专利名称：：集成温度传感器的制作方法
技术领域：
：本发明涉及集成温度感测装置以及相应的方法，具体涉及例如集成在MEMS装置中、传感器尤其是生物传感器中、分子诊断装置中、生物反应器中以及微流体的"片上系统"或"片上实验室"等中的温度感测装置。
背景技术：
：MEMS装置对于许多应用领域都是己知的，这些应用领域包括用于(生物)化学分析的生物传感器和生物芯片，例如分子诊断学，用于各种医学、法医和食品应用中。通常，生物芯片包括生物传感器，在大多数生物传感器中，用捕获分子将目标分子(例如蛋白质、DNA)固定在生物化学表面上，随后例如用光学、磁性或电气检测方案对其进行检测。GrietjeN.Mol，KennethD.Harris,CeesW.M.Bastiaansen禾口DirkJ.Broer的"Thermo-MechanicalResponsesofLiquid-CrystalNetworkswithaSplayedMolecularOrganization"涉及具有取决于温度的变形的MEMS装置。其表明在电子学、集成光学和医学及生物医学应用中使用了微集成的激励器，例如MEMS装置。己经成功地将采用对不同类型刺激的响应的运动、能量或功的形式的机械效果用于在微流体系统中(重)引导流体。在该文献中提供的大多数实例是基于微观结构的无机层，其常常是通过光刻工艺和牺牲层技术来获得的。更少的出版物提到了将聚合物用作激励器结构中的活性层。然而，将聚合物用于构建激励器对于特定应用而言具有许多益处。其薄膜处理通常更容易并且更好地适合于大面积应用。另外，其响应的幅度大于无机材料的幅度。当然，这与低模数有关，并且是以可以产生的力量或功为代价的。因为液晶聚合物系统的响应时间和幅度的原因，液晶聚合物系统的使用显得尤其有吸引力。温度的变化引起了各种组群在液晶(LC)弹性体(LCE)中的明显的尺寸变化。普遍的机制是基于分子组织中的变化，该变化在从对准的液晶到各向同性相的转变时变得特别大。为了能够实现相对较大的幅度，分子旋转迁移率必须足够高，因此大多数出版物提及了LC弹性体种类，其具有柔软的骨干结构，从而具有相对较低的弹性模数。该文章讨论了一种新的聚合物系统，该聚合物系统基于密集交联的LC网络，并通过反应性液晶基(mesogens)的光致聚合作用而获得。在该系统中，可以很好的控制分子有序度。分子有序度的受控本质不仅涉及其角度和其方向，还涉及这个事实即，可以通过例如其局部定向边界条件中的变化来对其进行局部调整，所述局部定向边界条件中的变化是通过施加局部外部场产生的或者是通过在聚合期间由光刻曝光和聚合引起的扩散产生的。光刻曝光还能够形成可以集成在微机电系统(MEMS)中的微米尺寸的元件。另外，LC网络构成了用于各类刺激的良好的模型系统，尤其是它们可以由热来激活。外张式(splayed)分子排列所产生的薄膜以良好受控的方式产生一致性变形。所述薄膜在本质上是单片式的；就是说，它们基于单层结构，该单层结构易于制造及构成并且也不会出现多层结构常见的问题，例如在弯曲过程中的脱层或分界面滑动。在可以在片上实验室上执行的许多试验中，包含样本加热在内的环境处理步骤是基本的。其一个实例是聚合酶链反应(PCR)，它是一种沿用已久的酶方法，用于通过重复一系列受热控制的反应步骤来扩大DNA。在PCR反应中，在每一个循环中的扩大的DNA分子的数量加倍。该热循环由三个步骤组成融化双链DNA(性质改变(denaturisation))来分离互补链，将特定底层涂料粘合到目标位置(退火)，以及通过耐热酶(例如T叫多聚酶)来扩展底层涂料(扩展)。用于性质改变、退火和扩展步骤的通常温度分别是94、40-72和72°C。必须准确地控制这些温度，例如优选地控制在0.5°C之内。通过对温度的准确控制来提高通常呈现在生物芯片上的生物传感器的特异性。例如在杂化试验期间使用温度控制来调节目标生物分子与功能化表面之间结合的严格性，例如DNA链与其互补链的结合。当例如关注单点突变时，要求高度严格的以及因此而准确的温度控制。除了对于杂化试验具有高度重要性之外，生物传感器的温度控制通常也是必需的。例如因为许多生物分子在小温度窗口(常常在37°C附近)中是稳定的，或者当温度位于该温度窗口之外时变得失去活性。为了能够准确地控制生物芯片中的温度，需要对其进行测量。更普遍的，这是利用热电阻器件(RTD)来完成的，其常常由集成在芯片上的电阻带或线(例如金或铂)组成。所用的原理是芯片的电阻随温度而变化(线性的)。缺点是为了实现足够的精度，电阻带相对较大(在宽度上是微米级的和在长度上是数百微米级的)，以致于不可能以l-10微米的尺度局部测量温度，而这种温度测量对于温度梯度的评估是有用的。
发明内容本发明的目的是提供作为替换的或改进的集成温度感测装置以及相应的方法。根据第一方面，本发明提供了一种集成温度传感器，包括微机械激励器，其包括具有取决于温度的变形的、可热激励的聚合物材料；以及检测器，用于根据激励器的变形来输出信号。这能够实现在集成结构中的温度感测，而不存在所有与热电阻器件有关的困难，其中该集成结构例如为MEMS装置。在一些实施例中，激励器是伸长状结构，其在温度变化时改变其形状。在其它实施例中，激励器可以是块状的，并且当温度变化时改变其体积。一个可选附加特征是激励器由可热激励的聚合物材料构成，例如具有内应力的材料，该内应力可以在特定温度上释放。聚合物材料可以是弹性材料、形状记忆聚合物(SMP)，例如化学休眠弹性记忆材料(CHEM)、弹性网络形式的LC(液晶)材料等。该可热激励的聚合物材料可以是单向材料，即其在特定温度上不可逆地改变其形状，或者其可以被重复以便能够循环经历形状变化。另一个可选特征是检测器包括以下任一个光学检测器、磁性检测器或电容性检测器。另一个可选特征是检测器被设置为检测多个级别的变形。另一个可选特征是激励器被设置为层，且所述变形是该层的巻曲。另一个可选特征是该层是单片式层。这能够帮助避免脱层的问题，并能够简化制造。另一个这种附加特征是激励器具有小于100微米的长度。另一个方面提供了一种生物芯片，其包含用于分析样本的模块，并包含以上阐述的集成温度传感器。一个可选特征是用于处理信号的集成电路。另一个这种可选特征是所述集成电路包括用于被感测的分析过程的集成控制器，传感器输出的信号耦合到该控制器。本发明的其它方面包括制造所述集成温度传感器的方法和使用所述集成温度传感器产生温度信号的方法。任何附加特征都可以组合在一起，并与任何方面相结合。其他优点对于本领域技术人员是显而易见的，尤其是相对于其它现有技术。可以作出许多变化和修改，而不会脱离本发明的权利要求。因此，应明确的认识到本发明的形式仅是说明性的，而不是想要限制本发明的范围。现在参考附图通过实例来说明如何实施本发明，其中图1显示了根据温度，热激励的LCE结构的变形中的变化，图2显示了聚合物微激励器，图3显示了包括热传感器的生物传感器单元的一般性设置，图4显示了根据本发明的MEMS温度传感器的实施例的示意图，图5显示了根据本发明的温度传感器的另一个实施例的示意图，及图6显示了根据本发明的温度传感器的另一个实施例的示意图。具体实施例方式将针对具体实施例并参考特定附图来说明本发明，但本发明不限于此，而仅由权利要求限定。在权利要求中的任何参考标记都不应解释为限制范围。所述的附图仅是示意性的，而不是限制性的。在附图中，为了说明的目的，放大了一些元件的尺寸，而没有按比例画出。在此在本说明书和权利要求中使用了术语"包括"，但其不排除其它元件或步骤。在此当指代单数名词时使用了不定冠词或定冠词，例如"一"、"所述"，这包括多个该名词，除非另外特别表明了不同。而且，在说明书和权利要求中的术语第一、第二、第三等用于在相似元件之间加以区别，并非必然用于说明顺序或按时间次序。会明白如此使用的术语在适当的环境下是可互换的，与在此所述的或示出的顺序相比，在此所述的本发明的实施例能够以其它顺序工作。而且，在说明书和权利要求中的术语顶部、底部、之上、之下等是用于描述的目的，并非必然说明相对位置。会明白如此所用的术语在适当的环境下是可互换的，与在此所述的或示出的情况相比，在此所述的本发明的实施例能够在其它定向中工作。会注意到在权利要求中所用的术语"包括"不应解释为受限于此后列出的模块；其不排除其它元件或步骤。从而应解释为按所提及的指明所述特征、整数、步骤或部件的存在，而不排除一个或多个其它特征、整数、步骤或部件或其构成的组的存在或添加。因此，表述"包括模块A和B的装置"的范围不应限制为仅由部件A和B组成的装置。其意味着对于本发明，该装置中仅与本发明相关的部件是A和B。在以下的说明书和权利要求中，术语"可热激励的(thermallyactuatable，thermallyactuable)"涉及至少在一个尺度中的取决于温度的变化，该变化超出了单独由热膨胀产生的线性运动。因此，该术语指的是增强的取决于温度的运动，与简单热膨胀相比是增强的。可以通过各种物理布置来提供这个增强的运动，例如通过将一种材料与另一种材料(例如凝胶体)相混合，或者通过处理聚合物材料以使得当其被加热时易于巻曲，或者通过两种不同材料的叠置，或者在特定温度上将内应力的冻结进行释放使得在形状或尺寸上具有显著变化等。本发明涉及集成温度传感器及相应的方法，尤其是集成在MEMS装置中、传感器尤其是生物传感器中、分子诊断装置中、生物反应器以及微流体"片上系统"或"片上实验室"等等中的温度感测装置。在几乎任何此类装置中，例如用于(生物)化学分析、精确温度控制以及由此的精确温度测量的生物芯片会是重要的。所述的实施例涉及在这种小尺寸的(通常是1-100微米的尺度的像置中(例如在生物芯片/生物传感器/PCR室中)如何用相对低成本的解决方案获得对温度的局部测量的手段。本发明的实施例提供了一种用于温度感测的集成温度敏感聚合物微观结构。这适合于用于医学或生物医学分析的生物芯片中的应用以及其它应用。温度敏感聚合物微观元件可以在1到IOO微米的尺度上局部地测量在用于(生物)化学分析的生物芯片中的温度。与现有解决方案相比，这提供了以下优势局部温度测量、评估温度梯度，并且这个解决方案潜在地比现有方法更便宜。已知几种聚合物材料，其通过变形响应温度中的变化。所有材料都以某种方式响应温度，但对于简单和高效的激励器来说热膨胀系数常常是过低的。根据本发明，使用了随温度而在尺寸上变化的聚合物材料，并且该变化超过了由热膨胀引起的尺寸变化。例如，聚合物凝胶体的体积可以取决于温度变化。支持该点的机制在于，如果将聚合物分子放置在溶剂中，则在一方面的聚合物链段间的吸引力(其倾向于收缩聚合物线圈)以及另一方面的聚合物链段与溶剂分子间的吸引力之间的平衡随温度而改变。当仔细选择并控制该聚合物-溶剂系统时，就可以放大这个影响，并呈现为相当突然的阶段变换。聚合物凝胶体可以是块状的或伸长状的。如果聚合物"结合在一起"构成聚合物网络，就可以产生微激励器。这种热激励的凝胶体例如可以是聚丙烯酰胺衍生物和多肽。制造这些材料的或者这些材料结合其它聚合物材料的两层或多层薄膜结构，就获得了借助服从温度变化所实现的薄膜响应。另一个实例由形状记忆聚合物(SMP)构成。实际上，刚才论述的热响应聚合物凝胶体可以视为属于称为SMP的材料的组群。可以从mNemoscienceGmbH，AachenGermany商业获得这样的SMP:其或者是线性的、热塑性的多嵌段共聚物，或者是共价交联的聚合物网络。在化学交联的形状记忆网络中，由共价网点稳定永久形状。可以由结晶链段或由链段的玻璃化转化来固定临时形状。由共-丙烯酸-n-丙烯酸十八酯水凝胶(co-crylicacid-n-stearylacrylatehydrogel)获知了SMP。其它材料系统是聚氨酯开放胞(泡沫)结构和聚(苯乙烯-块-丁二烯)。Sokolowski已经说明了聚氨酯开放胞泡沫(Sokolowski等人，"Coldhibernatedelasticmemory(CHEM)self画deployablestructures",Proc.SPIE6thAnnualInt.SymposiumonSmartStructuresandMaterials,SPIEProc.Vol.3669(1999)pp179-185)。这些材料利用了泡沫的弹性恢复和形状记忆。实际上，这些材料在高于其软化(玻璃化转化)温度Tg的温度上变形(压縮的)，当冷却到低于Tg时，在移除外力之后它们保持在其变形状态。加热到高于Tg则恢复原始形状。该聚合物可以是块状的或伸长状的。当加热到高于未交联材料的玻璃化转化温度或者融点时，交联的聚合物材料可以使形状"冻结"。当温度再次升高但不使材料像交联材料那样融化时，就可以释放该冻结应力。可以采用这种方式来对各种聚合物进行变形，例如EPDM、聚乙烯等。再进一步的实例是热响应液晶弹性体LCE。LCE由三个主要成分组成l)弹性骨干，例如硅橡胶或PDMS(聚二甲基硅氧烷橡胶)，2)侧链液晶分子，以及3)侧链交联剂，其使得弹性骨干链相互连接，并还可以呈现液晶特性。例如通过将LC(液晶)材料结合到弹性网络中，就可以生成一种材料，其在加热超过特定温度(向列的各向同性温度)时在弹性分子的骨干中发生转变并改变长度。通过以上提到的Mo等人的文章中所论述的对处理条件的仔细控制，可以在薄膜的整个厚度上获得LC分子定向的梯度性，以使得薄膜的一侧收縮，同时另一侧扩张。这就在特定温度上造成了薄膜的可逆的巻起。图1显示了在不同温度上这种热激励的LCE薄膜巻起的横截面照片。通过控制LC分子的形状和弹性网络的交联密度，可以调整在薄膜形状与温度之间的关系-见图1。由图1明确看到，薄膜形状随温度而改变，从而形状可以代表局部温度。在本发明的一个方面中，通过标准光刻工艺将薄膜构建在微观元件中。在该技术中，将光敏材料(有时称为光致抗蚀剂或抗蚀剂)沉积在包含热激励聚合物材料的薄膜上，并使其曝光于光图案。光敏材料或"抗蚀剂"的曝光部分变得不易去除，而未曝光的材料会易于去除。产生的图案化掩模可以用于例如通过蚀刻来去除部分聚合物薄膜。本发明还在其范围内包括可以将热激励聚合物材料"设计"为光敏的。因此，可以在一个光刻工艺步骤中构建它们，而无需额外的掩模抗蚀剂层。该结构的通常尺寸在长度上可以是10-100微米，在宽度上是1-10微米，且具有亚微米的厚度。通过将所述元件集成在生物芯片/生物传感器/PCR室中，可以通过观察结构的形状在局部尺寸上评估温度。可以由任何适合的方法来观察该微观结构的形状，并将其转换为温度值。例如，当可选地将系统构造成为透明的或至少半透明的时，可以在光学上观察微观结构。一种可替代方案是磁性检测。可热激励的聚合物元件可以包含磁性粒子，例如磁性纳米粒子，并可以通过使用磁性传感器，例如GMR、AMR、TMR或霍尔效应传感器，来检测运动。这种传感器可以集成在衬底内，传感器位于该衬底上。再另一种可替换方案是电容检测。在此情况下，聚合物元件可以包括导电材料例如导电薄膜，来构成第一电极，并且在下面的衬底中提供第二相反电极。这两个电极构成了电容器，聚合物元件的变形会导致电容的变化，该变化可以通过标准技术来测量。图3显示了根据本发明的微流体室的一个实施例的实例，其可以与根据本发明的任何激励器的实施例一起使用。微流体室100，例如PCR室，需要保持在特定温度。利用附着到室100的壁IO上的多个伸长状温度敏感元件/激励器20来监控在室100内的温度。以阵列形式布置这些激励器20，该阵列沿着并横穿电路底座和/或沿着壁10。每一个伸长状激励器20的一端固定到室100的壁上，伸长状激励器20的另一端构成从该壁巻曲离开的激励器的自由部。温度中的变化会改变激励器20的形状，其可以通过例如光学、磁性或电气手段(见稍后)进行检测。该系统可以被布置为可以分别监控每一个单个激励器20的形状变化。在此情况下，提供了检测器40来感测激励器20随温度的变化，还提供了读出电子装置，以便可以例如单独选择并寻址每一个激励器20。考虑到激励器20的尺寸(长度10-100微米，宽度1-10微米)，从而可以在l-10微米(宽度方向上)或10-100微米(长度方向上)的典型长度尺度上测量温度的梯度。与集成在室100中的加热元件14(例如电阻线16)结合使用一种电子读出与反馈系统，就可以实现在室100内的温度主动控制。图4显示了一种包含集成传感器的生物芯片的普通实施例的示意图。在衬底10上，构成激励器20，如图所示，其一端固定而另一端自由巻起。对于所述固定部和自由部，存在很多可行的结构。尽管被显示为离开衬底平面而巻曲的层，本发明在其范围内包括平行于衬底平面而巻曲的装置。可以使部分激励器具有不同的随温度的变形系数，以便例如如果有需要则产生非线性响应。此外显示的是具有两个部分的变形检测器30，一个部分在在激励器自由端上，另一个部分固定到衬底上。其被布置为检测激励器的变形量。可以相对于一个或多个阈值进行检测，或者进行连续的模拟检测。检测器可以基于任何适合的检测原理，例如光学、电容性或磁性原理，或其它技术，对于这些技术以上已经示出了一些具体实施例。由检测器输出的信号经互联装置70耦合到生物芯片的其它元件。显示了信号处理电路40，其可以通过以下方式来处理信号例如，将信号与阈值相比较、对信号进行滤波或校正或者将信号用作控制过程的输入。仅作为实例，该信号处理部耦合到阀50，以控制样本在微通道60中的流动。例如，借助于(集成的)加热元件，信号还可以用于控制微通道中的温度。明确的是，这可以是更复杂芯片的一部分，而没有示出其它部分。由于可以在制造过程中集成该温度传感器，因此几乎不会引起额外的制造费用。为了提高精度，可以相邻于要进行温度测量的微区域、微通道或室布置传感器。可以布置这种传感器的阵列来检测温度梯度，或者实现对几个信号求平均值来提高精度。尽管常常需要可逆变形来实现连续测量，但在一些情况下，不可逆变形将会是有用处的，以便可以测量并存储最大或最小温度。除了生物芯片之外的温度传感器的其它应用也包含在本发明的范围之内。图5显示了使用激励器变形的磁性感测的另一个实施例。将温度敏感激励器元件20附着到微流体通道壁10并且温度敏感激励器元件20包含磁性材料，例如，在构成激励器元件20的热激励材料中包含超顺磁性粒子、铁磁性粒子，或者使用了磁性薄膜。在微流体通道的壁10中集成了磁场传感器元件40。例如磁场传感器40可以是GMR、TMR、AMR或霍尔效应传感器，或者任何其它适合的传感器。对于一些此类传感器，通常电阻取决于当前磁场的量值，所述当前磁场可以是由激励器感生的磁场，或者是通过激励器的位置而被调节、修改或改变的磁场。如果由于温度的变化，激励器的形状发生改变，则磁场传感器40所经历的磁场就发生变化，该变化被检测为传感器物理特性中的变化，例如其电阻，和/或产生表示测量的磁场的输出信号。在使用超顺磁性粒子的情况下，需要外部磁场来磁化粒子。概括这个实施例由温度变化引起的激励器20的形状变化改变了磁场，这个变化由磁场传感器40来检测。图6显示了使用电气检测的实施例，在此情况下是电容性的检测。温度敏感激励器20包含电极24。另一个电极26集成在微流体通道10的壁中，元件20连接到该壁上。这两个电极24、26构成了电容器，可以用简单的电路40来测量该电容器的电容。如果由于温度变化使得激励器20的形状发生变化，则在电极24与26之间的电容就会改变，并可以由感测电路40检测到。本发明的实施例使用相对低成本的解决方案，在l-10微米尺度上实现生物芯片/生物传感器/PCR室中的温度的局部测量。将可以进行温度梯度感测。潜在地，相对于现有解决方案而言，这个方案是节省成本的。用于(生物)化学分析(例如分子诊断学)的生物芯片，其包括例如用于检测目标分子(例如蛋白质，DNA)的生物传感器，以及需要在1-10微米尺度上感测温度的任何其它应用。本领域技术人员会设想在权利要求范围内的其它变化。权利要求1、一种集成温度传感器，包括微机械激励器(20)，其包括可热激励的聚合物材料，该材料具有取决于温度的变形；以及检测器(30，40)，所述检测器被布置为根据所述激励器的变形而输出信号。2、如权利要求1所述的传感器，所述激励器包括弹性材料。3、如先前任意一项权利要求所述的传感器，所述激励器包括弹性网络形式的LC材料。4、如先前任意一项权利要求所述的传感器，所述检测器(30，40)包括以下任意一种光学检测器、磁性检测器或电容性检测器。5、如先前任意一项权利要求所述的传感器，所述检测器(30，40)被布置为检测多个级别的变形。6、如先前任意一项权利要求所述的传感器，所述激励器被布置为层，且所述变形包含所述层的巻曲。7、如权利要求6所述的传感器，所述层是单片式层。8、如先前任意一项权利要求所述传感器，所述激励器具有小于IOO微米的长度。9、一种生物芯片，包含用于分析样本的模块(50，60)，并包含前述任意一项权利要求所述的集成温度传感器。10、如权利要求9所述的生物芯片，包含集成电路，用于处理信号。11、如权利要求10所述的生物芯片，所述集成电路包括用于受感测的分析过程的集成控制器，由所述传感器输出的信号被耦合至所述控制器。12、一种制造集成温度传感器的方法，包括步骤构成微机械激励器(20)，其包括可热激励的聚合物材料，该材料具有取决于温度的变形；并且构成检测器(30，40)，将其布置为根据所述激励器的变形而输出信号。13、一种通过以下方式生成温度信号的方法提供集成温度传感器，所述温度传感器包括可热激励的材料，该材料具有取决于温度的变形；以及使用检测器(30，40)来根据所述激励器的变形输出信号。全文摘要一种生物芯片具有集成温度传感器，该集成温度传感器包括微机械激励器(20)，其具有取决于温度的变形；以及检测器(30)，用于根据激励器的变形而输出信号。可以由弹性网络形式的LC材料构成激励器。检测器(30)可以是光学的、磁性的或电容性的。可以将激励器布置为层，所述变形可以是该层的卷曲。文档编号G01K5/48GK101438139SQ200780015938公开日2009年5月20日申请日期2007年5月1日优先权日2006年5月4日发明者A·博斯,J·M·J·登东德申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司