基于微电极阵列结构的现场可编程芯片实验室

摘要

本发明公开了一种基于微电极阵列结构的现场可编程芯片实验室。具体地，公开了与基于微电极阵列结构的现场可编程芯片实验室(FPLOC)微流体操作、制造和编程相关的系统。采用微电极阵列接口的FPLOC装置可包括：a.底板，包括置于衬底的顶表面上的多个微电极的阵列，所述多个微电极由介电层覆盖，其中每个所述微电极连接到接地结构中的至少一个接地元件，在所述介电层和所述接地元件的顶部设置有疏水层，以生成具有液滴的疏水表面；b.现场可编程结构，用于编程一组配置电极，以便以选定的形状和尺寸产生微流体组件和布局；以及c.FPLOC功能块，包括：I/O端口；样品制备单元；液滴操纵单元；检测单元；和系统控制单元。

说明书

相关申请的交叉参考

本申请通过参考的方式并入2011年2月17日提交的名称为“Droplet  Manipulations on EWOD Microelectrode Array Architecture”的联合待审美国专 利申请No.13,029,137、2011年2月17日提交的名称为“Field-Programmable  Lab-on-a-Chip and Droplet Manipulations Based on EWOD Micro-Electrode Array  Architecture”的联合待审美国专利申请No.13,029,138以及2011年2月17 日提交的名称为“Microelectrode Array Architecture”的联合待审美国专利申请 No.13,029,140的全部内容。

技术领域

本发明涉及芯片实验室(lab-on-a-chip，LOC)微流体系统和方法。更具 体地，本发明涉及采用微电极阵列结构的现场可编程芯片实验室(FPLOC)系 统。

FPLOC可被现场编程用于微流体应用，这些微流体应用包括(但不限于) 基于液滴的微流体操作、基于连续的微流体操作、基于介质上电润湿(EWOD) 的激励(actuation)或基于(介电电泳)DEP的激励。

FPLOC通过利用类似于现场可编程门阵列(FPGA)的结构为LOC设计 者提供了更为便利的解决方案。与独有的硬连线解决方案相比，现场可编程微 流体平台在无需复杂的硬件设计和封装技术的条件下通过软件编程来实现 LOC设计，这提供了显著优于其它平台的优势。FPLOC可以以简单灵活的方 式实现不同的应用专用系统(测定)就像利用明确表征、大规模生产和封装的 FPGA一样。结果，在微流体领域通过利用半导体行业经验可以实现在上市时 间、大规模生产、容错性、低成本方面的优势以及很多其它优点。

背景技术

为了实现某些化学、物理或生物技术处理技术的可能性，微流体技术在过 去十年间迅速成长。微流体指的是通常在微升到毫微升范围内的微量流体的操 纵。用于实施小容量化学的平面流体装置的使用由分析化学家首次提出，为了 这一概念，生物化学家使用了术语“小型化总化学分析系统”(μTAS)。来 自生物化学以外的很多学科的越来越多的研究者采纳了μTAS的基础流体原 理，作为一种开发化学和生物学应用的新研究工具的方式。为了反映出这种扩 展了的范围，除了μTAS之外，现今经常使用更广义的术语“微流体”和“芯 片实验室(LOC)”。

第一代微流体技术基于流经微细加工的通道的连续液体流的操纵。液体流 的激励由外部压力源、集成机械微型泵或由电动结构来实现。连续流系统能满 足很多明确定义的简单的生物化学应用的需要，但是它们不适于需要高程度的 灵活性或复杂的流体操纵的更复杂的任务。基于液滴的微流体是连续流系统的 替代方式，其中液体被分成离散的独立可控的液滴，并且这些液滴可被操纵为 在通道中或在衬底上移动。通过利用离散的单位体积的液滴，微流体功能可以 被简化为一组重复的基本操作，即，一个单位的情况下移动一个单位的流体。 在文献中已经提出了很多用于操纵微流体液滴的方法。这些技术可被分类成化 学、热学、声学和电学方法。在所有方法中，用以激励液滴的电学方法近年来 受到了广泛关注。

在基于液滴的微流体装置中，液体夹在两个平行板之间并以液滴的形式输 送。基于液滴的微流体系统提供了很多优点：它们具有低的功耗并且不需要诸 如泵或阀之类的机械组件。近年来，基于液滴的微流体系统已经被广泛用于诸 如混合分析物和反应物、分析生物分子以及操纵颗粒之类的多种应用中。在数 字微流体系统中，介质上电润湿(EWOD)和液体介电电泳(LDEP)是用于 分配和操纵液滴的两种主要机制。EWOD和LDEP都采用电机械力来控制液 滴。EWOD微系统通常用于产生、输送、切割和合并液滴。在这些系统中， 液滴夹在两个平行板之间并且在被激励和未被激励的电极之间的润湿性差异 的作用下被激励。在LDEP微系统中，液滴置于共面电极上。当施加电压时， 液体变为可极化的，并且朝着更强电场强度的区域流动。LDEP和EWOD激 励机制之间的差别在于激励电压和频率。在EWOD激励中，施加通常小于100V 的DC或低频AC电压，而LDEP需要更高的激励电压(200-300Vrms)以及 更高的频率(50-200kHz)。

介质上电润湿(EWOD)是最常见的电学方法之一。诸如芯片实验室(LOC) 之类的数字微流体通常是指利用EWOD技术的液滴操纵。传统的基于EWOD 的LOC装置通常包括两个平行玻璃板。底板包含单独可控电极的图案化阵列， 顶板涂覆有连续的地电极。优选地通过类似氧化铟锡(ITO)的材料形成电极， 使其在薄层中具有导电性和透光性的组合特征。涂覆有疏水膜的介电绝缘体被 添加到板上，以降低表面的润湿性并增加在液滴与控制电极之间的电容。含有 生物化学样品的液滴和填充媒介夹在板之间，同时液滴在填充媒介内部移动。 为了移动液滴，向邻近于液滴的电极施加控制电压，同时在液滴正下方的电极 被去除激励。

近年来，LDEP也吸引了广泛的关注，因为它易于实施并且能够分配和操 纵从毫微升到微微升范围的极小液滴。液体DEP激励被定义为朝着更高电场 强度的区域吸引可极化的液体堆(liquid mass)。液体DEP液滴分配器的基本 结构包括两个共面电极，这两个共面电极涂覆有介电层以保护它们不被电解。 Ahmed和Jones优化了液体DEP液滴分配，并在共面电极上产生了微微升液 滴。表面涂覆的作用以及与使用共面电极的液体DEP的可靠激励有关的关键 因素已被报告。Fan等人将共面LDEP电极改为两个平行LDEP电极。平行结 构的LDEP装置已被微混合器采用，并集成有EWOD微系统。输送、分裂和 合并介电液滴由平行板(双平面)装置中的DEP实现，其将数字微流体的流 体从仅导电和水性的范围扩展到涵盖非导电的范围。介电液滴的双平面DEP 激励通过在平行电极之间施加电压来实现，通过DEP将具有相对较高介电常 数的液体介电液滴泵到具有相对较低介电常数(例如空气)的区域。

不利的是，至今所建立的采用EWOD技术的常规LOC系统仍然高度专用 于特定的应用。当前的LOC系统很大程度上依赖于手动操纵和优化来作生物 测定。此外，LOC系统中的当前应用和功能是耗时的，并且需要昂贵的硬件 设计、测试和维护程序。关于这些系统的最大缺点在于“硬连线”电极。“硬 连线”是指电极的形状、尺寸、位置和关于电极控制器的电布线轨迹物理地受 限于永久性蚀刻的结构。一旦电极被制造出，不管它们的功能是什么，它们的 形状、尺寸、位置和轨迹就不能改变。因此，这意味着相对于LOC设计的高 昂的一次性工程费用以及在出货之后有限的更新功能或局部重新配置部分的 LOC的能力。

本领域存在对用于减少与利用液滴操纵产生微流体系统相关联的人力和 成本的系统和方法的需要。本领域期望使LOC设计提升到应用级，以减轻LOC 设计者在手动优化生物测定、耗时的硬件设计、昂贵的测试和维护程序方面的 负担。

本领域存在对用于减少与利用液滴操纵产生微流体系统相关联的人力和 成本的系统和方法的需要。微电极阵列结构技术可以提供现场可编程性，其中 LOC的电极和整体布局可以是软件可编程的。微流体装置或嵌入系统如果其 (存储在诸如ROM之类的非易失性存储器中的)固件可以“在场中”被修改， 而无需拆解装置或将装置返回其制造商，则可以说是现场可编程的或现现场可 编程的。这往往是非常期望的特征，因为这可以减少用于替换有问题的或退化 的固件所需的费用和周转时间。在出货之后更新功能的能力、局部重新配置部 分的设计以及相对于LOC设计的较低的一次性工程费用将为很多应用提供优 势。

此外，基于新颖的微电极阵列结构，可以显著改进LOC系统中的操纵液 滴的技术。在基于EWOD微电极阵列结构的产生、输送、混合和切割过程中 的先进的液滴操纵方面，本发明提供了各种实施方式。

可以相信，采用微电极阵列结构的现场可编程芯片实验室(FPLOC)由于 具有基于场应用来动态地编程新LOC系统的能力，因此能够提供优于常规数 字流体系统的大量优点。现场可编程性能够显著改进LOC设计的周转时间， 还可以使LOC设计提升到应用层次，以减轻LOC设计者在手动优化生物测定、 耗时的硬件设计、昂贵的测试和维护程序方面的负担。

发明内容

本文公开了一种采用微电极阵列结构的现场可编程芯片实验室(FPLOC) 装置，包括：a.底板，包括置于衬底的顶表面上的多个微电极的阵列，所述 多个微电极由介电层覆盖，其中每个所述微电极连接到接地结构中的至少一个 接地元件，在所述介电层和所述接地元件的顶部设置有疏水层，以生成具有液 滴的疏水表面；b.现场可编程结构，用于编程一组配置电极，以便以选定的 形状和尺寸产生微流体组件和布局；以及c.FPLOC功能块，包括：I/O端口； 样品制备单元；液滴操纵单元；检测单元；和系统控制单元。

在另一实施方式中，一种采用CMOS技术制成品的FPLOC装置包括： a.CMOS系统控制块，包括：控制器块，用于提供处理器单元、内存空间、 接口电路和软件编程能力；芯片布局块，用于存储配置电极配置数据以及 FPLOC布局信息和数据；液滴位置地图，用于存储液滴的实际位置；和流体 操作管理器，用于将所述布局信息、所述液滴位置地图以及来自所述控制器块 的FPLOC应用转译成液滴的物理激励；以及b.多个流体逻辑块，包括：一 个微电极，位于CMOS衬底的顶表面上；一个存储器地图数据存储单元，用 于保持所述微电极的激励信息；以及控制电路块，用于管理控制逻辑。

在又一实施方式中，一种采用薄膜晶体管TFT技术制成品的FPLOC装置 包括：a.TFT系统块，包括：控制器块，用于提供处理器单元、内存空间、 接口电路和软件编程能力；芯片布局块，用于存储配置电极配置数据以及 FPLOC布局信息和数据；液滴位置地图，用于存储液滴的实际位置；和流体 操作管理器，用于将来自所述布局信息、所述液滴位置地图以及FPLOC应用 的数据转译成用于激励微电极的物理液滴激励数据，所述FPLOC应用来自所 述控制器块，其中所述物理液滴激励数据包括以逐帧的方式发送给有源矩阵块 的对配置电极的成组、激励和去除激励；以及b.有源矩阵块，包括：用于单 独激励每个微电极的有源矩阵面板，包含栅极总线、源极总线、薄膜晶体管、 存储电容器和微电极；有源矩阵控制器，包含源极驱动器和栅极驱动器，用于 通过将驱动数据发送给驱动芯片，利用来自TFT系统控制块的数据来驱动TFT 阵列；和DC/DC转换器，用于向所述源极驱动器和所述栅极驱动器施加驱动 电压。

在又一实施方式中，一种自下而上编程和设计FPLOC装置的方法包括： a.擦除FPLOC的内存；b.配置具有选定形状和尺寸的一组配置电极的微流 体组件，所述一组配置电极包括在现场可编程结构中以阵列形式布置的多个微 电极，所述微流体组件包括贮液器、电极、混合室、检测窗口、废弃物贮存器、 液滴路径以及指定功能电极；c.配置所述微流体组件的物理分配；以及d.设 计用于样品制备、液滴操纵和检测的微流体操作。

在又一实施方式中，一种自上而下编程和设计FPLOC装置的方法包括： a.通过硬件描述语言设计FPLOC的功能；b.依据硬件描述语言产生排序图 模型；c.通过硬件描述语言执行模拟以验证FPLOC的功能；d.根据所述排 序图模型利用体系级合成来产生具体执行过程；e.将来自微流体模块库和来 自设计规范的设计数据输入到合成处理中；f.产生芯片上资源的测定操作的 映射文件、测定操作的时间表文件以及来自合成处理的内置自测试文件；g.利 用设计规范的输入执行几何级合成，以产生生物芯片的二维物理设计；h.根 据结合有具体物理信息的生物芯片的二维物理设计，产生三维几何模型，所述 具体物理信息来自所述微流体模块库；i.通过使用三维几何模型执行物理级 模拟和设计验证；以及j.将FPLOC设计加载到空白FPLOC中。

在又一实施方式中，一种设计FPLOC库的方法包括：a.通过创建测试 工作台来模拟由硬件描述语言编写的微流体操作的功能模块描述，所述硬件描 述语言包括VHDL或Verilog，所述测试工作台构成测试系统并用于模拟所述 系统和观察结果；b.通过合成引擎将所述功能模块描述映射到连线表；c.将 所述连线表转译成门级描述；d.模拟所述门级描述；e.通过物理模拟将传播 延迟添加到所述连线表；以及f.通过具有所述传播延迟的连线表，运行整个 系统模拟。

在另一实施方式中，本发明的EWOD微电极阵列结构采用“点矩阵印刷 机”的概念，其中，多个微电极(例如“点”)成组并且可被同时激励/去除 激励以形成各种形状和尺寸的电极，以便满足在场应用中的流体操作功能的要 求。

在另一实施方式中，所有的EWOD微流体组件可由微电极产生，这些微 流体组件包括(但不限于)贮液器、电极、混合室、液滴路径等。并且，对于 I/O端口、贮液器、电极、路径以及电极网络的位置的LOC物理布局都可通过 配置微电极来实现。

在另一实施方式中，除了配置电极的用以执行典型微流体操作的常规控制 之外，微电极的确定控制顺序可提供在操纵液滴时的先进的微流体操作。

在另一实施方式中，基于EWOD微电极阵列结构的液滴操纵方法可包括： 产生液滴；输送液滴；切割液滴；以及混合液滴。

公开了FPLOC的各种实施方式。在一个实施方式中，FPLOC的设计基于 EWOD微电极阵列结构。FPLOC可根据不同的应用和功能被动态地场编程， 其中由很多微电极构成的所有电极可通过软件设计并重新配置。在配置或重新 配置之后，与基于EWOD的LOC系统的总体构思类似，LOC设计中的基于 EWOD技术的流体操作可通过控制和操纵电极来实现。

在另一实施方式中，FPLOC系统的各种形状和尺寸的电极比如贮液器、 电极、混合室、液滴路径等都能够通过软件编程或重新配置，以满足在场应用 中的操作功能的要求。

此外，软件编程或重新配置可执行对输入端口、贮液器、电极、路径和电 极网络的位置的FPLOC物理布局。

在又一实施方式中，FPLOC将低级微流体操作封装到应用级呈现中，以 便设计者关注高级的应用层面。微电极的用以执行具体流体操作的配置数据和 激励控制顺序作为库项目被产生和测试，其中FPLOC设计者可以挑选所述库 项目来组合其微流体应用。

在另一实施方式中，操纵液滴的EWOD微电极阵列结构的设计可基于共 面结构，其中EWOD激励可发生在不具有顶板的单板配置中。

在又一实施方式中，操纵液滴的EWOD微电极阵列结构的设计可采用双 平面结构，其中在系统中设置上部顶板。

尽管公开了多个实施方式，但是本发明的其它实施方式对于所属领域技术 人员来说在研究下文的详细说明之后也将变得显而易见，所述详细说明示出并 描述了本发明的示例性实施方式。将意识到，在不脱离本发明的精神和范围的 条件下，本发明在多个方面能够有多种改型。相应地，附图和详细说明在性质 上应当被视为示例性的而非限制性的。

附图说明

图1A是大体示出常规的夹置的EWOD系统的横截面视图。

图1B是大体示出在二维电极阵列上的常规EWOD的顶视图。

图2是用于操纵介电液滴的双平面DEP装置的图。

图3是示出微电极阵列的图，其中微电极阵列中的配置电极 (configured-electrode)可被配置成各种形状和尺寸。

图4A是利用微电极阵列结构的LOC布局的图。

图4B是常规的物理蚀刻的结构的图。

图4C是配置电极的图，其中示出了贮液器(reservoir)和配置电极的放 大部分。

图5A示出了多个方形微电极的阵列，其中的一个微电极被突出显示。

图5B示出了多个六边形微电极的阵列，其中的一个微电极被突出显示。

图5C示出了布置在墙砖(wall-brick)布局中的多个方形微电极的阵列， 其中的一个微电极被突出显示。

图6A示出了混合板结构，其中混合板结构可被控制为在共面模式和双平 面模式之间切换微电极结构。

图6B示出了接地网(ground grid)微电极共面结构。

图6C示出了另一具有接地焊盘的FPLOC微电极共面结构。

图6D示出了另一具有可编程接地焊盘的FPLOC微电极共面结构。

图7是示出混合系统结构的图，其中混合系统结构具有可拆卸的、可调节 的并且透明的顶板，用以适应最宽范围的液滴尺寸和体积。

图8是示出FPLOC所需的五个基础功能块的图。

图9A、9B、9C和9D示出了利用可调节的另一铰接的无源盖来装载样品。

图10是示出检测I/O端口的图。

图11A和11B示出了FPLOC利用现场可编程永久显示技术来显示测试结 果或其它重要消息。

图12A示出了液滴和悬浮颗粒由分别通过EWOD和DEP利用方形配置 电极和条形配置电极激励的顶视图。

图12B和12C是示出从左到右施加到条形配置电极的高频信号；在液滴 内部的非均匀电场通过DEP将颗粒驱动到右侧的横截面视图。

图12D示出了施加在方形配置电极上以通过EWOD产生具有不同颗粒浓 度的两个子液滴的低频信号。

图13示出了利用液滴等分技术的FPLOC样品制备的另一实施方式。

图14A和14B示出了自调节所装载的样品或反应物相对于贮液器的位置 的能力。

图15示出了FPLOC液滴产生过程的一个实施方式。

图16示出了称为“液滴等分”的具体液滴产生过程。

图17是示出FPLOC的液滴的输送的图。

图18是示出FPLOC的液滴路由的图。

图19A、19B和19C是示出利用FPLOC的临时桥接处理输送液滴的图。

图20A、20B和20C是示出电极列激励的图。

图21A、21B和21C是示出FPLOC的液滴切割的图。

图22A、22B和22C是示出FPLOC的液滴的精确切割的图。

图23A、23B和23C是示出FPLOC的液滴的对角线切割的图。

图24A、24B和24C示出了在FPLOC的开放表面上的液滴切割过程。

图25是示出集成到FPLOC的衬底中的微加热元件的图。

图26A和26B是示出FPLOC的基本合并/混合的图。

图27A、27B和27C是示出通过用以加速混合的不均匀几何运动来实施 的液滴操纵的有效混合过程的图。

图28A和28B示出了用于加速液滴混合的不均匀往复混合器。

图29是示出基于EWOD微电极阵列结构的流体循环混合器的图。

图30A-30F是示出多层混合器的图，其中多层混合器对于低纵横比(＜1) 的情形尤其有用。

图31是示出基于CMOS技术的感测装置集成到FPLOC中的图。

图32是示出用于FPLOC的分级软件结构的框图。

图33是示出用于FPLOC的原型和测试系统配置的框图。

图34A示出了FPLOC应用的桌面机器配置。

图34B示出了FPLOC应用的便携式机器配置。

图34C示出了FPLOC应用的独立式生物芯片配置。

图35是利用标准CMOS制造工艺来制造FPLOC的框图。

图36示出了基于标准CMOS制造技术的FLB阵列的电学设计。

图37示出了基于标准CMOS制造技术的FLB阵列制成品的横截面视图。

图38A是利用薄膜晶体管(TFT)阵列制造工艺来制造FPLOC的框图。

图38B示出了有源矩阵块(AMB)的框图。

图38C是基于TFT阵列的微电极阵列的顶视图。

图38D是示出在双平面结构中基于TFT技术的FPLOC制成品的横截面 视图。

图39A示出了在任何编程或配置之前的空白FPLOC。

图39B示出了配置LOC的设计的实例。

图40是示出了用于FPLOC设计和编程的自上而下设计方法的流程图。

图41A、41B和41C示出了通过连续流激励来产生液体。

图41D和41E示出了通过连续流激励来切割液体。

图42A、42B和42C示出了通过连续流激励来合并/混合液体。

具体实施方式

在图1A中示出了常规的电润湿微激励器结构(仅为了例示的目的，以较 小尺寸示出)。基于EWOD的数字微流体装置包括两个相互平行的玻璃板120 和121。底板121包含单独可控电极130的图案化阵列，顶板120涂覆有连续 的地电极140。优选地通过诸如氧化铟锡(ITO)之类的材料形成电极，使其 在薄层中具有导电性和透光性的组合特征。将涂覆有诸如聚四氟乙烯AF之类 的疏水膜160的介电绝缘体170(例如聚对二甲苯C)添加到板上，以降低表 面的润湿性并增加在液滴与控制电极之间的电容。含有生物化学样品的液滴 150和诸如硅油或空气之类的填充媒介夹在板之间，以有助于液滴150在填充 媒介内部的输送。为了移动液滴150，向邻近于液滴的电极180施加控制电压， 同时在液滴150正下方的电极被去除激励。

图1B是大体示出在二维电极阵列190上的常规EWOD的顶视图。液滴 150从电极130移动到被激励的电极180中。电极180呈黑色表明施加有控制 电压。EWOD作用使得电荷积聚在液滴/绝缘体界面中，导致在相邻电极130 和180之间的间隙135上产生界面张力梯度，由此实现液滴150的输送。通过 改变沿着线性电极阵列的电位，可利用电润湿来沿着此电极线移动毫微升体积 的液滴。可通过在0-90V的范围内调节控制电压来控制液滴的速率，并且液滴 可以以高达20cm/s的速度移动。液滴151和152也可在无需微型泵和微型阀 的条件下，通过二维电极阵列以用户限定的图案在时钟电压控制下输送。

基于EWOD的LOC装置利用相邻电极之间的间隙上的界面张力梯度来激 励液滴。电极的设计包括每个电极的期望形状、尺寸以及各两个电极之间的间 隙。在基于EWOD的LOC布局设计中，液滴路径通常由连接LOC的不同区 域的多个电极构成。这些电极可用于输送过程，也可用于其它更为复杂的操作 比如在液滴操纵中的混合和切割过程。

在一个实施方式中，可如图2所示构建用于操纵介电液滴的双平面DEP 装置。在底部衬底245上图案化多个微电极261。每个配置电极260包括多个 微电极261。顶板240包含未被图案化的参考电极220。一层低表面能材料(比 如聚四氟乙烯)210涂覆在两个板上，以减小液滴250与固体表面之间的界面 力，这有助于可再现的液滴处理并消除操作期间的介电液体残留物。间隙高度 或液滴厚度270由间隔物的厚度确定。通过在参考电极220与一个驱动微电极 之间施加电压，将介电液滴泵到处于激励状态的微电极上，如图2中的箭头所 示。在间隙高度为150mm的平行板装置中测试介电液滴(癸烷介电液滴 (350V_DC)、十六烷介电液滴(470V_DC)以及硅油介电液滴(250V_DC))的激励。 所施加的DC电压的极性对液滴驱动没有影响，同时，经测试达到1kHz频率的AC 信号成功地激励介电液滴。

LDEP和EWOD激励机制之间的差别在于激励电压和频率。因此在EWOD 和DEP之间共享物理双平面电极结构以及配置是可行的。通常在EWOD激励 中，施加通常小于100V的DC或低频AC电压，优选地驱动电压在DC到10kHz 的AC的范围并且小于150V；而LDEP需要更高的激励电压(200-300Vrms) 以及更高的频率(50-200kHz)，优选地驱动电压在50kHz到200kHz的AC 的范围并且具有100-300Vrms。在下文对本发明的描述中，将利用EWOD技 术来解释本发明的实施方式，但是在大多数情况下通过适当改变激励电压和频 率，本发明也涵盖DEP激励。

本发明采用了“点矩阵印刷机”的概念，即，微电极阵列结构中的每个微 电极是可用于形成所有微流体组件的“点”。换言之，微电极阵列中的每个微 电极可被配置为以不同的形状和尺寸形成各种微流体组件。根据客户的需求， 多个微电极可被视为成组的(grouped)并且可被同时激励以形成不同电极并 执行微流体操作的“点”。“激励”指的是向电极施加所需的电压，从而EWOD 作用使得电荷积聚在液滴/绝缘体界面中，导致在相邻电极之间的间隙上产生 界面张力梯度，由此实现液滴的输送；或者DEP作用使得液体变得可极化并 朝着较强电场强度的区域流动。“去除激励”指的是去除施加到电极的电压。

图3示出了基于本发明的微电极阵列结构的FPLOC的一个实施方式。在 本实施方式中，微电极阵列300包括多个(30×23个)同样的微电极310。此 微电极阵列300是基于标准微电极规范(这里表示为微电极310)以及独立于 最终的LOC应用和具体微流体操作规范的制造技术制造的。换言之，此微电 极阵列300是“空白”或“预配置”FPLOC。然后，基于应用需要，此微电极 阵列可被配置或软件编程到期望的LOC中。如图3所示，每个配置电极320 包括100个微电极310(即10×10个微电极)。“配置电极”指的是10×10个 微电极310组合在一起以用作集成电极320，并且将一起被同时激励或去除激 励。通常来说，配置数据存储在非易失性存储器(比如ROM)中，并且可“在 场中”被修改，而无需拆解装置或将装置返回其制造商。图3示出了液滴350 位于中心配置电极320。

如图3所示，本发明配置电极的尺寸和形状可基于应用需要而设计。液滴 350的体积与电极320的尺寸成比例。换言之，通过控制电极320的尺寸，液 滴350的体积也被限制以与电极320的设计尺寸相适应，由此可以控制液滴的 体积。尺寸受到控制的配置电极的例子是电极320和340。电极320具有10×10 个微电极的尺寸，而电极340具有4×4个微电极的尺寸。除了电极尺寸的配置， 还可通过利用微电极阵列来配置电极的不同形状。尽管电极320是方形，电极 330是包括2×4个微电极的矩形。电极360是左侧齿状的方形，而电极370是 圆形。

随着微电极的数量增加，可以通过FPLOC编程整个LOC设计，如图4A 所示，输送路径440、检测窗口450和混合室460的配置电极的形状为方形。 贮液器430是确定形状的大尺寸配置电极。废弃物贮存器420是四角形。

图4B和4C示出了图4A中的贮液器430的放大版本。图4B示出了通过 常规EWOD-LOC系统制造的物理蚀刻的贮液器结构431。其组件显示为永久 性蚀刻的贮液器431和四个永久性蚀刻的电极471。与图4B(常规设计)相 比，图4C示出了场编程LOC结构，其具有类似尺寸的配置贮液器432以及 成组的电极472。配置贮液器432可通过将多个微电极411组合成期望的尺寸 和形状以制作这种贮液器组件来制造。成组的电极472包含4×4个微电极411。

在设定了所需微流体组件的形状和尺寸之后，还很重要的是设定微流体组 件的位置以及如何将这些微流体组件连接在一起作为线路或网络。图4A示出 了这些微流体组件所处的物理位置以及这些微流体组件如何连接在一起以用 作功能LOC。这些微流体组件为：配置电极470、贮液器430、废弃物贮存器 420、混合室460、检测窗口450以及连接LOC的不同区域的输送路径440。 如果是现场可编程LOC，则在布局设计之后，会有一些未使用的微电极410。 在FPLOC被充分检验合格之后，设计者可以尝试硬连线版本以节约成本，然 后未使用的微电极410可被移除。

FPLOC中的微电极的形状可以不同的方式物理地实现。在本发明的一个实施方 式中，图5A示出了多个方形微电极的阵列，并且其中的一个微电极被突出显示为 501。6×6个微电极构成配置电极502。图5A总共有3×2个配置电极。在另一 实施方式中，图5B示出了多个六边形微电极的阵列，并且其中的一个微电极 被突出显示为503。6×6个微电极构成配置电极504，图5B中有3×2个配置电 极。六边形微电极的交叉指型边缘在沿着配置电极之间的间隙移动液滴时具有 优势。在又一实施方式中，图5C示出了布置在墙砖布局中的多个方形微电极 的阵列，其中的一个微电极被突出显示为505。6×6个微电极构成配置电极506， 图5C中有3×2个配置电极。六边形微电极的交叉指型边缘在沿着配置电极之 间的间隙移动液滴时具有优势，但这只发生在x轴上。还可实现很多其它形状 的微电极，而不仅限于这里所讨论的三种形状。

常规的LOC设计基于双平面结构(其具有包含图案化电极阵列的底板以 及涂覆有连续地电极的顶板)或者共面结构(其中激励可发生在不具有顶板的 单板配置中)。共面设计可适应更宽范围的不同体积尺寸的液滴，而不受顶板 的限制。双平面结构在顶板之间具有固定间隙，并且在适应宽范围的体积尺寸 的液滴方面存在限制，但是双平面结构确实提供更稳定的微流体操作。基于共 面结构的LOC装置仍可以增加用于密封测试表面的无源顶板，以保护流体操 作或者为了保护测试媒介具有更长的上架保存(shelf storage)寿命的目的。

为了适应FPLOC的最宽范围的应用，在本发明的一个实施方式中，FPLOC 装置基于混合板结构，其中激励可发生在共面配置或双平面配置中。图6A示 出了开关610，其可被控制为在共面模式和双平面模式之间切换微电极结构。 在双平面模式中，在盖板620上的连续地电极640连接到地，在电极板621 上的接地网680与地断开连接。另一方面，在共面模式中，电极板621上的接 地网680连接到地，而在盖板620上的地电极640与地断开连接。

在一个实施方式中，图6A中所示的一个物理共面微电极(630和680) 可以是接地网结构。接地网结构在图6B中示出，其具有驱动微电极631、地 线681以及在631与681之间的间隙615。当电极被激励时，驱动微电极631 由DC或方波驱动电压充电。地线681与驱动微电极631处于相同的板上以实 现共面结构。间隙681用以确保在631与681之间无垂直重叠。在图6B中示 出不同尺寸的两个液滴651和652，它们都与接地网681和相邻微电极631充 分重叠，并且可被有效地操纵。在另一实施方式中，共面接地网可以不与地断 开连接，只要额外的接地不会给双平面结构操作带来任何问题即可。

图6C示出了FPLOC微电极结构的另一实施方式。在驱动微电极632的 四个角处具有接地焊盘682，并且在632与682之间具有间隙616。代替图6B 中所示的实施方式中的地线，本实施方式使用接地焊盘来实现共面结构。本发 明的此实施方式利用了群组接地(group grounding)，由此接地焊盘、微电极 和液滴653的一致重叠保证了可靠的液滴操作。此外，在另一实施方式中，共 面接地网可以不与地断开连接，只要额外的接地不会给双平面结构操作带来任 何问题即可。

图6D示出了FPLOC微电极“配置接地焊盘”共面结构的另一实施方式。 在与微电极相同的板上不具有地线或接地焊盘。而是，一些微电极用作接地焊 盘以实现共面电极结构。图6D示出了4×4个同样的方形微电极633，在微电 极之间具有间隙617。在本实施方式中，任一个微电极633可被配置为通过物 理连接为电性接地而用作地电极。在本实施方式中，四个角的微电极被配置为 地电极683。此外，现场可编程性以及微型微电极对“配置电极”以及“配置 接地焊盘”的动态配置提供了更高的灵活性和更高的粒度。为了例示的目的， 地微电极被编程在四个角上，但这不是固定的布局。包含对地电极或激励电极 的改变的临时步骤可被实施以获得液滴操纵的最佳结果。这种“现场可编程” 微电极接地结构是实现FPLOC的混合板结构的最灵活的方式，但是将需要更 高的驱动电压以激励液滴。

在另一实施方式中，在FPLOC的混合结构中采用可拆卸的、可调节的和 透明的顶板，以优化在如图7所示的顶板710与电极板720之间的间隙距离。 电极板720通过微电极阵列结构技术来实现，其中用于液滴730的配置电极的 侧视图包括三个微电极(显示为黑色)。用于液滴740的配置电极包括六个微 电极，用于液滴750的配置电极包括十一个微电极。本实施方式在诸如FPLOC 之类的应用中尤其有用。尽管微电极阵列结构在配置所述配置电极的形状和尺 寸时提供了现场可编程性，但是仍然高度需要能够适应最宽范围的尺寸和体积 的液滴的系统结构。这是因为FPLOC可适应的液滴的尺寸和体积的范围越宽， 就可实现越多的应用。优化的间隙距离可被调节为适合期望尺寸的液滴。在本 发明中，优化的间隙可通过三种方式实现：首先，所有的液滴可在不接触顶板 710的条件下被操纵。这种方式通常应用于共面结构中。在第二种方式中，所 有的液滴可通过接触顶板被操纵，其中液滴夹在顶板710与电极板720之间。 第二种方式通常应用于双平面结构中。第三种方式或混合方式合并了共面结构 以及在顶盖710与共面电极板720之间的可调节间隙的功能。这种混合方式可 用于提供具有最宽范围的液滴。如图7所示，位于间隙内的液滴730和液滴 740可在不接触顶板710的条件下被操纵。液滴750被操纵为夹在顶板710与 电极板720之间。本发明不限于EWOD微电极阵列结构技术，也可在液滴尺 寸的可应用范围可被限制的同时应用于其它常规的电极板。

在FPLOC800的一个实施方式中，FPLOC需要五个基础功能块，如图8 所示，包括I/O端口(810、811、812和813)、样品制备820、液滴操纵830、 检测840以及系统控制850。在下面的段落中将详细公开FPLOC的五个功能 块的实施方式。

输入/输出端口(810、811、812和813)是在外部世界与FPLOC800之间 的接口。在另一实施方式中，存在FPLOC的四种输入/输出端口，它们与下述 四个功能块相关联：样品输入端口810、液滴I/O端口811、检测I/O端口812 以及系统控制I/O端口813，如图8所示。

样品输入端口(图8中的810)：由于现实世界样品(微升)以及芯片实 验室(毫微升)在比例上的巨大差异，流体输入端口的设计富有挑战性。将样 品(图8中的825)和反应物(图8中的833)装载到LOC上需要微流体装置 与外部世界之间的接口。本发明的一个实施方式基于混合板结构，其中在样品 或反应物装载到FPLOC上之后可添加盖，因而不需要固定的输入端口。图9A 示出了通过针960将样品950直接装载到共面电极板970上。样品的装载不必 非常精确，因为贮液器的位置可根据需要动态地调节，以补偿物理装载偏差。 图9B表示在装载样品950之后放置无源盖980。图9C示出了本发明的一个实 施方式，其中在FPLOC的四个角有可调节的间隔物930，以调节在盖板980 与电极板970之间的间隙高度。液滴950夹在它们之间。图9D示出了本发明 的另一实施方式，其中FPLOC采用了铰接装置940连接盖板980和电极板970， 以方便装载样品和反应物950并实现更好的物理系统集成。

液滴I/O端口(图8中的811)：在本发明的一个实施方式中，反应物装 载器(图8中的833)通过液滴I/O端口连接到FPLOC。废弃物(图8中的 835)可储存在FPLOC800上的废弃物贮存器中，或者可通过废弃物端口(图 8中的811)冲走。

检测I/O端口(图8中的812)：越来越多的研究论文在探讨将检测集成 到微流体芯片的技术，尤其是那些相比吸光率或荧光检测在尺寸微型化上更好 的技术。但是，一些成熟和稳定的检测技术，例如可包括使用视频检测和激光 诱导荧光(LIF)分析的光学检测(图10中的1035)以及磁性纳米颗粒检测 (图10中的1036)，将难以集成到FPLOC中。由于稳固性、高信噪比以及 灵敏度，光学检测方法相比用于LOC的其它方法仍占主导地位。光学检测最 容易与基于电润湿的LOC平台集成。仅需要将位于将用于光学检测的区域中 包括顶板1020、底板1021、介电层1040和1070以及电极1090的所有材料做 成透明的即可。共面设计可适应比上述更多的检测机制，因而增加了系统开发 的灵活性。为了外部检测的目的，我们将使用检测I/O端口(图8中的812)。 检测I/O端口也可用于光学感测和反馈以控制FPLOC内部的快速液体运动的 目的。

系统控制I/O端口(图8中的813)：在本发明的一个实施方式中，需要 系统控制I/O端口813来编程芯片851，显示测试结果852，进行数据管理853 以及很多其它系统工作，如图8所示。根据需要，诸如打印机、USB存储器 或网络接口之类的所需外围组件854可通过系统控制I/O端口连接到FPLOC。 FPLOC还通过系统控制I/O端口连接到电源，以提供所需的AC/DC电力。

在本发明的一个实施方式中，FPLOC利用现场可编程永久显示技术来显 示如图11A和11B所示的测试结果或其它重要消息，而不需要外部显示装置。 在图11A中，当系统通过对微电极1111进行激励或去除激励而正在执行其它 微流体操作时，显示墨水框架1110不被接触。在完成测试或目标微流体操作 之后，自图11B中的黑色墨水(或其它颜色和液体)框架1114产生的液滴移 动到右侧位置，以显示图形或文本。本实施方式的两个优点在于：(1)几乎 没有用于显示测试结果或其它消息的额外费用，因为用于测试或其它微流体操 作的电极用作显示像素；以及(2)即使电力自微激励器断开，显示也是永久 性的，因此可用作测试记录。

样品制备(图8中的820)：样品制备中的主题将是自整个血液中分离出 细胞，以获取血清或血浆，以及样品预浓缩(pre-concentration)。样品预浓缩 在待检测的分子在数量上很少的测定中变得很重要。为了下述两个原因首先完 成样品稀释：为了减少干扰物质的影响，以及为了增大装置操作的线性范围。 至今，已经采用了很宽范围的各种技术比如利用声学力、磁力、光学力、毛细 管电泳(CE)、介电电泳(DEP)力等来分离颗粒和细胞。本发明的一个实施方 式如图12A的顶视图所示，其中液滴1250和悬浮颗粒分别利用EWOD和DEP 通过方形配置电极(1210、1211、1212和1213)和条形配置电极(1220、1221、 1222、1223、1224、1225和1226)被激励。“配置(configured)”是指图12B 和12C是横截面视图，其中通过从左到右(从1220到1226)在条形电极上施 加高频信号(VHF)1230，液滴内部的非均匀电场1256利用DEP将颗粒驱动 到右侧。通过在方形电极1221和1222上施加低频信号(VLF)1235，利用 EWOD获取具有不同颗粒浓度的两个子液滴1251和1252。作为例子，从左到 右在条形电极之一上施加2MHz和60Vrms信号1230时，通过正性DEP吸引 颗粒。在细胞聚集到液滴中的右侧之后，通过在两个方形配置电极上施加 80Vrms和1kHz，利用EWOD将液滴分裂成两个子液滴。结果，通过激励从 左到右单一循环的条形电极，细胞被聚集(右侧子液滴1251)或稀释(左侧 子液滴1251)，如图12D所示。

图13示出了利用液滴等分技术的FPLOC样品制备的另一实施方式。共 用样品制备步骤之一是从全血中去除血细胞，以获取用于免疫测定的等离子 体。如图13所示，经由微电极1340利用液滴等分技术，产生更小的液滴(此 液滴太小以至于不能承载一些或任一血细胞1380)，然后经由小尺寸的垂直 间隙1370移动小液滴1345，以形成期望液滴1350。液滴等分技术和小间隙 1370的组合可有效地将小液滴1345从贮液器/液滴1360经通道1370移动，以 形成更大的液滴1350，同时阻挡血细胞1380。这里的物理阻挡主要用于帮助 液滴等分技术，并且可以采用除了方形之外的不同形状来利用微电极产生更小 的液滴。它并不用作去除血细胞的主要原因。通过利用液滴等分技术，此样品 制备发明不仅能从液滴去除颗粒，而且能够制备用于诊断测试的合适尺寸的液 滴。

液滴操纵(图8中的830)：在又一实施方式中，所有的典型微流体操作 可通过配置并控制FPLOC的“配置电极”来执行。“微流体操作”指的是在 FPLOC上的液滴的任何操纵。例如，微流体操作可以包括：将液滴装载到 FPLOC中；从源液滴分配一个或多个液滴；分裂、分离或分割一个液滴为两 个或更多个液滴；将液滴沿任何方向从一个位置输送到另一位置；将两个或更 多个液滴合并或组合为单个液滴；稀释液滴；混合液滴；搅拌液滴；将液滴变 形；将液滴保持在适当的位置上；培育(incubating)液滴；布置液滴；将液 滴输送出FPLOC；本文所述的其它微流体操作；和/或上述的任何组合。

在又一实施方式中，除了FPLOC的“配置电极”的用以执行典型微流体 操作的常规控制之外，微电极的具体控制顺序(sequence)能够提供在操纵液 滴时的先进的微流体操作。FPLOC的先进的微流体操作可包括：沿对角线或 沿任何方向输送液滴；利用临时桥接技术经物理间隙输送液滴；利用电极列激 励输送液滴；洗刷残留液滴(dead volume)；在较低驱动电压的情形下输送 液滴；以受控的低速度输送液滴；执行精确的切割；执行对角线切割；执行共 面切割；沿对角线合并液滴；使液滴变形以加速混合；通过不均匀往复混合器 改进混合速度；通过循环混合器改进混合速度；通过多层混合器改进混合速度； 本文所述的其它先进的微流体操作；和/或上述的任何组合。

液体储存和液滴产生：来自端口的液体储存在贮液器中。贮液器可以在 EWOD装置上以允许液滴进、出的大电极区域的形式产生。基本LOC应当最 少具有三个贮液器：一个用于样品装载，一个用于反应物，一个用于收集废液 滴，但这取决于应用。可能会需要第四个贮液器用于校准溶液(calibrating  solution)。每个贮液器应具有用以允许产生液滴或收集液滴的独立控制。

在另一实施方式中，FPLOC具有自调节所装载的样品或反应物相对于贮 液器的位置的能力。这意味着可以避免对精确定位输入端口的需要以及避免经 输入端口将样品和反应物传递到贮液器的困难操作。图14A示出了装载的样 品断开成液滴1420和液滴1430，它们都未精确定位在贮液器1440的顶部。 液滴1420甚至与贮液器1440不具有任何重叠。对于常规的LOC，难以将液 滴1420重定位到贮液器1440中。而即使样品液滴1420被装载为偏离了贮液 器，通过激励临时配置电极1460以将液滴1420拉到与贮液器1440重叠的位 置，也可实现本发明的这种自定位实施方式。随后对临时配置电极1460去除 激励并且对贮液器1440进行激励，以将样品准确地定位到贮液器中，如图14B 所示。

图15表示FPLOC液滴产生过程的一个实施方式。常规地，必须要用专 门形状的贮液器1530以及叠置电极1535来产生液滴。在本发明中，贮液器 1530的形状可以是方形(方形贮液器1515)，并且不需要叠置电极1535。在 另一实施方式中，贮液器1515的形状可以通过设计微电极阵列根据设计需要 而为任何其它形状。如图15所示，液滴的产生是指从方形贮液器1515挤出液 滴1550的过程。为了启动液滴产生过程，首先激励临时电极1530作为拉回 (pull-back)电极，然后激励另一临时电极1535以挤压液体。随后，通过激 励相邻序号的配置电极1540，从贮液器1515挤出液体指状物(liquid finger)， 最终产生液滴1550。每个配置电极1540包括配置的4×4个微电极，因而为方 形。在本发明中，配置电极1540的尺寸可以在从几十微米到几毫米的范围， 但不限于此范围。配置电极的形状可以为方形或其它形状。在本发明中，贮液 器可以是方形、圆形或其它具体形状。

图16示出了本发明的称为“液滴等分”的具体液滴产生过程的实施方式。 液滴等分是使用微电极阵列结构首先通过微电极或小尺寸的配置电极从贮液 器1610产生更小的液滴1615，然后通过激励配置电极1620将更小的液滴1615 收集在一起，以形成更大的液滴1630。常规地，液滴尺寸近似于电极的尺寸， 并不存在用以控制液滴体积的更精确的方式。本发明中，液滴等分可用于实现 对液滴体积的更精确的控制。此外，以反向方式，此技术可用于通过计算从液 滴1630可产生多少个更小的液滴1615来测量更大液滴1630的体积，如图16 所示。

液滴的输送：图17是示出FPLOC的液滴输送实施方式的图。如图所示， 有9个相邻的配置电极1731到1739。每个配置电极包括配置的10×10个微电 极，因而为方形。液滴1750位于中心配置电极1735的顶部。在常规的微流体 输送操作中，液滴1750在这种方形电极设置下只能沿南北和东西方向由配置 电极1735激励。例如，通过激励配置电极1734并对配置电极1735去除激励， 将使液滴从配置电极1735移动到配置电极1734上。但是，这种常规操作将不 能够使液滴1735从配置电极1735沿对角线移动到任一个配置电极1731、 1733、1737或1739上，因为这四个配置电极与液滴1750不具有物理重叠。 这种液滴不覆盖四个角的限制总是存在于从典型液滴产生过程产生液滴的情 况中。为了沿对角线移动液滴，本发明的一个实施方式是作为临时步骤激励配 置电极1760，然后激励期望的配置电极1733并对临时配置电极1760去除激 励，因而可将液滴1750沿对角线移动到期望的配置电极1733中。如图17所 示，基于本发明，液滴1750可在方形电极设置中沿所有8个方向移动。此外， 液滴的输送不限于8个方向。如果相邻配置电极处于这8个方向之外，则仍可 激励临时配置电极以将液滴输送到目的地。

液滴路由：常规地，LOC具有用以连接LOC的不同部分以输送液滴的输 送路径电极440，如图4A所示。本发明中，FPLOC的液滴路由的一个实施方 式不需要用于输送液滴的固定输送路径，如图18所示。而是利用液滴路由将 多个液滴从多个起始位置同时移动到目的地。很明显，FPLOC的路由处理将 非常不同于常规的微流体设计并且比常规的微流体设计更为有效，因为通过激 励不同的微电极，基本上可沿包括对角线在内的任何方向移动。液滴1850、 1851和1852处于它们的起始位置，如图18所示。液滴1850和液滴1852将 在配置电极1810处混合，并且液滴1851将输送到配置电极1820。与传统的 VLSI路由问题不同，除了路由路径选择，生物芯片路由问题需要解决在由流 体属性施加的实际限制以及合成结果的时序限制下的液滴时间表安排的问题。 如果不考虑污染，则可通过选择路线1860使液滴1851首先移动，并且可通过 选择路线1840使液滴1852移动。这里所需要考虑的是安排液滴1851和1852 的输送时序，使得它们在移动到它们的目的地的同时不会碰撞在一起。如果考 虑污染，则1851可以选择路线1861以避免液滴移动路线上的任何重叠。此外， 对于要在配置电极1810处合并的两个液滴1850和1852，必须要考虑安排液 滴激励的时序，因此路线1830和路线1840的长度差可成为考虑因素，从而具 有最佳的混合效果。当在FPLOC上执行的应用越来越复杂时，将需要自上而 下的设计自动化，以限定FPLOC上的液滴的路由和时序。在定义了生物医疗 微流体功能之后，利用体系级(architectural-level)合成来向FPLOC资源提供 微流体功能并且将微流体功能映射到激励的时间步骤中。

临时桥接：本发明利用FPLOC输送和移动液滴的称为“临时桥接技术” 的另一实施方式如图19A-19C所示。液滴切割和蒸发有时会使液滴变得太小， 液滴不能由电极可靠地激励。图19A表示由间隙1960彼此分离的两个配置电 极1930和1940。液滴1950位于左侧配置电极1930上。在两个配置电极1930 与1940之间的间隙1960足够宽，以便能隔离两个配置电极1930和1940，使 得位于左侧配置电极1930上的液滴1950不会接触下一个相邻配置电极1940。 图19A示出了在常规的液滴输送中，液滴1950从配置电极1930到配置电极 1940中的移动通常失败，因为配置电极1940与液滴1950不具有用以改变其 表面张力的物理重叠。图19B示出了来自图19A的液滴1950输送到期望的配 置电极1940中。在这个过程中，由“齿状”区域1970覆盖的微电极被激励。 齿状配置电极1970局部覆盖左侧配置电极1930、间隙1960以及整个下一个 配置电极1940。如图19B所示，“齿状”配置电极1970与液滴1950具有物 理重叠，并且如图19B所示，配置电极1970的激励将使液滴1950在配置电 极1970的顶部移动。图19C示出了完成向期望的配置电极1940的液滴输送。 在液滴1950移动到期望的配置电极1970之后，“齿状”配置电极1970被去 除激励，下一个配置电极1940被激励，以将液滴1950布置和定位到期望的方 形配置电极1940中。

电极列激励：本发明利用FPLOC输送和移动液滴的又一实施方式称为“电 极列激励”。液滴切割和蒸发有时会使液滴变得太小，液滴不能由电极可靠地 激励。如图20A所示，有时液滴2050变得太小以至于小于电极2010并且与 相邻的电极2011不具有物理重叠。在这种情形下，即使电极2011被激励，液 滴2050也不会移动到电极2011中，液滴会粘留在系统中。冲走粘留液滴的一 种有效方式是利用电极列激励。激励电极布置成多列以执行电极列激励，如图 20B所示。这里，每列配置电极列2020包括1×10个微电极，三列配置电极 列组合在一起以执行电极列激励，如图20B中标记为黑色的部分所示。默认 的列宽度是一个微电极，但是取决于应用也可以是其它数量。最有效的电极列 激励是具有一组电极列，其宽度稍大于液滴的半径。这就是为什么在这里将三 列组合在一起的原因。列的长度取决于应用，通常情况下越长越好。对于用以 移动液滴2050的这种三列配置，在首位的配置电极列2022之前，配置电极列 2021被激励，尾随的配置电极列2022被去除激励。以这种方式，不管液滴的 尺寸如何，三列配置电极列总是提供最大有效长度的接触线。结果，液滴能够 有效、平滑地移动，因为液滴上的毛细力是一致的并且被最大化。因此，液滴 能在比常规液滴操作中的驱动电压低得多的驱动电压下移动。这种电极列驱动 技术可用于通过在低得多的驱动电压下的平滑移动来输送液滴。此外，由于这 种技术的一致的毛细力，通过以低速推进配置电极列，可以实现对液滴速度(尤 其在低速情形中)的控制。实验表明：在临界驱动电压下，电极列激励的这种 平滑、有效的驱动能力更为明显。已经观察到：在低于8Vp-p 1kHz方波驱动 电压并且在80μm的间隙的条件下，在10cSt硅油中缓慢但平稳地移动DI水 滴(1.1mm直径)。长度可以被配置为LOC的总长度，使得电极列激励的单 次冲刷可以洗刷掉LOC中的所有无效液滴(dead droplet)。图20C示出了小 液滴2050移出配置电极2010。

液滴切割：使用FPLOC的三个配置电极来切割液滴。本发明用于执行 FPLOC的液滴的典型三电极切割的一个实施方式如图21A-21C所示。使用三 个配置电极，并且待切割的液滴位于如图21A所示内部配置电极2111的顶部 并与外部配置电极2110和2112具有部分重叠。在切割期间，外部的两个配置 电极2110和2112被激励，并且内部配置电极2111被去除激励，液滴2150 扩展开来从而润湿外部两个电极。通常而言，两个外部配置电极2110和2112 引发的亲水力拉伸液滴，同时中央的疏水力将液体夹断为两个子液滴2151和 2152，如图21C所示。

精确切割：本发明用以实现类似于三电极切割的精确切割的一个实施方式 如图22A-22C所示。精确切割也起始于待切割的液滴位于内部配置电极的顶 部。但是代替使用外部的两个配置电极2210和2212来切割液滴，利用电极列 激励技术来朝着配置电极2210和2212缓慢但稳固地拉动液滴2250，如图22A 所示。这里，使用两组5列配置电极列2215和2216(在图22A中标记为黑色) 来拉开液滴。图22B示出了通过一次推进一个微电极列，使得两组电极列组 保持相分离地移动。两组电极列组2215和2216引发的亲水力拉伸液滴。当电 极列组2215和2216到达配置电极2210和2212的外缘时，所有配置电极列被 去除激励，并且配置电极2210和2212被激励，以将液体夹断为两个子液滴 2251和2252，如图22C所示。

对角线切割：图23A-23C示出了本发明用以执行对角线切割的实施方式。 对角线切割起始于将待切割液滴移动到临时配置电极2312上，其中临时配置 电极2312位于四个配置电极2310、2311、2313和2314的接合角(joint corner) 的中心。在液滴完全位于四个配置电极的接合角的中心之后，临时配置电极 2312被去除激励，并且配置电极2310和配置电极2311被激励，液滴2350被 拉伸到液体柱中，如图23B所示。为了将液体夹断为两个子液滴，需要将配 置电极2310和2311的内角去除激励，以在液滴2350的中部产生必要的疏水 力。图23C示出了L形临时配置电极2315和2316被激励，以进一步拉伸液 滴使其间仅具有薄的颈部，在中部的疏水力随后有助于将液滴2350夹断为两 个子液滴2351和2352。最后，配置电极2310和2311被再次激励，以将液滴 2351和2352中心定位到配置电极2310和2311中，如图23D所示。

图24A-24C示出了在FPLOC的开放表面上的液滴切割过程。图24A示 出了液滴2450位于左侧配置电极2440上。液滴2450将被切割成两个子液滴 2470，如图24C所示。液滴切割过程大致包括下面两个过程。首先，通过在 适当的电压下激励配置电极2430，将待切割液滴2450拉伸为薄的液体柱2460。 这可以从图24B中看出。这种“薄的”液体柱通常是指具有小于起始液滴直 径的宽度的液体柱。接下来，激励两个预选的配置电极2440和2420，以切割 液滴2470并将其中心定位到这两个配置电极2440和2420中，如图24C所示。 共面切割的关键在于在液滴与外部的两个配置电极之间具有足够的重叠，以便 具有足够的毛细力来克服液滴的曲率以执行切割。在一个实施方式中，当液体 柱2460由于水动力不稳定性而被切割成多个液滴时，发生被动切割。在另一 实施方式中，被动和主动切割都被本发明采用。在液滴被拉伸成薄的液体柱的 同时，可利用被动力或主动力来将起始液滴断开成两个更小的液滴。当利用被 动力时，对液体柱长度的计算很重要。当利用主动力时，优化的长度并不重要。 不管是被动切割还是主动切割，在切割过程的最后步骤，配置电极2440和2420 被正常地激励，以便将液滴定位到期望的配置电极中。在另一实施方式中，被 动或主动切割过程在FPLOC的开放表面结构下进行。图24C示出了当液滴 2450被切割成两个液滴2470时完成切割。

混合、培育和反应：混合分析物和反应物是实现FPLOC时的关键步骤。 液滴用作虚拟混合室，并且通过沿着电极阵列输送液滴来发生混合。在利用最 小区域的同时快速地混合液体的能力极大地改善了产量。然而，随着微流体装 置接近子毫微升时代，降低的体积流速和非常低的雷诺(Reynolds)数导致难 以以合理的时标(time scale)实现对这种液体的混合。改进的混合基于两个原 理：以这种小尺寸产生涡流的能力，或者可选地，产生多层以经由扩散实现快 速混合的能力。

有时也需要在升高的温度下的培育步骤，例如用于PCR放大。在如图25 所示的FPLOC的一个实施方式中，液滴2550放置在被集成到衬底2521中的 微加热元件2530上方。还通过CMOS制造技术建立加热器控制/监视器2532， 并将其集成到FPLOC中。

本发明用于执行FPLOC的基本合并或混合操作的一个实施方式如图 26A-26B所示，其中两个液滴2650和2651被组合成单个液滴2653。在本发 明中，术语“合并”和“混合”可互换地使用，用以表示两个或更多个液滴的 组合。这是因为合并两个液滴并不总是直接或立即地导致初始分离的液滴的成 分的完全混合。在图26A中，两个液滴2650和2651初始位于配置电极2610 和2612上，并由至少一个其间的配置电极2611分离。两个液滴2650和2651 与配置电极2611至少都具有部分重叠。如图26B所示，外部的两个配置电极 2610和2612被去除激励，中心配置电极被激励，由此液滴2650和2651沿着 中心配置电极2611相互牵引，以合并成一个更大的液滴2653，如图26B中的 箭头所示。

图27A-27C示出了通过用以产生FPLOC的涡流的不均匀几何运动来实施 液滴操纵的有效混合过程。通过激励配置电极2751和2771，使液滴2750和 2770变形，如图27B所示；由此使液滴2750变高，使液滴2770变胖。然后， 中心配置电极2760被激励，以将液滴2750和2770拉到混合配置电极2760(标 记为黑色)中，如图27C所示。在图27B中，黑色区域表示两个被激励的配 置电极2751和2771不仅使两个液滴2750和2770变形，并且将它们局部牵引 到中心配置电极2760中。图27B所示的这种临时激励步骤也有助于两个液滴 的平滑混合移动。图27B-27C中的黑色区域和变形液滴的形状仅为例示的目 的。在本发明中，这些形状根据需要可以为任意类型。

图28A和28B示出了用于改进混合速度的微电极阵列混合器。在一个实 施方式中，可使用不均匀往复混合器来加速液滴混合。这可通过激励一组微电 极以产生不可逆转图案来实现，其中不可逆转图案破坏了两个循环的对称性以 改进混合速度。初始状态在图28A中示出，其中液滴2850包含样品和反应物， 并位于配置电极2840的顶部。用于不均匀往复混合的第一个步骤是激励配置 电极2860以使液滴2850朝着图28B中所示的箭头方向变形。然后，配置电 极2860被去除激励，并且配置电极2840被激励以将液滴拉回到图28A所示 的初始位置。往复混合可执行多次，以实现优化的混合效果。此外，图28A 和28B中的配置电极2840和变形液滴的形状仅为例示的目的。在本发明中， 这些形状可以为任意类型的设计，只要它们具有产生涡流的能力，或可选地， 具有产生多层的能力。

在基于PFLOC液滴的混合过程的又一实施方式中，图29示出了用于改 进混合速度的循环混合器。这可通过激励更小的微电极组的序列以产生不可逆 转水平循环来实现，其中不可逆转水平循环破坏了垂直层循环的对称性以加速 混合。如图29所示的一个实施方式是形成包围液滴2990的八个配置电极 (2910、2920、2930、2940、2950、2960、2970和2980)，然后以循环的方 式顺序地逐个激励配置电极。例如，作为第一个步骤，配置电极2910被激励 较短的时间段，以导致表面张力改变并且朝着配置电极2910在液滴2990的内 部产生循环。接下来，配置电极2910被去除激励，随后激励下一个相邻配置 电极2920。通过全部八个配置电极(2910到2980)重复循环激励过程，以在 液滴2990内部产生水平循环。此循环流激励可根据需要执行多次。此外，循 环流可顺时针、逆时针或者这两种方式的交替混合来执行，以实现最佳混合效 果。此外，配置电极2910到2980以及循环的形状仅为例示的目的。在本发明 中，这种循环混合可以是任何类型的设计，只要它们具有产生涡流的能力，或 可选地，具有产生多层的能力。

多层混合器：本发明以小尺寸(2×2个配置电极)但有效的混合器产生多 层以加速混合的一个实施方式可以如图30A-30F所示。这种多层混合器对于低 纵横比(＜1)的情形尤其有用。纵横比是指电极板和接地板之间的间隙与电极 尺寸的比。低纵横比意味着更难以在液滴内部产生涡流，因而产生多层的能力 变得更加重要。在此具体混合器中利用对角线混合和对角线切割。在图30A 中，在配置电极3014处的黑色液滴3051与在配置电极3011处的白色液滴3050 混合。临时配置电极3010将成为混合室，并将被激励以拉入液滴3051和3050。 为了启动多层混合，第一个步骤是沿对角线合并两个液滴。液滴合并的对角线 方向可以是45度或135度，但是随后对角线切割的方向需要垂直于合并操作。 图30B表示将液滴3051和液滴3050第一次合并成为黑白液滴3052。由于低 雷诺数和低纵横比，液滴3052具有单纯基于扩散的静态混合，其导致较长的 混合时间，因此液滴显示为一半为白色，一半为黑色。第二个步骤是要对液滴 3052执行与起始对角线混合呈90度的对角线切割，如图30C所示。在临时配 置电极3010被去除激励的同时，配置电极3012和3013以及其它临时配置电 极被激励，以将液滴3052沿对角线切割成两个子液滴3053和3054，如图30C 所示。对角线切割的细节已在前面的段落中讨论。由于低混合率，因此两个子 液滴3053和3054在对角线切割之后以相同的方位保持黑/白叠层。然后，多 层混合的第三个步骤是将两个液滴移回到起始配置电极上，以重复对角线混合 和切割。在图30D中，液滴3054从配置电极3012移动到配置电极3011上， 并且液滴3053从配置电极3013移动到配置电极3014上。需要考虑的是在液 滴3053和3054移动的同时避免它们的合并。对配置电极3012和3013去除激 励以及对配置电极3011和3014激励的简单液滴移动操纵可能会导致两个液滴 在移动的同时发生物理接触，然后两个液滴可能会合并在一起。因此，临时配 置电极3015和3016需要首先被激励，以在两个液滴之间产生保护区，用以在 两个液滴朝着它们的目的地移动的同时防止出现任何意外合并。在液滴3053 和3054移动到配置电极3016和3015中之后，径直向前将两个液滴移动到配 置电极3011和3014中。第一个步骤到第三个步骤可以重复，以产生用以加速 混合的必要数量的多层。作为重复从第一个步骤到将图30D中的液滴3053和 3054沿对角线合并成为液滴3055的结果，图30E示出了四层液滴3055。图 30F示出了在经历了从多层混合的第一个步骤到第三个步骤的另一循环之后 得到的八层液滴3056。

检测(图8中的840)：通常以下述方式之一来发出检测信号：研究带标 签和不带标签的分析物的竞争性结合；使用专用于固相分析物的带标签的分 子；形成夹心测定；或执行酶联免疫吸附测定(ELISA)，其中添加活性酶衬 底以在与酶联分析物交互作用时改变颜色或荧光。越来越多的研究论文在探讨 将检测集成到微流体芯片的技术，尤其是那些相比吸光率或荧光检测在尺寸微 型化上更好的技术。本发明的一个实施方式是基于CMOS技术将感测装置集 成到FPLOC中，如图31所示，其中传感器(3130、3131和3132)可以与底 板3121、顶板3120、液滴3150&3151、传感器探针3180以及微电极3130相 关联地设置。通常基于无电流情况下的电位测量执行操作的集成电位计传感器 3130正在通过传感器探针3180测量液滴3150。通常利用在两个电极之间施加 电位时产生的电流执行操作的安培计传感器3132被显示为通过传感器探针 3181测量液滴3151。阻抗计传感器3131被集成到了底板3121中，以监视酶 的催化反应或者特异结合蛋白、凝集素、受主、核酸、全细胞、抗体或抗体相 关物质的生物分子识别事件。检测I/O端口也可用于光学感测及反馈以控制 FPLOC内部的快速液体运动的目的。

系统控制(图8中的850)：本发明用于FPLOC系统控制块的一个实施 方式如图32所示。系统控制块的主要功能在于实现FPLOC的现场可编程能力。 从软件和硬件的角度来看，对FPLOC的数字可编程能力存在不同等级的要求。 图32表示FPLOC的分级软件结构。场编程管理(FPM)软件3210是最低层 的软件，其将FLB配置到微流体组件以及用于微流体组件的布局/网络中，以 形成FPLOC。微流体操作编程管理(MOPM)3220软件是上升一级(one level  up)的功能，用以控制和管理微流体操作。此步骤设定了微流体操作将如何在 FPLOC中执行以及微流体操作的顺序。对于想关注应用的用户而言，他们可 以利用一组预定义的和经验证的微流体元件并且利用对流体操作排序的可编 程性的优点，完成FPLOC的整个设计。对于想优化FPLOC的整个设计并利 用FPLOC的灵活结构的优点的更高级的用户而言，他们可以直接建立微流体 组件并直接编程微流体操作。FPM软件和MOPM软件都是FPLOC芯片级的 软件。系统管理3230是管理应用专用要求的应用级功能，其包括系统分隔和 集成3231、检测3232、数据管理3233以及外围组件管理3234。

系统分隔和集成(图32中的3231)：商用装置的总体趋势已成为制造简 单的一次性装置，它们被设计为与容纳所需的控制电子器件、反应物供应、检 测器以及程序设计的更昂贵的盒子进行接口连接。因而微流体装置可能仅执行 有限的一组操作，比如液体输送、分离或感测。然后此装置被使用了一次因而 被丢弃。这种复杂度也产生了对系统元件的可能分隔以分开哪些是一次性的、 哪些是可再利用的需求，以减少整个解决方案的成本。

检测和数据存储/显示(图32中的3232)：尤其对于同时发生的多个定量 测量的测定，将需要CPU能力和软件。在这个过程期间，也将需要一些测定 校准。在获取测定结果之后，将需要定义和实现如何以具体格式显示、报告和 存储数据。

至少具有几个不同的可能的系统配置用于FPLOC：(1)原型和测试系统 配置；(2)桌面机器配置；(3)便携式机器配置；以及(4)独立式生物芯 片配置。

用于FPLOC的原型和测试系统配置的一个实施方式如图33所示。从根 本上讲，原型和测试系统配置提供了一种技术评估和开发的工具，用以使研究 者在概念系统级原型环境的证明下快速、有效地实现其微流体技术。原型和测 试系统配置是相对开放和用户可存取的，其经由提供标准模块功能块和这些块 之间的标准接口来实施。原型和测试系统配置的功能块在图33中示出。原型 和测试系统配置包括：用于流体泵送的流体接口3340；用以固定FPLOC3360 的固定装置3350；用于提供辅助驱动器(功能产生器3321和高压放大器3322) 和数据管理A-D卡3323的驱动器子系统3320；FPGA板3330；光学模块3370； 以及用于控制和分析芯片功能的PC3310。然后，原型和测试系统配置提供用 于FPLOC原型的硬件、软件驱动器、芯片布局、设计检查以及现场可编程性， 从而实现在微流体中的概念证明(proof-of-concept)研究。原型和测试系统配 置可能支持用于微流体媒介的光学表征的两个主要工具：视频检测和激光诱导 荧光分析(LIF)。视频功能是用于微流体操作的功能的摄影记录。提供用户 界面来经由计算机控制泵、流量计、压力传感器和激光诱导荧光分析(LIF) 单元。原型和测试系统配置包括支持这些功能的主机PC。与这种中央驱动器 计算机的连接是通过RS-232和USB连接实现的。

参照图34A，在桌面机器配置的一些实施方式中，提供编程的FPLOC作 为具有桌面装置3415的测试生物芯片3410。图34A示出了桌面装置3415的 外观以及用于插入编程的FPLOC3410的槽3416。在桌面装置3415中包括用 于感测测试结果的内置检测传感器、装置控制按钮3418以及显示器3417。

参照图34B，在便携式机器配置的另一实施方式中，提供编程的FPLOC 作为具有便携式装置3425的测试生物芯片3420。图34B示出了便携式装置 3425的外观以及用于插入编程的FPLOC3420的槽3426。在便携式装置3425 中包括用于感测测试结果的内置检测传感器、装置控制按钮3428以及显示器 3427。本发明的FPLOC的便携性有助于在诊所、手术室、急诊室、小型实验 室等宽范围的各种场所中以及在用于能在关键情形下带来较快周转时间的快 速诊断的领域中的医疗点(point-of-care)或需要点(point-of-need)使用。

图34C示出了独立式生物芯片配置的另一实施方式，其中提供编程的 FPLOC作为独立式生物芯片3430。图34C示出了独立式生物芯片3430的外 观以及用于将样品收集到芯片中的样品收集装置3439。用于感测测试结果的 检测传感器、预装载的反应物以及系统控制单元都集成到芯片中。通过使用微 电极阵列，应用现场可编程永久显示技术来显示测试结果3437。此外，由于 即使芯片断电，显示的结果也不会消失，因此可用于测试记录。如图34C所 示的大规模制造的低成本的一次性的发明可有助于在诊所、手术室、急诊室、 小型实验室等宽范围的各种场所中以及在用于能在关键情形下带来较快周转 时间的快速诊断的领域中的医疗点或需要点使用。

数据管理和转移(图32中的3233)：FPLOC的一个实施方式是使用新 兴信息技术，其允许FPLOC的不同技术配置必要地连接到医疗保健信息系统。 需要FPLOC通信设计用以：(1)使FPLOC分析器自信息系统可存取；(2) 通过标准化格式组织所有的以多种方式获取的数据；(3)允许FPLOC对于非 专业用户而言容易使用；(4)保持不同的存取等级，以避免对这种敏感数据 的未授权操纵。

其它外围组件(图32中的3234)：在FPLOC系统配置的另一实施方式 中，应当考虑诸如小型热打印机之类的其它外围组件，以在需要测定结果的立 即硬拷贝的情况下使用。或者考虑可将存储的测定数据输送到LAB或其它数 据库以用于处理的USB存储器。条形码扫描器也是流行的用于管理样品的现 有POCT装置。在联网能力可被集成到系统中之前，以有线连接或无线连接联 网的能力也被视为通信外围组件功能。

在制造FPLOC的一些实施方式中，取决于应用需要，用于FPLOC的底 层制造技术可以是基于半导体、薄膜晶体管(TFT)阵列、PCB、塑料或纸张 的技术。标准CMOS和TFT制造技术是优选的技术。

通过利用标准CMOS制造工艺来制造FPLOC的一个实施方式如图35的 框图所示。FPLOC的两个主块是系统控制块3550和流体逻辑块(FLB)3510。 正常情况下，根据应用和制造技术的限制，系统仅需要一个系统控制块3550， 但需要多个FLB3510。

微电极阵列通过以菊链方式连接在一起的FLB来实现。FLB的数量由应 用以及主要地由制造技术的限制来确定。一个FLB包括高压驱动微电极3530、 一位(one bit)存储器地图数据3520以及控制电路3540。高压驱动微电极3530 是可通过施加必要的电压被激励以便激励液滴的物理微电极。一位存储器地图 数据3520保持微电极的激励的逻辑值，典型地，“1”代表对微电极进行激励 而“0”代表对微电极去除激励。控制电路3540管理控制逻辑并形成FLB的 菊链结构。

系统控制3550包括四个主块：控制器3560、芯片布局3570、液滴位置地 图3580以及流体操作管理器3590。控制器3560是CPU，并具有必要的内存 空间、接口电路和软件编程能力。取决于制造技术，控制器3560可被集成作 为制成品的一部分，或者可以为附接的外部装置。芯片布局块3570是存储配 置电极的配置数据以及FPLOC布局信息和数据的存储器。液滴位置地图3580 反映出FPLOC上的液滴的实际位置。通过激励“配置电极”序列，流体操作 管理器3590将布局信息、液滴位置地图以及来自控制器3560的FPLOC应用 转译成对液滴实施的物理激励。

在一个实施方式中，FPLOC提供现场可编程性，使得LOC的电极和整体 布局都可通过软件编程。微流体装置或嵌入系统如果其(存储在诸如ROM之 类的非易失性存储器中的)固件可以“在场中”被修改，而无需拆解装置或将 装置返回其制造商，则可以说是现场可编程的或现现场可编程的。FPLOC的 现场可编程性或软件配置通过系统控制3550和FLB3510来实现。电极的形状 和尺寸设计以及FPLOC布局信息和数据被存储在芯片布局块3570内部的非易 失性存储器中，如图35所示。包括临时电极的被激励电极的信息被存储在液 滴位置地图3580中的非易失性存储器中。然后，软件配置数据通过一位存储 器地图数据3520传递给每个微电极3530。一组微电极的成组(grouping)、 激励、去除激励实际上通过FLB3510的配置来执行。此外，所有的FLB3510 都是软件可连接的，并且在物理上为可利用标准制造技术制造的单片集成形 式。

图36示出了FLB阵列3600的电学设计的一个实施方式，其中FLB阵列 3600包括基于标准CMOS制造技术以菊链配置的很多FLB3620。菊链是在电 学工程设计中使用的布线方式。在微电极的尺寸持续缩小并且微电极的数量持 续增长的同时，互连将呈指数性增多，并将变得太复杂以至于不能管理系统的 规模。通过利用菊链方式，简化了每个FLB3620之间的连接，并且FLB的互 连将不会随着FLB的数量增加而增多，由此可实现可扩展的并且更简洁的布 局设计。每个FLB3620包含用于存储激励信息的存储装置(比如D触发器 3610)以及用于激励微电极3630的高压电路。当施加信号VIN时，根据触发 器3610的输出值，微电极3630将被激励或去除激励。SQ信号控制方波而不 是稳态DC施加到微电极。在激励微电极阵列之前，通过数据信号ED中的时 钟来加载触发器3620的值。诸如D触发器3610之类的一位存储装置也可以 是其它触发器设计或其它数据存储应用。

图37示出了FLB阵列制成品的横截面。在一个实施方式中，使用了三层 金属层以及一层聚乙烯层(poly layer)。底层是衬底3760，它上面的层是控 制电路层3750。控制电路、触发器和高压驱动器都包含在位于微电极3740和 3770正下方的3751的区域中。三层金属层用于制作微电极3740、3770以及 地线3730。此电极和地线结构的顶视图如图5A所示。利用电压来应用被激励 的微电极3740，并且微电极3770是待用的。微电极的顶部是介电层3710。在 本实施方式中，地线3730不被介电层3710覆盖，以减小所需的激励电压。在 最上面，涂覆有疏水膜3720以降低表面的润湿性。如果从顶部观看，仅能看 到微电极阵列，而不会看见隐藏在微电极下面的电路。这种自包含微电极结构 是在制造FLB时具有极高可扩展性的关键。

通过利用薄膜晶体管(TFT)阵列制造工艺来制造PFLOC的另一实施方 式如图38A中的框图所示。两个主块是系统控制块3850和有源矩阵块(AMB) 3800。系统控制块3850包括四个主块：控制器3860、芯片布局3870、液滴位 置地图3880以及流体操作管理器3890。控制器3860是CPU，并具有必要的 内存空间、接口电路和软件编程能力。芯片布局块3870是存储配置电极的配 置数据以及LOC布局信息和数据的存储器。液滴位置地图3880反映出LOC 上的液滴的实际位置。通过激励“配置电极”序列，流体操作管理器3890将 布局信息、液滴位置地图以及来自控制器3860的LOC应用转译成对液滴实施 的物理激励。

在一个实施方式中，LOC的现场可编程性或软件配置由系统控制3850来 实现。控制器3860是CPU，并具有必要的内存空间、接口电路和软件编程能 力。取决于制造技术，控制器可被集成作为制成品的一部分，或者可以为附接 的外部装置。电极的形状和尺寸设计以及LOC布局信息和数据被存储在芯片 布局块3870内部的非易失性存储器中，如图38A所示。液滴位置地图反映出 FPLOC上的液滴的实际位置。包括临时电极的被激励电极的信息被存储在液 滴位置地图3880中的非易失性存储器中。流体操作管理器3890将布局信息、 液滴位置地图以及来自控制器的FPLOC应用转译成通过激励“配置电极”序 列对液滴实施的物理激励。然后，对配置电极的成组、激励和去除激励的数据 以逐帧的方式发送给有源矩阵块(AMB)3800。

在另一实施方式中，AMB3800包括五个主块：有源矩阵面板3810、源极 驱动器3820、栅极驱动器3825、DC/DC转换器3840以及AM控制器3830， 如图38B所示。在有源矩阵面板3810中，在共享的基础上使用栅极总线3815 和源极总线3814，但是每个微电极3812通过选择位于行端部和列端部的两个 适当接触焊盘而为单独可寻址的，如图38B所示。开关装置使用由沉积的薄 膜制成的晶体管(因此称为薄膜晶体管(TFT)3811)。TFT阵列衬底包含 TFT3811、存储电容器3813、微电极3812以及互连布线3814和3815。在栅 极总线3815和数据信号总线3814的每个端部制造一组接合焊盘，以附接源极 驱动器IC3820和栅极驱动器IC。AM控制器3830利用来自系统控制3850的 数据3831通过驱动电路单元驱动TFT阵列，其中驱动电路单元包括一组LCD 驱动LC(LDI)芯片3820和3825。将DC电源3841施加到DC/DC转换器 3840，DC/DC转换器3840通过栅极总线3815向栅极施加正脉冲，以导通TFT。 存储电容器被充电，并且微电极3812上的电压电平上升达到被施加到源极总 线3814的电压电平。存储电容器3813的主要功能是保持微电极上的电压，直 到施加下一信号电压为止。

在一个实施方式中，基于TFT阵列的微电极阵列的顶视图如图38C所示。 微电极3812、TFT3811以及存储电容器3813在典型的TFT LCD布局中示出。 在另一实施方式中，实现如图4B所示的六边形TFT阵列布局，以减少与在相 邻微电极之间的相对较大的间隙3816的碰撞。

在另一实施方式中，基于TFT技术的FPLOC制成品是在如图38D所示 的双平面结构中。TFT3803是在具有微电极3804的玻璃衬底3801上制造的， 并且添加涂覆有疏水膜3805的介电绝缘体3806，以降低表面的润湿性，并增 加在液滴与微电极之间的电容。在顶板3802上，除了涂覆有疏水膜3805的连 续地电极3808之外，可能还需要由不透明金属制成的黑色矩阵(BM)3807， 用以遮挡a-Si TFT，使其免受杂散光的照射。

在任何编程或配置之前，空白FPLOC将看起来像图39A中所示出的那样。 它具有FLB(流体逻辑块)3910的矩阵，并且每个FLB在物理上是可被组合 在一起并被同时激励的微电极。编程空白FPLOC的各种实施方式至少包括： (1)手动自下而上编程处理；以及(2)自上而下设计方法。

通过利用手动自下而上编程处理来编程FPLOC的一个实施方式如图39A 和39B所示。在任何编程或配置之前，空白FPLOC3901可如图39A所示。这 种空白FPLOC3901包括多个FLB3910的阵列、FPLOC系统控制3920以及I/O 接口3930。在本发明的一个实施方式中，I/O接口3930的数量可根据设计需 要为单个或多个。在另一实施方式中，I/O接口3930和FPLOC系统控制3920 的放置位置可以是位于FLB3910的阵列的下方或者在同一芯片上紧邻 FLB3910的阵列(如图39A所示)。FPLOC系统控制3920提供系统分隔、 配置、控制、管理和其它系统相关功能。I/O接口3930提供在FPLOC和外部 装置之间进行连接以编程芯片、显示测试结果、校准以及数据管理的功能。在 另一实施方式中，I/O接口3930也可提供向打印机、USB存储器装置或网络 接口的连接。I/O接口3930还提供通往对FPLOC供电所需的电源的通路。 FPLOC的第一个设计步骤(或最低级的工作)是对所有微流体组件(比如贮 液器、混合区域、检测区域以及输送路径)的物理位置、尺寸和形状以及FPLOC 的整体布局手动地进行场编程。图39B示出了对空白FPLOC3901进行编程以 实现配置LOC的设计3902的一个实施方式。此配置LOC3902具有包括电极 3940和贮液器3970、废弃物贮存器3990、混合室3960、检测窗口3950以及 输送路径3980的微流体组件，其中输送路径3980由连接FPLOC的不同区域 的电极构成。在FPLOC的布局设计之后，在图39B中也存在一些未使用的微 电极3910。设计FPLOC的第二个步骤是定义芯片的微流体操作。基本的流体 操作包括：产生液滴、输送、切割和混合。如前面的段落所讨论的，基于微电 极阵列结构可以实现更多的先进的流体操作。FPLOC的设计者可以选择使用 基础建立块FLB来建立包含流体操作的整个FPLOC。但是为了设计者设计的 便利性以及为了能够扩展FPLOC的设计，高度期望用于微流体操作的应用级 呈现。

FPLOC设计和编程：在一个实施方式，FPLOC的自上而下的设计方法在 图40中示出。FPLOC的自上而下的设计起始于由生物芯片用户提供的生物测 定协议4010。为了定义FPLOC的行为(behavior)，用户提供作为“高级语 言描述”4012的硬件描述语言(HDL)或者作为“排序图模型”4015的示意 性设计。“排序图模型”4015可自用以描述这种测定协议的“高级语言描述” 4012产生。这种模型可用于执行“行为级模拟”4013以验证高级测定功能。 HDL表更适于与大型结构一起工作，因为通过数字即可指定它们，而无需用 手画出每一件。然而，示意性目录可实现更容易的设计可视化。在这一层，定 义应用级功能和LOC的用途。接下来，利用“体系级合成”4020来根据排序 图模型产生具体的执行过程。“微流体模块库”4021和“设计规范”4022也 被提供作为合成处理的输入。这种模块库，类似于在基于细胞的VLSI设计中 使用的标准细胞库，包括诸如混合器和存储单元之类的不同微流体功能模块。 紧凑的模型用于不同的微流体功能模块以及诸如宽度、长度以及装置模拟或实 验室实验的操作持续时间之类的参数。此外，一些设计规范也被赋予了先验 (priori)，例如，完成时间的上限、芯片面积尺寸的上限以及不可重新配置 的资源(比如芯片上贮液器/分配端口和集成光学检测器)的组合。合成处理 4020的输出包括测定操作到芯片上资源4042的映射(或映射文件)，测定操 作4023的时间表(或时间表文件)以及内置自测试(BIST)(或内置自测试 文件)4025。然后，在几何级4032上通过设计规范的输入，发生几何级合成 4030。合成处理试图找到既符合输入规范又能优化一些质量因数(比如性能和 面积)的期望的设计点。在合成之后，生物芯片的二维物理设计4033(即模 块放置和路由)可与来自(与一些制造技术相关联的)模块库的具体物理信息 相结合，以获得三维几何模型4040。这种模型可用于执行物理级模拟4045以 及低级设计验证4050。在物理验证之后，FPLOC设计可被加载到空白FPLOC 中。

从示意性/HDL源文件到实际FPLOC配置：在一个实施方式中，源文件 被馈送给适于FPLOC设计的软件，其中将通过不同的步骤产生一个文件。然 后，将该文件通过串行接口(JTAG)转移给FPLOC或类似EEPROM的外部 存储器装置。

最常见的HDL是VHDL和Verilog，尽管在降低HDL设计的复杂度方面 作出了努力，但是相比等同的汇编语言，通过引入替代语言而提高了抽象程度。 也可利用图形编程语言(比如美国国家仪器LabVIEW)，使得FPLOC附加模 块可用于定向及编程FPLOC硬件。图形编程语言方式极大地简化了FPLOC 编程处理。

在又一实施方式中，为了简化FPLOC中的复杂系统的设计，可利用已被 测试和优化的预定义复杂功能的库来加速FPLOC设计过程。这些预定义的微 流体库可以是诸如“对角线切割”或“以x：y显示‘OK’”之类的先进微流 体操作。在典型的设计流程中，FPLOC应用开发者将在整个设计过程中多阶 段地模拟设计。初始地，以VHDL或Verilog进行的描述通过创建用以模拟系 统和观察结果的测试工作台来模拟。然后，在合成引擎已经将设计映射到连线 表之后，连线表被转译成门级描述，其中重复模拟以确认无差错地进行合成。 最后，设计被布局在FPLOC中，这时可以添加传播延迟，并且通过将这些值 返回注释(back-annotated)到连线表上，整个系统模拟再次运行。

在各种实施方式中，代替基于液滴的微流体操作，EWOD微电极阵列结 构可执行连续流微流体操作。连续微流体操作在控制上非常简单，但是能提供 实施微流体操作的非常有效的方式。图41A-C示出了从贮液器4110产生确定 体积的液体4130。如图41A所示，细的微电极线形成了在目标配置电极4160 与贮液器4110之间的桥4115。当桥4115和目标配置电极4160被激励时，使 液体从贮液器流到目标配置电极4160中。4130表示液体从桥流到配置电极 4160中。这里桥是一条微电极线。这种桥配置具有连续流和基于液滴的系统 的特点。它具有通道的所有优点，即，一旦桥配置电极被激励，液体就将通过 它流动，而无需对激励时序和速度进行额外控制和考虑。同时它也具有基于液 滴的系统的所有优点，即，一旦桥4115被去除激励，则所有的液体都将被拉 回到贮液器或者目标配置电极4160，并且在通道中不存在残留液滴。一旦目 标配置电极4160被填满，则桥4115被去除激励，以将来自贮液器4110的液 体4130切断，如图41B所示。配置电极4160的液体填满是自动化的，即， 一旦桥和配置电极的所有微电极被液体填满，则将停止从贮液器4110流出液 体，因此这个过程的时序控制并不重要。可通过激励适当的微电极4160以及 桥的断点来精确地控制液体4130的产生。如图41B所示，通过首先对微电极 4116去除激励然后对桥去除激励，液体4130从贮液器4110断开。这个过程 将确保形成桥的大部分液体将被拉回到贮液器4110，并且液体4130将通过配 置电极4160的微电极的数量而被精确地控制。在图41B中，配置电极4160 包括10×10个微电极。可定义配置电极的其它尺寸和形状以产生不同的液体尺 寸和形状。图41C示出了液体桥的消失，并且通过激励贮液器4110和配置电 极4160产生液体4130。

在一个实施方式中，可利用液体的相同产生过程来将液体切割成两种子液 体，如图41D所示。在对配置电极4160去除激励之后，桥配置电极4117和 目标配置电极4171被激励，液体从桥流到4170的区域中。对桥配置电极4117 去除激励，然后对配置电极4161和4171进行激励，使得液体断裂并形成两种 子液体4170和4130，如图41E所示。只要配置电极4161和4171的尺寸被预 先计算为期望的尺寸，这种切割处理就可产生不同尺寸的两种子液体。

在另一实施方式中，图42A-C示出了通过连续流微流体操作实施的混合 过程。图42A示出了通过激励桥4215和4225以及激励配置电极4216和4226， 液体从贮液器4210和4220经桥流到混合室4230中。这里，与配置电极4216 和4226相关联的液体在形状上发生改变以便进行更好的混合，此外液体的尺 寸也不同以便进行比例混合(ratio mixing)。在配置电极4216和4226之间具 有间隙，以防止过早混合。一旦液体填满了配置电极4216和4226，则配置电 极4230(10×10个微电极)被激励，两种液体将被混合，如图42B所示。然 后，两个桥电极被去除激励，如图42C所示。

在这种简单的混合微流体操作中，实际上所有的基础微流体操作被解释 为：(1)产生：液体4216和4226以精确的方式自贮液器4210和4220产生； (2)切割：液体4216与液体4210被切断，液体4226与液体4220被切断； (3)输送：桥4215和4225将液体输送到混合室；以及(4)混合：液体4216 和4226在4230处混合。很明显，这种连续流技术不仅可用以执行所有的微流 体操作，而且可以以更精确的方式执行，因为精度的分辨率取决于小尺寸微电 极。

尽管已经参考优选实施方式描述了本发明，所属领域的技术人员将意识 到，在不脱离本发明的精神和范围的条件下可在形式和细节上作出各种改变。