基于液滴性质的测试测量的am-ewod器件中的自适应液滴操作
阅读说明：本技术 基于液滴性质的测试测量的am-ewod器件中的自适应液滴操作 (Adaptive droplet manipulation in AM-EWOD devices based on test measurements of droplet properties ) 是由 彼得·马修·福里特斯 本杰明·詹姆斯·哈德文 彼得·尼尔·泰勒 格列高利·盖 于 2019-05-28 设计创作，主要内容包括：公开了一种控制方法和相关装置,用于控制被施加到介质上电润湿(EWOD)器件上的元件阵列的阵列元件的致动电压,其中确定测试度量并将其用于优化后续的液滴操纵操作。控制方法包括以下步骤：将液体液滴接收到所述元件阵列上；施加致动电压的电润湿致动图案来致动所述液滴,以将液滴的覆盖区从具有初始覆盖区的第一状态修改为具有修正覆盖区的第二状态；用传感器感测修正覆盖区；基于液体液滴对电润湿致动图案的液滴响应,通过感测指示一个或多个液滴性质的修正覆盖区来确定测试度量；以及基于测试度量来控制被施加到阵列元件的致动电压。测试度量可以包括转变速率和/或与致动图案的一致性。(A control method and related apparatus are disclosed for controlling actuation voltages applied to array elements of an array of elements on an electrowetting on dielectric (EWOD) device, wherein test metrics are determined and used to optimize subsequent droplet manipulation operations. The control method comprises the following steps: receiving a liquid droplet onto the array of elements; applying an electrowetting actuation pattern of actuation voltages to actuate the droplet to modify a footprint of the droplet from a first state having an initial footprint to a second state having a modified footprint; sensing the modified coverage area with a sensor; determining a test metric by sensing a modified footprint indicative of one or more droplet properties based on a droplet response of a liquid droplet to an electrowetting actuation pattern; and controlling actuation voltages applied to the array elements based on the test metrics. The test metrics may include a transition rate and/or consistency with the actuation pattern.)
技术领域
本发明涉及液滴微流控器件，更具体地，涉及用于致动(actuating)器件元件的有源矩阵介质上电润湿(AM-EWOD)器件和控制方法。
背景技术
介质上电润湿(EWOD)是用于通过施加电场来操纵流体的液滴的公知技术。有源矩阵EWOD(AM-EWOD)是指例如通过使用薄膜晶体管(TFT)，在包含有晶体管的有源矩阵阵列中实现EWOD。因此，它是用于芯片上实验室技术的数字微流控的候选技术。对该技术的基本原理的介绍可以在以下文献中找到：“Digital microfluidics：is a true lab-on-a-chippossible？”，R.B.Fair，Microfluid Nanofluid(2007)3：245-281。
图1以横截面示出了常规EWOD器件的一部分。该器件包括下基板10，下基板10的最上层由导电材料形成，导电材料被图案化以便实现多个阵列元件电极12(例如，图1中的12A和12B)。给定阵列元件的电极可以称为元件电极12。包括极性材料(通常也是水性的和/或离子的)的液体液滴14被约束在下基板10和顶基板16之间的平面中。可以借助于间隔物18实现两个基板之间的合适的间隙，并且非极性流体20(例如油)可以用于占据未被液体液滴14占据的体积。设置在下基板10上的绝缘体层22将导电的元件电极12A、12B与第一疏水涂层24分离，液体液滴14以θ表示的接触角26位于第一疏水涂层16上。疏水涂层由疏水材料(通常但不一定是含氟聚合物)形成。
在顶基板16上是第二疏水涂层28，液体液滴14可以与第二疏水涂层28接触。在顶基板16和第二疏水涂层28之间***有参考电极30。
接触角θ被如图1所示地限定，并且通过固体液体(γSL)、液体气体(γLG)和非离子流体(γSG)界面之间的表面张力分量的平衡来确定，并且在不施加电压的情况下满足杨氏定律，等式由下式给出：
在操作中，可以将称为EW驱动电压(例如，图1中的VT、V0和V00)的电压从外部施加到不同的电极(例如，分别施加到参考电极30、元件电极12、12A和12B)。所得到的建立而成的电力有效地控制疏水涂层24的疏水性。通过布置不同的EW驱动电压(例如，V0和V00)施加到不同的元件电极(例如，12A和12B)，液体液滴14可以在两个基板10和16之间的横向平面中移动。
以下描述了EWOD器件的示例配置和操作。US 6911132(Pamula等人，2005年6月28日发布)公开了一种用于在两个维度上控制液滴的位置和移动的二维EWOD阵列。US6565727(Shenderov，2003年5月20日发布)还公开了用于其它液滴操作(包括液滴的***和合并，以及将不同材料的液滴混合在一起)的方法。US 7163612(Sterling等人，2007年1月16日发布)描述了可以如何使用基于TFT的薄膜电子器件来通过使用与AM显示技术中采用的电路布置非常相似的电路布置来控制到EWOD阵列的电压脉冲的寻址。
US 7163612的方法可以称为“有源矩阵介质上电润湿”(AM-EWOD)。使用基于TFT的薄膜电子器件来控制EWOD阵列有若干优点，即：
·电子驱动电路可以集成在下基板10上。
·基于TFT的薄膜电子器件非常适合于AM-EWOD应用。生产基于TFT的薄膜电子器件的成本低廉，从而可以以相对低的成本生产相对大的基板面积。
·以标准工艺制造的TFT可以被设计为在比以标准CMOS工艺制造的晶体管高得多的电压下操作。这是重要的，因为许多EWOD技术需要施加超过20V的电润湿电压。
已经描述了控制AM-EWOD器件感测液滴并执行所需的液滴操纵的各种方法。例如，US 2010/0096266(Kim等人，2010年4月22日公布)描述了使用电容检测作为实时反馈来控制从液体储液囊(liquid reservoir)施与或***的液滴的体积。US 2010/0194408A1(Sturmer等人，2010年8月5日公布)描述了使用电容检测作为实时反馈来确定液滴操作是否已经成功。US 2017/0056887(Hadwen等人，2017年3月2日公布)描述了使用电容检测来感测试剂的动态性质作为用于确定测定输出的方式。
常规AM-EWOD器件的问题在于不同的液体具有不同的物理性质(例如，粘度、导电率、表面张力等)，并且这些物理性质影响液滴如何通过电润湿力响应致动。给定液体的这些物理性质也可以随环境条件而变化，例如温度、压力和湿度水平(其中温度特别显著)。液体性质和环境条件的差异使得难以实现对完全通用的液滴操作进行定义，即对于每种大小的液滴、环境条件和液滴构造均能可靠地工作的操作。
通常，液滴操作(特别是从液体储液囊***液滴和施与液滴)必须包括必须由用户预定义的依赖于液体和/或依赖于条件的参数。用户预定义用于液滴操纵的操作参数的要求是困难且耗时的，并且如果操作参数被不正确地预定义，则会破坏器件性能。这种不能自动优化器件操作是AM-EWOD器件显著低效率的原因之一，而这一原因在常规配置中没有充分考虑到。
发明内容
本发明涉及用于致动EWOD器件(具体地，AM-EWOD器件)中的阵列元件的增强的控制系统和方法。控制系统自动选择液滴操纵操作的依赖于液体和依赖于条件的参数，以便减少或消除上述常规器件中的低效率，并且这样做有效地考虑液体性质和环境条件的变化。以这种方式，提高了AM-EWOD器件上的液滴操纵操作的性能效率和可靠性。
在示例性实施例中，为了执行所需的液滴操纵操作，执行自动测试测量以确定指示液体液滴对电润湿致动的响应的一个或多个度量。例如，一个或多个度量可以指示液体和/或液体浸入其中的油的物理性质、和/或环境操作条件(例如，温度)。所测量的度量通常可以由AM-EWOD系统存储，并且稍后在系统操作中使用，以进一步决定应如何进行液滴操纵操作。然后，可以基于所测量的测试度量从所存储的操作的库中选择适当的液滴操作，或者以其它方式确定或计算适当的液滴操作，以便针对特定的液体性质和环境条件优化所需的液滴操纵操作。
为了执行测试测量，将致动图案施加于液滴。与未施加致动图案时的液滴相比，致动图案可以具有不同的形状、不同的尺寸、凹陷等。液滴与致动图案的一致性水平和/或从非致动状态的转变速率将根据所施加的致动电压的致动电位和频率、液体的物理性质和/或操作的环境条件而变化。一旦液滴达到静态或平衡状态，就进行传感器测量。测量液体液滴与致动图案的一致性和/或转变到平衡状态的时间响应，并将其记录为描述液滴对电润湿致动电压的响应的度量。然后，使用该度量来设计最优的液滴操纵操作算法。液滴操纵操作算法可以由系统计算或者从存储在系统存储器中的预定义的液滴操纵操作库中选择。
以计算参数或所存储的库编码的液滴操作的变型之间的差异可以包括例如：
(a)恒定速率电润湿致动序列的变型；
(b)电润湿致动序列的帧之间的时间上的变化；
(c)自适应电润湿图案方案的变化，例如，根据液滴响应选择致动图案本身，由此响应传感器测量来选择图案；
(d)电润湿致动电压幅度或电压AC操作频率的变化；以及
(e)器件温度的变化，例如可以加热系统以使所需的液滴操纵更容易执行。
本公开的实施例通过执行测试测量和优化后续的液滴操纵操作而优于常规配置，因此改进了诸如操作再现性、执行速度和可靠性之类的器件性能。因为最优的液滴操纵操作会非常依赖于液体的特性和环境条件(这在现场可以是可变化的)，因此增强的性能是显著的。
因此，本发明的一方面提供了一种用于控制被施加到介质上电润湿(EWOD)器件上的元件阵列的阵列元件的致动电压的控制方法，其中确定测试度量并将其用于优化后续的液滴操纵操作。在示例性实施例中，控制方法包括以下步骤：将液体液滴接收到元件阵列上；施加致动电压的电润湿致动图案来致动所述液滴，以将液滴的覆盖区从具有初始覆盖区的第一状态修改为具有修正覆盖区的第二状态；用传感器感测修正覆盖区；基于液体液滴对电润湿致动图案的液滴响应，通过感测指示一个或多个液滴性质的修正覆盖区来确定测试度量；以及基于测试度量来控制被施加到阵列元件的致动电压。
在示例性实施例中，测试度量可以包括从第一状态到第二状态的转变速率、和/或液滴的第二覆盖区与电润湿致动图案的一致性程度。对于多个不同的电润湿电压幅度、对于多个不同的电润湿电压AC频率和/或在不同的温度下，可以重复测试测量。然后可以基于在不同的电润湿电压幅度、电润湿电压AC频率和/或温度下的液滴的液滴响应来确定测试度量。
本发明的另一方面提供了一种微流控系统，包括：介质上电润湿(EWOD)器件，包括元件阵列，元件阵列被配置为接收一个或多个液体液滴，元件阵列包括多个单独的阵列元件；控制系统，被配置为控制被施加到元件阵列的致动电压以关于液体液滴执行操纵操作；以及传感器，用于感测液体液滴的状态。控制系统被配置为执行根据任何实施例的控制方法的步骤。在示例性实施例中，传感器是EWOD器件外部的光学传感器和/或集成到每个单独的阵列元件的阵列元件电路中的传感器电路。控制方法可以通过控制系统执行存储在非暂时性计算机可读介质上的程序代码来执行。
参考以下描述和附图，本发明的这些和另外的特征将是显而易见的。在描述和附图中，已经详细公开了本发明的特定实施例，作为可以采用本发明的原理的一些方式的指示，但是应该理解，本发明在范围上不受相应限制。相反，本发明包括落入所附权利要求的精神和条件内的所有改变、修改和等同物。关于一个实施例描述和/或示出的特征可以在一个或多个其他实施例中以相同的方式或以类似的方式使用，和/或与其他实施例的特征组合或代替其他实施例的特征。
附图说明
图1是以横截面描绘了常规EWOD器件的图。
图2是描绘了示例性的基于EWOD的微流控系统的图。
图3是以示意透视图描绘了示例性AM-EWOD器件的图。
图4是描绘了通过图3的示例性AM-EWOD器件的一些阵列元件的横截面的图。
图5A是描绘了当存在液体液滴时在元件电极处呈现的电负载的电路表示的图。
图5B是描绘了当不存在液体液滴时在元件电极处呈现的电负载的电路表示的图。
图6是描绘了图3的示例性AM-EWOD器件中的薄膜电子器件的示例性布置的图。
图7是描绘了阵列元件的阵列元件电路的示例性布置的图。
图8A、图8B和图8C是描绘了测量对致动图案(actuation pattern)的液滴响应的示例性实施例的图，该对致动图案的液滴响应适合于测量液滴时间响应度量。
图9是描绘了针对给定形状的液滴的移动的示例转变的转变速率与电润湿电压幅度的关系的图。
图10是描绘了针对给定形状的液滴的移动的示例转变的转变速率与电润湿电压AC频率的关系的图。
图11A、图11B和图11C是描绘了测量对致动图案的液滴响应的示例性实施例的图，该对致动图案的液滴响应适合于测量液滴与特定形状的致动图案一致性的度量。
图12是描绘了如图11A至图11C中的针对致动图案所测量的不同的一致性程度的图。
图13是描绘了针对如图11A所示的成示例形状的致动图案的致动一致性与电润湿电压幅度的关系的图。
图14是描绘了同样针对如图11A所示的成示例形状的致动图案的致动一致性与电润湿电压AC频率的关系的图。
图15是描绘了图2的基于EWOD的微流控系统的变型的图，其中外部传感器是置于器件上方的光学传感器。
图16是描绘了图15的基于EWOD的微流控系统的变型的图，其中光学传感器安装到器件的侧面以测量液滴的侧面轮廓。
图17是描绘了用于确定故障状况的算法的图。
具体实施方式
现在将参考附图描述本发明的实施例，在整个附图中，相同的附图标记用于指代相同的元件。应理解，附图不一定是按比例的。
图2是描绘了示例性的基于EWOD的微流控系统的图。在图2的示例中，测量系统包括读取器32和盒34。盒34可以包含微流控器件(诸如EWOD或AM-EWOD器件36)以及常规的进入到器件中的流体输入端口和电连接(electrical connection)(未示出)。流体输入端口可以执行将流体输入到AM-EWOD器件36中并在器件内产生液滴的功能(例如，通过如通过电润湿控制的从输入储液囊施与)。如下面进一步详述的，微流控器件包括被配置为接收输入的流体液滴的电极阵列。
微流控系统还可以包括控制系统，该控制系统被配置为控制被施加到微流控器件的电极阵列的致动电压以执行对流体液滴的操纵操作。例如，读取器32可以包含被配置为控制电子器件38的这样的控制系统和存储器件40，存储器件40可以存储任何应用软件和与系统相关联的任何数据。控制电子器件38可以包括被配置为执行与AM-EWOD器件36的控制相关的各种控制操作的合适的电路和/或处理器件，例如CPU、微控制器或微处理器。
在它们的功能中，为了实现本发明的特征，控制电子器件可以包括整体控制系统的一部分，其可以执行被体现为存储器件40内的控制应用的程序代码。对于计算机编程领域中并且特别是在电子控制器件的应用编程领域中的普通技术人员来说显而易见的是，如何对控制系统进行编程以操作和执行与存储的控制应用相关联的逻辑功能。因此，为了简明起见，省略了关于具体编程代码的细节。存储器件40可以被配置为非暂时性计算机可读介质(例如随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM或闪存))或者任何其它合适的介质。此外，虽然根据示例性实施例可以由控制电子器件38执行该代码，但是在不脱离本发明的范围的情况下，这样的控制系统功能也可以经由专用硬件、固件、软件或其组合来执行。
控制系统可以被配置为执行以下功能中的一些或全部：
·定义适当的定时信号以操纵AM-EWOD器件36上的液体液滴。
·解译表示由与AM-EWOD器件36相关联的传感器或传感器电路测量的传感器信息的输入数据，包括计算AM-EWOD器件36上的液体液滴的位置、大小、质心和周长。
·使用计算出的传感器数据来定义适当的定时信号以操纵AM-EWOD器件36上的液体液滴，即以反馈模式动作。
·提供图形用户界面(GUI)的实现，由此用户可以对诸如液滴操作(例如，移动液滴)、测定操作(例如，执行测定)之类的命令进行编程，并且GUI可以将这些操作的结果和其它系统信息报告给用户。
在图2的示例中，提供外部传感器模块35用于感测液滴性质。例如，可以将本领域已知的光学传感器用作用于感测液滴性质的外部传感器。合适的光学传感器包括相机设备、光传感器、电荷耦合器件(CCD)和类似的图像传感器等。如下面进一步详述的，传感器可以备选地被配置为作为每个阵列元件中的驱动电路的一部分而被包含的内部传感器电路。这种传感器电路可以通过检测阵列元件处的电性质(例如阻抗或电容)来感测液滴性质。
诸如经由控制电子器件38的控制系统可以提供和控制施加到微流控器件36的电极阵列的致动电压(例如所需的电压和定时信号)，以执行液滴操纵操作并感测AM-EWOD器件36上的液体液滴。控制电子器件还可以执行应用软件以产生并输出用于液滴感测和执行感测操作的控制电压。读取器32和盒34可以在使用时电连接在一起(例如通过连接线42的电缆)，但是如本领域普通技术人员已知的，可以使用提供电通信的各种其它方法。
图3是以示意透视图描绘了示例性AM-EWOD器件36的附加细节的图。AM-EWOD器件36具有下基板44，在下基板44上设置有薄膜电子器件46。薄膜电子器件46被布置为驱动阵列元件电极48。多个阵列元件电极48布置在电极或元件阵列50中，电极或元件阵列50具有X乘Y个阵列元件，其中X和Y可以是任何整数。可以包括任何极性液体且通常可以是水性的液体液滴52被封闭在由间隔物56分离的下基板44和顶基板54之间，但是应当理解，可以存在多个液体液滴52。
图4是描绘了通过图3的示例性AM-EWOD器件36的一些阵列元件的横截面的图。在图4所描绘的AM-EWOD器件的部分中，器件包括在横截面中示出的一对阵列元件电极48A和48B，其可以在图3的AM-EWOD器件36的电极或元件阵列50使用。器件配置类似于图1所示的常规配置，其中AM-EWOD器件36还包括设置在下基板44上的薄膜电子器件46，下基板44与顶基板54被间隔物56分离。下基板44的最上层(可以被认为是薄膜电子器件层46的一部分)被图案化，从而实现多个阵列元件电极48(例如，阵列元件电极的具体示例是图4中的48A和48B)。术语元件电极48可以在以下内容中被理解为指代与特定阵列元件相关联的物理电极结构48，以及直接连接到该物理结构的电路的节点。图4中示出了参考电极58，其设置在顶基板54上，但参考电极备选地可以设置在下基板44上以实现平面内参考电极几何形状。术语参考电极58也可以在以下内容中被理解为指代物理电极结构以及直接连接到该物理结构的电路的节点这二者或这两者中的任一个。
此外，类似于图1的常规结构，在AM-EWOD器件36中，非极性流体60(例如油)可以用于占据未被液体液滴52占据的体积。绝缘体层62可以设置在下基板44上，绝缘体层62将导电的元件电极48A和48B与第一疏水涂层64分离，液体液滴52以θ表示的接触角66位于第一疏水涂层64上。疏水涂层由疏水材料(通常但不一定是含氟聚合物)形成。在顶基板54上是第二疏水涂层68，液体液滴52可以与第二疏水涂层68接触。参考电极58***在顶基板54和第二疏水涂层68之间。
图5A示出了在存在液体液滴52的情况下元件电极48和参考电极58之间的电负载70A的电路表示。液体液滴52通常可以被建模为并联的电阻器和电容器。通常，液滴的电阻将相对较低(例如，如果液滴包含离子)，并且液滴的电容将相对较高(例如，因为极性液体的相对介电常数相对较高，例如，如果液体液滴是水性的，则相对介电常数约为80)。在许多情况下，液滴电阻相对小，使得在用于电润湿的感兴趣频率下，液体液滴52可以有效地起电短路的作用。疏水涂层64和68具有可以被建模为电容器的电特性，并且绝缘体62也可以被建模为电容器。元件电极48和参考电极58之间的总阻抗可以由电容器来近似，该电容器的值通常由绝缘体62的贡献和疏水涂层64和68的贡献来支配，并且对于典型的层厚度和材料，该电容器在值方面可以是皮法量级的。
图5B示出了在不存在液体液滴的情况下元件电极48与参考电极58之间的电负载70B的电路表示。在这种情况下，液体液滴组件由对占据顶基板和下基板之间的空间的非极性流体60的电容加以表示的电容器代替。在这种情况下，元件电极48和参考电极58之间的总阻抗可以由电容器近似，该电容器的值由非极性流体的电容支配，并且通常是小的，处于毫微微法量级。
出于驱动和感测阵列元件的目的，电负载70A/70B总体上在效果方面起电容器的作用，其值取决于在给定的元件电极48处是否存在液体液滴52。在存在液滴的情况下，电容相对较高(通常为皮法量级)，而如果不存在液体液滴，则电容为低(通常为毫微微法量级)。如果液滴部分地覆盖给定的电极48，则电容可以近似表示液体液滴52对元件电极48的覆盖程度。
图6是描绘了图3的示例性AM-EWOD器件36中的薄膜电子器件46的示例性布置的图。薄膜电子器件46位于下基板44上。元件阵列50的每个阵列元件51包含用于控制对应的元件电极48的电极电位的阵列元件电路72。集成行驱动器74和列驱动器76电路也实现在薄膜电子器件46中，以向阵列元件电路72提供控制信号。阵列元件电路72还可以包含用于检测阵列元件的位置中存在或不存在液体液滴的感测能力。集成传感器行寻址78和列检测电路80还可以被实现在薄膜电子器件中，以用于每个阵列元件中的传感器电路的寻址和读出。
还可以提供串行接口82来处理串行输入数据流并且便于将所需的电压编程到阵列50中的元件电极48。电压源接口84提供对应的供电电压、顶基板驱动电压以及如本文进一步描述的其它必要的电压输入。即使对于大的阵列大小，下基板44与外部控制电子器件、电源和任何其它组件之间的连接线86的数量也可以相对较少。可选地，串行数据输入可以部分并行化。例如，如果使用两条数据输入线，则在对列驱动电路76进行较小修改的情况下，第一数据输入线可以为列1至X/2提供数据，而第二数据输入线可以为列(1+X/2)至M提供数据。以这种方式，增加了可以将数据编程到阵列的速率，其是液晶显示驱动电路中使用的标准技术。
通常，包括薄膜电子器件46的示例性AM-EWOD器件36可以被配置为如下。AM-EWOD器件36包括以上提到的参考电极58(其可选地可以是平面内参考电极)和元件阵列50上的多个单独的阵列元件51，每个阵列元件51包括阵列元件电极48和阵列元件电路72。相关地，AM-EWOD器件36可以被配置为执行致动阵列元件以通过控制被施加到多个阵列元件的电润湿电压来操纵阵列上的液体液滴的方法。所施加的电压可以通过关于图2所述的控制系统的操作来提供，控制系统包括控制电子器件38以及存储在存储器件40上的应用和数据。每个阵列元件51处的电润湿电压由阵列元件电极48和参考电极58之间的电位差定义。控制给定的阵列元件处的电润湿电压的方法通常包括通过控制系统的操作来向阵列元件电极48提供电压并向参考电极58提供电压的步骤。
图7是描绘了每个阵列元件51中存在的阵列元件电路72的示例性布置的图。阵列元件电路72可以包含致动电路88，致动电路88具有输入ENABLE(使能)、DATA(数据)和ACTUATE(致动)以及连接到元件电极48的输出。阵列元件电路72还可以包含液滴感测电路90，其可以与元件电极48电通信。通常，液滴感测电路90的读出可以由对于阵列的相同行中的元件可以是公共的一个或多个寻址线(例如RW)控制，并且还可以具有对于阵列的相同列中的所有元件可以是公共的一个或多个输出(例如OUT)。
阵列元件电路72通常可以执行以下功能：
(i)通过向阵列元件电极提供电压来选择性地致动元件电极48。因此，可以通过电润湿效应来致动或解除致动存在于阵列元件51处的任何液体液滴。
(ii)感测阵列元件51的位置处存在或不存在液体液滴。感测的手段可以是电容式、光学、热学或一些其它手段。可以使用阻抗传感器电路作为阵列元件电路的一部分来方便且有效地进行电容式感测。
包括阻抗或电容传感器电路的阵列元件电路72的示例性配置在本领域中是已知的，并且例如在共同转让的US 8653832(Hadwen等人，2014年2月18日发布)和共同转让的英国申请GB1500261.1中详细描述，这两个申请均通过引用并入本文。这些专利文件包括关于可以如何借助于电润湿来致动液滴以及可以如何通过电容式或阻抗式感测手段来感测液滴的描述。通常，电容式和阻抗式感测可以是模拟的，并且可以在阵列中的每个元件处同时或几乎同时执行。通过处理从这种传感器返回的信息(例如，在读取器32的存储器件40中的应用软件中的)，上述控制系统可以实时或几乎实时地确定存在于元件阵列50中的每个液体液滴的位置、大小、质心和周长。如结合图2所提及的，传感器电路的备选方案在于提供外部传感器(例如传感器35)，例如，可以用于感测液滴性质的光学传感器。
利用该器件配置，可以使用写入电润湿阵列的时间序列的顺序致动图案来执行液滴操作，以执行所需的液滴操纵操作。具有相关联的液滴操纵响应的基本液滴操作的示例包括移动液滴、合并多个液滴、***液滴、从较大的液体储液囊施与液滴、混合多个液滴等。更复杂的液滴操作可以包含基本操作的组合，以便稀释、洗涤、洗脱(elute)等。致动图案被定义为写入电润湿器件阵列的数据图案，通常是数字的(尽管原则上可以是模拟的)并且包括阵列元件，阵列元件被写为“1”以用于电润湿致动，被写为“0”以用于不致动。在致动或“1”状态期间，给定的阵列元件的表面与被控制为用于电润湿效应是亲水的表面相对应，并且在非致动或“0”状态期间，给定的阵列元件的表面与被控制为疏水的表面相对应。将各种致动图案施加于AM-EWOD的方法是已知的，例如在2017年5月31日递交的序号为15/475,410的申请人共同拥有的申请中所描述的。
根据本公开的实施例，执行测试测量以测量对示例性致动图案的液滴响应。响应于施加致动图案，可以测量液体或液体液滴的物理性质，包括例如移动速度、电润湿强度(如液滴接触线在电润湿致动下变形为弯曲形状的能力所指示的)、导电率、接触角和粘度。可以从被设计为测量每个所需物理性质的致动图案库中选择致动图案，并且每个致动图案可以在致动电压幅度、致动电压AC频率和操作温度方面不同。所测量的液滴对致动图案的响应构成自动测试测量，并且可以使用任何合适的传感器技术来测量响应，以测量响应于电润湿致动的液滴覆盖区(footprint)。合适的感测技术可以包括集成到AM-EWOD器件中的传感器电路，例如电容式或阻抗式感测、或外部感测(例如，通过使用CCD相机或类似设备的光学图像感测)。如下面进一步详述的，测试测量的结果提供了用于优化后续液滴操纵操作的度量。
为了执行测试测量，将致动图案施加于液滴。与未施加致动图案时的液滴相比，致动图案可以具有不同的形状、不同的尺寸、凹陷等。液滴与致动图案的一致性水平和/或从非致动状态或其它先前状态的转变速率将根据所施加的致动电压的致动电位和频率、液体的物理性质和/或操作的环境条件而变化。一旦液滴达到静态或平衡状态，就进行传感器测量。测量液体液滴与致动图案的一致性和/或转变到平衡状态的时间响应，并将其记录为描述液滴对电润湿致动电压的响应的度量。然后，使用该度量来设计最优的液滴操纵操作算法。液滴操纵操作算法可以由系统计算或者从存储在系统存储器中的预定义的液滴操纵操作库中选择。
以计算参数或所存储的库编码的液滴操作的变型之间的差异可以包括例如：
(a)恒定速率电润湿致动序列的变型；
(b)电润湿致动序列的帧之间的时间上的变化；
(c)自适应电润湿图案方案的变化，例如，根据液滴响应选择致动图案本身，由此响应传感器测量来选择图案；
(d)电润湿致动电压幅度或电压AC操作频率的变化；以及
(e)器件温度的变化，例如可以加热系统以使所需的液滴操纵更容易执行。
本公开的实施例通过执行测试测量和优化后续的液滴操纵操作而优于常规配置，因此改进了诸如操作再现性、执行速度和可靠性之类的器件性能。因为最优的液滴操作会非常依赖于液体的特性和环境条件(这在现场可以是可变化的)，因此增强的性能是显著的。例如，不能良好一致的液体将需要具有比良好一致的液滴的更简单的致动图案的液滴操作。来自不同批次的试剂或用户添加的样品可以具有不同的物理特性，这需要不同的操作来执行相同的动作。备选地，环境特性(例如，用户实验室的温度)可以显著变化，特别是在器件在可能不是最优没置的特定需求点使用的情况下。所描述的系统和方法以完全自动化的方式实现这种优化，使得用户不需要采取任何动作(或者甚至必须意识到需要这种优化并且已经实现了这种优化)。
因此，本发明的一方面提供了一种用于控制被施加到介质上电润湿(EWOD)器件上的元件阵列的阵列元件的致动电压的控制方法，其中确定测试度量并将其用于优化后续的液滴操纵操作。在示例性实施例中，控制方法包括以下步骤：将液体液滴接收到元件阵列上；施加致动电压的电润湿致动图案来致动液滴，以将液滴的覆盖区从具有初始覆盖区的第一状态修改为具有修正覆盖区的第二状态；用传感器感测修正覆盖区；基于液体液滴对电润湿致动图案的液滴响应，通过感测指示一个或多个液滴性质的修正覆盖区来确定测试度量；以及基于测试度量来控制被施加到阵列元件的致动电压。在本公开的上下文中，液滴的覆盖区或覆盖区域可以被理解为液滴与下基板或顶基板(通常是包括图案化的电极阵列的下基板)的接触区域。关于附加的附图描述这种一般化操作的更具体的特征或步骤。
图8A至图8C是描绘了测量对致动图案的液滴响应的示例性实施例的图，该对致动图案的液滴响应适合于测量液滴时间响应度量。在这些示例中，施加第一致动图案直到液滴达到第一稳定状态，在第一稳定状态下液滴具有初始覆盖区，其中覆盖区与液体液滴的形状和质心的位置相对应。一旦达到第一稳定状态，就施加第二致动图案以将液滴改变为具有与初始覆盖区不同的修正覆盖区的第二稳定状态。记录液滴从第一稳定状态转变到第二稳定状态的时间。在这些图中，散列部分表示如被配置为处于第一致动图案的第一稳定状态下的液滴(表示为起始液滴100x)，阴影部分表示如被配置为处于第二致动图案的第二稳定状态下的液滴(表示为结束液滴102x)。稳定状态之间的液滴转变速率用作用于检测不同特性和/或经受不同环境条件的液体之间的差异的度量，以确定液滴操纵操作的选择。
在图8A的示例中，从第一稳定状态到第二稳定状态的转变构成了液滴形状的改变，同时维持了液滴的质心(即质量中心)。例如，使用方形致动图案致动起始液滴100a，产生作为第一稳定状态的方形形状，并且通过施加矩形致动图案实现转变，产生针对第二稳定状态的结束液滴102a，即液滴形状在第二状态下相对于第一状态是不同的。液滴的质心104a在第一状态和第二状态下是相同的，即质心在转变期间保持在恒定位置。在图8B的示例中，从第一稳定状态到第二稳定状态的转变构成液滴质心位置的改变，同时在第一状态和第二状态下维持相同的液滴形状。这可以通过使用逐渐重新定位液滴质心的时间序列的致动图案来执行。例如，再次使用方形致动图案致动起始液滴100b，并且通过在相邻位置中逐渐施加方形致动图案以移动液滴来实现转变，产生在第二稳定状态下的具有不同质心位置104b的结束液滴102b。在图8C的示例中，在单个操作中组合两个转变。从第一稳定状态到第二稳定状态的转变构成液滴形状和液滴质心位置的改变。例如，再次使用方形致动图案致动起始液滴100c，并且起始液滴100c与第一质心位置104a相对应，通过在逐渐不同的位置施加矩形致动图案来实现转变，从而产生在第二稳定状态下的具有矩形形状和不同质心位置104c的结束液滴102c。
在每个示例中，测量从第一稳定状态到第二稳定状态的转变速率，并且使用转变速率提供用于检测不同特性的液体之间的差异的度量，以选择合适的液滴操纵操作。此外，转变测量可以包括测量在最开始时实现第一稳定状态以及从第一稳定状态转变到第二稳定状态的时间。还可以针对多个不同的电润湿电压幅度重复转变，其中在每个电压幅度下测量转变时间。还可以针对多个不同的电润湿电压AC频率重复转变，其中在每个电压AC频率下测量转变时间。还可以在不同温度下重复转变，通过加热EWOD器件并在多个温度下施加致动图案来实现。然后可以基于在不同的电润湿电压幅度、电润湿电压AC频率和/或温度下的液滴的液滴响应来确定转变速率测试度量。
例如，图9是描绘了针对如图8B中所示的给定形状的液滴的移动的示例转变的转变速率与电润湿电压幅度的关系的图。因此，相对于电润湿电压幅度绘制移动速度。从该图中可以看出，电润湿电压幅度增加直到转折点106，转折点106与用于有效液滴移动的最小致动电压相对应。移动速度随电压幅度增加，直到在转折点108处达到稳定水平。
作为另一示例，图10是描绘了同样针对如图8B所示的给定形状的液滴的移动的示例转变的转变速率与电润湿电压AC频率的关系的图。因此，相对于AC频率绘制移动速度。从该图中可以看出，移动速度随着频率而降低，从转折点120处的稳定水平下降到转折点122，转折点122与液滴可以有效移动的最大AC频率相对应。
图11A至图11C是描绘了测量对致动图案的液滴响应的示例性实施例的图，该对致动图案的液滴响应适合于测量液滴与特定形状的致动图案的一致性。在这些示例中，施加致动图案以将液滴形状从具有初始覆盖区的第一非致动状态的原始形状(通常为椭球体)改变为具有与初始覆盖区不同的修正覆盖区的第二致动状态的非标准形状(非椭球体)。同样地，在本公开的上下文中，液滴的覆盖区或覆盖区域可以被理解为液滴与下基板或顶基板(通常是包括图案化的电极阵列的下基板)的接触区域。此外，当液滴一致性是适当的度量时，致动图案具有与液滴的覆盖区域类似或大于液滴的覆盖区域的覆盖区域。关于附加的附图描述这种一般化操作的更具体的特征或步骤。
在这些图中，散列部分表示致动图案124，该致动图案124覆盖在与响应于致动图案而成形的实际液滴126相对应的阴影部分上。例如，在图11A中，使用止动件或类似结构，以基本上为具有楔形切口128的泪滴形状的致动图案将液滴形成为非标准形状。第二覆盖区的液滴接触线与第二状态下的致动图案的一致性程度被用作用于检测不同特性和/或经受不同环境条件的液体之间的差异的度量，以确定液滴操纵操作的选择。
发明人已经发现，包括两个或更多个凹陷的致动图案已经显示出特别适合于测量用于检测不同特性和/或不同环境条件的液体之间的差异的液滴一致性度量。在图11B中示出了这样的示例，其中致动图案是十字形状的，以形成四个凹陷130，其中交叉部分中心相交。作为另一示例，图11C描绘了为划分开的致动图案的致动图案，该划分开的致动图案分成第一致动部分132以及与第一致动部分132间隔开的第二致动部分134。与划分开的致动图案的一致性程度也可以用作用于检测不同特性和/或经受不同环境条件的液体之间的差异的度量。
在每个示例中，测量液滴接触线与致动图案的一致性程度，并且使用这种一致性程度提供用于检测不同特性和/或经受不同环境条件的液体之间的差异的另一度量，以选择合适的液滴操纵操作。与上述测量转变速率类似，可以针对多个不同的电润湿电压幅度重复一致性测量，其中在每个电压下测量一致性程度。还可以针对多个不同的电润湿电压AC频率重复一致性测量，其中在每个AC频率下测量一致性程度。还可以在不同温度下重复一致性测量，通过加热EWOD器件并在多个温度下施加致动图案来实现。然后可以基于在不同的电润湿电压幅度、电润湿电压AC频率和/或温度下的液滴的液滴响应来确定一致性程度测试度量。
因此，图12描绘了如针对图11A至图11C的致动图案所测量的不同的一致性程度的图。特别地，列A对应于低一致性程度，列B对应于中等的一致性程度，列C对应于高一致性程度。如上所述，一致性程度可以随着致动电压幅度、AC频率或温度而变化。
例如，图13是描绘了针对如图11A所示的成示例形状的致动图案的致动一致性与电润湿电压幅度的关系的图。因此，相对于电润湿电压幅度绘制了致动一致性，在图上方描绘了对应的一致性进展。从该图中可以看出，电润湿电压幅度增加直到转折点136，转折点136与用于有效液滴形状改变的最小致动电压相对应。一致性程度增加直到在转折点138处达到稳定水平，转折点138指示最大一致性。以这种方式，一致性程度和致动电压幅度之间的关系与图9中所示的转变速率和致动电压幅度之间的关系相当。
电润湿力的强度以及液滴接触线与致动图案的对应一致性由已知的Lippmann-Young等式描述，该等式将接触角与致动电压相关。电润湿致动的强度由电压的平方与液体液滴与周围介质(通常为油)之间的界面处的表面张力的比来描述。表面张力可以根据液滴或油的构成而变化，特别是与任一介质中存在的任何表面活性剂物质的构成和浓度相关。通常，包括一种或多种表面活性剂以降低表面张力。表面张力还可以取决于环境变量，特别是例如操作温度。
根据该实施例，针对多个电压幅度测量与致动图案的一致性，并且根据结果确定优化的致动电压幅度。除了选择足够大的致动电压幅度以确保合适的一致性之外，还存在使致动电压幅度不太大的动机。以过大的致动电压幅度操作会降低液滴操纵的可靠性，因为向液滴接触线施加过多的能量会使接触线不稳定。此外，以比所需的致动电压幅度更大的致动电压幅度操作会损害器件本身的可靠性，例如通过施加比所需的电场更高的电场来通过绝缘体层和疏水涂层。比必要的致动电压幅度更高的致动电压幅度还不必要地消耗功率。在较大的致动电压幅度的正效应和有害效应之间的这种平衡也适用于关于如结合图9所述的转变速率(移动速度)的优化的电压选择。
作为另一示例，图14是描绘了同样针对如图11A所示的成示例形状的致动图案的致动一致性与电润湿电压AC频率的关系的图。因此，相对于AC频率绘制了一致性程度，在图上方描绘了对应的一致性进展。从该图可以看出，一致性程度随着频率降低，从转折点140处的稳定水平下降到转折点142，转折点142与用于有效地实现液滴形状改变的最大AC频率相对应。以这种方式，一致性程度和致动电压AC频率之间的关系与如图10所示的转变速率和AC频率之间的关系相当。与致动图案的一致性的频率响应是液滴导电率的函数。例如，如果液滴的离子浓度小于1μM，则在小于1kHz的AC频率下，一致性的降低将是明显的。类似地，如果离子浓度约为10μM，则临界AC频率将约为10kHz，如果离子浓度约为100μM，则临界AC频率将约为100kHz。
因此，图8至图14说明了测试度量可以如何有助于后续液滴操纵操作的参数的选择。例如，根据以上图示执行的测试测量，对于可应用的液体，对于要执行的任何给定液滴操纵操作，要实现所需的转变速率或者一致性，什么水平的电润湿电压幅度和AC频率将是最优的。以这种方式改进了器件性能。可以关于其它液滴性质和环境条件执行类似的测试测量，以确定相当的度量。
根据任何实施例，在施加致动图案时，可以以任何合适的方式测量液滴响应。例如，可以将诸如阻抗/电容器传感器电路90(图7)之类的集成传感器用于确定包括液滴覆盖区的液滴性质。附加地或备选地，可以使用诸如CCD相机之类的外部光学传感器来测量包括液滴覆盖区的液滴性质。例如，图15是描绘了图2的AM-EWOD微流控系统的变型的图，其中外部传感器是置于器件上方(或下方)的光学传感器135。作为附加或备选方案，图16是描绘了图15的AM-EWOD微流控系统的变型的图，其中光学传感器135安装到器件的侧面以测量液滴的侧面轮廓。从侧面获取的并被记录为度量的示例光学测量是液滴52在疏水表面64上的接触角66(也参见图4)。作为另一示例，返回参考图5A和图5B，可以进行传感器测量以确定与没有液滴的电润湿元件(被建模为电容器60)两端的电压降相比的液滴52两端的电压降，以测量液体的导电率。所有这些测量(包括例如液滴覆盖区、接触角、导电率等)可以用于确定用于检测不同特性和/或经受不同环境条件的液体之间的差异的液滴响应度量，以选择合适的液滴操纵操作。
可以将上述实施例中描述的测试测量结果用于要由AM-EWOD器件执行的液滴操纵操作的后续自动选择。以这种方式，考虑到能够影响液滴将如何响应阵列元件的致动的液体构成和环境条件，测试测量提供反馈结果以检测要从其施与附加液滴的液体的特定特性。因此，控制方法包括：基于测试度量通过以下操作来控制被施加到阵列元件的致动电压：基于测试度量确定液滴操纵操作；以及控制致动电压以对被施与到元件阵列上的一个或多个液滴执行所确定的液滴操纵操作。
可以以各种方式使用由先前测试测量提供的反馈结果。例如，反馈结果可以确定操纵参数的模拟值的选择，例如致动电压AC频率或致动电压幅度。这些值可以通过基于测试测量中的液滴响应的简单比例来实现，或者通过根据以软件实现的预定义等式(例如，查找多项式)的计算来实现。
利用反馈结果的附加方法是根据测试测量的结果从两个或更多个选项中选择液滴操纵操作来作为选择。例如，如果测试测量数量为“x”，则液滴操纵操作可以有多个选项，在此特定示例中有三个选项：操作A、操作B和操作C。可以使用任何合适数量的选项。可以根据来自测试测量的所测量的值“x”与一个或多个预编程的阈值(在该示例中为两个预编程的阈值“a”和“b”)的比较来选择适当的液滴操纵操作，其中通过下表说明由此产生的操作的选择。与上面类似，可以采用任何合适数量的预编程阈值。
x＜a
选择操作A
a＜x＜b
选择操作B
b＜x
选择操作C
对于本示例，通常所测量的值“x”可以涉及上面引用的与对所施加的致动图案的液滴响应相对应的测试度量中的一个或多个测试度量。例如，“x”的值可以是转变速率，例如移动速度或者从第一稳定状态到第二稳定状态的转变速率，或者可以是与致动图案的一致性程度。如上所述，可以在多个致动电压幅度、AC频率和/或温度下进行用于获得度量的测量，其中液滴响应由器件控制系统测量和存储。不同的预定义操作A、B和C可以与用于执行液滴操纵操作的致动图案的不同可能选择相对应，其中每个致动图案与要被致动的一系列阵列元件、以及致动电压参数(例如，幅度和AC频率)相对应。因此，对于本示例，如果所测量的值“x”小于预编程的阈值“a”，则选择操作A；如果所测量的值“x”在预编程的阈值“a”和“b”之间，则选择操作B；以及如果所测量的值“x”大于预编程阈值“b”，则选择操作C。可以对多个测试度量和预编程的阈值进行分组和分析，用于选择最优的液滴操纵操作。
在一般化的图示中，与在相对高温度下的较低粘度和较低导电性的液体液滴相比，在相对低温度下的粘性更高更导电的液滴将具有不同的响应度量。在系统操作方面，所测量的“x”值将是不同的，这可以使得通过计算或通过从查找表中的预定义操作中进行选择而对液滴操纵操作进行不同选择。甚至通常被认为是“相同”的液体也可以在公差内变化，并且环境条件可以不同，因此系统可以选择最优的操作致动图案以执行给定的液滴操纵操作。
该操作的示例可以在于液滴操纵操作的选择，包括用于从较大的液体储液囊施与液滴的致动图案序列。示例性测试度量可以是使用根据图11至图14描述的测量而确定的一致性程度。根据来自一致性测量结果的液滴响应度量，可以计算或者从存储在查找表中的多个预定义操作之中选择用于施与液滴的一系列致动图案，以便以要求液滴与致动图案更低或更高的一致性的方式执行施与操作，以成功执行施与操作。例如，施与操作A可以要求与致动图案的高一致性以可靠地执行，但是若假设是这种情况，则所施与的液滴的体积再现性会非常高。相反，在液滴与致动图案的一致性较低的情况下，操作C可以比操作A更可靠地执行。对于不良致动液体而言可靠性提高可以使操作C成为优选的施与液滴操作，即使该操作与操作A相比执行所花费的时间更长或具有更低的体积再现性。
上述原理可以应用于任何合适的液滴操纵操作。示例包括使用度量来确定或从预定义库中选择液滴操作算法以将液滴***成两个或更多个液滴、合并多个液滴、搅动液滴以混合液滴、保持液滴位置、将液滴移动到元件阵列上的另一位置等。更复杂的液滴操纵操作可以包含这些基本操作的组合，以便稀释、洗涤、洗脱等。此外，已经关于从存储在系统中的预定义库中选择备选的液滴操纵操作描述了许多示例，但不一定是这种情况。备选地，可以通过系统执行的计算来确定液滴操作，而无需参考任何预定义的库。这种方法的优点在于，对于一些类型的液体，可以无需发生其它液体所需的液滴操纵操作。附加示例可以包括使用度量来改变两个或更多个液滴操作的顺序。
在另一示例中，使用度量来确定是否存在与液体液滴未致动相对应的故障状况，其可以包括向用户通知由EWOD器件输出的错误消息。图17是描绘了用于确定故障状况的算法的图示。在该示例中，相对于作为测试度量的致动一致性绘制了移动速度。图中的第一区域150(被表示为“通过区域”)表示适合于执行所需液滴操纵操作的移动速度和致动一致性的组合。相反，图中的第二区域152(表示为“失败区域”)表示不适合于执行所需液滴操纵操作的移动速度和致动一致性的组合。如果针对液滴响应的测试度量落入失败区域152内，则系统可以输出错误消息以通知用户。在一些情况下，可以诊断故障原因(例如特定液体超出规格)，并且提示用户采取纠错动作(例如，移除盒以及再次开始使用新的盒和规格内的液体)。该故障系统有利的是：如果试剂在对应的环境条件下不以合适的方式起作用，则允许液滴操纵操作序列停止。尽管移动速度和一致性程度是在该示例中使用的度量，但更一般地，确定故障状况可以包括确定液滴的任何组合度量是适合还是不适合于执行所需的液滴操纵操作。
该系统也是完全自动化的。在示例性实施例中，控制系统可以执行作为控制应用的一部分的可执行程序代码的任何数量的测试测量协议，可执行程序代码可以存储在存储器件40中并由控制电子器件38的处理器器件执行(参见图2、图16和图17)。控制系统还可以基于传感器测量来接收液滴响应测量，并确定所得到的测试度量，其同样可以存储在系统存储器件中。使用这样的测试度量，控制系统还可以执行必要的计算和/或从特定可操作致动图案的存储的查找表中进行选择，以执行液滴操纵操作。以这种方式，器件用户可以简单地启动任何所需的操作协议，其可以包括一个或一系列液滴操纵操作，液滴操纵操作是用户通过控制电子器件的接口器件选择的，或者作为控制应用的一部分以其它方式自动选择的。然后，AM-EWOD系统可以自动执行任何合适的测试操作，并继续确定和选择最优的液滴操纵操作，而无需来自用户的进一步的附加输入。
本公开的实施例通过执行测试协议并基于与对测试协议期间施加的致动图案的液滴响应相对应的度量来优化后续液滴操纵操作而优于常规配置。这改进了器件性能，包括操作再现性、执行速度和可靠性。因此，所描述的方法考虑了可以根据液体的特性和/或环境条件(这在现场可以是可变的)变化的液滴响应的差异，从而优化液滴操纵操作。所描述的系统和方法以完全自动化的方式实现这种优化，使得用户不需要采取任何动作(或者甚至必须意识到需要这种优化并且已经实现了这种优化)。
因此，本发明的一方面提供了一种用于控制被施加到介质上电润湿(EWOD)器件上的元件阵列的阵列元件的致动电压的控制方法，其中确定测试度量并将其用于优化后续的液滴操纵操作。在示例性实施例中，控制方法包括以下步骤：将液体液滴接收到元件阵列上；施加致动电压的电润湿致动图案来致动液滴，以将液滴的覆盖区从具有初始覆盖区的第一状态修改为具有修正覆盖区的第二状态；用传感器感测修正覆盖区；基于液体液滴对电润湿致动图案的液滴响应，通过感测指示一个或多个液滴性质的修正覆盖区来确定测试度量；以及基于测试度量来控制被施加到阵列元件的致动电压。控制方法还可以包括以下特征(单独或组合)中的一个或多个。
在控制方法的示例性实施例中，测试度量包括从第一状态到第二状态的转变速率。
在控制方法的示例性实施例中，液滴在第一状态下具有第一形状，在第二状态下具有与第一形状不同的第二形状，并且液滴在第一状态和第二状态下具有相同的质心。
在控制方法的示例性实施例中，液滴在第一状态下具有第一质心，在第二状态下具有与第一质心不同的第二质心，并且液滴在第一状态和第二状态下具有相同的形状。
在控制方法的示例性实施例中，液滴在第一状态下具有第一形状，在第二状态下具有与第一形状不同的第二形状，并且液滴在第一状态下具有第一质心，在第二状态下具有与第一质心不同的第二质心。
在控制方法的示例性实施例中，测试度量包括液滴与具有一个凹陷的电润湿致动图案的一致性程度。
在控制方法的示例性实施例中，电润湿致动图案包括两个或更多个凹陷。
在控制方法的示例性实施例中，电润湿致动图案是划分开的致动图案，其分成第一致动部分以及与第一致动部分间隔开的第二致动部分。
在控制方法的示例性实施例中，测试度量包括液滴两端的电压降的测量。
在控制方法的示例性实施例中，在多个电润湿电压幅度下施加电润湿致动图案，并且基于不同的电润湿电压幅度下的液滴的液滴响应来确定测试度量。
在控制方法的示例性实施例中，在多个电润湿电压AC频率下施加致动图案，并且基于不同的电润湿电压AC频率下的液滴的液滴响应来确定测试度量。
在控制方法的示例性实施例中，方法还包括改变EWOD器件的温度并在多个温度下施加致动图案，并且基于不同温度下液滴的液滴响应来确定测试度量。
在控制方法的示例性实施例中，基于测试度量来控制被施加到阵列元件的致动电压包括：基于测试度量确定液滴操纵操作；以及控制致动电压以对被施与到元件阵列上的一个或多个液滴执行所确定的液滴操纵操作。
在控制方法的示例性实施例中，基于测试度量确定液滴操纵操作包括将测试度量与阈值进行比较，以及基于比较来从存储在存储器中的预定义选项中选择液滴操纵操作。
在控制方法的示例性实施例中，液滴操纵操作包括从液体储液囊将一个或多个液滴施与到元件阵列上、以及以下中的至少一个：将液滴分成两个或更多个液滴、合并多个液滴、搅动液滴以混合液滴、保持液滴位置、或将液滴移动到元件阵列上的另一位置。
在控制方法的示例性实施例中，基于测试度量来控制被施加到阵列元件的致动电压包括：确定是否存在与液滴未致动相对应的故障状况；以及在存在故障状况时，从EWOD器件输出错误消息以通知用户。
在控制方法的示例性实施例中，确定是否存在故障状况包括确定液滴度量的组合是适合还是不适合于执行所需的液滴操纵操作。
本发明的另一方面提供了一种微流控系统，包括：介质上电润湿(EWOD)器件，包括元件阵列，元件阵列被配置为接收一个或多个液体液滴，元件阵列包括多个单独的阵列元件；控制系统，被配置为控制被施加到元件阵列的致动电压以关于液体液滴执行操纵操作；以及传感器，用于感测液体液滴的状态。控制系统被配置为执行根据任何实施例的控制方法的步骤。在示例性实施例中，传感器是EWOD器件外部的光学传感器和/或集成到每个单独的阵列元件的阵列元件电路中的传感器电路。控制方法可以通过控制系统执行存储在非暂时性计算机可读介质上的程序代码来执行。
尽管已经关于一个或多个特定实施例示出和描述了本发明，但是在阅读和理解本说明书和附图后，本领域技术人员可以想到等同的备选方案和修改方案。具体地，关于由以上描述的元件(部件、组件、器件、组成等)执行的各种功能，除非另外指示，否则用于描述这些元件的术语(包括对“装置”的引用)意在与执行所描述的元件的指定功能的任何元件相对应(即，功能上等同)，即使结构上与执行本文中的本发明的一个或多个示例性实施例中的所述功能的所公开结构不等同。此外，尽管上文可能已经仅针对若干实施例中的一个或多个实施例描述了本发明的具体特征，但是这种特征可以与其它实施例中的对于任何给定或具体应用而言可以是期望的和有利的一个或多个其它特征相组合。
工业实用性
所描述的实施例可以用于提供增强的AM-EWOD器件。AM-EWOD器件可以形成芯片上实验室系统的一部分。这样的器件可用于操纵、反应和感测化学、生化或生理材料。应用包括医疗诊断测试、材料测试、化学或生化材料合成、蛋白质组学、用于在生命科学和法医学中进行研究的工具。
附图标记列表
10-下基板
12-阵列元件电极
12A-阵列元件电极
12B-阵列元件电极
14-液体液滴
16-顶基板
18-间隔物
20-非极性流体
22-绝缘体层
24-第一疏水涂层
26-接触角
28-第二疏水涂层
30-参考电极
32-读取器
34-盒
35-外部传感器模块
36-AM-EWOD器件
38-控制电子器件
40-存储器件
42-连接线
44-下基板
46-薄膜电子器件
48-阵列元件电极
48A-阵列元件电极
48B-阵列元件电极
50-元件阵列
51-阵列元件
52-液体液滴
54-顶基板
56-间隔物
58-参考电极
60-电容器
62-绝缘体层
64-第一疏水涂层
66-接触角
68-第二疏水涂层
70A-存在液滴情况下的电负载
70B-不存在液滴情况下的电负载
72-阵列元件电路
74-集成行驱动器
76-列驱动器
78-集成传感器行寻址
80-列检测电路
82-串行接口
84-电压源接口
86-连接线
88-致动电路
90-液滴感测电路
100a-起始液滴
100b-起始液滴
100c-起始液滴
102a-结束液滴
102b-结束液滴
102c-结束液滴
104a-第一质心位置
104b-不同质心位置
104c-不同质心位置
106-转折点
108-转折点
120-转折点
122-转折点
124-致动图案
126-液滴
128-楔形切口
130-四个凹陷
132-第一致动部分
134-第二致动部分
135-光学传感器
136-转折点
138-转折点
140-转折点
142-转折点
150-第一区域
152-第二区域。
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