CN111849735B - 一种具有复合层的芯片及其在生物检测中的应用 - Google Patents
一种具有复合层的芯片及其在生物检测中的应用Info
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Abstract
本发明提供了一种具有复合层的芯片及其在生物检测中的应用，所述芯片包括至少上下设置的第一基层和第二基层，所述的第一基层上设置有至少一个通向第二基层的第一盲孔，所述的芯片上还设置有至少一个穿过第二基层的金属化过孔，所述的第一盲孔下面设置有电极，所述的芯片设置有触点，所述的电极与触点通过线路相连。本发明将塑料和金属结合，开发出具有复合层的芯片，通过所述芯片的基层、电路层和内部线路的合理布局，实现芯片的基本功能，并且制作简单，成本低廉。
Description
技术领域
本发明属于芯片技术领域，特别涉及一种具有复合层的芯片及其在生物检测中的应用。
背景技术
随着电子和信息技术的飞速发展，我国已经进入了信息时代。芯片作为微型集成电路，广泛应用于电脑、手机、家电、汽车、高铁、电网、医疗仪器、机器人、工业控制等各种电子产品和系统，是高端制造业的核心基石。芯片是由基层和线路构成的，基层采用单晶硅晶圆制作，采用光刻、掺杂、化学机械抛光(CMP)等技术制成金属-氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)或双极型晶体管(BJT)等组件，再利用薄膜和CMP技术制成线路，完成芯片制作。
目前，主流的芯片基层为单晶硅。在硅晶体制造的电子元器件和芯片中，载流子能以0.1m2/V.s的高迁移率快速传输。但目前的硅晶体生产工艺成本十分昂贵，对需求量巨大的消费电子产品行业，往往难以承受这种过于高昂的成本，也不利于芯片的推广使用。因此，科研工作者致力于寻找和开发其他的廉价替代品。塑料作为一种廉价的可塑性极强的材料进入了科学家的视野。目前，主要的研究方向是对绝缘的塑料材料进行物理和化学改性，使之能够导电。例如，奥地利科学家采用聚苯乙烯等塑料成功制造一款太阳能电池，其效率为3％；2011年，比利时微电子研究中心的科学家研制了一种塑料芯片原型；荷兰飞利浦公司推出了一款轻薄柔软的塑料计算机显示屏，这种显示屏的制作材料是塑料基半导体；日本科学家研制出包含几百个有机计算机芯片的柔韧的导电塑料，采用这种导电塑料制造出了新型的平板显示器和电子标签。虽然塑料基半导体或导电塑料的研究取得了一些成果，但距离大规模、低成本的应用还有很大差距。
现在芯片的封装材料普遍采用塑料和金属，适用于绝大多数芯片应用场景。如果能将普通的塑料材料应用于芯片基层，将大大降低芯片的生产成本。然而，这是一个问题。
专利CN201710699800.0公开了一种基于无线遥控的污秽区在线自动监控系统，该系统的电导传感器包括上表面为波浪形的绝缘塑料基材，绝缘塑料基材的上表面镀有绝缘瓷，绝缘塑料基材两端各设置有金属夹片，金属夹片与绝缘瓷紧密贴合，金属夹片外周套有防护套，电导传感器还包括与两块所述金属夹片连接的驱动芯片，驱动芯片连接至主板。该发明在金属夹片上接连电极，实现整个监控系统的运转。
另外，芯片在生物领域，尤其是基因检测方面，具有重要的应用价值，芯片可以代替传统激光镜头、荧光染色剂等成为新的测序仪，面对海量的基因检测和分析数据，多功能芯片的应用是未来的发展方向。目前新一代基因测序技术利用纳米尺寸的孔作为传感器，当核酸分子通过纳米孔时，检测通过每个纳米孔的离子电流，根据不同碱基过孔时的电流特点，通过追踪电流的变化，确定每个基因组片段的基因序列。例如，专利CN201810019657.0中公开了一种一次性纳米孔生物传感器，包括顺次层叠设置的衬底、电极层和顶盖，顶盖设置有直径为5-200μm的微孔，微孔用于注入纳米孔和磷脂薄膜，衬底和顶盖均为塑料层，电极为设置于衬底表面的一对银电极，微孔开设于绝缘覆盖件，绝缘覆盖件覆盖于一个银电极表面，微孔设置在银电极顶部，使该银电极仅通过微孔暴露。
专利CN200880126160.3中公开了一种形成分隔两个体积的水溶液的层的方法，在形成的装置中上部为包含腔室的装置，下部包括至少一个通向腔室的凹槽的非导电性材料的主体，腔室与凹槽之间形成生物层脂质膜(BLM)，该装置具有一对电极，上电极位于腔室中并引出腔室，下电极位于凹槽下部并引出非导电性材料主体。
随着芯片逐渐应用于纳米孔基因检测中，芯片的结构应该适应海量基因检测的要求，使得结构更加合理，操作更加方便，功能更加多样。本发明将塑料材料和金属材料结合，开发出具有复合层的芯片，通过所述芯片的复合层的合理布局，实现芯片应用于纳米孔基因检测的基本功能。
发明内容
为达到上述目的，本发明提供了一种具有复合层的芯片，所述芯片包括至少上下设置的第一基层和第二基层，所述的第一基层上设置有至少一个通向第二基层的第一盲孔，所述的芯片上还设置有至少一个穿过第二基层的金属化过孔，所述的第一盲孔下面设置有电极，所述的芯片设置有触点，所述的电极与触点通过线路相连。
所述的第一基层上、下表面或第一基层上方还设有第一电极，所述的芯片还设有第一触点，所述的第一电极与第一触点通过线路相连。
优选的，所述的第二基层中设置有内层线路，更优选的，所述金属化过孔的内壁上具有向外延伸的内层线路，所述内层线路延伸并嵌入第一基层和第二基层的内部，成为互联电路；所述互联电路能够在所述芯片内部延伸到并连接其他电路元器件，实现多个元器件的互联，有利于所述芯片实现多种功能应用。
优选的，所述的第一基层和第二基层之间还设置有至少一个第三基层。更优选的，所述的第一基层和第二基层之间还设置有1-5个第三基层。例如，所述的第一基层和第二基层之间还设置有1、2、3、4或5个第三基层。
本发明所述的芯片的一种形式，所述的第一基层上还设置有至少一个通向第二基层的第二盲孔，所述的第二盲孔下面设置有第一电极。所述芯片上设置至少两个贯穿第二基层的金属化过孔，所述金属化过孔的外壁设有内层线路。所述第一电极通过金属线路联通第一金属化过孔，电极通过金属线路联通第二金属化过孔。所述第一金属化过孔的内层线路或第一金属化过孔在第二基层下表面的延伸金属线路上设有第一触点；所述第二金属化过孔的内层线路或第二金属化过孔在第二基层下表面的延伸金属线路上设有触点。
在本发明的一个具体实施方式中，所述第一基层上设有一个通向第二基层的第二盲孔，所述第二盲孔下面设置有第一电极，所述第一电极通过延伸金属线路与所述第一金属化过孔联通，所述第一触点设在第一金属化过孔在第二基层下表面的延伸金属线路上；所述第一金属化过孔和第二金属化过孔贯穿第二基层，但不贯穿第一基层；所述第一金属化过孔和第二金属化过孔在所述第二基层中设有内层线路，所述内层线路围绕第一金属化过孔和第二金属化过孔的孔壁展开。所述触点位于第二金属化过孔在第二基层下表面的延伸金属线路上。所述电极设在所述第一盲孔的底部，并通过延伸金属线路连接第二金属化过孔，由此间接连接内层线路和第二基层下表面的环形金属线路，进而连接所述触点。
使用时，所述第一触点和触点连接电源，即可在所述第一电极和电极之间形成电压，所述第一盲孔和第二盲孔上方连通导电介质。
本发明所述的芯片的另一种形式，所述第一电极设置在第一基层的上表面，优选的，所述第一电极设置在第一金属化过孔上端边缘，更优选的，所述的第一电极设置在所述第一金属化过孔上端附近。
所述电极设置在第一基层底部下表面，并通过所述第一盲孔的底部，更优选的，所述电极设置在第一基层和第二基层之间，更优选的，所述的电极覆盖所述第一盲孔的整个底面，特别优选的，所述电极延伸到第二金属化过孔。
所述第一盲孔位于第一基层，第一盲孔的底部设有电极，所述第一盲孔、第一电极和电极构成孔电极。
所述第一触点位于所述第一金属化过孔在第一基层上表面或第二基层下表面的延伸金属线路，所述触点位于第二金属化过孔在第一基层上表面或第二基层下表面的延伸金属线路。所述第一电极能够通过第一金属化过孔在第一基层上表面或第二基层下表面的环形金属线路以及内层线路连接所述第一触点，电极能够通过第二金属化过孔在第一基层上表面或第二基层下表面的环形金属线路以及内层线路连接所述触点。
更选的，所述的金属线路和内层线路为铜箔。
所述的第一基层和第二基层材料为塑料。
优选的，所述第一基层的材料为塑料，优选的，所述第一基层的材料为聚酰亚胺树脂板、FR-4板材、FR-1板材或CEM-1/3板材，更优选的，所述FR-4板为具有FR-4等级的玻璃纤维板或环氧树脂板材。在本发明的一个具体实施方式中，所述第一基层的材料为聚酰亚胺树脂板。
所述第一基层的厚度为0.05-0.5mm，优选的，所述第一基层的厚度为0.08-0.2mm。在本发明的一个具体实施方式中，所述第一基层的厚度为0.1mm。
所述第一盲孔和第二盲孔设置在所述第一基层的上表面，优选的，所述第一盲孔和第二盲孔为圆形孔；优选的，所述第一盲孔的孔径为0.05-0.2mm，更优选的，所述第一盲孔的孔径为0.1-0.15mm。所述第一盲孔可以通过激光钻孔的技术形成。优选的，所述第二盲孔的孔径为0.5-2mm，更优选的，所述第二盲孔的孔径为1-1.5mm。所述第二盲孔可以通过激光钻孔的技术形成。
所述第二基层的材料为塑料，优选的，所述第二基层的材料为聚酰亚胺树脂板、FR-4板材、FR-1板材或CEM-1/3板材，更优选的，所述第二基层的材料为FR-4板材，更优选的，所述FR-4板材为具有FR-4等级的玻璃纤维板或环氧树脂板材。在本发明的一个具体实施方式中，所述第二基层的材料为FR-4环氧树脂板材。
所述第一基层和第二基层的材料绝缘，保证所述芯片的电流信号只能由所述金属线路和内层线路传导，便于根据实际需求设计不同结构的金属线路和内层线路；所述第一基层和第二基层的材料耐腐蚀，在保证一定强度的同时，还具有较强的抗冲击性，使所述芯片的适用范围广泛；所述第一基层和第二基层材料的可塑性强，便于利用PCB加工技术制作芯片。
在本发明的一个具体实施方式中，所述芯片包括第一基层和第二基层。
在本发明的另一个具体实施方式中，所述芯片包括第一基层、第二基层和第一基层与第二基层之间的第三基层。
本发明还提供了所述芯片在生物检测中的应用，优选的，所述芯片在核酸测序中的应用，更优选的，所述芯片在纳米孔核酸测序中的应用。
所述芯片的内层线路能够与所需的检测分析设备连接，所述芯片的孔电极、第一触点和触点接入电流，电流再通过内层线路传导到需要的检测分析设备，因此，所述芯片对检测分析设备实现了控制作用。
本发明还提供了所述芯片作为生物监测的芯片的应用，优选的，所述芯片作为核酸测序装置的芯片的应用，更优选的，所述芯片作为纳米孔测序装置的芯片的应用。所述芯片相对于硅基材的芯片，能够实现多层基层间的电路排布，并且成本低廉、工艺简便。
附图说明
图1是本发明的芯片结构图。
图2是本发明的一种可选的芯片结构图。
图3是本发明的芯片应用在纳米孔基因测序装置的结构图。
图4是本发明的芯片应用在一种可选的纳米孔基因测序装置的结构图。
图5是本发明的芯片上表面结构图。
图6是本发明的一种可选的芯片结构图。
附图中，1-第一基层，2-第二基层，3-第一盲孔，4-金属线路，401-第一电极，402-电极，5-第一金属化过孔，501-第二金属化过孔，6-内层线路，7-第一触点，8-触点，9-第三基层，10-电解液腔室，11-磷脂层隔膜，12-第二盲孔。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
本发明提供了本发明提供了一种具有复合层的芯片，所述芯片包括至少上下设置的第一基层1和第二基层2，第一基层1上设置有至少一个通向第二基层2的第一盲孔3，所述芯片上还设置有至少一个穿过第二基层2的金属化过孔，第一盲孔3下面设置有电极402，所述芯片设置有触点8，电极402与触点8通过线路相连。
以下实施例中所有金属线路为铜箔。
实施例1
本实施例的芯片结构如图1所示，第一基层1位于芯片上部，第一基层1为聚酰亚胺树脂板，第一基层1的厚度为0.1mm；第一基层1上设有孔电极，第一基层1的上表面设有第一盲孔3，第一盲孔3为圆形孔，孔径为0.1mm，第一盲孔3通过激光钻孔的技术形成，第一盲孔3的底部设有金属线路4，第一盲孔3和金属线路4构成孔电极；第一电极401设置在第一金属化过孔5上端的附近，电极402设置在第一基层1和第二基层2之间，并覆盖第一盲孔3的整个底面，电极402延伸到第二金属化过孔501；第二基层2位于第一基层1的下方，并且紧贴第一基层1，第二基层2为FR-4环氧树脂板材；第一金属化过孔5和第二金属化过孔501贯穿第一基层1和第二基层2，第一金属化过孔5和第二金属化过孔501的孔壁上设有内层线路6，内层线路6的多条金属线路延伸进入第一基层1和第二基层2，孔电极的金属线路4与第二金属化过孔501的内层线路6连接；第一触点7设置在第一金属化过孔5的顶部或底部的金属线路上，触点8设置在第二金属化过孔501的顶部或底部的金属线路上，第一电极401通过第一金属化过孔5的金属线路和内层线路6连接第一触点7，电极402通过第二金属化过孔501的金属线路和内层线路6连接触点8，实现互联，进而实现第一基层1和第二基层2的电路排布。
实施例2
本实施例的芯片结构如图2所示，第一基层1位于芯片上部，第一基层1为聚酰亚胺树脂板，第一基层1的厚度为0.1mm；第一基层1上设有孔电极，第一基层1的上表面设有第一盲孔3，第一盲孔3为圆形孔，孔径为0.1mm，第一盲孔3通过激光钻孔的技术形成，第一盲孔3的底部设有金属线路4，第一盲孔3和金属线路4构成孔电极；第一电极401设置在第一金属化过孔5上端的附近，电极402设置在第一基层1和第三基层9之间，并覆盖第一盲孔3的整个底面，电极402延伸到第二金属化过孔501；第三基层9位于第一基层1的下方，并且紧贴第一基层1，第二基层2位于第三基层9的下方，并且紧贴第三基层9，第二基层2和第三基层9均为FR-4环氧树脂板材；第一金属化过孔5和第二金属化过孔501贯穿第一基层1、第三基层9和第二基层2，第一金属化过孔5和第二金属化过孔501的孔壁上设有内层线路6，内层线路6的多条金属线路延伸进入第一基层1、第三基层9和第二基层2，孔电极的金属线路4与第二金属化过孔501的内层线路6连接；第一触点7设置在第一金属化过孔5的顶部或底部的金属线路上，触点8设置在第二金属化过孔501的顶部或底部的金属线路上，第一电极401通过第一金属化过孔5的金属线路和内层线路6连接第一触点7，电极402通过第二金属化过孔501的金属线路和内层线路6连接触点8，实现互联，进而实现第一基层1、第三基层9和第二基层2的电路排布。
实施例3
芯片应用在纳米孔基因测序装置的结构如图3所示，第一基层1位于芯片上部，第一基层1为聚酰亚胺树脂板，第一基层1的厚度为0.1mm。芯片上部设有电解液腔室10，用于容纳含有DNA检测样品的电解液；第一基层1上设有孔电极，第一基层1的上表面设有第一盲孔3，第一盲孔3为圆形孔，孔径为0.1mm，第一盲孔3通过激光钻孔的技术形成，第一盲孔3的底部设有金属线路4，第一盲孔3和金属线路4构成孔电极。第一电极401设置在第一金属化过孔5上端的附近，电极402设置在第一基层1和第二基层2之间，并覆盖第一盲孔3的整个底面，电极402延伸到第二金属化过孔501。第二基层2位于第一基层1的下方，并且紧贴第一基层1，第二基层2为FR-4环氧树脂板材。第一金属化过孔5和第二金属化过孔501贯穿第一基层1和第二基层2，并且位于电解液腔室10外部，第一金属化过孔5和第二金属化过孔501的孔壁上设有内层线路6，内层线路6的多条金属线路延伸进入第一基层1和第二基层2，孔电极的金属线路4与第二金属化过孔501的内层线路6连接。第一触点7设置在第一金属化过孔5的顶部或底部的金属线路上，触点8设置在第二金属化过孔501的顶部或底部的金属线路上，第一电极401通过第一金属化过孔5的金属线路和内层线路6连接第一触点7，电极402通过第二金属化过孔501的金属线路和内层线路6连接触点8，实现互联，进而实现第一基层1和第二基层2的电路排布。
电解液腔室10与第一盲孔3之间设有磷脂双分子层隔膜11，使电解液腔室10和第一盲孔3形成两个腔室，磷脂双分子层隔膜11上嵌有具有纳米孔结构的蛋白，当第一触点7和触点8接通电源，即第一电极401和电极402接通电源后，电解液腔室10中的DNA检测样品在电流作用下运动，并通过蛋白的纳米孔进入第一盲孔3，并记录DNA上不同碱基通过纳米孔时的电流变化，分析DNA序列。
实施例4
芯片应用在一种可选的纳米孔基因测序装置的结构如图4所示，第一基层1位于芯片上部，第一基层1为聚酰亚胺树脂板，第一基层1的厚度为0.1mm。芯片上部设有电解液腔室10，用于容纳含有DNA检测样品的电解液；第一基层1上设有孔电极，第一基层1的上表面设有第一盲孔3，第一盲孔3为圆形孔，孔径为0.1mm，第一盲孔3通过激光钻孔的技术形成，第一盲孔3的底部设有金属线路4，第一盲孔3和金属线路4构成孔电极。第一电极401设置在电解液腔室10的上部并延伸到外部用于连接电源，电极402设置在第一基层1和第二基层2之间，并覆盖第一盲孔3的整个底面，电极402延伸到第二金属化过孔501。第二基层2位于第一基层1的下方，并且紧贴第一基层1，第二基层2为FR-4环氧树脂板材。第二金属化过孔501贯穿第一基层1和第二基层2，并且位于电解液腔室10外部，第二金属化过孔501的孔壁上设有内层线路6，内层线路6的多条金属线路延伸进入第一基层1和第二基层2，孔电极的金属线路4与第二金属化过孔501的内层线路6连接。第一触点7设置在第一电极401上，触点8设置在第二金属化过孔501的顶部或底部的金属线路上，电极402通过第二金属化过孔501的金属线路和内层线路6连接触点8，实现互联，进而实现第一基层1和第二基层2的电路排布。
电解液腔室10与第一盲孔3之间设有磷脂双分子层隔膜11，使电解液腔室10和第一盲孔3形成两个腔室，磷脂双分子层隔膜11上嵌有具有纳米孔结构的蛋白，当第一触点7和触点8接通电源，即第一电极401和电极402接通电源后，电解液腔室10中的DNA检测样品在电流作用下运动，并通过蛋白的纳米孔进入第一盲孔3，并记录DNA上不同碱基通过纳米孔时的电流变化，分析DNA序列。
实施例5
芯片上表面结构如图5所示，第一触点7位于第一金属化过孔5在第一基层1上表面的延伸金属线路，第一电极401通过金属化过孔5在第一基层1上表面的环形金属线路连接第一触点7，电极402位于第一盲孔3的底部，电极402通过第二金属化过孔501的内壁和第一基层1上表面的环形金属线路连接触点8。
实施例6
本实施例的芯片结构如图6所示，第一基层1上设有一个通向第二基层2的第二盲孔12，第二盲孔12下面设置有第一电极401，第一电极401通过延伸金属线路4与第一金属化过孔5联通，第一触点7设在第一金属化过孔5在第二基层2下表面的延伸金属线路上；第一金属化过孔5和第二金属化过孔501贯穿第二基层2，但不贯穿第一基层1；第一金属化过孔5和第二金属化过孔501在第二基层2中设有内层线路6，内层线路6围绕第一金属化过孔5和第二金属化过孔501的孔壁展开。触点8位于第二金属化过孔501在第二基层2下表面的延伸金属线路上。电极402设在第一盲孔3的底部，并通过延伸金属线路4连接第二金属化过孔501，由此间接连接内层线路6和第二基层2下表面的环形金属线路，进而连接触点8。
使用时，第一触点7和触点8连接电源，即可在第一电极401和电极402之间形成电压，第一盲孔3和第二盲孔12上方连通导电介质。
Claims (12)
1.一种具有复合层的芯片，其特征在于，所述芯片包括至少上下设置的第一基层和第二基层，所述的第一基层上设置有至少一个通向第二基层的第一盲孔，所述的芯片上还设置有至少两个穿过第二基层的金属化过孔，其中，第一金属化过孔的内层线路或第一金属化过孔在第二基层下表面的延伸金属线路上设有第一触点，第二金属化过孔的内层线路或第二金属化过孔在第二基层下表面的延伸金属线路上设有触点，所述金属化过孔的外壁设有内层线路，所述的第一盲孔下面设置有电极，所述的第一基层上还设置有至少一个通向第二基层的第二盲孔，所述的第二盲孔下面设置有第一电极，所述第一电极通过第一金属化过孔在第一基层上表面或第二基层下表面的环形金属线路以及内层线路连接所述第一触点，电极通过第二金属化过孔在第一基层上表面或第二基层下表面的环形金属线路以及内层线路连接所述触点，所述第一基层和第二基层的材料绝缘。
2.根据权利要求1所述的芯片，其特征在于，所述第一盲孔的孔径为0.1-0.15mm，所述第二盲孔的孔径为1-1.5mm。
3.一种具有复合层的芯片，其特征在于，所述芯片包括至少上下设置的第一基层和第二基层，所述的第一基层上设置有至少一个通向第二基层的第一盲孔，所述的芯片上还设置有至少一个贯穿第一基层和第二基层的金属化过孔，所述的第一盲孔下面设置有电极，所述的芯片设置有触点和第一触点，所述第一触点位于第一金属化过孔在第一基层上表面或第二基层下表面的延伸金属线路，所述的第一基层上表面或第一基层上方还设有第一电极，所述第一电极设置在所述第一金属化过孔上端边缘，所述第一电极通过第一金属化过孔在第一基层上表面或第二基层下表面的环形金属线路以及内层线路连接所述第一触点，电极通过第二金属化过孔在第一基层上表面或第二基层下表面的环形金属线路以及内层线路连接所述触点，所述第一基层和第二基层的材料绝缘。
4.根据权利要求3所述的芯片，其特征在于，所述触点位于第二金属化过孔在第一基层上表面或第二基层下表面的延伸金属线路。
5.根据权利要求1-4任一所述的芯片，其特征在于，所述的第二基层中设置有内层线路。
6.根据权利要求1-4任一所述的芯片，其特征在于，所述的第一基层和第二基层之间还设置有至少一个第三基层。
7.根据权利要求1-4任一所述的芯片，其特征在于，所述的第一基层和第二基层材料为塑料。
8.根据权利要求1-4任一所述的芯片，其特征在于，所述第一基层和第二基层的材料为聚酰亚胺树脂板、FR-4板材、FR-1板材或CEM-1/3板材。
9.根据权利要求3-4任一所述的芯片，其特征在于，所述第一盲孔的孔径为0.1-0.15mm。
10.一种权利要求1-9任一所述的芯片在生物检测中的应用。
11.根据权利要求10所述的应用，其特征在于，所述应用为芯片在核酸测序中的应用。
12.根据权利要求10所述的应用，其特征在于，所述应用为芯片在纳米孔核酸测序中的应用。
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