專利名稱：具有多層復(fù)合結(jié)構(gòu)微熱盤的pcr擴增器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微型生物芯片，特別是具有多層復(fù)合結(jié)構(gòu)微熱盤的PCR擴增器。
PCR擴增器目前都是采用硅為主體材料，在硅片上進行三維立體加工形成微槽，在槽底的硅膜片上開出進樣孔和排氣孔；再在槽口封上玻璃蓋板，形成微反應(yīng)室。將這樣的微室陣列化用于多種生物樣品的DNA擴增。將制作好的微反應(yīng)室放在溫度可控制的熱盤上進行DNA擴增實驗，加熱和測溫都是在反應(yīng)室的外面進行。
一種自帶微熱盤和測溫電阻的微結(jié)構(gòu)PCR擴增器是采用硅為襯底材料，在硅片上沉積厚氮化硅支撐膜片，再在膜片上制作加熱電阻和測溫電阻，然后對硅襯底進行三維立體加工形成微槽，在槽口封上開有進樣孔和排氣孔的玻璃蓋板，形成自帶微熱盤和測溫電阻的微結(jié)構(gòu)PCR擴增器。自帶微熱盤和測溫電阻的微結(jié)構(gòu)PCR擴增器包含兩個部分硅芯片和玻璃蓋板，如

圖1所示。
圖2是自帶微熱盤和測溫電阻的微結(jié)構(gòu)PCR擴增器的正面圖(電極一側(cè))。可以看見加熱電阻和測溫電阻是制作在氮化硅薄膜上面，微反應(yīng)室的外側(cè)。兩對金屬電極壓焊塊分別于加熱電阻和測溫電阻相連。
圖3是自帶微熱盤和測溫電阻的微結(jié)構(gòu)PCR擴增器的硅芯片的背面圖。
圖4是玻璃蓋板的平面圖。
圖5是自帶微熱盤和測溫電阻的微結(jié)構(gòu)PCR擴增器的背面圖(玻璃蓋板和硅芯片鍵合在一起)。進行擴增前，樣品由進樣孔6，注入經(jīng)微槽10，流到到微反應(yīng)室11中，微反應(yīng)室內(nèi)的空氣經(jīng)過另一側(cè)的微槽，由排氣孔8排出。
加熱和測溫都是制作在微反應(yīng)室的外面。這樣就不可避免地導(dǎo)致1，溫度測量不準確。測試的溫度是微反應(yīng)室外面的溫度而不是微反應(yīng)室里面待測溶液的溫度。采用外置測溫時，需要對微反應(yīng)室內(nèi)外溫度進行標定。2，常規(guī)的微結(jié)構(gòu)擴增器熱盤本身不帶有加熱系統(tǒng)，使用時必須使用外加熱盤。熱效率不高，功耗大。3，聚合酶鏈式反應(yīng)擴增器(申請專利號99127328)中已經(jīng)提出內(nèi)置測溫傳感器。但該專利申請采用的是帕爾帖效應(yīng)原理制作加熱器，制作較為復(fù)雜。以電阻加熱的方法制作微結(jié)構(gòu)PCR擴增器制作工藝較為簡單可靠，而且熱效率要高得多。4，由于氮化硅薄膜的強度和擴增反應(yīng)中固有的溶液熱膨脹問題的限制，要求氮化硅的厚度很厚，外部金屬電阻加熱，功耗還是比較大。如果能將加熱電阻制作在微反應(yīng)室的里面將大大提高加熱效率；但是，將加熱電阻制作在微反應(yīng)室的里面讓加熱電阻直接接觸，電阻的表面的局部溫度過高，反應(yīng)溶液中的聚合酶會因加熱電阻表面局部過熱而聚集在加熱電阻周圍阻礙PCR反應(yīng)繼續(xù)進行。
發(fā)明簡述本發(fā)明的目的是提供一種具有多層復(fù)合結(jié)構(gòu)的微熱盤的微結(jié)構(gòu)PCR擴增器。
為實現(xiàn)上述目的，具有多層復(fù)合結(jié)構(gòu)微熱盤的PCR擴增器包括電極金屬壓焊點1、1a、氮化硅薄膜2、多晶硅加熱電阻3、測溫電阻4、二氧化硅層5、進樣孔6、玻璃蓋板7、排氣孔8、硅襯底9、微槽10、微反應(yīng)室11，還包括導(dǎo)熱層12，所述的測溫電阻4和導(dǎo)熱層12內(nèi)置，測溫電阻4和加熱電阻3制作在同一層上。
本發(fā)明以低應(yīng)力氮化硅制成膜片和二氧化硅隔離層的PCR擴增器，具有測溫準確；加熱效率高；能夠有效防止聚合酶在加熱電阻附近因局部過熱而凝聚現(xiàn)象。能夠精確測量PCR擴增器中的溫度，有效控制反應(yīng)進行過程。在加熱電阻和反應(yīng)溶液之間加入厚度適當?shù)木哂懈邿釋?dǎo)率的薄膜，保證高加熱效率和低功耗的前提下，實現(xiàn)最好的溫度分布均勻性；有效地避免了加熱電阻直接與DNA反應(yīng)溶液直接接觸造成的因局部過熱導(dǎo)致的生物高分子在加熱電極周圍凝聚現(xiàn)象。
圖2是自帶微熱盤和測溫電阻的微結(jié)構(gòu)PCR擴增器的正面圖(電極一側(cè))。
圖3是自帶微熱盤和測溫電阻的微結(jié)構(gòu)PCR擴增器的硅芯片的背面圖。
圖4是玻璃蓋板的平面圖。
圖5是自帶微熱盤和測溫電阻的微結(jié)構(gòu)PCR擴增器的背面圖(玻璃蓋板和硅芯片鍵合在一起)。
圖6是具有多層復(fù)合結(jié)構(gòu)微熱盤的PCR擴增器橫截面圖。
圖7是圖6所示結(jié)構(gòu)的正面圖；圖8是圖6所示結(jié)構(gòu)的硅芯片的背面圖。
圖9是圖6所示結(jié)構(gòu)PCR擴增器的背面圖。
圖10是測溫電阻和導(dǎo)熱層不制作在同一層上，具有多層復(fù)合結(jié)構(gòu)微熱盤的PCR擴增器。
發(fā)明的詳細描述為簡化描述，不同附圖中的相同元件使用相同的標號。
本發(fā)明所依據(jù)的基本原理是在加熱電阻和反應(yīng)溶液之間，加入一層熱導(dǎo)率較高的薄膜12，來提高橫向熱傳導(dǎo)的熱流分量，這樣就可以在總的熱流量一定的條件下，有效降低垂直熱傳導(dǎo)的熱流分量從而降低加熱電阻區(qū)的表面溫度，提高電阻條間隔區(qū)的溫度，達到進一步改善溫度分不均勻性的目的。
如圖6所示，電極金屬壓焊點1、1a，用于將芯片和外部的溫控電路相連；氮化硅薄膜2，用作為微熱盤的支撐膜片同時和硅襯底以及玻璃蓋板構(gòu)成微反應(yīng)室；測溫電阻金屬壓焊點，用于和外部的溫控電路中的測溫系統(tǒng)相連；多晶硅加熱電阻3，與溫控電路中的電源相連，用于給微結(jié)構(gòu)PCR擴增器加熱；測溫電阻4，與溫控電路中的測溫電路相連，使測溫電路的溫度傳感器，用于監(jiān)測微結(jié)構(gòu)PCR擴增器的微反應(yīng)室的溫度；二氧化硅層5，用于鈍化硅襯底在微反應(yīng)室內(nèi)的內(nèi)表面，減少硅對PCR擴增反應(yīng)的抑制作用；進樣孔6，用于待擴增樣品的注入；玻璃蓋板7，用于封閉微反應(yīng)室；排氣孔8，用于注入樣品時，排除微反應(yīng)室中的氣體；硅襯底9，整個微反應(yīng)室的支撐結(jié)構(gòu)；10是在硅襯底上腐蝕出的微槽，用于將為反應(yīng)室和進樣孔相連；這樣做的目的是使擴增過程中樣品與外界接觸面積盡量小，使擴增過程中的溶液的密封更容易；微反應(yīng)室11待擴增樣品、探針和用于檢測擴增結(jié)果的熒光物質(zhì)的溶液將在此進行多個溫度循環(huán)，使待測樣品擴增，并檢測，導(dǎo)熱層12，用來提高橫向熱傳導(dǎo)的熱流分量。測溫電阻4、加熱電阻3和導(dǎo)熱層12制作在微反應(yīng)室11內(nèi)，測溫電阻4和導(dǎo)熱層12位于同一層上?？梢圆捎猛环N材料或采用不同種材料。采用同一種材料可以一次淀積，一次光刻形成所要求的圖形。可以采用同一種材料或采用不同種材料。如圖10所示。測溫電阻的材料可以是摻雜多晶硅和重摻雜單晶硅；加熱電阻的材料是金屬和摻雜多晶硅。
加熱電阻可以采用金屬(外置)、多晶硅、金屬硅化物等；測溫電阻可以采用擴散硅、多晶硅等能耐高溫的材料；高熱導(dǎo)率的導(dǎo)熱層可以采用擴散硅、多晶硅、低應(yīng)力氮化硅、氧化鋁、碳化硅等材料。
與自帶微熱盤和測溫電阻的微結(jié)構(gòu)PCR擴增器相比，具有多層復(fù)合結(jié)構(gòu)微熱盤的PCR擴增器從結(jié)構(gòu)上有很大區(qū)別，比較圖2和圖7，新結(jié)構(gòu)的正面只有金屬電極壓焊塊在氮化硅層上，加熱電阻和測溫電阻在正面是看不到的。從正面只能看到金屬電極壓焊塊。比較圖8和圖3，新結(jié)構(gòu)背面微槽內(nèi)能看見內(nèi)置的測溫電阻和導(dǎo)熱層。而自帶微熱盤和測溫電阻的PCR擴增器芯片的背面只能看到氮化硅薄膜和微槽。從橫截面圖1和橫截面圖6可以看出自帶微熱盤和測溫電阻的微結(jié)構(gòu)PCR擴增器的微熱盤比具有多層復(fù)合結(jié)構(gòu)微熱盤的PCR擴增器的微熱盤具有更為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，最大的特點是加熱電阻內(nèi)置，在加熱電阻和溶液之間制作了導(dǎo)熱層(12)。
權(quán)利要求
1.一種具有多層復(fù)合結(jié)構(gòu)微熱盤的PCR擴增器，包括電極金屬壓焊點(1、1a)、氮化硅薄膜(2)、多晶硅加熱電阻(3)、測溫電阻(4)、二氧化硅層(5)、進樣孔(6)、玻璃蓋板(7)、排氣孔(8)、硅襯底(9)、微槽(10)、微反應(yīng)室(11)，其特征在于還包括導(dǎo)熱層(12)，所述的加熱電阻(3)、測溫電阻(4)和導(dǎo)熱層(12)制作在微反應(yīng)時(11)內(nèi)，測溫電阻(4)和加熱電阻(3)制作在同一層上。
2.按權(quán)利要求1所述的擴增器，其特征在于所述的測溫電阻(4)和導(dǎo)熱層(12)位于同一平面上。
3.按權(quán)利要求1所述的擴增器，其特征在于所述的導(dǎo)熱層(12)位于微熱盤的內(nèi)側(cè)。
4.按權(quán)利要求1或2所述的擴增器，其特征在于所述的導(dǎo)熱層(12)采用擴散硅、多晶硅、低應(yīng)力氮化硅、氧化鋁、炭化硅。
5.按權(quán)利要求1或2所述的擴增器，其特征在于所述測溫電阻(4)采用擴散硅或多晶硅。
6.按權(quán)利要求1所述的擴增器，其特征在于所述的加熱電阻(3)采用多晶硅、金屬硅化物。
全文摘要
具有多層復(fù)合結(jié)構(gòu)微熱盤的PCR擴增器，包括電極金屬壓焊點(1、1a)、氮化硅薄膜(2)、多晶硅加熱電阻(3)、測溫電阻(4)、二氧化硅層(5)、進樣孔(6)、玻璃蓋板(7)、排氣孔(8)、硅襯底(9)、微槽(10)、微反應(yīng)室(11)，還包括導(dǎo)熱層(12)，所述的加熱電阻(3)、測溫電阻(4)和導(dǎo)熱層(12)制作在微反應(yīng)室(11)內(nèi)，測溫電阻(4)和加熱電阻(3)制作在同一層上。本發(fā)明在加熱電阻和反應(yīng)溶液之間加入厚度適當?shù)木哂懈邿釋?dǎo)率的薄膜，保證高加熱效率和低功耗的前提下，實現(xiàn)最好的溫度分布均勻性。避免了加熱電阻直接與DNA反應(yīng)溶液直接接觸造成的局部過熱導(dǎo)致的生物高分子在加熱電極周圍凝聚現(xiàn)象。
文檔編號C12Q1/68GK1394963SQ0112021
公開日2003年2月5日 申請日期2001年7月6日 優(yōu)先權(quán)日2001年7月6日
發(fā)明者于中堯, 崔大付, 趙湛 申請人:中國科學院電子學研究所