成大研發快訊 - 文摘
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成大研發快訊 第二十八卷 第九期 - 2015年三月二十七日 [ http://research.ncku.edu.tw/re/articles/c/20150327/4.html ]
針對可靠的針腳限制介電濕潤晶片之考量電壓的晶片層
級設計
葉昇翰, 張嘉文, 黃琮蔚, 余尚聰, 何宗易
*國立成功大學資訊工程系所 [email protected]
IEEE. Volume:33, Issue: 9, DOI: 10.1109/TCAD.2014.2331340, Publication Year:2014,Page(s):1302- 1315
近
年來具有高產能、低成本的數位微流體生物晶片(Digital Microfluidic Biochips)逐 漸受到重視，藉著精準地控制奈升大小的檢驗物與反應物液珠(Droplet)，數位微流體 生物晶片可以提供在許多應用，例如DNA序列、免疫分析、環境檢測、醫療診斷。而 數位微流體生物晶片背後最主要的實作技術就是電濕潤晶片(Electrowetting on Dielectric)。如圖一(a)，電濕潤晶片由二維電極陣列、周邊裝置(光感應器、液珠注入 口)、和周圍電極版。藉著在各個時間點對不同的電極驅動著電壓，在電濕潤的作用 下，液珠將會往被驅動的電極移動。藉此可以做到許多基本液體操作，如混和、運輸、分離液珠。隨著生化試驗複雜度的提昇，電濕潤晶片的需求也進入到高複雜度的時代。無疑地，我們 需要電腦輔助設計工具來設計電濕潤晶片。電腦輔助設計工具能幫我們自動化設計、減少人力、提高電濕 潤晶片的產能。
然而隨著晶片複雜度提升，其所需規格越來越複雜，若每個電極仍需要一個腳位(Pin)來控制，其將造成製 造成本及消耗功率之增加，甚至會降低晶片之可靠度。為了減少針腳的使用數，可以將部分電極在不影響 試驗進行的情況下，共用同一個腳位，此技術稱為廣播定址法(Broadcast Addressing)。
然而，訊號共享會造成有些電極以過高的電壓驅動，進而產生滯留電荷的問題。滯留電荷是電子滯留在電 介質絕緣層的現象，會影響電濕潤力，也就是會影響整個電濕潤晶片的可靠度。除了電荷滯留問題之外，
底層的繞線問題也增加了腳位限制電濕潤晶片設計的複雜度(如圖一(b))。此篇論文提出了一電腦輔助設計 軟體，可以同時減低腳位個數與保持晶片的可靠度。而產生出來的設計也為電濕潤晶片層級設計提供了全 面性的繞線解決方案。當中演算法包含了遞增搜尋法、以網路流為基礎的腳位與電極漸進配對法以及重新 繞線的機制。以現存的廣泛使用之生化檢驗來測試我們的自動化設計工具，其結果表示我們的方法非常有 效率，除提升了晶片可靠度，並大大降低了其製造成本。
圖一. (a) 電濕潤晶片之概觀 (b) 底層的繞線 References:
1. T.-Y. Ho, J. Zeng, and K. Chakrabarty, "Digital Microfluidic Biochips: A Vision for Functional Diversity
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and More than Moore," Proceedings of IEEE/ACM International Conference on Computer-Aided Design (ICCAD-2010), pp. 578-585, San Jose, CA, November 2010.
2. T.-W. Huang, T.-Y. Ho, and K. Chakrabarty, "Reliability-Oriented Broadcast Electrode-Addressing for Pin- Constrained Digital Microfluidic Biochips," Proceedings of IEEE/ACM International Conference on Computer- Aided Design (ICCAD-2011) , pp. 448-455, San Jose, CA, November 2011.
3. S.-H. Yeh, J.-W. Chang, T.-W. Huang, and T.-Y. Ho, "Voltage-Aware Chip-Level Design for Reliability- Driven Pin-Constrained EWOD Chips," Proceedings of IEEE/ACM International Conference on Computer-
Aided Design (ICCAD-2012) , pp. 353-360, San Jose, CA, November 2012.
4. T.-W. Huang, S.-Y. Yeh, and T.-Y. Ho, "A Network-Flow Based Pin-Count Aware Routing Algorithm for Broadcast-Addressing EWOD Chips," IEEE Transactions on Computer-Aided Design of Integrated Circuits and Systems (IEEE TCAD), vol. 30, no. 12, pp. 1786-1799, December 2011 (Regular Paper).
5. S.-H. Yeh, J.-W. Chang, T.-W. Huang, S.-T. Yu, and T.-Y. Ho, "Voltage-Aware Chip-Level Design for Reliability-Driven Pin-Constrained EWOD Chips," accepted in IEEE Transactions on Computer-Aided Design of Integrated Circuits and Systems (IEEE TCAD) (Regular Paper).
