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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:陳彩芬
研究生(外文):CHEN TSAI FEN
論文名稱:生醫微井陣列之內嵌式微加熱器
論文名稱(外文):Embedded Micro-heaters for Biomedicial Micro-well Arrays
指導教授:黃瑞星黃瑞星引用關係
學位類別:碩士
校院名稱:國立清華大學
系所名稱:電子工程研究所
學門:工程學門
學類:電資工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2002
畢業學年度:90
語文別:中文
論文頁數:45
中文關鍵詞:微加熱器微機電微井陣列
外文關鍵詞:micro-heaterMEMSmicro well arrays
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微機電系統(MEMS)是以矽為基礎,結合了積體電路製程與矽微細加工技術,發展出的一個新興產業。此種新的技術不但可使產品因微小化而提高其性能、品質、可靠度及附加價值,並同時降低製造成本。微機電結合了光、機、電、材、控制、化學等多重科技整合的技術,且有立體結構、功能特殊,多樣式之特性。因此,微機電技術在應用上極為多樣化,生物晶片即是其一。
今日,生物晶片廣泛的定義是指以矽、玻璃、塑膠、石英或高分子材料做為基板,結合不同領域之概念如微機電、光電、醫學、材料、生化等,以微小化技術製成精密元件,作為生醫檢測、藥品開發、化學合成、改良農業之用途。生物晶片依照運用可略分為三大類,目前以基因晶片技術發展的較成熟,PCR就是其中之一。
複合酶連鎖反應(Polymerase Chain Reaction;簡稱PCR)檢測技術,1980年代由Kary B. Mullis首創,並以此於1993年獲得諾貝爾化學獎。PCR幾分鐘內即可將DNA複製完畢,廣為大眾熟知的DNA血緣比對,即是利用PCR技術。
PCR是利用酵素對特定基因做體外或試管內的大量合成。基本上它是利用DNA的合成酵素進行專一性的連鎖複製。目前常用的技術,可以將一段基因複製為原來的一百億至一千億倍。它的數學基本原理極為簡單,即由一變為二,二變成四,以2^n倍數增加。它的流程為:
(1)選取DNA分子中要擴增的片段,加熱至94℃,以熱處理打開互補的二股DNA分子。
(2)加入人工合成的引子對(primer pair),降溫至54℃左右,使引子對與單股DNA片段兩端的特定序列黏合(annealing)。
(3)溫度升至72℃以提高酵素之活性,讓聚合酶在適溫範圍複製前述引子黏合的單股DNA模板。
(4)降溫,進入下一回合流程。新的DNA分子被合成後,可當做下一回合的DNA模板,於是此反應每循環一次,DNA分子數目就加倍一次。
利用溫度的變化,驅動酵素做循環反應,達成快速複製DNA分子的效果,每一回合的溫度循環(thermal cycle)僅需耗費2~3分鐘,經過三十幾回合,即可把DNA的數量複製成幾百萬倍。
傳統PCR的加熱方式為外接加熱板操作,由以上之簡介,可得知PCR所需的溫度循環範圍為54~94℃之間,須重複地改變樣本的溫度,因此,儀器的反應時間常扮演一關鍵性的角色。
本論文旨在完成一微井陣列之內嵌式微加熱器,應用於複合酶連鎖反應(Polymerase Chain Reaction)技術,其結構主要分為微加熱器與微井陣列兩部分;其中加熱器的部分是以濺鍍沉積白金(platinum)薄膜或高溫硼擴散(boron diffusion)製作。而微井陣列乃利用KOH溶液對矽基板進行非等向性蝕刻來完成。本元件將探討加熱器之溫度分布升降溫速度,此元件應用於PCR時操作溫度為室溫到100℃之間,且能於快速地達到溫度的升降。

In this thesis, we will present the design and fabrication of the embedded micro-heater in micro-well arrays for bio-processing application. Can be applied to PCR(polymerase chain reaction) operation. This structure mainly micro-heaters and micro-well arrays. The heater material we chosen is thin film platinum or boron diffused meander stripe. Platinum thin film is deposited by DC sputtering, and boron is diffused with solid boron source by thermal furnace. The micro-well is formed by KOH anisotropical etching.
The distribution of temperature on micro-heaters we are studied. The operating range of device temperature is from room temperature up to 100℃, sufficient for PCR operation. The time constant, defined by reaches the final temperature, for heating up and cooling down are estimated to be 3 sec to 10 sec, respectively.

第一章 緒論
第二章 元件之工作原理及設計
第三章 製程實驗與技術分析
第四章 元件的量測與討論
第五章 結論

[1] H. Nagai, Y. Murakami, K. Yokoyama, E. Tamiya, “High-throughput
PCR in Silicon based microchamber array”, Biosensors Bioelectronics.
[2] 鄭敦仁, “熱阻式薄膜溫度感測器”, 電子月刊1996年四月號
[3] S.M.Sze, “ Semiconductor devices physics and technology”, John Wiley & Sons, Inc, 1985.
[4] S.M.Sze,” Semiconductor Sensors”, John Wiley & Sons, Inc, 1994
[5] Xin Xin Li, Minhang Bao, Shaoqun Shen, “Maskless etching of three-dimensional silicon structures in KOH”, Sensors and Actuators 1996, p46-52.
[6] H. Seidel, L.Csepregi, A. Heuberger, H. Baumgartel, “Anisotropic Etching of Crystalline Silicon in Alkaline Solutions”, J. Electrochem. Soc, Vol.137, No11, November 1990.
[7] D. Briand, A. Krauss, B. van der Schoot, U. Weimar, N.Barsan, W. Gopel, N.F. de Rooij, “Design and fabrication of high-temperature micro-hotplates for drop-coated gas sensors” Sensors and Actuators B, B68 (2000) p223-233.

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