測量陣列的溫度調節的製作方法

2023-10-05 03:39:59 3

測量陣列的溫度調節的製作方法【專利摘要】本發明公開了一種用於調節測量陣列的溫度的系統。該系統包括測量陣列，該測量陣列包括多個傳感器，其中所述多個傳感器被集成到集成電路管芯上。該系統包括被集成到所述集成電路管芯上的熱傳感器，其中所述熱傳感器感測與所述多個傳感器相關聯的溫度。該系統進一步包括被耦合到所述集成電路管芯的熱泵，其中所述熱泵由包括所述熱傳感器的反饋控制電路控制。【專利說明】測量陣列的溫度調節[0001]對其他申請的交叉引用[0002]本申請要求於2011年I月27日提交的、名稱為「TEMPERATURERE⑶LATIONOFBIOCHEMICALMEASUREMENTARRAYS」的美國臨時專利申請N0.61/436，948(代理人案號GENIPO10+)的優先權，該臨時申請出於所有目的以引用方式併入本文。【
背景技術：
】[0003]近年來半導體產業內的微小型化中的進展已經使得生物技術專家能夠開始將其傳統上龐大的感測工具包裝為越來越小的形狀因子，包裝到所謂的生物晶片上。將期望開發用於生物晶片的技術。【專利附圖】【附圖說明】[0004]在以下的詳細描述和附圖中公開了本發明的各種實施例。[0005]圖1是示意了在其中使用開關式(bang-bang)溫度控制機制的生化測量陣列中的溫度中的短時持續時間變化性的圖。[0006]圖2A是示意了生化測量晶片200的頂視圖的圖。[0007]圖2B是示意了如圖2A中所示的相同生化測量晶片的側視圖的圖。[0008]圖2C是示意了如圖2A和2B中所示的生化測量晶片200的溫度調節系統的一實施例的圖。[0009]圖3是示意了用於驅動圖2C中的帕爾貼(Peltier)器件214的線性反饋控制電路300的一實施例的圖。[0010]圖4是示意了溫度調節系統220的熱模型的圖。【具體實施方式】[0011]本發明可以以多種方式來實現，包括被實現為:過程；設備；系統；物質組成；計算機可讀存儲介質上體現的電腦程式產品；和/或處理器，諸如被配置為執行存儲在耦合至處理器的存儲器上和/或由該存儲器提供的指令的處理器。在該說明書中，這些實施方式或者本發明可採用的任何其他形式可以被稱為技術。一般地，在本發明的範圍內，所公開的過程的步驟的順序可以被更改。除非另有聲明，可以將被描述為被配置為執行任務的諸如處理器或存儲器之類的部件實現為被臨時配置為在給定的時間處執行該任務的一般部件或被製造為執行該任務的具體部件。如本文所使用的那樣，術語「處理器」涉及被配置為處理諸如電腦程式指令之類的數據的一個或多個器件、電路和/或處理核心。[0012]在各個實施例中，在多種系統或形式中實現本文所描述的技術。在一些實施例中，以硬體方式將技術實現為專用集成電路(ASIC)或現場可編程門陣列(FPGA)。在一些實施例中，使用處理器(例如，諸如ARM核心之類的嵌入式處理器)，其中該處理器被提供或加載有用於執行本文描述的技術的指令。在一些實施例中，將技術實現為在計算機可讀存儲介質中體現且包括計算機指令的電腦程式產品。[0013]下文中，連同示意本發明原理的附圖一起，提供本發明的一個或多個實施例的詳細描述。與這些實施例結合描述本發明，但本發明並不限於任何實施例。本發明的範圍僅由權利要求限定，且本發明包含多種替換、修改及等同物。為了提供對本發明的透徹理解，在下面的描述中闡述多個具體細節。這些細節是為了示例的目的而提供的，並且可以在沒有這些具體細節中的一些或全部的情況下根據權利要求來實施本發明。為了清楚的目的，並未詳細地描述本發明相關【
技術領域：
】中已知的技術材料，以便不會不必要地使本發明模糊。[0014]生化傳感器是能夠測量可變生化量且根據特定規則將測量變換為輸出信號(例如電信號或光信號)的器件。生化傳感器可以是電化學傳感器或光學傳感器。可以在多種應用中採用生化傳感器；例如，它們可以用於核苷酸測序、醫療診斷、患者監視等等。[0015]納米孔陣列是將生化傳感器用於生化測量的測量陣列的一個示例。用於核苷酸測序的納米孔陣列可以包含幾千或幾百萬個單個細胞或測量部位。每個細胞包含納米孔，納米孔是可被用作單分子傳感器的電絕緣膜中的小孔。可以使用諸如α-溶血素或MspA之類的生物材料來形成納米孔。可以使用諸如半導體材料之類的固態材料來形成納米孔。當跨越納米孔施加較小電壓時，可以測量通過該納米孔的離子電流，以提供關於經過該納米孔的分子的結構的信息。在納米孔陣列的單個細胞中，可以將電路用於控制跨越包含該納米孔的脂雙層施加的電刺激，並用於感測穿過該納米孔的分子的電圖案或籤名。[0016]在一些應用中，生化測量陣列可以用於進行精確的生化測量；然而，它們的性能可能受到測量部位處的溫度影響。典型地，生化傳感器被安裝在集成電路上或者是集成電路的組成部分。由於直接從可產生熱量的集成電路的表面進行由生化傳感器進行的測量，因此需要仔細地控制測量部位處的溫度的準確性和可變性；否則將導致性能降低。[0017]出於若干原因，生化測量陣列的溫度調節富有挑戰性。轉導生化測量的精確點處的溫度是困難的。此外，熱測量點與生化測量點之間的任何溫度差將轉換為在調節生化測量點處的溫度時的誤差。[0018]在一些溫度調節方案中，採用開關式控制機制。開關式控制器是在兩種狀態之間突然切換的反饋控制器。例如，冷卻或加熱元件被完全開啟或完全關閉，而不在任何中間級別處運行。該技術簡化了溫度調節電路，但在生化測量部位處的溫度中引入了短時持續時間變化性(波紋)。[0019]圖1是示意了在其中使用開關式溫度控制機制的生化測量陣列中的溫度中的短時持續時間變化性的圖。如圖1中所示，這些波紋可以基於持續從數毫秒至數分鐘的周期在超過半攝氏度的溫度範圍內波動。然而，為了實現生化測量部位處的溫度的精確控制，在全部時間尺度上，溫度波動應當比半攝氏度小得多。[0020]圖2Α是示意了生化測量晶片200的頂視圖的圖。圖2Β是示意了如圖2Α中所示的相同生化測量晶片的側視圖的圖。參照圖2Α和圖2Β，生化測量陣列202位於集成電路管芯204的頂表面的中心區中。生化測量陣列202具有生化測量部位的多個列和行。位於集成電路管芯204的外圍處的多個接合焊盤是用於與生化測量陣列202連通的電接觸部。貯存器208可以被安裝在集成電路管芯204上，以容納覆蓋生化測量陣列202的表面的液體。覆蓋生化測量陣列202的表面的液體可以通過溝道210而引入。[0021]圖2C是示意了圖2Α和圖2Β中描繪的生化測量晶片200的溫度調節系統220的一實施例的圖。生化測量晶片200被安裝在熱傳導材料212上。帕爾貼器件214的第一側面214A被安裝在集成電路管芯204的底表面上。帕爾貼器件214的第二側面214B被安裝在對流散熱器216上，對流散熱器216包括柱鰭(pin-fin)218。帕爾貼器件(也被稱作帕爾貼熱泵、固態冷藏庫或熱電冷卻器(TEC))是固態主動熱泵，其在消耗能量的情況下逆溫度梯度(從冷到熱)將熱量從器件的一側傳遞到另一側。當DC電流流過帕爾貼器件時，熱量從一側移除到另一側。因此，帕爾貼器件可以用於加熱或用於冷卻，而且它也可以被用作進行加熱或冷卻的溫度控制器。[0022]在一些實施例中，帕爾貼器件214的第一側面214A所具有的表面足夠大以覆蓋集成電路管芯204的整個底表面或整個生化測量陣列202，使得整個集成電路管芯204或整個生化測量陣列202的溫度能夠被維持在預定的操作溫度處。在一些實施例中，預定的操作溫度是可配置的，並選自多個操作溫度。[0023]圖3是示意了用於驅動圖2C中的帕爾貼器件214的線性反饋控制電路300的一實施例的圖。如圖3中所示，熱測量電晶體302(例如，二極體連接的電晶體)與放大器304相率禹合。放大器304的輸出作為輸入而被饋送至熱電冷卻器控制器晶片306(例如來自LinearTechnology的LTC1923)，並且熱電冷卻器控制器晶片306的輸出用於驅動帕爾貼器件214。[0024]典型地，生化測量晶片可以包括多達一百萬個生化測量部位。由於每個生化測量部位可以消耗多達3.3μW(3.3V處，IμA)，因此整個生化測量晶片可以消耗總共3.3W。在不存在高效地用泵將熱量從管芯抽離的溫度調節系統220時，生化測量晶片的電路所消耗的功率可能導致管芯過熱。[0025]參照圖2Β和圖3，熱測量電晶體302被集成至管芯204中。將熱測量電晶體302集成至管芯204中的優勢在於:從而可以進行管芯溫度的直接測量。如上所述，在管芯自身內生成熱量。如果熱測量電晶體位於管芯外部，則管芯與熱測量電晶體之間的熱阻將會升高，從而使得跨越管芯與熱測量電晶體之間的距離建立較大的熱梯度。因此，不能進行管芯的溫度的精確測量。注意，在一些實施例中，多於一個熱測量電晶體302可以被集成至管芯204中。僅出於示意的目的提供具有單個熱測量電晶體302的示例；相應地,本申請不僅限於該具體示例:溫度傳感器可以是電晶體、二極體、溫度敏感型電阻器、或管芯上包括的其他溫度敏感型器件。[0026]如本申請中所描述的溫度調節系統220提供了用於調節生化測量晶片200的溫度的李亞普諾夫漸進穩定的(asymptoticallyLyapunovstable)線性控制迴路。特別地,溫度調節系統220中的各種部件的機械布置確保了系統熱時間常數是李亞普諾夫漸進穩定的。[0027]圖4是示意了溫度調節系統220的熱模型的圖。在圖4中，「R」表示熱阻(單位為開爾文/瓦特)。例如，Riambimt是管芯204與管芯周圍的環境空氣之間的熱阻。「C」表示熱容(單位為焦耳/開爾文)，並且「T」表示特定位置處的溫度(單位為開爾文)。為了實現閉合迴路穩定性，各種部件的熱容C和熱阻R滿足如圖4的底部處所示的一組準則。特別地，對流散熱器216的熱容應當是帕爾貼器件214的熱容和管芯204的熱容的若干倍大(例如10倍大)。管芯與管芯周圍的環境空氣之間的熱阻Rdie_ambimt應當是Rambimt-Sink、Rsink-peltier和Rpeltier-die的若干倍大(例如10倍大)。[0028]雖然為了清楚理解的目的較為詳細地描述了上述實施例，但是本發明並不限於所提供的細節。存在多種替換方式來實現本發明。所公開的實施例是示意性的而非限制性的。【權利要求】1.一種用於調節測量陣列的溫度的系統，包括：包括多個傳感器的測量陣列，其中所述多個傳感器被集成到集成電路管芯上；被集成到所述集成電路管芯上的熱傳感器，其中所述熱傳感器感測與所述多個傳感器相關聯的溫度；和被耦合到所述集成電路管芯的熱泵，其中所述熱泵由包括所述熱傳感器的反饋控制電路控制。2.根據權利要求1所述的系統，其中所述測量陣列包括生化測量陣列，並且其中所述多個傳感器中的每一個包括生化傳感器。3.根據權利要求1所述的系統，其中所述反饋控制電路被配置為將與所述多個傳感器相關聯的溫度維持在預定溫度處，並且其中所述預定溫度是可配置的。4.根據權利要求1所述的系統，其中感測與所述多個傳感器相關聯的溫度包括：感測與所述集成電路管芯相關聯的溫度。5.根據權利要求1所述的系統，其中所述熱泵包括帕爾貼熱泵。6.根據權利要求1所述的系統，其中所述熱泵包括與所述集成電路管芯相接觸的第一表面和與散熱器相接觸的第二表面，並且其中熱量從一個表面傳遞到另一表面。7.根據權利要求1所述的系統，其中所述反饋控制電路被配置為線性反饋控制電路。8.根據權利要求7所述的系統，其中所述線性反饋控制電路包括放大器，並且其中所述放大器被耦合到所述熱傳感器。9.根據權利要求7所述的系統，其中所述線性反饋控制電路進一步包括熱電冷卻器控制器晶片。10.根據權利要求7所述的系統，其中所述系統被配置為形成李亞普諾夫漸進穩定的線性控制迴路。11.根據權利要求7所述的系統，其中所述系統由熱模型表示，並且其中所述系統是至少部分地基於關聯於所述熱模型的兩個參數之間的至少一個關係來配置的。12.根據權利要求11所述的系統，其中所述至少一個關係包括關聯於耦合至所述熱泵的散熱器的熱容與關聯於所述熱泵的熱容之間的關係。13.根據權利要求12所述的系統，其中關聯於耦合至所述熱泵的散熱器的熱容基本上大於關聯於所述熱泵的熱容。14.根據權利要求11所述的系統，其中所述至少一個關係包括關聯於耦合至所述熱泵的散熱器的熱容與關聯於所述集成電路管芯的熱容之間的關係。15.根據權利要求14所述的系統，其中關聯於耦合至所述熱泵的散熱器的熱容基本上大於關聯於所述集成電路管芯的熱容。16.根據權利要求11所述的系統，其中所述至少一個關係包括第一熱阻與第二熱阻之間的關係，並且其中所述第一熱阻包括所述集成電路管芯與所述集成電路管芯周圍的環境空氣之間的熱阻，並且其中所述第二熱阻包括耦合至所述熱泵的散熱器與所述散熱器周圍的環境空氣之間的熱阻。17.根據權利要求16所述的系統，其中所述第一熱阻基本上大於所述第二熱阻。18.根據權利要求11所述的系統，其中所述至少一個關係包括第一熱阻與第二熱阻之間的關係，並且其中所述第一熱阻包括所述集成電路管芯與所述集成電路管芯周圍的環境空氣之間的熱阻，並且其中所述第二熱阻包括耦合至所述熱泵的散熱器與所述熱泵之間的熱阻。19.根據權利要求18所述的系統，其中所述第一熱阻基本上大於所述第二熱阻。20.根據權利要求11所述的系統，其中所述至少一個關係包括第一熱阻與第二熱阻之間的關係，並且其中所述第一熱阻包括所述集成電路管芯與所述集成電路管芯周圍的環境空氣之間的熱阻，並且其中所述第二熱阻包括所述熱泵與所述集成電路管芯之間的熱阻。21.根據權利要求20所述的系統，其中所述第一熱阻基本上大於所述第二熱阻。22.根據權利要求1所述的系統，其中所述熱傳感器包括下述各項之一：熱電晶體、二極體或其他晶片上溫度傳感器。23.根據權利要求1所述的系統，其中所述反饋控制電路被配置為開關式控制電路。24.一種用於調節測量陣列的溫度的方法，包括：將測量陣列集成到集成電路管芯上，其中所述測量陣列包括多個傳感器；將熱傳感器集成到所述集成電路管芯上；使用所述熱傳感器來感測與所述多個傳感器相關聯的溫度；以及利用包括所述熱傳感器的反饋控制電路來控制熱泵，其中所述熱泵被耦合到所述集成電路管芯。【文檔編號】C12M1/38GK103502423SQ201280006799【公開日】2014年1月8日申請日期:2012年1月10日優先權日:2011年1月27日【發明者】R·陳申請人:吉尼亞科技公司