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基于FPGA温控系统的CF-PCR-CE芯片研究

作　者: 潘靓
导　师: 闫卫平
学　校: 大连理工大学
专　业: 电路与系统
关键词: ANASYS MEMS技术 CF-PCR-CE FPGA 毛细管电泳
分类号: TN402
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

DNA样品进行毛细管电泳分离之前需要进行PCR扩增反应,如果将连续流动式PCR芯片与毛细管电泳芯片集成在一起,将会实现生化分析的微型化和集成化。因此,本文开展了基于FPGA的循环数目可选的连续流动式PCR芯片设计,并将其与毛细管电泳微流控芯片相组合,实现了从PCR扩增到毛细管电泳的连续一体化分析。本文首先采用ANSYS有限元分析软件,设计出性能较好的加热器和温度传感器版图结构;利用MEMS加工技术,分别制作出集成了Pt金属薄膜加热器和温度传感器的硅基芯片,以及玻璃为基底的微流控毛细管电泳芯片;将二者封装在一起,构成了CF-PCR-CE芯片。为满足PCR反应的需要,设计了基于FPGA的芯片温度控制系统,该系统包括多通道AD采样、温度曲线拟合、PID控制算法及PWM波形产生、串口通信、CE检测曲线驱动和显示等模块,较好地实现了三个温区的自动控制及显示。利用本文组建的CF-PCR-CE芯片系统,对植物DNA样品进行了扩增反应,并采用凝胶电泳检测方法对产物进行对比检测,实验结果证明该系统实现了DNA样品的扩增,并根据实验结果探讨了流速、循环次数与扩增效果的关系。利用该芯片系统,直接将扩增后的产物送至芯片上的毛细管电泳沟道进行电泳检测,初步实现了样品从扩增至毛细管电泳的一体化检测分析。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-8
1 绪论  8-15
  1.1 课题的意义  8-9
  1.2 PCR芯片的研究现状  9-14
  1.3 本文的主要工作  14-15
2 PCR反应与毛细管电泳芯片简介  15-22
  2.1 PCR反应原理  15-17
    2.1.1 PCR反应原理  15-16
    2.1.2 影响 PCR反应的主要因素  16-17
  2.2 毛细管电泳基本原理  17-22
    2.2.1 毛细管电泳基本原理  17-20
    2.2.2 毛细管电泳芯片进样原理  20-22
3 CF-PCR-CE芯片设计与制作  22-35
  3.1 CF-PCR-CE芯片设计  22-28
    3.1.1 芯片总体设计  22
    3.1.2 芯片微流通沟道设计  22-24
    3.1.3 微加热器和微传感器的 ANSYS仿真与设计  24-28
  3.2 玻璃基片的微流通沟道制作  28-32
    3.2.1 掩模板制作  28-29
    3.2.2 盖片制作及其与基片的键合  29-32
  3.3 金属薄膜加热器和温度传感器的制作  32-33
  3.4 CF-PCR-CE芯片的封接  33-35
4 温度控制系统设计  35-55
  4.1 系统结构  35-36
  4.2 系统硬件电路设计  36-45
    4.2.1 FPGA芯片及其外围配置电路  36-38
    4.2.2 采样输入电路  38-41
    4.2.3 加热输出电路  41-43
    4.2.4 键盘控制及 LCD显示电路  43-44
    4.2.5 UART接口电路  44-45
  4.3 温度控制系统软件设计  45-55
    4.3.1 AD采样与滤波  46-49
    4.3.2 温度曲线拟合  49
    4.3.3 PID算法  49-50
    4.3.4 PWM波形产生  50
    4.3.5 RS232串口通信  50-52
    4.3.6 LCD温度显示  52
    4.3.7 LCD检测曲线显示  52-54
    4.3.8 顶层模块设计  54-55
5 CF-PCR-CE芯片性能分析  55-68
  5.I Pt薄膜温度传感器及加热器性能分析  55-62
    5.1.1 XRD分析  55-56
    5.1.2 温度传感特性  56-58
    5.1.3 微加热器特性  58-62
  5.2 PCR扩增反应结果分析  62-68
    5.2.1 测试系统组建  62-63
    5.2.2 扩增结果分析  63-66
    5.2.3 毛细管电泳分析  66-68
结论  68-69
参考文献  69-72
攻读硕士学位期间发表学术论文情况  72-73
致谢  73-74

基于FPGA温控系统的CF-PCR-CE芯片研究

内容摘要

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