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基于labview的PCR芯片温度控制系统研究

作 者: 李金凤
导 师: 张卫平
学 校: 上海交通大学
专 业: 微电子学与固体电子学
关键词: PCR-CE芯片 温度控制 虚拟仪器 PID控制 恒流源
分类号: TP274
类 型: 硕士论文
年 份: 2012年
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内容摘要


随着社会的发展,人们对健康和生活的要求越来越高,因此疾病的预防和早期检测的重要性越来越高。各国在研发检测设备中都投入了很大的力量,各式各样的大型检测设备出现在各大医疗机构。相对于价格昂贵的大型设备,微流控芯片是一种能够快速扩增基因和检测的芯片,它形状微小,价格低廉,反应迅速,可以在短短的几小时或几分钟内,使目的基因扩增成千上万倍,以便于检测。PCR微流控芯片是MEMS技术在生物和分析化学方面的应用。它将传统的PCR(聚合酶链式反应)与先进的MEMS技术结合起来,使所有的生物反应都能在一块芯片上进行。本文在实验室研究经验的基础上,设计并研制了一种PCR-CE芯片。同时以LabVIEW作为处理核心,以PT作为加热丝和温度传感器,以风扇和半导体制冷片为降温设备,设计出PCR芯片温度控制系统。本文的主要研究内容和研究成果如下:1.阐述了MEMS的概念和分类。微流控芯片是MEMS在生物方面的一大应用,对PCR和CE芯片做了深入浅出的介绍。并对当前国内外PCR温度控制系统的研究形势做了分析。2.设计了一种将PCR-CE集成的芯片,与过去的设计做了仿真对比。结果显示了新的设计方案在集成度和温度控制上,都有了明显的进步。对新的设计方案开发出了一套高效率、低成本的加工工艺。采用软光刻法制作带有微反应腔和微通道的PDMA盖片。采用干法刻蚀,在玻璃基板上形成了Pt电极,然后在铂电极上甩了一层PDMS胶,与上盖片进行了键合。3.针对制成的PCR-CE芯片设计了温度控制系统,其中包括电源模块,温度采集模块,信号放大模块,芯片升温模块和降温模块以及数据采集模块。通过分析电阻测量方法,选用了恒流源激励的温度采集电路,并做了误差分析。4.介绍了图形化编程的LabVIEW,编写了温度转换程序和温度控制程序。设计了一个用户友好的操作界面。5.对整个温度控制系统进行了调试。首先,进行了Pt电阻的标定;其次对电路中的噪声进行了滤波;对软件控制中的参数进行了标定,并对原来的控制策略进行了修正。整个系统开始正常运行。本文设计的温度控制系统有如下优点:1.温度采集准确,采集精度可以达到0.1℃;2.升温速度快,稳定速度快,可以在1s内实现两个不同温度的切换;3.拥有良好的人机界面,操作简单易行,不懂温度控制的生物研究者也可以方便的使用。

全文目录


摘要  3-5
ABSTRACT  5-13
第一章 绪论  13-28
  1.1 MEMS技术  13-14
    1.1.1 MEMS概念  13
    1.1.2 MEMS分类  13-14
  1.2 微流控芯片  14-16
    1.2.1 微流控芯片的分类  14-15
    1.2.2 微流控技术的历史与发展  15-16
  1.3 CE芯片  16-19
    1.3.1 电泳简介  16-18
    1.3.2 CE的基本原理  18-19
  1.4 PCR芯片  19-24
    1.4.1 PCR技术的基本原理  19-20
    1.4.2 PCR技术的特点  20-21
    1.4.3 PCR扩增仪  21-22
    1.4.4 PCR~l控芯片的优点  22-23
    1.4.5 PcR与cE的结合  23
    1.4.6 PCR~l控芯片的应用领域  23-24
  1.5 PCR-CE温度控制概述  24-27
  1.6 论文的研究意义及主要研究内容  27-28
第二章 生物芯片的设计与设备  28-38
  2.1 芯片的设计  28-31
    2.1.1 芯片的材料选择  28-29
    2.1.2 现在的设计  29-31
  2.2 芯片的热性能仿真  31-33
  2.3 芯片的加工制作流程  33-37
    2.3.1 SU-8基底选择  34
    2.3.2 SU-8 F日模工艺加工  34-35
    2.3.3 PDMS盖片的制作  35
    2.3.4 Ft电极基板的制作  35-36
    2.3 5 封装键台  36-37
  2.4 本章小结  37-38
第三章 温度控制系统硬件电路设计  38-59
  3.1 温度控制系统总体架构  38-39
  3.2 电源模块  39-41
  3.3 温度采集电路设计  41-48
    3.3.1 电阻测量方案研究  41-46
    3.3.2 恒流源电路设计  46-48
  3.4 信号放大电路  48-49
  3.5 芯片加热模块  49-50
  3.6 芯片降温模块  50-56
    3.6.1 降温策略概述  50-51
    3.6.2 半导体制冷历史与发展  51-52
    3.6.3 半导体制冷原理  52-54
    3.6.4 半导体制冷器的应用特点  54-55
    3.6.5 制冷电路设计  55-56
  3.7 NI数据采集设备介绍  56-58
  3.8 本章小结  58-59
第四章 温度控制程序设计  59-72
  4.1 PCR温度控制软件系统设计要求  59
  4.2 虚拟仪器~LabVIEW语言简介  59-61
    4.2.1 虚拟仪器技术简介  59-60
    4.2.2 虚拟仪器的总线技术  60
    4.2.3 虚拟仪器开发环境  60-61
  4.3 PCR芯片控制系统的虚拟仪器结构  61-62
  4.4 软件系统程序代码  62-69
    4.4.1 输入输出子程序  62-63
    4.4.2 温度换算子程序  63
    4.4.3 预设温度子程序  63-65
    4.4.4 FID核心控制子程序  65-69
    4.4.5 错误处理子程序  69
  4.5 本系统程序人机交互界面  69-70
  4.6 本章小结  70-72
第五章 系统及软件调试与结果  72-83
  5.1 铂电阻温度标定  72-76
    5.1.1 错误的标定方法  73-74
    5.1.2 修正后的的标定方法  74-76
  5.2 噪声的滤除  76-77
  5.3 系统调试  77-81
  5.4 本章小结  81-83
第六章 总结与展望  83-85
  6.1 总结  83-84
  6.2 展望  84-85
参考文献  85-90
致谢  90-91
攻读硕士学位期间己发表或录用的论文  91-93

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 自动化系统 > 数据处理、数据处理系统
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