（物理电子学专业论文）集成型pcr芯片的研究.pdf

幢 摘要 摘要 p c r 芯片是进行d n a 聚合酶链式反应的芯片，温控部分的搭构是决定整 个p c r 芯片性能、尺寸、集成化的重要组成部分。热电材料非常适用于对微小 体积进行温度控制，我们恰好可以利用它的这一特性对微结构p c r ：芯片进行温 度控制。综合国内外在微结构热电模型方面的研究成果，并结合薄膜技术与 m e m s 技术，实现了集成型微结构p c r ：吝片。该p c r 芯片上集成了d n a 反应 室、微通道、温度传感器以及热电材料温控层等功能和部件。整体尺寸为8 m m 4 m m 2 m m 。利用深刻蚀技术制作出了反应室，大小为4 m mx2 m mx o 3 m m ，容积约为2 微升。反应室的底为约2 微米厚的氮化硅( s i 3 n 4 ) 膜。在 s i 3 n 4 膜上利用光刻和沉积等工艺手段，可以制作出铂电阻温度传感器，用于控 制反应室温度。在反应室底部制作出了微结构的热电控温层。该控温层是将热电 材料依照珀尔帖模型排列串连而成。热电薄膜部分厚度为0 4 微米，整个温控部 分厚度为1 2 微米。且根据珀尔帖效应的特性，可通过改变电流方向，轻松实现 对反应室升温及降温操作的切换。这样的集成型微结构p c r ：卷片尺寸小，功耗 低，且只要接入电流即可工作，这将大大方便使用人员的操作，可以很方便地应 用在医疗诊断、野外生化分析等领域。并且，对于生物芯片的最高发展目标 芯片实验室( l a bo nac h i p ) ，微结构集成型的p c r 功能组件也将大大推动芯片 实验室的可实现性，且大大提高整个芯片实验室的集成度。论文包括了对p c r ：卷片的结构设计，以及芯片工作参数的计算，并利用a n s y s 有限元分析软件对 于设计结构进行了热分布的仿真。对于该集成型微结构p c r ：i ! ! ：= 片的制造，论文 详细介绍了其m e m s 工艺步骤中的要点和难点。 关键词：微结构、集成、p c r 、热电 集成型p c r 芯 的研究 p c r c h i pi n t e g r a t e dw i t ht h e r m o e l e c t r i ct e m p e r a t u r ec o n t r o l z h a oy a n q i n g ( p h y s i c a le l e c t r o n i c s ) d i r e c t e db yc u id a f u a b s 仃a c t p c r c h i pi s af u n c t i o nb i o c h i pf o rd n ap o l y m e r a s ec h a i nr e a c t i o n t h e t e m p e r a t u r ec o n t r o ls e c t i o ni ss oi m p o n a n tt h a ti td e c i d e st h ep e r f o r m a n c e ，d i m e n s i o n ， i n t e g r a t i o no ft h ew h o l ec h i p t h e r m o e l e c t r i cm a t e r i a lh a sp a r t i c u l a rm e r i tf o rm i c r o v o l u m et e m p e r a t u r ec o n t r o l ，w h i c hm a k ei tb e c o m et h ei d e a lm a t e r i a lt os t r u c t u r et h e t e m p e r a t u r ec o n t r o ls e c t i o no ft h e m i c r o f a b r i c a t e dp c r c h i p i nr e f e r e n c et o t h e a c h i e v e m e n t sd o m e s t i ca n da b r o a d ，a b o u tt h em i c r o f a b r i c a t e dt h e r m o e l e c t r i cm o d e l s ， t h ei n t e g r a t e dm i c r o - f a b r i c a t e d p c r c h i p c a nb em a d ew i t h h e l po ft h i n - - f i l m t e c h n o l o g ya n dm e m st e c h n o l o g y t h ec h i pc o m p o s e so fc h a m b e r , c h a n n e l ， t e m p e r a t u r es e n s o ra n dt h e r m o e l e c t r i ct e m p e r a t u r ec o n t r o ls e c t i o n t h ew h o l e d i m e n s i o ni s8 m mx4 m m 2 m m t h ev o h n n eo fc h a m b e ri sr o u g h l y2m i c r o - l i t e r s w i t ht h es i z eo f4 m m 2 r n m 0 3 m m t h eb o s o mo fc h a m b e ri sc o n s t r u c t e db yt h e f i l mo fs i 3 n 4w i t ht h et h i c k n e s so f2m i c r o m e t e r s t h ep l a t i n u mt e m p e r a t u r es e n s o ri s d e p o s i t e do nt h es i 3 n 4f i l m t h et h e r m o e l e c t r i cm a t e r i a li sd e p o s i t e do n t ot h eb o s o m o fc h a m b e r t h i sl a y e ri ss t r u c t u r e db yas e r i e so fp e l t i e rm o d e l s t h et h i c k n e s so ft h e t h e r m o e l e c t r i cf i l mi s0 4l am ，a n dt h et h i c k n e s so ft h ew h o l et e m p e r a t u r ec o n t r o l s e c t i o ni s1 2l am f u r t h e r m o r e ，w ec a ns w i t c he a s i l yb e t w e e nh e a t i n ga n dc o o l i n g s t a t u sb yc h a n g i n gt h ed i r e c t i o no ft h ec u r r e n t t h ei n t e g r a t e dm i c r o f a b r i c a t e d p c r c h i pi sm i n i a t u r i z e d ，l o w p o w e r e d ，a n de a s y - o p e r a t e d ，w h i c h w i l l b r i n g r e m a r k a b l ec o n v e n i e n c et ot h eo p e r a t o r s i tc a nb ev e r ye x p e d i e n t l ya p p l i e dt ot h e m e d i c a l ，e n v i r o n m e n ta n a l y s i si no u t d o o r i tw i l la l s og r e a t l yp r o m o t et h er e a l i z a t i o n i i - ， - p - 摘要 a n di n t e g r a t i o no fl a b o n a c h i p ，w h i c hi s t h et i p t o pg o a lo fb i o c h i p t h i st h e s i s i n c l u d e ss t r u c t u r ed e s i g no ft h ep c r c h i p ，c a l c u l a t i o no ft h ew o r k i n gp a r a m e t e r s ，a n d e m u l a t i o no ft h eh e a td i s t r i b u t i o n u s i n ga n s y sa n a l y s i s s o f t w a r e p a r t i c u l a r i n t r o d u c t i o no f t h em a i ns t e p sa n dd i f f i c u l t i e sa r ea l s od i s c u s s e di nt h i st h e s i s k e y w o r d s ：m i c r o f a b r i c a t e d ，i n t e g r a t e d ，p c r ，t h e r m o e l e c t r i c i l 研究成果声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是我本人在指导教师的指导 下进行的研究工作获得的研究成果。尽我所知，文中除特别标注和致 谢的地方外，学位论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得中国科学院电子学研究所或其它教育机构的学位 或证书所使用过的材料。与我一同工作的合作者对此研究工作所做的 任何贡献均已在学位论文中作了明确的说明并表示了谢意。 特此申明。 签名：灸蓝昔日期：澎、f 形 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解中国科学院电子学研究所有关保留、使用学位论 文的规定，其中包括：电子所有权保管、并向有关部门送交学位论 文的原件与复印件；电子所可以采用影印、缩印或其他复制手段复 制并保存学位论文；电子所可允许学位论文被查阅或借阅；电子 所可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；电子所可以公 布学位论文的全部或部分内容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。 日期：洳z 、f 日期：珈6 6 ，佑 ；f i 一章前南 第一章前言 生物芯片对于生物信息技术的发展带来了革命性的变化。p c r 扩增反应 芯片是生物芯片的重要组成部分，用来实现d n a 聚合酶链式反应( p o l y m e r a s e c h a i nr e a c t i o n - p c r ) ，这是d n a 检测中的重要环节。它结合了微电子机械系 统( m i c r oe l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m m e m s ) 技术与薄膜制造技术，并将其 应用于生物化学领域中。p c r 技术是分子生物学发展史上的一个里程碑，它使 得d n a 分子可以在生物体外进行放大扩增，实现了自动化、快速、灵敏的反 应。一经问世，在短短的数年内，就被广泛用于了生命科学的研究中，对基因克 隆、d n a 系列分析等现代分子生物学技术的发展起到了很大的推动作用。 本章主要包括对生物芯片技术以及p c r 扩增技术的简要介绍和发展近 况，以及b i o m e m s 技术的发展概况。 1 生物芯片的意义与发展 生物芯片( b i o c h i p ) 技术是近几年发展起来的高通量检测技术，它结合了微 电子、微机械、物理化学及计算机等技术，利用平面微细加工技术，在固体芯 片表面构建的微流体分析单元和系统，以实现对细胞、蛋白质、核酸及其它生 物组分的准确、快速、大信息量的检测。将生命科学研究中不连续的分析过程( 如 样n t 7 - n 1t 巾- 0 备、化学反应和分析检测) 连续化、集成化、微型化 1 】。 1 1 生物芯片的主要类型 生物：占片主要包括d n a 芯片、蛋白芯片及芯片实验室三大领域。 d n a ：占片 d n a ：占片是生物芯片中最基础、研究开发最早、最为成熟的产品，也是 目前应用最广泛的产品。作为生物芯片的一种，d n a 芯片有许多同义词，如基 因：占片( g e n e c h i p ) 、d n a 微芯片( d n am i c r o c h i p ) ，d n a 阵歹i j ( d n aa r r a y ) 、d n a 微阵歹i j ( d n a m i c r o ，a r r a y ) ；此外由于d n a 是一种寡核苷酸，所以也称为寡核苷 酸阵列或芯片( o l i g o n u c l e o t i d ea r r a y ) 2 3 。目前d n a 芯片已出现多种类型和结 集成型p c r 芯 的研究 构，制造d n aj 吝片也有多种技术。其基本原理是基因探针与特异寡聚核苷酸 的碱基互补。 最为代表性的是二维平面点阵结构d n a 芯片，是采用微电子集成电路f i c ) 制造工艺技术或点样印刷、喷墨技术来制造。用i c 技术可制作高、中、低不同 d n a 探针密度的芯片；而点样印刷和喷墨技术主要制作廉价的低密度d n a 探 针点阵芯片。另外一种类型芯片是三维结构d n a 芯片，是采用微电子机械系 统( m i c r oe l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m m e m s ) 技术制造的。这种三维微结构 的d n a 芯片可以具有单一功能，也可以是集成化多功能的微系统。 d n a 芯片综合应用了生物学、化学以及工程技术科学等学科的众多相关 技术。这一技术由美国a f f y m e t r i x 公司率先研制出来。与传统测序技术相比 它的突出优点是整个检测过程快速高效。由于探针阵列具有高度的序列多样性， 它可以同时对大量基因、乃至整个基因组进行扫描分析，从而能够使人们从一 个更高的层次来全面研究基因的功能，分析不同基因之间的生物相关性 4 6 】。 本文研究的p c r 芯片就是d n a 芯片的一种。 蛋白质芯片 蛋白质芯片，也叫蛋白质微阵# t j ( p r o t e i nm i c r o a r r a y ) ，是将大量蛋白质有规 则地固定到某种介质载体上，利用蛋白质与蛋白质、酶与底物、蛋白质与其他 小分子之间的相互作用，检测分析蛋白质的一项技术。 蛋白质芯片一般在固相支持物( 载体) 表面固定大量蛋白探针( 可以是抗 原、抗体，受体、配体、酶、底物等) ，形成高密度排列的蛋白质点阵。利用这 种芯片和含有未知蛋白质的液体( 体液、细胞和组织提取物) 进行孵育反应， 反应后用相应的检测系统进行检测，最后应用计算机分析和比较相应蛋白质的 表达情况。蛋白质芯片根据相互作用原理可分为抗原一抗体芯片，受体一配体芯 片，酶一底物芯片和多肽芯片等。 蛋白质芯片与d n a 芯片的基本原理相同，但它利用抗体与抗原结合的特 异性即免疫反应。蛋白质芯片以蛋白质代替d n a 作为检测目的物，比d n a ：占 片更进一步的接近生命活动的物质层面，因而有着比d n a 芯片更加直接的应 用前景。就人类基因组来晚，得到序列仅是第一步，更艰巨的任务是收集、整 第一章前高 理、检索和分析序列中表达的蛋白质及其结构与功能的信息，以全而破解主导 人体内化学反应的蛋白质、这些蛋白质的功能及相互问的关系及它们引发疾病 的原理。蛋白质：出片作为检测蛋白质存在和运动变化的高效：i ：具，将发挥越来 越大的作用【7 - l o 。 芯片实验室 芯片实验室是生物：占片技术发展的最高阶段。它是一种高度集成化的芯 片，是集样品制备、基因扩增、核酸标记及检测为一体的便携式生物分析系统。 通常的生化分析包括对被测样品的纯化、提取、分离、反应等诸多步骤， 在这些过程中还要根据需要加入必要的试剂、酶等反应物。因此，生化分析需 要很多仪器和较大的空间，同时需要消耗较多的生物样品、试剂以及昂贵的酶。 所谓的芯片实验室( l a bo nac h i p ) 就是通过像集成电路制作过程中半导体光刻 加工那样的缩微技术，将现在生命科学研究中许多不连续的、离散的分析过程， 如样品制备、化学反应和定性、定量检测等手段集成于指甲盖大小的硅芯片或 玻璃：芯片上，使这些分析过程连续化和微型化。也就是说，将现在需要几间实 验室、检验室完成的技术，微缩在芯片上完成。利用实验室芯片可以制作成具 有不同用途的便携式生化分析仪，使生物学分析过程全自动化、分析速度成千 上万倍地提高，所需样品及化学试剂则成千上万倍地减少1 1 - 1 5 1 。 ： ：! ：片实验室的研究中最具代表性的研究成果是m i c h i g a n 大学的m a b u m s 等人研制的一种纳升级芯片。芯片上包含微流体通道、加热器、温度 传感器以及荧光探测器等 1 6 1 。芯片可以混合液体试剂和含有d n a 分子的样品 溶液，可以进行d n a 扩增，分离和检测。在样品的处理和分析中无须额外的 透镜、加热器或机械泵。：占片中有两条液体样品通道，凝胶电泳通道。除了控 制电路和数据处理电路，唯一没有集成在硅片上的电子器件是电泳通道上的激 发光源。芯片上可以分为三个区域：液体样品混合、计量部分；d n a 扩增放大 部分；d a n 电泳分离和检测部分。其结构示意图如图1 所示。 芯片是粘合在印刷电路板上。这样的：占片是利用传统的微电子： 艺制作 的，：卷片完全可以组装成一个复杂的、低功耗的、廉价的集成微型分析系统， 构成一个便携的微型d n a 分析仪器用于疾病的快速诊断。 集成型p c r ：卷片的研究 图1m a b u m s 等人研制的纳升级分析芯片结构示意图 1 2 生物芯片技术的意义 生物芯片技术相对于传统生化分析方法的优点是 1 7 ： 1 ) 信号响应快，分析速度快。 2 ) 大大降低分析样本以及化学试剂的用量。 3 ) 易实现微型化、集成化、自动化，方便制成便携式仪器。 4 ) 可以形成相对封闭的检测环境，从而大大拓宽了检测的适应温度、湿 度和p h 值范围。 生物芯片技术充分利用了生物科学、信息学等当今带头学科的成果，在农 业、药业、餐饮业、医学、生命科学、环境科学等凡与生命活动有关的领域中 均具有重大的应用前景。它不仅为人类认识生命的起源、遗传、发育与进化、 为人类疾病的诊断、治疗和防治开辟全新的途径，为生物大分子的全新设计和 药物开发药物基因组学研究提供技术支撑平台，另一方面还使生命科学研究的 思维方式经历一场深刻变化，促使我们以一种综合、全面、系统的观点来研究 生命现象。生物芯片技术作为新一代生物技术，将从根本上改变目前生物学和 生物技术的观念和效率，掀起一次具有深远意义的科学技术革命。 4 第一章前言 2 b i o m e m s 技术 b i o m e m s 投术是指m e m s ( m i c r oe l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m ，微电子机 械系统) 技术在生物学领域中应用的微制造技术。成为m e m s 技术研究开发中 的重要领域。m e m s 技术是在微电子器件制造工艺技术( 也简称集成电路i c 制造技术) 基础上进步融入微机械加工技术，并把两者结合起来的微制造技 术。它包括了常规平面工艺中的光刻、氧化、扩散、c v d 生长、镀膜、压焊等， 又增加了三维加工工艺，如双面光刻、各向异性和各向同性化学腐蚀、等离子 深刻蚀、l i g a 技术、硅一硅键合、硅一玻璃键合等等。加工尺度在微米、纳 米级，从而形成了完整的m e m s 技术 1 8 。如果说6 0 年代发展了i c 技术，那 么8 0 年代是m e m s 技术的兴起。先后制造出微马达、微传感器、微泵、微阀、 微喷头，以及进一步扩展到生物、化学领域，把这种高新技术用于研制生物、 化学分析：苍片和系统，研制出微扩增器、毛细管电泳芯片、微流通池、三维d n a 芯片，直至l a bo nac h i p 或u t a s 芯片等，形成了一个崭新的b i o m e m s 研 究领域。b i o m e m s 器件及系统现已成为m e m s 技术应用市场中发展最快的领 域，特别是在药物的发现和筛选、疾病诊断、生物信息遥测和基因检测分析等 方面。 b i o m e m s 器件制造不同于i c 芯片的一个重要特点是由于市场的要求和 在材料、物理结构、输入一输出方式、产品种类等方面的多样性、可变性，而 不断寻求更有效、更廉价的制造材料，更好的结构和制造工艺规范，以实现 b i o m e m s 器件与系统的应用。值得提出的是，这种微型d n a 芯片和微分析 系统与传统的分析系统相比具有很多优点：小型便携、分析速度快( 可以提高 2 3 数量级) 、所需样品量少( 只需几微升甚至纳升级) 、污染大大减少( 可以 采用一次性使用器件) 、实现l 临床实时分析、性能价格比高、便于批量生产制造 等等。所以是d n a 分析检测系统与技术的重大革命，将成为新世纪的一项主 导产业，有巨大的经济效益和社会效益。 3 p c r 芯片概述 所谓p c r ，是指d n a 聚合酶链式反应( p o l y m e r a s ec h a i nr e a c t i o n ) 。它 集成型p c r 芯片的研究 是d n a 检测中的重要的环节，是对微量d n a 进行扩增放大的一种生化反应。 p c r ：墨片是生物：醛片的一种，与电子学类比，p c r ：芯片在生物芯片中的作用类 似于微电子集成电路中的放大器，所以晚它是一个生化反应的基本的元件，在 整个生物芯片的研究和发展中起着重要的作用。p c r 芯片利用了微电子技术、 微机械加工技术，使得d n a 分子可以在生物体外进行放大扩增，实现了自动 化，快速、灵敏。 p c r 扩增原理： 为什么要进行d n a 的扩增? 般情况下，d n a 样品常常只有很低的浓 度，且太低不能进行任何的直接测试或试验。因此，必须进行化学放大扩增， 以增加d n a 样品的浓度。扩增是由一系列的反应组成的，使得d n a 分子或碎 片复制，这样不断的循环，直到d n a 的分子的数量足以被用于试验。 d n a 的扩增在体内是由细胞内有关因子参与下，双螺旋的d n a 分子被松 解为2 条单链；然后在引物酶的作用下合成d n a 引物，引物与单链d n a 碱基 互补配对，形成引物单链d n a 复合物；在d n a 聚合酶作用下，沿5 一3 方向， 按碱基配对的原则，在引物3 端开始，逐一将互补的d n t p 接上，最终形成一 条新的双链d n a 分子。 d n a 分子在体外的扩增模拟了体内的三个步骤。首先在9 5 。c 的高温下加 热具有双链结构的样品d n a ，双链间的氢键会断裂，使得d n a 热分解成两条 单链的分子。这一过程称为高温变性。然后，迅速降低温度到5 5 。c ，在这个温 度下，单链d n a 与引物按碱基配对的原则互补结合。这一过程称为退火。最 后，把温度升到7 2 。c 进行d n a 的延伸反应。在聚合酶以及镁离子等存在的条 件下，从引物的3 端开始结合单核苷酸，形成与模板互补的新的d n a 。p c r 扩增的原理类似于d n a 的天然复制过程，其特异性依赖于与靶序列两端互补 的寡核苷酸引物。所以，p c r - - d n a 扩增可以总结为由高温变性、低温退火( 复 性) 、中温延伸三个基本反应步骤构成。经过这样三个反应后，一个d n a 双链 分子就形成了两个d n a 分子，增加了一倍 1 9 1 。循环重复变性一退火一延伸三 个过程，就可获得更多的复制d n a 双链，而且这种新链又可成为下次循环的 模板。每完成一个循环需2 4 分钟，2 3 小时就能将待检测的基因扩增放大 几百万倍，达到可分析和检测的目的。 我们可以看到，p c r 扩增过程的实现主要依赖于一个良好的温度循环平 台。它应满足以下几点要求 2 0 ： ( 1 ) 温度场分布的均匀性，即d n a 反应物在容器里受热要尽可能均等。 ( 2 ) 温度控制的精度。因为d n a 扩增的三个步骤是在三个特定的温度 下进行的。 ( 3 ) 重复性。扩增是要进行多达数十次的循环刁+ 能完成，因此对温度、 时间等的物理量的控制要有很好的重复性。 ( 4 ) 加热和冷却的速度。温度变化的速度影响放大反应的正常进行以及 最终所用的时间。 ( 5 ) 可靠性。无疑这是对任何一种器件的要求。 ( 6 ) 试验和操作的综合成本。比如能源的消耗、污染的控制、操作的难 易等。 ( 7 ) 物理尺寸。特别是对反应池的要求，越小越适应实际的应用。 本文采用了利用珀尔贴效应的半导体制冷材料，结合微机械加工技术制成 的控温层，并辅以高精度控温铂电阻温度传感器。其具体结构参数等详见后面 章节。 4 本论文结构和内容简介 本课题承担了自然科学基金重大和重点项目课题，进行基于m e m s 技术 的d n a 芯片( 项目编号：6 9 9 3 6 0 1 0 ) ，控温反应器及其集成化( 项目编号： 2 0 2 9 9 0 3 0 ) 的相关研究。 本论文集成型p c r 芯片的研究是对p c r 技术、m e m s 技术以及薄膜制备 技术在微结构集成型p c r ：签片方面的综合性应用，将从生物芯片的研究背景、 p c r 技术的发展、工艺、材料、有限元计算机模拟以及对d n a 的扩增分析测 试等方面进行论述，论文总共由5 章组成。第l 章前言，从三方面概述了基于 b i o m e m s 技术的p c r 芯片的研究所涉及的背景：生物芯片技术的发展、p c r 技术的发展以及b i o m e m s 技术的发展。第2 章p c r 芯片的研究现状，回顾 了近年来世界各国科学家在p c r 生物芯片以及利用热电材料制作微结构控温 层的研究方面所取得的进步和结果。可以看出利用热电材料制成微结构的控温 集成型? c r 卷j 的研究 层，并将其应用于对p c r 芯片的温度循环控制，这对于p c r ：卷片的微型化、 集成化会具有很高的价值。第3 章p c r 芯片的结构设计，设计重点在于如何将 微结构热电控温层加入到原有p c r 芯片中。主要包括：热电效应原理的介绍， 热电层性能参数，集成型p c r 芯片的结构设计，：醛片工作参数的计算。另外， 还利用a n s y s 有限元分析软件对于设计结构进行了仿真。第4 章p c r 芯片的 制造工艺，详细介绍了利用m e m s 技术制作芯片的完整过程，并对关键步骤给 予具体分析说明。其中，对于热电控温层的制作给出了详细的阐述，并针对多 组实验结果进行了分析比较。第5 章结论，全面总结了本论文研究的特点和创 新点，并对下一步的研究工作提出了一些建议。 第二章p c r 芯片的研究现状 p c r 扩增过程的实现主要依赖于一个良好的温度循环平台。因此，p c r 芯片制作中的一个重要问题就是，运用何种材料，以何种形式，对反应样本进 行温度循环过程。早期的p c r 扩增仪采用在固定的温度场之问移动p c r 反应 试管的方式，其特点是温度控制的精度高，而缺点是仪器的机械结构复杂。另 外，在已经商品化的传统的p c r 扩增仪中，降温过程一般由仪器内部加入的 p e l t i e r 部件实现。这些p e l t i e r 部件多为已经商业化的成品制冷零部件，一般体 积较大，功耗也较高。所以此类p c r 扩增仪工作时，往往以批量的形式，而在 个体型实验，灵活性方面有明显欠缺。并且，此类p c r 扩增仪体积庞大，功耗 高，都限制了其灵活方便的使用。如果能够出现一种微结构集成型的p c r 扩增 芯片，类似于现已成熟的各种电子类芯片，尺寸小，功耗低，且只要接入电流 即可工作，这将大大方便实验人员的操作。并且，对于生物芯片的最高发展目 标：占片实验室( l a bo nac h i p ) ，微结构集成型的p c r 功能组件也将大大推 动芯片实验室的可实现性，且大大提高整个芯片实验室的集成度。而具有p e l t i e r 效应的热电材料恰恰满足了我们的这种需要。因此，如何在原有p c r 芯片的基 础上制作出微结构的热电控温层，从而形成微结构集成型的p c r 芯片就是本论 文的主要工作。本章将首先简要回顾下p c r 扩增的传统实现技术，并介绍一 下原有p c r 芯片的基本情况和主要问题；针对于微结构热电控温层的实现，挑 选了相关研究领域几个比较成熟的研究成果作以介绍。 1 传统的p c r 扩增器件 p c r 扩增仪的研究已经有很多年的历史了，现在已经有很多商业化的p c r 扩增仪投入使用。传统的p c r 扩增仪，温度的变换可以采用固定的方式，也可 以采取变换的方式。在固定的温度场中，实现温度的变换是靠移动p c r 反应试 管的方式，其特点是温度控制的精度高。缺点是仪器的机械结构复杂，且体积 大，功耗高。所以此类p c r 扩增仪工作时，往往以批量的形式，而在个体型实 验，灵活性方面有明显欠缺。并且，此类p c r 扩增仪体积庞大，功耗高，都限 集成型p c r 芯片的研究 制了其灵活方便的使用。 近年来，我所科研人员设计成功了一种微结构p c r 扩增芯片 2 1 。它基于 m e m s 技术加工而成，外形类似于电子类芯片，尺寸小，功耗低，顺应了仪器 小型化、微型化的发展潮流。该芯片用硅材料实现的，其大小为8 m m 4 m m 0 3m m ，利用标准的光刻制板工艺，m e m s 深刻蚀技术制作出一个4 m m 2 m m 0 3m m 容积约为2 微升的反应室。反应室的底为约2 微米厚的氮化硅 ( s i 3 1 , 1 4 ) 膜。在s i 3 n 4 膜上沉积并制作出铂加热子图形和温度传感器图形。图 2 、图3 分别示出了该p c r 芯片的结构剖面图以及芯片底层的加热子和传感器 图形。 图2 微结构p c r 芯片剖面结构示意图 图3 微结构p c r 芯片的加热子和传感器图形 从上面的设计可以看出，该p c r 芯片利用m e m s 制造工艺的手段，制作 出了集成了d n a 反应室，微通道、温度传感器以及加热体等部分的功能性芯 片，初步实现了微结构p c r 芯片的搭构。但该：芯片尚存在一些问题，主要集中 于温度循环过程的实现。在第l 章中已经介绍过，p c r 反应的过程主要分为三 步：高温变性，需要将样品升温至9 5 。c ；退火，需要将样本迅速降温至5 5 。c ； 延伸反应，将样本再次升温至7 2 。c 。这样的三个过程不断循环往复，直至得到 q n ：暮4 黝网口固嘲一 第一章p c r ：出外的究脱状 我们所需要的扩增结果，一般需要数十次的循环。原有p c r 芯片通过制作铂加 热子图形实现了三步中的升温过程，而降温过程则采用自然冷却的方法实现。 而这种方式必然会使降温速率慢，从而导致整个扩增反应时间长，效率低。如 果采用市场上的成品p e l t i e r 部件，由于其尺寸相对于该p c r 芯片的尺寸过大， 会导致整个：占片的尺寸显著增加，这就丧失了该p c r 芯片微型化、集成化的优 点了。 但是，用来制作p e l t i e r 器件的热电材料给了我们很大启发，由于其具有 p e l t i e r 效应，即在通入电流的情况下，会使器件一端发生吸热现象，而另一端 发生放热现象。并且，今年来，随着m e m s 技术的不断发展，尤其是b i o - m e m s 技术的迅速发展，使得我们有可能利用热电材料具有p e l t i e r 效应这一特性，仿 效p e l t i e r 器件的制作方法，接合薄膜制造工艺，制作出具有微结构的p e l t i e r 模 型，并将其集成入原有p c r 芯片的底部，以实现对降温过程的需要。另外，鉴 于p e l t i e r 效应可以通过改变电流方向轻松实现升温和降温的转换的特点，该制 冷层还可以同样完成升温过程，即可替代原有铂加热子的功能。这样就轻松实 现了p c r 反应所需的温度循环的控制，并且保证了芯片的微型化、集成化的优 点。 基于这样的想法，本论文的核心任务就是：制作微结构的热电薄膜控温层 以及将该微结构热电控温层与原有p c r 芯片相结合。而针对于微结构热电模 型，国内外已有一定数量的研究成果，下面就这一部分对其相关研究成果作以 简要介绍。 2 国内外微型热电模型的研究概况 现在，国内外各研究院所对于微型热电模型的研究主要集中于对微型热电 发电器的研究，而对于微型制冷器的研究较少。但是由于热电发电与热电制冷 所利用的原理具有互逆性，所以这两种微器件其实际结构设计和制作工艺实施 都是可以相互参考的。本文提出的微型热电制冷模型的设计主要参考了国内外 对于微型制冷j 吝片以及微型发电器的一些研究成果。具体如下： ( 1 ) 清华大学材料工程系，李敬锋研究组，利用m e m s 技术结合材料) j n z 技 集成型p c r 苎 的研究 术，采用“硅模工艺”来制备微型热电器件【2 2 2 3 】。其中，如何使p 型柱和n 型柱交错排列，并连接成p n 结是利用硅模工艺制备微型热电器件的关键技术。 作者发明了在硅晶片的两面加工出微孔阵列，往一面的微i l 阵列填入p 型材料， 往另一面的微孔中填入n 型材料，然后同时成型的新方法。其工艺流程参见图 4 所示。 图4 制备微型热电器件的“硅模 ：艺”的基本流程不意图 微孔的边长为4 0 1 1 m ，深度大约3 0 0 u m ，上下面的同类孔间距为1 0 0 p m 。 在上下面的微孔中分别填入p 型和n 型热电材料之后，将上下两面进行精密研 磨使反面的微孔底部露出，然后再利用掩模和喷镀金属层等微加工工艺将所有 的p n 结串联起来，组装成热电器件后将硅模利用x e f 2 干法腐蚀的方法去掉。 在材料选择方面，热电材料主要选用b i s b t e 合金，其中p 型材料为： p z s 勋n ，s ) ：眠。，s e 。一n 型材料为：( b i z 死，o ，( b i 2 s b 3 ) 。：，+ o 0 5 m a s s s b l ，。 纯铁粉末用来喷镀金属电极。 上下s i 称底面积分别为2 0 x2 0 r a m z ，厚度为4 0 0l am ，中间的热电组件部 分的面积为1 0 l o m m 2 ，每面包括1 0 0 0 0 个边长为4 0um ，深度大约3 0 0um 的微孔。图5 示出了用于制备微型热电器件的硅模的扫描电镜照片。 图5 用于制备微型热电器件的硅模的扫描电镜照片 ( 2 ) 基于b i 2 t e 3 ，( b i ，s b ) 2 t e 3 材料，热电材料部分厚度为几十微米厚的微型热 电制冷器。通过传统的薄膜技术和微机械加工技术制作而成 2 4 2 5 】。 该工艺基于双基片工艺，具体的说就是芯片一芯片、芯片一基片、基片一 基片的软焊。这种双基片技术仅针对于一定的p 型( n 型) 材料的沉积厚度， 并在接触电极上粘黏上过量的热电材料。另外，还需要能够刻蚀几十微米厚的 热电材料的深刻蚀技术。 图6 双基片：r 艺的示意图及其加：1 成品 上图中，左侧为双基片工艺的示意图。基片i 上沉积有底层金属电极和n 型热电材料柱，基片i i 上沉积有上层金属电极昶1p 型热电材料柱，然后将二者 错开，对应相对位置软焊连接在一起。 右侧为用双基片方法制备的微型制冷器在某无线通讯设备上的应用实例。 激光器所在一侧为被制冷端，尺寸为6 5 0 pl i l 5 5 0um ，基片厚度约为2 0 0 t a 集成型p c r ：计的 i i f 究 m ，热电材料厚度为2 0um 。 n 型的b i 2 t e 3 和p 型的( b i ，s b ) 2 t e 3 材料都是通过联合溅射的方法制备的。 所谓联合溅射的方法，就是同时从分别含有9 9 9 9 5 的b i 和t e ( 或b i ，s b ， t e ) 的靶溅射到已制备好的电极上。金属电极做在s i 0 2 膜上。过程中有效控制 各组分配比。当材料生长方向与c 轴方向相垂直时，器件的热传递性能最好。 热电材料沉积后的参数特性： 优值z = 1 5 3 x 1 0 3 k 1 ，塞贝克系数s = 1 1 5 2 4 0 , u v k ，电导率 o - = 6 0 0 3 5 0 0 q o r b ，电导率k = 2 3 w m - 1 k 。 p e l t i e r 制冷器的参数：室温下净降温量为l l k ，几兆秒的快速响应时间。 热电发电器的输出功率：微型发电器：在给定温差为5 k 时，最大输出功 率为：o 6 7 pw 。 ( 3 ) l u c i a n a w 等人使用n 型( b i 2 t e 3 ) p 型( s b 2 t e 3 ) 材料薄膜( 约4 um 厚) 制成的柱型微型热电制冷器 2 6 】。其热电薄膜的制备使用的是联合电子束蒸发 的方法，按规定图案排列在c r a u t i p t 电极上。该金属电极溅射在s i 0 2 上。 热电柱高度为4 “m ，由于t e 的沉积率的影响限制了热电柱的高度。该制冷器 工作电压为3 v ，实现对传感器降温1 0 。 图7 用于微型气体传感器的微型热叱制冷器 第二章p c r 占”的研究现状 图7 为用于微型气体传感器的微型热电制冷器。其中，上面一图为整个模 型示意图，下面一图为热电柱剖面结构示意图，各种能量转换机制( 包括焦耳 热和珀尔贴制冷( 制热) 热量) 以及热量传递路径的示意图。 b i 2 t e 3 与s b 2 t e 3 热电薄膜的制备： 采用联合电子束蒸发的方法进行制备。将要制备的b i 2 t e 3 或s b 2 t e 3 所需 的元素的9 9 5 纯度的粉末置于具有独立电源的钼锅里，并以一定速度旋转。 将称底置于上方，控制元素的混合比例，并检测化合物沉积厚度。 b i 2 t e 3 与s b 2 t e 3 热电薄膜的特性： 通过分散能量x 射线法( e d x ) 测得：随着薄膜厚度方向的变化，原子 个数比变化的上下幅度为1 0 。另外，检测结果证实b i 2 t e 3 与s b 2 t e 3 薄膜为多 晶薄膜。其参数特性下图所示。 图8 窒温下测得的b i 2 r e 3 ( b i 至b 6 ) 与s b 2 t e 3 ( s i 至s 6 ) 在各种情况下的参数特性 从上图可以看出，塞贝克系数随t e 含量的增长而增长( s 3 ，s 4 ，s 6 ) 。 称底温度的升高会使电阻率降低( s 2 ，s 3 ) ，塞贝克系数增加。 选用材料参数：电阻率p 2 1 0 4 。1 0 。5 q m ，塞贝克系数口2 1 7 1 矿足。 图9 中介绍了用于“联合电子束蒸发”方法制作的微结构热电制冷模型。 图a 为结构各部分尺寸，图b 为通过电子隧道显微镜( s e m ) 看到的一个微结 构热电单元的俯视图。图c 为通过s e m 看到的5 0 个热电单元的俯视图。该制 冷器的硅称底同时起到热沉的作用。上面有8 5 0 n m 的s i 0 2 电绝缘层。底层电 极的光刻胶用l i f t o f f 的方法剥落。底层电极为c r ( 2 0 n m ) a u ( 2 0 0 n m ) p t ( 2 0 n m ) t i ( 2 0 n m ) ，通过电子束蒸发的方法制备。p t 与热电柱具有更好的粘黏性，用来 防止金的扩散。热电柱在蒸发前用a z 9 2 4 5 胶光刻出模型。当热电柱沉积好后， 除去光刻胶。每个微型制冷器由多达3 0 0 个热电单元构成，每个热电柱的截面 为7um 7pm 。 集成型p c r ：出 的研究 3 小结 图9 制冷器的结构图 集成了d n a 反应室，微通道、温度传感器以及热电加热层的微结构p c r 扩增芯片，尺寸小，功耗低，集成度高，且使用方便。并且，对于生物芯片的 最高发展目标芯片实验室( l a bo nac h i p ) ，微结构集成型的p c r 功能组件 也将大大推动芯片实验室的可实现性，且大大提高整个芯片实验室的集成度。 运用具有p e l t i e r 效应的热电材料制作微结构的控温模型也同益成为一个很热的 领域，且随着m e m s 技术与薄膜工艺的日趋发展，此类模型将得到不断的完善。 但该领域虽已有一定成果，但将其应用于微结构p c r 芯片以作为其控温层，还 未见报道且具有一定攻关难度。 第三章p c r 芯片的结构设计 本论文的核心任务是制作微结构的热电薄膜控温层以及将该微结构热电 控温层与原有p c r 芯片相结合。而热电控温层的搭构主要基于的原理是热电效 应中的p e l t i e r 效应。本章从介绍热电效应原理开始，引入热电控温层设计时需 要考虑的几个主要性能参数。再结合原有p c r ：卷片的基本条件，设计出可与原 有p c r 芯片集成的微结构热电控温层的搭构模型。对于该模型的设计，本论文 还利用a n s y s 有限元分析软件给出了热分布效果的仿真。最后，针对于这种 设计，给出了热电控温层的性能参数计算。 1 热电效应基本原理 热电效应是电流引起的可逆热效应和温差引起的电效应的总称，它包括 s e r e & 效应，p e l t i e r 效应和t h o m s o n 效应。这三个