專利名稱：基于微電極陣列結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場可編程芯片實驗室的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及芯片實驗室(lab-on-a-chip, L0C)微流體系統(tǒng)和方法。更具體地，本發(fā)明涉及采用微電極陣列結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場可編程芯片實驗室(FPLOC)系統(tǒng)。FPLOC可被現(xiàn)場編程用于微流體應用，這些微流體應用包括(但不限于)基于液滴的微流體操作、基于連續(xù)的微流體操作、基于介質(zhì)上電潤濕(EWOD)的激勵(actuation)或基于(介電電泳)DEP的激勵。FPLOC通過利用類似于現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)的結(jié)構(gòu)為LOC設計者提供了更為便利的解決方案。與獨有的硬連線解決方案相比，現(xiàn)場可編程微流體平臺在無需復雜的硬件設計和封裝技術的條件下通過軟件編程來實現(xiàn)LOC設計，這提供了顯著優(yōu)于其它平臺的優(yōu)勢。FPLOC可以以簡單靈活的方式實現(xiàn)不同的應用專用系統(tǒng)(測定)就像利用明確表征、大規(guī)模生產(chǎn)和封裝的FPGA —樣。結(jié)果，在微流體領域通過利用半導體行業(yè)經(jīng)驗可以實現(xiàn)在上市時間、大規(guī)模生產(chǎn)、容錯性、低成本方面的優(yōu)勢以及很多其它優(yōu)點。
背景技術：
為了實現(xiàn)某些化學、物理或生物技術處理技術的可能性，微流體技術在過去十年間迅速成長。微流體指的是通常在微升到毫微升范圍內(nèi)的微量流體的操縱。用于實施小容量化學的平面流體裝置的使用由分析化學家首次提出，為了這一概念，生物化學家使用了術語“小型化總化學分析系統(tǒng)”(μ TAS)。來自生物化學以外的很多學科的越來越多的研究者采納了 μ TAS的基礎流體原理，作為一種開發(fā)化學和生物學應用的新研究工具的方式。為了反映出這種擴展了的范圍，除了 μ TAS之外，現(xiàn)今經(jīng)常使用更廣義的術語“微流體”和“芯片實驗室(LOC) ”。第一代微流體技術基于流經(jīng)微細加工的通道的連續(xù)液體流的操縱。液體流的激勵由外部壓力源、集成機械微型泵或由電動結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)。連續(xù)流系統(tǒng)能滿足很多明確定義的簡單的生物化學應用的需要，但是它們不適于需要高程度的靈活性或復雜的流體操縱的更復雜的任務?；谝旱蔚奈⒘黧w是連續(xù)流系統(tǒng)的替代方式，其中液體被分成離散的獨立可控的液滴，并且這些液滴可被操縱為在通道中或在襯底上移動。通過利用離散的單位體積的液滴，微流體功能可以被簡化為一組重復的基本操作，即，一個單位的情況下移動一個單位的流體。在文獻中已經(jīng)提出了很多用于操縱微流體液滴的方法。這些技術可被分類成化學、熱學、聲學和電學方法。在所有方法中，用以激勵液滴的電學方法近年來受到了廣泛關注。在基于液滴的微流體裝置中，液體夾在兩個平行板之間并以液滴的形式輸送?；谝旱蔚奈⒘黧w系統(tǒng)提供了很多優(yōu)點它們具有低的功耗并且不需要諸如泵或閥之類的機械組件。近年來，基于液滴的微流體系統(tǒng)已經(jīng)被廣泛用于諸如混合分析物和反應物、分析生物分子以及操縱顆粒之類的多種應用中。在數(shù)字微流體系統(tǒng)中，介質(zhì)上電潤濕(EWOD)和液體介電電泳(LDEP)是用于分配和操縱液滴的兩種主要機制。EWOD和LDEP都采用電機械力來控制液滴。EWOD微系統(tǒng)通常用于產(chǎn)生、輸送、切割和合并液滴。在這些系統(tǒng)中，液滴夾在兩個平行板之間并且在被激勵和未被激勵的電極之間的潤濕性差異的作用下被激勵。在LDEP微系統(tǒng)中，液滴置于共面電極上。當施加電壓時，液體變?yōu)榭蓸O化的 ，并且朝著更強電場強度的區(qū)域流動。LDEP和EWOD激勵機制之間的差別在于激勵電壓和頻率。在EWOD激勵中，施加通常小于100V的DC或低頻AC電壓，而LDEP需要更高的激勵電壓(200_300Vrms)以及更高的頻率(50-200kHz)。介質(zhì)上電潤濕(EWOD)是最常見的電學方法之一。諸如芯片實驗室(LOC)之類的數(shù)字微流體通常是指利用EWOD技術的液滴操縱。傳統(tǒng)的基于EWOD的LOC裝置通常包括兩個平行玻璃板。底板包含單獨可控電極的圖案化陣列，頂板涂覆有連續(xù)的地電極。優(yōu)選地通過類似氧化銦錫(ITO)的材料形成電極，使其在薄層中具有導電性和透光性的組合特征。涂覆有疏水膜的介電絕緣體被添加到板上，以降低表面的潤濕性并增加在液滴與控制電極之間的電容。含有生物化學樣品的液滴和填充媒介夾在板之間，同時液滴在填充媒介內(nèi)部移動。為了移動液滴，向鄰近于液滴的電極施加控制電壓，同時在液滴正下方的電極被去除激勵。近年來，LDEP也吸引了廣泛的關注，因為它易于實施并且能夠分配和操縱從毫微升到微微升范圍的極小液滴。液體DEP激勵被定義為朝著更高電場強度的區(qū)域吸引可極化的液體堆(liquid mass)。液體DEP液滴分配器的基本結(jié)構(gòu)包括兩個共面電極，這兩個共面電極涂覆有介電層以保護它們不被電解。Ahmed和Jones優(yōu)化了液體DEP液滴分配,并在共面電極上產(chǎn)生了微微升液滴。表面涂覆的作用以及與使用共面電極的液體DEP的可靠激勵有關的關鍵因素已被報告。Fan等人將共面LDEP電極改為兩個平行LDEP電極。平行結(jié)構(gòu)的LDEP裝置已被微混合器采用，并集成有EWOD微系統(tǒng)。輸送、分裂和合并介電液滴由平行板(雙平面)裝置中的DEP實現(xiàn)，其將數(shù)字微流體的流體從僅導電和水性的范圍擴展到涵蓋非導電的范圍。介電液滴的雙平面DEP激勵通過在平行電極之間施加電壓來實現(xiàn)，通過DEP將具有相對較高介電常數(shù)的液體介電液滴泵到具有相對較低介電常數(shù)(例如空氣)的區(qū)域。不利的是，至今所建立的采用EWOD技術的常規(guī)LOC系統(tǒng)仍然高度專用于特定的應用。當前的LOC系統(tǒng)很大程度上依賴于手動操縱和優(yōu)化來作生物測定。此外，LOC系統(tǒng)中的當前應用和功能是耗時的，并且需要昂貴的硬件設計、測試和維護程序。關于這些系統(tǒng)的最大缺點在于“硬連線”電極?！坝策B線”是指電極的形狀、尺寸、位置和關于電極控制器的電布線軌跡物理地受限于永久性蝕刻的結(jié)構(gòu)。一旦電極被制造出，不管它們的功能是什么，它們的形狀、尺寸、位置和軌跡就不能改變。因此，這意味著相對于LOC設計的高昂的一次性工程費用以及在出貨之后有限的更新功能或局部重新配置部分的LOC的能力。
本領域存在對用于減少與利用液滴操縱產(chǎn)生微流體系統(tǒng)相關聯(lián)的人力和成本的系統(tǒng)和方法的需要。本領域期望使LOC設計提升到應用級，以減輕LOC設計者在手動優(yōu)化生物測定、耗時的硬件設計、昂貴的測試和維護程序方面的負擔。本領域存在對用于減少與利用液滴操縱產(chǎn)生微流體系統(tǒng)相關聯(lián)的人力和成本的系統(tǒng)和方法的需要。微電極陣列結(jié)構(gòu)技術可以提供現(xiàn)場可編程性，其中LOC的電極和整體布局可以是軟件可編程的。微流體裝置或嵌入系統(tǒng)如果其(存儲在諸如ROM之類的非易失性存儲器中的)固件可以“在場中”被修改，而無需拆解裝置或?qū)⒀b置返回其制造商，則可以說是現(xiàn)場可編程的或現(xiàn)現(xiàn)場可編程的。這往往是非常期望的特征，因為這可以減少用于替換有問題的或退化的固件所需的費用和周轉(zhuǎn)時間。在出貨之后更新功能的能力、局部重新配置部分的設計以及相對于LOC設計的較低的一次性工程費用將為很多應用提供優(yōu)勢。此外，基于新穎的微電極陣列結(jié)構(gòu)，可以顯著改進LOC系統(tǒng)中的操縱液滴的技術。在基于EWOD微電極陣列結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生、輸送、混合和切割過程中的先進的液滴操縱方面，本發(fā)明提供了各種實施方式。 可以相信，采用微電極陣列結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場可編程芯片實驗室(FPLOC)由于具有基于場應用來動態(tài)地編程新LOC系統(tǒng)的能力，因此能夠提供優(yōu)于常規(guī)數(shù)字流體系統(tǒng)的大量優(yōu)點。現(xiàn)場可編程性能夠顯著改進LOC設計的周轉(zhuǎn)時間，還可以使LOC設計提升到應用層次，以減輕LOC設計者在手動優(yōu)化生物測定、耗時的硬件設計、昂貴的測試和維護程序方面的負擔。

發(fā)明內(nèi)容
本文公開了一種采用微電極陣列結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場可編程芯片實驗室(FPLOC)裝置，包括a.底板，包括置于襯底的頂表面上的多個微電極的陣列，所述多個微電極由介電層覆蓋，其中每個所述微電極連接到接地結(jié)構(gòu)中的至少一個接地元件，在所述介電層和所述接地元件的頂部設置有疏水層，以生成具有液滴的疏水表面；b.現(xiàn)場可編程結(jié)構(gòu)，用于編程一組配置電極，以便以選定的形狀和尺寸產(chǎn)生微流體組件和布局；以及c. FPLOC功能塊，包括1/0端口 ；樣品制備單元；液滴操縱單元；檢測單元；和系統(tǒng)控制單元。在另一實施方式中，一種采用CMOS技術制成品的FPLOC裝置包括a. CMOS系統(tǒng)控制塊，包括控制器塊，用于提供處理器單元、內(nèi)存空間、接口電路和軟件編程能力；芯片布局塊，用于存儲配置電極配置數(shù)據(jù)以及FPLOC布局信息和數(shù)據(jù)；液滴位置地圖，用于存儲液滴的實際位置；和流體操作管理器，用于將所述布局信息、所述液滴位置地圖以及來自所述控制器塊的FPLOC應用轉(zhuǎn)譯成液滴的物理激勵；以及b.多個流體邏輯塊，包括一個微電極，位于CMOS襯底的頂表面上；一個存儲器地圖數(shù)據(jù)存儲單元，用于保持所述微電極的激勵信息；以及控制電路塊，用于管理控制邏輯。在又一實施方式中，一種采用薄膜晶體管TFT技術制成品的FPLOC裝置包括a. TFT系統(tǒng)塊，包括控制器塊，用于提供處理器單元、內(nèi)存空間、接口電路和軟件編程能力；芯片布局塊，用于存儲配置電極配置數(shù)據(jù)以及FPLOC布局信息和數(shù)據(jù)；液滴位置地圖，用于存儲液滴的實際位置；和流體操作管理器，用于將來自所述布局信息、所述液滴位置地圖以及FPLOC應用的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)譯成用于激勵微電極的物理液滴激勵數(shù)據(jù)，所述FPLOC應用來自所述控制器塊，其中所述物理液滴激勵數(shù)據(jù)包括以逐幀的方式發(fā)送給有源矩陣塊的對配置電極的成組、激勵和去除激勵；以及b.有源矩陣塊，包括用于單獨激勵每個微電極的有源矩陣面板，包含柵極總線、源極總線、薄膜晶體管、存儲電容器和微電極；有源矩陣控制器，包含源極驅(qū)動器和柵極驅(qū)動器，用于通過將驅(qū)動數(shù)據(jù)發(fā)送給驅(qū)動芯片，利用來自TFT系統(tǒng)控制塊的數(shù)據(jù)來驅(qū)動TFT陣列；和DC/DC轉(zhuǎn)換器，用于向所述源極驅(qū)動器和所述柵極驅(qū)動器施加驅(qū)動電壓。在又一實施方式中，一種自下而上編程和設計FPLOC裝置的方法包括a.擦除FPLOC的內(nèi)存；b.配置具有選定形狀和尺寸的一組配置電極的微流體組 件，所述一組配置電極包括在現(xiàn)場可編程結(jié)構(gòu)中以陣列形式布置的多個微電極，所述微流體組件包括貯液器、電極、混合室、檢測窗口、廢棄物貯存器、液滴路徑以及指定功能電極；c.配置所述微流體組件的物理分配；以及d.設計用于樣品制備、液滴操縱和檢測的微流體操作。在又一實施方式中，一種自上而下編程和設計FPLOC裝置的方法包括a.通過硬件描述語言設計FPLOC的功能；b.依據(jù)硬件描述語言產(chǎn)生排序圖模型；c.通過硬件描述語言執(zhí)行模擬以驗證FPLOC的功能；d.根據(jù)所述排序圖模型利用體系級合成來產(chǎn)生具體執(zhí)行過程；e.將來自微流體模塊庫和來自設計規(guī)范的設計數(shù)據(jù)輸入到合成處理中；f.產(chǎn)生芯片上資源的測定操作的映射文件、測定操作的時間表文件以及來自合成處理的內(nèi)置自測試文件；g.利用設計規(guī)范的輸入執(zhí)行幾何級合成，以產(chǎn)生生物芯片的二維物理設計；h.根據(jù)結(jié)合有具體物理信息的生物芯片的二維物理設計，產(chǎn)生三維幾何模型，所述具體物理信息來自所述微流體模塊庫；i.通過使用三維幾何模型執(zhí)行物理級模擬和設計驗證；以及j.將FPLOC設計加載到空白FPLOC中。在又一實施方式中，一種設計FPLOC庫的方法包括a.通過創(chuàng)建測試工作臺來模擬由硬件描述語言編寫的微流體操作的功能模塊描述，所述硬件描述語言包括VHDL或Verilog，所述測試工作臺構(gòu)成測試系統(tǒng)并用于模擬所述系統(tǒng)和觀察結(jié)果；b.通過合成引擎將所述功能模塊描述映射到連線表；c.將所述連線表轉(zhuǎn)譯成門級描述；d.模擬所述門級描述；e.通過物理模擬將傳播延遲添加到所述連線表；以及f.通過具有所述傳播延遲的連線表，運行整個系統(tǒng)模擬。在另一實施方式中，本發(fā)明的EWOD微電極陣列結(jié)構(gòu)采用“點矩陣印刷機”的概念，其中，多個微電極(例如“點”)成組并且可被同時激勵/去除激勵以形成各種形狀和尺寸的電極，以便滿足在場應用中的流體操作功能的要求。在另一實施方式中，所有的EWOD微流體組件可由微電極產(chǎn)生，這些微流體組件包括(但不限于)貯液器、電極、混合室、液滴路徑等。并且，對于I/o端口、貯液器、電極、路徑以及電極網(wǎng)絡的位置的LOC物理布局都可通過配置微電極來實現(xiàn)。在另一實施方式中，除了配置電極的用以執(zhí)行典型微流體操作的常規(guī)控制之外，微電極的確定控制順序可提供在操縱液滴時的先進的微流體操作。在另一實施方式中，基于EWOD微電極陣列結(jié)構(gòu)的液滴操縱方法可包括產(chǎn)生液滴；輸送液滴；切割液滴；以及混合液滴。公開了 FPLOC的各種實施方式。在一個實施方式中，F(xiàn)PLOC的設計基于EWOD微電極陣列結(jié)構(gòu)。FPLOC可根據(jù)不同的應用和功能被動態(tài)地場編程，其中由很多微電極構(gòu)成的所有電極可通過軟件設計并重新配置。在配置或重新配置之后，與基于EWOD的LOC系統(tǒng)的總體構(gòu)思類似，LOC設計中的基于EWOD技術的流體操作可通過控制和操縱電極來實現(xiàn)。
在另一實施方式中，F(xiàn)PLOC系統(tǒng)的各種形狀和尺寸的電極比如貯液器、電極、混合室、液滴路徑等都能夠通過軟件編程或重新配置，以滿足在場應用中的操作功能的要求。此外，軟件編程或重新配置可執(zhí)行對輸入端口、貯液器、電極、路徑和電極網(wǎng)絡的位置的FPLOC物理布局。在又一實施方式中，F(xiàn)PLOC將低級微流體操作封裝到應用級呈現(xiàn)中，以便設計者關注高級的應用層面。微電極的用以執(zhí)行具體流體操作的配置數(shù)據(jù)和激勵控制順序作為庫項目被產(chǎn)生和測試，其中FPLOC設計者可以挑選所述庫項目來組合其微流體應用。在另一實施方式中，操縱液滴的EWOD微電極陣列結(jié)構(gòu)的設計可基于共面 結(jié)構(gòu)，其中EWOD激勵可發(fā)生在不具有頂板的單板配置中。在又一實施方式中，操縱液滴的EWOD微電極陣列結(jié)構(gòu)的設計可采用雙平面結(jié)構(gòu)，其中在系統(tǒng)中設置上部頂板。盡管公開了多個實施方式，但是本發(fā)明的其它實施方式對于所屬領域技術人員來說在研究下文的詳細說明之后也將變得顯而易見，所述詳細說明示出并描述了本發(fā)明的示例性實施方式。將意識到，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的條件下，本發(fā)明在多個方面能夠有多種改型。相應地，附圖和詳細說明在性質(zhì)上應當被視為示例性的而非限制性的。


圖IA是大體示出常規(guī)的夾置的EWOD系統(tǒng)的橫截面視圖。圖IB是大體示出在二維電極陣列上的常規(guī)EWOD的頂視圖。圖2是用于操縱介電液滴的雙平面DEP裝置的圖。圖3是示出微電極陣列的圖，其中微電極陣列中的配置電極(configured-electrode)可被配置成各種形狀和尺寸。圖4A是利用微電極陣列結(jié)構(gòu)的LOC布局的圖。圖4B是常規(guī)的物理蝕刻的結(jié)構(gòu)的圖。圖4C是配置電極的圖，其中示出了貯液器(reservoir)和配置電極的放大部分。圖5A示出了多個方形微電極的陣列，其中的一個微電極被突出顯示。圖5B示出了多個六邊形微電極的陣列，其中的一個微電極被突出顯示。圖5C示出了布置在墻磚(wall-brick)布局中的多個方形微電極的陣列，其中的一個微電極被突出顯不。圖6A示出了混合板結(jié)構(gòu)，其中混合板結(jié)構(gòu)可被控制為在共面模式和雙平面模式之間切換微電極結(jié)構(gòu)。圖6B示出了接地網(wǎng)(ground grid)微電極共面結(jié)構(gòu)。圖6C示出了另一具有接地焊盤的FPLOC微電極共面結(jié)構(gòu)。圖6D示出了另一具有可編程接地焊盤的FPLOC微電極共面結(jié)構(gòu)。圖7是示出混合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的圖，其中混合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)具有可拆卸的、可調(diào)節(jié)的并且透明的頂板，用以適應最寬范圍的液滴尺寸和體積。圖8是示出FPLOC所需的五個基礎功能塊的圖。圖9A、9B、9C和9D示出了利用可調(diào)節(jié)的另一鉸接的無源蓋來裝載樣品。圖10是示出檢測I/O端口的圖。
圖IIA和IlB示出了 FPLOC利用現(xiàn)場可編程永久顯示技術來顯示測試結(jié)果或其它
重要消息。圖12A示出了液滴和懸浮顆粒由分別通過EWOD和DEP利用方形配置電極和條形配置電極激勵的頂視圖。圖12B和12C是示出從左到右施加到條形配置電極的高頻信號；在液滴內(nèi)部的非均勻電場通過DEP將顆粒驅(qū)動到右側(cè)的橫截面視圖。 圖12D示出了施加在方形配置電極上以通過EWOD產(chǎn)生具有不同顆粒濃度的兩個子液滴的低頻信號。圖13示出了利用液滴等分技術的FPLOC樣品制備的另一實施方式。圖14A和14B示出了自調(diào)節(jié)所裝載的樣品或反應物相對于貯液器的位置的能力。圖15示出了 FPLOC液滴產(chǎn)生過程的一個實施方式。圖16示出了稱為“液滴等分”的具體液滴產(chǎn)生過程。圖17是示出FPLOC的液滴的輸送的圖。圖18是示出FPLOC的液滴路由的圖。圖19A、19B和19C是示出利用FPLOC的臨時橋接處理輸送液滴的圖。圖20A、20B和20C是示出電極列激勵的圖。圖21A、21B和2IC是示出FPLOC的液滴切割的圖。圖22A、22B和22C是示出FPLOC的液滴的精確切割的圖。圖23A、23B和23C是示出FPLOC的液滴的對角線切割的圖。圖24A、24B和24C示出了在FPLOC的開放表面上的液滴切割過程。圖25是示出集成到FPLOC的襯底中的微加熱元件的圖。圖26A和26B是示出FPLOC的基本合并/混合的圖。圖27A、27B和27C是示出通過用以加速混合的不均勻幾何運動來實施的液滴操縱的有效混合過程的圖。圖28A和28B示出了用于加速液滴混合的不均勻往復混合器。圖29是示出基于EWOD微電極陣列結(jié)構(gòu)的流體循環(huán)混合器的圖。圖30A-30F是示出多層混合器的圖，其中多層混合器對于低縱橫比(< I)的情形尤其有用。圖31是示出基于CMOS技術的感測裝置集成到FPLOC中的圖。圖32是示出用于FPLOC的分級軟件結(jié)構(gòu)的框圖。圖33是示出用于FPLOC的原型和測試系統(tǒng)配置的框圖。圖34A示出了 FPLOC應用的桌面機器配置。圖34B示出了 FPLOC應用的便攜式機器配置。圖34C示出了 FPLOC應用的獨立式生物芯片配置。圖35是利用標準CMOS制造工藝來制造FPLOC的框圖。圖36示出了基于標準CMOS制造技術的FLB陣列的電學設計。圖37示出了基于標準CMOS制造技術的FLB陣列制成品的橫截面視圖。圖38A是利用薄膜晶體管(TFT)陣列制造工藝來制造FPLOC的框圖。圖38B示出了有源矩陣塊(AMB)的框圖。
圖38C是基于TFT陣列的微電極陣列的頂視圖。圖38D是示出在雙平面結(jié)構(gòu)中基于TFT技術的FPLOC制成品的橫截面視圖。圖39A示出了在任何編程或配置之前的空白FPLOC。圖39B示出了配置LOC的設計的實例。圖40是示出了用于FPLOC設計和編程的自上而下設計方法的流程圖。圖41A、41B和41C示出了通過連續(xù)流激勵來產(chǎn)生液體。圖41D和41E示出了通過連續(xù)流激勵來切割液體。 圖42A、42B和42C示出了通過連續(xù)流激勵來合并/混合液體。
具體實施例方式在圖IA中示出了常規(guī)的電潤濕微激勵器結(jié)構(gòu)(僅為了例示的目的，以較小尺寸示出)?；贓WOD的數(shù)字微流體裝置包括兩個相互平行的玻璃板120和121。底板121包含單獨可控電極130的圖案化陣列，頂板120涂覆有連續(xù)的地電極140。優(yōu)選地通過諸如氧化銦錫(ITO)之類的材料形成電極，使其在薄層中具有導電性和透光性的組合特征。將涂覆有諸如聚四氟乙烯AF之類的疏水膜160的介電絕緣體170(例如聚對二甲苯C)添加到板上，以降低表面的潤濕性并增加在液滴與控制電極之間的電容。含有生物化學樣品的液滴150和諸如硅油或空氣之類的填充媒介夾在板之間，以有助于液滴150在填充媒介內(nèi)部的輸送。為了移動液滴150,向鄰近于液滴的電極180施加控制電壓，同時在液滴150正下方的電極被去除激勵。圖IB是大體示出在二維電極陣列190上的常規(guī)EWOD的頂視圖。液滴150從電極130移動到被激勵的電極180中。電極180呈黑色表明施加有控制電壓。EWOD作用使得電荷積聚在液滴/絕緣體界面中，導致在相鄰電極130和180之間的間隙135上產(chǎn)生界面張力梯度，由此實現(xiàn)液滴150的輸送。通過改變沿著線性電極陣列的電位，可利用電潤濕來沿著此電極線移動毫微升體積的液滴?？赏ㄟ^在0-90V的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)控制電壓來控制液滴的速率，并且液滴可以以高達20cm/s的速度移動。液滴151和152也可在無需微型泵和微型閥的條件下，通過二維電極陣列以用戶限定的圖案在時鐘電壓控制下輸送?；贓WOD的LOC裝置利用相鄰電極之間的間隙上的界面張力梯度來激勵液滴。電極的設計包括每個電極的期望形狀、尺寸以及各兩個電極之間的間隙。在基于EWOD的LOC布局設計中，液滴路徑通常由連接LOC的不同區(qū)域的多個電極構(gòu)成。這些電極可用于輸送過程，也可用于其它更為復雜的操作比如在液滴操縱中的混合和切割過程。在一個實施方式中，可如圖2所示構(gòu)建用于操縱介電液滴的雙平面DEP裝置。在底部襯底245上圖案化多個微電極261。每個配置電極260包括多個微電極261。頂板240包含未被圖案化的參考電極220。一層低表面能材料(比如聚四氟乙烯)210涂覆在兩個板上，以減小液滴250與固體表面之間的界面力，這有助于可再現(xiàn)的液滴處理并消除操作期間的介電液體殘留物。間隙高度或液滴厚度270由間隔物的厚度確定。通過在參考電極220與一個驅(qū)動微電極之間施加電壓，將介電液滴泵到處于激勵狀態(tài)的微電極上，如圖2中的箭頭所示。在間隙高度為150_的平行板裝置中測試介電液滴(癸烷介電液滴(350Vd。)、十六烷介電液滴(470Vd。)以及硅油介電液滴(250Vd。))的激勵。所施加的DC電壓的極性對液滴驅(qū)動沒有影響，同時，經(jīng)測試達到IkHz頻率的AC信號成功地激勵介電液滴。
LDEP和EWOD激勵機制之間的差別在于激勵電壓和頻率。因此在EWOD和DEP之間共享物理雙平面電極結(jié)構(gòu)以及配置是可行的。通常在EWOD激勵中，施加通常小于100V的DC或低頻AC電壓，優(yōu)選地驅(qū)動電壓在DC到IOkHz的AC的范圍并且小于150V ;而LDEP需要更高的激勵電壓(200-300Vrms)以及更高的頻率(50_200kHz)，優(yōu)選地驅(qū)動電壓在50kHz到200kHz的AC的范圍并且具有100-300Vrms。在下文對本發(fā)明的描述中，將利用EWOD技術來解釋本發(fā)明的實施方式，但是在大多數(shù)情況下通過適當改變激勵電壓和頻率，本發(fā)明也涵蓋DEP激勵。本發(fā)明采用了 “點矩陣印刷機”的概念，S卩，微電極陣列結(jié)構(gòu)中的每個微電極是可用于形成所有微流體組件的“點”。換言之，微電極陣列中的每個微電極可被配置為以不同的形狀和尺寸形成各種微流體組件。根據(jù)客戶的需求，多個微電極可被視為成組的(grouped)并且可被同時激勵以形成不同電極并執(zhí)行微流體操作的“點”?！?激勵”指的是向電極施加所需的電壓，從而EWOD作用使得電荷積聚在液滴/絕緣體界面中，導致在相鄰電極之間的間隙上產(chǎn)生界面張力梯度，由此實現(xiàn)液滴的輸送；或者DEP作用使得液體變得可極化并朝著較強電場強度的區(qū)域流動?！叭コ睢敝傅氖侨コ┘拥诫姌O的電壓。圖3不出了基于本發(fā)明的微電極陣列結(jié)構(gòu)的FPLOC的一個實施方式。在本實施方式中，微電極陣列300包括多個(30X 23個)同樣的微電極310。此微電極陣列300是基于標準微電極規(guī)范(這里表示為微電極310)以及獨立于最終的LOC應用和具體微流體操作規(guī)范的制造技術制造的。換言之，此微電極陣列300是“空白”或“預配置”FPL0C。然后，基于應用需要，此微電極陣列可被配置或軟件編程到期望的LOC中。如圖3所示，每個配置電極320包括100個微電極310 (即IOX 10個微電極)?！芭渲秒姌O”指的是10 X 10個微電極310組合在一起以用作集成電極320，并且將一起被同時激勵或去除激勵。通常來說，配置數(shù)據(jù)存儲在非易失性存儲器(比如ROM)中，并且可“在場中”被修改，而無需拆解裝置或?qū)⒀b置返回其制造商。圖3示出了液滴350位于中心配置電極320。如圖3所示，本發(fā)明配置電極的尺寸和形狀可基于應用需要而設計。液滴350的體積與電極320的尺寸成比例。換言之，通過控制電極320的尺寸，液滴350的體積也被限制以與電極320的設計尺寸相適應，由此可以控制液滴的體積。尺寸受到控制的配置電極的例子是電極320和340。電極320具有IOX 10個微電極的尺寸，而電極340具有4X4個微電極的尺寸。除了電極尺寸的配置，還可通過利用微電極陣列來配置電極的不同形狀。盡管電極320是方形，電極330是包括2X4個微電極的矩形。電極360是左側(cè)齒狀的方形，而電極370是圓形。隨著微電極的數(shù)量增加，可以通過FPLOC編程整個LOC設計，如圖4A所示，輸送路徑440、檢測窗口 450和混合室460的配置電極的形狀為方形。貯液器430是確定形狀的大尺寸配置電極。廢棄物貯存器420是四角形。圖4B和4C示出了圖4A中的貯液器430的放大版本。圖4B示出了通過常規(guī)EffOD-LOC系統(tǒng)制造的物理蝕刻的貯液器結(jié)構(gòu)431。其組件顯示為永久性蝕刻的貯液器431和四個永久性蝕刻的電極471。與圖4B(常規(guī)設計)相比，圖4C示出了場編程LOC結(jié)構(gòu)，其具有類似尺寸的配置貯液器432以及成組的電極472。配置貯液器432可通過將多個微電極411組合成期望的尺寸和形狀以制作這種貯液器組件來制造。成組的電極472包含4X4個微電極411。
在設定了所需微流體組件的形狀和尺寸之后，還很重要的是設定微流體組件的位置以及如何將這些微流體組件連接在一起作為線路或網(wǎng)絡。圖4A示出了這些微流體組件所處的物理位置以及這些微流體組件如何連接在一起以用作功能L0C。這些微流體組件為配置電極470、貯液器430、廢棄物貯存器420、混合室460、檢測窗口 450以及連接LOC的不同區(qū)域的輸送路徑440。如果是現(xiàn)場可編程L0C，則在布局設計之后，會有一些未使用的微電極410。在FPLOC被充分檢驗合格之后，設計者可以嘗試硬連線版本以節(jié)約成本，然后未使用的微電極410可被移除。FPLOC中的微電極的形狀可以不同的方式物理地實現(xiàn)。在本發(fā)明的一個實施方式中，圖5A不出了多個方形微電極的陣列，并且其中的一個微電極被突出顯不為501。6X6個微電極構(gòu)成配置電極502。圖5A總共有3X2個配置電極。在另一實施方式中，圖5B示出了多個六邊形微電極的陣列，并且其中的一個微電極被突出顯不為503。6X6個微電極構(gòu)成配置電極504，圖5B中有3X2個配置電極。六邊形微電極的交叉指型邊緣在沿著配置 電極之間的間隙移動液滴時具有優(yōu)勢。在又一實施方式中，圖5C示出了布置在墻磚布局中的多個方形微電極的陣列，其中的一個微電極被突出顯不為505。6X6個微電極構(gòu)成配置電極506，圖5C中有3X2個配置電極。六邊形微電極的交叉指型邊緣在沿著配置電極之間的間隙移動液滴時具有優(yōu)勢，但這只發(fā)生在X軸上。還可實現(xiàn)很多其它形狀的微電極，而不僅限于這里所討論的三種形狀。常規(guī)的LOC設計基于雙平面結(jié)構(gòu)(其具有包含圖案化電極陣列的底板以及涂覆有連續(xù)地電極的頂板)或者共面結(jié)構(gòu)(其中激勵可發(fā)生在不具有頂板的單板配置中)。共面設計可適應更寬范圍的不同體積尺寸的液滴，而不受頂板的限制。雙平面結(jié)構(gòu)在頂板之間具有固定間隙，并且在適應寬范圍的體積尺寸的液滴方面存在限制，但是雙平面結(jié)構(gòu)確實提供更穩(wěn)定的微流體操作。基于共面結(jié)構(gòu)的LOC裝置仍可以增加用于密封測試表面的無源頂板，以保護流體操作或者為了保護測試媒介具有更長的上架保存(shelf storage)壽命的目的。為了適應FPLOC的最寬范圍的應用，在本發(fā)明的一個實施方式中，F(xiàn)PLOC裝置基于混合板結(jié)構(gòu)，其中激勵可發(fā)生在共面配置或雙平面配置中。圖6A示出了開關610，其可被控制為在共面模式和雙平面模式之間切換微電極結(jié)構(gòu)。在雙平面模式中，在蓋板620上的連續(xù)地電極640連接到地，在電極板621上的接地網(wǎng)680與地斷開連接。另一方面，在共面模式中，電極板621上的接地網(wǎng)680連接到地，而在蓋板620上的地電極640與地斷開連接。在一個實施方式中，圖6A中所示的一個物理共面微電極(630和680)可以是接地網(wǎng)結(jié)構(gòu)。接地網(wǎng)結(jié)構(gòu)在圖6B中示出，其具有驅(qū)動微電極631、地線681以及在631與681之間的間隙615。當電極被激勵時，驅(qū)動微電極631由DC或方波驅(qū)動電壓充電。地線681與驅(qū)動微電極631處于相同的板上以實現(xiàn)共面結(jié)構(gòu)。間隙681用以確保在631與681之間無垂直重疊。在圖6B中示出不同尺寸的兩個液滴651和652，它們都與接地網(wǎng)681和相鄰微電極631充分重疊，并且可被有效地操縱。在另一實施方式中，共面接地網(wǎng)可以不與地斷開連接，只要額外的接地不會給雙平面結(jié)構(gòu)操作帶來任何問題即可。圖6C不出了 FPLOC微電極結(jié)構(gòu)的另一實施方式。在驅(qū)動微電極632的四個角處具有接地焊盤682，并且在632與682之間具有間隙616。代替圖6B中所示的實施方式中的地線，本實施方式使用接地焊盤來實現(xiàn)共面結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的此實施方式利用了群組接地(group grounding),由此接地焊盤、微電極和液滴653的一致重疊保證了可靠的液滴操作。此外，在另一實施方式中，共面接地網(wǎng)可以不與地斷開連接，只要額外的接地不會給雙平面結(jié)構(gòu)操作帶來任何問題即可。圖6D示出了 FPLOC微電極“配置接地焊盤”共面結(jié)構(gòu)的另一實施方式。在與微電極相同的板上不具有地線或接地焊盤。而是，一些微電極用作接地焊盤以實現(xiàn)共面電極結(jié)構(gòu)。圖6D不出了 4X4個同樣的方形微電極633,在微電極之間具有間隙617。在本實施方式中,任一個微電極633可被配置為通過物理連接為電性接地而用作地電極。在本實施方式中，四個角的微電極被配置為地電極683。此外，現(xiàn)場可編程性以及微型微電極對“配置電極”以及“配置接地焊盤”的動態(tài)配置提供了更高的靈活性和更高的粒度。為了例示的目的，地微電極被編程在四個角上，但這不是固定的布局。包含對地電極或激勵電極的改變的 臨時步驟可被實施以獲得液滴操縱的最佳結(jié)果。這種“現(xiàn)場可編程”微電極接地結(jié)構(gòu)是實現(xiàn)FPLOC的混合板結(jié)構(gòu)的最靈活的方式，但是將需要更高的驅(qū)動電壓以激勵液滴。在另一實施方式中，在FPLOC的混合結(jié)構(gòu)中采用可拆卸的、可調(diào)節(jié)的和透明的頂 板，以優(yōu)化在如圖7所示的頂板710與電極板720之間的間隙距離。電極板720通過微電極陣列結(jié)構(gòu)技術來實現(xiàn)，其中用于液滴730的配置電極的側(cè)視圖包括三個微電極(顯示為黑色)。用于液滴740的配置電極包括六個微電極,用于液滴750的配置電極包括^ 個微電極。本實施方式在諸如FPLOC之類的應用中尤其有用。盡管微電極陣列結(jié)構(gòu)在配置所述配置電極的形狀和尺寸時提供了現(xiàn)場可編程性，但是仍然高度需要能夠適應最寬范圍的尺寸和體積的液滴的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。這是因為FPLOC可適應的液滴的尺寸和體積的范圍越寬,就可實現(xiàn)越多的應用。優(yōu)化的間隙距離可被調(diào)節(jié)為適合期望尺寸的液滴。在本發(fā)明中，優(yōu)化的間隙可通過三種方式實現(xiàn)首先，所有的液滴可在不接觸頂板710的條件下被操縱。這種方式通常應用于共面結(jié)構(gòu)中。在第二種方式中，所有的液滴可通過接觸頂板被操縱，其中液滴夾在頂板710與電極板720之間。第二種方式通常應用于雙平面結(jié)構(gòu)中。第三種方式或混合方式合并了共面結(jié)構(gòu)以及在頂蓋710與共面電極板720之間的可調(diào)節(jié)間隙的功能。這種混合方式可用于提供具有最寬范圍的液滴。如圖7所示，位于間隙內(nèi)的液滴730和液滴740可在不接觸頂板710的條件下被操縱。液滴750被操縱為夾在頂板710與電極板720之間。本發(fā)明不限于EWOD微電極陣列結(jié)構(gòu)技術，也可在液滴尺寸的可應用范圍可被限制的同時應用于其它常規(guī)的電極板。在FPL0C800的一個實施方式中，F(xiàn)PLOC需要五個基礎功能塊，如圖8所示，包括I/O端口(810、811、812和813)、樣品制備820、液滴操縱830、檢測840以及系統(tǒng)控制850。在下面的段落中將詳細公開FPLOC的五個功能塊的實施方式。輸入/輸出端口(810、811、812和813)是在外部世界與FPL0C800之間的接口。在另一實施方式中，存在FPLOC的四種輸入/輸出端口，它們與下述四個功能塊相關聯(lián)樣品輸入端口 810、液滴I/O端口 811、檢測I/O端口 812以及系統(tǒng)控制I/O端口 813，如圖8所
/Jn ο樣品輸入端口(圖8中的810):由于現(xiàn)實世界樣品(微升)以及芯片實驗室(毫微升)在比例上的巨大差異，流體輸入端口的設計富有挑戰(zhàn)性。將樣品(圖8中的825)和反應物(圖8中的833)裝載到LOC上需要微流體裝置與外部世界之間的接口。本發(fā)明的一個實施方式基于混合板結(jié)構(gòu)，其中在樣品或反應物裝載到FPLOC上之后可添加蓋，因而不需要固定的輸入端口。圖9A示出了通過針960將樣品950直接裝載到共面電極板970上。樣品的裝載不必非常精確，因為貯液器的位置可根據(jù)需要動態(tài)地調(diào)節(jié)，以補償物理裝載偏差。圖9B表示在裝載樣品950之后放置無源蓋980。圖9C示出了本發(fā)明的一個實施方式，其中在FPLOC的四個角有可調(diào)節(jié)的間隔物930，以調(diào)節(jié)在蓋板980與電極板970之間的間隙高度。液滴950夾在它們之間。圖9D示出了本發(fā)明的另一實施方式，其中FPLOC采用了鉸接裝置940連接蓋板980和電極板970，以方便裝載樣品和反應物950并實現(xiàn)更好的物理系統(tǒng)集成。液滴I/O端口(圖8中的811):在本發(fā)明的一個實施方式中，反應物裝載器(圖8中的833)通過液滴I/O端口連接到FPL0C。廢棄物(圖8中的835)可儲存在FPL0C800上的廢棄物貯存器中，或者可通過廢棄物端口(圖8中的811)沖走。 檢測I/O端口(圖8中的812):越來越多的研究論文在探討將檢測集成到微流體芯片的技術，尤其是那些相比吸光率或熒光檢測在尺寸微型化上更好的技術。但是，一些成熟和穩(wěn)定的檢測技術，例如可包括使用視頻檢測和激光誘導熒光(LIF)分析的光學檢測(圖10中的1035)以及磁性納米顆粒檢測(圖10中的1036)，將難以集成到FPLOC中。由于穩(wěn)固性、高信噪比以及靈敏度，光學檢測方法相比用于LOC的其它方法仍占主導地位。光學檢測最容易與基于電潤濕的LOC平臺集成。僅需要將位于將用于光學檢測的區(qū)域中包括頂板1020、底板1021、介電層1040和1070以及電極1090的所有材料做成透明的即可。共面設計可適應比上述更多的檢測機制，因而增加了系統(tǒng)開發(fā)的靈活性。為了外部檢測的目的，我們將使用檢測I/O端口(圖8中的812)。檢測I/O端口也可用于光學感測和反饋以控制FPLOC內(nèi)部的快速液體運動的目的。系統(tǒng)控制I/O端口(圖8中的813):在本發(fā)明的一個實施方式中，需要系統(tǒng)控制I/O端口 813來編程芯片851，顯示測試結(jié)果852，進行數(shù)據(jù)管理853以及很多其它系統(tǒng)工作，如圖8所示。根據(jù)需要，諸如打印機、USB存儲器或網(wǎng)絡接口之類的所需外圍組件854可通過系統(tǒng)控制I/O端口連接到FPLOC。FPLOC還通過系統(tǒng)控制I/O端口連接到電源，以提供所需的AC/DC電力。在本發(fā)明的一個實施方式中，F(xiàn)PLOC利用現(xiàn)場可編程永久顯示技術來顯示如圖IlA和IlB所示的測試結(jié)果或其它重要消息，而不需要外部顯示裝置。在圖IlA中，當系統(tǒng)通過對微電極1111進行激勵或去除激勵而正在執(zhí)行其它微流體操作時，顯示墨水框架1110不被接觸。在完成測試或目標微流體操作之后，自圖IlB中的黑色墨水(或其它顏色和液體)框架1114產(chǎn)生的液滴移動到右側(cè)位置，以顯示圖形或文本。本實施方式的兩個優(yōu)點在于(I)幾乎沒有用于顯示測試結(jié)果或其它消息的額外費用，因為用于測試或其它微流體操作的電極用作顯示像素；以及(2)即使電力自微激勵器斷開，顯示也是永久性的，因此可用作測試記錄。樣品制備(圖8中的820):樣品制備中的主題將是自整個血液中分離出細胞，以獲取血清或血衆(zhòng)，以及樣品預濃縮(pre-concentration)。樣品預濃縮在待檢測的分子在數(shù)量上很少的測定中變得很重要。為了下述兩個原因首先完成樣品稀釋為了減少干擾物質(zhì)的影響，以及為了增大裝置操作的線性范圍。至今，已經(jīng)采用了很寬范圍的各種技術比如利用聲學力、磁力、光學力、毛細管電泳(CE)、介電電泳(DEP)力等來分離顆粒和細胞。本發(fā)明的一個實施方式如圖12A的頂視圖所示，其中液滴1250和懸浮顆粒分別利用EWOD和DEP通過方形配置電極(1210、1211、1212和1213)和條形配置電極(1220、1221、1222、1223、1224、1225和1226)被激勵。“配置(configured) ”是指圖12B和12C是橫截面視圖，其中通過從左到右(從1220到1226)在條形電極上施加高頻信號(VHF) 1230，液滴內(nèi)部的非均勻電場1256利用DEP將顆粒驅(qū)動到右側(cè)。通過在方形電極1221和1222上施加低頻信號(VLF) 1235，利用EWOD獲取具有不同顆粒濃度的兩個子液滴1251和1252。作為例子，從左到右在條形電極之一上施加2MHz和60Vrms信號1230時，通過正性DEP吸引顆粒。在細胞聚集到液滴中的右側(cè)之后，通過在兩個方形配置電極上施加80Vrms和IkHz，利用EWOD將液滴分裂成兩個子液滴。結(jié)果，通過激勵從左到右單一循環(huán)的條形電極，細胞被聚集(右側(cè)子液滴1251)或稀釋(左側(cè)子液滴1251)，如圖12D所示。圖13示出了利用液滴等分技術的FPLOC樣品制備的另一實施方式。共用樣品制備步驟之一是從全血中去除血細胞，以獲取用于免疫測定的等離子體。如圖13所示，經(jīng)由 微電極1340利用液滴等分技術，產(chǎn)生更小的液滴(此液滴太小以至于不能承載一些或任一血細胞1380)，然后經(jīng)由小尺寸的垂直間隙1370移動小液滴1345，以形成期望液滴1350。液滴等分技術和小間隙1370的組合可有效地將小液滴1345從貯液器/液滴1360經(jīng)通道1370移動，以形成更大的液滴1350，同時阻擋血細胞1380。這里的物理阻擋主要用于幫助液滴等分技術，并且可以采用除了方形之外的不同形狀來利用微電極產(chǎn)生更小的液滴。它并不用作去除血細胞的主要原因。通過利用液滴等分技術，此樣品制備發(fā)明不僅能從液滴去除顆粒，而且能夠制備用于診斷測試的合適尺寸的液滴。液滴操縱(圖8中的830):在又一實施方式中，所有的典型微流體操作可通過配置并控制FPLOC的“配置電極”來執(zhí)行?！拔⒘黧w操作”指的是在FPLOC上的液滴的任何操縱。例如，微流體操作可以包括將液滴裝載到FPLOC中；從源液滴分配一個或多個液滴；分裂、分離或分割一個液滴為兩個或更多個液滴；將液滴沿任何方向從一個位置輸送到另一位置；將兩個或更多個液滴合并或組合為單個液滴；稀釋液滴；混合液滴；攪拌液滴；將液滴變形；將液滴保持在適當?shù)奈恢蒙希慌嘤?incubating)液滴；布置液滴；將液滴輸送出FPLOC ;本文所述的其它微流體操作；和/或上述的任何組合。在又一實施方式中，除了 FPLOC的“配置電極”的用以執(zhí)行典型微流體操作的常規(guī)控制之外，微電極的具體控制順序(sequence)能夠提供在操縱液滴時的先進的微流體操作。FPLOC的先進的微流體操作可包括沿對角線或沿任何方向輸送液滴；利用臨時橋接技術經(jīng)物理間隙輸送液滴；利用電極列激勵輸送液滴；洗刷殘留液滴(dead volume);在較低驅(qū)動電壓的情形下輸送液滴；以受控的低速度輸送液滴；執(zhí)行精確的切割；執(zhí)行對角線切割；執(zhí)行共面切割；沿對角線合并液滴；使液滴變形以加速混合；通過不均勻往復混合器改進混合速度；通過循環(huán)混合器改進混合速度；通過多層混合器改進混合速度；本文所述的其它先進的微流體操作；和/或上述的任何組合。 液體儲存和液滴產(chǎn)生來自端口的液體儲存在貯液器中。貯液器可以在EWOD裝置上以允許液滴進、出的大電極區(qū)域的形式產(chǎn)生?；綥OC應當最少具有三個貯液器一個用于樣品裝載，一個用于反應物，一個用于收集廢液滴，但這取決于應用?？赡軙枰谒膫€忙液器用于校準溶液(calibrating solution)。每個忙液器應具有用以允許產(chǎn)生液滴或收集液滴的獨立控制。在另一實施方式中，F(xiàn)PLOC具有自調(diào)節(jié)所裝載的樣品或反應物相對于貯液器的位置的能力。這意味著可以避免對精確定位輸入端口的需要以及避免經(jīng)輸入端口將樣品和反應物傳遞到貯液器的困難操作。圖14A示出了裝載的樣品斷開成液滴1420和液滴1430，它們都未精確定位在貯液器1440的頂部。液滴1420甚至與貯液器1440不具有任何重疊。對于常規(guī)的LOC，難以將液滴1420重定位到貯液器1440中。而即使樣品液滴1420被裝載為偏離了貯液器，通過激勵臨時配置電極1460以將液滴1420拉到與貯液器1440重疊的位置，也可實現(xiàn)本發(fā)明的這種自定位實施方式。隨后對臨時配置電極1460去除激勵并且對貯液器1440進行激勵，以將樣品準確地定位到貯液器中，如圖14B所示。圖15表示FPLOC液滴產(chǎn)生過程的一個實施方式。常規(guī)地，必須要用專門形狀的貯 液器1530以及疊置電極1535來產(chǎn)生液滴。在本發(fā)明中，貯液器1530的形狀可以是方形(方形貯液器1515)，并且不需要疊置電極1535。在另一實施方式中，貯液器1515的形狀可以通過設計微電極陣列根據(jù)設計需要而為任何其它形狀。如圖15所示，液滴的產(chǎn)生是指從方形貯液器1515擠出液滴1550的過程。為了啟動液滴產(chǎn)生過程，首先激勵臨時電極1530作為拉回(pull-back)電極，然后激勵另一臨時電極1535以擠壓液體。隨后，通過激勵相鄰序號的配置電極1540，從貯液器1515擠出液體指狀物(liquid finger)，最終產(chǎn)生液滴1550。每個配置電極1540包括配置的4X4個微電極，因而為方形。在本發(fā)明中，配置電極1540的尺寸可以在從幾十微米到幾毫米的范圍，但不限于此范圍。配置電極的形狀可以為方形或其它形狀。在本發(fā)明中，貯液器可以是方形、圓形或其它具體形狀。圖16示出了本發(fā)明的稱為“液滴等分”的具體液滴產(chǎn)生過程的實施方式。液滴等分是使用微電極陣列結(jié)構(gòu)首先通過微電極或小尺寸的配置電極從貯液器1610產(chǎn)生更小的液滴1615，然后通過激勵配置電極1620將更小的液滴1615收集在一起，以形成更大的液滴1630。常規(guī)地，液滴尺寸近似于電極的尺寸，并不存在用以控制液滴體積的更精確的方式。本發(fā)明中，液滴等分可用于實現(xiàn)對液滴體積的更精確的控制。此外，以反向方式，此技術可用于通過計算從液滴1630可產(chǎn)生多少個更小的液滴1615來測量更大液滴1630的體積，如圖16所示。液滴的輸送圖17是示出FPLOC的液滴輸送實施方式的圖。如圖所示，有9個相鄰的配置電極1731到1739。每個配置電極包括配置的IOX 10個微電極，因而為方形。液滴1750位于中心配置電極1735的頂部。在常規(guī)的微流體輸送操作中，液滴1750在這種方形電極設置下只能沿南北和東西方向由配置電極1735激勵。例如，通過激勵配置電極1734并對配置電極1735去除激勵，將使液滴從配置電極1735移動到配置電極1734上。但是，這種常規(guī)操作將不能夠使液滴1735從配置電極1735沿對角線移動到任一個配置電極1731、1733,1737或1739上，因為這四個配置電極與液滴1750不具有物理重疊。這種液滴不覆蓋四個角的限制總是存在于從典型液滴產(chǎn)生過程產(chǎn)生液滴的情況中。為了沿對角線移動液滴，本發(fā)明的一個實施方式是作為臨時步驟激勵配置電極1760，然后激勵期望的配置電極1733并對臨時配置電極1760去除激勵，因而可將液滴1750沿對角線移動到期望的配置電極1733中。如圖17所示，基于本發(fā)明，液滴1750可在方形電極設置中沿所有8個方向移動。此外，液滴的輸送不限于8個方向。如果相鄰配置電極處于這8個方向之外,則仍可激勵臨時配置電極以將液滴輸送到目的地。液滴路由常規(guī)地，LOC具有用以連接LOC的不同部分以輸送液滴的輸送路徑電極440,如圖4A所不。本發(fā)明中，F(xiàn)PLOC的液滴路由的一個實施方式不需要用于輸送液滴的固定輸送路徑，如圖18所示。而是利用液滴路由將多個液滴從多個起始位置同時移動到目的地。很明顯，F(xiàn)PLOC的路由處理將非常不同于常規(guī)的微流體設計并且比常規(guī)的微流體設計更為有效，因為通過激勵不同的微電極，基本上可沿包括對角線在內(nèi)的任何方向移動。液滴1850、1851和1852處于它們的起始位置，如圖18所示。液滴1850和液滴1852將在配置電極1810處混合，并且液滴1851將輸送到配置電極1820。與傳統(tǒng)的VLSI路由問題不同，除了路由路徑選擇，生物芯片路由問題需要解決在由流體屬性施加的實際限制以及合成結(jié)果的時序限制下的液滴時間表安排的問題。如果不考慮污染，則可通過選擇路線I860使液滴1851首先移動，并且可通過選擇路線1840使液滴1852移動。這里所需要考慮的是安排液滴1851和1852的輸送時序，使得它們在移動到它們的目的地的同時不會碰撞在一起。如果考慮污染，則1851可以選擇路線1861以避免液滴移動路線上的任何重疊。此外，對于要在配置電極1810處合并的兩個液滴1850和1852，必須要考慮安排液滴激勵的時序，因此路線1830和路線1840的長度差可成為考慮因素，從而具有最佳的混合效果。當在FPLOC上執(zhí)行的應用越來越復雜時，將需要自上而下的設計自動化，以限定FPLOC上的液滴的路由 和時序。在定義了生物醫(yī)療微流體功能之后，利用體系級(architectural-level)合成來向FPLOC資源提供微流體功能并且將微流體功能映射到激勵的時間步驟中。臨時橋接本發(fā)明利用FPLOC輸送和移動液滴的稱為“臨時橋接技術”的另一實施方式如圖19A-19C所示。液滴切割和蒸發(fā)有時會使液滴變得太小，液滴不能由電極可靠地激勵。圖19A表示由間隙1960彼此分離的兩個配置電極1930和1940。液滴1950位于左側(cè)配置電極1930上。在兩個配置電極1930與1940之間的間隙1960足夠?qū)挘员隳芨綦x兩個配置電極1930和1940，使得位于左側(cè)配置電極1930上的液滴1950不會接觸下一個相鄰配置電極1940。圖19A示出了在常規(guī)的液滴輸送中，液滴1950從配置電極1930到配置電極1940中的移動通常失敗，因為配置電極1940與液滴1950不具有用以改變其表面張力的物理重疊。圖19B示出了來自圖19A的液滴1950輸送到期望的配置電極1940中。在這個過程中，由“齒狀”區(qū)域1970覆蓋的微電極被激勵。齒狀配置電極1970局部覆蓋左側(cè)配置電極1930、間隙1960以及整個下一個配置電極1940。如圖19B所示，“齒狀”配置電極1970與液滴1950具有物理重疊，并且如圖19B所示，配置電極1970的激勵將使液滴1950在配置電極1970的頂部移動。圖19C示出了完成向期望的配置電極1940的液滴輸送。在液滴1950移動到期望的配置電極1970之后，“齒狀”配置電極1970被去除激勵，下一個配置電極1940被激勵，以將液滴1950布置和定位到期望的方形配置電極1940中。電極列激勵本發(fā)明利用FPLOC輸送和移動液滴的又一實施方式稱為“電極列激勵”。液滴切割和蒸發(fā)有時會使液滴變得太小，液滴不能由電極可靠地激勵。如圖20A所示，有時液滴2050變得太小以至于小于電極2010并且與相鄰的電極2011不具有物理重疊。在這種情形下，即使電極2011被激勵，液滴2050也不會移動到電極2011中，液滴會粘留在系統(tǒng)中。沖走粘留液滴的一種有效方式是利用電極列激勵。激勵電極布置成多列以執(zhí)行電極列激勵，如圖20B所示。這里，每列配置電極列2020包括IX 10個微電極，三列配置電極列組合在一起以執(zhí)行電極列激勵，如圖20B中標記為黑色的部分所示。默認的列寬度是一個微電極，但是取決于應用也可以是其它數(shù)量。最有效的電極列激勵是具有一組電極列，其寬度稍大于液滴的半徑。這就是為什么在這里將三列組合在一起的原因。列的長度取決于應用，通常情況下越長越好。對于用以移動液滴2050的這種三列配置，在首位的配置電極列2022之前，配置電極列2021被激勵，尾隨的配置電極列2022被去除激勵。以這種方式，不管液滴的尺寸如何，三列配置電極列總是提供最大有效長度的接觸線。結(jié)果，液滴能夠有效、平滑地移動，因為液滴上的毛細力是一致的并且被最大化。因此，液滴能在比常規(guī)液滴操作中的驅(qū)動電壓低得多的驅(qū)動電壓下移動。這種電極列驅(qū)動技術可用于通過在低得多的驅(qū)動電壓下的平滑移動來輸送液滴。此外，由于這種技術的一致的毛細力，通過以低速推進配置電極列，可以實現(xiàn)對液滴速度(尤其在低速情形中)的控制。實驗表明在臨界驅(qū)動電壓下，電極列激勵的這種平滑、有效的驅(qū)動能力更為明顯。已經(jīng)觀察到在低于8Vp-p IkHz方波驅(qū)動電壓并且在80 μ m的間隙的條件下，在IOcSt硅油中緩慢但平穩(wěn)地移動DI水滴(I. Imm直徑)。長度可以被配置為LOC的總長度，使得電極列激勵的單次沖刷可以洗刷掉 LOC中的所有無效液滴(dead droplet)。圖20C示出了小液滴2050移出配置電極2010。液滴切割使用FPLOC的三個配置電極來切割液滴。本發(fā)明用于執(zhí)行FPLOC的液滴的典型三電極切割的一個實施方式如圖21A-21C所示。使用三個配置電極，并且待切割的液滴位于如圖21A所示內(nèi)部配置電極2111的頂部并與外部配置電極2110和2112具有部分重疊。在切割期間，外部的兩個配置電極2110和2112被激勵，并且內(nèi)部配置電極2111被去除激勵，液滴2150擴展開來從而潤濕外部兩個電極。通常而言，兩個外部配置電極2110和2112引發(fā)的親水力拉伸液滴，同時中央的疏水力將液體夾斷為兩個子液滴2151和2152，如圖21C所示。精確切割本發(fā)明用以實現(xiàn)類似于三電極切割的精確切割的一個實施方式如圖22A-22C所示。精確切割也起始于待切割的液滴位于內(nèi)部配置電極的頂部。但是代替使用外部的兩個配置電極2210和2212來切割液滴，利用電極列激勵技術來朝著配置電極2210和2212緩慢但穩(wěn)固地拉動液滴2250，如圖22A所示。這里，使用兩組5列配置電極列2215和2216(在圖22A中標記為黑色)來拉開液滴。圖22B示出了通過一次推進一個微電極列，使得兩組電極列組保持相分離地移動。兩組電極列組2215和2216引發(fā)的親水力拉伸液滴。當電極列組2215和2216到達配置電極2210和2212的外緣時，所有配置電極列被去除激勵，并且配置電極2210和2212被激勵，以將液體夾斷為兩個子液滴2251和2252，如圖22C所示。對角線切割圖23A-23C示出了本發(fā)明用以執(zhí)行對角線切割的實施方式。對角線切割起始于將待切割液滴移動到臨時配置電極2312上，其中臨時配置電極2312位于四個配置電極2310、2311、2313和2314的接合角(joint corner)的中心。在液滴完全位于四個配置電極的接合角的中心之后，臨時配置電極2312被去除激勵，并且配置電極2310和配置電極2311被激勵，液滴2350被拉伸到液體柱中，如圖23B所示。為了將液體夾斷為兩個子液滴，需要將配置電極2310和2311的內(nèi)角去除激勵，以在液滴2350的中部產(chǎn)生必要的疏水力。圖23C示出了 L形臨時配置電極2315和2316被激勵，以進一步拉伸液滴使其間僅具有薄的頸部，在中部的疏水力隨后有助于將液滴2350夾斷為兩個子液滴2351和2352。最后，配置電極2310和2311被再次激勵，以將液滴2351和2352中心定位到配置電極2310和2311中，如圖23D所示。圖24A-24C示出了在FPLOC的開放表面上的液滴切割過程。圖24A示出了液滴2450位于左側(cè)配置電極2440上。液滴2450將被切割成兩個子液滴2470，如圖24C所示。液滴切割過程大致包括下面兩個過程。首先，通過在適當?shù)碾妷合录钆渲秒姌O2430，將待切割液滴2450拉伸為薄的液體柱2460。這可以從圖24B中看出。這種“薄的”液體柱通常是指具有小于起始液滴直徑的寬度的液體柱。接下來，激勵兩個預選的配置電極2440和2420，以切割液滴2470并將其中心定位到這兩個配置電極2440和2420中，如圖24C所示。共面切割的關鍵在于在液滴與外部的兩個配置電極之間具有足夠的重疊，以便具有足夠的毛細力來克服液滴的曲率以執(zhí)行切割。在一個實施方式中，當液體柱2460由于水動力不穩(wěn)定性而被切割成多個液滴時，發(fā)生被動切割。在另一實施方式中，被動和主動切割都被本發(fā)明采用。在液滴被拉伸成薄的液體柱的同時，可利用被動力或主動力來將起始液滴斷開成兩個更小的液滴。當利用被動力時，對液體柱長度的計算很重要。當利用主動力時，優(yōu)化的長度并不重要。不管是被動切割還是主動切割，在切割過程的最后步驟，配置電極2440和2420被正常地激勵，以便將液滴定位到期望的配置電極中。在另一實施方式中，被動或主動切割過程在FPLOC的開放表面結(jié)構(gòu)下進行。圖24C示出了當液滴2450被切割成兩個液滴2470時完成切割。混合、培育和反應混合分析物和反應物是實現(xiàn)FPLOC時的關鍵步驟。液滴用作虛 擬混合室，并且通過沿著電極陣列輸送液滴來發(fā)生混合。在利用最小區(qū)域的同時快速地混合液體的能力極大地改善了產(chǎn)量。然而，隨著微流體裝置接近子毫微升時代，降低的體積流速和非常低的雷諾(Reynolds)數(shù)導致難以以合理的時標(time scale)實現(xiàn)對這種液體的混合。改進的混合基于兩個原理以這種小尺寸產(chǎn)生渦流的能力，或者可選地，產(chǎn)生多層以經(jīng)由擴散實現(xiàn)快速混合的能力。有時也需要在升高的溫度下的培育步驟，例如用于PCR放大。在如圖25所示的FPLOC的一個實施方式中，液滴2550放置在被集成到襯底2521中的微加熱元件2530上方。還通過CMOS制造技術建立加熱器控制/監(jiān)視器2532，并將其集成到FPLOC中。本發(fā)明用于執(zhí)行FPLOC的基本合并或混合操作的一個實施方式如圖26A-26B所示，其中兩個液滴2650和2651被組合成單個液滴2653。在本發(fā)明中，術語“合并”和“混合”可互換地使用，用以表示兩個或更多個液滴的組合。這是因為合并兩個液滴并不總是直接或立即地導致初始分離的液滴的成分的完全混合。在圖26A中，兩個液滴2650和2651初始位于配置電極2610和2612上，并由至少一個其間的配置電極2611分離。兩個液滴2650和2651與配置電極2611至少都具有部分重疊。如圖26B所示，外部的兩個配置電極2610和2612被去除激勵，中心配置電極被激勵，由此液滴2650和2651沿著中心配置電極2611相互牽引，以合并成一個更大的液滴2653，如圖26B中的箭頭所示。圖27A-27C示出了通過用以產(chǎn)生FPLOC的渦流的不均勻幾何運動來實施液滴操縱的有效混合過程。通過激勵配置電極2751和2771，使液滴2750和2770變形，如圖27B所示；由此使液滴2750變高，使液滴2770變胖。然后，中心配置電極2760被激勵，以將液滴2750和2770拉到混合配置電極2760 (標記為黑色)中，如圖27C所示。在圖27B中，黑色區(qū)域表示兩個被激勵的配置電極2751和2771不僅使兩個液滴2750和2770變形，并且將它們局部牽引到中心配置電極2760中。圖27B所示的這種臨時激勵步驟也有助于兩個液滴的平滑混合移動。圖27B-27C中的黑色區(qū)域和變形液滴的形狀僅為例示的目的。在本發(fā)明中，這些形狀根據(jù)需要可以為任意類型。圖28A和28B示出了用于改進混合速度的微電極陣列混合器。在一個實施方式中，可使用不均勻往復混合器來加速液滴混合。這可通過激勵一組微電極以產(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)圖案來實現(xiàn)，其中不可逆轉(zhuǎn)圖案破壞了兩個循環(huán)的對稱性以改進混合速度。初始狀態(tài)在圖28A中示出，其中液滴2850包含樣品和反應物，并位于配置電極2840的頂部。用于不均勻往復混合的第一個步驟是激勵配置電極2860以使液滴2850朝著圖28B中所示的箭頭方向變形。然后，配置電極2860被去除激勵，并且配置電極2840被激勵以將液滴拉回到圖28A所示的初始位置。往復混合可執(zhí)行多次，以實現(xiàn)優(yōu)化的混合效果。此外，圖28A和28B中的配置電極2840和變形液滴的形狀僅為例示的目的。在本發(fā)明中，這些形狀可以為任意類型的設計，只要它們具有產(chǎn)生渦流的能力，或可選地，具有產(chǎn)生多層的能力。在基于PFLOC液滴的混合過程的又一實施方式中，圖29示出了用于改進混合速度的循環(huán)混合器。這可通過激勵更小的微電極組的序列以產(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)水平循環(huán)來實現(xiàn)，其中不可逆轉(zhuǎn)水平循環(huán)破壞了垂直層循環(huán)的對稱性以加速混合。如圖29所示的一個實施方式是形成包圍液滴2990的八個配置電極(2910、2920、2930、2940、2950、2960、2970和 2980)，然后以循環(huán)的方式順序地逐個激勵配置電極。例如，作為第一個步驟，配置電極2910被激勵較短的時間段，以導致表面張力改變并且朝著配置電極2910在液滴2990的內(nèi)部產(chǎn)生循環(huán)。接下來，配置電極2910被去除激勵，隨后激勵下一個相鄰配置電極2920。通過全部八個配置電極(2910到2980)重復循環(huán)激勵過程，以在液滴2990內(nèi)部產(chǎn)生水平循環(huán)。此循環(huán)流激勵可根據(jù)需要執(zhí)行多次。此外，循環(huán)流可順時針、逆時針或者這兩種方式的交替混合來執(zhí)行，以實現(xiàn)最佳混合效果。此外，配置電極2910到2980以及循環(huán)的形狀僅為例示的目的。在本發(fā)明中，這種循環(huán)混合可以是任何類型的設計，只要它們具有產(chǎn)生渦流的能力，或可選地，具有產(chǎn)生多層的能力。多層混合器本發(fā)明以小尺寸(2X2個配置電極)但有效的混合器產(chǎn)生多層以加速混合的一個實施方式可以如圖30A-30F所示。這種多層混合器對于低縱橫比(< I)的情形尤其有用?？v橫比是指電極板和接地板之間的間隙與電極尺寸的比。低縱橫比意味著更難以在液滴內(nèi)部產(chǎn)生渦流，因而產(chǎn)生多層的能力變得更加重要。在此具體混合器中利用對角線混合和對角線切割。在圖30A中，在配置電極3014處的黑色液滴3051與在配置電極3011處的白色液滴3050混合。臨時配置電極3010將成為混合室，并將被激勵以拉入液滴3051和3050。為了啟動多層混合，第一個步驟是沿對角線合并兩個液滴。液滴合并的對角線方向可以是45度或135度，但是隨后對角線切割的方向需要垂直于合并操作。圖30B表示將液滴3051和液滴3050第一次合并成為黑白液滴3052。由于低雷諾數(shù)和低縱橫比，液滴3052具有單純基于擴散的靜態(tài)混合，其導致較長的混合時間，因此液滴顯示為一半為白色，一半為黑色。第二個步驟是要對液滴3052執(zhí)行與起始對角線混合呈90度的對角線切割，如圖30C所示。在臨時配置電極3010被去除激勵的同時，配置電極3012和3013以及其它臨時配置電極被激勵，以將液滴3052沿對角線切割成兩個子液滴3053和3054，如圖30C所示。對角線切割的細節(jié)已在前面的段落中討論。由于低混合率，因此兩個子液滴3053和3054在對角線切割之后以相同的方位保持黑/白疊層。然后，多層混合的第三個步驟是將兩個液滴移回到起始配置電極上，以重復對角線混合和切割。在圖30D中，液滴3054從配置電極3012移動到配置電極3011上，并且液滴3053從配置電極3013移動到配置電極3014上。需要考慮的是在液滴3053和3054移動的同時避免它們的合并。對配置電極3012和3013去除激勵以及對配置電極3011和3014激勵的簡單液滴移動操縱可能會導致兩個液滴在移動的同時發(fā)生物理接觸，然后兩個液滴可能會合并在一起。因此，臨時配置電極3015和3016需要首先被激勵，以在兩個液滴之間產(chǎn)生保護區(qū)，用以在兩個液滴朝著它們的目的地移動的同時防止出現(xiàn)任何意外合并。在液滴3053和3054移動到配置電極3016和3015中之后，徑直向前將兩個液滴移動到配置電極3011和3014中。第一個步驟到第三個步驟可以重復，以產(chǎn)生用以加速混合的必要數(shù)量的多層。作為重復從第一個步驟到將圖30D中的液滴3053和3054沿對角線合并成為液滴3055的結(jié)果，圖30E示出了四層液滴3055。圖30F示出了在經(jīng)歷了從多層混合的第一個步驟到第三個步驟的另一循環(huán)之后得到的八層液滴3056。檢測(圖8中的840):通常以下述方式之一來發(fā)出檢測信號研究帶標簽和不帶標簽的分析物的競爭性結(jié)合；使用專用于固相分析物的帶標簽的分子；形成夾心測定；或執(zhí)行酶聯(lián)免疫吸附測定(ELISA)，其中添加活性酶襯底以在與酶聯(lián)分析物交互作用時改變顏色或熒光。越來越多的研究論文在探討將檢測集成到微流體芯片的技術，尤其是那些相比吸光率或突光檢測在尺寸微型化上更好的技術。本發(fā)明的一個實施方式是基于CMOS技術將感測裝置集成到FPLOC中，如圖31所示，其中傳感器(3130、3131和3132)可以與底板3121、頂板3120、液滴3150&3151、傳感器探針3180以及微電極3130相關聯(lián)地設置。通常基 于無電流情況下的電位測量執(zhí)行操作的集成電位計傳感器3130正在通過傳感器探針3180測量液滴3150。通常利用在兩個電極之間施加電位時產(chǎn)生的電流執(zhí)行操作的安培計傳感器3132被顯示為通過傳感器探針3181測量液滴3151。阻抗計傳感器3131被集成到了底板3121中，以監(jiān)視酶的催化反應或者特異結(jié)合蛋白、凝集素、受主、核酸、全細胞、抗體或抗體相關物質(zhì)的生物分子識別事件。檢測I/O端口也可用于光學感測及反饋以控制FPLOC內(nèi)部的快速液體運動的目的。系統(tǒng)控制(圖8中的850):本發(fā)明用于FPLOC系統(tǒng)控制塊的一個實施方式如圖32所示。系統(tǒng)控制塊的主要功能在于實現(xiàn)FPLOC的現(xiàn)場可編程能力。從軟件和硬件的角度來看，對FPLOC的數(shù)字可編程能力存在不同等級的要求。圖32表示FPLOC的分級軟件結(jié)構(gòu)。場編程管理(FPM)軟件3210是最低層的軟件，其將FLB配置到微流體組件以及用于微流體組件的布局/網(wǎng)絡中，以形成FPL0C。微流體操作編程管理(MOPM) 3220軟件是上升一級(one level up)的功能，用以控制和管理微流體操作。此步驟設定了微流體操作將如何在FPLOC中執(zhí)行以及微流體操作的順序。對于想關注應用的用戶而言，他們可以利用一組預定義的和經(jīng)驗證的微流體元件并且利用對流體操作排序的可編程性的優(yōu)點，完成FPLOC的整個設計。對于想優(yōu)化FPLOC的整個設計并利用FPLOC的靈活結(jié)構(gòu)的優(yōu)點的更高級的用戶而言，他們可以直接建立微流體組件并直接編程微流體操作。FPM軟件和MOPM軟件都是FPLOC芯片級的軟件。系統(tǒng)管理3230是管理應用專用要求的應用級功能，其包括系統(tǒng)分隔和集成3231、檢測3232、數(shù)據(jù)管理3233以及外圍組件管理3234。系統(tǒng)分隔和集成(圖32中的3231):商用裝置的總體趨勢已成為制造簡單的一次性裝置，它們被設計為與容納所需的控制電子器件、反應物供應、檢測器以及程序設計的更昂貴的盒子進行接口連接。因而微流體裝置可能僅執(zhí)行有限的一組操作，比如液體輸送、分離或感測。然后此裝置被使用了一次因而被丟棄。這種復雜度也產(chǎn)生了對系統(tǒng)元件的可能分隔以分開哪些是一次性的、哪些是可再利用的需求，以減少整個解決方案的成本。檢測和數(shù)據(jù)存儲/顯示(圖32中的3232):尤其對于同時發(fā)生的多個定量測量的測定，將需要CPU能力和軟件。在這個過程期間，也將需要一些測定校準。在獲取測定結(jié)果之后，將需要定義和實現(xiàn)如何以具體格式顯示、報告和存儲數(shù)據(jù)。至少具有幾個不同的可能的系統(tǒng)配置用于FPLOC (I)原型和測試系統(tǒng)配置；(2)桌面機器配置；(3)便攜式機器配置；以及(4)獨立式生物芯片配置。用于FPLOC的原型和測試系統(tǒng)配置的一個實施方式如圖33所示。從根本上講，原型和測試系統(tǒng)配置提供了一種技術評估和開發(fā)的工具，用以使研究者在概念系統(tǒng)級原型環(huán)境的證明下快速、有效地實現(xiàn)其微流體技術。原型和測試系統(tǒng)配置是相對開放和用戶可存取的，其經(jīng)由提供標準模塊功能塊和這些塊之間的標準接口來實施。原型和測試系統(tǒng)配置的功能塊在圖33中示出。原型和測試系統(tǒng)配置包括用于流體泵送的流體接口 3340 ;用以固定FPL0C3360的固定裝置3350 ;用于提供輔助驅(qū)動器(功能產(chǎn)生器3321和高壓放大器3322)和數(shù)據(jù)管理A-D卡3323的驅(qū)動器子系統(tǒng)3320 ；FPGA板3330 ;光學模塊3370 ；以及用于控制和分析芯片功能的PC3310。然后，原型和測試系統(tǒng)配置提供用于FPLOC原型的硬件、軟件驅(qū)動器、芯片布局、設計檢查以及現(xiàn)場可編程性，從而實現(xiàn)在微流體中的概念證明(proof-of-concept)研究。原型和測試系統(tǒng)配置可能支持用于微流體媒介的光學表征的 兩個主要工具視頻檢測和激光誘導熒光分析(LIF)。視頻功能是用于微流體操作的功能的攝影記錄。提供用戶界面來經(jīng)由計算機控制泵、流量計、壓力傳感器和激光誘導熒光分析(LIF)單元。原型和測試系統(tǒng)配置包括支持這些功能的主機PC。與這種中央驅(qū)動器計算機的連接是通過RS-232和USB連接實現(xiàn)的。參照圖34A，在桌面機器配置的一些實施方式中，提供編程的FPLOC作為具有桌面裝置3415的測試生物芯片3410。圖34A示出了桌面裝置3415的外觀以及用于插入編程的FPL0C3410的槽3416。在桌面裝置3415中包括用于感測測試結(jié)果的內(nèi)置檢測傳感器、裝置控制按鈕3418以及顯示器3417。參照圖34B，在便攜式機器配置的另一實施方式中，提供編程的FPLOC作為具有便攜式裝置3425的測試生物芯片3420。圖34B示出了便攜式裝置3425的外觀以及用于插入編程的FPL0C3420的槽3426。在便攜式裝置3425中包括用于感測測試結(jié)果的內(nèi)置檢測傳感器、裝置控制按鈕3428以及顯示器3427。本發(fā)明的FPLOC的便攜性有助于在診所、手術室、急診室、小型實驗室等寬范圍的各種場所中以及在用于能在關鍵情形下帶來較快周轉(zhuǎn)時間的快速診斷的領域中的醫(yī)療點(point-of-care)或需要點(point-of-need)使用。圖34C示出了獨立式生物芯片配置的另一實施方式，其中提供編程的FPLOC作為獨立式生物芯片3430。圖34C示出了獨立式生物芯片3430的外觀以及用于將樣品收集到芯片中的樣品收集裝置3439。用于感測測試結(jié)果的檢測傳感器、預裝載的反應物以及系統(tǒng)控制單元都集成到芯片中。通過使用微電極陣列，應用現(xiàn)場可編程永久顯示技術來顯示測試結(jié)果3437。此外，由于即使芯片斷電，顯示的結(jié)果也不會消失，因此可用于測試記錄。如圖34C所示的大規(guī)模制造的低成本的一次性的發(fā)明可有助于在診所、手術室、急診室、小型實驗室等寬范圍的各種場所中以及在用于能在關鍵情形下帶來較快周轉(zhuǎn)時間的快速診斷的領域中的醫(yī)療點或需要點使用。數(shù)據(jù)管理和轉(zhuǎn)移(圖32中的3233) =FPLOC的一個實施方式是使用新興信息技術，其允許FPLOC的不同技術配置必要地連接到醫(yī)療保健信息系統(tǒng)。需要FPLOC通信設計用以
(I)使FPLOC分析器自信息系統(tǒng)可存取；(2)通過標準化格式組織所有的以多種方式獲取的數(shù)據(jù)；(3)允許FPLOC對于非專業(yè)用戶而言容易使用；(4)保持不同的存取等級，以避免對這種敏感數(shù)據(jù)的未授權(quán)操縱。其它外圍組件(圖32中的3234):在FPLOC系統(tǒng)配置的另一實施方式中，應當考慮諸如小型熱打印機之類的其它外圍組件，以在需要測定結(jié)果的立即硬拷貝的情況下使用?；蛘呖紤]可將存儲的測定數(shù)據(jù)輸送到LAB或其它數(shù)據(jù)庫以用于處理的USB存儲器。條形碼掃描器也是流行的用于管理樣品的現(xiàn)有POCT裝置。在聯(lián)網(wǎng)能力可被集成到系統(tǒng)中之前，以有線連接或無線連接聯(lián)網(wǎng)的能力也被視為通信外圍組件功能。 在制造FPLOC的一些實施方式中，取決于應用需要，用于FPLOC的底層制造技術可以是基于半導體、薄膜晶體管(TFT)陣列、PCB、塑料或紙張的技術。標準CMOS和TFT制造技術是優(yōu)選的技術。通過利用標準CMOS制造工藝來制造FPLOC的一個實施方式如圖35的框圖所示。FPLOC的兩個主塊是系統(tǒng)控制塊3550和流體邏輯塊(FLB) 3510。正常情況下，根據(jù)應用和制造技術的限制，系統(tǒng)僅需要一個系統(tǒng)控制塊3550，但需要多個FLB3510。 微電極陣列通過以菊鏈方式連接在一起的FLB來實現(xiàn)。FLB的數(shù)量由應用以及主要地由制造技術的限制來確定。一個FLB包括高壓驅(qū)動微電極3530、一位(one bit)存儲器地圖數(shù)據(jù)3520以及控制電路3540。高壓驅(qū)動微電極3530是可通過施加必要的電壓被激勵以便激勵液滴的物理微電極。一位存儲器地圖數(shù)據(jù)3520保持微電極的激勵的邏輯值，典型地，“I”代表對微電極進行激勵而“O”代表對微電極去除激勵?？刂齐娐?540管理控制邏輯并形成FLB的菊鏈結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)控制3550包括四個主塊控制器3560、芯片布局3570、液滴位置地圖3580以及流體操作管理器3590?？刂破?560是CPU，并具有必要的內(nèi)存空間、接口電路和軟件編程能力。取決于制造技術，控制器3560可被集成作為制成品的一部分，或者可以為附接的外部裝置。芯片布局塊3570是存儲配置電極的配置數(shù)據(jù)以及FPLOC布局信息和數(shù)據(jù)的存儲器。液滴位置地圖3580反映出FPLOC上的液滴的實際位置。通過激勵“配置電極”序列，流體操作管理器3590將布局信息、液滴位置地圖以及來自控制器3560的FPLOC應用轉(zhuǎn)譯成對液滴實施的物理激勵。在一個實施方式中，F(xiàn)PLOC提供現(xiàn)場可編程性，使得LOC的電極和整體布局都可通過軟件編程。微流體裝置或嵌入系統(tǒng)如果其(存儲在諸如ROM之類的非易失性存儲器中的)固件可以“在場中”被修改，而無需拆解裝置或?qū)⒀b置返回其制造商，則可以說是現(xiàn)場可編程的或現(xiàn)現(xiàn)場可編程的。FPLOC的現(xiàn)場可編程性或軟件配置通過系統(tǒng)控制3550和FLB3510來實現(xiàn)。電極的形狀和尺寸設計以及FPLOC布局信息和數(shù)據(jù)被存儲在芯片布局塊3570內(nèi)部的非易失性存儲器中，如圖35所示。包括臨時電極的被激勵電極的信息被存儲在液滴位置地圖3580中的非易失性存儲器中。然后，軟件配置數(shù)據(jù)通過一位存儲器地圖數(shù)據(jù)3520傳遞給每個微電極3530。一組微電極的成組(grouping)、激勵、去除激勵實際上通過FLB3510的配置來執(zhí)行。此外，所有的FLB3510都是軟件可連接的，并且在物理上為可利用標準制造技術制造的單片集成形式。圖36示出了 FLB陣列3600的電學設計的一個實施方式，其中FLB陣列3600包括基于標準CMOS制造技術以菊鏈配置的很多FLB3620。菊鏈是在電學工程設計中使用的布線方式。在微電極的尺寸持續(xù)縮小并且微電極的數(shù)量持續(xù)增長的同時，互連將呈指數(shù)性增多，并將變得太復雜以至于不能管理系統(tǒng)的規(guī)模。通過利用菊鏈方式，簡化了每個FLB3620之間的連接，并且FLB的互連將不會隨著FLB的數(shù)量增加而增多，由此可實現(xiàn)可擴展的并且更簡潔的布局設計。每個FLB3620包含用于存儲激勵信息的存儲裝置(比如D觸發(fā)器3610)以及用于激勵微電極3630的高壓電路。當施加信號VIN時,根據(jù)觸發(fā)器3610的輸出值,微電極3630將被激勵或去除激勵。SQ信號控制方波而不是穩(wěn)態(tài)DC施加到微電極。在激勵微電極陣列之前，通過數(shù)據(jù)信號ED中的時鐘來加載觸發(fā)器3620的值。諸如D觸發(fā)器3610之類的一位存儲裝置也可以是其它觸發(fā)器設計或其它數(shù)據(jù)存儲應用。圖37示出了 FLB陣列制成品的橫截面。在一個實施方式中，使用了三層金屬層以及一層聚乙纟布層(poly layer)。底層是襯底3760，它上面的層是控制電路層3750。控制電路、觸發(fā)器和高壓驅(qū)動器都包含在位于微電極3740和3770正下方的3751的區(qū)域中。三層金屬層用于制作微電極3740、3770以及地線3730。此電極和地線結(jié)構(gòu)的頂視圖如圖5A所示。利用電壓來應用被激勵的微電極3740，并且微電極3770是待用的。微電極的頂部是介電層3710。在本實施方式中，地線3730不被介電層3710覆蓋，以減小所需的激勵電壓。在最上面，涂覆有疏水膜3720以降低表面的潤濕性。如果從頂部觀看，僅能看到微電極陣 列，而不會看見隱藏在微電極下面的電路。這種自包含微電極結(jié)構(gòu)是在制造FLB時具有極聞可擴展性的關鍵。通過利用薄膜晶體管(TFT)陣列制造工藝來制造PFLOC的另一實施方式如圖38A中的框圖所示。兩個主塊是系統(tǒng)控制塊3850和有源矩陣塊(AMB) 3800。系統(tǒng)控制塊3850包括四個主塊控制器3860、芯片布局3870、液滴位置地圖3880以及流體操作管理器3890。控制器3860是CPU，并具有必要的內(nèi)存空間、接口電路和軟件編程能力。芯片布局塊3870是存儲配置電極的配置數(shù)據(jù)以及LOC布局信息和數(shù)據(jù)的存儲器。液滴位置地圖3880反映出LOC上的液滴的實際位置。通過激勵“配置電極”序列，流體操作管理器3890將布局信息、液滴位置地圖以及來自控制器3860的LOC應用轉(zhuǎn)譯成對液滴實施的物理激勵。在一個實施方式中，LOC的現(xiàn)場可編程性或軟件配置由系統(tǒng)控制3850來實現(xiàn)?？刂破?860是CPU，并具有必要的內(nèi)存空間、接口電路和軟件編程能力。取決于制造技術，控制器可被集成作為制成品的一部分，或者可以為附接的外部裝置。電極的形狀和尺寸設計以及LOC布局信息和數(shù)據(jù)被存儲在芯片布局塊3870內(nèi)部的非易失性存儲器中，如圖38A所示。液滴位置地圖反映出FPLOC上的液滴的實際位置。包括臨時電極的被激勵電極的信息被存儲在液滴位置地圖3880中的非易失性存儲器中。流體操作管理器3890將布局信息、液滴位置地圖以及來自控制器的FPLOC應用轉(zhuǎn)譯成通過激勵“配置電極”序列對液滴實施的物理激勵。然后，對配置電極的成組、激勵和去除激勵的數(shù)據(jù)以逐幀的方式發(fā)送給有源矩陣塊(AMB) 3800。在另一實施方式中，AMB3800包括五個主塊有源矩陣面板3810、源極驅(qū)動器3820、柵極驅(qū)動器3825、DC/DC轉(zhuǎn)換器3840以及AM控制器3830，如圖38B所示。在有源矩陣面板3810中，在共享的基礎上使用柵極總線3815和源極總線3814，但是每個微電極3812通過選擇位于行端部和列端部的兩個適當接觸焊盤而為單獨可尋址的，如圖38B所示。開關裝置使用由沉積的薄膜制成的晶體管(因此稱為薄膜晶體管(TFT) 3811)。TFT陣列襯底包含TFT3811、存儲電容器3813、微電極3812以及互連布線3814和3815。在柵極總線3815和數(shù)據(jù)信號總線3814的每個端部制造一組接合焊盤，以附接源極驅(qū)動器IC3820和柵極驅(qū)動器1C。AM控制器3830利用來自系統(tǒng)控制3850的數(shù)據(jù)3831通過驅(qū)動電路單元驅(qū)動TFT陣列，其中驅(qū)動電路單元包括一組IXD驅(qū)動LC(LDI)芯片3820和3825。將DC電源3841施加到DC/DC轉(zhuǎn)換器3840，DC/DC轉(zhuǎn)換器3840通過柵極總線3815向柵極施加正脈沖，以導通TFT。存儲電容器被充電，并且微電極3812上的電壓電平上升達到被施加到源極總線3814的電壓電平。存儲電容器3813的主要功能是保持微電極上的電壓，直到施加下一信號電壓為止。在一個實施方式中，基于TFT陣列的微電極陣列的頂視圖如圖38C所不。微電極3812、TFT3811以及存儲電容器3813在典型的TFT IXD布局中示出。在另一實施方式中，實現(xiàn)如圖4B所示的六邊形TFT陣列布局，以減少與在相鄰微電極之間的相對較大的間隙3816的碰撞。在另一實施方式中，基于TFT技術的FPLOC制成品是在如圖38D所示的雙平面結(jié) 構(gòu)中。TFT3803是在具有微電極3804的玻璃襯底3801上制造的，并且添加涂覆有疏水膜3805的介電絕緣體3806,以降低表面的潤濕性，并增加在液滴與微電極之間的電容。在頂板3802上，除了涂覆有疏水膜3805的連續(xù)地電極3808之外，可能還需要由不透明金屬制成的黑色矩陣(BM) 3807，用以遮擋a-Si TFT，使其免受雜散光的照射。在任何編程或配置之前，空白FPLOC將看起來像圖39A中所示出的那樣。它具有FLB (流體邏輯塊)3910的矩陣，并且每個FLB在物理上是可被組合在一起并被同時激勵的微電極。編程空白FPLOC的各種實施方式至少包括(I)手動自下而上編程處理；以及(2)自上而下設計方法。通過利用手動自下而上編程處理來編程FPLOC的一個實施方式如圖39A和39B所示。在任何編程或配置之前，空白FPL0C3901可如圖39A所示。這種空白FPL0C3901包括多個FLB3910的陣列、FPLOC系統(tǒng)控制3920以及I/O接口 3930。在本發(fā)明的一個實施方式中，I/O接口 3930的數(shù)量可根據(jù)設計需要為單個或多個。在另一實施方式中，I/O接口3930和FPLOC系統(tǒng)控制3920的放置位置可以是位于FLB3910的陣列的下方或者在同一芯片上緊鄰FLB3910的陣列(如圖39A所示)。FPLOC系統(tǒng)控制3920提供系統(tǒng)分隔、配置、控制、管理和其它系統(tǒng)相關功能。I/O接口 3930提供在FPLOC和外部裝置之間進行連接以編程芯片、顯示測試結(jié)果、校準以及數(shù)據(jù)管理的功能。在另一實施方式中，I/O接口 3930也可提供向打印機、USB存儲器裝置或網(wǎng)絡接口的連接。I/O接口 3930還提供通往對FPLOC供電所需的電源的通路。FPLOC的第一個設計步驟(或最低級的工作)是對所有微流體組件(比如貯液器、混合區(qū)域、檢測區(qū)域以及輸送路徑)的物理位置、尺寸和形狀以及FPLOC的整體布局手動地進行場編程。圖39B示出了對空白FPL0C3901進行編程以實現(xiàn)配置LOC的設計3902的一個實施方式。此配置L0C3902具有包括電極3940和貯液器3970、廢棄物貯存器3990、混合室3960、檢測窗口 3950以及輸送路徑3980的微流體組件，其中輸送路徑3980由連接FPLOC的不同區(qū)域的電極構(gòu)成。在FPLOC的布局設計之后，在圖39B中也存在一些未使用的微電極3910。設計FPLOC的第二個步驟是定義芯片的微流體操作?；镜牧黧w操作包括產(chǎn)生液滴、輸送、切割和混合。如前面的段落所討論的，基于微電極陣列結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)更多的先進的流體操作。FPLOC的設計者可以選擇使用基礎建立塊FLB來建立包含流體操作的整個FPL0C。但是為了設計者設計的便利性以及為了能夠擴展FPLOC的設計，高度期望用于微流體操作的應用級呈現(xiàn)。FPLOC設計和編程在一個實施方式，F(xiàn)PLOC的自上而下的設計方法在圖40中示出。FPLOC的自上而下的設計起始于由生物芯片用戶提供的生物測定協(xié)議4010。為了定義FPLOC的行為(behavior),用戶提供作為“高級語言描述”4012的硬件描述語言(HDL)或者作為“排序圖模型”4015的示意性設計?！芭判驁D模型”4015可自用以描述這種測定協(xié)議的“高級語言描述”4012產(chǎn)生。這種模型可用于執(zhí)行“行為級模擬”4013以驗證高級測定功能。HDL表更適于與大型結(jié)構(gòu)一起工作，因為通過數(shù)字即可指定它們，而無需用手畫出每一件。然而，示意性目錄可實現(xiàn)更容易的設計可視化。在這一層，定義應用級功能和LOC的用途。接下來，利用“體系級合成”4020來根據(jù)排序圖模型產(chǎn)生具體的執(zhí)行過程?！拔⒘黧w模塊庫”4021和“設計規(guī)范”4022也被提供作為合成處理的輸入。這種模塊庫，類似于在基于細胞的VLSI設計中使用的標準細胞庫，包括諸如混合器和存儲單元之類的不同微流體功能模塊。緊湊的模型用于不同的微流體功能模塊以及諸如寬度、長度以及裝置模擬或?qū)嶒炇覍嶒灥牟僮鞒掷m(xù)時間之類的參數(shù)。此外，一些設計規(guī)范也被賦予了先驗(priori)，例如，完成時間的上限、芯片面積尺寸的上限以及不可重新配置的資源(比如芯片上貯液器/分配端口和集成光學檢測器)的組合。合成處理4020的輸出包括測定操作到芯片上資源4042 的映射(或映射文件)，測定操作4023的時間表(或時間表文件)以及內(nèi)置自測試(BIST)(或內(nèi)置自測試文件)4025。然后，在幾何級4032上通過設計規(guī)范的輸入，發(fā)生幾何級合成4030。合成處理試圖找到既符合輸入規(guī)范又能優(yōu)化一些質(zhì)量因數(shù)(比如性能和面積)的期望的設計點。在合成之后，生物芯片的二維物理設計4033 (即模塊放置和路由)可與來自(與一些制造技術相關聯(lián)的)模塊庫的具體物理信息相結(jié)合，以獲得三維幾何模型4040。這種模型可用于執(zhí)行物理級模擬4045以及低級設計驗證4050。在物理驗證之后，F(xiàn)PLOC設計可被加載到空白FPLOC中。從示意性/HDL源文件到實際FPLOC配置在一個實施方式中，源文件被饋送給適于FPLOC設計的軟件，其中將通過不同的步驟產(chǎn)生一個文件。然后，將該文件通過串行接口(JTAG)轉(zhuǎn)移給FPLOC或類似EEPROM的外部存儲器裝置。最常見的HDL是VHDL和Veri log，盡管在降低HDL設計的復雜度方面作出了努力，但是相比等同的匯編語言，通過引入替代語言而提高了抽象程度。也可利用圖形編程語言(比如美國國家儀器LabVIEW)，使得FPLOC附加模塊可用于定向及編程FPLOC硬件。圖形編程語言方式極大地簡化了 FPLOC編程處理。在又一實施方式中，為了簡化FPLOC中的復雜系統(tǒng)的設計，可利用已被測試和優(yōu)化的預定義復雜功能的庫來加速FPLOC設計過程。這些預定義的微流體庫可以是諸如“對角線切割”或“以x:y顯示‘0K’”之類的先進微流體操作。在典型的設計流程中，F(xiàn)PLOC應用開發(fā)者將在整個設計過程中多階段地模擬設計。初始地，以VHDL或Verilog進行的描述通過創(chuàng)建用以模擬系統(tǒng)和觀察結(jié)果的測試工作臺來模擬。然后，在合成引擎已經(jīng)將設計映射到連線表之后，連線表被轉(zhuǎn)譯成門級描述，其中重復模擬以確認無差錯地進行合成。最后，設計被布局在FPLOC中，這時可以添加傳播延遲，并且通過將這些值返回注釋(back-annotated)到連線表上,整個系統(tǒng)模擬再次運行。在各種實施方式中，代替基于液滴的微流體操作，EWOD微電極陣列結(jié)構(gòu)可執(zhí)行連續(xù)流微流體操作。連續(xù)微流體操作在控制上非常簡單，但是能提供實施微流體操作的非常有效的方式。圖41A-C示出了從貯液器4110產(chǎn)生確定體積的液體4130。如圖41A所示，細的微電極線形成了在目標配置電極4160與貯液器4110之間的橋4115。當橋4115和目標配置電極4160被激勵時，使液體從貯液器流到目標配置電極4160中。4130表示液體從橋流到配置電極4160中。這里橋是一條微電極線。這種橋配置具有連續(xù)流和基于液滴的系統(tǒng)的特點。它具有通道的所有優(yōu)點，即，一旦橋配置電極被激勵，液體就將通過它流動，而無需對激勵時序和速度進行額外控制和考慮。同時它也具有基于液滴的系統(tǒng)的所有優(yōu)點，即，一旦橋4115被去除激勵，則所有的液體都將被拉回到貯液器或者目標配置電極4160，并且在通道中不存在殘留液滴。一旦目標配置電極4160被填滿，則橋4115被去除激勵，以將來自貯液器4110的液體4130切斷，如圖41B所示。配置電極4160的液體填滿是自動化的，即，一旦橋和配置電極的所有微電極被液體填滿，則將停止從貯液器4110流出液體，因此這個過程的時序控制并不重要。可通過激勵適當?shù)奈㈦姌O4160以及橋的斷點來精確地控制液體4130的產(chǎn)生。如圖41B所示，通過首先對微電極4116去除激勵然后對橋去除激勵，液體4130從貯液器4110斷開。這個過程將確保形成橋的大部分液體將被拉回到貯液器4110，并且液體4130將通過配置電極4160的微電極的數(shù)量而被精確地控制。在圖41B中，配置電極4160包括IOX 10個微電極?？啥x配置電極的其它尺寸和形狀以產(chǎn)生不同的液體尺 寸和形狀。圖41C示出了液體橋的消失，并且通過激勵貯液器4110和配置電極4160產(chǎn)生液體4130。在一個實施方式中，可利用液體的相同產(chǎn)生過程來將液體切割成兩種子液體，如圖41D所示。在對配置電極4160去除激勵之后，橋配置電極4117和目標配置電極4171被激勵，液體從橋流到4170的區(qū)域中。對橋配置電極4117去除激勵，然后對配置電極4161和4171進行激勵，使得液體斷裂并形成兩種子液體4170和4130，如圖41E所示。只要配置電極4161和4171的尺寸被預先計算為期望的尺寸，這種切割處理就可產(chǎn)生不同尺寸的兩種子液體。在另一實施方式中，圖42A-C示出了通過連續(xù)流微流體操作實施的混合過程。圖42A示出了通過激勵橋4215和4225以及激勵配置電極4216和4226，液體從貯液器4210和4220經(jīng)橋流到混合室4230中。這里，與配置電極4216和4226相關聯(lián)的液體在形狀上發(fā)生改變以便進行更好的混合，此外液體的尺寸也不同以便進行比例混合(ratio mixing)。在配置電極4216和4226之間具有間隙，以防止過早混合。一旦液體填滿了配置電極4216和4226，則配置電極4230 (10X10個微電極)被激勵，兩種液體將被混合，如圖42B所示。然后，兩個橋電極被去除激勵，如圖42C所示。在這種簡單的混合微流體操作中，實際上所有的基礎微流體操作被解釋為(I)產(chǎn)生液體4216和4226以精確的方式自貯液器4210和4220產(chǎn)生；(2)切割液體4216與液體4210被切斷，液體4226與液體4220被切斷；(3)輸送橋4215和4225將液體輸送到混合室；以及(4)混合液體4216和4226在4230處混合。很明顯，這種連續(xù)流技術不僅可用以執(zhí)行所有的微流體操作，而且可以以更精確的方式執(zhí)行，因為精度的分辨率取決于小尺寸微電極。盡管已經(jīng)參考優(yōu)選實施方式描述了本發(fā)明，所屬領域的技術人員將意識到，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的條件下可在形式和細節(jié)上作出各種改變。
權(quán)利要求
1.一種采用微電極陣列結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場可編程芯片實驗室(FPLOC)裝置，包括 a.底板，包括置于襯底的頂表面上的多個微電極的陣列，所述多個微電極由介電層覆蓋，其中每個所述微電極連接到接地結(jié)構(gòu)中的至少ー個接地元件，在所述介電層和所述接地元件的頂部設置有疏水層，以生成具有液滴的疏水表面； b.現(xiàn)場可編程結(jié)構(gòu)，用于編程ー組配置電極，以便以選定的形狀和尺寸產(chǎn)生微流體組件和布局；以及 c.FPLOC功能塊,包括1/0端ロ ；樣品制備單元；液滴操縱單元；檢測單元；和系統(tǒng)控制單兀。
2.如權(quán)利要求I所述的裝置，其中在所述現(xiàn)場可編程結(jié)構(gòu)中的配置電極包括第一配置電極，包含以陣列形式布置的多個微電扱；以及與所述第一配置電極相鄰的至少ー個第二相鄰配置電極；液滴置于所述第一配置電極的頂部并與所述第二相鄰配置電極的一部分重疊。
3.如權(quán)利要求I所述的裝置，其中所述FPLOC功能塊執(zhí)行如下步驟通過順序地施加用于對ー個或多個選定的配置電極進行激勵和去除激勵的驅(qū)動電壓，以順序地對選定的配置電極進行激勵/去除激勵從而激勵液滴沿著選定的路線移動，來操縱在多個配置電極之間的ー個或多個液滴。
4.如權(quán)利要求3所述的裝置，其中所述FPLOC功能塊執(zhí)行如下步驟操縱所述配置電極的微電極的數(shù)量，以大致控制液滴的尺寸和形狀。
5.如權(quán)利要求2所述的裝置，其中所述配置電極包括至少ー個微電扱。
6.如權(quán)利要求5所述的裝置，其中在所述現(xiàn)場可編程結(jié)構(gòu)中的ー組配置電極的微流體組件包括貯液器、電極、混合室、檢測窗ロ、廢棄物貯存器、液滴路徑以及指定功能電極。
7.如權(quán)利要求6所述的裝置，其中所述微流體組件的布局包括輸入/輸出端ロ、貯液器、電極、混合室、檢測窗ロ、廢棄物貯存器、液滴路徑以及電極網(wǎng)絡的物理分配。
8.如權(quán)利要求I所述的裝置，其中所述FPLOC功能塊執(zhí)行如下步驟對第一配置電極去除激勵，并對第二相鄰配置電極進行激勵，以將液滴從所述第一配置電極拉到所述第二相鄰配置電極上。
9.如權(quán)利要求8所述的裝置，其中所述FPLOC功能塊執(zhí)行通過使用三個配置電極來分裂液滴的步驟，其中在處于中心的第一配置電極上裝載的液滴大致與兩個第二相鄰配置電極重疊，并且所述通過使用三個配置電極來分裂液滴的步驟包括 a.配置包括多條微電極線的兩個臨時配置電極，所述多條微電極線覆蓋在所述第一配置電極上裝載的液滴； b.激勵所述兩個臨時配置電極； c.逐行地激勵以朝著所述兩個第二相鄰配置電極移動，并且對與中心最接近的線去除激勵，以大致朝著所述兩個第二相鄰配置電極拉動液滴；以及 d.對所述兩個臨時配置電極去除激勵，并且對所述兩個第二相鄰配置電極進行激勵。
10.如權(quán)利要求8所述的裝置，其中所述FPLOC功能塊執(zhí)行通過使用三個配置電極來分裂液滴的步驟，其中液滴裝載在處于中心的第一配置電極上，并且兩個相鄰配置電極不與液滴重疊，所述通過使用三個配置電極來分裂液滴的步驟包括 a.配置包括多條微電極線的兩個臨時配置電極，所述多條微電極線覆蓋在所述第一配置電極上裝載的液滴； b.激勵所述兩個臨時配置電極； c.逐行地激勵以朝著所述兩個第二相鄰配置電極移動，并且對與中心最接近的線去除激勵，以大致朝著所述兩個第二相鄰配置電極拉動液滴；以及 d.對所述兩個臨時配置電極去除激勵，并且對所述兩個第二相鄰配置電極進行激勵。
11.如權(quán)利要求8所述的裝置，其中所述FPLOC功能塊執(zhí)行通過使用三個配置電極來分裂液滴的步驟，其中在處于中心的第一配置電極上設置的液滴與兩個第二相鄰配置電極部分地重疊，所述通過使用三個配置電極來分裂液滴的步驟包括 a.對所述第一配置電極去除激勵；以及 b.激勵所述兩個第二相鄰配置電極，以大致拉動和切割液滴。
12.如權(quán)利要求11所述的裝置，其中所述FPLOC功能塊執(zhí)行沿對角線分裂液滴的步驟，包括 a.將液滴設置在所述第一配置電極上； b.對所述第一配置電極去除激勵，并對與所述第一配置電極重疊的兩個沿對角線布置的第二相鄰配置電極進行激勵，以朝著所述兩個沿對角線布置的第二相鄰配置電極拉動液滴；以及 c.對所述第一配置電極與所述兩個沿對角線布置的第二相鄰配置電極之間的重疊區(qū)域去除激勵，以將液滴夾斷為兩個子液滴。
13.如權(quán)利要求8所述的裝置，其中所述FPLOC功能塊執(zhí)行將液滴重定位回所述貯液器中的步驟，包括 a.產(chǎn)生臨時配置電極，其中所述臨時配置電極與所述貯液器的一部分重疊，并且液滴的一部分不與所述貯液器重疊； b.對所述臨時配置電極進行激勵，以拖動液滴，使液滴與所述貯液器至少部分地重疊；以及 c.對所述臨時配置電極去除激勵，并對所述貯液器進行激勵，以將液滴大致拉到所述貯液器中。
14.如權(quán)利要求I所述的裝置，其中所述FPLOC功能塊執(zhí)行如下步驟配置第三相鄰配置電極，使所述第三相鄰配置電極不與第一配置電極上的液滴重疊。
15.如權(quán)利要求14所述的裝置，其中所述第三相鄰配置電極包含以陣列形式布置的多個微電極。
16.如權(quán)利要求15所述的裝置，其中所述FPLOC功能塊執(zhí)行液滴對角線移動的步驟，進ー步包括 a.產(chǎn)生與一部分液滴重疊的臨時配置電極以及產(chǎn)生第三相鄰配置電極； b.通過對所述第一配置電極去除激勵并對所述臨時配置電極進行激勵，將液滴從所述第一配置電極沿對角線輸送到所述第三相鄰配置電極上；以及 c.對所述臨時配置電極去除激勵，并對所述第三相鄰配置電極進行激勵。
17.如權(quán)利要求14所述的裝置，其中所述FPLOC功能塊執(zhí)行沿所有方向移動液滴的步驟，包括 a.產(chǎn)生與一部分液滴重疊的臨時配置電極以及產(chǎn)生第三相鄰配置電極；b.通過對所述第一配置電極去除激勵并對所述臨時配置電極進行激勵，將液滴從所述第一配置電極輸送到所述第三相鄰配置電極上；以及 c.對所述臨時配置電極去除激勵，并對所述第三相鄰配置電極進行激勵。
18.如權(quán)利要求8所述的裝置，其中所述FPLOC功能塊執(zhí)行共面分裂的步驟，包括 a.配置與液滴重疊的薄帶式臨時配置電極； b.對所述第一配置電極去除激勵，并對所述薄帶式臨時配置電極進行激勵； c.對所述臨時配置電極去除激勵；以及 d.對所述第一配置電極和所述第二相鄰配置電極進行激勵。
19.如權(quán)利要求8所述的裝置，其中所述FPLOC功能塊執(zhí)行通過使用三個配置電極將兩個液滴合并到一起的步驟，其中兩個第一配置電極由所述第二相鄰配置電極分離，所述通過使用三個配置電極將兩個液滴合并到一起的步驟包括 a.對所述兩個第一配置電極去除激勵；以及 b.對處于中間的第二相鄰配置電極進行激勵。
20.如權(quán)利要求19所述的裝置，其中所述FPLOC功能塊執(zhí)行變形混合的步驟，包括 a.產(chǎn)生兩個臨時配置電極，以改變兩個液滴的形狀； b.對所述兩個第一配置電極去除激勵，并對所述兩個臨時配置電極進行激勵；以及 c.對所述兩個臨時配置電極去除激勵，并對處于中間的第二相鄰配置電極進行激勵。
21.如權(quán)利要求8所述的裝置，其中所述FPLOC功能塊執(zhí)行通過改變液滴形狀來加速在液滴內(nèi)部的混合的步驟，包括 a.產(chǎn)生臨時配置電極，以改變液滴的形狀； b.對所述第一配置電極去除激勵，并對所述臨時配置電極進行激勵； c.對所述臨時配置電極去除激勵，并對所述第一配置電極進行激勵；以及 d.重復對所述臨時配置電極和所述第一配置電極的去除激勵和激勵。
22.如權(quán)利要求8所述的裝置，其中所述FPLOC功能塊執(zhí)行通過在液滴內(nèi)部循環(huán)來加速在液滴內(nèi)部的混合的步驟，包括 a.產(chǎn)生包圍液滴的多個臨時配置電極；以及 b.沿順時針方向一次一個地對每個所述臨時配置電極進行激勵和去除激勵，以在循環(huán)運動中混合液滴。
23.如權(quán)利要求22所述的裝置，其中所述FPLOC功能塊執(zhí)行如下步驟沿逆時針方向一次一個地對每個所述臨時配置電極進行激勵和去除激勵。
24.如權(quán)利要求8所述的裝置，其中所述FPLOC功能塊執(zhí)行產(chǎn)生液滴的多層混合的步驟，包括 a.配置2X2陣列的配置電極，包括在第一對角位置上的兩個第一配置電極； b.產(chǎn)生位于所述2X2陣列的配置電極的中心的臨時配置電極； c.對所述臨時配置電極進行激勵，以合并來自所述兩個第一配置電極的兩個第一液滴； d.對所述臨時配置電極去除激勵，并對在第二對角位置上的兩個配置電極進行激勵； e.對所述臨時配置電極去除激勵，以將液滴切割成兩個第二液滴； f.通過對兩個額外的臨時配置電極進行激勵將所述兩個第二液滴輸送回在所述第一對角位置上的第一配置電極，然后對所述兩個額外的臨時配置電極去除激勵并對在所述第ー對角位置上的兩個第一配置電極進行激勵，以完成輸送； g.對所述臨時配置電極進行激勵，以合并來自所述兩個第一配置電極的兩個第二液滴；以及 h.重復對角線分裂、輸送和對角線合井。
25.如權(quán)利要求8所述的裝置，其中所述FPLOC功能塊執(zhí)行產(chǎn)生液滴的步驟，包括 a.在所述貯液器中配置第一臨時配置電極； b.自裝載有液體的貯液器配置一條相鄰的配置電極線； c.產(chǎn)生與所述貯液器中的液體重疊并與最近的相鄰配置電極重疊的第二臨時配置電極； d.對所述第一臨時配置電極進行激勵； e.對所述第二臨時配置電極進行激勵，并對最近的相鄰配置電極進行激勵； f.對所述第二臨時配置電極去除激勵；以及 g.對線序列中的后ー相鄰配置電極進行激勵，并對前一被激勵的相鄰配置電極去除激勵，直到產(chǎn)生液滴為止。
26.如權(quán)利要求8所述的裝置，其中所述FPLOC功能塊執(zhí)行通過利用液滴等分技術來產(chǎn)生液滴的步驟，包括 a.產(chǎn)生用于期望液滴尺寸的目標配置電極； b.自裝載有液體的貯液器配置小尺寸相鄰配置電極線，所述液體連接到所述目標配置電極，其中所述小尺寸相鄰配置電極線的兩端與所述貯液器和所述目標配置電極重疊； c.對所述目標配置電極進行激勵； d.沿著從貯液器側(cè)到所述目標配置電極的路徑，一次一個地對順序地裝載有微等分液滴的每ー個小尺寸相鄰配置電極進行激勵和去除激勵；以及 e.重復小尺寸相鄰配置電極的激勵和去除激勵順序，以在所述目標配置電極中產(chǎn)生期望的液滴。
27.如權(quán)利要求26所述的裝置，其中所述FPLOC功能塊執(zhí)行預先計算所述微等分液滴的數(shù)量的步驟。
28.如權(quán)利要求8所述的裝置，其中所述FPLOC功能塊執(zhí)行通過利用液滴等分技術來計算裝載在所述第一配置電極上的液滴的體積的步驟，包括 a.產(chǎn)生存儲配置電極； b.在所述第一配置電極的內(nèi)部配置臨時配置電極； c.自裝載有與所述存儲配置電極連接的液滴的第一配置電極配置小尺寸相鄰配置電極線，其中所述小尺寸相鄰配置電極線的兩端與所述第一配置電極和所述存儲配置電極重置; d.對所述臨時配置電極進行激勵； e.對所述存儲配置電極進行激勵； f.沿著從第一配置電極側(cè)到所述存儲配置電極的路徑，一次一個地對順序地裝載有微等分液滴的每ー個小尺寸相鄰配置電極進行激勵和去除激勵；以及 g.重復小尺寸相鄰配置電極的激勵和去除激勵順序，以計算所述微等分液滴的總數(shù)。
29.如權(quán)利要求14所述的裝置，其中所述FPLOC功能塊執(zhí)行利用所述第一配置電極和與所述第一配置電極對齊的第三相鄰配置電極之間的橋接來移動液滴的步驟，包括 a.產(chǎn)生橋配置電極，所述橋配置電極包括所述第三相鄰配置電極以及與液滴重疊的延伸橋接區(qū)域； b.對所述第一配置電極去除激勵，并對所述橋配置電極進行激勵；以及 c.對所述橋配置電極去除激勵，并對所述第三相鄰配置電極進行激勵。
30.如權(quán)利要求8所述的裝置，其中所述FPLOC功能塊執(zhí)行通過利用列激勵來移動液滴的步驟，包括 a.配置包括多列微電極的列配置電極；以及 b.通過沿著目標方向?qū)λ隽信渲秒姌O的子列進行激勵和去除激勵，來沖刷所述列配置電極上的液滴。
31.如權(quán)利要求8所述的裝置，其中所述FPLOC功能塊執(zhí)行沖刷電極表面上的殘留液滴的步驟，包括 a.配置列配置電極，所述列配置電極包括多列微電極并具有覆蓋所有殘留液滴的長度；以及 b.通過沿著目標方向?qū)λ隽信渲秒姌O的子列進行激勵和去除激勵，來沖刷所述列配置電極上的所有殘留液滴。
32.如權(quán)利要求8所述的裝置，其中所述貯液器裝載有液體。
33.如權(quán)利要求32所述的裝置，其中所述FPLOC功能塊執(zhí)行通過利用連續(xù)流來產(chǎn)生不同形狀和尺寸的液體的步驟，包括 a.配置用于期望液體尺寸和形狀的目標配置電極； b.配置橋配置電極，所述橋配置電極包括微電極線并連接到所述貯液器和所述目標配置電極； c.對所述橋配置電極和所述目標配置電極進行激勵；以及 d.通過首先對所述橋配置電極的、與所述目標配置電極最近的一組微電極去除激勵，來對所述橋配置電極去除激勵。
34.如權(quán)利要求32所述的裝置，其中所述FPLOC功能塊可執(zhí)行通過利用連續(xù)流以受控尺寸和分裂比將液體分裂成兩種子液體的步驟，包括 a.配置與液體重疊的具有預定義的第一子液體尺寸和形狀的第一目標配置電極； b.配置具有預定義的第二子液體尺寸和形狀的第二目標配置電極； c.配置橋配置電極，所述橋配置電極包括微電極線并連接到所述第一目標配置電極和所述第二目標配置電極； d.對所述橋配置電極和所述第二目標配置電極進行激勵； e.對所述橋配置電極去除激勵；以及 f.對所述第一目標配置電極進行激勵。
35.如權(quán)利要求32所述的裝置，其中所述FPLOC功能塊執(zhí)行通過利用連續(xù)流以受控尺寸、形狀和合井比來合并兩種液體的步驟，包括 a.配置混合配置電極； b.配置與所述混合配置電極重疊的第一目標配置電極和第二目標配置電極；C.配置第一橋配置電極，所述第一橋配置電極包括微電極線并連接到所述第一目標配置電極和第一液體源； d.配置第二橋配置電極，所述第二橋配置電極包括微電極線并連接到所述第二目標配置電極和第二液體源； e.對所述第一橋配置電極和所述第二橋配置電極以及所述第一目標配置電極和所述第二目標配置電極進行激勵； f.對所述第一橋配置電極和所述第二橋配置電極去除激勵；以及 g.對所述混合配置電極進行激勵。
36.如權(quán)利要求I所述的裝置，其中所述接地結(jié)構(gòu)在雙平面結(jié)構(gòu)的頂板上制造，所述頂板位于底板上方并且在所述頂板與所述底板之間具有間隙。
37.如權(quán)利要求I所述的裝置，其中所述接地結(jié)構(gòu)為具有無源頂蓋或不具有頂蓋的共面結(jié)構(gòu)。
38.如權(quán)利要求I所述的裝置，其中所述接地結(jié)構(gòu)為具有接地網(wǎng)的共面結(jié)構(gòu)。
39.如權(quán)利要求I所述的裝置，其中所述接地結(jié)構(gòu)為具有接地焊盤的共面結(jié)構(gòu)。
40.如權(quán)利要求I所述的裝置，其中所述接地結(jié)構(gòu)為具有編程的接地焊盤的共面結(jié)構(gòu)。
41.如權(quán)利要求I所述的裝置，其中所述接地結(jié)構(gòu)為利用可選擇開關將雙平面結(jié)構(gòu)與共面結(jié)構(gòu)組合的混合結(jié)構(gòu)。
42.如權(quán)利要求8所述的裝置，其中所述FPLOC功能塊執(zhí)行將液體裝載到所述貯液器中的步驟，包括 a.將液體裝載到共面結(jié)構(gòu)上；以及 b.在液體上放置無源蓋。
43.如權(quán)利要求I所述的裝置，其中利用間隙距離調(diào)節(jié)單元將液滴夾在頂板與底板之間，所述間隙距離調(diào)節(jié)單元用于適應寬范圍的、具有不同尺寸的液滴，其中所述間隙距離調(diào)節(jié)單元可執(zhí)行如下步驟 a.配置在所述頂板與所述底板之間的間隙距離的高度； b.配置所述配置電極的尺寸，以控制液滴的尺寸，使液滴接觸所述頂板和所述底板； c.配置所述配置電極的尺寸，以控制液滴的尺寸，使液滴僅接觸所述底板。
44.如權(quán)利要求I所述的裝置，其中所述微電極可以以陣列形式布置為大致圓形、方形、六邊蜂窩狀或疊磚形。
45.如權(quán)利要求I所述的裝置，其中所述I/O端ロ包括 a.液滴I/O端ロ單元； b.檢測I/O端ロ単元；以及 c.系統(tǒng)控制I/O端ロ單元。
46.如權(quán)利要求45所述的裝置，其中所述I/O端口中的液滴I/O端ロ單元包括 a.用于裝載樣品的樣品I/O端ロ単元； b.用于與反應物裝載器進行接ロ連接的反應物I/O端ロ單元；以及 c.用于沖走廢棄物的廢棄物I/O端ロ單元。
47.如權(quán)利要求45所述的裝置，其中所述檢測I/O端ロ単元與視頻檢測、激光誘導熒光分析(LIF)以及磁性納米顆粒檢測相連接。
48.如權(quán)利要求45所述的裝置，其中所述系統(tǒng)控制I/O端ロ單元連接到包括處理器、顯示単元、打印機、USB存儲器、網(wǎng)絡接ロ、電源的外部単元。
49.如權(quán)利要求I所述的裝置，其中在所述FPLOC功能塊中的樣品制備單元可執(zhí)行樣品制備，包括如下步驟 a.配置包括多個微電極的方形配置電極和條形配置電極； b.沿從左到右的方向在所述條形配置電極上施加DEP驅(qū)動電壓；以及 c.在所述方形配置電極上施加EWOD驅(qū)動電壓，以將液滴切割成具有不同顆粒濃度的兩個子液滴。
50.如權(quán)利要求I所述的裝置，其中在所述FPLOC功能塊中的樣品制備單元包括具有附接到頂板的阻擋材料的窄通道，其中所述樣品制備單元可制備樣品，包括如下步驟 a.激勵微電極，以產(chǎn)生微尺寸液滴，所述微尺寸液滴太小以至于不能承載顆粒； b.經(jīng)所述窄通道將所述微尺寸液滴移動到期望的位置，同時將顆粒留在后面； c.重復所述微尺寸液滴的移動，直到產(chǎn)生期望尺寸的液滴為止。
51.如權(quán)利要求8所述的裝置，還包括通過激勵FPLOC中的配置電極而實現(xiàn)的液滴路由結(jié)構(gòu)，所述液滴路由結(jié)構(gòu)可執(zhí)行如下步驟 a.配置用于輸送液滴并包括多個配置電極的至少ー個路由路徑； b.以順序的序列選擇每個路由路徑的激勵和去除激勵的時序；以及 c.對所述路由路徑的選定配置電極進行激勵和去除激勵。
52.如權(quán)利要求I所述的裝置，其中微加熱元件集成到所述裝置的襯底中，可用以在選定溫度下加熱液滴。
53.如權(quán)利要求I所述的裝置，其中在所述FPLOC功能塊中的檢測單元包括集成在所述襯底中的感測裝置，所述感測裝置包括電位計傳感器、安培計傳感器或阻抗計傳感器。
54.如權(quán)利要求I所述的裝置，其中在所述FPLOC功能塊中的系統(tǒng)控制単元包括 a.分級FPLOC芯片級軟件結(jié)構(gòu)，包括場編程管理軟件，用于將所述微電極配置到微流體組件以及用于所述微流體組件的布局/網(wǎng)絡中；和微流體操作編程管理軟件，用于控制和管理微流體操作；以及 b.應用系統(tǒng)管理単元，包括系統(tǒng)分隔和集成塊，用于分隔所述裝置；檢測和顯示塊，用于獲取、顯示、報告和存儲測定結(jié)果；數(shù)據(jù)管理和轉(zhuǎn)移塊，用于將所述裝置連接到外部信息系統(tǒng)；和用于連接到外部系統(tǒng)的外圍管理塊。
55.如權(quán)利要求54所述的裝置，可被配置為原型和測試系統(tǒng)構(gòu)造。
56.如權(quán)利要求54所述的裝置，可被配置為桌面機器構(gòu)造。
57.如權(quán)利要求54所述的裝置，可被配置為便攜式機器構(gòu)造。
58.如權(quán)利要求54所述的裝置，可被配置為獨立式生物芯片構(gòu)造。
59.一種采用CMOS技術制成品的FPLOC裝置，包括 a.CMOS系統(tǒng)控制塊，包括控制器塊，用于提供處理器單元、內(nèi)存空間、接ロ電路和軟件編程能力；芯片布局塊，用于存儲配置電極配置數(shù)據(jù)以及FPLOC布局信息和數(shù)據(jù)；液滴位置地圖，用于存儲液滴的實際位置；和流體操作管理器，用于將所述布局信息、所述液滴位置地圖以及來自所述控制器塊的FPLOC應用轉(zhuǎn)譯成液滴的物理激勵；以及 b.多個流體邏輯塊，每個流體邏輯塊包括ー個微電極，位于CMOS襯底的頂表面上；一個存儲器地圖數(shù)據(jù)存儲單元，用于保持所述微電極的激勵信息；以及控制電路塊，用于管理控制邏輯。
60.如權(quán)利要求59所述的裝置，其中所述多個流體邏輯塊的控制電路塊以菊鏈結(jié)構(gòu)連接在一起。
61.如權(quán)利要求59所述的裝置，其中所述流體邏輯塊的微電極可通過施加驅(qū)動電壓被激勵。
62.如權(quán)利要求59所述的裝置，其中所述流體邏輯塊的存儲器地圖數(shù)據(jù)存儲單元在激勵之前加載有數(shù)據(jù)。
63.如權(quán)利要求59所述的裝置，其中所述FPLOC裝置的流體邏輯塊的制成品包括 a.頂部金屬層，用于形成微電極和接地結(jié)構(gòu)； b.在所述頂部金屬層下方的第二層，包括所述控制電路塊、所述存儲器地圖數(shù)據(jù)存儲單元以及用于激勵所述微電極的高壓驅(qū)動器；以及 c.底部襯底。
64.如權(quán)利要求63所述的裝置，其中所述控制電路塊、所述存儲器地圖數(shù)據(jù)存儲單元和所述高壓驅(qū)動器都包含在相應微電極正下方的區(qū)域中。
65.一種采用薄膜晶體管TFT技術制成品的FPLOC裝置，包括 a.TFT系統(tǒng)塊，包括控制器塊，用于提供處理器単元、內(nèi)存空間、接ロ電路和軟件編程能力；芯片布局塊，用于存儲配置電極配置數(shù)據(jù)以及FPLOC布局信息和數(shù)據(jù)；液滴位置地圖，用于存儲液滴的實際位置；和流體操作管理器，用于將來自所述布局信息、所述液滴位置地圖以及FPLOC應用的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)譯成用于激勵微電極的物理液滴激勵數(shù)據(jù)，所述FPLOC應用來自所述控制器塊；其中所述物理液滴激勵數(shù)據(jù)包括以逐幀的方式發(fā)送給有源矩陣塊的、對配置電極進行的成組、激勵和去除激勵的數(shù)據(jù)；以及 b.有源矩陣塊，包括用于單獨激勵每個微電極的有源矩陣面板，該有源矩陣面板包含柵極總線、源極總線、薄膜晶體管、存儲電容器和微電扱；有源矩陣控制器，包含源極驅(qū)動器和柵極驅(qū)動器，用于通過將驅(qū)動數(shù)據(jù)發(fā)送給驅(qū)動芯片，利用來自TFT系統(tǒng)控制塊的數(shù)據(jù)來驅(qū)動TFT陣列；和DC/DC轉(zhuǎn)換器，用于向所述源極驅(qū)動器和所述柵極驅(qū)動器施加驅(qū)動電壓。
66.如權(quán)利要求65所述的裝置，其中所述FPLOC裝置包括六邊形TFT陣列布局。
67.如權(quán)利要求65所述的裝置，其中所述FPLOC裝置包括雙平面結(jié)構(gòu)，所述雙平面結(jié)構(gòu)包含 a.具有微電極的玻璃襯底； b.涂覆有疏水膜的介電絕緣體； c.涂覆有疏水膜的連續(xù)地電極；以及 d.由不透明金屬制成的黒色矩陣。
68.一種自下而上編程和設計FPLOC裝置的方法，包括 a.擦除FPLOC的內(nèi)存； b.配置具有選定形狀和尺寸的ー組配置電極的微流體組件，所述ー組配置電極包括在現(xiàn)場可編程結(jié)構(gòu)中以陣列形式布置的多個微電極，所述微流體組件包括貯液器、電極、混合室、檢測窗ロ、廢棄物貯存器、液滴路徑以及指定功能電極；C.配置所述微流體組件的物理分配；以及 d.設計用于樣品制備、液滴操縱和檢測的微流體操作。
69.一種自上而下編程和設計FPLOC裝置的方法，包括 a.通過硬件描述語言設計FPLOC的功能； b.依據(jù)硬件描述語言產(chǎn)生排序圖模型； c.通過硬件描述語言執(zhí)行模擬以驗證FPLOC的功能； d.根據(jù)所述排序圖模型利用體系級合成來產(chǎn)生具體執(zhí)行過程； e.將來自微流體模塊庫和來自設計規(guī)范的設計數(shù)據(jù)輸入到合成處理中； f.產(chǎn)生芯片上資源的測定操作的映射文件、測定操作的時間表文件以及來自合成處理的內(nèi)置自測試文件； g.利用設計規(guī)范的輸入執(zhí)行幾何級合成，以產(chǎn)生生物芯片的ニ維物理設計； h.根據(jù)結(jié)合有具體物理信息的生物芯片的ニ維物理設計，產(chǎn)生三維幾何模型，所述具體物理信息來自所述微流體模塊庫； i.通過使用三維幾何模型執(zhí)行物理級模擬和設計驗證；以及 j.將FPLOC設計加載到空白FPLOC中。
70.如權(quán)利要求69所述的方法，其中步驟j將FPLOC設計加載到空白FPLOC中包括 a.根據(jù)FPLOC的自上而下的編程和設計，獲取芯片上資源的測定操作的映射文件以及測定操作的時間表文件； b.將所述文件經(jīng)串行接ロ(JTAG)轉(zhuǎn)移給FPLOC或者將所述文件轉(zhuǎn)移給外部存儲器裝置。
71 .一種設計FPLOC庫的方法，包括 a.通過創(chuàng)建測試工作臺來模擬由硬件描述語言編寫的微流體操作的功能模塊描述，所述硬件描述語言包括VHDL或Verilog，所述測試工作臺構(gòu)成測試系統(tǒng)并用于模擬所述系統(tǒng)和觀察結(jié)果； b.通過合成引擎將所述功能模塊描述映射到連線表； c.將所述連線表轉(zhuǎn)譯成門級描述； d.模擬所述門級描述； e.通過物理模擬將傳播延遲添加到所述連線表；以及 f.通過具有所述傳播延遲的連線表，運行整個系統(tǒng)模擬。
72.如權(quán)利要求3所述的裝置，所述裝置為EWOD裝置，其中驅(qū)動電壓在DC到IOkHz的AC的范圍并且小于150V。
73.如權(quán)利要求3所述的裝置，所述裝置為DEP裝置，其中驅(qū)動電壓在50kHz到200kHz的AC的范圍并且具有100-300Vrms。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于微電極陣列結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場可編程芯片實驗室。具體地，公開了與基于微電極陣列結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場可編程芯片實驗室(FPLOC)微流體操作、制造和編程相關的系統(tǒng)。采用微電極陣列接口的FPLOC裝置可包括a.底板，包括置于襯底的頂表面上的多個微電極的陣列，所述多個微電極由介電層覆蓋，其中每個所述微電極連接到接地結(jié)構(gòu)中的至少一個接地元件，在所述介電層和所述接地元件的頂部設置有疏水層，以生成具有液滴的疏水表面；b.現(xiàn)場可編程結(jié)構(gòu)，用于編程一組配置電極，以便以選定的形狀和尺寸產(chǎn)生微流體組件和布局；以及c.FPLOC功能塊，包括I/O端口；樣品制備單元；液滴操縱單元；檢測單元；和系統(tǒng)控制單元。
文檔編號B01L3/00GK102671722SQ20121003456
公開日2012年9月19日 申請日期2012年2月14日 優(yōu)先權(quán)日2011年2月17日
發(fā)明者何慶延, 王崇智, 王文生, 黃大衛(wèi) 申請人:何慶延, 王崇智, 王文生, 黃大衛(wèi)