CN109234154A - 一种具有温度控制功能的硅基生化检测芯片 - Google Patents

一种具有温度控制功能的硅基生化检测芯片 Download PDF

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    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L7/00—Heating or cooling apparatus; Heat insulating devices
    • B01L7/52—Heating or cooling apparatus; Heat insulating devices with provision for submitting samples to a predetermined sequence of different temperatures, e.g. for treating nucleic acid samples

Abstract

本发明公开了一种具有温度控制功能的硅基生化检测芯片，包括温度控制模块，具有PCR反应腔室的上盖板A和具有结果观测腔室的上盖板B。其中温度控制模块表面为钝化保护层，与生化反应兼容；上盖板A包括下侧的反应腔室和上侧的液流通孔。上盖板B包括下侧的观测腔室和上侧的观测通孔。通过温度控制模块与上盖板A(在特制橡胶塞辅助下)形成PCR反应的密闭腔室，通过上盖板A和上盖板B(在特制橡胶塞辅助下)形成密闭的反应结果检测腔室。

Description

一种具有温度控制功能的硅基生化检测芯片
技术领域
本发明属于生化监测领域，具体涉及一种具有温度控制功能的硅基生化检测芯片，该芯片可用于进行例如PCR反应、显色反应等生化试验。
背景技术
诸多的生化反应实验需要严格的温度控制，以PCR(Polymerase chain reaction，聚合酶链式反应)实验为例，是一种分子生物学技术，用于扩增特定的DNA片段，这种方法可在生物体外进行，不必依赖大肠杆菌或酵母菌等生物体。在1983年，凯利·穆利斯(KaryMullis)发明了这种全新的DNA扩增方法。PCR是利用DNA在体外摄氏95℃高温时变性会变成单链，在60℃左右时引物与单链按碱基互补配对的原则结合，再调温度至DNA聚合酶最适反应温度(72℃左右)，DNA聚合酶沿着磷酸到五碳糖(5′-3′)的方向合成互补链。基于聚合酶制造的PCR仪实际就是一个温控设备，能在变性温度，复性温度，延伸温度之间很好地进行控制。它是一种简单，廉价和可靠的方法复制DNA片段。PCR反应技术被广泛地运用在医学和生物学的实验室，例如用于判断检体中是否会表现某遗传疾病的图谱、传染病的诊断、基因复制，以及亲子鉴定。
当前的PCR芯片使用的制备材料十分广泛。在选择芯片材料时，需综合考虑材料的诸多方面的性质，包括导热性，耐用性，成本，表面化学性质，生物兼容性，电学性能，光学性能等等，同时还要考虑材料的易操作性，易集成性，便于大规模的生产。目前已报到的PCR芯片主要采用硅材料、石英材料和PDMS材料等。其中玻璃材料透光性好，易于结果检测，但是导热性能较差；PDMS材料具有良好的生物兼容性、较好的透光性，但具有一定的透气性，PCR循环过程中温度较高，最高可达94-95℃，且在预变性的过程中需高温维持5-10分钟。由于透气性不好所以可能使得反应试剂蒸发减少，从而影响反应腔室的密封性。同时，当前PCR芯片少有将温度控制系统集成于芯片之上，多采用大体系的温控仪器，使得设备体积大，较为复杂。
除原位PCR与数字PCR芯片之外，其余PCR芯片多分为反应区域与观测区域，其中反应区域进行温度循环，实现PCR过程。然后将反应试剂转移至观测区域，直接进行荧光检测或在杂交后进行荧光检测。反应区域与观测区域之间的连通一般在同一层芯片中实现，多采用牺牲层的工艺或硅片(或石英片)键合等工艺。牺牲层的工艺或键合工艺操作起来工艺较为复杂，成本较高，且对工艺实验环境要求高，成品率低。
因此，设计一款集成度高，成本低，成品率高，制备工艺简便经济且操作方便的芯片对于PCR实验和生化监测领域具有非常重要的意义。
发明内容
针对上述的现有主流设备芯片与需求之间的矛盾，以及现有工程应用技术中的不足，本发明提出了一款具有温度控制功能的硅基生化检测芯片。该芯片具有体积小，成本低，集成度高，便于操作，制备工艺简便经济等优点，可以极大的便利于PCR实验和生化实验监测。
为实现上述目标，本发明公开如下技术方案：
本发明提出了一种具有温度控制功能的硅基生化检测芯片，包括温度控制模块，上盖板A和上盖板B，其中所述上盖板A设置在所述温度控制模块的上方，并与所述温度控制模块紧密结合，所述上盖板A在靠近所述温度控制模块的一侧具有反应腔室，所述反应腔室上方设置有进液口和出液口；所述上盖板B设置在所述上盖板A的上方，并与所述上盖板A紧密结合，所述上盖板B在靠近所述上盖板A的一侧具有观测腔室，所述观测腔室与所述反应腔室通过所述出液口互相连通。
优选地，所述温度控制模块包括衬底、所述衬底上方的电绝缘层，所述电绝缘层上的加热电阻线、测温电阻线和钝化保护层。
优选地，所述温度控制模块的衬底的材料为硅，优选地，所述绝缘层为二氧化硅，所述钝化保护层为氮化硅或二氧化硅。
进液口
优选地，所述反应腔室和观测腔室的数量为一个或多个。
优选地，所述观测腔室的上方具有观测通孔，优选地，所述进液口包括密封塞，所述观测通孔包括密封塞。
优选地，所述进液口和出液口的形状为圆形，所述反应腔室的形状选自矩形、方形、圆形或椭圆形。
优选地，所述上盖板A的厚度为700μm-800μm，反应腔室的高度为400μm-500μm，所述进液口和出液口的直径为1mm-1.2mm。
优选地，所述观测通孔和所述观测腔室的形状为矩形、方形、圆形或椭圆形。
优选地，所述上盖板B的厚度为700μm-800μm，观测腔室的高度为400μm-500μm。
优选地，所述上盖板A和上盖板B的材料选自与生化反应兼容的耐高温硬质材料，优选为硅或者石英。
优选地，所述温度控制模块、所述上盖板A和所述上盖板B通过生化兼容性胶粘接，所述生化兼容性胶优选为聚酰亚胺。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明将加热元件与温度传感器集成到芯片之上，进行实施芯片温度控制，实现片上控温。相对于现常用的传统的大体系环境的温控仪，集成后的芯片在几乎不增加芯片体积与成本的前提下，大大简化了实验仪器的体积，使得仪器更加便携和便于使用。
2、本发明利用多层结构生物兼容性胶粘接的方式形成生化反应腔室和观测腔室并形成液体转移通道，避免了使用牺牲层工艺或键合工艺来制备芯片，大大简化了工艺流程，降低了成本，并提高了成品率。
附图说明
图1是根据本公开内容所制备的一个具体实施例的硅基生化检测芯片的截面图；
图2是根据本公开内容所制备的一个具体实施例的温度控制模块的截面图；
图3A-图3B是根据本公开内容所制备的一个具体实施例的上盖板A的截面图和平面俯视图；
图4A-图4B是根据本公开内容所制备的一个具体实施例的上盖板B的截面图和平面俯视图；
图5A-图5D是根据本公开内容的一个具体实施例的温度控制模块的制备方法；
图6A-图6D是根据本公开内容的一个具体实施例的上盖板A的制备方法；
图7A-图7B是根据本公开内容所制备的另一个具体实施例的上盖板A的截面图和平面俯视图；
图8是根据本公开内容所制备的一个具体实施例的上盖板A的涂胶图。
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明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
在本发明中，除非上下文另有要求，否则在说明书和所附权利要求书全文中，词语“包括”将解释为“包括但不限于”。
在本发明的附图中，相同标号标识相似特征或者元件。特征在附图中的尺寸和相对位置并未按比例绘图。
本发明利用温度控制模块和上盖板A形成密封的生化反应腔室，利用利用上盖板A和上盖板B形成密封观测腔室。在实验进行时，从进液口注液，利用橡胶密封塞将进液口和出液口密封，通过外部的电功率源(未示出)和控制系统(未示出)对芯片进行所需温度控制。完成温度控制的实验阶段后，取出密封塞，从进液口继续注液，将反应试剂向上转移到观测腔室。待试剂转移完毕后，利用橡胶密封塞将进液口和观测腔室通孔密封，进行结果检测。
本发明的一个实施例中温度控制模块选用硅片为衬底片，预先使用热氧或PECVD等方法生长一层二氧化硅材料作为结缘层，之后生长并图形化加热控温层，最后沉积一层氮化硅材料作为钝化保护层；本发明内容中的上盖板A和上盖板B选用<100>晶向的硅片，利用氮化硅材料作为硬掩膜进行湿法腐蚀，将硅片的背面腐蚀出所需深度的反应腔室和观测腔室，之后利用激光打孔或其他方式分别在上盖板A与上盖板B的上表面加工出进液口、出液口和观测通孔。
本发明利用生化兼容性好的胶(如聚酰亚胺)将温度控制模块与上盖板A、上盖板B三者粘接在一起，避免了键合工艺或牺牲层工艺的使用。
图1展示了根据本公开内容所制备的一个具体的实施例的具有温度控制功能的硅基生化检测芯片100的截面图，该实施例可用于进行PCR实验。该示意图并未示出外围接触焊盘，互联金线等其他常规的封装元件与结构，可以通过现有的成熟加工技术与结构来解决。概括而言，在图1中，硅基生化检测芯片100包括温度控制模块101，上盖板A 102，上盖板B 103和橡胶密封塞104。
图2展示了根据本公开内容所制备的一个具体的实施例的温度控制模块101的截面图，包括衬底201，加热电阻线202，测温电阻线203，温度控制芯片也包括电绝缘层204和钝化保护层205(连接线与接触焊盘未示出)。其中，可通过光刻显影与金属剥离等半导体加工工艺形成加热电阻线202和测温电阻线203，通过热氧生长或PECVD等方式形成电绝缘层204和钝化保护层205。
图3A-图3B分别展示了根据本公开内容所制备的一个具体的实施例的上盖板A102的截面图和平面俯视图。上盖板A包括背面的反应腔室301和正面的进液口302、出液口303。上盖板A利用硅片或石英玻璃片为基础，通过光刻显影，干法刻蚀，湿法腐蚀，激光打孔等半导体加工工艺实现。
图4A-图4B分别展示了根据本公开内容所制备的一个具体的实施例的上盖板B103的截面图和平面俯视图。上盖板B包括背面的观测腔室401和正面的观测通孔402。上盖板B利用硅片或石英玻璃片为基础，通过光刻显影，湿法腐蚀，激光打孔等半导体加工工艺实现。
图5A-图5D分别展示了根据本发明的一个具体的实施例的温度控制模块101的制备方法。如图5A所示，温度控制模块形成于硅衬底201上，使用常规成熟的技术如热氧或PECVD等方式在硅衬底201上形成电绝缘层204(氧化硅等)。
如图5B所示，在电绝缘层204上先光刻显影图形化所需的加热电阻线202和测温电阻线203和连接线与接触焊盘的窗口。之后利用PVD等方式在热电阻线、测温电阻线、连接线与接触焊盘的窗口处以及光刻胶上形成电热控制层206。最后，通过丙酮浸泡等方式去除光刻胶及光刻胶上的金属，实现金属剥离，留下所需的金属图形(铝金属材料等)。
如图5C所示，利用PECVD或磁控溅射等方式在电热控制层206上形成钝化保护层205，钝化保护层205可以氮化硅或二氧化硅等，但不仅限于此两类材料，与生化反应兼容且起钝化保护的材料均可。
如图5D所示，利用光刻显影打开接触焊盘207的窗口，并通过ICP刻蚀等技术将接触焊盘207上的钝化保护层去除，使之可以与外部PAD口进行金线互联。
图6A-图6D分别展示了根据本发明的一个具体的实施例的上盖板A 102的制备方法(上盖板B可用同样的方式制备)。如图6A所示，上盖板A以晶向为<100>的硅片为基础601，用常规成熟的技术如热氧或PECVD等方式在硅片601上形成硬掩膜层602，材料可包括氧化硅或氮化硅。
如图6B所示，在硬掩膜层上利用光刻显影的方式图形化所需的刻蚀口603。
如图6C所示，利用干法刻蚀的方式去除没有光刻胶覆盖的硬掩膜层，打开刻蚀窗口604。
如图6D所示，利用湿法腐蚀的方式对芯片进行处理，腐蚀出所需的反应腔室结构605。
之后利用激光刻孔的方式在上盖板A上形成进出液的进液口和出液口。
图7A-图7B展示了根据本公开内容所制备的另一个具体的实施例的上盖板A 701的截面图和平面俯视图。该实施例中，反应腔室不只一个，存在并排摆放的多个反应腔室702、进液口703和出液口704，可同时进行多种PCR实验。该实施例中的上盖板A同样可利用上文所述的光刻显影，干法刻蚀，湿法腐蚀，激光打孔等半导体加工工艺实现。同样的，相同的思路与方法可应用与上盖板B的实施例中，制备具有多个观测腔室的上盖板B。
图8展示了根据本公开内容所制备的一个具体的实施例的上盖板A102的涂胶图。该实施例中，利用丝网印刷或其他技术在上盖板A的下表面与温度控制模块的接触区域进行涂胶801，而在反应腔室的表面没有涂胶，将上盖板A与温度控制模块粘接在一起，根据胶的选择，经过适当的处理，将固化胶，最终将温度控制模块与上盖板A粘合在一起，从而形成反应腔室。上盖板A与上盖板B之间的粘合可选用同样的方式同时进行，从而形成观测腔室。此处选用的胶应为生化兼容性的胶，例如聚酰亚胺。
以PCR实验结果的检测为例，上盖板A与上盖板B之间形成的观测腔室可以存在“DNA探针”的点样区域，可位于观测腔室中上盖板A的上表面。通过“DNA探针”与结果产物之间的杂交结合并通过荧光检测，可实现对实验结果的评估与判定。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，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)

1.一种具有温度控制功能的硅基生化检测芯片，其特征在于，包括温度控制模块，上盖板A和上盖板B，其中所述上盖板A设置在所述温度控制模块的上方，并与所述温度控制模块紧密结合，所述上盖板A在靠近所述温度控制模块的一侧具有反应腔室，所述反应腔室上方设置有进液口和出液口；所述上盖板B设置在所述上盖板A的上方，并与所述上盖板A紧密结合，所述上盖板B在靠近所述上盖板A的一侧具有观测腔室，所述观测腔室与所述反应腔室通过所述出液口互相连通。
2.根据权利要求1所述的硅基生化检测芯片，其中，所述温度控制模块包括衬底、所述衬底上方的电绝缘层，所述电绝缘层上的加热电阻线、测温电阻线和钝化保护层。
3.根据权利要求2所述的硅基生化检测芯片，其中，所述温度控制模块的衬底的材料为硅，优选地，所述绝缘层为二氧化硅，所述钝化保护层为氮化硅或二氧化硅。
4.根据权利要求1所述的硅基生化检测芯片，其中，所述反应腔室和观测腔室的数量为一个或多个。
5.根据权利要求1所述的硅基生化检测芯片，其中，所述观测腔室的上方具有观测通孔，优选地，所述进液口包括密封塞，所述观测通孔包括密封塞。
6.根据权利要求1所述的硅基生化检测芯片，其中，所述进液口和出液口的形状为圆形，所述反应腔室的形状选自矩形、方形、圆形或椭圆形。
7.根据权利要求1所述的硅基生化检测芯片，其中，所述上盖板A的厚度为700μm-800μm，反应腔室的高度为400μm-500μm，所述进液口和出液口的直径为1mm-1.2mm。
8.根据权利要求5所述的硅基生化检测芯片，其中，所述观测通孔和所述观测腔室的形状为矩形、方形、圆形或椭圆形。
9.根据权利要求1所述的硅基生化检测芯片，其中，所述上盖板B的厚度为700μm-800μm，观测腔室的高度为400μm-500μm，优选地，所述上盖板A和上盖板B的材料选自与生化反应兼容的耐高温硬质材料，优选为硅或者石英。
10.根据权利要求1所述的硅基生化检测芯片，其中，所述温度控制模块、所述上盖板A和所述上盖板B通过生化兼容性胶粘接，所述生化兼容性胶优选为聚酰亚胺。
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