一种微流控像素电路、阵列和微流控芯片的制作方法

1.本技术实施例涉及微流控技术，尤指一种微流控像素电路、阵列和微流控芯片。


背景技术：

2.在绝大多数工业产业、学科研究中都需要进行基础的物理、生物、化学等实验，这些实验的本质是探索不同的物质间是如何发生相互作用以及如何互相影响的。有些物质本身或者相互作用的结果在特定的温度下性能会发生巨大改变，因此，温度作为影响物质性能最主要和最基础的因素，对整个实验结果的重要性、准确性不言而喻。目前市面上针对不同应用场景下的温度控制器、升温降温设备、测温仪等温度相关设备层出不穷。例如，在农业生产中，对温度的调控体现在粮食烘干、菌种发酵、麦芽烘干、营养液温度控制等方面；在生物研究中，水浴温度设置、微生物发酵、液体分离、细胞培养等环节也离不开温度控制装置；在医疗行业，温度控制装置被应用于药物储存和运送、微波灭菌、基因测序等。目前大部分应用场景都是大面积、大批量、粗放式的，相对而言，精确化、小面积、高精度的温度控制系统和装置由于技术难度较高导致数量较少。
3.然而随着现代科学技术的发展，人们对微观物质了解的需求和好奇心急剧增加。高精度、小型化精准专用设备(例如微小、精细控温测温装置)的出现使得人们能够更加直观、方便地进行各式研究实验操作。特别地，在新兴的生物医疗领域，小区域的空间精度温度控制已经成为生物与药物大批量实验中极其有价值的一项工作，比如最典型的应用是使用微流控芯片进行微区pcr(聚合酶链式反应)扩增，片上pcr扩增即需要通过薄膜晶体管(tft)电路实现各个区域温度的精确控制和测试。


技术实现要素：

4.本技术实施例提供了一种微流控像素电路、阵列和微流控芯片，能够节省空间，提高温控精度。
5.本技术实施例提供了一种微流控像素电路，可以包括：测温模块和驱动模块；
6.所述测温模块，可以设置为感知设定区域的温度；所述设定区域包括：单个微流控像素所在区域；
7.所述驱动模块，可以设置为在所述测温模块感知到任意的第一设定区域的温度高于第一预设温度阈值时，驱动微流控阵列表面温度低于第二预设温度阈值的液体流动到所述第一设定区域，所述第二预设温度阈值小于所述第一预设温度阈值；还设置为在所述测温模块感知到所述第一设定区域的温度降低到第三预设温度阈值时，驱动所述液体移出所述第一设定区域。
8.在本技术的示例性实施例中，所述测温模块可以包括：电流镜模块、环形振荡器模块和输出模块；所述电流镜模块、所述环形振荡器模块和所述输出模块依次相连。
9.在本技术的示例性实施例中，所述电流镜模块可以包括：参考电流源、第一n型铟镓锌氧化物场效应igzo mos管、第二n型igzo mos管、第一电阻和第一p型mos管；
10.第一n型igzo mos管和所述第二n型igzo mos管的栅极相连后，与所述参考电流源的负极相连，所述参考电流源的正极与输入电源相连；
11.所述第一n型igzo mos管的源极与所述参考电流源的负极相连；所述第一n型igzo mos管的漏极接地；
12.所述第二n型igzo mos管的源极与所述第一p型mos管的漏极相连；所述第二n型igzo mos管的漏极接地；
13.所述第一p型mos管的漏极与所述第一p型mos管的栅极相连；所述第一p型mos管的栅极，作为所述电流镜模块的输出端，与所述环形振荡器模块的输入端相连；
14.所述第一p型mos管的源极与所述第一电阻的第一端相连，所述第一电阻的第二端与所述输入电源相连。
15.在本技术的示例性实施例中，所述环形振荡器模块可以包括：多组相同的反相器；所述多组相同的反相器环形连接；
16.其中，每组反相器可以包括：第二p型mos管、第三p型mos管和第四p型mos管；
17.多组反相器的所述第二p型mos管的栅极全部相连后，作为所述环形振荡器模块的输入端，与所述电流镜模块的输出端相连；
18.每组反相器中，所述第二p型mos管的源极与输入电源相连，所述第二p型mos管的漏极与所述第三p型mos管的源极相连，所述第三p型mos管的漏极与所述第四p型mos管的源极相连，所述第四p型mos管的漏极接地；
19.每组反相器中的所述第三p型mos管的栅极均与上一组反相器的所述第三p型mos管的漏极相连；多组反相器中的一组反相器的所述第三p型mos管的漏极作为所述环形振荡器模块的输出端，与所述输出模块的输入端相连；
20.每组反相器中，所述第四p型mos管的栅极均接地。
21.在本技术的示例性实施例中，所述输出模块可以包括：第五p型mos管和第六p型mos管；
22.所述第五p型mos管的栅极作为所述输出模块的输入端，与所述环形振荡器模块的输出端相连；
23.所述第五p型mos管的源极与输入电源相连；
24.所述第五p型mos管的漏极与所述第六p型mos管的源极相连后，作为所述输出模块的输出端；
25.所述第六p型mos管的漏极接地。
26.在本技术的示例性实施例中，所述的微流控像素电路还可以包括：加热模块；
27.所述加热模块可以包括：第三n型igzo mos管和第二电阻；
28.所述第三n型igzo mos管的栅极接收第一控制信号；
29.所述第三n型igzo mos管的漏极接收第二控制信号，
30.所述第三n型igzo mos管的源极与所述第二电阻的第一端相连；
31.所述第二电阻的第二端接地。
32.在本技术的示例性实施例中，所述的微流控像素电路还可以包括：电极膜；
33.所述电极膜，设置为作为工作电极提供输入电源。
34.本技术实施例还提供了一种微流控像素阵列，可以包括多个上述的微流控像素电
路；
35.多个微流控像素电路按照预设的分布方式排列，构成所述微流控像素阵列。
36.本技术实施例还提供了一种微流控芯片，可以包括上述的微流控像素阵列。
37.在本技术的示例性实施例中，所述的微流控芯片还可以包括：主控单元、显示单元和输入单元，所述主控单元分别与所述微流控像素阵列、所述显示单元和所述输入单元相连。
38.与相关技术相比，本技术实施的例微流控像素电路可以包括：测温模块和驱动模块；所述测温模块，可以设置为感知设定区域的温度；所述设定区域包括：单个微流控像素所在区域；所述驱动模块，可以设置为在所述测温模块感知到任意的第一设定区域的温度高于第一预设温度阈值时，驱动微流控阵列表面温度低于第二预设温度阈值的液体流动到所述第一设定区域，所述第二预设温度阈值小于所述第一预设温度阈值；还设置为在所述测温模块感知到所述第一设定区域的温度降低到第三预设温度阈值时，驱动所述液体移出所述第一设定区域。通过该实施例方案，节省了空间，提高了温控精度。
39.本技术的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本技术而了解。本技术的其他优点可通过在说明书以及附图中所描述的方案来实现和获得。
附图说明
40.附图用来提供对本技术技术方案的理解，并且构成说明书的一部分，与本技术的实施例一起用于解释本技术的技术方案，并不构成对本技术技术方案的限制。
41.图1为本技术实施例的微流控像素电路组成框图；
42.图2为本技术实施例的电极膜示意图；
43.图3为本技术实施例的加热模块的电路示意图；
44.图4为本技术实施例的测温模块的组成框图；
45.图5为本技术实施例的测温模块的电路示意图；
46.图6为本技术实施例的微流控像素阵列组成框图；
47.图7为本技术实施例的微流控芯片组成框图；
48.图8为本技术实施例的微流控芯片结构示意图；
49.图9为相关技术的微流控芯片结构示意图。
具体实施方式
50.本技术描述了多个实施例，但是该描述是示例性的，而不是限制性的，并且对于本领域的普通技术人员来说显而易见的是，在本技术所描述的实施例包含的范围内可以有更多的实施例和实现方案。尽管在附图中示出了许多可能的特征组合，并在具体实施方式中进行了讨论，但是所公开的特征的许多其它组合方式也是可能的。除非特意加以限制的情况以外，任何实施例的任何特征或元件可以与任何其它实施例中的任何其他特征或元件结合使用，或可以替代任何其它实施例中的任何其他特征或元件。
51.本技术包括并设想了与本领域普通技术人员已知的特征和元件的组合。本技术已经公开的实施例、特征和元件也可以与任何常规特征或元件组合，以形成由权利要求限定
的独特的发明方案。任何实施例的任何特征或元件也可以与来自其它发明方案的特征或元件组合，以形成另一个由权利要求限定的独特的发明方案。因此，应当理解，在本技术中示出和/或讨论的任何特征可以单独地或以任何适当的组合来实现。因此，除了根据所附权利要求及其等同替换所做的限制以外，实施例不受其它限制。此外，可以在所附权利要求的保护范围内进行各种修改和改变。
52.此外，在描述具有代表性的实施例时，说明书可能已经将方法和/或过程呈现为特定的步骤序列。然而，在该方法或过程不依赖于本文所述步骤的特定顺序的程度上，该方法或过程不应限于所述的特定顺序的步骤。如本领域普通技术人员将理解的，其它的步骤顺序也是可能的。因此，说明书中阐述的步骤的特定顺序不应被解释为对权利要求的限制。此外，针对该方法和/或过程的权利要求不应限于按照所写顺序执行它们的步骤，本领域技术人员可以容易地理解，这些顺序可以变化，并且仍然保持在本技术实施例的精神和范围内。
53.本技术实施例提供了一种微流控像素电路1，如图1所示，可以包括：测温模块11和驱动模块12；
54.所述测温模块11，可以设置为感知设定区域的温度；所述设定区域包括：单个微流控像素所在区域；
55.所述驱动模块12，可以设置为在所述测温模块11感知到任意的第一设定区域的温度高于第一预设温度阈值时，驱动微流控阵列表面温度低于第二预设温度阈值的液体流动到所述第一设定区域，所述第二预设温度阈值小于所述第一预设温度阈值；还设置为在所述测温模块11感知到所述第一设定区域的温度降低到第三预设温度阈值时，驱动所述液体移出所述第一设定区域。
56.在本技术的示例性实施例中，本技术实施例提出了一种基于tft的控温测温设计，通过将控温和测温相关模块集成到同一片tft阵列基板上，实现了对温度的精确控制和感知。
57.在本技术的示例性实施例中，如图2所示，所述的微流控像素电路1还可以包括：电极膜13；
58.所述电极膜13，可以设置为作为工作电极提供输入电源。
59.在本技术的示例性实施例中，电极膜13提供工作电极，电极膜13可以为氧化铟锡薄膜(ito)或常见金属。在此电路中，ito工作电极用来施加电压驱动微流控芯片中(具体可以为微流控阵列表面的)液滴的移动、震荡、混合、撕裂
……
等。电极膜13和常见的1t1c、2t1c驱动电路等共同构成了微流控像素电路1中的驱动模块(用于驱动液滴)。
60.在本技术的示例性实施例中，微流控像素电路1中加热的功能主要是通过金属导线的长绕线实现。
61.在本技术的示例性实施例中，在ltps【低温多晶硅技术ltps(low temperature poly-silicon)】、ltpo(低温多晶氧化物)等设计中也可以使用源漏金属电极的上层金属实现。具体采用哪一层金属，需要根据具体生产工艺下金属的电阻率决定，但尽量不使用ito层，避免和液滴驱动工作电极冲突。
62.在本技术的示例性实施例中，除了加热的金属线，像素中加热模块还需要连接一个寻址和控制执行加热命令的tft开关，该开关除了能够寻址、控制加热与否，还能减少不需执行加热功能像素或者区域的静态功耗。
63.在本技术的示例性实施例中，整个微流控像素电路1除了加热模块，还具有实时监测感知温度的测温模块11，该测温模块11的原理是温度的变化会影响相应晶体管的电流输出特性，进一步改变与晶体管连接的功能单元的参数例如环形振荡器的输出频率，以此建立频率与温度的关系，从而完成温度传感的功能。
64.在本技术的示例性实施例中，以上主要说明的是该像素设计的加热和测温功能。需要特别指出的是，该电路还具有控制降温的作用，降温的作用可以和驱动模块12配合完成，当测温模块11感知到单个像素或区域(例如上述的第一区域)温度过高的时候，可以驱动微流控像素阵列表面温度较低的液体移动到该像素或区域，达到降低该像素或区域表面温度的作用；当测温模块11感知到降温完成时，可以通过发送反馈信息，使得驱动模块1,驱动温度较低的液体移出该像素或区域(例如上述的第一区域)，将不再进一步降低该区域的温度。升降温及检测反馈功能相结合，从而达到精确控制温度的作用。
65.在本技术的示例性实施例中，如图3所示，所述的微流控像素电路1还可以包括：加热模块14；
66.所述加热模块14可以包括：第三n型igzo mos管(n1)和第二电阻r2；
67.所述第三n型igzo mos管(n1)的栅极接收第一控制信号；
68.所述第三n型igzo mos管(n1)的漏极接收第二控制信号，
69.所述第三n型igzo mos管(n1)的源极与所述第二电阻r2的第一端相连；
70.所述第二电阻r2的第二端接地。
71.在本技术的示例性实施例中，如图3所示，最基本的加热模块14可以由一个tft(薄膜晶体管)中的n型igzo【igzo(indium gallium zinc oxide)为铟镓锌氧化物】管n1和电阻r1组成，n1的漏极和栅极分别连接纵向和横向的信号(如上述的第二控制信号和第一控制信号)，当横向信号sign1(第一控制信号)为低电平，纵向信号sign2(第二控制信号)为高电平时，所述第三n型igzo mos管n1半导体沟道打开，电流流过r1自加热放热；而其他情况下，tft n1均处于沟道关闭状态，r1上流经电流极小，不执行加热功能。
72.在本技术的示例性实施例中，如图4所示，所述测温模块11可以包括：电流镜模块111、环形振荡器模块112和输出模块113；所述电流镜模块111、所述环形振荡器模块112和所述输出模块113依次相连。
73.在本技术的示例性实施例中，如图5所示，所述电流镜模块111可以包括：参考电流源s1、第一n型铟镓锌氧化物场效应igzo mos管sgt1、第二n型igzo mos管sgt2、第一电阻r1和第一p型mos管t1；
74.第一n型igzo mos管sgt1和所述第二n型igzo mos管sgt2的栅极相连后，与所述参考电流源s1的负极相连，所述参考电流源s1的正极与输入电源相连；
75.所述第一n型igzo mos管sgt1的源极与所述参考电流源s1的负极相连；所述第一n型igzo mos管sgt1的漏极接地；
76.所述第二n型igzo mos管sgt2的源极与所述第一p型mos管t1的漏极相连；所述第二n型igzo mos管sgt2的漏极接地；
77.所述第一p型mos管t1的漏极与所述第一p型mos管t1的栅极相连；所述第一p型mos管t1的栅极，作为所述电流镜模块111的输出端，与所述环形振荡器模块113的输入端相连；
78.所述第一p型mos管t1的源极与所述第一电阻r1的第一端相连，所述第一电阻r1的
第二端与所述输入电源相连。
79.在本技术的示例性实施例中，电流镜模块111可以使用参考电流源s1与以n型igzo mos管sgt1和sgt2组成，通过调控两个sgt的模型参数，可以改变温度对于映射电流的影响系数，使得在参考电流稳定的情况下，映射电流与温度呈一定的负效应关系。从而改变r1上的分压，进而改变t1的栅极电压，改变环形振荡器的输入。
80.在本技术的示例性实施例中，所述环形振荡器模块112可以包括：多组相同的反相器；所述多组相同的反相器环形连接；
81.其中，每组反相器可以包括：第二p型mos管、第三p型mos管和第四p型mos管；
82.多组反相器的所述第二p型mos管的栅极全部相连后，作为所述环形振荡器模块112的输入端，与所述电流镜模块111的输出端相连；
83.每组反相器中，所述第二p型mos管的源极与输入电源相连，所述第二p型mos管的漏极与所述第三p型mos管的源极相连，所述第三p型mos管的漏极与所述第四p型mos管的源极相连，所述第四p型mos管的漏极接地；
84.每组反相器中的所述第三p型mos管的栅极均与上一组反相器的所述第三p型mos管的漏极相连；多组反相器中的一组反相器的所述第三p型mos管的漏极作为所述环形振荡器模块112的输出端，与所述输出模块113的输入端相连；
85.每组反相器中，所述第四p型mos管的栅极均接地。
86.在本技术的示例性实施例中，如图5所示，环形振荡器可以由2n 1(n为自然数)组相同反相器成环组成，每组反相器可以由3个pmos管组成，以第一个反相器及其组成t2、t11、t20为例说明，t2栅极电压受到电流镜电路控制，在一定范围内，温度越高，电流镜的映射电流越小，输入t2的栅极电压升高，反相器电流减小，使得反相器的响应时间增加，整个反相器的频率降低。
87.在本技术的示例性实施例中，图5中的t2-t10可以看作第二p型mos管，t11-t19可以看作第三p型mos管、t20-t28可以看作第四p型mos管。
88.在本技术的示例性实施例中，所述输出模块113可以包括：第五p型mos管t29和第六p型mos管t30；
89.所述第五p型mos管t29的栅极作为所述输出模块113的输入端，与所述环形振荡器模块112的输出端相连；
90.所述第五p型mos管t29的源极与输入电源相连；
91.所述第五p型mos管t29的漏极与所述第六p型mos管t30的源极相连后，作为所述输出模块113的输出端；
92.所述第六p型mos管t30的漏极接地。
93.在本技术的示例性实施例中，输出模块是t29和t30组成的反相器，起到了放大输出的作用。
94.本技术实施例还提供了一种微流控像素阵列2，如图6所示，可以包括多个上述的微流控像素电路1；
95.多个微流控像素电路1按照预设的分布方式排列，构成所述微流控像素阵列2。
96.在本技术的示例性实施例中，微流控像素电路1中的任意实施例均适用于该微流控像素阵列2实施例中，在此不再一一赘述。
97.本技术实施例还提供了一种微流控芯片3，如图7所示，可以包括上述的微流控像素阵列2。
98.在本技术的示例性实施例中，如图8所示，所述的微流控芯片3还可以包括：主控单元4、显示单元5和输入单元6，所述主控单元4分别与所述微流控像素阵列2、所述显示单元5和所述输入单元6相连。
99.在本技术的示例性实施例中，主控单元4可以包括但不限于单片机，显示单元5可以包括但不限于led显示，输入单元6可以包括但不限于键盘。
100.在本技术的示例性实施例中，微流控像素电路1中的任意实施例均适用于该微流控芯片3实施例中，在此不再一一赘述。
101.在本技术的示例性实施例中，如图8所示，为本技术实施例在微流控应用中实现控温测温功能的模块交互设计图，如图9所示，为目前传统的微流控芯片组成示意图，包括：微流控芯片a、ito薄膜b、加热驱动c、温度采集d、单片机e、led显示f、键盘g。本技术实施例方案对比目前传统的微流控芯片实现控温测温功能结构图可以发现：
102.1)本技术实施例方案中集成化的设计改变了传统的硬件电路温度传感器和加热模块分离的现象，进一步压缩了空间，实现了控温测温系统的扁平化。阵列的设计可以使得大面积连片操作变为网格化的行列单独控制，操控精度可以达到微米级别。
103.2)通过改变了tft电路的设计和布局，可以实现单个像素或者特定区域加热功能。
104.3)根据应用场景的不同，本技术实施例方案可以和特定模块自由结合实现更多样的功能，如在微流控的应用中，可以通过在单个像素中增加驱动模块，实现驱动液滴移动的功能。相较于硅基芯片，薄膜晶体管成本更低，基底选择范围更广，包括玻璃衬底和柔性衬底，也使得应用场景更加丰富多样。需要指出的是，本设计可以兼容不同的tft沟道材料，如a-si、igzo、ltps等。
105.本领域普通技术人员可以理解，上文中所公开方法中的全部或某些步骤、系统、装置中的功能模块/单元可以被实施为软件、固件、硬件及其适当的组合。在硬件实施方式中，在以上描述中提及的功能模块/单元之间的划分不一定对应于物理组件的划分；例如，一个物理组件可以具有多个功能，或者一个功能或步骤可以由若干物理组件合作执行。某些组件或所有组件可以被实施为由处理器，如数字信号处理器或微处理器执行的软件，或者被实施为硬件，或者被实施为集成电路，如专用集成电路。这样的软件可以分布在计算机可读介质上，计算机可读介质可以包括计算机存储介质(或非暂时性介质)和通信介质(或暂时性介质)。如本领域普通技术人员公知的，术语计算机存储介质包括在用于存储信息(诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据)的任何方法或技术中实施的易失性和非易失性、可移除和不可移除介质。计算机存储介质包括但不限于ram、rom、eeprom、闪存或其他存储器技术、cd-rom、数字多功能盘(dvd)或其他光盘存储、磁盒、磁带、磁盘存储或其他磁存储装置、或者可以用于存储期望的信息并且可以被计算机访问的任何其他的介质。此外，本领域普通技术人员公知的是，通信介质通常包含计算机可读指令、数据结构、程序模块或者诸如载波或其他传输机制之类的调制数据信号中的其他数据，并且可包括任何信息递送介质。