまま、検知トランジスタ６２のゲートにおける電位ＶＳＥＮＳＥは、実質的にＶＲＳＴに留められ残存する。検知されていないアレイ中の横配列に対し、ＲＳＴは、オンにされた状態において残存する。これらの横配列中のアレイ要素に対し、ＶＳＥＮＳＥは、ＶＲＳＴに留められ残存する。
【００８０】
（ｇ）計測期間の始点において、電圧信号Ｖ２に印加された参照電極２８は、いまや−ＶＥＷから値ＶＳ（＋ＶＥＷと同一か、より大きくか、より小さくあってよい）へと増加させられた状態である。結果として、負荷回路４０、キャパシタ６０と、要素電極３８におけるＺＰＡＲと記される任意の寄生的インピーダンスのとの間に、電位分割器は形成される。結果として要素電極３８における電位ＶＥＥは、近似的に式２によって与えられる量ΔＶＥＥによって摂動を起こされる。
【数２】
2018534546.tif 000004
ここでＺＣ、ＺＬはキャパシタ６０および負荷回路４０のインピーダンスの各々を意味する。要素電極３８において液滴４が存在する場合、その小滴が相対的に導電性であって、要素電極３８において存在する支配的寄生インピーダンスが容量的であってＣＰＡＲの値である、という単純化仮定を作る。
【００８１】
液滴４が要素電極３８において存在しない場合、負荷回路４０と結び付けられたキャパシタンスは、前述のように、近似的にＣＯＩＬである。この場合、要素電極３８において摂動を起こされる電位は、近似的に次の通りである。
【００８２】
【数３】
2018534546.tif 000005
ＣＯＩＬが典型的に小（典型的には〜ｆＦ）であり、それゆえ、カギ括弧された項は、小さくもあり、近似的にゼロであってもよく、ΔＶＥＥはこの場合小であり得る。
【００８３】
液滴４が要素電極３８において存在する場合、負荷回路４０と関連付けられたキャパシタンスは、前述のように、近似的にＣＩＮＳである。この場合、要素電極３８において摂動を起こされる電位は、近似的に次の通りである。
【００８４】
【数４】
2018534546.tif 000006
ＣＩＮＳが典型的に大（例えばＣＣおよびＣＰＡＲと比較して）であり、それゆえ、カギ括弧された項は、１に近づいてもよく、要素電極３８における電位の摂動は、近似的にＶＳ＋ＶＥＷであってもよい。
【００８５】
２つのノードが、トランジスタ６０によって交流で結合されているため、要素電極３８における電位の摂動は更には、検知トランジスタ６２のゲートにおける電位の摂動に、帰着する。検知トランジスタ６２のゲートにおける（例えば、トランジスタ５８および６２による）寄生的キャパシタンスをＣＰＡＲ２と記し、検知トランジスタ６２のゲートにおける電位は、摂動され、次の通りになる。
【数５】
2018534546.tif 000007
ここでΔＶＥＥは、小滴が存在しない場合／小滴が存在する場合に対して式３および４に示される通りである。
【００８６】
それゆえに、電圧信号Ｖ２を変調することの総合的結果は、液滴４が要素電極３８において存在する場合には大きな量だけ、液滴４が要素電極３８において存在しない場合には少量だけ、電位ＶＳＥＮＳＥに摂動を起こすことである。この摂動の結果は、検知トランジスタ６２がＶＳＥＮＳＥの摂動の強度に従いより大きくまたはより小さくオンにされ得、ＣＯＬを通じて出力電流が減らされることに帰着する。計測期間の間の出力ＣＯＬを通じた電流は、典型的に縦配列検出回路８６の標準的回路によって計測されても良い。これは、非常によく知られているように、標準的ＣＭＯＳイメージセンサ用の技術の利用によってされてもよい。
【００８７】
（ａ）計測期間の末期におけるＲＳＴは、高状態にされる。トランジスタ５８は、したがってもう一度オンにされ、電位における検知トランジスタ６２のゲートは、ふたたび休息電位ＶＲＳＴへ戻り、検知トランジスタ６２は、オフに切り替えられる。
【００８８】
（ｂ）検知期間の終結において、ＳＥＮは高状態にされてもよく、Ｖ２の変調は再開され、回路は作動モードへ戻る。
【００８９】
検知されていないアレイの横配列については、Ｖ２に印加された電圧信号は、式３および４に記述されたような要素電極３８の電位中の同一の摂動に帰着する。しかしながら、これらのアレイの横配列に対し、ＲＳＴは、検知期間の継続期間の間、オンにされた状態に残存する。このことは、要素電極３８ΔＶＥＥの摂動に関わりなく検知トランジスタ６２のゲートにおける電位をＶＳＥＮＳＥに留める事という効果を、有している。この方法によって、ＲＳＴ接続は、共通アドレシングラインの、構成要素となり、その共通アドレシングラインは検知される横配列を選択するという（横配列選択）機能を実行する。発明者らは、ＶＳＥＮＳＥの電位の再設定およびアレイ中の横配列の選択の制御という二重の機能をしたがって実行できる共通アドレシングラインＲＳＴを実現している。
【００９０】
操作中典型的に、横配列の各々へ図１０のタイミングを同様に適用することによって、一方、アレイ中の全ての他の横配列へは図１０ａのタイミングを適用することによって、アレイ全体は一度に検知されても良い。この方法により、インピーダンス”イメージ”は、アレイ中の液滴４の位置、寸法および組成を示得る装置から読み出されてもよい。
【００９１】
当然留意されるべきであろうことに、前述の記述から、回路の重要な特色は、検知トランジスタ６２のゲートが要素電極３８に交流で結合されている、ということである。この配置の利点は、検知トランジスタ６２のゲートにおける電位ＶＢが（ＲＷＳパルスの摂動効果および引き続く電位分割によって生成されるように）、要素電極３８の初期電圧Ｖ０とは独立である、ということである。別の利点は、検知トランジスタ６２のゲートにおいて生成され得る電圧の範囲全体は、要素電極３８において生成され得る電圧の範囲よりも、ずっと小さくてもよいということである。それゆえに、検知トランジスタ６２およびトランジスタ５８は、標準的低電圧装置構造（例えば、５ボルトまたは８ボルトトランジスタ）から形成されてもよい。
【００９２】
留意されてもよいことに、ＵＳ８６５３８３２号および英国出願ＧＢ１５００２６１．１号に記述された先行技術回路と比較して、出力信号の極性は、逆転させられる。このことは、負荷回路４に印加されている電位分割器を操作する摂動的電圧信号の特色である。このパルスは、このノードにおいて存在する他のキャパシタンスによって要素電極３８において分割されている。結果として負荷回路４０と関連付けられたキャパシタンスが大きくなるほど、検知トランジスタ６２のゲートにおける電位の増加が大きくなりＣＯＬを通じた出力電流が大きくなる。対照的に、ＵＳ８６５３８３２号および英国出願ＧＢ１５００２６１．１号では、摂動的電圧信号は、横配列選択ライン（ＲＷＳ）に接続されたキャパシタに印加され、負荷回路によって分割される。そのような場合、負荷回路４０と関連付けられたキャパシタンスが大きくなるほど、検知トランジスタ６２のゲートにおける電位中の増加が小さくなりＣＯＬを通じた出力電流が小さくなる。
【００９３】
この実施形態の重大な利点は、作動機能とセンサ機能との両方を有しているアレイ要素回路８４が、最小限の数の回路構成要素およびアドレシングラインで実装されていることである。特に、ＲＷＳラインおよびアレイ要素回路からそれが接続するキャパシタの削除は、例えば図３の先行技術回路と比較すると、実質的により小さなアレイ要素回路に帰着する。
【００９４】
複雑さおよびアレイ要素回路８４のトランジスタの数を減少させる事は、いくつかの理由により有利である。
【００９５】
（ａ）より小さなアレイ要素／要素電極３８が、実装されてもよい。典型的に多くの場合、最小の達成可能なアレイ要素寸法は、薄膜エレクトロニクスおよび薄膜エレクトロニクス中のアレイ要素回路８４のレイアウトを記している製造要求に対応した設計（設計規則）の制限によって設定される。より単純な回路（より少ないトランジスタ）は、それゆえに、より小さなアレイ要素の設計および製作を可能にする。より小さなアレイ要素は、少なくとも３つの理由により有利であってもよい。第一に、より小さな液滴４が操作されてもよい。これは、単一セルあるいは単一片の、操作または分析に関する応用に対して、特に重要である。第二に、もし、より大きな液滴４を用いるならば、小滴より細かい分解能の作動が達成され得る。これは、装置の性能を改善するかもしれず、例えばより正確な分裂またはより速い混合を可能にする。第三に、より小さなアレイ要素寸法は、１百万を超えるアレイ要素の合計数を有してもよく、数万から数十万の液滴４を同時にかつ独立に操作することができてもよい、非常に大きなフォーマットアレイの設計および製造を容易にする。
【００９６】
（ｂ）より小さなおよびより単純なアレイ要素回路８４の設計は、製造収量増加を促進してもよく、それゆえに装置のコストを下げる。
【００９７】
（ｃ）より小さなおよびより単純なアレイ要素回路８４の設計は、装置の光学的透過率の増加を促進してもよい。例えばもし、１以上の液滴４の光学的性質の変化に帰着する化学的または生物化学的試験の実施に、および光学的性質中のこの変化の計測によって装置が読み出されてもよい試験の実施に、装置が使用されるならば、これは重要であり得る。
【００９８】
（ｄ）より小さく、また、より単純な上記アレイ要素回路の設計は、上記アレイ要素内にて、例えば、温度検知、生物的検知、およびそのような操作など他の電気的機能を実行するために、上記アレイ要素内の空間を解放し得る。
【００９９】
本発明の別の利点は、それが、先行技術回路と比較して改善された線形性を有しているセンサを実装していることである。先行技術回路中では、検知トランジスタ６２のゲートにおける電位中の変化は、要素電極３８において提供されたキャパシタンスとの相反関係を仮定する。本発明中では検知トランジスタ６２のゲートにおける電位は、要素電極３８において提供されたキャパシタンスに近似的に線形な依存性を有している。液滴４が部分的に存在するのをより正確に測定され得るという利点を、この改善された線形性は有している。これは、先行技術中で記述された配置を用いて可能であったのよりも正確に検知される小滴の寸法に帰着し得る。
【０１００】
この実施形態の別の利点は、それがアレイ要素回路を実装するためにｎ型トランジスタのみを要求することである。それゆえに、これは、より単純なおよびより低いコスト製造過程を伴うＡＭ−ＥＷＯＤ装置の製造を促進してもよい。それゆえに、例えば、アモルファスシリコンＴＦＴまたは酸化物ＴＦＴ（例えば、亜鉛酸化物またはインジウム−ガリウム−亜鉛酸化物ＴＦＴ）に基づいて単一チャネル（ｃｈａｎｎｅｌ）の薄膜トランジスタ製造過程を用いて製作されたＡＭ−ＥＷＯＤ装置に対し、この実施形態は、特に適切でもあり得る。
【０１０１】
本発明の第二の実施形態によれば、アレイ要素回路の代替の設計が、図１１に示されたように採用されているということを除いて、ＡＭ−ＥＷＯＤ装置は、第一の実施形態に類似する。トランジスタ５５および供給ラインＳＥＮが回路から削除されており、また、絶縁キャパシタ５６が、トランジスタ５４のゲートと、インピーダンスセンサ回路が稼働している間、作動電圧から要素電極を絶縁するための絶縁要素としてふるまう供給ラインＲＳＴ（共通再設定/横配列選択アドレシングライン）との間に、いまや接続されているという例外を除いて、アレイ要素回路のトポロジー（ｔｏｐｏｌｏｇｙ）は、第一の実施形態に類似する。
【０１０２】
図１２のタイミング図を参照して、アレイ要素回路の操作は、説明される。図１２のタイミング図は、第二の実施形態の操作と関連し検知されているアレイの横配列上のＲＳＴおよびＶ２へ、および、アレイ要素において液滴４が存在する場合および液滴４が存在しない場合に検知トランジスタ６２のゲートにおいて生成された内部電位ＶＳＥＮＳＥへ、印加された信号を示している。この場合信号ＳＥＮが無いという例外を除き、図１２のタイミング図は、図１０のそれと一致する。
【０１０３】
例外として、計測期間の間、電圧供給ＡＣＴＵＡＴＥから要素電極３８を絶縁するために異なる方法が用いられるということを除いて、アレイ要素回路の操作は、前述のような第一の実施形態に対して類似する。本発明の第一の実施形態の記述中では、トランジスタ５４は、オフにされ、したがって計測期間の継続期間の間信号ＡＣＴＵＡＴＥから要素電極３８を絶縁していることが理解されよう。もしこうでなければ、要素電極３８の電位は、実質的にＡＣＴＵＡＴＥの電位に留められて残存するであろうし、電位分割器は、記述されたようには働かないであろう。
【０１０４】
発明者らは、本発明の第二の実施形態によれば、要素電極３８からの作動信号の接続解除が、付加的絶縁トランジスタ（第一の実施形態におけるトランジスタ５５）という資源なしに達成されても良いということを理解している。しかしながら、第二の実施形態のアレイ要素回路中では、トランジスタ５４は、計測期間の間、要素電極３８からＡＣＴＵＡＴＥの絶縁をもたらすという付加的な機能を満たすように配置されている。これは、ＲＳＴライン（共通アドレシングライン）に接続された絶縁キャパシタ５６を通した電荷注入によって達成される。再設定期間の末期において、ＲＳＴは、低にされる。前述の効果を有しているのと同様に、ＲＳＴ信号の下降端は、トランジスタ５４のゲートにおける電位を減少させるという付加的な機能を実行する。これは、トランジスタ５４をオフにする（それが未だオフにされていない場合）という効果を有し、したがって要素電極３８からＡＣＴＵＡＴＥを絶縁する。全ての他の態様中では、作動および検知の操作は、前述のように進行する。
【０１０５】
この本発明の実施形態では信号ＲＳＴは、したがって、３つの機能を有する、
（ａ）センサ操作の開始時の検知トランジスタ６２のゲートにおける電位の再設定。
【０１０６】
（ｂ）検知されているアレイの横配列の選択。
【０１０７】
（ｃ）キャパシタ５６を横切る電荷注入を確実にするために、トランジスタ５４は、検知操作の間、オフにされる。
【０１０８】
第一の実施形態と比較しての第二の実施形態の付加的利点は、第二の実施形態のアレイ要素回路は、１つ少ないトランジスタおよび１つ少ないアドレシングラインを有している、ということである。これは、前述の利点を伴うより小さなアレイ要素が、より小さな小滴寸法、より大きなフォーマットアレイおよびより高い製造収量を含むということに帰着してもよい。
【０１０９】
図１３に示されたように、本発明の第三の実施形態によるＡＭ−ＥＷＯＤ装置は、アレイ要素回路の代替の設計を有する第一の実施形態と類似している。アレイ要素回路の連結は、以下のように記載される。
【０１１０】
トランジスタ５２のドレインは、アレイの同一の縦配列中の全ての要素に共通であってもよい入力ＤＡＴＡに接続されている。トランジスタ５２のゲートは、アレイの同一の縦配列中の全ての要素に共通であってもよい入力ＥＮＡＢＬＥに接続されている。トランジスタ５２のソースは、要素電極３８に接続されている。キャパシタ５６は、要素電極３８と、アレイ中の全ての要素に共通であってもよい電力供給ラインＶＤＤとの間に接続されている。キャパシタ５６は、インピーダンスセンサ回路の操作中に作動電圧から要素電極を絶縁する絶縁要素として機能する絶縁キャパシタとしてふるまう。ためのキャパシタ６０は、要素電極３８と検知トランジスタ６２のゲートとの間に接続されている。検知トランジスタ６２のドレインは、アレイの全ての要素に共通であってもよいＤＣ電圧源ＶＤＤに接続されている。検知トランジスタ６２のソースは、アレイの同一の縦配列中の全ての要素に共通であってもよい出力ＣＯＬに接続されている。トランジスタ５８は、検知トランジスタ６２のゲートおよび、アレイの全ての要素に共通であってもよい電圧供給ＶＲＳＴの間に接続されている。トランジスタ５８のゲートは、アレイの同一の横配列中の全ての要素に共通であっても良い入力信号ＲＳＴに接続されている。作動器回路４６は、トランジスタ５２と、電極接続ＤＡＴＡおよびＥＮＡＢＬＥとを備える。センサ回路は、キャパシタ５６およびキャパシタ６０と、検知トランジスタ６２と、トランジスタ５８と、アドレシングラインＲＳＴと、ＶＲＳＴおよび出力ラインＣＯＬとを備える。要素電極３８、電気的負荷４０、および参照電極２８は、作動回路とセンサ回路の両方の一部を形成する。
【０１１１】
アレイ要素の操作は、以前に記載されたもの、および言及することによって組み込まれる英国出願ＧＢ１５００２６０．３号およびＵＳ８６５３８３２号に記載されたものに類似している。トランジスタ５２およびキャパシタは、要素電極３８（キャパシタ５６およびキャパシタ６０）に接続されており、動的ＲＡＭ記憶要素として組み合わされ機能する。作動状態は、ＵＳ８６５３８３２号に記載されているように、要素電極３８における電位としてプログラムされ格納されても良い。この実施形態の操作によれば、インピーダンスセンサは、本発明の第一の実施形態に対する前述の方法と同一の方法で参照電極２８に供給された信号Ｖ２の電位に摂動を起こすことによって機能する。このように、検知機能の操作は、要素電極３８における摂動が、いまや式６（液滴４がアレイ要素の位置において存在していない場合）と式７（液滴４が存在する場合）とによって与えられるという例外を除き、前述のものと一致する。第一の実施形態と比較して、ＣＸは、回路中に存在する付加的キャパシタ５６のキャパシタンスを意味する。
【数６】
2018534546.tif 000008
【０１１２】
【数７】
2018534546.tif 000009
前述の実施形態のように、ＲＳＴ信号は、検知トランジスタ６２のゲートにおける電位の再設定機能、および横配列選択トランジスタと同等の機能という二重の機能を提供する。
【０１１３】
第三の実施形態の利点は、第一および第二の実施形態よりも少ない回路構成要素を含むということであり、作動機能およびセンサ機能の両方の実装のための３つのトランジスタのみを必要とする。
【０１１４】
第三の実施形態の変形例によれば、キャパシタ５６は回路から省略されても良く、これにより、プログラムされた作動電圧はキャパシタ６０上に完全に格納される。このことは、前述のような利点と関連してアレイ要素回路の寸法を更に減少させるという利点を有する。
【０１１５】
本発明の第四の実施形態は、図１４に示されたようなアレイ要素回路の代替の設計を伴う第一の実施形態に類似する。
【０１１６】
この実施形態によれば、アレイ要素回路のセンサ部は、第一の実施形態について前述したものと同様である。回路の作動部は、図１４に示された作動回路９０によって代表されるような代替の設計を有していてもよい。
【０１１７】
アレイ要素回路の連結は、次のとおりである。
【０１１８】
作動回路９０は、アレイの同一の縦配列中の全ての要素と共通であってもよい入力ＤＡＴＡ、およびアレイの同一の横配列中の全ての要素と共通であってもよい入力ＥＮＡＢＬＥを有する。トランジスタ５５は、作動回路と要素電極３８の出力との間に接続されている。トランジスタ５５のゲートは、アレイの同一の横配列中の全ての要素と共通であってもよく、インピーダンスセンサ回路を作動させるセンサ入力ラインＳＥＮへ接続されている。
ＳＥＮ入力を受け取るトランジスタ５５は、インピーダンスセンサ回路が稼働している間、作動電圧から要素電極を絶縁するための絶縁要素としてふるまう。キャパシタ６０は、要素電極３８と検知トランジスタ６２のゲートとの間に接続されている。検知トランジスタ６２のドレインは、アレイ中の全ての要素と共通であってもよいＤＣ電圧源ＶＤＤへ接続されている。検知トランジスタ６２のソースは、アレイの同一の縦配列中の全ての要素と共通であってもよい出力ＣＯＬへ、接続されている。トランジスタ５８は、検知トランジスタ６２のゲートとアレイ中の全ての要素と共通であってもよい電圧供給ＶＲＳＴとの間に接続されている。トランジスタ５８のゲートは、アレイの同一の横配列中の全ての要素と共通であってもよい入力信号ＲＳＴへ接続されている。
【０１１９】
作動回路は次のような機能を実行する。
【０１２０】
（ａ）プログラムされた作動状態を格納する工程（例えば作動＝「１」、非作動＝「０」）。
【０１２１】
（ｂ）作動回路９０の出力、および、トランジスタ５５のドレインへの電圧信号を供給する工程。
【０１２２】
作動回路は、例えば、ここで言及することによって組み込まれるＵＳ８１７３０００号に記載されたように、任意の既知の設計であってもよい。作動回路は、プログラムされた作動状態の格納のためにＳＲＡＭ要素を利用しており、また、プログラムされた作動状態に従って要素電極３８への、２つのうちの一方の電圧供給を指示するためのアナログスイッチを備えている。第四の実施形態の利点は、特定の目的（例えば、高周波交流駆動）のために最適化された作動回路の設計をこの発明中に記載されたセンサ回路および方法と組み合わせてもよいということである。
【０１２３】
本発明の第５の実施形態によれば、ＡＭ−ＥＷＯＤ装置は、液滴４の導電性を検知するように構成されている点で回路の前述の実施形態のどれとも類似している。前述の実施形態の記載は、ほとんどの部分について、負荷回路４０が、本来、実質的に容量性であると考えている。また、実施形態１−４の各々と関連付けられた異なるアレイ要素回路の記載は、これらの回路がどのようにこのキャパシタンスを検出するために利用され得るのか、および、どのように所与のアレイ要素の位置に存在する液滴４の存在、不在、または寸法を示すために利用され得るのか、について考慮している。しかしながら、同様に、前述の実施形態のセンサ機能は、液滴４と関連付けられた複雑なインピーダンスを決定するように構成されてもよい。近似的電気的モデルは、図６Ａに既に記載されている。低周波数においては、液滴４の電気的抵抗は、典型的には、十分に低く、液滴４の抵抗的成分（図６Ａの抵抗２２によって示される）は小さい。小滴は、電気的には、実効的に短絡回路として機能し、負荷回路４０の合計インピーダンスは、絶縁体層２０および疎水性コーティング２０および２６と直列に関連付けられたキャパシタのそれである。しかしながら、より高い周波数においては、液滴４の非ゼロ抵抗は、実体的な効果、および液滴４によって提供される合計インピーダンスを有している。それゆえ、負荷回路４０の合計インピーダンスもまた、液滴４の内部抵抗２２の関数になる。
【０１２４】
センサ回路の操作において有するこの抵抗２２の効果は、以下のように記載される。式２（以前に提供された）は、要素電極３８における電圧摂動の近似的依存性をシステムインピーダンスの関数として表している。計測期間の間にＶ２に印加された電圧信号が、十分に高周波数である場合、要素電極３８における電位の摂動、および検知トランジスタ６２のゲートにおける電位の摂動は、液滴４の抵抗に依存するようになる。Ｖ２信号の周波数が高くなるにしたがって、負荷回路ＺＬのインピーダンスもまた上昇し、検知トランジスタ６２のゲートにおける電位がそれによって摂動を起こされる強度は減少する。
【０１２５】
それゆえに、この効果は、計測期間の間のＶ２信号の周波数を形成することによって活用されてもよく、これにより、小滴抵抗（抵抗２２）が計測され得る。この方法は、図１１のアレイ要素回路を駆動するように印加され得る電圧信号の例のタイミング図を示している図１５に示されている。計測期間の間、信号Ｖ２は変調され、これにより、高周矩形波パルスが上端基板参照電極２８に印加される。検知トランジスタ６２のゲートにおいて生成された内部ノード電圧（ＶＳＥＮＳＥと記す）も、液滴４が、相対的に高導電性（抵抗２２が小さな値を）を有しているケース１、および、液滴４が、相対的に低導電性（すなわち、抵抗２２が大きな値）を有しているケース２について、図１５のタイミング図に示されている。ケース１では、負荷回路ＺＬのインピーダンスは、相対的に小さく、Ｖ２に印加された電圧パルス信号は、センサ回路の電位分割器部分を通じて効果的に結合し、これにより、ＶＳＥＮＳＥは、相対的に大きな振幅のほぼ矩形波パルスとなる。ケース２では、負荷回路ＺＬのインピーダンスは、相対的に大きく、Ｖ２に印加された電圧パルス信号は、センサ回路の電位分割器部分を通じて効果的に結合しておらず、これにより、ＶＳＥＮＳＥは殆ど摂動させられない。ケース１における全体的効果は、検知トランジスタ６２がいくらかの時間（Ｖ２が高い時間に対応）オンにされ、検知トランジスタ６２を通じて電流が低減するということである。この電流（もしくはその平均値）は、その後、前述のように、縦配列エレクトロニクスによって計測され得る。ケース２における検知トランジスタ６２は、計測期間の継続期間の間実質的にオフにされ続け、検知トランジスタ６２を通じて電流が少量またはゼロに低減する。
【０１２６】
したがって、このように回路の操作は、液滴４の導電性（図６Ａの抵抗２２によって示される）の計測を促進している。例えば、関連するシステムキャパシタンス（回路の設計および適用されたコーティングの厚さによって修正される）についての式２の解によって、どのように参照電極２８へ印加された電圧パルス信号Ｖ２の周波数が計測されている小滴導電性の範囲に従って構成され得るのかは、当業者にとって明らかであろう。例えば、Ｖ２に印加された摂動電圧信号は、１ｋＨｚ−１０ＭＨｚの範囲の周波数、または、１０ｋＨｚ−１ＭＨｚの範囲の周波数、または約１００ｋＨｚの周波数であり得る。同様に、小滴導電性の異なる範囲を計測するために、電圧信号Ｖ２の複数の周波数が用いられてもよい。同様に、計測期間の間Ｖ２に印加された電圧信号は、矩形波（上述のように）、または三角波、鋸歯状波（ｓａｗ−ｔｏｏｔｈ）、または正弦波（ｓｉｎｕｓｏｉｄ）であってもよい。
【０１２７】
重要なことには、電位分割器を操作する摂動電圧信号が参照電極２８に印加されることを特徴とする本発明の配列は、摂動電圧パルスが横配列選択ライン（例えば、先行技術の図３に示されたＲＷＳ）によって印加されることを特徴とする先行技術に記述された配置に対して有利であることが認識される。特にＴＦＴ基板上の横配列アドレシングラインを通じた高周波電圧信号を印加するには、非常に低いインピーダンス駆動回路を必要であり、これにより、高周波パルスはアレイ要素回路へ伝達され得る。先行技術の構成における非常に高い周波数（例えば１０ＭＨｚ）では、装置が標準的ＴＦＴディスプレイ製造過程を用いて製造されている場合、結線抵抗の制限のため、これは不可能または実際的ではない。より低い周波数（例えば、１００ｋＨｚから１ＭＨｚ）において、例えばセンサ横配列アドレシング回路８８にて使用されたようなバッファ回路の寸法を物理的に大きくし得る。これにより、ＴＦＴ基板上の付加的な領域を消費し、および総合的フットプリントおよび装置の製造価格を増大させる。対照的に、本発明の配置を利用することによって、参照電極２８に低抵抗接続が作られ、高周波数駆動信号がそのような困難なしにＶ２へ印加され得る。
【０１２８】
この実施形態に係る装置の操作の利点は、液滴４の性質、特にその導電性が、計測され得ることである。これは、例えば、液滴４のイオン性濃度（例えば、もし液滴４が水性である場合塩の含有量）を決定するために利用され得る。これは、例えば、化学的または生化学的試験（アッセイ）の結果を決定するため、あるいは、イオン含有量によって異なる種類の液滴を区別するために、有効であり得る。
【０１２９】
他の実施例としては、この方法は、液滴内の１以上の粒子の存在もしくは不在を決定するために有利に使用され得る。なぜなら、図６Ａのモデルに抵抗２２およびキャパシタ２４として示されたように、粒子の存在または不在が現実のおよび想像上の小滴インピーダンスの寄与に影響し得るからである。これは、例えば、磁気ビーズ、生物学的細胞、または液滴４中の沈殿のような粒子の存在または不在の検出に有効であり得る。
【０１３０】
選択的かつ有利であることには、この実施形態の方法は、液滴４が、要素電極３８の寸法以上の寸法を有する場合に利用されても良い。そのような配置は図１６に示されている。ここには、要素の各々がアレイ要素回路８４（要素電極３８を含む）を備える電極アレイ４２が示されている。この場合、液滴４は、複数の要素電極３８を同時に覆ってもよい。この配置は、有利である。なぜなら、液滴４によって完全に覆われている所与のアレイ要素回路（例えば、８４Ａ）について、計測されたインピーダンスにおける如何なる計測可能な差異も、液滴４が、その位置で完全にまたは部分的に要素電極３８を覆う程度よりもむしろ、液滴の性質（例えば、抵抗２２、およびキャパシタ２４の値）に関連しなければならないと結論付けられ得るからである。
【０１３１】
一方、先行の実施形態において、本発明は、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）技術の中にアレイ要素回路および駆動システムを実装するために、薄膜エレクトロニクス７４を活用しているＡＭ−ＥＷＯＤ装置に関して記載したが、本発明は、他の標準的な電気的製造過程、例えば、相補的金属酸化物半導体（ＣＭＯＳ）、バイポーラ接合トランジスタ（ＢＪＴ）、および他の適合する過程を利用しても同様に実現され得るであろう。
【０１３２】
本発明の態様は、それゆえ、アクティブ式マトリックス誘電体上接触エレクトロウェッティング（ＡＭ−ＥＷＯＤ）装置である。例示的な実施形態において、上記ＡＭ−ＥＷＯＤ装置は縦横に配置された複数のアレイ要素を備え、上記アレイ要素の各々はアレイ要素回路、要素電極、および参照電極を含み、上記アレイ要素回路は、上記アレイ要素の作動に対して上記要素および参照電極へ作動電圧を印加するように構成された作動回路と、上記アレイ要素回路においてインピーダンスを検知し上記アレイ要素における小滴の性質を測定するように構成されたインピーダンスセンサ回路とを含み、上記インピーダンスセンサ回路は上記参照電極へ印加された電位に摂動を起こすことによって稼働するように構成されている。上記ＡＭ−ＥＷＯＤ装置の例示的な実施形態は、個々にまたは組み合わせとして、１つのまたはより多くの下記の特色を含んでもよい。
【０１３３】
上記ＡＭ−ＥＷＯＤ装置の例示的な実施形態において、上記ＡＭ−ＥＷＯＤ装置は共通アドレシングラインをさらに備え、特徴的には、上記インピーダンスセンサ回路は、上記共通アドレシングラインを介した電圧信号の供給により、リセット動作と、上記アレイにおける検知すべき列を選択する動作との両方をもたらすように稼働する。
【０１３４】
上記ＡＭ−ＥＷＯＤ装置の例示的な実施形態において、上記インピーダンスセンサ回路は上記参照電極に印加される電位に摂動を起こさせることによって、および上記共通アドレシングラインに印加される電位に摂動を起こさせることによって稼働するように構成されている。
【０１３５】
上記ＡＭ−ＥＷＯＤ装置の例示的な実施形態において、上記共通アドレシングラインは、上記アレイの当該同一横配列中の全ての要素に共通である。
【０１３６】
上記ＡＭ−ＥＷＯＤ装置の例示的な実施形態において、上記インピーダンスセンサ回路は、該要素電極と検知トランジスタのゲートとの間に接続されたキャパシタをさらに備え、該要素電極におけるインピーダンスは、上記キャパシタに結合された検知電圧の変化に基づいて検知される。
【０１３７】
上記ＡＭ−ＥＷＯＤ装置の例示的な実施形態において、上記インピーダンスセンサ回路は、上記検知トランジスタのゲートにおける上記電圧の設定用のトランジスタをさらに備える。
【０１３８】
上記ＡＭ−ＥＷＯＤ装置の例示的な実施形態において、上記検知トランジスタおよび上記検知トランジスタのゲートにおける上記電圧の設定用の上記トランジスタは、ｎ型トランジスタである。
【０１３９】
上記ＡＭ−ＥＷＯＤ装置の例示的な実施形態において、上記作動回路は、上記インピーダンスセンサ回路が稼働している間、上記要素電極を作動電圧から絶縁するように構成された絶縁要素を備える。
【０１４０】
上記ＡＭ−ＥＷＯＤ装置の例示的な実施形態において、上記ＡＭ−ＥＷＯＤ装置は、上記インピーダンス検知回路の作動用のセンサ入力ラインをさらに含み、上記絶縁要素は、上記作動回路と、上記センサ入力ラインから入力を受け取る上記インピーダンスセンサ回路との間に、トランジスタを含む。
【０１４１】
上記ＡＭ−ＥＷＯＤ装置の例示的な実施形態において、上記絶縁要素は、横配列アドレシングラインへ接続された絶縁キャパシタを含む。
【０１４２】
上記ＡＭ−ＥＷＯＤ装置の例示的な実施形態において、上記ＡＭ−ＥＷＯＤ装置は、上記インピーダンスセンサ回路の作動用のセンサ入力ライン、および上記作動回路と、上記センサ入力ラインからの入力を受け取る上記インピーダンスセンサ回路との間の絶縁トランジスタをさらに含み、上記絶縁トランジスタは、上記作動回路を、上記インピーダンスセンサ回路が稼働している間、上記インピーダンスセンサ回路から絶縁する。
【０１４３】
上記ＡＭ−ＥＷＯＤ装置の例示的な実施形態において、上記作動回路は、上記アレイ要素が作動状態か非作動状態かのいずれかに対応するデータの格納用の記憶部と、当該要素電極および当該参照電極への上記作動電圧の供給用の作動部とを備える。
【０１４４】
上記ＡＭ−ＥＷＯＤ装置の例示的な実施形態において、上記作動回路は動的ＲＡＭ要素として構成された単一のトランジスタおよび単一のキャパシタから成る。
【０１４５】
本発明の他の態様は、アクティブ式マトリックス誘電体上接触エレクトロウェッティング（ＡＭ−ＥＷＯＤ）装置を操作する方法である。例示的な実施形態において、上記稼働方法は次の工程を含む。
【０１４６】
縦横に並んだ複数のアレイ要素を配置する工程であって、当該アレイ要素の各々はアレイ要素回路、要素電極、および参照電極を備えており、上記アレイ要素回路は作動回路およびインピーダンスセンサ回路を備えている工程と、上記アレイ要素を作動させるために、上記作動回路を用いて上記要素および参照電極に作動電圧を印加する工程と、上記参照電極へ印加された電位に摂動を起こす工程と、上記インピーダンスセンサ回路を用いて上記アレイ要素電極におけるインピーダンスを検知する工程と、当該検知されたインピーダンスに基づいて上記アレイ要素における小滴の性質を測定する工程、を備える。上記稼働方法の例示的な実施形態は、個々にあるいは組み合わせとして、１以上の当該下記特色を含んでも良い。
【０１４７】
上記稼働方法の例示的な実施形態において、上記ＡＭ−ＥＷＯＤ装置はさらに共通アドレシングラインを備え、再設定操作および検知されるべき当該アレイ中の横配列選択のための操作の両方をもたらす、上記共通アドレシングラインにのせた電圧信号を供給する工程をさらに含む。
【０１４８】
上記稼働方法の例示的な実施形態において、上記稼働方法は、上記参照電極へ印加された電位に摂動を起こすことによる、および上記共通アドレシングラインに印加された電位に摂動を起こすことによる、上記インピーダンスセンサ回路の操作をさらに含む。
【０１４９】
上記稼働方法の例示的な実施形態において、上記インピーダンスセンサ回路は、上記要素電極と検知トランジスタのゲートとの間に接続されたキャパシタを含み、上記稼働方法は、上記キャパシタに接続された検知電圧中の変化に基づいて、上記アレイ要素において上記インピーダンスを検知する工程をさらに備える。
【０１５０】
上記稼働方法の例示的な実施形態において、上記稼働方法は、上記インピーダンスセンサ回路が稼働している間、上記アレイ要素を上記作動電圧から絶縁する工程をさらに含む。
【０１５１】
上記稼働方法の例示的な実施形態において、上記絶縁する工程は、上記インピーダンスセンサ回路の作動に対し、センサ入力ラインへの入力を供給する工程を備える。
【０１５２】
上記稼働方法の例示的な実施形態において、上記作動電圧を印加する工程は、上記アレイ要素の作動状態または非作動状態のいずれかに対応して、上記作動回路の記憶部中にデータを格納する工程と、上記作動回路の作動部を用いて上記作動電圧を上記要素電極および上記参照電極へ供給する工程とを備える。
【０１５３】
本発明はある１つの実施形態または複数の実施形態に関して示しており記述されているが、同等の改変箇所および変更修正が、この明細書および添付図の読解および理解に伴って他の当業者に生じてもよい。上記記述された要素（構成要素、組み立て部品、装置、合成品等々）によって実現された上記様々な特定の機能について、そのような要素を記述するために使用された上記用語（「手段」への言及を含む）は、たとえ、上記例示的な実施形態または本発明の実施形態における機能を実行する、開示された構造と構造的に等価でなくとも、他に指示がない限り、上記記述された要素の上記特定の機能を実行するいかなる要素（すなわち、機能的に等価な）にも、対応するように意図されている。加えて、本発明の特定の特色は、１つのみまたはより多くのいくつかの実施形態について記述されているものの、いかなる所与のまたは特定の応用に対して希望され、有利であってもよいようにそのような特色は１つのまたはより多くの他の実施形態の特色と組み合わされてもよい。
【０１５４】
選択的には、上記装置はまた、本発明の実施形態がまさしくある部の中にまたは当該全体装置のサブアレイに活用されてもよいように、配置されてもよい。選択的には、上記複数の異なる実施形態のいくつかまたは全ては、上記装置の異なる縦横の配列または部位に活用されても良い。
【産業上の利用可能性】
【０１５５】
上記記述された実施形態は、強化されたＡＭ−ＥＷＯＤ装置を提供するために使用されることができる。上記ＡＭ−ＥＷＯＤ装置はｌａｂ−ｏｎ−Ａ−ｃｈｉｐシステムの一部を形成することができる。そのような装置は、操作、反応および化学的、生物化学的、または生理的材料の検知に使用されることができる。ヘルスケア診断試験、材料試験、化学的、生化学的材料合成、プロテオミクス、および、ライフサイエンスおよび法科学における調査の手段に適用され得る。
【符号の説明】
【０１５６】
４  液滴
６  接触角θ
１６  第一の疎水性コーティング
２０  絶縁体層
２２  抵抗
２４  キャパシタ
２５  キャパシタ
２６  第二の疎水性コーティング
２８  参照電極
３２  スペーサ
３４  非極性流体
３６  頂部回路基板
３８  アレイ要素電極
３８Ａ  アレイ要素電極
３８Ｂ  アレイ要素電極
４０  電気的負荷
４０Ａ  電気的負荷
４０Ｂ  電気的負荷
４２  電極アレイ
４６  作動回路
４８  センサ回路
５２  トランジスタ
５４  トランジスタ
５５  トランジスタ
５６  キャパシタ
５８  トランジスタ
６０  キャパシタ
６２  検知トランジスタ
７２  下部回路基板
７４  薄膜エレクトロニクス
７６  横配列駆動回路
７８  縦配列駆動回路
８０  シリアルインターフェイス
８２  接続ワイヤ
８３  電圧供給インターフェイス
８４  アレイ要素回路
８６  縦配列検出回路
８８  センサ横配列アドレシング
９０  作動回路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１０ａ】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【国際調査報告】
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