CN116786179A

CN116786179A - 用于通过电润湿形成具有预定体积的液滴的装置和方法

Info

Publication number: CN116786179A
Application number: CN202211632380.1A
Authority: CN
Inventors: 龚剑; 李世峰; 诚·弗兰克·钟
Original assignee: MGI Tech Co Ltd
Current assignee: MGI Tech Co Ltd
Priority date: 2018-08-02
Filing date: 2019-08-01
Publication date: 2023-09-22
Also published as: CN112638528B; CN112638528A; TW202348994A; TW202434881A; TWI815941B; US20210178397A1; TW202007965A; WO2020026200A1

Abstract

用于从液滴形成多个微滴的装置包括：基底；在基底上并且具有通过疏水表面彼此间隔开的多个亲水表面区域的介电层；以及在介电层中的多个电极。电极被配置为响应于由控制电路提供的电压而在整个液滴上形成电场(E)，以使液滴在横向方向(F)上跨越介电层移动，同时将液滴的部分留在亲水性表面区域上以在亲水表面区域上形成多个微滴。

Description

用于通过电润湿形成具有预定体积的液滴的装置和方法

本申请是申请号为201980051553.0，申请日为2019年8月1日，申请人为深圳华大智造科技股份有限公司，发明创造名称为“用于通过电润湿形成具有预定体积的液滴的装置和方法”的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明的实施方案总体上涉及介质上电润湿(EWOD)技术，并且更具体地涉及用于通过电润湿技术由一或更多个主体液滴(droplet)形成具有预定体积的微滴的装置和方法。

背景技术

介质上电润湿(EWOD)是一种液体驱动机制，其用于改变疏水表面上两个电极之间的水滴的接触角。可以通过设置在基板(例如无机基板(例如，硅/玻璃基板)或有机基板(例如，环烯烃聚合物/聚碳酸酯基板)上的电极阵列来移动大至几毫米(即，体积为几微升)的主体液滴。

图1A是示出可用于解释本公开的实施方案的EWOD设备10的示意图的透视图。EWOD设备包括具有基板12、在基板上的绝缘层13以及在绝缘层之内或之下的电极阵列14的基板结构11。电极阵列14包括彼此平行布置并在第一方向上彼此隔开的第一组电极14a，以及彼此平行布置并在基本垂直于第一方向的第二方向上彼此隔开的第二组电极。第一组电极和第二组电极在绝缘层13内彼此间隔开，绝缘层13可以包括具有相同材料或不同材料的多个介电层。EWOD设备还包括在基板中的输入-输出电路15，该输入-输出电路15与外部控制电路对接，以向电极阵列14提供具有时变电压波形的控制电压。

参照图1A，通过关闭/关断位于液滴下方的电极和相邻电极处的控制电压，可以使布置在绝缘层13的表面上的液滴16沿特定方向移动。

图1B是图1A所示的EWOD设备沿B-B’线截取的剖视图。示出了第二组电极14b的截面图。第一组电极14a(未示出)可以设置在第二组电极14b的上方或下方，并且通过一个或多个介电层与第二组电极间隔开。

发明内容

本公开的实施方案提供了装置、系统和方法，其用于：使液滴与试剂混合，从混合液滴中形成极小滴(颗粒、微滴或样品)，通过光学检测读取样品的DNA浓度或通过集成的离子敏感场效应晶体管(ISFET)传感器测量每个样品的pH值，从而计算液滴的DNA浓度。应当注意，尽管实施方案描述了测量液滴的pH值的装置和工艺，但是本公开不受限于此。本领域技术人员应理解，基于极小滴(微滴)内的pH变化，本文所述的装置和方法可应用于任何水性和非水性液体的pH测量。

在本公开的一个方面的实施方案中，一种用于由液滴形成多个微滴的装置包括：基板；介电层，其位于所述基板上，并且具有通过疏水表面而彼此隔开的多个亲水表面区域；以及位于所述介电层中的多个电极。所述电极被配置为响应于由控制电路所提供的电压形成跨越所述液滴的电场，以在侧向方向上移动所述液滴跨越所述介电层，同时在所述亲水表面区域上留下所述液滴的部分以在所述亲水表面区域上形成所述多个微滴。在一些实施方案中，所述装置还可以包括与所述亲水表面区域中的一者相关联的一个或者更多个传感器。传感器包括：离子敏感场效应晶体管，其包括离子感测膜，所述离子感测膜被配置为暴露于容纳在微滴中的溶液以及提供与所述微滴的所述溶液的浓度水平相关联的信号；以及参考电极，其被配置为向所述溶液提供参考电压。

在另一方面，一种基板结构包括：第一基板；介电层，其具有所述第一基板上的疏水表面；控制电路；多条导电布线；以及多个电极，其经由所述导电布线与所述控制电路通信，并且被配置为响应于由所述控制电路所提供的电压形成电场。所述介电层包括：第一区域，其用于接收液滴；第二区域，其用于接收一或更多种试剂，所述第二区域与所述第一区域连通并且被配置为将所述液滴与所述一或更多种试剂混合以获得混合液滴：以及第三区域，其与所述第二区域连通并且包括通过所述疏水表面彼此隔开的多个亲水表面区域。在所述液滴在所述亲水表面区域上方移动时，所述液滴的一部分在所述亲水表面区域上形成多个微滴。

在一些实施方案中，该装置还包括：第四区域，该第四区域与所述第三区域连通且被配置为在所述液滴的剩余部分已经移动跨越所述第三区域之后收集所述液滴的所述剩余部分。

在一些实施方案中，所述基板结构还包括第二基板，以及位于所述第二基板上且面向所述介电层的所述疏水表面的导电层，并且所述导电层与所述介电层之间的空间形成所述液滴的通道。

在一些实施方案中，所述导电层操作为公共电极，且所述多个电极包括沿着第一方向从所述第一区域到所述第三区域的第一平行条带阵列以及位于所述第二区域中且沿着与所述第一方向垂直的第二方向的第二平行条带阵列。

在一些实施方案中，所述第三区域还包括与所述多个亲水表面区域中的一者相关联的一或更多个传感器。传感器包括：离子敏感场效应晶体管，其包括离子感测膜，所述离子感测膜被配置为暴露于容纳在微滴中的溶液以及提供与所述微滴的所述溶液的浓度水平相关联的信号；以及参考电压电极，其被配置为向所述溶液施加参考电压。

在又一个方面，一种用于从液滴形成具有基本均匀尺寸的多个样品的方法可以包括：提供基板结构，所述基板结构具有：基板；介电层，其位于所述基板上；多个电极，其位于所述介电层中，其中所述介电层具有疏水表面以及被所述疏水表面包围的多个亲水表面区域；将所述液滴排放在所述介电层的表面上；以及向所述电极施加时变电压波形，以跨越所述介电层的所述亲水表面区域移动所述液滴以在所述亲水表面区域上形成所述多个样品。

提供本发明内容以便以简化形式介绍本公开的不同实施方案，下面将对其进行详细描述。本发明内容并非旨在用于限制要求保护的主题的范围。根据以下详细描述，所要求保护的主题的其他特征、细节、效用和优点将显而易见。

定义

术语“晶片”和“基板”应被理解为包括绝缘体上硅(SOI)或蓝宝石上硅(SOS)技术、经掺杂和未经掺杂的半导体，由基底半导体基础支撑的硅的外延层和其他半导体结构。此外，当在以下描述中提及“晶片”或“基板”时，先前的工艺可能已被用来在基底半导体结构或基础中形成区域或结。另外，半导体不必是基于硅的，而是可以基于硅锗、锗或砷化镓。

如本文所使用的，术语“计算机可读介质”是指参与向控制器的处理器提供指令以供执行的任何介质。计算机可读介质可以采用许多形式，包括但不限于非易失性介质、易失性介质和传输介质。非易失性介质包括例如光盘、磁盘和磁光盘，诸如硬盘或可移动介质驱动器。易失性介质包括动态内存，例如主内存。此外，在控制器的处理器执行一个或多个指令的一个或多个序列时，可能涉及各种形式的计算机可读介质。例如，指令最初可以被携带在远程计算机的磁盘上。远程计算机可以将用于实现本发明的全部或一部分的指令远程加载到动态存储器中，并通过网络将指令发送给控制器。

术语“疏水的”是指在空气中与水的接触角大于或等于90度的材料。在某些实施方案中，疏水性表面可具有大于90度的接触角，例如120度、150度的接触角等。相反，术语“亲水性”是指在空气或诸如油之类的不混溶的液体中与水具有小于90度的接触角的材料。

术语“液滴”在本技术领域中具有其正常含义，并且是指具有至少部分由表面张力形成的边界的具有一定体积(例如，约几毫升(10^-3)至约几微升(10^-6))之间的液体。液滴可以是水基(水性)液滴，其包括任何有机或无机物质，例如生物分子、蛋白质、活的或死的生物、试剂及其任意组合。液滴可以是非水性液体。液滴可以是球形或非球形的，并且大小范围从1微米到大约几毫米。液滴可被划分为彼此间隔开且具有基本均匀的尺寸的多个非常小的部分(小的液滴)。非常小的部分的体积可以在1微升(10^-6L或mL)和100纳升(10^-9升或nL)之间，100nL和10 10nL之间，10nL和100pL(10^-12升)之间，100pL和10pL之间。在某些实施方案中，非常小的部分可以具有几皮升的体积。在本公开中，非常小的部分可替代地被称为微滴。

术语“试剂”是指能够诱导与液滴中存在的物质进行特异性反应的分子或不同分子的化合物。

附图说明

图1A是示出可用于解释本公开的实施方案的EWOD设备的示意图的简化透视图。

图1B是图1A中所示的EWOD设备沿B-B’线截取的简化截面图。

图2A是根据本公开的一实施方案的EWOD设备的一部分的简化截面图。

图2B是根据本公开的另一实施方案的EWOD设备的一部分的简化截面图。

图2C是根据本公开的又一实施方案的EWOD设备的一部分的简化截面图。

图2D是根据本公开的一示例性实施方式的EWOD设备的简化平面图。

图2E是示出根据本公开的一实施方案的由电极产生的电场的简化截面图。

图2F是示出根据本公开的另一实施方案的由电极产生的电场的简化截面图。

图2G是示出根据本公开的又一实施方案的由电极产生的电场的简化截面图。

图3A至图3C是根据本公开的实施方案的在介电层的表面上移动的液滴的简化俯视图。图3A是根据本公开的一实施方案示出液滴在电极阵列的第一电极上排出的简化俯视图。图3B是根据本公开的一实施方案示出液滴通过EWOD设备在电场的作用下液滴被移动到第二(相邻)电极的简化顶视图。图3C是根据本公开的一实施方案示出液滴从电极阵列移出同时在第二电极上留下残留物的简化俯视图。

图4A是根据本公开的一实施方案的EWOD设备的一部分的截面图。

图4B是根据本公开的另一实施方案的EWOD设备的一部分的截面图。

图4C是图4A所示的EWOD设备的一部分的透视图。

图4D是图4B所示的EWOD设备的一部分的透视图。

图4E是根据本公开的一实施方案的EWOD设备的一部分的透视图。

图5是根据本公开的一实施方案的ISFET器件的截面图。

图6A是根据本公开的一实施方案的集成的片上实验室(lab-on-a-chip)设备的简化顶视图。

图6B是根据本公开的一个实施方案的图6A中的集成的片上实验室设备的电极的示例性布置的简化顶视图。

图7是示出根据本公开的一个实施方案用于由液滴形成多个样品的方法的简化流程图。

图8是示出根据本公开的一个实施方案用于操作集成的片上实验室设备的方法的简化流程图。

图9是根据本公开的一个实施方案可以用来控制EWOD设备及片上实验室设备的电脑系统的简化示意图。

图10是根据本公开的一些实施方案具有差异表面区域的设备结构的截面图。

图11A至图11F是示出根据本公开的一些实施方案用于形成具有差异表面区域的图10的设备结构的方法的截面图。

图12A至图12C是示出根据本公开的替代实施方案用于形成具有差异表面区域的图10的设备结构的方法的截面图。

根据惯例，所描述的特征和元件未按比例绘制，而是被绘制为强调与本公开相关的特征和元件。

具体实施方式

应当理解，为了图示的简单和清楚起见，图中所示的元件未必按比例绘制。例如，为了清楚起见，一些元件的尺寸相对于彼此被放大。此外，在认为适当的情况下，在附图之间重复参考数字以指示相应的元件。

在下面的详细描述中，参考形成其一部分的附图，并且在附图中通过图示的方式示出了可以实现本发明的特定实施方案。参考所描述的附图的方位使用术语“上部”，“下部”，“竖直”，“水平”，“深度”，“高度”，“宽度”，“顶部”，“底部”等。因为本发明的实施方案的组件可以以许多不同的方向定位，所以该术语用于说明的目的而不是限制性的。

使用的术语第一、第二等不表示任何顺序，而是使用术语第一、第二等将一个元件与另一个元件区分开。此外，术语“一(a)”、“一(an)”等的使用并不表示数量的限制，而是表示存在至少一个所引用的项目。

如本文所使用的，关闭电极是指将该电极的电压降低至低于通用电压的水平，诸如将电极连接至地电位。替代地，关闭电极也可以指将该电极设置为浮置状态。相反，接通致动电极是指将该致动电极的电压增加到高于通用电压的水平。通用电压可以是由EWOD设备的多个电路元件共享的任何电压，例如，地电位。

如本文所使用的，液滴是包囊的液体。液滴可以是球形或非球形的。液滴可被分成彼此分开并具有基本均匀尺寸的多个非常小的部分(微滴)。在本公开中，液滴的非常小的部分可替代地称为微滴。

图2A是根据本公开的一实施方案的EWOD设备20A的一部分的简化截面图。参照图2A，EWOD设备20A包括第一基板22、在基板21上的介电层23、在介电层23内的成组的致动电极24(例如24a、24b、24c)、附接到第二基板28并面向致动电极24的公共电极27。公共电极27可以接地或具有其他通用电压。介电层23和公共电极27通过间隔物29彼此间隔开。参考图2A，液滴26设置在致动电极24和公共电极27之间，并通过相对于公共电极改变或变更施加到致动器电极上的电压电平而沿横向方向移动通过介电层23的表面。在一实施方案中，EWOD设备20A可以进一步包括控制电路(未示出)，该控制电路被配置为向公共电极和致动电极提供控制电压。通过接通和关断施加到致动电极的电压，控制电路可以使液滴26沿横向方向移动通过介电层23的表面。例如，通过向在液滴26下方的致动电极24a施加第一电压并且向相邻的致动电极24b施加第二电压来产生电场，所产生的电场使液滴26向致动电极24b移动。液滴26的移动速度可以通过相邻的致动电极之间的电压差的大小来控制。在一实施方案中，在液滴26布置在所述致动电极24与公共电极27之间的情况下，可以通过改变致动电极24与公共电极27之间的电压差来改变液滴26的形式。应当理解，在成组致动电极中的致动电极的数量可以是任何整数。在图2A所示的示例中，在成组致动电极中使用了三个致动电极。但是应当理解，该数目是任意选择的以用于描述示例实施方案，并且不应该是限制性的。

参照图2A，可以分别形成两个基板结构。例如，可以形成第一基板结构，该第一基板结构包括基板22、介电层23和介电层23内的致动电极24。基板22可以是通过常规的薄膜晶体管(TFT)制造工艺形成的薄膜晶体管阵列基板。第二基板结构可以包括基板28和在基板28上的公共电极27层。可以在第一基板结构或第二基板结构上形成间隔物29。在某些实施方案中，间隔物29的高度在几微米到几毫米之间的范围内。通常，间隔物29的高度小于液滴的直径，使得布置在介电层23上的液滴与第二基板结构物理接触。然后将第一基板结构和第二基板结构结合在一起以形成EWOD设备20A。换句话说，第一基板结构和第二基板结构之间的空间或空气间隙由间隔物29的高度或厚度确定。该空间或空气间隙形成用于液滴的通道。

在图2A所示的实施方案中，公共电极27和成组致动电极24(例如24a、24b、24c)通过图1A所示的输入-输出电路15连接到由控制电路(未示出)提供的电压。在一些实施方案中，公共电极可以连接到地电势或稳定的DC电压。控制电路经由输入-输出电路将时变电压通过相应的电子开关(其可以是例如基板或芯片外的薄膜晶体管或MOS电路)施加到成组致动电极，以产生跨液滴的电场，从而使液滴沿着路径移动。在一些实施方案中，公共电极27的表面被由疏水材料制成的绝缘层覆盖。在其他实施方案中，介电层23的表面涂覆有具有亚微米厚度的疏水性薄膜。

图2B是根据本公开的另一实施方案的EWOD设备20B的一部分的简化截面图。参考图2B，EWOD设备20B包括基板22b、基板21b上的介电层23b、介电层23b内的成组致动电极24(24a、24b、24c)以及覆盖介电层23b的成组公共电极27(仅一个电极27b被示出)。公共电极27b和致动电极通过介电层的一部分彼此间隔开。类似于图2A，通过在液滴26下方的致动电极(例如24a)处施加第一电压并且在相邻致动电极(例如24b)处施加第二电压，液滴26可沿横向路径移动通过介电层23b的表面。液滴26的运动和方向因此由控制电路(未示出)控制，该控制电路通过成组电子开关(基板22b中的MOS电路，未示出)向某些致动电极施加电压。与图2A中所示的EWOD 20A不同，EWOD设备20B具有靠近致动电极24的公共电极27b，并且液滴26没有被夹在公共电极27和致动电极24之间。EWOD设备20B与EWOD 20A的不同之处还在于没有间隔物29。

参照图2B，成组致动电极24和成组公共电极27可以是在基板上的不同平面上彼此相交的两层带状电极。致动器电极24和公共电极27能运行以使液滴26移动通过介电层23b的表面。在一些实施方案中，公共电极27b具有被由疏水材料制成的绝缘层覆盖的表面。在其他实施方案中，介电层23的表面涂覆有具有亚微米厚度的疏水性薄膜。

图2C是根据本公开的又一个实施方案的EWOD设备20C的一部分的截面图。参考图2C，EWOD设备20C包括基板22c、在基板22c上的介电层23c、在介电层23c内的成组致动电极24(例如24a、24b、24c)，覆盖在介电层23c上的成组公共电极(例如示出一个公共电极27c)。公共电极27c和致动电极通过介电层的一部分彼此间隔开。在一些实施方案中，公共电极27c具有由疏水材料制成的绝缘层覆盖或被介电层23的表面上的亚微米疏水涂层薄膜覆盖的表面。EWOD设备20C还可包括通过间隔物29c与基板21c间隔开的第二基板28c。类似于图2A，液滴26可沿着由介电层的表面与第二基板28c之间的空间或空气间隙形成的通道内的路径移动。液滴的移动由控制电路(未示出)通过电子开关施加到电极的电压控制。

图2D是根据本公开的示例性实施方案的EWOD 20D的简化平面图。参考图2D，致动电极以具有用于将电信号从控制电路28路由到致动电极24和公共电极27c的路由通道的阵列布置。示出的间隔物29c具有圆形横截面，但是，圆形横截面形状不是限制性的，并且任何其他横截面形状同样适用，例如正方形、矩形、卵圆形、椭圆形和其他形状。类似地，致动电极被示出为具有正方形形状，但是正方形形状不是限制性的，并且其他形状同样适用，例如矩形、圆形、卵圆形、椭圆形和其他形状。在一实施方案中，间隔物29c以一定距离间隔开，以留下足够的空间以允许液滴自由运动。换句话说，设定间隔物29c的尺寸和间隔使得其不妨碍液滴在整个介电层表面上的移动。应理解的是，尽管将路由通道示出为与电极阵列共面，但是本领域的技术人员应理解，路由通道和控制电路可以设置在基板中以及介电层的不同层中。还应理解，致动电极24和公共电极27c可以使它们的相对位置转置，即，公共电极可以布置在致动电极下方。

在另一实施方案中，EWOD设备可以具有单个电极阵列。换句话说，公共电极和致动电极是共面的，即，公共电极和致动电极在介电层内布置在同一平面内。例如，多个致动电极和多个公共电极交替地彼此相邻地布置，控制电路可以将DC或AC电压和地电位顺序地施加到致动电极和公共电极以控制液滴的运动。在又一个实施方案中，电极阵列中的每个电极由控制电路通过成组电子开关单独地控制，使得每个电极在第一时间段可以是致动器电极，而在第二时间段可以是公共电极。

图2E是示出根据本公开的一实施方案的由电极产生的示例性电场20E的简化截面图。参考图2E，公共电极27可以由地电位(gnd)驱动，并且致动电极24a、24b、24c可以由DC或AC电压(Ve)按时间顺序驱动。例如，首先将DC电压施加到电极24a，致动电极24a和公共电极27之间的电压差产生电场E，该电场使液滴26沿着由电极27和介电层23限定的微通道移动。通过在与液滴26相邻的电极处设置电压，可以使液滴26沿着介电层23和公共电极27之间的横向方向移动到该电极。该结构与图2A所示的EWOD设备相似或相同。在一实施方案中，DC电压可以由控制电路通过图1A所示的输入-输出电路15提供。主电场垂直于介电层23的表面。

图2F是示出根据本公开的另一实施方案的由电极产生的示例性电场20F的简化截面图。参考图2F，控制电路(未示出)可以以时间顺序的方式将DC或AC电压施加到电极24a、24b、24c和27b，以产生控制液滴26的运动的电场图案。例如，在与液滴相邻的电极上设置的电压会将液滴移动到该电极上。该结构与图2B或2C所示的EWOD设备相同或相似。

图2G是示出根据本公开的另一实施方案的由电极产生的电场20G的简化截面图。参考图2G，控制电路(未示出)可以以时间顺序的方式将DC或AC电压施加到电极24a、24b和24c，以产生控制液滴26的运动的电场图案。在该实施方案中，电极24a、24b和24c可替代地用作致动器电极和公共电极。在电极24a和24b之间形成半圆柱形场。参考图2E、2F和2G，电场E和所产生的电力F是电极之间的电压差和电极尺寸的函数。通过以时间顺序的方式改变相邻电极之间的电压差，产生电场和合力，从而引起液滴26沿电力方向输送。在一些实施方案中，对液滴的移动(或输送)没有贡献的非有源电极(例如，电极24c)可以保持浮动，即，不连接。在图2G所示的示例中，液滴26将停留在电极24a和24b之间，即，在电压Ve和地之间。

图3A至图3C是根据本公开的一实施方案的在整个介电层的表面上移动的液滴的顶部顺序视图。参考图3A，液滴26被布置EWOD设备上，如上文在EWOD设备20A、20B和20C中的任何一个中所述的。EWOD设备包括具有薄膜晶体管阵列或MOS电路的基板、在基板上的介电层以及介电层内的致动电极(和/或公共电极)阵列，致动电极和公共电极通过路由通道中的导线连接到控制电路，并通过薄膜晶体管从控制电路接收控制信号。液滴26被设置在第一致动器电极34a上方的介电层的表面上。通过关闭(或浮动)液滴下方的第一驱动电极并打开与其靠近的下一个驱动电极，液滴可以移向该下一个电极。在一实施方案中，可以利用预定特征来修改致动电极阵列上方的介电层的表面部分，该预定特征比疏水表面对液体(例如，液滴)的吸引力更大。该特征可以具有分别对应于体积的微升和纳升的从微米到纳米的范围内的尺寸。可以使用当前可用的亚微米半导体制造工艺在介电层上精确地将特征35制造数千或上百万次。

如本文所使用的，关闭致动电极是指将所述致动电极的电压降低到与施加到公共电极的通用电压相同的电平。相反，接通致动电极是指将该致动电极的电压增加到高于通用电压的电平。EWOD设备可以在DC(DC电润湿)或AC(AC电润湿)电压下运行，只要电极之间的电位处于DC电压电平以形成用于移动液滴的电场即可。在某些实施方案中，当相邻电极完全或部分接通时，与其相邻设置的液滴将被移动到该接通电极上并润湿置于接通电极上的特征。如本文所使用的，术语“特征”是指在其中沉积或形成液体材料(例如，滴剂)的区域或结构。通过使用由控制电路提供的随时间变化的电压波形将液滴移动到下一个接通的电极，液滴将在电极之间移动，从而在特征中或特征上留下残留的微液滴剂(非常小或微小的滴剂或微滴)26a。残留的微液滴剂的体积完全取决于特征尺寸(大小)以及液体液滴在环境(例如空气或油)中表面上的接触角。图3B是示出根据本公开的一实施方案的液滴26从第一电极34a移动到具有九个特征35的第二电极34b的顶视图。图3C是示出根据本公开的一实施方案的剩余液滴26b从第二电极移动到第三电极34c的顶视图，从而在特征内或特征上留下残余的微液滴剂(微滴)26a。为防止微滴在空气中蒸发，可以用其他不混溶的液体(如硅油)包围微滴。应当理解，电极上的特征的数量可以是任何整数。在图3A至3C示出的示例中，在第二电极中使用了九个特征。但是应当理解，该数目是任意选择的，以用于描述示例实施方案，并且不应该是限制性的。还应理解，每个电极(例如，第一、第二、第三电极)可以具有相同数量的特征，或者它们可以具有不同数量的特征。参考图3A至3C，特征被示出为具有正方形形状，但是，应理解，示出的形状不是限制性的，并且任何其他形状同样适用，其他形状如圆形、矩形、卵圆形、椭圆形、多边形和其他形状。

注意，根据本公开的实施方案的电极可以以各种构造布置，并且电极可以具有许多形状。例如，电极可以具有多边形形状(例如，正方形、矩形、三角形等)、圆形、卵圆形等。该构造可以是棋盘构造或其他几何构造。

图案化特征可以以不同方式实现。在一实施方案中，介电层的表面被选择性地划分为疏水区域和亲水性区域。在疏水区域和亲水性区域之间的表面积比的一定范围内，以及在液滴与环境(油或空气)之间的界面张力的一定范围内，液滴可以从疏水区域移开，而在亲水性区域中留下残留的小滴(微滴)。残留的小滴(微滴)的体积由亲水性特征的尺寸以及液滴在环境(空气或油)中表面上的接触角限定。图4A是根据本公开的一实施方案的EWOD设备40A的一部分的截面图。参照图4A，EWOD设备40A包括具有第一基板(未示出)和第二基板(未示出)的基板结构，第一基板上设置有第一介电层43a，第二基板(未示出)上设置有第二介电层47a。液滴26设置在具有第一表面44的第一介电层43a和具有面对第一表面的第二表面的第二介电层47a之间。在一实施方案中，第一介电层的第一表面包括在第一介电层43a的表面上方突出的多个亲水性区域48a。第一介电层43a的表面涂覆有疏水膜，即，突出的亲水性区域48a被间隙性疏水表面区域包围。突出的亲水性区域48a可以以使得设置在每个亲水性区域上的液滴的残留小液滴(微滴)具有期望的体积的图案布置。每个突出的亲水性区域可以具有多边形形状(例如，正方形、矩形)、卵圆形、圆形、椭圆形和其他形状。在本公开中，术语“突出的亲水性区域”也可以称为“斑点”或“岛”。在一些实施方案中，第二介电层47a由涂覆有疏水膜的玻璃制成。在一些实施方案中，第一介电层和第二介电层分别形成，并且诸如在图2A、2C、和2E中示出和描述的间隔物之类的间隔物在第一介电层上或在第二介电层上形成。然后将第一介电层和第二介电层结合在一起以形成图4A所示的结构，该结构具有在第一介电层和第二介电层之间的用作液滴26的通道的空间。在一些实施方案中，第二介电层47a涂覆有用作公共电极(例如，接地电极)的金属材料的导电层和在导电层上的疏水膜。可以使用常规的半导体制造技术在第一介电层43a的表面上形成突出的亲水性区域。这些半导体制造技术中的一些将在下面的示例部分中详细描述。EWOD 40A还包括嵌入第一介电层、第二介电层内或在第一介电层和第二介电层两者内的电极阵列(未显示)，这些电极阵列响应于由控制电路提供的随时间变化的电压而产生移动电场。液滴26通过移动电场在整个第一介电层的表面上移动，同时在突出的亲水性区域48a上留下液滴26的残留小部分(微滴)26’。

图4B是根据本公开的另一实施方案的EWOD设备40B的一部分的截面图。参照图4B，EWOD设备40B包括与图4A所示的基板结构相似的基板结构，不同之处在于，第一介电层43b包括多个具有一定深度的凹槽(微孔)49而不是突出区域。在一实施方案中，第二介电层的第二表面是疏水的，并且第一介电层包括具有一定深度的多个凹槽(微孔)49。术语“凹槽”、“凹陷”和“微孔”在本文可互换使用。每个凹槽还具有由长度和宽度确定的开口。在一些实施方案中，长度和宽度小于1微米。通过仔细选择微孔的形状或/和通过化学(即通过表面处理)或电气(即通过电润湿)方式将微孔的内侧表面(侧壁和/或底部)从疏水性改变为亲水性，含水液滴的一部分会自发地浸入微孔中，并且即使在去除电场后，也有保留在微孔中的趋势。在第一介电层的平坦疏水表面与微孔之间的面积比以及在液滴与环境(油或空气)之间的界面张力的一定范围内，液滴可以从微孔中移走，同时在微孔内留下(沉积)残留的小液滴(微滴)。残留的小液滴(微滴)的体积由预定的微孔尺寸和液滴在微孔开口上的接触角确定。与以上结合图4A描述的结构相似，第二介电层47b可以涂覆有用作公共电极(例如，接地电极)的金属材料的导电层和在导电层上的疏水膜。可以使用常规的半导体制造技术在第一介电层43b中形成凹陷的亲水性区域。EWOD 40B还包括嵌入第一介电层、第二介电层内或在第一介电层和第二介电层两者中的电极阵列(未显示)，这些电极阵列响应于由控制电路(未显示)提供的随时间变化的电压而产生移动电场。液滴26通过移动电场在第一介电层的整个表面上移动，同时在微孔的表面上留下液滴26的残留的小部分(微滴)26’。在一些实施方案中，可以使用光刻图案化和蚀刻工艺来获得微孔阵列。这些半导体制造技术中的一些将在下面的示例部分中详细描述。

图4C是图4A所示的EWOD设备40A的一部分的透视图。参考图4C，成组圆形的圆柱形斑点(突出的亲水性区域)48a被布置成阵列。如本文所使用的，术语“斑点”、“岛”、“突出区域”可互换使用。斑点48a通过间隙性疏水性表面44间隔开并且彼此隔离。注意，尽管在所示的示例中斑点48a被显示为具有圆形的圆柱形状，但是本领域技术人员应理解斑点48a也可以具有其他形状，例如矩形、正方形或卵圆形的圆柱形状。

图4D是图4B所示的EWOD设备40B的一部分的透视图。参考图4D，成组圆形的圆柱形凹槽(微孔)49被布置成阵列。微孔49填充有亲水性材料，并且通过间隙性疏水性表面46彼此间隔开。在一些实施方案中，填充微孔49的疏水性材料具有与间隙性疏水性表面46的上表面齐平的上表面。应当注意，尽管微孔49被显示为圆形的圆柱形孔，但是根据应用，微孔49也可以是矩形、正方形或卵圆形的圆柱形孔。

图4E是根据本公开的一实施方案的EWOD设备的一部分的透视图。参照图4E，成组亲水性表面491被介电层43的表面上的疏水性间隙区域461包围(侧接)，即，亲水性表面491与介电层43的表面上的疏水性间隙区域461的表面齐平。

根据本公开，具有均匀大小的大量微滴可用于在微流控芯片上进行液滴数字PCR。由于每个样品的体积小且低于满足泊松(Poisson)分布要求的某些DNA浓度，液滴的每个样品(微滴)将具有一个DNA分子或没有DNA分子。通过使用常规PCR对样品(微滴)进行热循环或通过等温PCR在一定温度下孵育它们，可以在环境(例如油)中的每个样品上扩增目标区域内的单个DNA分子。通过通过集成的片上离子敏感场效应晶体管(ISFET)传感器进行光学检测或pH测量读取最终液滴的DNA浓度后，我们可以量化样品(微滴)阵列中目标DNA的绝对数量，然后使用绝对DNA定量来计算主体液滴中的DNA浓度。术语“样品”，“残留的小液滴”、“液滴的小部分”和“微滴”在本文中可互换使用，并且是指根据本公开的实施方案由主体液滴形成的小液滴。

根据本公开，可以将包含多个不同DNA靶标的液滴分配在单个微流体芯片的区域上，然后通过电润湿将液滴移动至下一区域，在该下一区域从液滴产生大量样品(DNA靶标的拷贝)以进行样品的检测或测量。在一些实施方案中，液滴被移动到达的下一个区域可以包括由间隙性疏水性表面间隔开的多个亲水性区域。多个亲水性区域可以是结合图4A和4B示出和描述的亲水性区域。每个亲水性区域可以包括被配置为测量设置在其上的样品的pH值的离子敏感场效应晶体管(ISFET)传感器。即，单个微流体芯片可以包括ISFET传感器阵列，每个ISFET传感器与液滴的样品中的一个相关联。单个微流体芯片的这种布置能够通过电润湿从液滴形成多个样品(微滴)，并通过集成在芯片上的ISFET器件阵列对样品进行测量。根据本公开，嵌入在亲水性区域中的ISFET传感器阵列便于以高灵敏度和准确性同时测量来自液滴的不同靶标。

图5是根据本公开的一实施方案的ISFET器件50的截面图。参考图5，ISFET器件50是金属氧化物半导体(MOS)晶体管，其可以是使用标准CMOS制造工艺制造的p型沟道MOS场效应晶体管(MOSFET)或n型沟道MOSFET晶体管。在以下描述中，根据本公开的一示例性实施方案，使用n型沟道MOS晶体管(NMOS)晶体管。然而，应注意，NMOS或PMOS的选择仅仅是取决于所选择的工艺或基板的选择，并且不是限制性的。参考图5，ISFET器件50具有基板52、在基板中形成的源极区S和漏极区D、在基板上的介电层53、以及在介电层53内或之上形成的浮置栅极G。ISFET器件还包括在浮置栅极G上并且在微滴56下方的感测膜55，以及完全或部分浸入在微滴56中并与感测膜55间隔开的参考电极57。感测膜可以包括对氢离子浓度(pH)提供灵敏度的任何材料，例如氮化硅、氮氧化硅等。如本领域技术人员已知的，可以使用对其他离子敏感的其他感测膜。

仍参考图5，ISFET器件50还包括被配置为在样本与源极区S之间提供电压Vgs的电压源Vgs，被配置为在源极区与漏极区之间提供电压Vds的电压源Vds。当电压Vgs大于ISFET器件的阈值电压Vth时，源极和漏极区之间的沟道将传导电流。在源极区和漏极区之间流动的电流Ids的量表示样品56的浓度或pH值。在一实施方案中，源极区和基板具有相同的电位，例如地电位。

在图5所示的示例中，一个ISFET器件被用于测量微滴56的离子浓度。但是应当理解，该数目仅被选择用于描述示例性实施方案，而不应该是限制性的。在一些实施方案中，可以使用一个以上的ISFET器件来测量微滴56的离子浓度。换句话说，每个斑点或微孔可以具有多个ISFET器件。

在一些实施方案中，在相应的附图4C和4D中示出了斑点阵列的每个斑点或微孔阵列的每个微孔可以具有超过一个的ISFET器件以提高测量灵敏度和准确性。每个斑点或微孔可用的ISFET器件的数量取决于常规CMOS制造工艺和应用要求。通过电连接提供给ISFET器件的电源电压可以使用常规的CMOS制造工艺来实现，并且为了简洁起见在此不再描述。

图6A是根据本公开的一实施方案的集成的片上实验室设备60A的简化俯视图。参考图6A，集成的片上实验室设备60A包括基板结构，该基板结构具有：液滴接收区域61，其配置为接收一个或多个液滴26；试剂接收区域62，其配置为接收一种或多种试剂63；混合区域64，其配置为将液滴26与一种或多种试剂63混合以获得混合液滴263；和EWOD设备阵列，其被配置为将液滴(混合的或未混合的)分成多个微滴并扩增微滴。在一实施方案中，EWOD设备阵列可以具有被配置为将微滴加热至用于扩增微滴的第一温度的第一加热元件和用于使扩增的微滴退火的第二加热元件。在一个实施方案中，片上实验室设备60还可以包括传感器阵列，每个传感器与样品相关联并且被配置为测量微滴的浓度或pH值。在一实施方案中，液滴接收区域61可以具有图1A和1B所示的设备结构。在一实施方案中，试剂接收区域62可以具有图1A和1B所示的设备结构。换句话说，集成的片上实验室设备60可以是能操作的以将一个或多个液滴和一种或多种试剂移向混合区域64，并根据用户提供的软件程序控制液滴与试剂的混合。在一实施方案中，EWOD设备阵列可以包括以规则图案布置的多个EWOD设备，每个EWOD设备可以具有与图2A至2C所示的设备结构相似或相同的结构。在一些实施方案中，每个EWOD设备可以包括多个ISFET。ISFET器件的一示例在图5中示出。集成的片上实验室设备60A还可包括废物(收集)区域66，其用于在EWOD设备阵列中形成微滴之后收集液滴的残留部分和/或用于在微滴已经过处理和测量后收集微滴。在图6A所示的示例中，在液滴接收区域61中使用两个电极，在试剂接收区域62的上部使用八个电极，在试剂接收区域62的下部使用八个电极，在混合区域64中使用八个电极，并使用四个EWOD设备的阵列。但是应当理解，这些数目是任意选择的，以用于描述示例性的实施方案，并且不应该是限制性的。

在一些实施方案中，集成的片上实验室设备60A还可包括控制电路67，其被配置为向液滴接收区域61、试剂接收区域62、混合区域64，EWOD设备阵列，以及用于移动通过EWOD设备阵列之后的液滴61、试剂63、混合液滴263、分割的液滴(即微滴)和液滴的残留部分的废物区域66提供控制信号。在一实施方案中，集成的片上实验室设备60A可以包括被配置为与主机接口的输入/输出(IO)端口68。在一实施方案中，主机可以是被配置为向集成的片上实验室设备60提供控制信号的单独的或外部的处理器。在另一实施方案中，主机可以与集成的片上实验室设备60集成在同一包装中。本领域普通技术人员将认识到许多变型、修改和替代方案。仍然参考图6A，控制电路67可以设置在远离集成的片上实验室设备60A的位置，并且可以经由输入-输出端口或串行接口端口与集成的片上实验室设备60A通信。在一实施方案中，集成的片上实验室设备60A还可以包括第一加热块“加热器1”，该第一加热块形成在基板结构内、在混合区域64的表面下方，以用于维持和/或改变混合液滴263的孵育温度。在一实施方案中，集成的片上实验室设备60A还可以包括第二加热块“加热器1”，该第二加热块形成在基板结构内、在EWOD设备阵列的表面下方，以用于维持和/或改变微滴的孵育温度。第一加热块和第二加热块由可以将从控制电路67接收的信号的电能转换成热能的金属或多晶硅线、金属或多晶硅层、多晶硅层形成。

图6B是根据本公开的一实施方案的集成的片上实验室设备60A的电极60B的示例布置的简化俯视图。参考图6B，图6A的集成的片上实验室设备的电极60B包括第一导电条阵列611，其具有例如沿着从第一区域(液滴接收区域)朝向第三区域(EWOD设备阵列)的第一方向彼此平行地布置的条611a、611b、611c、611d、611e、611f和611g。第一条阵列611由控制电路67控制，并且被配置为产生移动电场以沿着第一方向输送液滴。电极60B还包括第二平行条阵列612，该第二平行条阵列612具有例如沿着垂直于第一方向的第二方向彼此平行地布置的条612a、612b、612c、612d。第二条阵列612被配置为产生运动电场，以沿着第二方向朝向第二区域(混合区域)输送液滴。第一条阵列与第二条阵列相交，并通过绝缘层与第二条阵列间隔开，即，第一条阵列与第二条阵列布置在由至少一个绝缘层隔开的不同层中。在图6B所示的示例中，第二条阵列612布置在试剂接收区域中，以用于将试剂朝向混合区域输送。但是应当理解，第二条阵列612也可以布置在液滴接收区域中、在混合区域中以及在EWOD设备阵列中，以产生移动的电场和电力以沿着第二方向移动液滴、混合的液滴和微滴。在一些其他实施方案中，电极60B可包括与结合图1A和1B示出和描述的电极阵列相似的电极阵列。本领域普通技术人员将认识到许多变型、修改和替代方案。

图7是示出根据本公开的一个实施方案用于由液滴形成多个微滴的方法70的简化流程图。参照图7，方法70可以包括：在701处，提供基板结构，该基板结构具有下基板、下基板上的介电层、介电层中的多个电极。在一实施方案中，介电层具有疏水表面及多个突出的亲水表面区域(斑点)，该多个凸出的亲水表面区域具有基本相同的尺寸且由疏水表面间隔开。在另一实施方案中，介电层具有疏水表面和多个微孔(小凹槽)，该多个微孔在介电层中具有基本相同的尺寸。微孔中的每一个均具有亲水的底部和亲水的侧壁(统称为亲水表面区域)。在703处，该方法可以包括：将液滴分配在介电层的表面区域上。在705处，该方法可以包括：由控制电路(例如主机)向电极施加时变控制电压信号，以移动液滴跨越介电层的疏水表面，同时在亲水表面区域上留下小的残余部分，以在亲水表面区域上形成多个微滴，这些微滴具有基本相同的尺寸。

图8是示出根据本公开的一实施方案用于操作集成的片上实验室设备的方法80的简化流程图。在一些实施方案中，集成的片上实验室设备可以与图6中所示的集成的片上实验室设备60相同或类似。即，集成的片上实验室设备包括：液滴接收区域，其被配置为接收液滴；试剂接收区域，其被配置为接收一或更多种试剂；混合区域，其被配置为将液滴与一或更多种试剂混合；以及EWOD设备阵列，其被配置为将所接收的液滴(液滴接收区域的可能与一或更多种试剂混合的液滴或未与任何试剂混合的液滴)分割成多个微滴，该混合液滴用由混合区域64的表面下方的加热器所控制的恒定或/和可变的温度培养，且微滴还通过EWOD设备的表面下方的加热器在恒定或/及可变的培养温度下培养。在一实施方案中，片上实验室设备可以还包括与微滴相关联且被配置为测量微滴的离子浓度或pH值的传感器阵列。参照图8，方法80可以包括：在801处，将液滴分配在液滴接收区域的表面上。在803处，该方法可以包括：跨越混合区域朝向EWOD设备阵列的EWOD设备移动液滴，在该EWOD设备处，液滴被分割成多个微滴，该多个微滴在培养之前或/和之后的pH值可以由形成于EWOD设备上的ISFET传感器确定。在807处，该方法可以将液滴的任何未使用(残余)的部分以及微滴收集以及丢弃在集成的片上实验室设备的废物区域中。在一实施方案中，该方法还可以包括：在802处，将一或更多个试剂液滴分配到试剂接收区域的表面上。在802处，该方法可以还包括：朝向混合区域移动该一或更多个试剂液滴，以在向EWOD设备移动液滴以用于将液滴分割成多个微滴之前，在用户界定的软件程序下将这些试剂液滴与液滴混合。在一个实施方案中，该方法还可以包括：在802'处，在恒定或可变的温度下培养混合液滴以进行反应。在一个实施方案中，该方法还可以包括：在804处，在培养温度下在EWOD阵列中培养微滴。在一个实施方案中，将EWOD阵列区域中的培养温度维持在恒定的培养温度下。在一个实施方案中，EWOD阵列区域中的培养温度可以是可变的。在一些实施方案中，在丢弃液滴的残余部分以及已被测量过的微滴之后，该方法可以在步骤801处重复。

图9是根据本公开的一实施方案的可用于控制EWOD设备的移动计算设备90的简化示意图。参考图9，移动计算设备90可以包括监视器910、计算电子装置920、用户输出设备930、用户输入设备940、通信接口950等。

计算电子装置920可以包括一个或多个经由总线子系统990与多个外围设备进行通信的处理器960。这些外围设备可以包括用户输出设备930、用户输入设备940、通信接口950和存储子系统，例如随机存取存储器(RAM)970和磁盘驱动器980。

用户输入设备930可以包括用于向计算机设备920输入信息的所有任何类型的设备和接口，例如键盘、小键盘、触摸屏、鼠标、轨迹球、轨迹板、操纵杆和其他类型的输入设备。

用户输出设备940可以包括用于从计算电子装置920输出信息的任何类型的装置，例如，显示器(例如，监视器910)。

通信接口950提供到其他通信网络和设备的接口。通信接口950可以用作用于从其他系统接收数据以及向其他系统发送数据的接口。例如，通信接口950可以包括用于与EWOD设备或者片上实验室设备通信的USB接口。

RAM 970和磁盘驱动器980是被配置为存储数据的有形介质的示例，例如本公开的实施方案，其包括可执行的计算机代码、人类可读的代码等。其他类型的有形介质包括软盘、可移动硬盘、光存储介质(例如CD-ROMS、DVD和条形码)、半导体存储器(例如闪存)、非临时性只读存储器(ROM)、电池支持的易失性内存、网络存储装置等。RAM 970和磁盘驱动器980可以被配置为存储提供本发明的功能的基本编程和数据构造。

提供本公开的功能的软件代码模块和指令可以存储在RAM 970和磁盘驱动器980中。这些软件模块可以由处理器960执行。

仍然参考图9，EWOD设备91和片上实验室设备92各自可以包括被配置为提供与移动计算设备90通信的接口端口94。在一些实施方案中，移动计算设备90可以经由接口端口94提供指令和控制信号以控制EWOD设备91或者片上实验室设备92中电极的信号水平。在一些实施方案中，EWOD设备91可以包括如图2A-2C、3A-3C、4A-4E中的一个中所述的基板结构以及图5的ISFET器件中的一个或多个。EWOD设备91被设计成接收液滴并提供与液滴相关的pH值。在一些实施方案中，EWOD设备91可以是片上实验室设备92的部件。

实施例

提供以下实施方案以举例说明，但不限制要求保护的发明。

实施例1

本实施例公开了介电层的表面上的图案化的特征的制备。图4A示出了介电层43a的截面图。可以通过常规的沉积(例如化学气相沉积)工艺将介电层43a沉积于基板(例如图2A中所示的基板22)上。介电层可以包括氧化硅、氮化硅、氟化硅酸盐玻璃(FSG)或有机硅酸盐玻璃(OSG)。在一实施方案中，用疏水材料涂覆介电层。可以使用旋涂工艺来涂覆疏水材料，其中将疏水材料喷涂到介电层的表面上。在另一实施方案中，介电层的表面在一定温度下暴露于疏水溶液且达一定的持续时间。在又一实施方案中，可以通过沉积(例如化学气相沉积)工艺在介电层上形成疏水材料。疏水材料可以包括有机或无机材料，例如十八烷基三氯硅烷，全氟癸基三氯硅烷，其他氟化层，例如四氟乙烯，等等。此后，在介电层(其涂有疏水材料)上形成图案化的光致抗蚀剂层以暴露介电层的表面部分。接着使介电层经受湿式亲水性增加表面处理(例如旋转喷涂工艺)，其中将图案化的光致抗蚀剂层用作掩模来将亲水性增加溶液喷涂到介电层的表面上。在另一个实施方案中，介电层的被暴露表面与一定温度下的亲水性增加溶液接触且达一定的持续时间。亲水性增加溶液包括表面活性剂或润湿剂，其包括阳离子表面活性剂、阴离子表面活性剂以及非离子表面活性剂中的一者。此后，移除图案化的光致抗蚀剂层以在介电层的表面上获得亲水区域48a，如图4A或图4C中所示。

在另一实施方案中，在介电层上形成图案化的光致抗蚀剂层之后，将图案化的光致抗蚀剂用作掩模来在介电层上执行蚀刻工艺(湿蚀刻、干蚀刻、或湿蚀刻与干蚀刻的组合)以在介电层内形成多个凹陷的凹槽。此后，接着沉积亲水性增加溶液从而填充凹槽。接着通过化学机械抛光(CMP)工艺移除图案化的光致抗蚀剂层以获得如图4B或图4D中所示的结构。

实施例2

该实施例公开了介电层内的电极的形成。在一实施方案中，在基板上形成第一介电层。然后在介电层上形成图案化的光致抗蚀剂层。然后，使用图案化的光致抗蚀剂层作为掩模，在第一介电层上沉积金属层或掺杂的多晶硅层。然后去除图案化的光致抗蚀剂层。此后，在金属层上形成第二介电层以形成如图2A至图2C所示的结构。

在另一实施方案中，在基板上形成第一介电层。然后在第一介电层上沉积金属层。之后，在金属层上形成图案化的光致抗蚀剂层。然后使用图案化的光致抗蚀剂层作为掩模在金属层上执行蚀刻工艺。然后去除图案化的光致抗蚀剂层。此后，在金属层上形成第二介电层以形成如图2A至2C所示的结构。

实施例3

该实施例公开了一种新颖的装置和方法，其通过电润湿从液滴产生大阵列的具有在纳升(10^-9升或nL)和皮升(10^-12升或pL)之间的范围内的预定体积的极小滴(微滴)。该新颖装置可以是与图4A或图4B所示的EWOD设备相似或相同的设备。参照图3A至3C，示出了所分配的液滴的输送机构。液滴在具有凸起的亲水性区域(斑点)阵列的介电层的表面上移动，或在具有微孔阵列的介电层的表面上移动，每个微孔均具有亲水性底部和侧壁。凸起的(突出的)亲水性区域(斑点)和/或微孔通过间隙性疏水性表面彼此间隔开。在一实施方案中，凸起的亲水性区域和/或微孔具有圆形或卵圆形。在另一实施方案中，凸起的亲水性区域和/或微孔具有多边形(矩形、正方形、六边形)形状。在一实施方案中，凸起的亲水性区域(斑点)和/或微孔的高度在1纳米至100微米之间，优选在1微米至10微米之间，更优选在10纳米以下。在一实施方案中，凸起的亲水性区域和/或微孔具有正方形的形状，其宽度或长度在1纳米至100微米之间，优选在1微米至10微米之间，更优选在10纳米以下。在一实施方案中，凸起的亲水性区域和/或微孔具有圆形形状，其直径在1纳米至100微米之间，优选在1微米至10微米之间的范围内，更优选在10纳米以下。

实施例4

该实施例公开了具有带有从微米到纳米的尺度(尺寸)的疏水/亲水填隙表面的设备结构的形成。图4A和图4C中示出了示例性实施方案。图10是根据本公开的一些实施方案具有差异表面区域的设备结构1000的截面图。设备结构1000包括基板1001。包括多个第一薄膜区域1011和多个第二薄膜区域1021的表面层1002被设置在基板1001上。基板1001包括MOS电路系统(例如控制电路15)和电极(例如电极14)，这些电极由如图1A中所示的控制电路系统15所致动或控制。

第一覆盖层1012在第一薄膜区域1011的顶表面上形成，且第二覆盖层1022在第二薄膜区域1021的顶表面上形成。在一些实施方案中，通过使第一覆盖层1012的区域与第二覆盖层1022的区域交替来形成差异表面层。

根据一些实施方案，提供方法以用于选择第一材料和第二材料来调整第一覆盖层和第二盖层的疏水性而形成具有差异的疏水性/亲水性表面。

在一些实施方案中，差异性的疏水/亲水表面可具有交替的非极性分子区域(非极性分子区域会排斥水)及极性分子区域(极性分子区域可与水分子形成离子键或氢键)。在一些实施方案中，一种方法包括首先形成交替的无机氧化硅(SiO₂)区域及金属氧化物材料区域，该金属氧化物材料包含各种金属氧化物中的一者或多者，例如阳极氧化铝(A1₂O₃)、氧化钽(Ta₂O₅)、氧化铌(Nb₂O₅)、氧化锆(ZrO₂)及氧化钛(TiO₂)，等等。可如以下进一步所述，在硅(Si)或玻璃基板上使用标准半导体薄膜沉积及光刻工艺来形成这些交替的区域。

其次，可处理金属氧化物表面以修改表面性质。一种方法是在80℃至100℃温度范围内的温度下使用聚乙烯基膦酸(PVPA)选择性地涂覆金属氧化物表面，聚乙烯基膦酸(PVPA)是一种亲水性聚合物，其具有分子内的磷酸本身固有pH值(pH＝2)。在具体实施方案中，该处理步骤可例如在90℃进行。在某些情况下，该处理步骤可相对快速，例如少于2分钟(min)。此步骤之后可跟着进行干式退火步骤以帮助形成共价键。干式退火工艺可在适当的温度下进行，例如在80℃下进行约10分钟。此反应可以是选择性的，即，在SiO₂表面上不发生反应。

另一种方法是通过基于水溶液中的烷基磷酸酯铵盐的吸附作用利用自组装单层(SAM)选择性地涂覆氧化金属区域。在相同条件下，SAM的生成不会发生在SiO₂表面上。可通过该水性SAM形成溶液中的配方来调整已涂覆表面的疏水性，且水的接触角可在50度至110度的范围间。在某些情况中，水的接触角可在20度至130度的范围内。在该退火步骤期间可形成共价键，且可使用去离子(DI)水洗去未反应的材料。

经PVPA或磷酸酯处理之后，可干燥该基板以及使用疏水性硅烷化合物(例如，氟化烷基硅烷化合物、二烷基硅烷化合物，等等)处理该基板。替代地，可干燥该基板以及以溶液方式或以化学气相沉积法使用亲水性硅烷化合物(例如，具羟烷基末端的硅烷化合物，等等)处理该基板。这些处理可与SiO₂表面形成稳定共价键并将该表面变成疏水性或亲水性又不会影响金属氧化物表面的疏水性。

通过使用具有不同疏水性的不同有机化学物质对无机SiO₂表面及金属氧化物表面进行高选择性表面处理，可利用半导体工艺以明确界定的图案制造出差异性的疏水性/亲水性表面。

图11A至图11F为截面图，这些截面图根据本公开的一些实施方案示出了用于形成图10中具有差异表面区域的设备结构的方法。该用于形成具有差异表面区域的设备结构的方法包括提供基板，及在该基板上形成具有交替的第一薄膜区域及第二薄膜区域的表面层。使该表面层暴露于第一材料以在第一薄膜区域上(但不会在第二薄膜区域上)形成第一覆盖层。随后使该表面层暴露于第二材料以在第二薄膜区域上(但不会在现已被该第一覆盖层所覆盖的第一薄膜区域上)形成第二覆盖层。该方法包括选择第一材料及第二材料以调整第一覆盖层及第二覆盖层的疏水性。

图11A示出在基板上形成薄膜层。参考图11A，在基板1101上形成薄膜层1120。基板1101可由任何合适的材料制成，例如由玻璃或半导体制成。半导体基板可包括各种半导体材料，例如硅、硅上III-V族材料、硅上石墨烯、绝缘体上硅、上述材料的组合及类似物。基板1101可为裸晶片。基板1101还可以包括各种设备和电路结构。例如，基板1101可以包括CMOS电路层(包括例如控制电路和其他电子开关的基板12)和介电层(例如包括电极层14的介电层13)。

参考图11A，于基板1101上形成薄膜层1120。在一实施方案中，薄膜层1120包含无机氧化硅，例如SiO₂。在一些实施方案中，薄膜层1120可包含硅、氮化硅、金属氧化物等等或上述材料的组合。薄膜层1120亦可包括其他可进行硅烷化的材料。可使用任何常规半导体薄膜沉积技术在基板1101上形成薄膜层1120。

图11B示出了形成在第一薄膜层1120上的第二薄膜层1110。在一些实施方案中，第二薄膜层1110可包括金属氧化物或金属。合适的金属氧化物可包括，例如，阳极氧化铝(A1₂O₃)、氧化钽(Ta₂O₅)、氧化铌(Nb₂O₅)、氧化锆(ZrO₂)及氧化钛(TiO₂)，等等。薄膜层1110还可包含金属材料，例如钨、钛、氮化钛、银、钽、氧化钽、铪、铬、铂、钨、铝、金、铜、上述材料的组合物或合金及类似物。也可使用常规半导体薄膜沉积技术来形成薄膜层1110。

图11C示出了形成在薄膜层1110上的图案化掩模层1130。该掩模层1130包括开口，这些开口暴露出薄膜层1110的区域。可根据任何合适的方法(例如，旋涂法、浸渍法及/或类似方法)来施加该掩模层1130。掩模层1130也可由任何合适的材料制成，例如光致抗蚀剂。如图11C中所示，依据常规半导体光刻技术使掩模层1130图案化而具有开口。在一些实施方案中，掩模层1130可为硬掩模，该掩模是已图案化的适当的薄膜材料层，其具有适当的蚀刻选择性以作为蚀刻掩模。

形成该图案化的掩模层1130之后，可执行蚀刻工艺以去除该薄膜层1110中的暴露部分1117以获得薄膜区域1111。可依据常规的半导体工艺技术执行该蚀刻工艺。随后，利用常规的半导体工艺技术去除该图案化掩模层1130。图11D中示出了所得到的设备结构。

图11E示出了选择性地在该薄膜区域1111上所形成的覆盖层1112。可通过使该设备结构暴露于合适的第一材料来进行该选择性覆盖层形成过程，使得覆盖层1112形成在薄膜区域1111的顶表面上，但不会形成在薄膜区域1121的顶表面上。根据薄膜区域1111及薄膜区域1121的材料，可使用各种不同材料，如以下所详述的。经该材料处理之后，可进行退火工艺以选择性地在薄膜区域1111上形成覆盖层1112。可在70℃至90℃范围内的温度下进行该退火工艺持续5分钟至15分钟。举例而言，可在80℃的温度下进行干式退火工艺持续10分钟。可在去离子(DI)水中进行冲洗工艺以去除未反应的材料。

图11F示出了选择性地在第二薄膜区域1121的顶表面上所形成的第二覆盖层1122。通过使设备结构暴露于合适的第二材料来形成该选择性覆盖层，使得覆盖层1122形成在薄膜区域1121的顶表面上，但不会形成在具有覆盖层1112的薄膜区域1111的顶表面上。根据薄膜区域1111及薄膜区域1121的材料，可使用各种不同材料，如以下详述的。经该第二材料处理之后，图11F根据本发明的一些实施方案示出了设备结构1100的截面图，其类似于图10的设备结构1000，设备结构1100具有表面层1102，表面层1102包含差异表面区域1112及表面区域1122。如图所示，设备结构1100包括基板1101。包含多个第一薄膜区域1111及多个第二薄膜区域1121的表面层1102设置在基板1101上。

第一覆盖层1112形成在第一薄膜区域1111的顶表面上，而第二覆盖层1122形成在第二薄膜区域1121的顶表面上。在该实施方案中，通过交替第一覆盖层1112的区域和第二覆盖层1122的区域来形成差异表面层。

在一些实施方案中，差异表面区域可包括交替的亲水性表面和疏水性表面。在一些实施方案中，差异表面区域可包括交替的正电荷表面和负电荷表面。在以下叙述中，薄膜区域1111称为第一薄膜区域，而薄膜区域1121称为第二薄膜区域。覆盖层1112称为第一覆盖层，该第一覆盖层是通过第一薄膜区域与第一材料之间进行反应形成的。覆盖层1122称为第二覆盖层，该第二覆盖层是通过第二薄膜区域与第二材料之间进行反应形成的。

在一些实施方案中，第一薄膜区域可包括如上述的金属氧化物薄膜或金属薄膜。随后，金属氧化物或金属可接受处理且暴露于膦酸化合物，例如PVPA(聚乙烯基膦酸)。在一些实施方案中，可在80℃至100℃范围内的温度下进行该处理1分钟至3分钟。例如，可在90℃下进行该处理2分钟。此处理可形成亲水性覆盖层。

在一些实施方案中，金属氧化物或金属可在SAM(自组装单层)工艺中暴露于磷酸盐/酯(phosphates)。例如，使用羟基十二烷基磷酸酯铵盐(OH-DDPO₄(NH₄)₂)进行SAM工艺可形成具有约110度的接触角的疏水性覆盖层。在另一示例中，使用12-羟基十二烷基磷酸酯(OH-DDPO₄)进行SAM工艺可形成具有约50度的接触角的亲水性覆盖层。在又一些其他示例中，使用由不同磷酸酯化合物所组成的混合物进行SAM工艺可形成接触角范围在50度至110度内的具有不同疏水性的覆盖层。此外，可使用由不同磷酸酯的适当组合来形成具有不同疏水性的覆盖层，其接触角范围可例如在20度至130度内。

在金属氧化物薄膜或金属薄膜上形成第一覆盖层之后，可选择性地在例如无机氧化硅的第二薄膜区域的区域上形成第二覆盖层。例如，通过在疏水性硅烷(例如，氟化烷基硅烷、二烷基硅烷，等等)中处理该设备可形成疏水性覆盖层。替代地，通过在亲水性硅烷(例如，具羟烷基末端的硅烷，等等)中处理该设备可形成亲水性覆盖层。通过适当选择硅烷化合物，第二覆盖层可仅形成在例如无机氧化硅的第二薄膜区域上，且不会在已形成于第一薄膜材料上的第一覆盖层上形成该第二覆盖层。除了无机氧化硅之外，第二薄膜区域还可包含例如硅、氮化硅、金属氧化物或这些材料的组合之类的材料。

在上述工艺中，依序形成交替的第一薄膜区域1110和第二薄膜层1120，使得第一薄膜区域1110形成在第二薄膜区域1120上。在某些其他实施方案中，第二薄膜区域1120可形成在第一薄膜区域1110上，如以下参考图12A至图12C中所示的。

图12A至图12C为截面图，所述截面图根据本公开的替代实施方案示出了用于形成图10的具有差异表面区域的设备结构的方法。

图12A示出了具有交替的薄膜层1210表面区域和薄膜层1220表面区域的设备结构截面图。参考图12A，在基板1201上形成包括多个第一薄膜区域1211和多个第二薄膜区域1221的表面层。

图12A中的设备结构类似于图11D中的设备结构，第一薄膜层1210对应于图11D中的第一薄膜层1110，而第二薄膜层1220对应于图11D中的第二薄膜层1120。图11D的结构与图12A中的结构之间的一个不同之处是该第一薄膜层1210在第二薄膜层1220下方。可使用如图11A至图11C中所述的类似工艺以相反的薄膜层形成顺序来形成图12A中的设备结构。

图12B示出了选择性形成在薄膜区域1211上的覆盖层1212。该选择性覆盖层的形成是通过以下方式进行的：使该设备结构暴露于合适的第一材料，使得覆盖层1212形成在薄膜区域1210的顶表面上，但不会形成在薄膜区域1220的顶表面上。该处理工艺及退火工艺类似于配合图11E所述的处理工艺及退火工艺，其中覆盖层1212对应于图11E中的覆盖层1112。

图12C示出了选择性地形成在第二薄膜区域1221的顶表面上的第二覆盖层1222。该选择性覆盖层的形成是通过以下方式进行的：使该设备结构暴露至合适的第二材料，使得覆盖层1222形成在薄膜区域1221的顶表面上，但不会形成在具有覆盖层1212的薄膜区域1211的顶表面上。该处理工艺类似于结合图11F所述的处理工艺。如图12C中所示，设备结构1200包括基板1201。包含多个第一薄膜区域和多个第二薄膜区域的表面层1202设置在基板1201上。

第一覆盖层1212形成在第一薄膜区域1211的顶表面上，而第二覆盖层1222形成在第二薄膜区域1221的顶表面上。在此实施方案中，通过交替第一覆盖层1212的区域和第二覆盖层1222的区域而形成差异表面层。

在替代实施方案中，图11A至图11F以及图12A至图12C中所示的工艺也可修改。例如，通过适当选择薄膜材料及用于表面处理的化合物，可颠倒表面层形成的顺序。在某些实施方案中，在图11D至图11F中，可先在图11D的结构中的薄膜区域1121上形成覆盖层1122，且随后在薄膜区域1111上形成覆盖层1112。类似地，在图12A至图12C中，可先在图12A的结构中的薄膜区域1221上形成覆盖层1222，且随后在薄膜区域1211上形成覆盖层1212。

尽管参照以特定顺序执行的特定数量的步骤描述了本文描述的过程，但是预期可以包括未明确示出和/或描述的附加步骤。此外，预期，在不脱离所描述的实施方案的范围的情况下，可以包括比所示出和描述的步骤更少的步骤(即，所描述的步骤中的一个或一些可以是可选的)。另外，预期本文描述的步骤可以以与所描述的顺序不同的顺序执行。

例如，第一薄膜区域和第二薄膜区域可为金属或金属氧化或氧化硅中的一者。虽然在上述实例中，通过膦酸或磷酸酯在金属氧化物上形成的覆盖层首先形成，随后通过硅烷化合物在氧化硅上形成覆盖层。在某些实施方案中，可先用硅烷在氧化硅上形成第一覆盖层，随后用膦酸或磷酸酯在金属氧化物上形成第二覆盖层。在某些实施方案中，在金属氧化物上使用膦酸或磷酸酯处理之后接着进行如上所述的退火工艺。

实施例5

该实施例公开了一种新颖的装置和方法，其将液滴与一种或多种试剂混合，并将混合的液滴输送至EWOD阵列以获得多个极小滴(微滴)。在一实施方案中，由新颖的装置和方法产生的极小滴(微滴)具有均匀的尺寸。该新颖装置可以是与图6所示相似或相同的集成的片上实验室设备。在一些实施方案中，新颖的装置可以包括不同的区域，例如用于接收液滴的液滴排出区域、用于接收试剂的试剂排出区域、用于将液滴与试剂混合的混合区域以及用于产生具有均匀大小的多个样本的IWOD设备的阵列。在一实施方案中，该装置还可包括温度调节元件，其用于进行常规PCR或在预定温度下孵育微滴(等温PCR)。在一实施方案中，每个IWOD区域可以具有成阵列的凸起的(突出的)亲水性表面区域或斑点(如图4A和4C所示)或成阵列的凹陷的亲水性表面区域或微孔(如图4B和图4D所示)。在一些实施方案中，每个斑点或微孔包括一个或多个用于测量相关微滴的离子浓度或pH值的ISFET。在一实施方案中，该装置可以包括接口端口，该接口端口被配置为与外部主机通信，该外部主机收集样品的测得的pH值并计算液滴的DNA浓度。

应当理解，本文描述的实施例和实施方案仅用于说明性目的，并且根据其进行的各种修改或改变将被本领域技术人员建议，并且将被包括在本申请的精神和范围之内以及所附权利要求的范围内。本文引用的所有出版物、专利和专利申请出于所有目的通过引用整体并入本文。

应当理解，以上描述旨在说明而不是限制。通过阅读以上描述，许多实施方案对于本领域技术人员将是显而易见的。因此，本发明的范围不应参考以上描述来确定，而应参考所附权利要求及其等同方案的全部范围来确定。

虽然前述公开示出了本公开的说明性方面，但是应当注意，在不脱离由所附权利要求限定的本公开的范围的情况下，可以在本文中进行各种改变和修改。根据本文描述的本公开的方面的方法权利要求的功能、步骤和/或动作不需要以任何特定顺序执行。此外，尽管可以以单数形式描述或要求保护本公开的要素，但是可以想到复数形式，除非明确说明了对单数形式的限制。

对于本文中的所有流程图，应理解的是，在不影响所实现的功能的情况下，可以组合、并行执行或以不同顺序执行许多步骤。

Claims

1.一种用于由液滴形成多个微滴的装置，所述装置包括：

第一基板，其具有第一表面；

介电层，其位于所述第一基板的所述第一表面上，并且具有通过疏水表面而彼此隔开的多个亲水表面区域；

多个电极，其位于所述介电层中，并且被配置为响应于由控制电路所提供的电压形成跨越所述液滴的电场，以在侧向方向上移动所述液滴跨越所述介电层的上表面，同时在所述亲水表面区域上留下所述液滴的部分以在所述亲水表面区域上形成所述多个微滴，

其中，所述多个微滴中的每一个设置在所述介电层的上表面上方并突出到通道中。

2.根据权利要求1所述的装置，其中所述多个电极被配置为在所述介电层的上表面上方移动所述微滴。

3.根据权利要求2所述的装置，其中所述多个亲水表面区域被布置在均匀尺寸的结构的阵列中。

4.根据权利要求3所述的装置，其中所述结构各自在所述介电层的上表面上方凸起。

5.根据权利要求3所述的装置，其中所述结构具有多边形、圆形或卵圆形的形状。

6.根据权利要求3所述的装置，其中所述结构各自是在所述介电层的上表面下方的凹槽，其中所述凹槽各自包含亲水材料，所述亲水材料具有与所述介电层的所述上表面齐平的上表面。

7.根据权利要求1所述的装置，其中所述亲水表面与所述介电层的表面上的疏水间隙区域的表面齐平。

8.根据权利要求1所述的装置，其还包括与所述微滴中的对应者相关联的多个传感器，其中每个传感器均包括：

离子敏感场效应晶体管，其包括离子感测膜，所述离子感测膜被配置为暴露于微滴以及提供与所述微滴的浓度水平相关联的信号；以及

参考电极，其被配置为完全或部分浸入微滴中并与所述感测膜隔开以向所述微滴提供参考电压。

9.根据权利要求1所述的装置，其还包括第二基板，所述第二基板具有第二表面，所述第二表面面向所述第一基板的所述第一表面且通过具有高度的间隔物与所述第一基板隔开，其中所述间隔物的所述高度确定用于所述液滴的通道。

10.根据权利要求9所述的装置，其还包括所述第二基板的所述第二表面上的公共电极，其中所述公共电极具有公共电压，所述公共电压小于向所述多个电极中的一或更多个电极施加的所述电压。

11.根据权利要求10所述的装置，其中向所述多个电极中的一或更多个电极施加的所述电压是直流(DC)电压。

12.一种方法，其包括：

提供基板结构，其包括：第一基板；介电层，其具有所述第一基板上的疏水表面；控制电路；多条导电布线；以及多个电极，其经由所述导电布线与所述控制电路通信，并且被配置为响应于由所述控制电路所提供的电压形成电场；以及

配置所述介电层以包括：

第一区域，其用于接收液滴；

第二区域，其用于接收一或更多种试剂，所述第二区域与所述第一区域连通并且被配置为将所述液滴与所述一或更多种试剂混合以获得混合液滴：以及

第三区域，其与所述第二区域连通并且包括通过所述疏水表面彼此隔开的多个亲水表面区域，其中在所述液滴在所述亲水表面区域上方移动时，所述液滴的一部分在所述亲水表面区域上形成多个微滴，

13.根据权利要求12所述的方法，进一步包括配置所述多个电极以在所述介电层的上表面上方移动所述微滴。

14.根据权利要求13所述的方法，进一步包括在均匀尺寸的结构的阵列中布置所述多个亲水表面区域，其中所述结构各自在所述介电层的所述疏水表面上方凸起。

15.根据权利要求14所述的方法，其中所述结构具有多边形、圆形或卵圆形的形状。

16.根据权利要求14所述的方法，其中所述结构各自是在所述介电层的上表面下方的凹槽，其中所述凹槽各自包含亲水材料，所述亲水材料具有与所述介电层的所述上表面齐平的上表面。

17.根据权利要求12所述的方法，其中所述亲水表面与所述介电层的表面上的疏水间隙区域的表面齐平。

18.根据权利要求12所述的方法，其中所述基板结构还包括第二基板，以及位于所述第二基板上且面向所述介电层的所述疏水表面的导电层，并且所述导电层与所述介电层之间的空间形成用于所述液滴的通道。

19.根据权利要求18所述的方法，其中所述导电层操作为公共电极，且所述多个电极包括沿着第一方向从所述第一区域到所述第三区域的第一平行条带阵列以及位于所述第二区域中且沿着与所述第一方向垂直的第二方向的第二平行条带阵列。

20.根据权利要求12所述的方法，其中所述第三区域还包括与所述多个亲水表面区域中的对应者相关联的一或更多个传感器，其中传感器包括：

参考电压电极，其被配置为完全或部分浸入微滴中并与所述感测膜隔开以向所述微滴施加参考电压。

21.根据权利要求12所述的方法，还包括配置所述介电层以包括第四区域，所述第四区域与所述第三区域连通并且被配置为在所述液滴的剩余部分已经移动跨越所述第三区域之后收集所述液滴的所述剩余部分。

22.一种用于从液滴形成具有基本均匀尺寸的多个微滴的方法，所述方法包括：

提供基板结构，所述基板结构具有：基板；介电层，其位于所述基板上；多个电极，其位于所述介电层中，其中所述介电层具有疏水表面以及通过所述疏水表面彼此隔开的多个亲水表面区域；

将所述液滴排放在所述介电层上；

向所述电极施加时变电压波形，以跨越所述介电层的所述亲水表面区域移动所述液滴以在所述亲水表面区域上形成所述多个微滴，

23.根据权利要求22所述的方法，其还包括向所述电极施加时变电压波形，以使所述微滴在所述介电层的上表面上方移动。

24.根据权利要求22所述的方法，其还包括：

将所述液滴与一或更多种试剂混合以获得混合液滴，然后移动所述混合液滴跨越所述介电层的所述亲水表面区域。

25.根据权利要求22所述的方法，其还包括：

提供与所述亲水表面区域中的一者相关联的一或更多个传感器，其中传感器包括：

离子敏感场效应晶体管，其包括离子感测膜和参考电极，所述离子感测膜和所述参考电极被配置为浸入在样品中并且提供与所述样品的浓度水平相关联的信号；

第一电压源，其向所述参考电极施加；以及

第二电压源，其向所述离子敏感场效应晶体管的源极和漏极施加。

26.如权利要求22所述的方法，其中所述亲水表面区域各自突出于所述介电层的上表面上方。

27.如权利要求22所述的方法，其中所述亲水表面区域是凹槽，每个凹槽包含亲水材料，所述亲水材料具有与所述介电层的上表面齐平的上表面。