[发明专利]集成温度传感器

说明书

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已知的，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。

Grietje N.Mol，Kenneth D.Harris，Cees W.M.Bastiaansen和Dirk J.Broer的“Thermo-Mechanical Responses of Liquid-Crystal Networks with a SplayedMolecular Organization”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。已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Taq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℃。必须准确地控制这些温度，例如优选地控制在0.5℃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℃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。