專利名稱：具有加熱電極的微電子器件的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及用于操控樣品的微電子器件，包括樣品室和至少一個加熱 或混合電極。此外，其涉及該微電子器件作為生物傳感器的使用。生物傳感器經(jīng)常需要良好受控的溫度用于操作，例如，因為許多生物分子僅在小的溫度窗口 (通常37'C左右)中穩(wěn)定或當溫度在此溫度窗口外 時變得不活化。溫度調(diào)節(jié)對雜化化驗的重要性尤其高。在這些化驗中，溫 度經(jīng)常用于調(diào)節(jié)DNA鏈與其互補鏈的結合的嚴格性。當例如對單點突變感 興趣時，需要高的嚴格性。與野生型相比，單點突變雜化的融化溫度范圍 (即DNA鏈的變性)的不同能夠小于5'C。雜化期間對嚴格性的控制能夠 對尤其是DNA雜化的多參數(shù)測試給予額外的靈活性，例如在DNA微陣列 上。在這些化驗中，人們還想以良好受控的方式斜線上升溫度，以便以多 路傳輸格式于突變之間進行區(qū)別。在US6864140B2中，通過形成在與樣品室相鄰的基底上的多晶硅上的 薄膜晶體管形式的局部加熱元件，解決了一些上述問題，(生物)化學反應 在樣品室發(fā)生。然而，利用此已知的器件不可能在樣品室進一步操控樣品。 此外，US6876048B2公開了一種微電子生物傳感器，其中具有傳感器元件 陣列的微芯片部署于具有加熱元件的膜上。膜容許對所有傳感器元件以相 同的方式控制相鄰樣品室中的溫度。
背景技術：
基于此情況，本發(fā)明的目的是提供對微電子器件中的樣品進行更通用 的操控的裝置。此目的通過根據(jù)權利要求1的微電子器件和根據(jù)權利要求48的使用獲 得。在從屬權利要求中公開了優(yōu)選實施例。根據(jù)本發(fā)明的第一方面的微電子器件，期望用于樣品、尤其是如可以 包含粒子的生物體流體的液體或氣體化學物質。術語"操控"表示與所述樣品的任何相互作用，例如測量樣品的特性量，調(diào)查其性質，機械地或化 學地處理它等。微電子器件包括以下部件a) 樣品室，樣品室中能夠設置要被操控的樣品。樣品室典型地為空腔 或填充有如可以吸收樣品物質的凝膠的一些物質；它可以是開放的腔、閉 合的腔、或通過流體連接通道連接至其它腔的腔。b) 至少一個加熱電極，用于在被以電能驅動時，與該樣品室的至少一 個子區(qū)交換熱。如名稱"加熱電極"所表示的，電極優(yōu)選地將電能轉換為 傳輸至該樣品室中的熱。然而，該加熱電極在消耗電能時從該樣品室吸收 熱并將它傳遞至其它地方也是可能的。c) 至少一個場電極，用于在向所述場電極施加電位時，在該樣品室的 所述子區(qū)中生成電場。d) 控制單元，用于選擇性地驅動該加熱電極和該場電極，即用于向該 加熱電極供應電能和用于向該場電極施加電位。應當注意，"該樣品室的子區(qū)中的電場"或"與該樣品室的子區(qū)的熱交 換"的存在是假定子區(qū)中的那種場/交換足夠強以引起要被操控的樣品的期 望的/可觀察的反應。此定義排除小的"寄生"電場和熱效應，它們不可避 免地與電極中的任何(移動)電荷關聯(lián)。典型地，本發(fā)明意義上的熱流大 于0.01W/ci^并且將具有超過1毫秒的持續(xù)時間，并且本發(fā)明的意義上的 電場強度大于1000V/m。前述微電子器件的優(yōu)點是，該樣品室的相同子區(qū)能夠經(jīng)由加熱電極被 溫度控制和經(jīng)受電場，通過該電場，能夠以期望的方式操控所述子區(qū)中的 樣品(例如，引起流體的流動和/或粒子的運動)。 A.電極層下面，描述根據(jù)本發(fā)明的第一方面的微電子器件的實施例，它們?nèi)?基于層中電極的布置。更具體地，在這些實施例中，該加熱電極部署于以下將稱作"加熱層" 的第一層中，并且該場電極部署于以下稱作"場層"的第二層中，其中， 所述層布置成一層在另一層之上并與該樣品室相鄰。加熱電極和場電極布 置在不同的、堆疊的層中的優(yōu)點是，能夠以其最佳布局設計每種類型的電 極，例如以相鄰電極之間的最佳距離。層是幾何地二維的并且可以是平面的或可選地具有三維形狀。在前述實施例中，場層優(yōu)選地部署于樣品室和加熱層之間。從而，它 將盡可能地靠近樣品室，這保證能夠在那里獲得電場的最大強度/梯度。在另一實施例中，該加熱層包括多個加熱電極，且該場層包括多個場 電極，其中，這不同兩層的電極優(yōu)選地相對于彼此對準。由于所述對準， 加熱和場電極在不同位置類似地相互作用，從而在越過層的區(qū)域提供一致 的/周期的條件。前述對準可以可選地包括該場電極至少部分地部署于該加熱電極之間 的間隙以上的情形。這里和下面，術語"以上"涉及任意選擇的方位，其 中場層豎直地在加熱層以上。此外，術語"部分地"意指間隙以上的此安 置可以僅對一些(而不是對全部)場電極是真實的和/或此條件僅對場電極 的部分有效而不是對整個電極有效。另一種對準可以包括場電極至少部分地部署于該加熱電極以上的情 形。如果例如一些場電極位于間隙以上且一些場電極位于加熱電極以上， 或場電極的部分位于間隙以上且場電極的其余部分位于加熱電極以上，則 此設計可以與前述設計組合。雖然前述兩個實施例暗指場電極至少部分地平行于加熱電極延伸，但 是另一實施例包括至少部分地布置成與該加熱電極成一角度的場電極。優(yōu)選地，所述角度為90。的直角，即場電極正交于加熱電極延伸。 B.加熱電極的陣列下面，將討論根據(jù)本發(fā)明的第一方面的微電子器件的實施例，它們基 于存在的加熱電極的陣列。應當注意，能夠利用場電極的陣列作必要修正 實現(xiàn)類似實施例。在最一般的意義上，"加熱電極的陣列"簡單地表示多個 加熱電極的任意三維布置。然而，典型地，該陣列是二維的并且優(yōu)選地是 平面的，并且加熱電極布置成規(guī)則圖案，例如格柵或矩陣圖案。根據(jù)前述微電子器件的優(yōu)選實施例，控制單元位于加熱電極的陣列外 部，并通過電源線連接至該加熱電極，該電源線能夠選擇性地承載電能至 加熱電極或承載來自加熱電極的電能。因為傳遞的電能的量或速率確定與 樣品室交換熱的程度，所以控制單元必須恰當?shù)胤峙鋫鬟f的電能，以在樣 品室中獲得期望的溫度分布。以此途徑，加熱陣列能夠保持最簡單，因為加熱電極僅需要轉換電能為熱，而無需進一步處理。控制單元優(yōu)選地適于 驅動加熱電極，使得在樣品室中獲得期望的空間和/或時間溫度分布。這容 許提供用于例如敏感生物樣品的操控的最佳(尤其是不一致的和/或動態(tài)的) 條件。在前述實施例的進一步的發(fā)展中，控制單元包括用于將控制單元耦接 至電源線的解復用器。這容許使用一個電路用于給數(shù)個電源線(相繼地) 提供電力。在具有加熱電極的陣列的微電子器件的另一實現(xiàn)中，每個加熱電極與 局部驅動單元關聯(lián)。該局部驅動單元能夠接管某些控制任務并從而減輕控 制單元，并且還能夠通過避免例如外電流源和加熱電極的陣列之間的驅動 電流的泄漏而提高陣列的效率。根據(jù)前述實施例的進一步發(fā)展，所述驅動單元耦接至公共電源線，并 且加熱電極耦接至另一公共電源線(例如地)。在此情況下，局部驅動單元 確定從公共電源線取得的電能或功率的量。在電能的適當?shù)胤峙涞牧坎槐?通過整個陣列傳輸至某一加熱電極的情況下，這簡化設計。在具有加熱電極的陣列的微電子器件的另一實施例中，該加熱電極可 以與前述設計有利地組合，該控制單元的部分位于該加熱電極的陣列外部， 并且經(jīng)由用于承載控制信號的控制線連接至局部驅動單元(其構成控制單 元的其余部分)。所述局部驅動單元位于加熱電極處并耦接至該加熱電極。 在此情況下，控制單元的所述外部部分能夠確定某一電極將接收多少電能或功率；然而，此能量湖率不必直接從外部控制單元傳遞至加熱電極。而 是，僅需要將關聯(lián)的信息經(jīng)由控制信號傳遞至局部驅動單元，局部驅動單 元然后可以從公共電源線提取所需的能量/功率。在前述實施例的另一實現(xiàn)中，控制信號是脈沖寬度調(diào)制的(PWM)。利 用該PWM信號，能夠以可選擇的速率和占空比關斷和開啟局部驅動單元， 其中，這些參數(shù)確定從公共電源線提取的平均功率。這樣，局部驅動單元 的個體特性不那么關鍵，因為僅需要開/關行為。利用脈沖幅度調(diào)制(PAM)、 脈沖頻率調(diào)制(PFM)或調(diào)制技術的組合來驅動加熱器或場電極也是可能 的。在前述實施例的進一步的發(fā)展中，該局部驅動單元包括存儲器，用于存儲由該控制單元的外部部分傳輸?shù)目刂菩盘柕男畔ⅰＴ摯鎯ζ骺梢岳?通過存儲控制信號的電壓的電容器來實現(xiàn)。該存儲器容許在將關聯(lián)的控制 線從該驅動單元再次斷開并用于控制其它驅動單元時，繼續(xù)加熱電極的指 令的操作。c.雙功能電極下面，將討論根據(jù)本發(fā)明的第一方面的微電子器件的實施例，它們基 于也能夠作為加熱電極操作的場電極。由于此事實，該場電極在下面將稱 作"雙功能電極"。該微電子器件可以包括數(shù)個雙功能電極。優(yōu)選地，微電子器件的所有 電極是雙功能電極，即它們可以用于生成電場及用于與樣品室交換熱。雙功能電極根據(jù)定義可以作為用于生成電場的場電極和作為用于與樣 品室交換熱的加熱電極操作。其可以特別地順次執(zhí)行這兩個功能。根據(jù)優(yōu) 選實施例，然而，控制單元適于驅動雙功能電極同時作為場電極和加熱電極；雙功能電極于是將同時生成電場和與樣品室交換熱。當然，混合操作 也是可能的，其中，雙功能電極有時可以專門作為場電極操作、專門作為 加熱電極操作、或同時作為場和加熱電極操作。存在實現(xiàn)雙功能電極的許多不同方式。在尤其簡單的設計中，該雙功 能電極利用一極連接至第一電位，并且經(jīng)由該控制單元控制的開關，利用 其第二極連接至區(qū)別的第二電位(其中，電極一般假設為具有用于將它與 不同電位連接的兩個極或端)。當開關斷開時，電極浮置在第一電位；當開 關閉合時，根據(jù)第一和第二電位之間的差的電流將流過電極。 D.雜實施例下面，將描述本發(fā)明的數(shù)個進一步的特定實施例，它們都能夠結合根 據(jù)本發(fā)明的第一方面的微電子器件實現(xiàn)。從而，微電子器件可以包括至少兩個場電極，當電壓施加于它們之間 時，該至少兩個場電極在該樣品室的所述子區(qū)中公共地生成電場。使用協(xié) 同操作的兩個場電極的對容許對生成的電場的非常精確的控制。己經(jīng)提到，加熱電極在大多數(shù)情況下能夠生成熱。在可選實施例中， 然而，加熱電極也可以適于從樣品室去除熱。該去除可以例如通過將加熱 電極耦接至熱沉或通過利用風扇冷卻它而獲得。在這些情況下，加熱電極可以內(nèi)在地仍然生成熱，但是它小于熱沉吸收的熱，從而導致凈的熱吸收。 該加熱電極可以特別地通過電阻條帶、透明電極、帕爾帖元件、射頻加熱電極、或輻射加熱(IR)元件實現(xiàn)。所有這些元件能夠將電能轉換為 熱，其中，帕爾帖元件能夠附加地吸收熱并從而提供冷卻功能。微電子器件可以可選地包括至少一個溫度傳感器，它使得可能監(jiān)控樣 品室中的溫度。優(yōu)選地，微流體器件包括多個溫度傳感器。在另一優(yōu)選實 施例中，所述溫度傳感器包括在加熱層中。在特定實施例中，加熱電極可 以作為溫度傳感器操作，其容許測量、溫度而無需附加的硬件。在溫度傳感器可利用的情況下，控制單元優(yōu)選地耦接至所述溫度傳感 器并適于根據(jù)該樣品室中的預定(時間和/或空間)溫度分布以閉環(huán)控制該 加熱電極。這容許提供魯棒地優(yōu)化的條件，用于例如敏感生物樣品的操控。微電子器件還可以包括微機械器件或電器件，例如泵或閥，用于控制 該樣品室中流體的流動和/或粒子的運動。對于微流體器件中樣品的通用操 控，控制樣品或粒子的流動是非常重要的能力。在特定實施例中，加熱電極可以適于通過熱毛細管效應在該樣品室中 的流體中的引起流動。從而能夠利用其加熱能力來移動樣品。此夕卜，場電極能夠用于通過AC或DC電滲、電泳、介電電泳、電鈴動 力學和/或這些效應的組合來生成粒子或液體的運動。在介電電泳的情況下， 樣品中的真實的生物粒子對于操控可能太小并且因此可以將具有期望的電 性質的較大直徑的粒子增加至液體中以方便混合。微電子器件可以可選地包括傳感器元件，優(yōu)選地，光、磁或電傳感器 元件，用于感測該樣品室中樣品的性質。例如WO2005/010543 Al和 WO2005/010542A2中描述了具有磁傳感器元件的微電子器件。所述器件用 作用于探測標注有磁珠的生物分子的微流體生物傳感器。其設置有傳感器 單元的陣列，該陣列包括用于生成磁場的導線和用于探測由磁化的珠子生 成的雜散場的巨磁電阻器件(GMR)。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例，微電子器件包括數(shù)個加熱電極的"加熱陣 列"和數(shù)個傳感器元件的"感測陣列"(包括前述傳感器元件和/或以上提到 的溫度傳感器)，其中，加熱電極相對于傳感器元件對準。此"對準"意指 在加熱陣列中的加熱電極和感測陣列中的傳感器元件的位置之間存在固定(平移不變式)關系；加熱元件和傳感器元件可以例如成對布置，或每個 加熱元件可以與一組傳感器元件關聯(lián)(或反之亦然)。對準的優(yōu)點是加熱元 件和傳感器元件在不同位置類似地相互作用。從而跨陣列提供一致的/周期 的條件。如果傳感器和加熱電極分別在感測陣列和加熱陣列中的布置的圖案相 同，則獲得它們之間的優(yōu)選類型的對準。在此情況下，每個傳感器元件僅 與一個加熱電極關聯(lián)。在可選實施例中，多于一個加熱電極與每個傳感器元件關聯(lián)。這容許 引起空間不一致的加熱分布，其導致一個傳感器元件的區(qū)中的空間不一致 或空間一致的溫度分布，并從而導致甚至更好的溫度控制。優(yōu)選地，在加 熱電極和傳感器元件之間存在上述類型的附加的對準。如果需要或期望在樣品室中具有不同溫度的子區(qū)，這可以可選地通過 利用熱隔層將樣品室劃分成至少兩個隔間而獲得。在樣品室和場電極之間，可以部署部分電隔離的層和/或生物兼容層。 該層可以是諸如聚丙烯酰胺或聚酰亞胺的水凝膠材料。在場和加熱器電極層之間，可以部署隔離層。該層可以例如包含聚酰 亞胺、二氧化硅Si02或光刻膠SU8。已經(jīng)提到，加熱電極和場電極可以布置在樣品室的一側的分開的層中。 然而，加熱電極和場電極還可以部署于樣品室的豎直相對的側面上(包括 附加地存在一些位于樣品室的相同側的加熱電極和場電極的情況)。微電子器件可以特別地包括多個場電極，該多個場電極布置成在層中 彼此平行并以交替端連接至該控制單元。這意指一個場電極在其左端連接 至控制單元，下一個場電極在其右端連接至控制單元，再下一個又在其左 端連接至控制單元， 一直這樣下去。此交替方案在兩側提供進行連接的最 大空間。加熱電極和/或場電極可以是直的或不直的(即彎曲的或彎的)。將關于 附圖更詳細地討論這些設計的范例。電極還可以在它們的形狀和/或橫截面上是矩形的、錐形的和/或非對稱 的。錐形場電極可以例如關于電場線的密集度是有利的。此外，該加熱電極和/或該場電極可以包含數(shù)個平行引線。這些引線優(yōu)選地在一端連接，從而形成電極的公共極。此外，場電極可以可選地布置為四極。對于將粒子集中于樣品的某個 焦點位置，該設計可以是有利的。相鄰場電極之間的距離優(yōu)選地小于50|im、最優(yōu)選地小于10pm。這些 距離容許生成高強度和梯度的電場。此外，微電子器件可以包括數(shù)個平行布置的加熱電極，其中，相鄰加 熱電極之間的距離大于5(Him，優(yōu)選地大于100pm。在本發(fā)明的進一步的優(yōu)選實施例中，控制單元適于利用具有可選擇的 強度和/或頻率的交變電流驅動該加熱電極。與加熱電極的該操作關聯(lián)的電 場(如果它們具有合適的強度和頻率)可以在某些情況下，例如在介電電 泳的情況下，在樣品中生成運動。在另一方面，交變電流的強度和頻率確 定熱生成的平均速率。從而，簡單地通過恰當?shù)馗淖兪┘拥碾娏鞯膹姸群? 或頻率來執(zhí)行該電極的加熱和操控功能是可能的。尤其在跨接頻率處，介 電電泳力為零并且所以將不會引起粒子運動。本質上，當施加場的此頻率 時，將僅發(fā)生加熱。如果增加了混合粒子，這是特別有趣的，因為它們具 有良好限定的直徑和電性質并且從而也具有良好限定的零頻率。加熱電極和/或場電極可以優(yōu)選地在薄膜電子器件中實現(xiàn)。下面，將描述一些優(yōu)選實施例，它們基于包括具有多個加熱電極的"加 熱陣列"和/或具有多個場電極的"場陣列"的微電子器件，其中，可以可 選地合并所述陣列。當實現(xiàn)該器件時，可以使用大面積電子器件(large area electronics)矩 陣途徑、優(yōu)選地有源矩陣途徑可以用于接觸電極。LAE技術，并且具體地 使用例如薄膜晶體管(TFT)的有源矩陣技術應用于例如諸如LCD、 OLED 及電泳顯示器的平板顯示器的生產(chǎn)中。在前述實施例中，可以由控制單元使用每次一線的尋址途徑來尋址電極。根據(jù)具有加熱電極和/或場電極的陣列的微電子器件的進一步的發(fā)展， 所述陣列和該樣品室之間的界面化學地涂成圖案，該圖案對應于電極的圖 案。從而，能夠將電極的效果與化學效果組合。在前述實施例中，結合分子可以例如聯(lián)接至樣品物質能夠由該場電極的電場俘獲的位置處的界面。從而場電極能夠有助于將樣品結合至界面用 于進一步分析的處理。然后，能夠反轉力的極性以去除未鍵合的材料。在具有場電極和/或加熱電極的陣列的微電子器件的另一實施例中，每 個加熱電極和/或場電極與尋址元件、驅動單元、存儲器單元和/或頻率振蕩 器局部地關聯(lián)。振蕩器可以特別是可調(diào)諧振蕩器，優(yōu)選地，馳豫振蕩器或 環(huán)形振蕩器。本發(fā)明進一步涉及上述的微電子器件的使用，用于分子診斷、生物學 樣品分析、或化學樣品分析、食物分析、和/或法醫(yī)學分析。分子診斷可以 例如在直接或間接聯(lián)接至目標分子的磁珠或熒光粒子的幫助下完成。


本發(fā)明的這些和其它方面從以下描述的實施例將是明顯的，并將參照 這些實施例闡述它們。將通過借助于附圖的范例方式描述這些實施例，其 中圖1示意性地示出了通過具有加熱電極和場電極的堆疊層的微電子器 件的截面；圖2和3示出了通過雙功能加熱電極生成附加電場時如同圖1的微電 子器件；圖4示出了圖1的器件的變形，其中對電極位于樣品室的相對側； 圖5-7示出了在兩側具有基底和電極的樣品室的不同設計； 圖8和9示意性地示出了具有相對彼此對準的兩個豎直堆疊的電極層 的基底的視圖；圖10和11示出了通過過孔在大面積電子器件中連接電極的可選途徑;圖12示意性地示出了雙功能電極的圖案化層的頂視圖；圖13示出了用于可選地將電流或電壓施加于雙功能電極的兩個可選電路；圖14示意性地示出了在陣列外部具有加熱器驅動器電路的有源矩陣加 熱器陣列；圖15示出了圖14的變形，其中單個加熱器驅動器經(jīng)由解復用器連接 至加熱電極的陣列；圖16示意性地示出了具有局部驅動單元的有源矩陣加熱器系統(tǒng)的電路；圖17示出了具有附加存儲器元件的圖16的設計；圖18示出了具有局部振蕩器的有源矩陣系統(tǒng)；圖19至26示出了關于圖18的局部振蕩器的不同設計。圖中類似的參考數(shù)字/符號指相同或類似的部件。
具體實施方式
用于諸如分子診斷的(生物)化學分析的生物芯片將成為多種醫(yī)學、 法醫(yī)學和食物應用的重要工具。通常，生物芯片包括生物傳感器，在大多 數(shù)生物傳感器中，利用捕獲分子將目標分子(例如，蛋白質、DNA)固定 在生化表面上并且隨后使用例如光、磁或電探測方案探測它們。 WO2003/054566、 WO2003/054523 、 WO2005/010542A2、 WO2005/010543A1 及WO2005/038911Al中描述了磁生物芯片的范例，通過引用將它們并入本 申請。目標分子與生化表面的結合動力學確定生物傳感器的速度和專一性 (specificity)。對于低濃度(pMol)的大生物分子，結合動力學是擴散受限 的，并且從而高靈敏度生物傳感器的速度受到限制。電操作和局部流體控 制提供影響分子與表面的結合動力學的能力，并且容許提高測量速度。如 果要測量生物標記的減小的濃度，其將成為必需的。甚至可以想得到通過 以受控的方式將目標分子從表面"拖"開(嚴格性測試)以特別地移除弱 結合的(特別地吸附的)分子來改善結合的專一性。改善生物傳感器的專一性的更受限定的方式是通過控制溫度，在調(diào)節(jié) 目標分子與功能表面的結合(例如DNA鏈與其互補鏈的結合)的嚴格性的 雜化化驗中經(jīng)常使用該方式。當例如對單點突變感興趣時，需要高的嚴格 性。除了對雜化化驗的高的重要性外，通常需要生物傳感器的溫度控制。 因此文獻中報道了在集成生物醫(yī)學器件中使用用于加熱元件的電阻電極和 溫度感測元件。更一般地，控制生物芯片上的溫度和流體的能力是必須的。 除了一般的溫度或流動管理外，結合溫度控制來局部地控制流體對流的能 力提供了增進試劑的溶解、增進(生物)化學藥品的混合及增進溫度一致性的選擇。為了優(yōu)化生物傳感器的性能，需要將控制溫度的元件及用于生物分子 的電流體致動和電操控的裝置集成到生物傳感器中。這里因此提出在生物 傳感器中并入溫度處理陣列并將它與混合元件或泵浦元件組合。然而，用于帶電粒子/流體操控的電極陣列典型地在電極間具有小于lOO^im的間隔 (期望高場強和場梯度)，經(jīng)常在10Mm的范圍，剩下小的側向空間用于集 成溫度控制元件(例如加熱器、傳感器)。因此，要解決的問題是用于溫度 控制的電極和用于帶電粒子或流體操控的電極一般不能彼此靠近地沉積， 并且因此不能由單傳導/電阻層圖案化。 1)豎直堆疊的電極陣列在第一系列的實施例中，提出使用至少兩個豎直堆疊的電極陣列用于 流體/生物分子的電操控和溫度控制。圖1示意性地示出了一般設置。加熱 元件或"加熱電極"HE包含電阻電極并優(yōu)選地位于與承載電極的基底SU 最靠近的圖案化的電極層中。另外，用于流體/生物分子的電操控的"場電 極"FE優(yōu)選地最靠近樣品室SC安置，這對獲得樣品中的電場中的高電場E 和高梯度的能力是有利的。在優(yōu)選實施例中，將至少一個包含電阻電極的 溫度感測元件并入到至少一個圖案化的電極層中。加熱電極HE和場電極 FE耦接到向它們供應合適電壓和/或電流的控制單元CU。電絕緣層存在于第一和第二電極層中。實現(xiàn)此結構的優(yōu)選的技術是公 知的用于(反射式和透反射式)LCD的制造的"場屏蔽像素(fieldshielded pixel)"有源矩陣技術，其中數(shù)微米厚的韌性(tough)(聚合物)層用于將 第二金屬層與第一層(其一般直接沉積于基底上)分開。除了電絕緣外，上述層可以包括生物兼容的外涂層。場電極層也可以 覆蓋有部分電絕緣的層和域生物兼容的外涂層(例如，聚酰亞胺、多孔Si02、 聚丙烯酰胺)。兩個電極層都可以在電極頂部包括天然氧化物?？梢詫⒏郊?的生物兼容的和/或絕緣的層沉積于電極層的堆的頂部。在另一實施例中，第一圖案化的層中的加熱電極順次用于加熱和防護 (guard)利用第二圖案化的層中的場電極FE產(chǎn)生的電場。由于它們的用 于加熱和場生成的雙功能，這些電極在圖2-4中用參考符號FHE表示(其 它圖中所示的加熱電極HE—般也可以是雙功能FHE電極)。FHE電極的場生成是有利的，因為它提供獲得期望電場的附加的參數(shù)，其與流體/生物分 子的電操作尤其相關。例如，通過將第一和第二層中的電極設定在相同電位，能夠產(chǎn)生更均一的面內(nèi)電場(圖2)。另一方面，通過向第一和第二層 中的電極施加不同的電位，能夠調(diào)諧電場的豎直分量(圖3)。在附加的實 施例中，可以將用于加熱/溫度感測和操控的電極FHE連接至浮置電流源或 能夠在將其連接至電壓源時將其從電流源斷開。雖然使用除場層電極外的加熱層電極可以在較好的方向上導引電場， 但是場層(或附加層)電極的存在可以減小將從加熱電極通過的場線的強 度。減小此效果的實施例的可選設定以比加熱電極(比如說10(Him)小得 多的間距(比如說10拜)設置場電極——任何情況下熱將會傳播。能夠將調(diào)諧期望的電場強度和梯度的圖案化的電極的第一和第二層的 使用擴展為多電極層。另外，用于加熱的(圖案化的)電極層也可以存在 于所述第一基底以上的另一基底上。圖4-7示出了由多個基底圍住的樣品室或流動通道SC的示意性描述， 該多個基底中的一個基底承載有至少一個電極，而另一基底承載有至少兩 個圖案化的電極層。除了與基底的面內(nèi)操作外，該結構尤其適合于垂直于 基底操控生物分子(圖4)。應當理解，本發(fā)明的此部分不限于示出的實施 例，而是能夠一般地應用于寬廣變化的配置。場和加熱電極層優(yōu)選地相對彼此對準。圖8和9示出了數(shù)個對準的特 定實施例。在這些圖中，假定用于加熱的電極HE (或FHE)位于第一圖案 化的電極層中，而用于流體/生物分子的電操控的電極FE位于第二圖案化 的電極層中。如本領域專家所期望的，本發(fā)明不限于示出的實施例。本發(fā) 明還應用于不直的電極配置，諸如四極或多極。除了示例對準的數(shù)個方式 外，圖8和9還示例每層的單獨的電極如何接觸而不短路。為清楚起見， 應當注意，加熱元件HE (或FHE)和溫度感測元件TS需要至少兩個接觸 部，因為電流必須流過電極。用于流體/生物分子的電操控的電極FE需要 至少一個接觸部，以使電極為某一電位。圖8在橫截面(每個圖a-f的頂部)和頂視圖(每個圖a-f的底部)中 示出了具有相對彼此對準的兩個豎直地堆疊的圖案化的電極層的基底的示 意性視圖a)至f)。更具體地，單獨的圖示出了a) 和c):第二層中的場電極FE平行于在一側具有接觸部的第一層的 加熱電極HE安置并安置于該加熱電極之間。場層電極的接觸部安置于第一 層中的加熱電極的接觸部之間。在圖c)中，每個場電極FE包含數(shù)條平行 引線。b) 、 d)和e):第二層中的場電極FE平行于在兩個相對側具有接觸部 的第一層的加熱電極HE安置并安置于該加熱電極之間。場層電極的接觸部 安置于第一層中的加熱電極的接觸部之間。在圖d)和e)中，每個場電極 FE包含數(shù)條平行引線。在圖d)中，電極FE以交替方式從兩側接觸，而e) 中，它們只延伸至陣列的中間，并且因此必須在兩側接觸。f):第二層中的場電極FE正交于第一層的加熱電極HE安置。場層電 極的接觸部安置于第一層中的加熱電極的接觸部之間。圖9示出了具有相對彼此對準的兩個豎直堆疊的圖案化的電極層的基 底的類似的示意性頂視圖。a)、 b):第二層中的場電極FE平行安置并安置于在一側具有接觸部的 第一層的加熱電極HE的頂部上。場層電極的接觸部安置于第一層中的加熱 電極的接觸部之間。在圖b)中，每個場電極FE包含數(shù)條平行引線。c) 、 d):第二層中的場電極FE平行安置并安置于在兩相對側具有接觸 部的第一層的加熱電極HE的頂部上。場層電極的接觸部安置于第一層中的 加熱電極的接觸部之間。在圖c)中，電極FE以交替方式從兩側接觸，而 d)中，它們只延伸至陣列的中間，并且因此必須在兩側接觸。e) :第二層中的場電極FE平行安置并以交替方式安置于在兩側具有接 觸部的第一層的加熱電極HE的頂部上和其間。場層電極的接觸部安置于第 一層中的加熱電極的接觸部之間。f) :第二層中的場電極FE安置于在兩相對側具有接觸部的第一層的加 熱電極HE之間。場層中的相對電極相對于彼此移位。第一層中的加熱電極 HE是不直的。場層電極的接觸部安置于第一層中的加熱電極的接觸部之 間。概括地，圖8和9示出了場中的電極和加熱層可以是不直的，以在相 同邊緣上靠近彼此安置單獨的電極的接觸部。此外，其示出了電極也可以 是不直的，以朝向不同邊緣分叉(例如圖9f)?？蛇x地，F(xiàn)E電極的不直的長度可以覆蓋有絕緣體，以防止它們在樣品空間中產(chǎn)生不均一的場。除了所示的類似正方形形狀的電極外，可以使用多種圖案，諸如尖銳 的和不對稱的電極和四極。這些結構對于流體/生物分子的電操控是尤其有 用的。電阻加熱元件也可以用于使用所謂的熱毛細管效應引起流體流動。流 體流動會隨它拖動包含在流體中的粒子。結合生物分子的電操控，這能夠 有利。例如，在利用用于電操控的電極俘獲粒子的情況下，加熱元件能夠 引起流體流動并且從而供應新粒子。以類似的方式，能向小室中引入對流 流動。場電極也可以用于引起流體流動。這能夠通過經(jīng)由AC或DC電滲、電 泳、介電電泳、電鈴動力學和/或這些效應的組合移動液體而實現(xiàn)。在另一優(yōu)選實施例中，大面積電子器件(LAE)矩陣途徑，甚至更優(yōu) 選地有源矩陣途徑(例如，低溫多晶硅(LTPS)、非晶Si)，用于接觸第一 和第二圖案化層中的電極。這是有利的，因為它減小了所需的至外部世界 的輸入/輸出接觸部的數(shù)目。大面積電子器件，并且特別是使用例如薄膜晶 體管(TFT)的有源矩陣技術，通常用于平板顯示器領域，用于例如LCD、 OLED和電泳的許多顯示效果的驅動。用于加熱和/或操控的(金屬)電極 可以附加地沉積于包含有源矩陣電子器件的底板的頂部上。在另一實施例 中，用于建立有源矩陣部件(例如，TFT、 二極管)的金屬層也用于制作該 電極層的一個或兩個，電極層用于生物分子/流體的溫度控制和/或電操控。在第一和第二層中的有源部件(TFT、 二極管、電容器)和電極之間需 要傳導路徑(過孔)。這在圖10和11中示出了。過孔VIA1、 VIA2可以由 相同金屬層構成，相同金屬層如是沉積的，構成(例如TFT、 二極管)的 有源矩陣部件的部分。在第一和第二層中的電極沒有在彼此以上對準的情 況下，應用過孔是直接的。圖IO特別示出了第一和第二層中的電極在彼此以上對準的情況。然后 能夠應用過孔VIA1通過第一層中的加熱電極HE中的孔將第二層中的場電 極FE與位于LAE底板中的它的場控制電路FC連接。第一層中的加熱電極 HE能夠通過過孔VIA2直接連接至LAE底板中它的加熱控制電路HE。然而，如果第一層中的電極HE用于加熱，則前述涉及是不期望的，因為孔的存在將局部增大電阻并且因此增高溫度。具有用于過孔的孔的電極 能夠制作的稍寬，以補償孔的電阻的增大。然而，這可以導致不需要的電流分布并因此溫度梯度。如圖11中所示，至第二層中的場電極FE的過孔 VIA1在那種情況下可以應用于加熱電極HE附近。然而，當?shù)诙又械膱?電極用于電操控流體/生物分子時，這可能是不期望的，因為過孔和電極之 間的接觸將擾亂電場(例如在加寬電極的意義上)。當?shù)诙姌O層中的場電 極FE的數(shù)量變得更大時，問題變得更嚴重。當某一電壓(幅度、相位、頻 率)同時應用于多個電極時，可能的解決方案是將僅一個過孔聯(lián)接至多個 靠近地間隔的梳狀電極(未示出)。同時，圖10和11示出了電極層下的LAE底板中的電子器件HC、 FC 的安置，本發(fā)明不限于此配置。電子器件也可以靠近電極放置，或放置在 有足夠空間的另外的地方并使用與加熱器、傳感器及操控電極連接的風扇。 2)用于流體/生物分子的溫度控制和電操控的單電極層。在第二系列實施例中，提出通過跨(電阻)電極FHE (即用于加熱和 溫度感測，圖12a)和在電極FHE之間(即用于流體/生物分子的電操作， 圖12b)順次施加電壓而使用單個圖案化層的電極FHE用于流體/生物分子 的溫度控制和電操作。圖案化的電極層可以覆蓋有(部分地)電絕緣層(例 如，SU-8、聚酰亞胺、Si02、天然金屬氧化物)和/或生物兼容層(例如SU-8)。 每個電極FHE具有至少兩個接觸部。在(電阻)電極用于加熱或溫度感測 的情況下(圖12a)，使用至少兩個接觸部。在電極用于流體/生物分子的電 操控的情況下(圖12b)，經(jīng)由至少一個接觸部施加(有區(qū)別的)的電壓V1、 V2、 V3、 V4。為使完整的電極處于期望電位所需的時間減少，經(jīng)由多于一 個接觸部(圖12b中示為最右的電極)施加這些電壓是有利的。單電極能夠視為電阻器。交替使用相同電極用于流體/生物分子的加熱/ 溫度感測和電操控需要在通過電極施加電流和向電極施加電位之間切換連 接至電極的電路。圖13示出了兩個概念來實現(xiàn)這個。可以施加AC和DC 信號。圖13a示出了在電極FHE (晶體管)和地GR之間使用具有開關T1 (例如晶體管)的一個電壓源V1。當開關閉合時，電流將流過電極。當開 關斷開時，將電極驅動至源電壓。TFT開關還能夠用作用于加熱的電流源。 圖13b示出了兩個電壓源的使用； 一個V1用于加熱，而一個V2用于操控。開關T2、 T3、 T4給電極FHE (電阻器)設置所需的電壓。電壓源能夠是 AC或DC。在AC情況下，開關的柵極將需要保持在AC場的范圍以上的 電壓?？梢詮闹镣獠康倪B接施加源。在另一實施例中，相同電極同時用于生物分子/流體的溫度控制(加熱、 感測)和操控。在例如DEP (介電電泳)運動的情況下，高頻將或能夠用 于引起加熱效果。因此，附加地驅動單電極以實現(xiàn)以下功能性是可能的-僅DEP，沒有加熱使用低強度或低占空比的AC信號；-僅加熱(沒有凈粒子運動)——用于相互補償+DEP和一DEP的兩頻 率處的高強度AC;經(jīng)由占空比的溫度控制；-跨接頻率(cross over frequency)處的DEP，從而僅發(fā)生加熱。對于具 有諸如有良好限定的直徑的混合器粒子或磁性粒子的良好限定的粒子的系 統(tǒng)，這是最適用的。-運動十加熱所需頻率處的高強度AC。用于流體/生物分子的溫度控制和電操控的單個圖案化的電極層的使用已經(jīng)減小了到外部世界所需的i/o插腳的數(shù)量。優(yōu)選地，使用薄膜電子器件實現(xiàn)電極陣列。為了進一步減小所需的I/O插腳的數(shù)量和/或在基底上集成 電子電路，可以以矩陣陣列的形式實現(xiàn)陣列，尤其是有源矩陣陣列(例如 LTPS、非晶硅)的形式。用于加熱和/或操控的(金屬)電極可以沉積在包含有源矩陣電子器件 的底板的頂部。在另外的實施例中，用于建立有源矩陣部件(例如TFT、 二極管)的金屬層也用于構成用于生物分子/流體的溫度控制和/或電操控的 電極層。在有源部件(例如TFT、 二極管)和電極之間需要傳導路徑(過孔)。 過孔的應用是直接的。為了能夠跨電極或在電極之間順次施加電壓，可以 將電子電路集成在LAE底板中。 3)與電極對準沉積的雜化斑點在第三系列的實施例中，提出將雜化斑點與用于流體和生物分子的溫 度控制和電操控的電極對準，雜化斑點典型地包含固定于表面上的探針分 子(例如單DNA鏈、反配位體)。一般地，在制造電極后，將雜化斑點沉積在表面上。例如，噴墨印刷可以用于沉積DNA捕獲探針。雜化斑點能夠相對于電極沉積于例如生物分 子的俘獲位置處的某個位置上和/或溫度受控的區(qū)域以上?？蛇x地，自組裝 捕獲分子能夠生長在某些表面(例如Au)上。依賴于電極結構和施加的(AC、 DC)電壓，能夠俘獲生物分子。例如， 如圖12的電極結構能夠用于使用頻率依賴的介電電泳力涂抹出現(xiàn)在樣品中 的多種粒子。電俘獲位置處雜化斑點的存在提供了在電極上的電壓變化時保持生物 分子被俘獲的途徑。通過切換電壓和/或頻率，能夠在生物分子上的負和正 介電力之間切換(例如拖/推)，這提供簡單的電方法，以控制結合的嚴格性 并沖掉任何未鍵合的材料。類似地，在使用單電極層用于溫度控制和電操 控的情況下，電和生化俘獲的組合是有利的。首先，電極能夠用于俘獲生 物分子。然后，當生物分子保持在具有雜化斑點的位置上時，相同的電極 能夠用于控制溫度，例如控制結合的嚴格性。 4)微流體生物傳感器的多種設計如己經(jīng)提到的，通過將可編程溫度處理陣列并入傳感器模塊，能夠相 當大地改善生物傳感器的性能。溫度處理陣列能夠用于在整個傳感器區(qū)域 維持恒定溫度，或可選地，在生物傳感器也以陣列形式配置并且生物傳感 器的不同部分最佳地操作在不同溫度時，引起限定的溫度分布。在所有情 況下，溫度處理陣列包括多個單獨可尋址和可驅動的加熱元件，并且可以 可選地包括諸如溫度傳感器、混合元件或泵浦元件的附加的元件，并且甚 至包括感測元件本身(例如光傳感器)。優(yōu)選地，使用薄膜電子器件實現(xiàn)溫 度處理陣列，并且可選地，可以以矩陣陣列的形式實現(xiàn)該陣列，尤其是以 有源矩陣陣列的形式。同時，發(fā)明不限于任何特定類型的生物傳感器，其 能夠有利地應用于基于光(例如熒光)、磁或電(例如電容的、電感的...) 感測原理的生物傳感器。下面，將更詳細地描述該生物傳感器的多種設計。每個單獨的加熱元件HE、 FHE可以包括用于熱生成的任何公知概念， 例如電阻條帶、珀耳帖(Peltier)元件、射頻加熱元件、輻射加熱元件(諸 如紅外源或二極管)等。每個加熱元件是單獨地可驅動的，由此可以引起 多個溫度分布。為了增進溫度控制，在特定熱循環(huán)中，可以設置裝置用于在操作期間冷卻生物傳感器，該裝置諸如是有源冷卻元件(例如薄膜帕爾帖元件)、與 熱沉或冷塊熱接觸的熱傳導層和風扇。5)加熱元件的有源矩陣陣列如已經(jīng)指出數(shù)次的，可以以矩陣器件的形式實現(xiàn)加熱端子的陣列，優(yōu) 選地以有源矩陣器件的形式(可選地被以復用方式驅動)。在有源矩陣或復 用器件中，從一個驅動器到多個加熱器重新導引驅動信號、而不需要通過 兩個接觸端子將每個加熱器連接至外部世界是可能的。在圖14中所示的實施例中，有源矩陣用作分配網(wǎng)絡，以從中央驅動器 CU經(jīng)由單獨的電源線iPL至加熱器元件HE路由加熱器所需的電信號。在 此范例中，加熱器HE設置為相同單元的規(guī)則陣列，由此，經(jīng)由有源矩陣的 晶體管Tl將加熱器連接至驅動器CU。將晶體管的柵極連接至選擇驅動器 (在所有情況下，如用于有源矩陣液晶顯示器AMLCD的標準移位寄存器 柵極驅動器)，同時，源極連接至加熱器驅動器，例如一組電壓或電流驅動 器。此陣列的操作如下--為激活給定的加熱器元件HE，將并入所需的加熱器的整行的隔間中 的晶體管Tl切換至導通狀態(tài)(通過例如將正電壓從選擇驅動器施加至柵 極)。-將加熱器所處的列中的單獨的電源線iPL上的信號(電壓或電流)設 定為它的期望值。此信號通過導通的TFT，到達加熱器元件，導致局部溫 度升高。-所有其它列中的驅動信號保持在一個電壓或電流，其將不引起加熱(這 將典型地為0V或0A)。-在實現(xiàn)溫度升高后，將線(line)中的晶體管再次設定為不導通狀態(tài)， 防止進一步的加熱器激活。同樣地，矩陣優(yōu)選地使用"每次一線(line-at-a-time)"的尋址原理操 作，與由基于CMOS的器件進行的通常的隨機訪問途徑相反。通過向陣列中不止一列施加信號，同時激活給定行中不止一個加熱器 HE也是可能的。通過激活另一線和向陣列中的一列或不止一列施加信號， 順次地激活不同行中的加熱器是可能的。同時，在圖14的實施例中，考慮能夠同時向陣列中的所有列提供(如果需要的話)單獨的信號的驅動器，考慮具有解復用器的功能的更簡單的驅動器也是可行的。這在圖15中示出了，其中，僅需要單個輸出驅動器SD 來生成加熱信號(例如電壓或電流)。解復用電路DX的功能是簡單地路由 加熱器信號至列中的一列，由此，僅該列中選中的行中的加熱器被激活。 可選地，解復用器DX能夠直接聯(lián)接至多個加熱元件(對應于圖15中僅一 行的情況)。解復用電路的功能于是為簡單地路由加熱器信號至其輸出端中 的一個，由此，僅激活期望的加熱器。通過兩個接觸端子單獨驅動每個加熱元件的簡單途徑的問題是需要外 部驅動器(即用于電阻加熱器的電流源)，以給每個加熱器提供電信號。結 果，每個驅動器一次僅能激活單個加熱器，這意味著必需順次激活聯(lián)接至 相同驅動器的加熱器。這使得難于維持穩(wěn)態(tài)溫度分布。此外，如果需要驅 動電流，由于泄漏效應，不是總能夠將電流從驅動器引向加熱器而沒有電 流損耗。為此原因，優(yōu)選地使用激活矩陣技術，以便引起每個加熱元件一個集 成的局部加熱器驅動器。圖16示例了這樣的局部驅動器CU2，其形成用于 整個陣列的控制單元的一部分；所述控制單元的另一部分CU1位于加熱電 極HE的陣列外部(注意圖16中僅示出了整個陣列的一個加熱電極HE)。 現(xiàn)在，每個加熱器元件HE不僅包括選擇晶體管T1，而且還包括局部電流 源。同時，有許多實現(xiàn)該局部電流源的方法，最簡單的實施例僅需要增加 第二晶體管T2，流過此晶體管的電流由柵極電壓限定?，F(xiàn)在，釋放信號的 編程僅僅是提供來自外部電壓驅動器CU1的、經(jīng)由單獨控制線iCL和選擇 晶體管Tl的指定電壓至電流源晶體管T2的柵極，其然后從公共電源線cPL 取得所需的功率。在圖17中所示的進一步的實施例中，局部驅動器CU2能夠設置有局部 存儲器功能，由此，擴展驅動器信號至隔間被尋址的時間以外成為可能。 在許多情況下，存儲器元件是簡單的電容器C1。例如，在電流信號的情況 下，設置額外的電容器C1，以存儲電流源晶體管T2的柵極上的電壓并維 持加熱器電流，同時，例如加熱器元件的另一線被尋址。增加存儲器容許 將加熱信號應用于更長的時段，由此能夠更好地控制溫度分布。雖然所有以上實施例考慮使用薄膜電子器件(和有源矩陣方法)來激活加熱元件，在最簡單的實施例中，單獨的加熱元件都可以被單獨地驅動， 例如在借助于經(jīng)由兩個接觸端子通過元件通過限定的電流的電阻加熱元件 的情況下。雖然這是用于相對小數(shù)量的加熱元件的有效的解決方案，該途 徑的一個問題是，要被單獨驅動的每個附加的加熱元件需要至少一個附加 的接觸端子。結果，如果需要大數(shù)量的加熱元件(以產(chǎn)生更復雜或更一致 的溫度分布)，接觸端子的數(shù)量可以變得驚人的大，使得器件難以接受的大和笨重。使用諸如二極管和MIM (金屬-絕緣體-金屬)器件的其它有源矩陣薄膜開關技術來實施實施例的數(shù)個也是可能的。6)具有用于生物分子/流體操控的振蕩器的驅動電路雖然在要被切換的加熱電極HE處簡單地并入開關是可能的，但是在每 個加熱電極HE的玻璃上并入頻率振蕩器通常是有益的。對于生物分子的俘 獲，這尤其是真實的，因為對于小粒子限制，通常需要高頻OlMHz)，并 且利用局部頻率振蕩器，線電容不再相關(從而容許更高的頻率和顯著減 小的功率耗散)。另外，它使得可能使用如透明氧化物的更高電阻的透明電 極，因為再次，RC延遲和功率低。根據(jù)圖18中所示的示意性設計，用于粒子操控的每個場電極將與包括 尋址元件、存儲器功能元件、振蕩元件、可選地驅動功能元件、以及一個 或多個電極的有源矩陣電路關聯(lián)。這些功能元件中，尋址元件可以是簡單 的開關，或在相同電極用于溫度控制和生物分子/流體致動(參照以上)的 情況下，為更復雜的開關，并且存儲器功能元件可以是存儲電容器。有許多生產(chǎn)可調(diào)諧振蕩器的方法。稱作馳豫振蕩器的一類振蕩器是通 過改變供應至集成電子器件的電流頻率可調(diào)諧的；圖20中示出了此類振蕩 器的范例。這里，數(shù)據(jù)電流填充開關電容器C的速率確定振蕩頻率。此振 蕩器實施例的優(yōu)點是所有的TFT具有相同極性，這使得電路也可以以a-Si 技術實施。在此類振蕩器中，設定振蕩器頻率所需的電流能夠直接由數(shù)據(jù)驅動電 路供應并使用圖20和21中所示的電路鏡像至像素上。圖20中的電路的操 作如下采樣閉合S1和S2;電流Ir流入Tl并且電流12 (-k'I,)流入T2和振蕩器。保持斷開S1和S2;電流I2繼續(xù)流入T2和振蕩器。 圖21中的電路的操作如下1. 閉合T1禾CIT2，電流Ir流入T4。2. 斷開T1和T2。3. 閉合T3，電流I,現(xiàn)在流入T4和振蕩器。雖然圖20示出了傳統(tǒng)電流鏡電路，在圖21中，電流鏡使用相同的晶 體管T4用于采樣數(shù)據(jù)驅動器電流和驅動振蕩器。此單個TFT電流鏡電路具 有自補償和校正TFT特性(諸如遷移率和閾值電壓)中的任何變化的優(yōu)點。 如果使用p-SiTFT，這是重要的，因為這里發(fā)現(xiàn)了相當大的遷移率(5-10%) 和閾值電壓(+/—1V)變化。驅動電流中的任何不一致將反映在振蕩器頻 率中的等同移動中。可選地，能夠以電壓形式尋址數(shù)據(jù)，并且使用圖22和23中所示的電 流源電路將電壓轉換為像素水平的所需的電流。在這些電路中，將數(shù)據(jù)電 壓施加于電流源TFT的柵極，并且其跨導特性用于限定電流(隨源極-柵極 電壓變大，電流增大)。圖23示出了基本電路的改善版本，其對水平串擾 不敏感得多(當由于沿電源線的電壓降而越過基底移動時輸出電流中的降 低)。如果可以利用n型和p型晶體管(例如p-Si技術，或CMOS技術)， 生產(chǎn)具有更少TFT的振蕩器是可能的。這對于能夠用于后方照明和探測的 基底上的開口空間(孔徑)是有利的。能夠在電子器件參考書中找到該振 蕩器的范例。圖21中所示類型的馳豫振蕩器通常具有的特性是輸出信號的幅度隨輸 出頻率改變。對于許多應用，將需要確保恒定幅度的輸出電壓，或更一般 地，需要確保輸出電壓是獨立于頻率變化的。通過使用輸出緩沖器，這些 情況都能夠實現(xiàn)，并且這些形成本發(fā)明的優(yōu)選實施例。圖24中給出了實施 具有恒定輸出電壓緩沖器的圖19的馳豫振蕩器的范例。在此圖中，給出了 p-Si中的電路的實際實施(即電流源和電阻由TFT限定)。將電路部件進一 步形成合適的尺寸，以提供在300Hz-10kHz帶寬中的振蕩，然而選擇其它 部件會容許其它帶寬。圖25中示出了輸出電壓的頻率和幅度是獨立地變化 的像素電路的范例。此像素電流將需要兩個數(shù)據(jù)信號， 一個用于頻率(電流)，而一個用于像素電壓(電壓)。能夠在局部可調(diào)諧振蕩器像素電路中實施的另一類振蕩器電路是環(huán)形振蕩器。圖26中示出了此類振蕩器的范例。在此范例中，輸出電壓的頻率 和幅度是獨立地變化的。再次，將電路部件形成合適的尺寸，以提供在 300Hz-10kHz帶寬中的振蕩，其是顯示應用所需的帶寬。通過選擇其它的 部件能夠改變此帶寬。在大多數(shù)情況下，振蕩器的輸出(電壓)將直接用于驅動電極。在一 些情況下，電極將需要振蕩輸出電流。這能夠通過使用(例如)電流源TFT 的跨導特性將振蕩輸出電壓轉換為電流而再次實現(xiàn)，如圖22和23中己經(jīng) 示出的。在附圖的以上描述中， 一般引用晶體管。實際上，適于使用低溫多晶 硅(LTPS)薄膜晶體管(TFT)制造溫度受控的小室陣列。因此，在優(yōu)選 實施例中，以上引用的晶體管可以是TFT。尤其是，可以使用LTPS技術將 陣列制造在大面積玻璃基底上，因為當使用大面積時，LTPS是特別有成本 效益的。此外，雖然已經(jīng)關于基于低溫多晶Si (LTPS)的有源矩陣器件描述了 本發(fā)明，也可以使用基于例如CdSe、 SnO或有機TFT的非晶Si薄膜晶體 管(TFT)、微晶或納晶Si、高溫多晶SiTFT、其它的無機TFT。類似地， 如本領域所知的，MIM，即金屬-絕緣體-金屬器件或二極管器件，例如利用 復位(D2R)有源矩陣尋址方法使用雙二極管，也可以用于開發(fā)于此公開的 發(fā)明。如在以上數(shù)個實施例中描述的可編程溫度處理陣列是針對醫(yī)學和保健 及健康產(chǎn)品的一系列器件中的極端重要的部件。主要的應用是在生物芯片 中使用溫度處理陣列，諸如在生物傳感器下面或在反應室下面，其中受控 的加熱提供功能能力，諸如混合、蛋白質和核酸的熱變性、增大的擴散速 率、表面結合系數(shù)的修改等。特定的應用是使用PCR的DNA放大，PCR 需要陣列元件的可重復的和精確的復用(即平行的和獨立的)的溫度控制。 其它應用是用于致動MEMS相關器件，該器件用于壓力致動、熱驅動流體 泵浦等。最后指出，在本申請中，術語"包括"不排除其它元件或步驟，"一個"不排除多個，并且單個處理器或其它單元可以執(zhí)行數(shù)個裝置的功能。本發(fā) 明具備每個新特征和每個新特征的組合。此外，權利要求中的參考符號不 視為是限制它們的范圍。
權利要求
1、一種用于操控樣品的微電子器件，包括a)樣品室(SC)；b)至少一個加熱電極(HE、FHE)，用于在被以電能驅動時，與該樣品室的至少一個子區(qū)交換熱；c)至少一個場電極(FE)，用于在向它施加電位時，在該樣品室的所述子區(qū)中生成電場(E)；d)控制單元(CU、CU1、CU2)，用于選擇性地驅動電極(HE、FHE、FE)。
2、 根據(jù)權利要求1所述的微電子器件，其特征在于，該加熱電極(HE)部署于稱作"加熱層"的第一層中， 并且該場電極(FE)部署于稱作"場層"的第二層中，所述層與該樣品室 (SC)相鄰地布置成一層在另一層之上。
3、 根據(jù)權利要求2所述的微電子器件，其特征在于，該場層部署于該樣品室(SC)和該加熱層之間。
4、 根據(jù)權利要求2所述的微電子器件，其特征在于，該加熱層和該場層中的每一個分別包括多個加熱電極 (HE)和場電極(FE)，其中，不同層的電極優(yōu)選地相對于彼此對準。
5、 根據(jù)權利要求4所述的微電子器件，其特征在于，該場電極(FE)至少部分地部署于該加熱電極(HE)之 間的間隙以上。
6、 根據(jù)權利要求4所述的微電子器件，其特征在于，該場電極(FE)至少部分地部署于該加熱電極(HE)以上。
7、 根據(jù)權利要求4所述的微電子器件，其特征在于，該場電極(FE)至少部分地布置成與該加熱電極(HE) 成一角度，優(yōu)選地為直角。
8、 根據(jù)權利要求1所述的微電子器件， 其特征在于，它包括加熱電極(HE)的陣列。
9、 根據(jù)權利要求8所述的微電子器件，其特征在于，該控制單元(CU)位于該陣列外部，并通過用于選擇性 地承載電能的電源線(iPL)連接至該加熱電極(HE)。
10、 根據(jù)權利要求9所述的微電子器件，其特征在于，該控制單元(CU)包括用于將它耦接至該電源線(iPL) 的解復用器(DX)。
11、 根據(jù)權利要求8所述的微電子器件，其特征在于，每個加熱電極(HE)與局部驅動單元(CU2)關聯(lián)。
12、 根據(jù)權利要求ll所述的微電子器件，其特征在于，所有局部驅動單元(CU2)耦接至公共電源線(cPL)， 并且所有加熱元件耦接至另一公共電源線(GR)。
13、 根據(jù)權利要求8所述的微電子器件，其特征在于，該控制單元的部分(CU1)位于該陣列外部，并且經(jīng)由用 于承載控制信號的控制線(iCL)連接至局部驅動單元(CU2)，該局部驅 動單元(CU2)位于該加熱電極(HE)處并耦接至該加熱電極(HE)。
14、 根據(jù)權利要求13所述的微電子器件，其特征在于，控制信號是脈沖寬度調(diào)制的、脈沖幅度調(diào)制的、和/或脈沖頻率調(diào)制的。
15、 根據(jù)權利要求13所述的微電子器件，其特征在于，該局部驅動單元(CU2)包括用于存儲該控制信號的信息 的存儲器(Cl)。
16、 根據(jù)權利要求1所述的微電子器件，其特征在于，該場電極是雙功能電極(FHE)，其根據(jù)定義也能夠如同 加熱電極那樣操作。
17、 根據(jù)權利要求16所述的微電子器件，其特征在于，它包括數(shù)個均為雙功能電極(FHE)的場電極。
18、 根據(jù)權利要求16所述的微電子器件，其特征在于，該控制單元(CU、 CU1、 CU2)適于同時和/或順次地如 同場電極和如同加熱電極那樣驅動該雙功能電極(FHE)。
19、 根據(jù)權利要求16所述的微電子器件，其特征在于，該雙功能電極(FHE)利用一極連接至第一電位(VI)， 并且經(jīng)由該控制單元控制的開關(Tl)，利用其第二極連接至區(qū)別的第二電 位(GR)(圖13)。
20、 根據(jù)權利要求1所述的微電子器件，其特征在于，它包括至少兩個場電極(FE)，當電壓施加于它們之間時， 該至少兩個場電極在該樣品室的所述子區(qū)中公共地生成電場(E)。
21、 根據(jù)權利要求1所述的微電子器件，其特征在于，該加熱電極(HE)適于從該樣品室(SC)去除熱。
22、 根據(jù)權利要求1所述的微電子器件，其特征在于，該加熱電極(HE)是電阻條帶、透明電極、帕爾帖元件、 射頻加熱電極、或輻射加熱電極。
23、 根據(jù)權利要求1所述的微電子器件， 其特征在于，包括至少一個溫度傳感器(TS)。
24、 根據(jù)權利要求23所述的微電子器件，其特征在于，該加熱電極(HE)能夠作為溫度傳感器操作。
25、 根據(jù)權利要求23所述的微電子器件，其特征在于，該控制單元耦接至所述溫度傳感器(TS)并適于根據(jù)該 樣品室(SC)中的預定溫度分布以閉環(huán)控制該加熱電極(HE)。
26、 根據(jù)權利要求1所述的微電子器件，其特征在于，它包括微機械器件或電器件，優(yōu)選地泵(PE)或閥，用 于控制該樣品室(SC)中流體的流動和/或粒子的運動。
27、 根據(jù)權利要求1所述的微電子器件，其特征在于，該加熱電極(HE)適于通過熱毛細管效應在該樣品室(SC) 中的流體中引起流動。
28、 根據(jù)權利要求1所述的微電子器件，其特征在于，該場電極(FE、 FHE)適于通過電滲、電泳、介電電泳、 電鈴動力學和/或這些效應的組合在該樣品室(SC)中的流體中引起流動。
29、 根據(jù)權利要求1所述的微電子器件，其特征在于，它包括傳感器元件，優(yōu)選地，光、磁或電傳感器元件， 用于感測該樣品室中樣品的性質。
30、 根據(jù)權利要求1所述的微電子器件，其特征在于，該樣品室(SC)由熱隔層(IN)劃分成至少兩個隔間。
31、 根據(jù)權利要求1所述的微電子器件，其特征在于，電隔離層或部分隔離層和/或生物兼容層部署于該樣品室 (SC)和電極(HE、 FHE、 FE)之間。
32、 根據(jù)權利要求1所述的微電子器件，其特征在于，該加熱電極(HE)和該場電極(FE)部署于該樣品室(SC) 的相對側。
33、 根據(jù)權利要求1所述的微電子器件，其特征在于，它包括多個場電極(FE)，該多個場電極布置成在層中彼 此平行并以交替端連接至該控制單元。
34、 根據(jù)權利要求1所述的微電子器件，其特征在于，該加熱電極(HE)和/或該場電極(FE)是彎曲的。
35、 根據(jù)權利要求1所述的微電子器件，其特征在于，該加熱電極(HE)和/或該場電極(FE)在它們的形狀和 /或橫截面上是矩形的、錐形的和/或非對稱的。
36、 根據(jù)權利要求1所述的微電子器件，其特征在于，該加熱電極(HE)和/或該場電極(FE)包含數(shù)個平行引線。
37、 根據(jù)權利要求1所述的微電子器件， 其特征在于，該場電極(FE)布置為四極。
38、 根據(jù)權利要求1所述的微電子器件，其特征在于，它包括距離小于50拜、優(yōu)選地小于IO拜的至少兩個場電極(FE)。
39、 根據(jù)權利要求1所述的微電子器件，其特征在于，它包括數(shù)個平行加熱電極(HE)，它們之間的距離大于 50(am，優(yōu)選地大于100pm。
40、 根據(jù)權利要求1所述的微電子器件，其特征在于，該控制單元(CU、 CU1、 CU2)適于利用具有可選擇的 強度和/或頻率的交變電流驅動該加熱電極(HE)。
41、 根據(jù)權利要求1所述的微電子器件， 其特征在于，它在薄膜電子器件中實現(xiàn)。
42、 根據(jù)權利要求1所述的微電子器件，其特征在于，它包括具有多個加熱電極(HE)的加熱陣列和具有多個 場電極(FE)的場陣列。
43、 根據(jù)權利要求42所述的微電子器件，其特征在于，大面積電子器件矩陣途徑、優(yōu)選地有源矩陣途徑用于接 觸電極(HE、 FHE、 FE)。
44、 根據(jù)權利要求42所述的微電子器件，其特征在于，該樣品室(SC)和該陣列之間的界面化學地涂成圖案， 該圖案調(diào)整為電極(HE、 FHE、 FE)的圖案。
45、 根據(jù)權利要求44所述的微電子器件，其特征在于，結合分子被附著到樣品物質能夠由該場電極(FE)的電 場(E)俘獲的位置處的界面。
46、 根據(jù)權利要求42所述的微電子器件，其特征在于，尋址元件、驅動器單元、存儲器單元和/或頻率振蕩器與每個加熱電極(HE)和/或場電極(FE)局部地關聯(lián)。
47、 根據(jù)權利要求46所述的微電子器件，其特征在于，該頻率振蕩器是可調(diào)諧振蕩器，優(yōu)選地，馳豫振蕩器或 環(huán)形振蕩器。
48、 根據(jù)權利要求1至47中的任一項所述的微電子器件的使用，用于 分子診斷、生物學樣品分析、或化學樣品分析。
全文摘要
本發(fā)明涉及微電子器件的不同設計，該微電子器件包括在樣品室的相同子區(qū)具有作用的加熱電極(HE)和場電極(FE)。通過施加恰當?shù)碾妷褐翀鲭姌O(FE)，能夠在樣品室中生成電場(E)。通過施加恰當?shù)碾娏髦良訜犭姌O(HE)，能夠根據(jù)期望的溫度分布加熱樣品室。加熱電極(HE)可以可選地作為場電極操作，使得它們也在樣品室中生成電場。
文檔編號C12Q1/68GK101405409SQ200780009664
公開日2009年4月8日 申請日期2007年3月19日 優(yōu)先權日2006年3月21日
發(fā)明者D·A·菲什, M·F·吉利斯, M·T·約翰遜, M·W·G·蓬吉 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司