硅基单反应腔PCR生物芯片的设计与制作

摘要

生物分析仪器的微型化和集成化发展趋势导致了微全分析系统这一概念的提出.目前,以微细加工工艺为基础的生物芯片技术蓬勃发展,由此而产生的芯片实验室将使微全分析成为可能.该文所研制的聚合酶链式反应(Polymerase Chain Reaction,简称PCR)芯片是生物芯片的一种,是芯片实验室的重要组成部分之一.PCR技术是一种基因片断体外扩增技术,由于其具有扩增速度快、操作简便等特点,在生物医学等领域获得了广泛应用.在生物芯片上完成PCR扩增可以极大地缩短反应时间,减少试剂消耗,能够取得令人满意的效果.该文根据PCR芯片的发展现状,对芯片的设计和制作进行了研究.该文在PCR芯片设计中,利用ANSYS有限元软件作为主要的分析工具,对PCR芯片微反应池底部加热器所产生的温度分布和热特性进行了仿真分析,根据分析结果确定了芯片版图设计方案,利用硅基微细加工技术完成了芯片的制作.针对初期制备的铬薄膜电阻温度系数较低的问题,根据薄膜理论分析,研究了影响铬薄膜电阻温度系数的主要因素,根据实验结果不断改进铬薄膜电阻制备工艺,最终制作出了基本满足检测要求的热敏电阻薄膜.该论文还设计了与PCR芯片配套的温度控制系统,该系统以AT89C51单片机为核心,利用A/D变换器等构成数据采集输入通道,采用PID控温算法及PWM技术实现驱动输出,研制出升温迅速、控温准确的PCR芯片温控系统,实现了单反应腔体PCR芯片的三温区热循环和控制.

目录

文摘

英文文摘

0前言

1绪论

1.1微全分析系统与生物芯片

1.1.1微全分析系统

1.1.2生物芯片的概念及分类

1.1.3生物芯片材料和加工技术

1.2聚合酶链式反应(PCR)

1.3 PCR芯片简介

1.3.1 PCR仪与PCR芯片

1.3.2国内外研究进展

1.3.3本文的选题思想

2传热学基本理论与ANSYS的热分析

2.1传热学基本理论

2.1.1三种基本传热方式

2.1.2热分析材料属性

2.1.3三类边界条件

2.1.4初始条件和热载荷

2.1.5热分析的分类

2.2 ANSYS软件及其在热分析中的应用

2.2.1ANSYS的主要技术特点及分析功能

2.2.2ANSYS的处理器

2.2.3ANASYS使用中几个应注意的问题

3 PCR生物芯片的设计与制作

3.1三维有限元模型与热分析

3.1.1芯片三维模型描述

3.1.3实体建模与网格划分

3.1.3瞬态分析

3.1.4稳态分析

3.2 PCR芯片的结构设计

3.3 PCR微反应池的工艺实现

4 PCR芯片温度传感器研制

4.1金属薄膜材料选择

4.2金属薄膜电阻温度特性的理论分析

4.3薄膜电阻温度系数的测量

4.3.1测量系统组成

4.3.2测温仪设计

4.4工艺条件对铬薄膜电阻温度系数(TCR)的影响

4.4.1铬薄膜光刻工艺与TCR的关系

4.4.2铬薄膜制备工艺对TCR的影响

4.4.3铬薄膜热处理与TCR的关系

4.5小结

5 PCR芯片温控系统设计

5.1温度控制算法

5.2硬件设计

5.2.1温度信号输入通道

5.2.2执行信号输出通道

5.2.3显示、键盘及通信电路设计

5.3软件设计

5.3.1单片机软件设计

5.3.2通信程序设计

5.4 PID参数整定

5.5小结

6总结与展望

6.1总结

6.2展望

参考文献

作者在硕士研究生期间发表的论文

致谢

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