专利名称：用于微流控芯片上的侧壁式非接触电导检测系统的制作方法
技术领域：
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本发明涉及微机电系统技术(MEMS)领域和微流控芯片的电检测技术领域，具体 涉及微弱电信号的检测、采集和处理，提出一种用于微流控芯片上的非接触电导检测系统。
背景技术：
在微流控芯片分析领域，分析样品量少(一般在nL或者pL级)，因此与传统分析 系统相比，需要具备更高的灵敏度、更好的信噪比的检测仪器。迄今为止，芯片分析系 统常用的各种检测器有光学检测器、电化学检测器和质谱检测器等，但是光学检测器和 质谱检测器由于其系统复杂、体积庞大，严重阻碍了微流控芯片整体微型化和集成化的 发展。相对而言，具备较高灵敏度的电化学检测器，以其在芯片上制作检测电极比较容 易，检测器的信号处理系统等外围设备比较简单，可以与微加工技术兼容等特点，显示 出在微型化和集成化方面的良好前景。电导检测则是一种通用型的电化学检测方式，只 要可改变溶液电导率的物质就可被检测，适用性广，灵敏度较高，检出限可达到 10—8 l(T6mOl/L，适合检测离子化合物、氨基酸、药物等。非接触电导检测器是近年迅 速发展起来的电导检测手段，其优势在于可以避免传统的接触式电导检测器的干扰大、 基线噪声大、电极表面易产生气泡、电极表面污染等缺点。己报道的非接触电导检测方 法， 一部分是用于毛细管电泳过程中的，在毛细管外包裹金属电极对流过样品进行检测； 还有一部分是在玻璃芯片上沉积金属电极完成的芯片电泳的电导检测，至今，在SOI 材料上利用MEMS加工技术完成侧壁式立体电极的非接触高频电导检测系统还未见报 道。
发明内容
本发明的目的是采用SOI材料，运用MEMS加工技术制作侧壁式立体电导检测电 极，提供一种基于电容耦合非接触电导检测原理的非接触电导检测电极，并设计对应的 电导信号处理电路，提供非接触高频电导检测系统对应的检测方法，应用于微流控芯片 上的微通道中待测样品的电导检测。
本发明包括SOI材料芯片上非接触高频电导检测电极的设计制作和电导信号处理电路的设计，以及整个非接触电导检测系统的完成。 下面对本发明做详细描述
用于微流控芯片上的非接触电导检测系统，包括通过微加工技术在微流控芯片上形 成的电导检测电极和集成在微流控芯片上的电导检测电路；所述电导检测电极是在SOI 硅基电泳芯片的分离管道末端两侧壁集成的覆盖了绝缘层的双侧壁式非接触电导检测电极。
所述电导检测电极是在SOI硅材料的微流控芯片上通过窄沟深槽腐蚀、扩散电极、
注硼等技术制作出的侧壁式立体电极，采用多晶硅回填、表面氧化等技术形成绝缘层， 实现电导检测电极与硅基片、电导检测电极与通道中液体之间的绝缘，构成了非接触高
频电导检测电极，电导电极长度200—800um，电极厚度10—50um，电极宽度等于 芯片管道深度，为10—15um。本发明将检测电极直接集成在微流控芯片上，并且设 计制作的成侧壁式立体电极，使形成的电场更加均匀，检测更加精确和灵敏。 该非接触高频电导检测电极为两电极体系， 一个电极连接交流激励源，另一个电极 连接电导检测电路。电导检测电路由I/V转换电路、乘法运算电路、低通滤波电路、差 分放大电路构成。由于电泳芯片输出感应电流是非常微弱的高频信号，存在较大的背景 噪声，因此很难直接检测，通过I/V转换电路电路可以把交流电流信号转换为交流电压 信号；通过乘法器和低通滤波电路实现相关运算，去除去与电导信号无关的大量噪声信 号，可以极大地提高电路的噪声抑制能力；差分放大电路是将经过低通滤波后的直流信 号与一直流电平进行差分放大，保证在只有缓冲溶液时输出的基准信号处于一个相对较 小的水平，为当待测样品流过检测池时的电导变化信号进行足够大的放大，因此整个检 测电路提高了电路的信噪比和电导检测的灵敏度，有效降低检测限。
所述电导检测电极是在SOI硅材料的微流控芯片上通过窄沟深槽腐蚀、扩散电极、 注硼等技术制作.出的侧壁式立体电极，采用多晶硅回填、表面氧化等技术形成绝缘层， 实现电导检测电极与硅基片、电导检测电极与通道中液体之间的绝缘，构成了非接触高 频电导检测电极，电导电极长度200—800um，电极厚度10—50nm，电极宽度等于 芯片管道深度，为10—15um。本发明将检测电极直接集成在微流控芯片上，并且设 计制作的成侧壁式立体电极，使形成的电场更加均匀，检测更加精确和灵敏。
该非接触高频电导检测电极为两电极体系， 一个电极连接交流激励源，另一个电极 连接电导检测电路。电导检测电路由I/V转换电路、乘法运算电路、低通滤波电路、差分放大电路构成。由于电泳芯片输出感应电流是非常微弱的高频信号，存在较大的背景 噪声，因此很难直接检测，通过I/V转换电路电路可以把交流电流信号转换为交流电压 信号；通过乘法器和低通滤波电路实现相关运算，去除去与电导信号无关的大量噪声信 号，可以极大地提高电路的噪声抑制能力；差分放大电路是将经过低通滤波后的直流信 号与一直流电平进行差分放大，保证在只有缓冲溶液时输出的基准信号处于一个相对较 小的水平，为当待测样品流过检测池时的电导变化信号进行足够大的放大，因此整个检 测电路提高了电路的信噪比和电导检测的灵敏度，有效降低检测限。
本发明的优点是整个检测系统的体积与芯片尺寸匹配，实现了微型化和集成化， 使用简单。当待测样品流过芯片上微通道检测池时，在检测电极上得到的电导变化信号 只与样品的带电性质、样品浓度有关，系统检测灵敏度高。该电导检测系统是通用性电 导检测器，适用范围广，可用于简单离子，氨基酸、核酸、蛋白质等生化样品的检测分 析。
图1为芯片非接触电导检测器系统原理框图
图2为集成芯片高频非接触电导检测系统的电路图
图3为非接触电导检测电极在微流控芯片上的布局示意图
图4为芯片电导检测电极处的剖面图
图1中包括激励源的施加，电导信号的形成、获取、处理、采集和数据显示全过程； 图2中(a)虚框为1/V转换电路，(b)虚框为乘法运算电路，(c)虚框为低通滤波电 路，(d)虚框为差分放大电路；具体实施方式
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1、微流控芯片上电导电极的制作
微流控芯片电导检测电极示意图参见图3和图4，图3中1为微流控芯片微管道， 2为非接触电导电极，3为芯片内电极引线；图4中4为PDMS盖片，5为SOI基底， 6禾口 7为Si02绝缘层。运用MEMS加工技术，在SOI硅材料的微流控芯片上，通过窄 沟深槽腐蚀、扩散电极、注硼等加工手段在微流控芯片微管道1的两侧壁上班制作出侧 壁式立体非接触电导电极2，采用多晶硅回填、表面氧化等技术形成Si02绝缘层6和7， 实现电导电极2与SOI基底5、电导电极2与通道中液体之间的绝缘，构成非接触电导检测电极。制作出的非接触电导检测电极尺寸为长500um，厚度20ixm，宽度15ixm。
2、 非接触电导检测电路的工作方式
本发明中的电导检测方法是采用两电极体系。当在微流控芯片的管道中加入样品， 进行电导检测时，参见图l，在连接交流激励源的电导电极上施加交流激励信号，另一 个检测电极连接电导检测电路，使检测池中形成感应电流，通过I/V转换电路将交流的 感应电流信号转换成交流的电压信号，便于获取和检测，通过乘法放大电路将微弱的电 压信号进行相关运算并有效的放大，再通过低通滤波电路将获取的信号中的噪声信号滤 除，通过差分放大电路对去噪之后的电压信号进行放大，得到样品的电导检测结果，该 结果由A/D采集卡采集到色谱工作站中，最后在计算机上显示采集到的样品电导信号 的实验谱图。检测电路的具体电路原理图参见图2。
3、 非接触电导检测系统的测试
采用本发明的非接触高频电导检测系统，对系列浓度的K+、 B卢离子进行了检测。 以400kHz， 10Vp-p为激励源，以二次重蒸水作为测试背景，信号变化幅度达到30mv 以上，对K+离子的检出限可以达到l(T8mol/L，线性范围为10—8—l(X5mol/L，线性相关 系数达到0.9833;以10—4mol/L的硼砂缓冲液或者10mmol/L的HIS/MES作为缓冲体系 时，由于背景干扰的存在，信号变化幅度只有几个mv，灵敏度不如以纯水作为背景， 但线性范围仍然可达到10—8—l(T5mol/L，线性相关系数分别可以达到0.9959和0.9643。
权利要求
1、一种用于微流控芯片上的侧壁式非接触电导检测系统，包括通过微加工技术在微流控芯片上形成的电导检测电极和集成在微流控芯片上的电导检测电路；其特征在于所述电导检测电极是在SOI硅基电泳芯片的分离管道末端两侧壁集成的覆盖了绝缘层的双侧壁式非接触电导检测电极，一个电极连接交流激励源，另一个电极连接电导检测电路。
2、 根据权利要求1所述的用于微流控芯片上的侧壁式非接触电导检测系统，其特征是， 所述电导检测电路包括I/V转换电路、乘法运算电路、低通滤波电路及差分放大电路， I/V转换电路的信号输入端与所述双侧壁式非接触电导检测电极的一个连接，其输出 端连接乘法运算电路，乘法运算电路再依次连接低通滤波电路及差分放大电路，信号 的采集采用A/D转换电路，通过A/D采集卡将信号转换为数字信号并传输给色谱工作 站，最后在计算机上显示检测结果，实现对电导信号的实时采集和动态显示。
3、 根据权利要求2所述的用于微流控芯片上的侧壁式非接触电导检测系统，其特征是， 所述电导电极长度200—800um，电极厚度10—50iim，电极宽度等于芯片管道深度， 为10—15um。
4、 根据权利要求l、 2或3所述的用于微流控芯片上的侧壁式非接触电导检测系统，其 特征是，所述的激励源采用正弦波交流源。
5、根据权利要求4所述的用于微流控芯片上的侧壁式非接触电导检测系统，其特征是， 所述电导检测电路采用高频信号源的峰-峰电压Vp-p在0-10V之间。
全文摘要
本发明涉及一种用于微流控芯片上的侧壁式非接触电导检测系统，是在微流控芯片分离管道末端集成侧壁式电导检测电极，并覆盖绝缘层构成非接触微通道侧壁双电极电导检测体系。通过芯片上侧壁式电导检测电极、信号采集和处理电路，来实现微通道中待测样品的高频非接触电导检测，微通道中样品的电导信号获取采用I/V转换电路、乘法运算放大电路、滤波电路及放大电路实现，而信号的采集采用A/D转换电路。本发明所提出的微流控芯片上的非接触电导检测装置和检测技术具有灵敏度高、使用方便、便于集成化和微型化的特色。
文档编号G01N27/02GK101441188SQ20081023721
公开日2009年5月27日 申请日期2008年12月23日 优先权日2008年12月23日
发明者刘海涛, 溢 徐, 静 梁, 温中泉, 温志渝, 胡小国 申请人:重庆大学