基于MEMS微悬臂梁固相阵列及悬浮微块阵列免疫芯片的研究

摘要

基于微悬臂梁固相阵列生物芯片，由于其具有较高的检测精度，已经成为探测生化分子的有效工具。微悬臂梁把对生化分子的分子识别转化为纳米机械运动，而这种运动一般可以通过光学或者压阻识别系统反应出来。基于微悬臂梁式的固相阵列生物芯片是将微纳米技术和生物技术相结合的一个典范。悬浮阵列芯片，结合了微流体芯片技术，可实现多元化、高通量、单因子分别定量的快速检测，具有高效、快速、敏感、特异、低成本等特点。 本论文在天津市自然科学基金重点项目“可复用型免疫传感器集成微系统的研究”资助下研究一种可复用硅压阻悬臂梁固相阵列免疫集成芯片，实现微悬臂梁固相阵列免疫芯片梁的可复用性，突破直接在梁表面做免疫反应使梁不可复用的模式；和在“天津大学ASIC设计中心与国家纳米技术与工程研究院关于开展用于生化检测的悬浮编码微块的研究”项目背景下制备悬浮微块阵列免疫芯片，主要创新性工作如下： 本文应用了具有磁性和抗体双重靶向功能的聚甲基丙烯酸环氧丙酯（PGMA）微球，利用其适于在微通道内进行可控式固相阵列检测，解决了传统微悬臂梁固相阵列免疫芯片的生物探针梁上固定、抗梁上非特异性吸附等生化反应都在微悬臂梁阵列所在的微通道内进行。 本文创新性的对U型微悬臂梁的结构进行了优化设计，结合经典力学的悬臂梁静态应力分布及考虑1/f噪声、白噪声，推导出了U型悬臂梁结构优化所需的固相阵列免疫芯片灵敏度、最小感应力，建立了仿真数学模型。同时，应用ANSYS、matlab、Femlab等有限元分析软件，设计仿真出悬臂梁上微电感线圈的微电磁场分布规律，满足当加电压时，PGMA磁微球探针群被吸附在悬臂梁表面，去电压时，磁微球探针群从梁上解析的效果。 本文采用微电子工业中的微细加工技术制备了悬浮微块阵列芯片，通过光刻、电子束蒸发等工艺，在微块表面刻蚀出微通孔标记的数字符号，实现了微块的生物探针编码。设计以硒化镉纳米量子点标记的编码微块，借助荧光显微镜可以很清晰、直观的观察到微块表面微通孔标记的数字符号，达到对微金属块的生物探针解码。 本文设计了基于微流体芯片、CMOS图像传感器组成的悬浮微块阵列芯片荧光信号读出微系统，满足生化免疫检测的微型化、便携化、自动化与直观化。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1 MEMS

1.1.1 MEMS概念

1.1.2 MEMS研究内容与应用

1.2生物芯片

1.2.1生物芯片的基本特点

1.2.2生物芯片的分类

1.4本论文选题的意义、研究内容及主要创新点

1.4.1选题的意义

1.4.2研究内容

1.4.3主要创新点

第二章压阻式微悬臂梁固相阵列免疫芯片的工作原理

2.1待检测的生物样品特性

2.1.1抗原与抗体的特异性结合

2.1.2 PGMA磁微球表征

2.2半导体的压阻效应

2.2.1压阻系数的计算

2.2.2单晶硅的压阻系数

2.3测量电路

2.4微悬臂梁固相阵列免疫芯片的工作原理

第三章压阻式微悬臂梁固相阵列免疫芯片的设计及优化

3.1微悬臂梁的力学结构设计与优化

3.1.1微悬臂梁结构的选取

3.1.2微悬臂梁结构的力学分析

3.1.3微悬臂梁固相芯片的灵敏度

3.1.4微悬臂梁的最小感应力

3.1.5压阻的掺杂浓度

3.1.6悬臂梁的设计参数

3.1.7微悬臂梁参数的优化

3.2微电感线圈磁场分析与优化

3.2.1微电感线圈的选取

3.2.2电感线圈磁场分析与优化

3.2.3电感线圈优化的磁球因素

3.3对试验结果的MONTE CARLO模拟

3.3.1基本原理

3.3.2计算模型

3.3.3结果和分析

第四章压阻式微悬臂梁固相阵列免疫芯片的工艺流程

4.1工艺流程的要点及难点

4.2微悬臂梁固相阵列芯片的制作

4.2.1基于单晶硅制作的工艺流程

4.2.2基于SOI制作的工艺流程

4.2.3两种流程结果的比较

4.3微悬臂梁固相阵列芯片的结构尺寸

4.3.1 SOI片的选取

4.3.2压敏电阻的尺寸选取

4.3.3电感线圈材料的选取

4.3.4电桥连接方式的选择

4.4微悬臂梁固相阵列芯片的版图

4.5微悬臂梁固相阵列芯片的制版说明与工艺要求

4.5.1制版说明

4.5.2工艺要求

第五章微流体技术与芯片

5.1微流体技术

5.2微流体芯片

5.3微流体芯片的概念

5.3.1微流体芯片的工作过程

5.3.2微流体芯片的特点和优点

5.4微流体芯片的材料选择

5.4.1器件衬底材料

5.4.2微流动层的材料

5.5微流体芯片的制作

第六章悬浮微块阵列免疫芯片的设计

6.1悬浮阵列生物芯片的检测原理

6.1.1悬浮阵列的微球荧光编码

6.1.2探针分子的固定

6.1.3悬浮阵列生物芯片的测量

6.1.4悬浮阵列生物芯片的优点和缺点

6.2悬浮微块阵列免疫芯片

6.2.1悬浮微块结构

6.2.2悬浮微块阵列芯片的制备

6.2.3悬浮微块阵列芯片的生物检测

6.2.4用于悬浮微块阵列芯片荧光信号读出电路的高增益低功耗(Gain Booster)增益自举放大器的设计

6.3基于微流体芯片、CMOS图像传感器组成的悬浮微块阵列芯片荧光信号读出微系统设计

6.3.1微系统内的微流体芯片设计

6.3.2微系统内30万像素CMOS图像传感器(CIS)

第七章总结

7.1全文结论

7.2后续研究工作展望

附录

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致 谢