專利名稱：有源矩陣溫度控制器陣列的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種驅(qū)動(dòng)溫度控制單元陣列的方法，以及溫度控制單元陣列。
背景技術(shù)：
溫度控制單元陣列，也稱為溫度處理陣列，通常被應(yīng)用于多個(gè)單元的 溫度控制獨(dú)立于其他單元的溫度控制的設(shè)備中。 一種示例性應(yīng)用是生物芯 片方面的應(yīng)用。這種生物芯片，例如可以適于進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)。該單元?jiǎng)t可 以代表反應(yīng)室，由此該單元可以包括密封的或可密封的隔室，并且該陣列 可以用于加熱，并用于控制生物芯片上的每個(gè)反應(yīng)室的溫度?？商鎿Q地， 該單元可以代表較大的隔室中的不同區(qū)域，其需要被單個(gè)地控制溫度。流 體可以流過(guò)隔室或在隔室之間流動(dòng)。
一個(gè)示例性應(yīng)用是在DNA擴(kuò)增(amplification)期間，諸如聚合酶鏈?zhǔn)椒?應(yīng)(PCR)，利用用于熱循環(huán)的溫度處理陣列。這是用于核酸分子的溫度控制 和酶中介擴(kuò)增技術(shù)，通常包括三個(gè)反應(yīng)步驟的周期性重復(fù)在大約92-96 。C 的變性(denaturing)步驟，在大約37-65 。C的退火步驟和在大約72 。C的延 伸步驟。有效擴(kuò)增的基本要求是快速熱傳遞，其使溫度控制成為微PCR系 統(tǒng)的重要特點(diǎn)。
US2002/0048765公開(kāi)一種集成的微陣列設(shè)備，具有多個(gè)溫度控制反應(yīng) 阱。每個(gè)阱可以配備溫度控制芯片。每個(gè)芯片通過(guò)兩條地址線被單獨(dú)驅(qū)動(dòng)， 從而比較復(fù)雜并且設(shè)計(jì)昂貴。
發(fā)明目的
需要提供一種簡(jiǎn)單并廉價(jià)的溫度控制單元陣列。

發(fā)明內(nèi)容
在第一方面，本發(fā)明提供一種驅(qū)動(dòng)溫度控制單元陣列的方法，每個(gè)單 元包括具有加熱元件、開(kāi)關(guān)元件和溫度傳感器的熱控制器件，并且該陣列 進(jìn)一步包括驅(qū)動(dòng)電路，該方法包括
-為了連接單元的熱控制器件至驅(qū)動(dòng)電路，提供地址信號(hào)用于控制單元 的開(kāi)關(guān)元件；
-利用溫度傳感器確定實(shí)際溫度；
提供來(lái)自驅(qū)動(dòng)電路的數(shù)據(jù)信號(hào)至熱控制器件；以及 -提供與數(shù)據(jù)信號(hào)對(duì)應(yīng)的能量。
每個(gè)單元配備有多個(gè)元件。加熱元件被提供以進(jìn)行加熱。加熱元件可 以是任何適合的加熱元件，諸如電阻加熱元件，珀耳帖(peltier)元件，紅外 加熱器等。此外，該單元可以包括多個(gè)加熱元件。加熱元件可以更進(jìn)一步 結(jié)合冷卻元件，諸如珀耳帖元件。在一個(gè)實(shí)施例中，單元可以包括加熱元 件和冷卻元件，其可以被分別控制。
提供溫度傳感器以確定在測(cè)量時(shí)代表單元的溫度的實(shí)際溫度。該溫度 傳感器可以是任何合適的溫度傳感器。更進(jìn)一步，為了進(jìn)行上述方法，在 每個(gè)單元中提供開(kāi)關(guān)元件。開(kāi)關(guān)元件的功能在以下詳述。
溫度控制單元陣列更進(jìn)一步包括至少一個(gè)驅(qū)動(dòng)電路。驅(qū)動(dòng)電路適于盡 可能地響應(yīng)通過(guò)溫度傳感器確定的實(shí)際溫度，驅(qū)動(dòng)至少一個(gè)溫度控制單元， 即控制加熱元件。
在上述方法中，給單元提供控制信號(hào)。該控制信號(hào)控制單元的開(kāi)關(guān)元 件。由于該控制信號(hào)，開(kāi)關(guān)元件切換，由此連接單元的熱控制器件至陣列 的驅(qū)動(dòng)電路。
溫度傳感器確定溫度控制單元中的實(shí)際溫度?？梢栽陂_(kāi)關(guān)元件己經(jīng)連 接熱控制器件至驅(qū)動(dòng)電路之后進(jìn)行確定。然而，也可以是連續(xù)動(dòng)作或可以 在該方法期間的任何適合的時(shí)刻進(jìn)行。溫度傳感器可以輸出實(shí)際溫度信號(hào)。 在一個(gè)實(shí)施例中，實(shí)際溫度信號(hào)被提供給數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)電路，并且該數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng) 電路確定與實(shí)際溫度信號(hào)對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)信號(hào)。
驅(qū)動(dòng)電路被配置為提供數(shù)據(jù)信號(hào)給熱控制器件。數(shù)據(jù)信號(hào)表示通過(guò)驅(qū) 動(dòng)電路確定的設(shè)定參數(shù)(setting)。該設(shè)定參數(shù)可以是加熱周期，其表示加熱 元件被用于加熱該單元的周期；該設(shè)定參數(shù)可以是加熱功率，其表示給加
熱元件供能以加熱該單元的功率。其他種類的設(shè)定參數(shù)也可以是適合的。 特別地，設(shè)定參數(shù)可以包括一組溫度，即在各個(gè)單元中獲得或保持的溫度。 設(shè)定參數(shù)可以存儲(chǔ)在下述的存儲(chǔ)元件中。
在一個(gè)實(shí)施例中，陣列中的溫度控制單元按行和列布置。行和列可以 基本上垂直設(shè)置，但是也可以以別的方式設(shè)置，例如六邊形，或圓形設(shè)置。 單元可以是與基本上垂直布置的行和列單元對(duì)應(yīng)的矩形形狀，或者該單元 可以具有不同形狀，諸如六邊形或圓形。
在一個(gè)實(shí)施例中，熱控制器件包括存儲(chǔ)元件。存儲(chǔ)元件可以存儲(chǔ)由驅(qū) 動(dòng)電路提供的設(shè)定參數(shù)。當(dāng)該設(shè)定參數(shù)被存儲(chǔ)在存儲(chǔ)元件中時(shí)，控制信號(hào) 可以被結(jié)束并且控制存儲(chǔ)元件可以從驅(qū)動(dòng)電路斷開(kāi)，在該點(diǎn)數(shù)據(jù)信號(hào)被結(jié) 束。然后，能量可以提供給加熱元件。能量的量和/或提供周期與存儲(chǔ)在存 儲(chǔ)元件中的設(shè)定參數(shù)對(duì)應(yīng)。
同時(shí)，當(dāng)對(duì)應(yīng)設(shè)定參數(shù)驅(qū)動(dòng)加熱元件，至少陣列的一個(gè)其他行的溫度 控制單元可以被提供控制信號(hào)和數(shù)據(jù)信號(hào)。因此，陣列的溫度控制單元被 驅(qū)動(dòng)，使得它們?cè)诙虝r(shí)間內(nèi)被控制，而能夠幾乎連續(xù)地提供熱量至單元。
上述方法能使用簡(jiǎn)單的溫度控制單元陣列，其中復(fù)雜驅(qū)動(dòng)電路不需要 包含在單元中，而是在陣列的一側(cè)附近設(shè)置。
在一個(gè)實(shí)施例中，每個(gè)單元包括第一開(kāi)關(guān)元件和第二開(kāi)關(guān)元件，并且 該方法包括
-為了連接單元的存儲(chǔ)元件至驅(qū)動(dòng)電路，提供第一控制信號(hào)至第一開(kāi)關(guān) 元件；
-為了連接單元的溫度傳感器至驅(qū)動(dòng)電路，以提供實(shí)際溫度信號(hào)至驅(qū)動(dòng) 電路，提供第二控制信號(hào)至第二開(kāi)關(guān)元件；以及
-基于實(shí)際溫度信號(hào)和設(shè)定溫度，通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路確定提供給存儲(chǔ)元件的 數(shù)據(jù)信號(hào)。
在這個(gè)實(shí)施例中，溫度傳感器被連接到驅(qū)動(dòng)電路。驅(qū)動(dòng)電路因此被提 供有在各個(gè)溫度控制單元中的實(shí)際溫度。驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)一步被提供設(shè)定溫度， 即在各個(gè)溫度控制單元中獲得或保持的溫度?；趯?shí)際溫度信號(hào)和設(shè)定溫 度，設(shè)定參數(shù)通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路確定并提供給單元存儲(chǔ)元件。然后，該連接可 以斷開(kāi)，并且可以與另一單元建立連接。
在一個(gè)實(shí)施例中，熱控制器件包括控制電路，并且該方法包括連接單 元的溫度傳感器至控制電路，以提供實(shí)際溫度信號(hào)至控制電路?？刂齐娐?可以從數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)電路提供數(shù)據(jù)信號(hào)，并且可以對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)信號(hào)和實(shí)際溫度信 號(hào)控制加熱元件。數(shù)據(jù)信號(hào)也可以被提供到存儲(chǔ)元件，并且加熱元件被分 別對(duì)應(yīng)實(shí)際溫度信號(hào)和數(shù)據(jù)信號(hào)，由控制電路和存儲(chǔ)元件控制。
更進(jìn)一步，提供一種溫度控制單元陣列。該單元可以按行和列布置。 每個(gè)單元具有一組控制信號(hào)終端，用于提供控制信號(hào)至單元，并且每個(gè)單
元具有一組數(shù)據(jù)信號(hào)終端，用于提供數(shù)據(jù)信號(hào)至單元。每個(gè)單元包括熱控 制器件，其具有耦合至能源的加熱元件；耦合至該組控制信號(hào)終端的開(kāi)關(guān)
元件，用于響應(yīng)控制信號(hào)耦合熱控制器件至數(shù)據(jù)信號(hào)終端；以及溫度傳感
器，用于確定實(shí)際溫度。陣列進(jìn)一步包括可連接至單元的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)電路。
在一個(gè)實(shí)施例中，溫度傳感器可連接至數(shù)據(jù)信號(hào)終端，用于提供實(shí)際 溫度信號(hào)至驅(qū)動(dòng)電路。此外，單元包括第一開(kāi)關(guān)，用于連接熱控制器件至 該組數(shù)據(jù)信號(hào)終端，以及第二開(kāi)關(guān)，用于連接溫度傳感器至該組數(shù)據(jù)信號(hào) 終端。
在一個(gè)實(shí)施例中，熱控制器件包括控制電路，該控制電路被連接至溫 度傳感器，用于提供溫度信號(hào)給控制電路，并且控制電路被連接至加熱元 件，用于控制加熱元件。
陣列單元可以按行和列設(shè)置。參照行或列被認(rèn)為是分別參照沿第一方
向或第二方向的一排元件。參照行或列不明確地或隱含地提到這種一排元 件的任何取向。 一排元件可以是直線或可以是不同形狀的線。每個(gè)單元可 以是這種一行的構(gòu)件，以及這種一列的構(gòu)件。因此，通過(guò)對(duì)各行和各列尋 址可以對(duì)每個(gè)單元尋址。
在優(yōu)選實(shí)施例中，溫度控制單元陣列是生物芯片。在更優(yōu)選實(shí)施例中， 該生物芯片適于進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)。
該陣列優(yōu)選用于核酸序列擴(kuò)增，諸如PCR反應(yīng)。


圖1示出利用溫度反饋的總體溫度控制方案； 圖2A-2B示出有源矩陣溫度可控制單元陣列；
圖3A-3C示出用于根據(jù)圖2A-2B的有源矩陣陣列中的可控制加熱電路 的實(shí)施例；
圖4A-4B示出用于根據(jù)圖2A-2B的有源矩陣陣列中的溫度控制電路的 實(shí)施例；
圖5A-5C示出具有單元內(nèi)溫度反饋的可控制加熱電路； 圖6A-6B示出用于圖2A-2B的有源矩陣陣列中的根據(jù)圖5A-5C的可控 制加熱電路的實(shí)施例。
具體實(shí)施例方式
圖1示出用于陣列單元熱控制的總體控制模型的實(shí)施例。控制電路CC 驅(qū)動(dòng)加熱元件H。在加熱元件H中，電能被轉(zhuǎn)換為熱。在熱控制模型中， 產(chǎn)生的熱表示為熱流W。目標(biāo)的熱容可以由電容的模擬和反向?qū)嵝约茨?br> 熱性表示。因此，控制模型包括表示加熱器H的熱容ch和熱阻率rhy。電
熱器H被熱連接到具有熱容C0的樣本。該樣本通過(guò)它的絕緣材料的熱阻率 RYZ損失熱至具有溫度Tz的環(huán)境中。
在實(shí)施中，樣本溫度TV被反饋到控制電路CC。響應(yīng)于實(shí)際樣本溫度 Ty和設(shè)定溫度Tx，溫度控制電路CC調(diào)整在加熱元件H中消散的功率，并 且因此形成熱流W，從而實(shí)際溫度Ty和投定溫度Tx之間的差值盡可能小。
控制方法的穩(wěn)定性和精度取決于控制方式。多種反饋控制類型可以被
采用
1) 開(kāi)-關(guān)控制一當(dāng)樣本溫度Ty高于沒(méi)定溫度Tx，加熱被關(guān)閉，并且當(dāng) 樣本溫度TY低于設(shè)定溫度Tx，加熱被打開(kāi)。該方法較慢并且具有低精度， 并且可有明顯的過(guò)沖(overshoot)和下沖(undershoot)。
2) 成比例控制一與實(shí)際樣本溫度TY和設(shè)定溫度Tx之間的差值成比例地 施加加熱電流W。這消除"開(kāi)關(guān)控制"的溫度循環(huán)，并且對(duì)中等溫度控制起 平滑作用。因此
<formula>formula see original document page 10</formula>
其中P是比例增益。如果樣本溫度TV高于設(shè)定溫度Tx，則加熱被關(guān)閉。
3) 成比例微分控制-微分控制增加阻尼因數(shù)，該阻尼因數(shù)對(duì)實(shí)現(xiàn)沒(méi)有過(guò) 沖和振蕩、或下沖和慢響應(yīng)的設(shè)定溫度Tx是關(guān)鍵性的。該方法提供改善的
精度但噪聲耐受性較低，并且提供穩(wěn)態(tài)偏置
<formula>formula see original document page 11</formula>
其中D是阻尼因數(shù)。
4) 成比例積分微分控制-與成比例微分控制相比，對(duì)穩(wěn)態(tài)偏置的校正增
加進(jìn)一步積分控制。加熱被改變，直到時(shí)間平均值響應(yīng)為0:
<formula>formula see original document page 11</formula> 其中I是積分增益。
5)階段控制-上述每一種溫度控制類型可以用于溫度控制的多階段方 式。在多階段方式中，溫度控制被分為多個(gè)階段?？梢詰?yīng)用不同類型的溫 度控制，并且每個(gè)階段的參數(shù)(P，I,D)可以變化。例如，具有高精度和可忽 略的過(guò)沖的3-階段快速溫度控制可以包掛'逼近"階段、"移交"階段和"控制" 階段。在"逼近"階段期間，溫度TY快速(例如最大勻變(ramp》朝溫度Tx變 化。為防止過(guò)沖， 一旦實(shí)際溫度TY與設(shè)定溫度Tx具有預(yù)定溫差，就啟動(dòng)"移 交"階段。在"移交"階段期間，溫度成為設(shè)定溫度Tx。此后，"控制"階段啟 動(dòng)，以在設(shè)定溫度Tx穩(wěn)定實(shí)際溫度TY。
上述溫度控制方法可被采用以控制單元陣列的單元溫度。這種溫度控 制單元陣列在現(xiàn)有技術(shù)中是己知的。每個(gè)單元可以作為化學(xué)反應(yīng)室，例如，
用于所謂的生物芯片中。圖2A和2B示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的溫度控制單 元陣列。在圖2A中，示出了nXm個(gè)溫度控制單元TC的陣列ATC。單元 TC被布置為n行和m列。行和列被設(shè)置為垂直，但是也可與上述不同地布 置。每行單元TC可被連接到地址驅(qū)動(dòng)電路ADC，并且每列單元TC可被 連接到數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)電路DDC。地址驅(qū)動(dòng)電路和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)電路的作用在下文說(shuō) 明。因此，第一行單元TCn-Tdm被連接至第一地址驅(qū)動(dòng)電路ADd;第一 列單元TCn-TC^被連接至第一數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)電路DDd。同樣地，溫度控制單
元TCnm可被連接到第n個(gè)地址驅(qū)動(dòng)電路ADCn，并可被連接到第m個(gè)數(shù)據(jù) 驅(qū)動(dòng)電路DDCm。
圖2B更詳細(xì)地示出溫度控制單元TC。溫度控制單元TC包括加熱元件 HE，可選擇的存儲(chǔ)元件ME，開(kāi)關(guān)元件SE和溫度傳感器TS。存儲(chǔ)元件ME 可經(jīng)由連接到地址驅(qū)動(dòng)電路ADC并被地址驅(qū)動(dòng)電路ADC控制的開(kāi)關(guān)元件 SE被連接到數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)電路DDC。溫度傳感器TS也可與存儲(chǔ)元件ME同時(shí) 被連接到數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)電路DDC，由地址驅(qū)動(dòng)電路ADC控制。因此，至少一 條地址線AL被設(shè)置在單元TC和地址驅(qū)動(dòng)電路之間，并且至少兩條列驅(qū)動(dòng) 電路數(shù)據(jù)線DL1和DL2被設(shè)置在數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)電路DDC和單元TC之間。一 條數(shù)據(jù)線DL1可用于提供來(lái)自數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)電路DDC的數(shù)據(jù)至單元TC的存儲(chǔ) 元件ME，而另一條數(shù)據(jù)線DL2可用于提供來(lái)自單元TC的溫度反饋數(shù)據(jù)至 數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)電路DDC。
加熱元件HE可以是任何合適的加熱元件，諸如電阻器，珀耳帖元件， 紅外加熱器等。溫度傳感器可以是任何合適的溫度傳感器，諸如提供泄漏 電流的反向偏壓PN結(jié)二極管或晶體管，或現(xiàn)有技術(shù)中已知的帶隙溫度傳感
戰(zhàn) 益。
實(shí)施中，參見(jiàn)圖2A和2B， 一行溫度控制單元TC,TC^被各個(gè)地址 驅(qū)動(dòng)電路ADCw尋址，由此第N行的每個(gè)單元TC被連接到各個(gè)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng) 電路DDd-DDCm。其他行的單元TC不被尋址，并且因此不被連接到數(shù)據(jù) 驅(qū)動(dòng)器DDC。因此，當(dāng)通過(guò)各個(gè)地址驅(qū)動(dòng)電路ADC尋址時(shí)，相應(yīng)行的各 單元TC的存儲(chǔ)元件ME被連接到相應(yīng)的數(shù)據(jù)線DL1，并且溫度傳感器TS 被連接到相應(yīng)的數(shù)據(jù)線DL2。在沒(méi)有存儲(chǔ)元件的情況下，相應(yīng)行的各單元 TC的加熱元件連接到相應(yīng)的數(shù)據(jù)線DL1 。
當(dāng)被尋址時(shí)，溫度控制單元TC被連接到數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)電路DDC。數(shù)據(jù)驅(qū) 動(dòng)電路DDC包括用于溫度控制的電路。實(shí)際單元溫度(圖1: Ty)被提供給 數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)電路DDC并且數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)電路DDC配置為確定實(shí)際單元溫度和設(shè) 定溫度之間的溫差。然后，對(duì)應(yīng)該確定的溫差，數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)電路DDC提供加 熱設(shè)定參數(shù)至被尋址的單元TC的存儲(chǔ)元件ME，示出被輸送到溫度控制單 元TC的加熱功率的總量。在加熱設(shè)定參數(shù)被存儲(chǔ)在存儲(chǔ)元件ME之后，地 址驅(qū)動(dòng)電路ADC可以從數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)電路DDC斷幵單元TC，然后另一地址驅(qū)
動(dòng)電路ADC可以尋址另一行溫度控制單元，例如下一行單元TQn+dp TC(N+1)m。在溫度控制單元TC沒(méi)有連接到數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)電路DDC期間，單元 TC可以基于存儲(chǔ)在存儲(chǔ)元件ME中的設(shè)定參數(shù)，通過(guò)加熱元件HE加熱。
這些方法步驟可以對(duì)每行單元TC重復(fù)，因此陣列ATC的各單元TC 可以利用控制電路(數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)電路DDC)進(jìn)行溫度控制，而不需要每個(gè)單元 TC配置這種復(fù)雜控制電路?？刂扑行兴匦璧臅r(shí)間以下稱為場(chǎng)周期。因 此，在一個(gè)場(chǎng)周期中，每個(gè)場(chǎng)周期中所有行被尋址并被控制一次。需要注 意相對(duì)于列和行的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)電路DDC和地址驅(qū)動(dòng)電路ADC的連接可以互 換。
圖3 A示出根據(jù)本發(fā)明的在單元陣列中使用的沒(méi)有存儲(chǔ)元件的溫度控制 電路的實(shí)施例。溫度控制電路分別經(jīng)由第一和第二能源端子VDD， VSS被 耦合到能量源。驅(qū)動(dòng)晶體管DT的柵極被連接到第一開(kāi)關(guān)晶體管ST1的漏 極，該第一開(kāi)關(guān)晶體管ST1的源極被連接到第一數(shù)據(jù)線DL1，并且柵極被 連接到地址線AL。驅(qū)動(dòng)晶體管DT的源極被連接到第一能源端子VDD并 且漏極被連接到加熱元件HE。加熱元件HE進(jìn)一步被連接到第二能源端子
vss。
圖3B示出根據(jù)本發(fā)明的在單元陣列中使用存儲(chǔ)元件的溫度控制電路的 實(shí)施例。溫度控制電路分別經(jīng)由第一和第二能源端子VDD， VSS被耦合到 能量源。電容CI被耦合在第一能源端子VDD和驅(qū)動(dòng)晶體管DT的柵極之 間。驅(qū)動(dòng)晶體管DT的柵極進(jìn)一步連接到第一開(kāi)關(guān)晶體管ST1的漏極，該 第一開(kāi)關(guān)晶體管ST1的源極被連接到第一數(shù)據(jù)線DL1，并且柵極被連接到 地址線AL。驅(qū)動(dòng)晶體管DT的源極被連接到第一能源端子VDD并且漏極 被連接到加熱元件HE。加熱元件HE更進(jìn)一步被連接到第二能源端子VSS。
在圖3A和圖3B中，第二開(kāi)關(guān)晶體管ST2連接至第二數(shù)據(jù)線DL2和溫 度傳感器TS。第二開(kāi)關(guān)晶體管ST2的柵極連接至地址線AL2。這可以與連 接到第一開(kāi)關(guān)晶體管ST1的地址線AL相同，也可以是單獨(dú)的地址線。
當(dāng)相應(yīng)地址驅(qū)動(dòng)電路ADC對(duì)單元尋址，開(kāi)關(guān)晶體管ST1和ST2被切換 為導(dǎo)電，連接溫度傳感器TS和存儲(chǔ)元件，即電容C1(圖3B)，或加熱元件 DT(圖3A)的驅(qū)動(dòng)晶體管的柵極至數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)電路DDC。響應(yīng)通過(guò)溫度傳感器 TS確定的實(shí)際單元溫度，數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)電路DDC提供加熱設(shè)定參數(shù)至電容
Cl(圖3B)或加熱元件DT的驅(qū)動(dòng)晶體管的柵極(圖3A)。因此，電容Cl(圖 3B)被充電至預(yù)定電平。在圖3A的實(shí)施例中，加熱元件HE的驅(qū)動(dòng)晶體管 DT的柵極被切換為導(dǎo)電的或非導(dǎo)電的，以提供能量至加熱元件HE，用于 加熱溫度控制單元或不加熱。
如果如圖3A-3B所示的溫度控制電路需要輸送盡可能多的功率至加熱 元件HE，應(yīng)該在驅(qū)動(dòng)晶體管DT中功耗最小。這需要驅(qū)動(dòng)晶體管DT以切 換模式驅(qū)動(dòng)，從而其漏源電壓為最小。因此，在這種實(shí)施例中，加熱元件 HE僅為打開(kāi)或關(guān)閉之一。然后溫度可以通過(guò)電流被驅(qū)動(dòng)至加熱元件HE期 間的時(shí)間長(zhǎng)度來(lái)控制。在每個(gè)場(chǎng)周期數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)電路DDC可以這樣控制一 次。 因此加熱元件HE可以在一個(gè)場(chǎng)周期中打開(kāi)最短時(shí)間。
可選擇的，如果通過(guò)驅(qū)動(dòng)晶體管DT的功耗是可接受的，驅(qū)動(dòng)晶體管 DT可以被驅(qū)動(dòng)作為電流源，并且控制該電流的模擬數(shù)據(jù)電壓在場(chǎng)周期期間 可被存儲(chǔ)在電容C1上。然而，在驅(qū)動(dòng)晶體管DT的漏極節(jié)點(diǎn)的電壓不能很 好地確定，因此熱量產(chǎn)生并被傳送，從而功率不能很好地控制。諸如電流 編程和閾值電壓測(cè)量的方法可以用于產(chǎn)生更精確的功率輸出，使得均勻的 功率輸出通過(guò)單元陣列。
圖3C示出電流鏡電路，其用于補(bǔ)償驅(qū)動(dòng)晶體管DT的閾值和流動(dòng)性變 化，因此能夠獲得更均勻的功率輸出。圖3C所示的電路包括兩個(gè)附加晶體 管Tl和T2(與圖3B所示電路相比)。圖3C所示的電流鏡電路在現(xiàn)有技術(shù) 中是已知的，因此在此省略其實(shí)施的詳細(xì)說(shuō)明。通常，圖3C的控制電路通 過(guò)對(duì)電容Cl充電以電流形式存儲(chǔ)調(diào)整值。在尋址期間，開(kāi)關(guān)晶體管ST1 的柵極為高，從而電流通過(guò)驅(qū)動(dòng)晶體管DT流出，由此對(duì)電容C1充電至所 需電壓，以傳送相應(yīng)的預(yù)定電流。在尋址周期之后，預(yù)定電流被傳送到加 熱元件HE。因?yàn)檩敵龉β?P)是電流(I)和加熱元件電阻(R)的函數(shù)(即P = I2 R)，并且假定加熱元件電阻(R)是恒定的，可以輸送給單元均勻的加熱功率。
圖4A和4B示出用于圖2A和2B的陣列的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)電路DDC的實(shí)施 例。數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)電路DDC，即溫度控制電路，可以連接為一行驅(qū)動(dòng)電路或一 列驅(qū)動(dòng)電路。在所示實(shí)施例中，已經(jīng)假定溫度控制驅(qū)動(dòng)電路是列驅(qū)動(dòng)電路。 然而，也可以是行驅(qū)動(dòng)電路。
圖4A示出用于開(kāi)/關(guān)控制的實(shí)施例，如與圖1相關(guān)的描述。比較器元 件CE具有基準(zhǔn)電壓Vref，作為表示設(shè)定溫度的輸入。該比較器元件CE具 有進(jìn)一步由溫度控制單元的溫度傳感器提供的信號(hào)輸入。該信號(hào)可以通過(guò)
合適的電路C^v放大和/或轉(zhuǎn)換，以轉(zhuǎn)換溫度信號(hào)Stemp為合適的溫度電壓
Vtemp。比較器元件CE的輸出被提供到單元的存儲(chǔ)元件。在該實(shí)施例中，因
此來(lái)自溫度傳感器的電壓/電流與基準(zhǔn)電壓vref，即設(shè)定溫度做比較。如果
該電壓/電流小于基準(zhǔn)電壓Vref，加熱開(kāi)始或繼續(xù)；如果該電壓/電流高于基
準(zhǔn)電壓V^，加熱停止。該數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)電路的實(shí)施例尤其適于以數(shù)字模式驅(qū)動(dòng)
的圖3B所示電路。
圖4B示出適于成比例控制的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)電路DDC的實(shí)施例。由單元的
溫度傳感器提供的溫度信號(hào)Stemp可以放大或通過(guò)合適的變換器電路Ce。nv轉(zhuǎn) 換為合適的電壓Vtemp。提供基準(zhǔn)電壓Vref。合適的溫度電壓Vtemp和基準(zhǔn)電
壓V^通過(guò)適當(dāng)?shù)剡x取電阻Rl- R4被提供給運(yùn)算放大器OP-AMP，提供預(yù) 定的增益。為獲得所需增益對(duì)電阻R1-R4選擇電阻在現(xiàn)有技術(shù)中是己知的， 因此在此處沒(méi)有進(jìn)一步說(shuō)明。運(yùn)算放大器電路的輸出被提供給溫度控制單 元的存儲(chǔ)元件。
上述實(shí)施例以周期性方式實(shí)施，因此每一場(chǎng)周期溫度數(shù)據(jù)和存儲(chǔ)數(shù)據(jù) 被更新一次。在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，可以在溫度控制單元內(nèi)執(zhí)行溫 度反饋。這可以提供更精確的溫度控制，因?yàn)闇囟确答亴?shí)際上是連續(xù)的， 而在上述實(shí)施例中，反饋僅僅是每一場(chǎng)周期一次。存儲(chǔ)元件則可以存儲(chǔ)設(shè) 定溫度，其可每場(chǎng)周期更新一次。響應(yīng)設(shè)定溫度的實(shí)際溫度控制可在單元 內(nèi)進(jìn)行。
圖5A示出總的單元內(nèi)控制方案。單元內(nèi)控制電路CC的輸入端被連接 到電容C1，作為存儲(chǔ)元件。電容C1更進(jìn)一步連接到開(kāi)關(guān)元件，即晶體管 ST1。晶體管ST1更進(jìn)一步連接到數(shù)據(jù)線DL，例如連接到數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)電路 DDC，并且晶體管ST1的柵極連接到地址線AL，例如連接到地址驅(qū)動(dòng)電路 ADC?？刂齐娐稢C的另一輸入端連接到溫度傳感器TS?？刂齐娐稢C的 輸出端連接到加熱元件HE。響應(yīng)由電容Cl提供的基準(zhǔn)電壓的輸入，以及 由溫度傳感器TS提供的電壓，控制電路CC控制加熱元件HE。
圖5B示出加熱元件HE的開(kāi)/關(guān)控制的實(shí)施例?？刂齐娐钒ū容^器元 件CE。在尋址周期期間，其中數(shù)據(jù)線DL隨著通過(guò)地址線AL的控制，通 過(guò)開(kāi)關(guān)晶體管ST1連接到電容Cl，電容Cl可以被充電至與設(shè)定溫度對(duì)應(yīng) 的電壓電平。在尋址周期之后，比較器元件CE比較電容C1的基準(zhǔn)電壓和 溫度傳感器TS的輸出電壓。如果溫度傳感器的電壓小于基準(zhǔn)電壓，則加熱 元件HE開(kāi)啟，否則加熱元件HE關(guān)閉。
在圖5C所示的另一個(gè)實(shí)施例中，溫度傳感器TS連接到電容Cl并且 比較器元件CE具有基準(zhǔn)電壓Vref作為輸入，替代溫度傳感器電壓(與圖5B 所示的電路相比)。溫度傳感器TS產(chǎn)生電流，其被提供給電容C1，由此電 容C1的電壓增大。最后電容C1的電壓達(dá)到基準(zhǔn)電壓Vref，結(jié)果加熱元件 HE切換為關(guān)閉。
圖6A示出上述電路的實(shí)施例。加熱元件HE連接在第一能源端子VSS 和驅(qū)動(dòng)晶體管DT之間。驅(qū)動(dòng)晶體管DT更進(jìn)一步連接到第二能源端子 VDD，并且其柵極連接到第一電容C1和控制晶體管CT的漏極。第一電容 Cl更進(jìn)一步連接到第一能源終端VDD?？刂凭w管CT的源極也可以連接 到第一能源端子VDD。第二電容C2連接在控制晶體管CT的柵極和第一能 源端子VDD之間。控制晶體管CT的柵極更進(jìn)一步連接到開(kāi)關(guān)晶體管ST， 其可以依據(jù)連接到開(kāi)關(guān)晶體管ST的柵極的地址線AL上的信號(hào)連接控制晶 體管的柵極至數(shù)據(jù)線DL。溫度傳感器TS連接在第二能源端子VSS和第二 電容C2之間。
在圖6A所示實(shí)施例中，驅(qū)動(dòng)晶體管的閾值電壓(Vt)作為基準(zhǔn)電壓。在 閾值電壓(Vt)以下，晶體管作為絕緣體，超過(guò)閾值電壓，晶體管作為導(dǎo)體。 電路經(jīng)由驅(qū)動(dòng)晶體管DT輸送功率至加熱器，該驅(qū)動(dòng)晶體管DT通過(guò)存儲(chǔ)在 第一電容Cl上的電壓保持導(dǎo)通狀態(tài)。第一電容Cl在尋址周期從VSS充電。 同時(shí)，在尋址周期，第二電容C2被充電為表示設(shè)定溫度的數(shù)據(jù)電壓。在第 二電容C2上的數(shù)據(jù)電壓最初十分低以保證控制晶體管CT最初為切斷狀 態(tài)。"最初"指的是緊接在完成尋址周期之后的時(shí)刻。在尋址周期之后，功率 被傳送到加熱元件HE，結(jié)果開(kāi)始加熱。溫度傳感器TS產(chǎn)生與溫度成比例 的電流，并且對(duì)C2充電，使得最后控制晶體管CT導(dǎo)通以對(duì)第一電容Cl 放電。結(jié)果，加熱元件HE被關(guān)閉。因此，以脈寬調(diào)制方式將功率輸送到加
熱元件。在加熱周期期間，即非尋址周期，功率可用于加熱周期的一部分， 即工作周期。
為提高溫度，表示設(shè)定溫度的數(shù)據(jù)電壓，即在第二電容C2上的電壓， 被增大，導(dǎo)致工作周期開(kāi)始增加，由此輸送更多功率至加熱元件。隨著溫 度增加，溫度傳感器TS開(kāi)始產(chǎn)生更多電流以更高速率將第二電容C2充電 至控制晶體管CT的閾值電壓。因此，工作周期被縮短。最后，得到所需設(shè) 定溫度的穩(wěn)定恒態(tài)。為降低溫度，在第二電容C2上的數(shù)據(jù)電壓被減小，導(dǎo) 致工作周期縮短或變?yōu)?。隨著溫度下降，溫度傳感器TS中的電流減小， 并且工作周期開(kāi)始增大。最后，在想要的較低溫度，達(dá)到穩(wěn)定恒態(tài)。
如上所述，在任何需要加熱單元至所需設(shè)定溫度的時(shí)間周期(工作周期) 期間，加熱元件HE可以接通。因此，與圖2A-4B的相關(guān)描述的控制方法 相比，可以實(shí)現(xiàn)更高的精確度。
圖6B示出其中利用成比例控制對(duì)加熱元件HE進(jìn)行控制的實(shí)施例。反 相電路用來(lái)提供所需增益?？刂齐娐钒ㄟB接到數(shù)據(jù)線DL(源極)和地址線 (柵極)的開(kāi)關(guān)晶體管ST。開(kāi)關(guān)晶體管ST的漏極被連接到溫度傳感器TS和 電容C。電容C更進(jìn)一步連接到包含在反相電路中的第一和第二控制晶體 管CT1-CT2的柵極。第三和第四控制晶體管CT3-CT4被提供在反相電路和 加熱元件HE之間。第三和第四控制晶體管CT3-CT4的柵極連接到地址線 AL，并且這些控制晶體管CT3-CT4作為開(kāi)關(guān)元件。反相電路的操作在現(xiàn)有 技術(shù)中是已知的，并且因此在此不詳細(xì)論述。通常，如果控制晶體管CT2 的柵極電壓高，加熱元件HE上的電壓低，并且如果控制晶體管CT2的柵 極電壓低，加熱元件HE上的電壓高。
在尋址周期，數(shù)據(jù)，即電壓被存儲(chǔ)在電容C上，并且反相器在該周期 中被保持在中點(diǎn)，從而電容C可以被充電并且任何反相器偏置被消除。在 該周期中流向加熱元件的電流也被切斷。在尋址周期之后(并假定設(shè)定溫度 高于實(shí)際溫度)，電容C切換成溫度傳感器電壓，其在那時(shí)為低，并且然后 電流流向加熱元件HE，從而溫度傳感器電壓上升，由此減少流向加熱源 HE的電流。然后，使用適當(dāng)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的溫度。
圖6B的電路中的增益不能精確地控制。為提供更精確控制的增益，需 要使用全運(yùn)算放大器，并且然后電阻用來(lái)控制微分增益。這種電路與圖4B 所示的電路類似。
進(jìn)一步改進(jìn)的系統(tǒng)，諸如對(duì)上述圖1的相關(guān)說(shuō)明的集成和分化，需要 使用更多的運(yùn)算放大器。然而，這種電路可以通過(guò)本領(lǐng)域技術(shù)人員設(shè)計(jì)并 且因此不進(jìn)行說(shuō)明和圖示。
在上述

中，通常涉及晶體管。實(shí)際上，溫度控制單元陣列適 于利用低溫多聚硅(LTPS)薄膜晶體管(TFT)制造。因此，在一個(gè)實(shí)施例中， 上面提到的晶體管可以是TFT。特別地，該陣列可以利用LTPS技術(shù)在大面 積玻璃襯底上制造，因?yàn)楫?dāng)用于大面積時(shí)，LTPS尤其有成本效率。 更進(jìn)一步，雖然已經(jīng)基于有源矩陣設(shè)備關(guān)于低溫多聚硅(LTPS)對(duì)本發(fā)明進(jìn) 行了說(shuō)明，無(wú)定形硅薄膜晶體管(TFT)，微晶或納晶硅，高溫多聚SiTFT， 基于例如CdSe的其他的無(wú)機(jī)TFT， SnO或有機(jī)TFT也可以使用。同樣地， MIM，例如金屬-絕緣體-金屬設(shè)備或二極管設(shè)備，例如利用具有重置的雙二 極管(D2R)有源矩陣編址方式，如現(xiàn)有技術(shù)中己知的，也可以用于研制在此 公開(kāi)的本發(fā)明。
權(quán)利要求
1、一種驅(qū)動(dòng)溫度控制單元陣列的方法，每個(gè)單元包括具有加熱元件、開(kāi)關(guān)元件和溫度傳感器的熱控制裝置，并且該陣列進(jìn)一步包括驅(qū)動(dòng)電路，該方法包括-提供地址信號(hào)用于控制單元的開(kāi)關(guān)元件，以將該單元的熱控制裝置連接到該驅(qū)動(dòng)電路；-利用溫度傳感器確定實(shí)際溫度；-將來(lái)自該驅(qū)動(dòng)電路的數(shù)據(jù)信號(hào)提供至該熱控制裝置；以及-提供與該數(shù)據(jù)信號(hào)對(duì)應(yīng)的能量。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l的方法，其中該數(shù)據(jù)信號(hào)包括設(shè)定溫度。
3、根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中該方法進(jìn)一步包括 提供該溫度傳感器的輸出至該驅(qū)動(dòng)電路；以及 依據(jù)該溫度傳感器的輸出在該驅(qū)動(dòng)電路內(nèi)確定該數(shù)據(jù)信號(hào)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3的方法，其中該單元包括第一開(kāi)關(guān)元件和第二開(kāi)關(guān) 元件，該方法包括-提供第一地址信號(hào)至該第一開(kāi)關(guān)元件，以連接該熱控制裝置至該驅(qū)動(dòng) 電路，用于提供該數(shù)據(jù)信號(hào)至該熱控制裝置；-提供第二地址信號(hào)至該第二開(kāi)關(guān)元件，以連接熱控制裝置的溫度傳感 器至該驅(qū)動(dòng)電路，用于提供實(shí)際溫度信號(hào)至該驅(qū)動(dòng)電路。
5、 根據(jù)權(quán)利要求l的方法，其中該熱控制裝置進(jìn)一步包括存儲(chǔ)元件和 包括設(shè)定參數(shù)的該數(shù)據(jù)信號(hào)，該方法進(jìn)一步包括-響應(yīng)于該控制信號(hào)，連接該熱控制裝置的存儲(chǔ)元件至該驅(qū)動(dòng)電路； -在該存儲(chǔ)元件中存儲(chǔ)包括在該數(shù)據(jù)信號(hào)中的設(shè)定參數(shù)；以及提供與存 儲(chǔ)在該存儲(chǔ)元件中的設(shè)定參數(shù)對(duì)應(yīng)的能量。
6、 根據(jù)權(quán)利要求l的方法，其中該溫度控制單元陣列以行和列布置， 該方法進(jìn)一步包括--提供該控制信號(hào)至行單元中的每個(gè)單元，用于控制該單元的開(kāi)關(guān)元 件，以將該單元的熱控制裝置連接至該驅(qū)動(dòng)電路。
7、 根據(jù)權(quán)利要求l的方法，其中該熱控制裝置包括控制電路，并且該方法包括-連接該單元的溫度傳感器至該控制電路，用于提供實(shí)際溫度信號(hào)至該 控制電路。
8、 根據(jù)權(quán)利要求7的方法，其中溫度信號(hào)改變存儲(chǔ)在存儲(chǔ)元件上的設(shè) 定參數(shù)。
9、 一種溫度控制單元陣列，該陣列包括數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)電路并且每個(gè)單元包括熱控制裝置，該熱控制裝置包括 -加熱元件，耦合到能量源；-開(kāi)關(guān)元件，耦合到地址信號(hào)端子，用于響應(yīng)于該地址信號(hào)耦合該熱控 制裝置至數(shù)據(jù)信號(hào)端子，該數(shù)據(jù)信號(hào)端子被連接到該數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)電路；以及 -溫度傳感器，用于確定實(shí)際溫度。
10、 根據(jù)權(quán)利要求9的陣列，其中熱控制裝置進(jìn)一步包括 存儲(chǔ)元件，可連接至該數(shù)據(jù)信號(hào)端子，用于接收要被存儲(chǔ)的設(shè)定參數(shù)，該設(shè)定參數(shù)包括在數(shù)據(jù)信號(hào)中。
11、 根據(jù)權(quán)利要求10的陣列，其中存儲(chǔ)元件是耦合到驅(qū)動(dòng)晶體管的柵 極的電容，該驅(qū)動(dòng)鏡頭管被構(gòu)建控制被提供到加熱元件的電流。
12、 根據(jù)權(quán)利要求9的陣列，其中該溫度傳感器可被連接到該驅(qū)動(dòng)電 路，用于提供該溫度傳感器的輸出至該驅(qū)動(dòng)電路。
13、 根據(jù)權(quán)利要求9的陣列，其中該單元提供有第一開(kāi)關(guān)元件，用于 響應(yīng)于第一地址信號(hào)連接該熱控制裝置至該數(shù)據(jù)信號(hào)端子，以及第二開(kāi)關(guān) 元件，用于響應(yīng)于第二地址信號(hào)連接該溫度傳感器至該數(shù)據(jù)信號(hào)端子。
14、 根據(jù)權(quán)利要求12的陣列，其中數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)電路被構(gòu)建為響應(yīng)由溫度 傳感器提供的實(shí)際溫度和設(shè)定溫度，確定加熱設(shè)定參數(shù)，并通過(guò)數(shù)據(jù)信號(hào) 提供該加熱參數(shù)至熱控制器件。
15、 根據(jù)權(quán)利要求14的陣列，其中數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)電路包括比較器單元，用 于比較實(shí)際溫度和設(shè)定溫度以確定是否實(shí)際溫度高壓或低于設(shè)定溫度，并 且被構(gòu)建為據(jù)此控制熱控制裝置。
16、 根據(jù)權(quán)利要求9的陣列，其中該數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)電路包括運(yùn)算放大器， 連接在設(shè)定溫度端子和該運(yùn)算放大器的第一輸入端子之間的第一電阻器， 連接在地和該第一輸入端子之間的第二電阻器，連接在實(shí)際溫度端子和該 運(yùn)算放大器的第二輸入端子之間的第三電阻器，以及連接在該第二輸入端 子和該運(yùn)算放大器的輸出端子之間的第四電阻器，從而在該輸出端子上產(chǎn) 生的輸出信號(hào)與該實(shí)際溫度和該設(shè)定溫度之間的差成比例。
17、 根據(jù)權(quán)利要求9的陣列，其中該單元被按行和列布置， -每行單元具有一組地址信號(hào)端子，用于提供地址信號(hào)至該行單元的每個(gè)單元；以及-每列單元具有一組數(shù)據(jù)信號(hào)端子，用于提供數(shù)據(jù)信號(hào)至該列單元中的 單元。
18、 根據(jù)權(quán)利要求9的陣列，其中該熱控制裝置包括控制電路，該控 制電路被連接至該溫度傳感器，用于提供溫度信號(hào)至該控制電路，并且該 控制電路被連接至該加熱元件，用于控制該加熱元件。
19、 根據(jù)權(quán)利要求18的陣列，其中為了響應(yīng)實(shí)際溫度修正存儲(chǔ)在存儲(chǔ)單 元上的設(shè)定參數(shù)，溫度傳感器被耦合至存儲(chǔ)單元。
20、 根據(jù)權(quán)利要求9的陣列，其中該陣列為生物芯片。
21、 根據(jù)權(quán)利要求9的陣列用于核酸序列擴(kuò)增。
全文摘要
在溫度控制單元的陣列中，單元在有源矩陣陣列中被驅(qū)動(dòng)。溫度處理陣列可以用在生物芯片中，諸如在生物芯片的下面或是在反應(yīng)室的下面。由于有源矩陣復(fù)雜驅(qū)動(dòng)電路可以位于實(shí)際的單元陣列之外。每個(gè)單元設(shè)置有開(kāi)關(guān)，用于耦接單元電路到驅(qū)動(dòng)電路。在耦接到驅(qū)動(dòng)電路時(shí)，單元電路中的存儲(chǔ)元件可以設(shè)置有加熱設(shè)置參數(shù)。隨后，該單元電路被從該驅(qū)動(dòng)電路斷開(kāi)，并且加熱元件被控制為依照存儲(chǔ)元件中存儲(chǔ)的設(shè)定參數(shù)加熱該單元。
文檔編號(hào)G05D23/20GK101365996SQ200680047806
公開(kāi)日2009年2月11日 申請(qǐng)日期2006年12月15日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月19日
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