CN101086009A

CN101086009A - 一种带温控矩阵的生物芯片及其加工方法

Info

Publication number: CN101086009A
Application number: CN 200610012116
Authority: CN
Inventors: 王玮; 李志宏
Original assignee: Peking University
Current assignee: Peking University
Priority date: 2006-06-06
Filing date: 2006-06-06
Publication date: 2007-12-12
Anticipated expiration: 2026-06-06
Also published as: CN101086009B

Abstract

本发明公开了一种带温控矩阵的生物芯片及其加工方法。本发明生物芯片，包括键合在一起的芯片基质和盖片：在所述芯片基质背面设有温控矩阵，所述温控矩阵至少含有2×1个节点，每个节点集成有电阻加热器和电阻温度传感器，各节点之间以凹槽隔开；在盖片与芯片基质相接触的表面上设有微槽道，在盖片上设有至少一进口和出口，均与微槽道相连通。本发明生物芯片具有成本低、体积小、速度快、性能好等优点，应用前景广阔。

Description

一种带温控矩阵的生物芯片及其加工方法

技术领域

本发明涉及带温控矩阵的生物芯片及其加工方法。

背景技术

聚合酶链式反应(PCR，Polymerase Chain Reaction)是现代核酸分析的重要手段之一，它能够将目标核酸分子的数目在一个循环中扩增近一倍，经过20-30个循环使得有限的核酸分子扩增10⁹倍，从而实现目标分子的富集，为进一步的分析做准备。PCR过程的诞生大大加快了各种生物基因组结构研究的进程，并在法医学、遗传分析、治疗效果评估和医疗诊断方面具有广泛的应用。

近年来随着微加工技术的发展，用于临床检验研究的微芯片得到了广泛的重视。建立在微芯片基础上的微全分析系统(Micro Total Analysis Systems)成为分析化学、临床医学、生物学的研究热点，而作为微全分析系统中的重要组成部分的微PCR芯片吸引了众多研究者注意。自从1993年首次报道了微PCR芯片的工作后，许多研究小组相继投入微PCR芯片的研究工作之中。由于芯片的特征尺度处于微米量级，微PCR芯片能够实现很高的升降温速率(一般在10℃/s的量级或更高)，从而大大提高了PCR过程的时间效率，使得通常需要数小时或数十分钟的检测过程加快至十几甚至几分钟内完成。

发明内容

本发明的目的是提供一种带温控矩阵的生物芯片及其加工方法。

本发明所提供的带温控矩阵的生物芯片，包括键合在一起的芯片基质和盖片：

在所述芯片基质背面设有温控矩阵，所述温控矩阵至少含有2×1个节点，每个节点集成有电阻加热器和电阻温度传感器，各节点之间以凹槽隔开；

在盖片与芯片基质相接触的表面上设有微槽道，在盖片上设有至少一进口和出口，均与微槽道相连通。

为了保证控温节点温度均匀以及测温准确，微加热器和微温度传感器为蛇型布置，且相互间套；为了能更好的保持各个节点温度，在盖片和芯片基质上通过划片形成相互对应的间隔槽，用于隔热；微加热器和温度传感器可以选用Pt电阻微加热器和Pt电阻温度传感器；为了便于控制温控矩阵，微加热器和温度传感器还设有焊盘，用于与PCB电路连接。

在本发明生物芯片中，芯片基质优选为硅片；盖片优选为玻璃片。

本发明生物芯片的加工方法，包括如下步骤：

1)在盖片表面溅射W和Au，光刻出微通道图形，通过HF腐蚀出微通道；

2)在盖片上加工出与微通道相连通的进口和出口；

3)将芯片基质与盖片键合，形成封闭的微槽道；

4)在芯片基质背面溅射Cr和Pt，图形化，形成加热器和温度传感器；

5)在盖片正面和芯片基质背面按节点划片，形成凹槽将各个节点间隔开得到所述带有温控矩阵的生物芯片。

本发明带温控矩阵的生物芯片的特点：

1、采用硅微加工技术来制造，具有性能好、密度高和易于集成的特点；

2、基于温控矩阵技术，使得连续流动的微流体技术可以实现灵活的热循环过程；

3、将高密度的温控矩阵与微流体通道集成在同一芯片上，可以根据具体聚合酶链式反应的需要调整温控节点的温度，实现各种复杂的或有特殊要求的核酸扩增过程；

4、本发明可以在不同的场合下应用，特别适合于需要高度自动化、快速、高通量的现场临床检测。

本发明带温控矩阵的生物芯片采用硅微加工技术，能够实现低成本大批量生产，且与IC工艺兼容，能够实现CMOS集成的临床检验芯片；高密度的温控矩阵能够实现灵活的PCR热循环模式，可以根据PCR的需要调整温控矩阵各控温节点的温度，从而满足实际检验的需要。本发明带温控矩阵的生物芯片具有成本低、体积小、速度快、性能好等优点，应用前景广阔。

附图说明

图1为本发明生物芯片的版图；

图2为本发明生物芯片的温控单元版图；

图3为本发明生物芯片的微通道剖视图；

图4为本发明生物芯片的硅微加工工艺过程示意图。

具体实施方式

实施例1、基于温控矩阵的微流体聚合酶链式反应(PCR)生物芯片

本发明基于温控矩阵的微流体聚合酶链式反应(PCR)生物芯片结构如图1、图2和图3所示：

本发明生物芯片主要由硅基10，并由玻璃盖片11封闭的微槽道4、恒温矩阵(节点3，共有3×6个节点)以及玻璃盖片上的入口孔1和出口孔2组成；玻璃侧恒温节点由间隔槽5隔开，硅侧恒温节点由凹槽6隔开；每个恒温节点上布置一个Pt电阻加热器8和一个Pt电阻温度传感器9用以实现恒温功能，加热器8和温度传感器9通过焊盘7与PCB电路相连，由PCB电路控制加热器和温度传感器工作状况。硅基10的厚度为400μm；玻璃盖片11的厚度为500μm；微槽道4截面开口宽度为90μm，底部宽度为40μm，深度为30μm；控温节点3共有两种，一种长度为5200μm，宽为2350μm，整个控温矩阵有6×1个该节点，每个节点上均有一个加热器8和温度传感器9，加热器8的宽度为100μm，总长度为36220μm，高度为0.2μm；温度传感器9的宽度为30μm，总长度为27860μm，高度为0.2μm；另一种节点的长为2870μm，宽为2350μm，整个控温矩阵有6×2个该节点，每个节点上也均有一个加热器8和温度传感器9，加热器8的宽度为100μm，总长度为17020μm，高度为0.2μm；温度传感器9的宽度为30μm，总长度为4038μm，高度为0.2μm；在加热器8和温度传感器9上均设有焊盘7，焊盘7是边长为150μm，高为20μm的锡柱。

该生物芯片采用硅微加工方法进行加工，基本加工过程如图4所示，为了能够完全说明加工过程，图4中只画出了芯片中沿微流体通道截面的加工过程(凹槽仅示意性画出三组)：

首先，在玻璃11表面溅射W(100)和Au(2000)，光刻出图形，通过HF腐蚀出通道(图5-a)；通过台钻加工出进口1和出口2(图5-b)；硅片10与玻璃11阳极键合形成封闭的微通道4(图5-c)；在硅片10背侧溅射Cr(200)和Pt(2000)，图形化(剥离)形成Pt电阻加热器8和Pt电阻温度传感器9(图5-d)；在硅片10侧背面PECVD二氧化硅3000，光刻并通过缓冲HF图形化，溅射Cr(100)和Au(1000)作为电镀种子层，光刻出电镀窗口，镀锡20μm作为焊盘7(图4-e)；在硅片10上通过划片形成恒温单元节点的凹槽6，以及玻璃侧相应的间隔槽5(图4-f)。

本发明生物芯片的工作原理是通过调整集成于芯片上的温控矩阵中各节点的温度，在芯片中实现具有不同温度的恒温区域。当应用该芯片进行PCR反应时，PCR反应液连续通过具有不同温度的恒温区，以实现聚合酶链式反应的变性、退火和延伸过程，籍此完成聚合酶链式反应。

Claims

1、一种带温控矩阵的生物芯片，包括键合在一起的芯片基质和盖片：

2、根据权利要求1所述的生物芯片，其特征在于：微加热器和微温度传感器为蛇型布置，且相互间套。

3、根据权利要求1所述的生物芯片，其特征在于：所述盖片的另一个表面上还设有与芯片基质上的凹槽相对应的间隔槽。

4、根据权利要求1所述的生物芯片，其特征在于：所述微加热器为Pt电阻微加热器；温度传感器为Pt电阻温度传感器。

5、根据权利要求4所述的生物芯片，其特征在于：在所述微加热器和温度传感器上还设有焊盘，用于与PCB电路连接。

6、根据权利要求1-5任一所述的生物芯片，其特征在于：所述芯片基质和盖片为硅片和/或玻璃片。

7、权利要求1所述生物芯片的加工方法，包括如下步骤：

2)在盖片上加工出与微通道相连通的进口和出口；

3)将芯片基质与盖片键合，形成封闭的微槽道；

4)在芯片基质背面溅射Cr和Pt，图形化，形成Pt电阻微加热器和Pt电阻微温度传感器；

5)在盖片正面和芯片基质背面按节点划片，形成凹槽将各个节点间隔开，得到所述带有温控矩阵的生物芯片。

8、根据权利要求7所述的加工方法，其特征在于：在加热器和温度传感器上还设置有焊盘，用于与PCB电路相连接。

9、根据权利要求7所述的加工方法，其特征在于：所述盖片的表面上通过划片形成与芯片基质上的凹槽相对应的间隔槽。

10、根据权利要求7-9任一所述的加工方法，其特征在于：所述芯片基质和盖片为硅片和/或玻璃片。