PCR快速检测系统制备方法及PCR快速检测系统与流程

pcr快速检测系统制备方法及pcr快速检测系统
技术领域
1.本发明涉及半导体和生物工程的技术领域，尤其涉及一种pcr快速检测系统制备方法及pcr快速检测系统。


背景技术：

2.目前基于pcr(光学聚合酶链反应)的dna检测技术，需要数十个热循环来完成检测。传统基于微加热器的pcr反应方案温度变化速度慢，是导致整个dna检测系统热循环耗时长的主要原因，造成检测的效率较低。


技术实现要素：

3.有鉴于此，本发明提供了一种pcr快速检测系统制备方法及pcr快速检测系统，用于解决现有技术中的pcr快速检测系统热循环耗时长的技术问题。
4.为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案一为：
5.一种pcr快速检测系统制备方法，包括以下步骤：
6.提供或制备生物芯片；
7.在所述生物芯片表面沉积金属层；
8.提供或制备具有发光阵列的发光芯片；
9.提供或制备用于与所述发光芯片电性连接的驱动芯片；及
10.将所述发光芯片与所述驱动芯片键合，再将所述生物芯片设有金属层的一侧键合于所述发光芯片以得到所述pcr快速检测系统；所述发光芯片发出的光能够照射于所述金属层，从而改变所述金属层的温度。
11.在所述pcr快速检测系统制备方法的一些实施例中，所述pcr快速检测系统制备方法还包括以下步骤：在所述金属层上刻蚀微孔。
12.在所述pcr快速检测系统制备方法的一些实施例中，所述pcr快速检测系统制备方法还包括以下步骤：
13.基于分析仿真设计得到所述生物芯片中离子敏传感器和温度传感器的参数；及
14.将所述离子敏传感器和所述温度传感器集成于同一载体，形成传感器系统。
15.在所述pcr快速检测系统制备方法的一些实施例中，所述金属层的材质包括au、ag和al中的任意一种。
16.在所述pcr快速检测系统制备方法的一些实施例中，所述离子敏传感器的灵敏度不低于190mv/ph，所述温度传感器精确度不低于0.2℃。
17.在所述pcr快速检测系统制备方法的一些实施例中，所述发光芯片为micro-led芯片，所述发光芯片发出的光波长范围为400-850nm。
18.在所述pcr快速检测系统制备方法的一些实施例中，所述发光芯片的制备方法包括以下步骤：
19.提供或制备外延片；
20.清洗所述外延片；
21.将清洗后的所述外延片吹干，并进行台面刻蚀；
22.对台面刻蚀后的所述外延片进行去胶，并清洗吹干；
23.在所述台面上形成电流扩展层；及
24.在所述电流扩展层上蒸镀电极。
25.在所述pcr快速检测系统制备方法的一些实施例中，所述发光芯片与所述驱动芯片的键合方式为倒装键合，所述生物芯片与所述发光芯片的键合方式为倒装键合。
26.在所述pcr快速检测系统制备方法的一些实施例中，所述微孔的数量为多个，各所述微孔均布于所述金属层上。
27.为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案二为：
28.一种pcr快速检测系统，由上述实施例所述的pcr快速检测系统制备方法制得。
29.实施本发明实施例，将具有如下有益效果：
30.上述pcr快速检测系统制备方法得到的pcr快速检测系统相比现有采用传统加热器来加热待检测基体的方式，本发明的热循环反应所需的时间大大减少，解决了现有技术中的pcr快速检测系统热循环耗时长的技术问题。具体地，本发明的pcr快速检测系统制备方法包括提供或制备生物芯片；在生物芯片表面沉积金属层；提供或制备具有发光阵列的发光芯片；提供或制备用于与发光芯片电性连接的驱动芯片；及将发光芯片与驱动芯片键合，再将生物芯片设有金属层的一侧键合于发光芯片，以得到pcr快速检测系统。通过将发光芯片发出的光照射到金属层上，从而能够改变金属层的温度，通过发光芯片能够快速调节金属层的温度，加快了热循环能力，从而缩短热循环反应的时间。本发明通过将发光芯片、生物芯片及驱动芯片集成形成一个pcr快速检测系统，并通过发光芯片快速改变金属层温度的方式，提升热循环的效率，从而解决了现有技术中的pcr快速检测系统热循环耗时长的技术问题。
附图说明
31.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
32.图1为本发明的pcr快速检测系统的结构示意图；
33.图2为本发明的pcr快速检测系统的部分结构爆炸示意图；
34.图3为本发明三十次热循环的时间-温度变化图；
35.图4为本发明制备方法的流程图。
36.其中：1、生物芯片；2、发光芯片；3、驱动芯片；4、金属层。
具体实施方式
37.为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳的实施例。但是，本发明可以通过许多其他不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解
更加透彻全面。
38.需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
39.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
40.目前基于pcr(光学聚合酶链反应)的dna检测技术，需要数十个热循环来完成检测。传统基于微加热器的pcr反应方案速度慢，是整个dna检测系统耗时长的主要原因，造成检测的效率较低。
41.结合图1-2及图4所示，在一种pcr快速检测系统制备方法实施例中，包括以下步骤：
42.提供或制备生物芯片1；
43.在生物芯片1表面沉积金属层4；
44.提供或制备具有发光阵列的发光芯片2；
45.提供或制备用于与发光芯片2电性连接的驱动芯片3；及
46.将发光芯片2与驱动芯片3键合，再将生物芯片1设有金属层4的一侧键合于发光芯片2，以得到pcr快速检测系统，发光芯片2发出的光能够照射于金属层4，从而改变金属层4的温度。
47.在本实施例中的pcr快速检测系统制备方法中，通过生物芯片1表面沉积的金属层4能够接收来自发光芯片2的光，通过调节驱动芯片3，从而能够改变金属层4的温度，从而能够加快整体pcr快速检测系统的热循环能力，缩短热循环反应的时间，进而解决现有技术中的pcr快速检测系统热循环耗时长的技术问题。
48.在一种pcr快速检测系统制备方法实施例中，pcr快速检测系统制备方法还包括以下步骤：在金属层4上刻蚀微孔。
49.在本实施例中，具体地，微孔设于金属层4朝向发光芯片2的一侧，可为盲孔，也可为贯穿金属层4的贯穿孔，使金属层4的表面积增大，在发光芯片2发出的光照射金属层4时，能够增大与光的接触面积，提高热传导效率，降低热量损耗，从而达到增强pcr快速检测系统的功耗利用率的效果。
50.优选地，微孔的数量为多个，各微孔均布于金属层4上。具体地，各微孔组成矩阵的结构布置于金属层4上。
51.在一种pcr快速检测系统制备方法实施例中，制备生物芯片1的步骤包括：
52.基于分析仿真设计得到生物芯片1中离子敏传感器和温度传感器的参数；及
53.将加热器、离子敏传感器和温度传感器集成于同一载体，形成传感器系统。
54.在本实施例中，具体地，分析仿真采用基于gm/id的方式，基于gm/id的理论分析、模型仿真与实验验证，能够得到离子散场效应晶体管的最佳偏置电压、工作区间等参数，将得到的参数用于传感器系统的设计和开发，从而便于得到最优的性能。
55.另外，载体可为晶圆，并且整体传感器系统的接口电路也集成到同一个晶圆上，从而能够提高整体传感器系统的灵敏度，进而能够提高整体传感器系统的准确度和可靠性。
56.在一种pcr快速检测系统制备方法实施例中，金属层4的材质包括au、ag和al中的任意一种。
57.在本发明中，金属层4用于接收发光芯片2发出的光，并借此改变金属层4自身的温度。其中优选的材质为au，au的热传导性好，能够提高热传导的效率，提高检测效率，并能够配合发光芯片2达到快速升温降温实现快速热循环的效果。
58.在一种pcr快速检测系统制备方法实施例中，驱动芯片3的制备基于cmos工艺。
59.在本实施例中，cmos工艺为互补金属氧化物半导体的简称，是基于pmos和nmos工艺发展起来的，基于cmos工艺的集成电路具有功耗低、速度快、抗干扰能力强和集成度高的优点，本发明的驱动芯片3及传感器系统的制备基于cmos工艺，能够使得本发明的pcr快速检测系统成本压缩到被广大消费者能够接受的程度，且由于cmos工艺本身成熟度高，难度低，便于厂家的大规模生产和应用，从而便于更多消费者购买使用，方便消费者使用，便于疾病的早期筛查，减少中后期病例。
60.在一种pcr快速检测系统制备方法实施例中，离子敏传感器的灵敏度不低于190mv/ph，温度传感器精确度不低于0.2℃。
61.在本实施例中，离子敏传感器的灵敏度能够决定信号的读取时间，达到190mv/ph以上时，能够达到微秒级的信号读取，提升整体传感器系统的准确度和可靠性。
62.在一种pcr快速检测系统制备方法实施例中，发光芯片2为micro-led芯片。发光芯片2发出的光波长范围为400nm-850nm。
63.micro-led是将传统的led薄膜化、微缩化的发光芯片2阵列，一般为尺寸小于50um的led芯片。micro-led单色性好，半波宽窄，光效率高，从而使得接收光线的结构具有较高的热接收。
64.micro-led的尺寸是纳米级别，基于micro-led的光子pcr可以制备出更小的尺寸，不受光源尺寸限制，有更多的应用和发展空间。
65.micro-led的寿命是普通led的十倍，不需要频繁更换光源，能增加pcr的使用寿命。
66.基于gan的优良特性，由gan制备的micro-led可以在极端环境运行(如强酸强碱、高低温)，且耐腐蚀，因此稳定性好，可以在多种环境下运行。
67.micro-led的功耗低，且发光效率是传统光源的6-7倍，大大降低了对能量的消耗。此外，micro-led的制备过程不产生与使用过程中不会产生有害物质，减少了污染物和有害物的排放，是理想的清洁光源。使用micro-led光源驱动pcr，不会因为化学污染而对实验结果产生影响。
68.在一种pcr快速检测系统制备方法实施例中，所述发光芯片的制备方法包括以下步骤：
69.提供或制备外延片；
70.清洗所述外延片；
71.将清洗后的所述外延片吹干，并进行台面刻蚀；
72.对台面刻蚀后的所述外延片进行去胶，并清洗吹干；
73.在所述台面上形成电流扩展层；及
74.在所述电流扩展层上蒸镀电极。
75.具体地，在本实施例中，外延片的清洗所用试剂可按照h2so4：h2o2：h2o＝5：1：1的比例配置，清洗10min后，用丙酮清洗5min，后再用异丙醇清洗5min，最后使用去离子水清洗后氮气吹干。
76.台面刻蚀的具体方法为，先沉积300nm的sio2，然后进行干刻蚀。具体工艺参数为：过刻蚀40％，sio2刻蚀速率为30nm/min，光刻胶的刻蚀速率为18a/min。
77.去胶的方式为等离子干法去胶，具体工艺参数为：400w，o2的流速和时间分别为120sccm和3min。去胶后用丙酮清洗5min，再用异丙醇清洗5min，最后用去离子水清洗后氮气吹干。
78.电流扩展层采用的材质为ito或者ni或者au。蒸镀电极的工艺为elec工艺。
79.本发明的pcr快速检测系统制备方法，在发光芯片2、驱动芯片3和生物芯片1的连接过程为，先将发光芯片2与驱动芯片3倒装键合，再将生物芯片1与发光芯片2倒装键合。通过倒装键合的方式，能够缩小整体pcr快速检测系统的体积大小。
80.本发明还涉及一种pcr快速检测系统，由上面实施例中的pcr快速检测系统制备方法制得。pcr快速检测系统在应用到pcr设备上时，可安装于pcr设备上的反应容器，反应容器用于收容待检测基体。
81.通过基于cmos工艺，能够使得pcr快速检测系统的成本降低，从而降低了pcr快速检测系统的成本，广大消费者都能够接收，方便早期病例的筛查，减少中后期重症。例如癌症的早期筛查，目前，癌症仍是全球首要死因，其发病率和死亡率仍在逐年上升。在我国，癌症发病率接近世界水平，但死亡率高于世界水平。根据最新癌症现状统计，我国总体患癌率已经达到了5.5
‰
，每6分钟就有一人被确诊为癌症，每天有8550人成为癌症患者，每七到八人中就有一人死于癌症。而在未来10年，中国的癌症发病率与死亡率仍将继续攀升。癌症死亡率居高不下，一个重要原因在于我国癌症发现较多处于中晚期。而通过采用本发明的pcr快速检测系统，消费者能够备用在家中，从而方便消费者筛查家庭成员，做到早发现，减少中后期病例的产生，从长远来看，能够减少生命和财产的损失。
82.本发明通过微加热器和发光芯片2的加热能够压缩整体的检测时间，如图3所示，在pcr快速检测系统中的热循环时间能够压缩到5分钟内，时间成本减少，使得快速、准确、现场的疾病筛查变得更为可靠。
83.在进一步的优选实施例中，如图4所示，本发明的pcr快速检测系统制备方法包括：
84.基于gm/id的理论分析、模型仿真与实验验证，得到离子散场效应晶体管的最佳偏置电压、工作区间参数；
85.基于得到的参数设计离子敏传感器和温度传感器，将离子敏传感器和温度传感器集成为传感器系统；
86.将得到的传感器系统应用于生物芯片1的设计和制造中，得到生物芯片1；
87.在得到的生物芯片1上沉积以au、ag和al中任一材质的金属层4；
88.制备具有micro-led芯片，micro-led芯片发出的光波长范围为400nm至850nm；
89.基于cmos工艺制备驱动芯片3；及
90.将micro-led芯片倒装键合于驱动芯片3，再将生物芯片1倒装键合于micro-led芯
片上，并使金属层4朝向micro-led芯片；
91.其中，离子敏传感器的灵敏度不低于190mv/ph，温度传感器精确度不低于0.2℃。
92.本发明pcr快速检测系统制备方法的具体实施例一：
93.基于gm/id的理论分析、模型仿真与实验验证，得到离子散场效应晶体管的最佳偏置电压、工作区间参数；
94.基于得到的参数设计离子敏传感器和温度传感器，并将离子敏传感器和温度传感器集成为传感器系统；
95.将得到的传感器系统应用于生物芯片1的设计和制造中，得到生物芯片1；
96.在得到的生物芯片1上沉积au金属层4；
97.制备具有micro-led芯片，micro-led芯片发出的光波长为450nm；
98.基于cmos工艺制备驱动芯片3；及
99.将micro-led芯片倒装键合于驱动芯片3，再将生物芯片1倒装键合于micro-led芯片上，并使金属层4朝向micro-led芯片；
100.其中，离子敏传感器的灵敏度为190mv/ph，温度传感器精确度为0.2℃。
101.通过上述具体实施例制备的pcr快速检测系统，热循环三十次的时间为250秒。
102.本发明pcr快速检测系统制备方法的具体实施例二：
103.基于gm/id的理论分析、模型仿真与实验验证，得到离子散场效应晶体管的最佳偏置电压、工作区间参数；
104.基于得到的参数设计离子敏传感器和温度传感器，并将离子敏传感器和温度传感器集成为传感器系统；
105.将得到的传感器系统应用于生物芯片1的设计和制造中，得到生物芯片1；
106.在得到的生物芯片1上沉积au金属层4；
107.制备具有micro-led芯片，micro-led芯片发出的光波长为850nm；
108.基于cmos工艺制备驱动芯片3；及
109.将micro-led芯片倒装键合于驱动芯片3，再将生物芯片1倒装键合于micro-led芯片上，并使金属层4朝向micro-led芯片；
110.其中，离子敏传感器的灵敏度为190mv/ph，温度传感器精确度为0.2℃。
111.通过上述具体实施例制备的pcr快速检测系统，热循环三十次的时间为270秒。
112.本发明pcr快速检测系统制备方法的具体实施例二：
113.基于gm/id的理论分析、模型仿真与实验验证，得到离子散场效应晶体管的最佳偏置电压、工作区间参数；
114.基于得到的参数设计离子敏传感器和温度传感器，并将离子敏传感器和温度传感器集成为传感器系统；
115.将得到的传感器系统应用于生物芯片1的设计和制造中，得到生物芯片1；
116.在得到的生物芯片1上沉积ag金属层4；
117.制备具有micro-led芯片，micro-led芯片发出的光波长为650nm；
118.基于cmos工艺制备驱动芯片3；及
119.将micro-led芯片倒装键合于驱动芯片3，再将生物芯片1倒装键合于micro-led芯片上，并使金属层4朝向micro-led芯片；
120.其中，离子敏传感器的灵敏度为200mv/ph，温度传感器精确度为0.1℃。
121.通过上述具体实施例制备的pcr快速检测系统，热循环三十次的时间为275秒。
122.本发明pcr快速检测系统制备方法的具体实施例三：
123.基于gm/id的理论分析、模型仿真与实验验证，得到离子散场效应晶体管的最佳偏置电压、工作区间参数；
124.基于得到的参数设计离子敏传感器和温度传感器，并将离子敏传感器和温度传感器集成为传感器系统；
125.将得到的传感器系统应用于生物芯片1的设计和制造中，得到生物芯片1；
126.在得到的生物芯片1上沉积al金属层4；
127.制备具有micro-led芯片，micro-led芯片发出的光波长为400nm；
128.基于cmos工艺制备驱动芯片3；及
129.将micro-led芯片倒装键合于驱动芯片3，再将生物芯片1倒装键合于micro-led芯片上，并使金属层4朝向micro-led芯片；
130.其中，离子敏传感器的灵敏度为190mv/ph，温度传感器精确度为0.2℃。
131.通过上述具体实施例制备的pcr快速检测系统，热循环三十次的时间为280秒。
132.本发明pcr快速检测系统制备方法的具体实施例三：
133.基于gm/id的理论分析、模型仿真与实验验证，得到离子散场效应晶体管的最佳偏置电压、工作区间参数；
134.基于得到的参数设计离子敏传感器和温度传感器，并将离子敏传感器和温度传感器集成为传感器系统；
135.将得到的传感器系统应用于生物芯片1的设计和制造中，得到生物芯片1；
136.在得到的生物芯片1上沉积al金属层4；
137.制备具有micro-led芯片，micro-led芯片发出的光波长范围为460nm；
138.基于cmos工艺制备驱动芯片3；及
139.将micro-led芯片倒装键合于驱动芯片3，再将生物芯片1倒装键合于micro-led芯片上，并使金属层4朝向micro-led芯片；
140.其中，离子敏传感器的灵敏度不低于190mv/ph温度传感器精确度不低于0.2℃。
141.通过上述具体实施例制备的pcr快速检测系统，热循环三十次的时间为290秒。
142.以上具体实施例仅为本发明的部分实施例，实际上还要很多具体地制备方法的实施例，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述。而在这些具体地实施例中，金属层4材质为au时，及发光芯片2的波长为450nm时，此时两者结合使用时的效果最佳。而离子敏传感器的灵敏度和温度传感器的精确度的提升，对热循环的时间减少影响不大，而提升的成本较高，具体的选择可根据实际情况进行自选。
143.结合图3所示，本发明的pcr快速检测系统在pcr反应的过程中，三十次热循环(从95℃变性到55℃退火和延伸)的时间小于5分钟，极短的pcr反应时间能够大大提升整体pcr快速检测系统的响应速度，使得快速、准确、现场的疾病筛查变得更为可靠。
144.本发明的pcr快速检测系统及pcr快速检测系统可用于早期癌症检测、如新冠肺炎的流行病快速筛查以及食品卫生检测，其中需要注意的是，pcr反应的模板为dna，故如新冠肺炎等rna的检测需要先逆转录成dna，再进行测试。通过本发明的pcr快速检测系统及pcr
快速检测系统，总的反应时间在5分钟左右，从而实现了早期癌症的快速诊断，不会由于长时间的等待浪费用户的时间。在流行病筛查上则能够快速甄别患者和健康人群，使得疫情防御更加科学。而在食品卫生上则能够提高食品的检测率，快速筛查问题食品。
145.另外，现有的pcr快速检测系统一般采用微加热器作为热源，如电阻式和电磁感应式的微加热器，电阻式微加热器是利用导体的电阻来产生热量来加热的，电流通过导体，导体对电流有阻碍作用，而电流克服导体的阻力要做功通过电能传输，电能转化成热能，加温缓慢；电磁感应加热器是采用导体在交变电磁过程里面形成的感应电流所产生的热效应让导体自身变热，这种的加温速度也比较慢，三十次热循环的检测时间均在40分钟以上，时间长。
146.以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
147.以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。