CN1394963A - 具有多层复合结构微热盘的pcr扩增器 - Google Patents

Abstract

具有多层复合结构微热盘的PCR扩增器，包括电极金属压焊点(1、1a)、氮化硅薄膜(2)、多晶硅加热电阻(3)、测温电阻(4)、二氧化硅层(5)、进样孔(6)、玻璃盖板(7)、排气孔(8)、硅衬底(9)、微槽(10)、微反应室(11)，还包括导热层(12)，所述的加热电阻(3)、测温电阻(4)和导热层(12)制作在微反应室(11)内，测温电阻(4)和加热电阻(3)制作在同一层上。本发明在加热电阻和反应溶液之间加入厚度适当的具有高热导率的薄膜，保证高加热效率和低功耗的前提下，实现最好的温度分布均匀性。避免了加热电阻直接与DNA反应溶液直接接触造成的局部过热导致的生物高分子在加热电极周围凝聚现象。

Description

具有多层复合结构微热盘的PCR扩增器

技术领域

本发明涉及微型生物芯片，特别是具有多层复合结构微热盘的PCR扩增器。

发明背景

PCR(聚合酶链式反应)扩增器是利用在95℃下DNA双链分子受热变性成为两个单链DNA模板，再将系统降温至37℃-55℃，由溶液中的两条人工合成的引物(寡核苷酸)与互补的单链DNA模板结合，单链上的碱基对与溶液中的碱基自由基(探针)配对结合，然后使溶液升温到70℃，在TaqDNA聚合酶的作用下使与单链结合的引物连接，形成新的双链结构，这样一条DNA分子经过一个温度循环，扩增为两条完全一样的DNA分子，他们携带完全一样的遗传信息，多个温度循环后，同一种DNA分子的数量被放大。近百次温度循环待扩曾的基因扩增放大几百万倍，这就是PCR扩增器的基本原理。

PCR扩增器目前都是采用硅为主体材料，在硅片上进行三维立体加工形成微槽，在槽底的硅膜片上开出进样孔和排气孔；再在槽口封上玻璃盖板，形成微反应室。将这样的微室阵列化用于多种生物样品的DNA扩增。将制作好的微反应室放在温度可控制的热盘上进行DNA扩增实验，加热和测温都是在反应室的外面进行。

一种自带微热盘和测温电阻的微结构PCR扩增器是采用硅为衬底材料，在硅片上沉积厚氮化硅支撑膜片，再在膜片上制作加热电阻和测温电阻，然后对硅衬底进行三维立体加工形成微槽，在槽口封上开有进样孔和排气孔的玻璃盖板，形成自带微热盘和测温电阻的微结构PCR扩增器。自带微热盘和测温电阻的微结构PCR扩增器包含两个部分：硅芯片和玻璃盖板，如图1所示。

图2是自带微热盘和测温电阻的微结构PCR扩增器的正面图(电极一侧)。可以看见加热电阻和测温电阻是制作在氮化硅薄膜上面，微反应室的外侧。两对金属电极压焊块分别于加热电阻和测温电阻相连。

图3是自带微热盘和测温电阻的微结构PCR扩增器的硅芯片的背面图。

图4是玻璃盖板的平面图。

图5是自带微热盘和测温电阻的微结构PCR扩增器的背面图(玻璃盖板和硅芯片键合在一起)。进行扩增前，样品由进样孔6，注入经微槽10，流到到微反应室11中，微反应室内的空气经过另一侧的微槽，由排气孔8排出。

加热和测温都是制作在微反应室的外面。这样就不可避免地导致：1，    温度测量不准确。测试的温度是微反应室外面的温度而不是微反应室里面待测溶液的温度。采用外置测温时，需要对微反应室内外温度进行标定。2，    常规的微结构扩增器热盘本身不带有加热系统，使用时必须使用外加热盘。热效率不高，功耗大。3，    聚合酶链式反应扩增器(申请专利号：99127328)中已经提出内置测温传感器。但该专利申请采用的是帕尔帖效应原理制作加热器，制作较为复杂。以电阻加热的方法制作微结构PCR扩增器制作工艺较为简单可靠，而且热效率要高得多。4，    由于氮化硅薄膜的强度和扩增反应中固有的溶液热膨胀问题的限制，要求氮化硅的厚度很厚，外部金属电阻加热，功耗还是比较大。如果能将加热电阻制作在微反应室的里面将大大提高加热效率；但是，将加热电阻制作在微反应室的里面让加热电阻直接接触，电阻的表面的局部温度过高，反应溶液中的聚合酶会因加热电阻表面局部过热而聚集在加热电阻周围阻碍PCR反应继续进行。

发明简述

本发明的目的是提供一种具有多层复合结构的微热盘的微结构PCR扩增器。

为实现上述目的，具有多层复合结构微热盘的PCR扩增器包括电极金属压焊点1、1a、氮化硅薄膜2、多晶硅加热电阻3、测温电阻4、二氧化硅层5、进样孔6、玻璃盖板7、排气孔8、硅衬底9、微槽10、微反应室11，还包括导热层12，所述的测温电阻4和导热层12内置，测温电阻4和加热电阻3制作在同一层上。

本发明以低应力氮化硅制成膜片和二氧化硅隔离层的PCR扩增器，具有测温准确；加热效率高；能够有效防止聚合酶在加热电阻附近因局部过热而凝聚现象。能够精确测量PCR扩增器中的温度，有效控制反应进行过程。在加热电阻和反应溶液之间加入厚度适当的具有高热导率的薄膜，保证高加热效率和低功耗的前提下，实现最好的温度分布均匀性；有效地避免了加热电阻直接与DNA反应溶液直接接触造成的因局部过热导致的生物高分子在加热电极周围凝聚现象。

附图说明

图1是自带微热盘和测温电阻的微结构PCR扩增器的横截面图。

图2是自带微热盘和测温电阻的微结构PCR扩增器的正面图(电极一侧)。

图3是自带微热盘和测温电阻的微结构PCR扩增器的硅芯片的背面图。

图4是玻璃盖板的平面图。

图5是自带微热盘和测温电阻的微结构PCR扩增器的背面图(玻璃盖板和硅芯片键合在一起)。

图6是具有多层复合结构微热盘的PCR扩增器横截面图。

图7是图6所示结构的正面图；

图8是图6所示结构的硅芯片的背面图。

图9是图6所示结构PCR扩增器的背面图。

图10是测温电阻和导热层不制作在同一层上，具有多层复合结构微热盘的PCR扩增器。

发明的详细描述

为简化描述，不同附图中的相同元件使用相同的标号。

本发明所依据的基本原理是在加热电阻和反应溶液之间，加入一层热导率较高的薄膜12，来提高横向热传导的热流分量，这样就可以在总的热流量一定的条件下，有效降低垂直热传导的热流分量从而降低加热电阻区的表面温度，提高电阻条间隔区的温度，达到进一步改善温度分不均匀性的目的。

如图6所示，电极金属压焊点1、1a，用于将芯片和外部的温控电路相连；氮化硅薄膜2，用作为微热盘的支撑膜片同时和硅衬底以及玻璃盖板构成微反应室；测温电阻金属压焊点，用于和外部的温控电路中的测温系统相连；多晶硅加热电阻3，与温控电路中的电源相连，用于给微结构PCR扩增器加热；测温电阻4，与温控电路中的测温电路相连，使测温电路的温度传感器，用于监测微结构PCR扩增器的微反应室的温度；二氧化硅层5，用于钝化硅衬底在微反应室内的内表面，减少硅对PCR扩增反应的抑制作用；进样孔6，用于待扩增样品的注入；玻璃盖板7，用于封闭微反应室；排气孔8，用于注入样品时，排除微反应室中的气体；硅衬底9，整个微反应室的支撑结构；10是在硅衬底上腐蚀出的微槽，用于将为反应室和进样孔相连；这样做的目的是使扩增过程中样品与外界接触面积尽量小，使扩增过程中的溶液的密封更容易；微反应室11：待扩增样品、探针和用于检测扩增结果的荧光物质的溶液将在此进行多个温度循环，使待测样品扩增，并检测，导热层12，用来提高横向热传导的热流分量。测温电阻4、加热电阻3和导热层12制作在微反应室11内，测温电阻4和导热层12位于同一层上。可以采用同一种材料或采用不同种材料。采用同一种材料可以一次淀积，一次光刻形成所要求的图形。可以采用同一种材料或采用不同种材料。如图10所示。测温电阻的材料可以是掺杂多晶硅和重掺杂单晶硅；加热电阻的材料是金属和掺杂多晶硅。

加热电阻可以采用金属(外置)、多晶硅、金属硅化物等；测温电阻可以采用扩散硅、多晶硅等能耐高温的材料；高热导率的导热层可以采用扩散硅、多晶硅、低应力氮化硅、氧化铝、碳化硅等材料。

与自带微热盘和测温电阻的微结构PCR扩增器相比，具有多层复合结构微热盘的PCR扩增器从结构上有很大区别，比较图2和图7，新结构的正面只有金属电极压焊块在氮化硅层上，加热电阻和测温电阻在正面是看不到的。从正面只能看到金属电极压焊块。比较图8和图3，新结构背面微槽内能看见内置的测温电阻和导热层。而自带微热盘和测温电阻的PCR扩增器芯片的背面只能看到氮化硅薄膜和微槽。从横截面图1和横截面图6可以看出自带微热盘和测温电阻的微结构PCR扩增器的微热盘比具有多层复合结构微热盘的PCR扩增器的微热盘具有更为复杂的结构，最大的特点是加热电阻内置，在加热电阻和溶液之间制作了导热层(12)。

Claims (6)

1.一种具有多层复合结构微热盘的PCR扩增器，包括电极金属压焊点(1、1a)、氮化硅薄膜(2)、多晶硅加热电阻(3)、测温电阻(4)、二氧化硅层(5)、进样孔(6)、玻璃盖板(7)、排气孔(8)、硅衬底(9)、微槽(10)、微反应室(11)，其特征在于还包括导热层(12)，所述的加热电阻(3)、测温电阻(4)和导热层(12)制作在微反应时(11)内，测温电阻(4)和加热电阻(3)制作在同一层上。

2.按权利要求1所述的扩增器，其特征在于所述的测温电阻(4)和导热层(12)位于同一平面上。

3.按权利要求1所述的扩增器，其特征在于所述的导热层(12)位于微热盘的内侧。

4.按权利要求1或2所述的扩增器，其特征在于所述的导热层(12)采用扩散硅、多晶硅、低应力氮化硅、氧化铝、炭化硅。

5.按权利要求1或2所述的扩增器，其特征在于所述测温电阻(4)采用扩散硅或多晶硅。

6.按权利要求1所述的扩增器，其特征在于所述的加热电阻(3)采用多晶硅、金属硅化物。

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