一种高效传热与热隔离的微热控芯片系统的制作方法
【专利摘要】本发明公布了一种高效传热与热隔离的微热控芯片系统，包括加热电极、散热元件、微热管、微反应腔、微流道、微流控系统、金属引线、电子信号处理与控制模块、玻璃、硅、氧化硅，隔热槽、传感器，微热管一端连接加热电极或散热冷凝元件，另一端连接微反应腔，微流控系统通过微流道连接微反应腔，电子信号处理与控制模块通过金属引线连接微反应腔或传感器。所述微热管采用虹吸热管，内壁淀积多孔材料，底部键合玻璃。通过微热管与微反应腔进行热量交换，可实现微反应腔内反应溶液的快速升降温；加热电极、散热元件、金属引线、微流道不在同一区域，加工方便；加热电极与散热元件分布在芯片的某一单独区域，基本不影响其他器件的性能。
【专利说明】一种高效传热与热隔离的微热控芯片系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种高效传热与热隔离的微热控芯片系统，尤其是能实现快速升降温及分区温控的芯片系统。
【背景技术】
[0002]随着微机电系统技术(Micro Electro Mechanical System, MEMS)的迅速发展以及跨学科研究的不断深入，芯片系统已从简单的各种电子元器件和半导体电路的集成发展成为将电路与多种物理、化学、生物信息的感知和处理功能集于一体的广义芯片系统。在这样的芯片系统中，许多生化反应则是温度敏感的，电子元器件需要散热，因此热控制对于芯片系统的正常工作至关重要。
[0003]微系统技术由传统半导体技术发展而来。一般而言，大功率密度电子芯片和微执行器件需要能够快速散热，芯片基底的温度是影响其工作性能的重要因素。微加工技术与生命科学研究相结合产生的微型全分析系统通过主动控制溶液在芯片(微腔型PCR芯片为例)装置中的流动，使复杂的生化反应分析检测过程在芯片中自动高效地连续进行，从而把生化分析实验室的功能转移到方寸大小的芯片上。近年来，利用IC兼容单片集成MEMS技术以及其它硅基/非硅材料微加工方法，已经成功实现了电子信号和反应试剂在片上的传输、控制与处理。对于生化反应温度环境的控制，目前普遍采用在微反应腔基底敷设加热电极及风扇和水循环制冷等方式。
[0004]热管技术是一种无需外部驱动，靠工质自身在循环过程中相变而伴随吸热、散热的高效传热技术。热管的热阻极小，有效导热系数甚至可达铜的上万倍。热管内通常充有挥发性工质，工质在蒸发段吸收热量发生相变成为气态，并在冷凝段放出热量凝结为液态。重力热管结构简单，其液态工质的回流依靠重力作用，能实现单向导热(即热只能从底部传向顶部)，但在工作中必须竖直放置。虹吸热管通过在管内壁敷设一层多孔材料，利用多孔材料的虹吸作用回流液态工质，因此在工作中不限定放置方式，但虹吸热管的换热性能与多孔材料的虹吸能力密切相关。
[0005]目前，芯片系统中用于电子信号控制与处理的集成电路和微流控子系统已可设计制备在芯片上，并分别通过金属引线及微流道与微反应腔发生物质、能量与信号的交换。然而，芯片系统的热控制却仍然主要采用在反应腔基底敷设加热电极和风扇/液流冷却等方式进行，无法实现功能的模块化。这样的热控制方法存在以下问题:一是敷设加热电极和冷却流道的空间有限，影响其加热/冷却功率；二是热控制元件与流道、金属导线集中在同一区域，容易引起加工上的困难；三是加热/冷却时常常同时加热/冷却整个芯片基底，造成热容大且容易影响其它器件的性能。
【发明内容】
[0006]本发明所需解决的技术问题在于针对现有技术存在的缺陷，提出一种能实现快速传热及分区域定温控制的高效传热与热隔离微热控芯片。[0007]本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:
一种高效传热与热隔离的微热控芯片系统，包括加热电极、散热元件、微热管、微反应腔、微流道、微流控系统、金属引线、电子信号处理与控制模块、玻璃、硅、氧化硅，隔热槽、传感器，微热管一端连接加热电极或散热元件，另一端连接微反应腔，微流控系统通过微流道连接微反应腔，电子信号处理与控制模块通过金属弓I线连接微反应腔或传感器。
[0008]所述芯片系统上不同温度区之间设置有减少热交换的隔热槽。
[0009]所述微热管采用虹吸热管，内壁淀积多孔材料，底部键合玻璃。
[0010]所述隔热槽采用在硅基底上刻蚀形成，外壁可自然形成氧化硅保护膜；或包覆换热系数低的聚合物膜层。
[0011]所述微热管外部为半导体材料硅；所述半导体材料硅下面为玻璃，上面为绝缘材料氧化硅。
[0012]所述加热电极、散热元件、传感器采用标准微电子工艺在硅基底上制备，附着在绝缘材料氧化硅表面。
[0013]所述微反应腔采用刻蚀方法在硅基底上制备，可根据需要进行表面改性。
[0014]一种高效传热与热隔离的微热控芯片系统，包括加热电极、散热元件、微热管、隔热槽等组成的高效热控制模块，微反应腔、微流道等组成的微流控系统，电子信号处理与控制模块。微热管一端连接加热电极或散热元件，另一端连接微反应腔，在二者之间将热量高效快速传递；微流控系统通过微流道为微反应腔输运反应物，控制出入微反应腔的反应物/生成物及其速率；电子信号处理与控制模块通过金属引线可采样微反应腔内各种信号，实现信号采集与控制，通过电子信号处理控制高效热控制模块及微流控系统。
[0015]加热电极与散热元件集中在芯片的某个区域，通过微热管与微反应腔进行热量交换，只要足够多的加热电极和和散热元件，可实现微反应腔内反应溶液的快速升降温，并保持不同区域温度分别恒定。
[0016]本发明的有益效果是:提出了一种高效传热与热隔离的微热控芯片系统，通过微热管与微反应腔进行热量交换，可实现微反应腔内反应溶液的快速升降温；加热电极、散热兀件、金属引线、微流道不在同一区域，加工方便；加热电极与散热兀件分布在芯片的某一单独区域，基本不影响其他器件的性能。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1是一种高效传热与热隔离的微热控芯片系统的俯视图。
[0018]图2是一种高效传热与热隔离的微热控芯片系统的截面图。
[0019]图中1.加热电极，2.散热元件，3.微热管，4.微反应腔，5.微流道，6.微流控系统，7.金属引线，8.电子信号处理与控制模块，9.玻璃，10.硅，11.氧化硅，12.隔热槽，13.传感器。
【具体实施方式】
[0020]如图所示，一种高效传热与热隔离的微热控芯片系统，包括加热电极(I)、散热元件(2)、微热管(3)、微反应腔(4)、微流道(5)、微流控系统(6)、金属引线(7)、电子信号处理与控制模块(8)、玻璃(9)、硅(10)、氧化硅(11)，隔热槽(12)、传感器(13)，微热管(3) —端连接加热电极(I)或散热元件(2 )，另一端连接微反应腔(4 )，微流控系统(6 )通过微流道
(5)连接微反应腔(4)，电子信号处理与控制模块(8)通过金属引线(7)连接微反应腔(4)或传感器(13)。
[0021]所述芯片系统上不同温度区之间设置有减少热交换的隔热槽(12)。
[0022]所述微热管(3)采用虹吸热管，内壁淀积多孔材料，底部键合玻璃(9)。
[0023]所述隔热槽(12)采用在硅基底上刻蚀形成，外壁可自然形成氧化硅(11)保护膜；或包覆换热系数低的聚合物膜层。
[0024]所述微热管(3)外部为半导体材料硅(10);所述半导体材料硅(10)下面为玻璃(9 )，上面为绝缘材料氧化硅(11)。
[0025]所述加热电极(I)、散热元件(2)、传感器(13)采用标准微电子工艺在硅基底上制备，附着在绝缘材料氧化硅(11)表面。
[0026]所述微反应腔(4)采用刻蚀方法在硅基底上制备，可根据需要进行表面改性。
[0027]一种高效传热与热隔离的微热控芯片系统，包括加热电极(I)、散热元件(2)、微热管(3)、隔热槽(12)等组成的高效热控制模块，微反应腔(4)、微流道(5)等组成的微流控系统(6),电子信号处理与控制模块(8)。微热管(3) —端连接加热电极(I)或散热兀件
(2)，另一端连接微反应腔(4)，在二者之间将热量高效快速传递；微流控系统(6)通过微流道(5)为微反应腔(4)输运反应物，控制出入微反应腔的反应物/生成物及其速率；电子信号处理与控制模块(8 )通过金属引线(7 )可采样微反应腔(4 )内各种信号，实现信号采集与控制，通过电子信号处理控制高效热控制及微流控。
[0028]加热电极(I)与散热元件(2)集中在芯片的某个区域，通过微热管(3)与微反应腔
(4)进行热量交换，只要足够多的加热电极(I)和和散热元件(2)，可实现微反应腔(4)内反应溶液的快速升降温，并保持不同区域温度分别恒定。
【权利要求】
1.一种高效传热与热隔离的微热控芯片系统，其特征是:包括加热电极(I)、散热元件(2)、微热管(3)、微反应腔(4)、微流道(5)、微流控系统(6)、金属引线(7)、电子信号处理与控制模块(8)、玻璃(9)、硅(10)、氧化硅(11)，隔热槽(12)、传感器(13)，微热管(3)—端连接加热电极(I)或散热元件(2 )，另一端连接微反应腔(4 )，微流控系统(6 )通过微流道(5 )连接微反应腔(4 )，电子信号处理与控制模块(8 )通过金属引线(7 )连接微反应腔(4 )或传感器(13)。
2.根据权利要求1所述的一种高效传热与热隔离的微热控芯片系统，其特征是:芯片系统上不同温度区之间设置有减少热交换的隔热槽(12)。
3.根据权利要求1所述的一种高效传热与热隔离的微热控芯片系统，其特征是:所述微热管(3 )采用虹吸热管，内壁淀积多孔材料，底部键合玻璃(9 )。
4.根据权利要求1或2所述的一种高效传热与热隔离的微热控芯片系统，其特征是:所述隔热槽(12)采用在硅基底上刻蚀形成，外壁可自然形成氧化硅(11)保护膜；或包覆换热系数低的聚合物膜层。
5.根据权利要求1或3所述的一种高效传热与热隔离的微热控芯片系统，其特征是:所述微热管(3)外部为半导体材料硅(10);所述半导体材料硅(10)下面为玻璃(9)，上面为绝缘材料氧化硅(11)。
6.根据权利要求1所述的一种高效传热与热隔离的微热控芯片系统，其特征是:所述加热电极(I)、散热元件(2)、传感器(13)采用标准微电子工艺在硅基底上制备，附着在绝缘材料氧化硅(11)表面。
7.根据权利要求1所述的一种高效传热与热隔离的微热控芯片系统，其特征是:所述微反应腔(4)采用刻蚀方法在硅基底上制备，可根据需要进行表面改性。
【文档编号】B01L3/00GK103990501SQ201410271144
【公开日】2014年8月20日 申请日期:2014年6月18日 优先权日:2014年6月18日
【发明者】季旭, 谭礼军, 李明, 罗熙, 余琼粉, 王云峰 申请人:云南师范大学