CN104437686A - 微加热器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种微加热器，属于微机电系统领域，所述微加热器包括反应腔，样品微流道，所述样品微流道通往所述反应腔，还包括：至少两个弧度相同的圆弧形微流道；所述反应腔由所述至少两个弧度相同的圆弧形微流道围合而成，所述至少两个圆弧形微流道之间非直接接触，所述至少两个圆弧形微流道与所述反应腔非直接接触。与现有的在芯片基底材料上形成金属薄膜，通过金属薄膜实现加热相比，本发明实施例的微加热器，实现工艺简单、成本较低。本发明实施例可用于片上细胞培养、片上蛋白质热聚焦、片上PCR等。

Description

微加热器

技术领域

本发明涉及微机电系统领域，尤其涉及一种微加热器。

背景技术

片上电阻式加热是MEMS（英文全称为：Micro-Electro-Mechanical-Systems，中文译文为：微机电系统）技术领域中一项重要的加热技术，是一种结构紧凑、集成性好且能耗低的嵌入式加热方法。该方法通常采用导电介质作为微加热器材料，形成易于控制的电阻式微加热器集成于芯片上。

金属具有较好的导电、导热性能，其在微加热器方面有广泛的应用。通常应用沉积、溅射等方法将金属（如铂Pt、金Au等）以固态薄膜的形式集成在芯片基底材料上形成微加热器，常出现金属薄膜的厚度不均匀，造成加热温度不均匀的问题。为保证金属薄膜的厚度均匀，需要价格高昂的制作设备及复杂的制作工艺，实现方式较为复杂。

发明内容

本发明实施例提供一种微加热器，实现工艺简单、成本较低。

本发明实施例采用如下技术方案：

一种微加热器，包括反应腔，样品微流道，所述样品微流道通往所述反应腔，还包括：至少两个弧度相同的圆弧形微流道；

所述反应腔由所述至少两个弧度相同的圆弧形微流道围合而成，所述至少两个圆弧形微流道之间非直接接触，所述至少两个圆弧形微流道与所述反应腔非直接接触。

可选地，所述至少两个圆弧形微流道中装有液态金属，应用所述至少两个圆弧形微流道中至少一个圆弧形微流道中液态金属通电后产生的热量，向所述反应腔提供热源。

可选地，采用恒压源或恒流源向所述至少两个圆弧形微流道中至少一个圆弧形微流道中液态金属通电。

可选地，所述至少两个圆弧形微流道中的多个圆弧形微流道中液态金属同时通电时，采用同一电压源或同一电流源向所述多个圆弧形微流道中液态金属通电。

可选地，所述至少两个圆弧形微流道中装有液态金属，所述微加热器还包括：

温度控制模块，用于根据所述至少两个圆弧形微流道中至少一个圆弧形微流道中液态金属的电阻确定所述反应腔的温度。

可选地，温度控制模块还用于，调整所述反应腔的温度。

可选地，所述至少两个圆弧形微流道的数量为N个，相邻的N/2个圆弧形微流道与另外N/2个圆弧形微流道对称，其中N的大于或等于2的偶数。

可选地，所述弧度相同的圆弧形微流道的两端置有空心引线，所述空心引线的尾端置有灌注口，所述灌注口用于通过所述空心引线向所述圆弧形微流道灌注液态金属。

可选地，所述液态金属为室温下为液态的金属。

可选地，所述样品微流道，反应腔，所述至少两个弧度相同的圆弧形微流道，空心引线，所述灌注口采用微机械加工方法制作。

基于上述技术方案，本发明实施例的微加热器，样品微流道通往反应腔，反应腔由至少两个弧度相同的圆弧形微流道围合而成，至少两个圆弧形微流道之间非直接接触，至少两个圆弧形微流道与反应腔非直接接触。与现有的在芯片基底材料上形成金属薄膜，通过金属薄膜实现加热相比，本发明实施例的微加热器，实现工艺简单、成本较低。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1提供的一种微加热器的结构示意图；

图2为本发明实施例2提供的一种微加热器的结构示意图；

图3为本发明实施例3提供的一种微加热器的结构示意图；

图4为本发明实施例4提供的一种微加热器的结构示意图。

图中：1、反应腔，2、样品微流道，3、圆弧形微流道，4、圆弧形微流道，5、空心引线，6、灌注口，7、电源模块，8、温度控制模块。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

实施例1

如图1所示，本实施例提供一种微加热器，包括反应腔1，样品微流道2，样品微流道2通往反应腔1，至少两个弧度相同的圆弧形微流道；

反应腔1由至少两个弧度相同的圆弧形微流道围合而成，至少两个圆弧形微流道之间非直接接触，至少两个圆弧形微流道与反应腔1非直接接触。

具体地，至少两个圆弧形微流道之间可以填充低导热率的绝缘材料，至少两个圆弧形微流道与反应腔1之间可以填充低导热率的绝缘材料。反应腔1中为恒定均匀温度的微环境，样品微流道2为向反应腔1取放实验物的通道。至少两个弧度相同的圆弧形微流道可以为图1所示的圆弧形微流道3、圆弧形微流道4，应当理解，本发明其他实施例中还可以包含更多的圆弧形微流道。

可选地，至少两个圆弧形微流道之间可以填充聚合物材料（如PDMS(英文全称为：polydimethylsiloxane)，中文译文为：聚二甲基硅氧烷），至少两个圆弧形微流道与反应腔1之间可以填充聚合物材料（如PDMS）。

可选地，至少两个圆弧形微流道中装有液态金属，应用至少两个圆弧形微流道中至少一个圆弧形微流道中液态金属通电后产生的热量，向反应腔1提供热源。

例如，应用图1中的圆弧形微流道3向反应腔1提供热源。

实践中，可以向将尽可能多的圆弧形微流道中液态金属通电，这样可以使得反应腔1的温度均衡。

可选地，如图1所示，采用电源模块7向至少两个圆弧形微流道中至少一个圆弧形微流道中液态金属通电。其中电源模块7提供可以调整的稳定电压或稳定电流。稳定电压、稳定电流是指，除收到调整指令外，电源模块提供的电压或电流恒定。

可选地，至少两个圆弧形微流道中的多个圆弧形微流道中液态金属同时通电时，采用同一电压源或同一电流源向多个圆弧形微流道中液态金属通电。

例如，本发明其他实施例中，图1中电源模块7还可以通过导线9同时向圆弧形微流道3、圆弧形微流道4提供相同的电流或电压。

可选地，如图1所示，至少两个圆弧形微流道中装有液态金属，微加热器还包括：

温度控制模块8，用于根据至少两个圆弧形微流道中至少一个圆弧形微流道中液态金属的电阻确定反应腔的温度。

进一步，温度控制模块8还用于，调整反应腔1的温度。

具体地，温度控制模块8根据圆弧形微流道中液态金属的电阻确定反应腔的温度后，可以控制电源7的电流或者电压，从而控制反应腔1的温度。

可选地，至少两个圆弧形微流道的数量为N个，相邻的N/2个圆弧形微流道与另外N/2个圆弧形微流道对称，其中N的大于或等于2的偶数。

例如，以N=2为例，如图1所示，圆弧形微流道3与圆弧形微流道4对称。

可选地，弧度相同的圆弧形微流道的两端置有空心引线5，空心引线的尾端置有灌注口6，灌注口6用于通过空心引线5向圆弧形微流道3、圆弧形微流道4灌注液态金属。

可选地，液态金属为室温下为液态的金属，例如镓或镓基合金等，本实施例不做限定。

可选地，样品微流道2，反应腔1，至少两个弧度相同的圆弧形微流道，空心引线5，灌注口6采用微机械加工方法制作。

例如，应用模具在聚合物材料（PDMS）上形成样品微流道2，反应腔1，至少两个弧度相同的圆弧形微流道，空心引线5，灌注口6，从而制造出微加热器。这样，制造工艺简单，成本低易于推广。

基于上述技术方案，本发明实施例的微加热器，样品微流道通往反应腔，反应腔由至少两个弧度相同的圆弧形微流道围合而成，至少两个圆弧形微流道之间非直接接触，至少两个圆弧形微流道与反应腔非直接接触。与现有的在芯片基底材料上形成金属薄膜，通过金属薄膜实现加热相比，本发明实施例的微加热器，实现工艺简单、成本较低。

实施例2

如图2所示，本实施例提供一种微加热器，包括反应腔1，样品微流道2，弧度相同的圆弧形微流道3和圆弧形微流道4，空心引线5，灌注口6，电源模块7，温度控制模块8。

其中，反应腔1用于提供实验物所需的恒温环境；样品微流道2通往反应腔1，用于向反应腔1投、取实验物；圆弧形微流道3、圆弧形微流道4用于向反应腔1提供热源和/或测量反应腔1的温度；空心引线5用于将圆弧形微流道3、圆弧形微流道4连接灌注口6；灌注口6用于向圆弧形微流道3、圆弧形微流道4灌注液态金属，并连接导线9；电源模块7用于提供电源；温度控制模块8用于通过圆弧形微流道3或圆弧形微流道4测量反应腔1的温度，还可以提供测量反应腔1的温度是所需的电源。

具体地，如图2所示，反应腔1一侧的圆弧形微流道3作为液态金属加热器用于加热，另一侧的圆弧形微流道4用于温度测量。圆弧形微流道3作为微电阻器经空心引线5和灌注口6由金属导线9引出并接到电源7供电电路中。圆弧形微流道3在电流焦耳热的作用下产生热量为反应腔1加热。圆弧形微流道4作为电阻式温度传感器采用四线法（即如图2所示圆弧形微流道4连接4条线）对反应腔1的温度进行测量，圆弧形微流道4经空心引线5和灌注口6由外部金属导线9连接到温度控制模块8，由温度控制模块8测量圆弧形微流道4的电阻，得到反应腔1的温度，并根据反应腔的温度对电源7输出的电量进行控制。四线法中，圆弧形微流道4中的电源由温度控制模块8提供，电流应远小于电源7提供给圆弧形微流道3的加热电流，圆弧形微流道4的电压由温度控制模块8测量。

图2中圆弧形微流道3与圆弧形微流道4之间可以填充聚合物材料（如PDMS），圆弧形微流道3、圆弧形微流道4与反应腔1之间可以填充聚合物材料（如PDMS）。图2所示的微加热器可以应用模具在聚合物材料（PDMS）上形成样品微流道2，反应腔1，圆弧形微流道3，圆弧形微流道4，空心引线5，灌注口6，从而制造出微加热器。这样，制造工艺简单，成本低易于推广。

本实施例中液态金属为室温下为液态的金属，例如镓或镓基合金等，本实施例不做限定。

需要说明的是，图2为示例图，本发明其他实施例中，可以包含更多的圆弧形微流道，且可以对全部或部分圆弧形微流道通电向反应腔提供热源。

本实施例提供的微加热器仅通过部分圆弧形微流道对反应腔加热，反应腔内温度分布不均匀且控温误差较大，本实施例可用于对反应腔温度均匀性及温控要求不高的场景。

本实施例提供的微加热器与现有的在芯片基底材料上形成金属薄膜，通过金属薄膜实现加热相比，本发明实施例的微加热器，结构简单、实现工艺简单、成本较低。

实施例3

如图3所示，本实施例提供一种微加热器，包括反应腔1，样品微流道2，弧度相同的圆弧形微流道3和圆弧形微流道4，空心引线5，灌注口6，电源模块7，温度控制模块8。

其中，反应腔1用于提供实验物所需的恒温环境；样品微流道2通往反应腔1，用于向反应腔1投、取实验物；圆弧形微流道3、圆弧形微流道4用于向反应腔1提供热源和/或测量反应腔1的温度；空心引线5用于将圆弧形微流道3、圆弧形微流道4连接灌注口6；灌注口6用于向圆弧形微流道3、圆弧形微流道4灌注液态金属，并连接导线9；电源模块7用于提供电源；温度控制模块8用于通过圆弧形微流道3或圆弧形微流道4测量反应腔1的温度，还可以提供测量反应腔1的温度是所需的电源。

具体地，如图3所示，反应腔1两侧的圆弧形微流道3、圆弧形微流道4并联用于加热，反应腔1其中一侧的圆弧形微流道4用于温度测量。反应腔1两侧的圆弧形微流道3、圆弧形微流道4作为微电阻器经空心引线5和灌注口6由金属导线9引出，并联后接入电源7供电电路中，圆弧形微流道3、圆弧形微流道4在电流焦耳热的作用下产生热量为反应腔1加热。反应腔1一侧的圆弧形微流道4作为电阻式温度传感器对反应腔1的温度进行测量，圆弧形微流道4经空心引线5和灌注口6由金属导线9引出并接入温度控制模块8中，由温度控制模块8测量圆弧形微流道4的电阻得出反应腔1的温度，并根据反应腔1的温度对电源7进行自动控制。圆弧形微流道4的恒定电流由电源7提供，圆弧形微流道4的电压由温度控制模块8测量。

图3中圆弧形微流道3与圆弧形微流道4之间可以填充聚合物材料（如PDMS），圆弧形微流道3、圆弧形微流道4与反应腔1之间可以填充聚合物材料（如PDMS）。图2所示的微加热器可以应用模具在聚合物材料（PDMS）上形成样品微流道2，反应腔1，圆弧形微流道3，圆弧形微流道4，空心引线5，灌注口6，从而制造出微加热器。这样，制造工艺简单，成本低易于推广。

本实施例中液态金属为室温下为液态的金属，例如镓或镓基合金等，本实施例不做限定。

需要说明的是，图3为示例图，本发明其他实施例中，可以包含更多的圆弧形微流道，且可以对全部或部分圆弧形微流道通电向反应腔提供热源。

本实施例提供的微加热器通过全部圆弧形微流道对反应腔加热，反应腔的温度均匀分布，且温度控制较为精确。

本实施例提供的微加热器与现有的在芯片基底材料上形成金属薄膜，通过金属薄膜实现加热相比，本发明实施例的微加热器，结构简单、实现工艺简单、成本较低。

实施例4

如图4所示，本实施例提供一种微加热器，包括反应腔1，样品微流道2，弧度相同的圆弧形微流道3和圆弧形微流道4，空心引线5，灌注口6，电源模块7，温度控制模块8。

其中，反应腔1用于提供实验物所需的恒温环境；样品微流道2通往反应腔1，用于向反应腔1投、取实验物；圆弧形微流道3、圆弧形微流道4用于向反应腔1提供热源和/或测量反应腔1的温度；空心引线5用于将圆弧形微流道3、圆弧形微流道4连接灌注口6；灌注口6用于向圆弧形微流道3、圆弧形微流道4灌注液态金属，并连接导线9；电源模块7用于提供电源；温度控制模块8用于通过圆弧形微流道3或圆弧形微流道4测量反应腔1的温度，还可以提供测量反应腔1的温度是所需的电源。

具体地，如图4所示，反应腔1两侧的圆弧形微流道3、圆弧形微流道4串联用于加热，反应腔1其中一侧的圆弧形微流道4用于温度测量。反应腔1两侧的圆弧形微流道3、圆弧形微流道4作为微电阻器经空心引线5和灌注口6由金属导线9引出，串联后接入电源7供电电路中，圆弧形微流道3、圆弧形微流道4在电流焦耳热的作用下产生热量为反应腔1加热。反应腔1其中一侧的圆弧形微流道4作为电阻式温度传感器对反应腔1的温度进行测量，圆弧形微流道4经空心引线5和灌注口6由金属导线9引出并接入温度控制模块8中，由温度控制模块8测量圆弧形微流道4的电阻得出反应腔1的温度，并根据反应腔1的温度对电源7进行自动控制。圆弧形微流道4的恒定电流由电源7提供，圆弧形微流道4的电压由温度控制模块8测量。

图4中圆弧形微流道3与圆弧形微流道4之间可以填充聚合物材料（如PDMS），圆弧形微流道3、圆弧形微流道4与反应腔1之间可以填充聚合物材料（如PDMS）。图2所示的微加热器可以应用模具在聚合物材料（PDMS）上形成样品微流道2，反应腔1，圆弧形微流道3，圆弧形微流道4，空心引线5，灌注口6，从而制造出微加热器。这样，制造工艺简单，成本低易于推广。

本实施例中液态金属为室温下为液态的金属，例如镓或镓基合金等，本实施例不做限定。

需要说明的是，图3为示例图，本发明其他实施例中，可以包含更多的圆弧形微流道，且可以对全部或部分圆弧形微流道通电向反应腔提供热源。

本实施例提供的微加热器通过全部圆弧形微流道对反应腔加热，反应腔的温度均匀分布，且温度控制较为精确。

本实施例提供的微加热器与现有的在芯片基底材料上形成金属薄膜，通过金属薄膜实现加热相比，本发明实施例的微加热器，结构简单、实现工艺简单、成本较低。

本发明实施例可用于片上细胞培养、片上蛋白质热聚焦、片上PCR（英文全称为：Polymerase Chain Reaction，中文译文为：聚合酶链式反应）等。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。

以上仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡未付出创造性劳动，对本发明实施例所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种微加热器，包括反应腔，样品微流道，所述样品微流道通往所述反应腔，其特征在于，还包括：至少两个弧度相同的圆弧形微流道；

所述反应腔由所述至少两个弧度相同的圆弧形微流道围合而成，所述至少两个圆弧形微流道之间非直接接触，所述至少两个圆弧形微流道与所述反应腔非直接接触。

2.根据权利要求1所述的微加热器，其特征在于，所述至少两个圆弧形微流道中装有液态金属，应用所述至少两个圆弧形微流道中至少一个圆弧形微流道中液态金属通电后产生的热量，向所述反应腔提供热源。

3.根据权利要求2所述的微加热器，其特征在于，采用恒压源或恒流源向所述至少两个圆弧形微流道中至少一个圆弧形微流道中液态金属通电。

4.根据权利要求2或3所述微加热器，其特征在于，所述至少两个圆弧形微流道中的多个圆弧形微流道中液态金属同时通电时，采用同一电压源或同一电流源向所述多个圆弧形微流道中液态金属通电。

5.根据权利要求1所述的微加热器，其特征在于，所述至少两个圆弧形微流道中装有液态金属，所述微加热器还包括：

温度控制模块，用于根据所述至少两个圆弧形微流道中至少一个圆弧形微流道中液态金属的电阻确定所述反应腔的温度。

6.根据权利要求5所述的微加热器，其特征在于，温度控制模块还用于，调整所述反应腔的温度。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的微加热器，其特征在于，所述至少两个圆弧形微流道的数量为N个，相邻的N/2个圆弧形微流道与另外N/2个圆弧形微流道对称，其中N的大于或等于2的偶数。

8.根据权利要求1所述的微加热器，其特征在于，所述弧度相同的圆弧形微流道的两端置有空心引线，所述空心引线的尾端置有灌注口，所述灌注口用于通过所述空心引线向所述圆弧形微流道灌注液态金属。

9.根据权利要求2或5或8所述的微加热器，其特征在于，所述液态金属为室温下为液态的金属。

10.根据权利要求8所述的微加热器，其特征在于，所述样品微流道，反应腔，所述至少两个弧度相同的圆弧形微流道，空心引线，所述灌注口采用微机械加工方法制作。