CN102243207A

CN102243207A - 电极表面具有纳米凹凸结构的电化学传感器及其制备方法

Info

Publication number: CN102243207A
Application number: CN2011100981297A
Authority: CN
Inventors: 柴晓森; 周嘉
Original assignee: Fudan University
Current assignee: Fudan University
Priority date: 2011-04-19
Filing date: 2011-04-19
Publication date: 2011-11-16

Abstract

本发明属于传感器技术领域，具体为一种用于电化学检测的电极表面具有纳米凹凸结构的电化学传感器及其制备方法。该传感器的电极设计制作成表面具有三维结构的电极，具体在衬底上使用微电子工艺制作Cu/Au/Ti薄膜，通过热退火使Cu/Au界面处金原子和铜原子强烈扩散，并结晶；再通过稀酸腐蚀，去掉薄膜表面的Cu原子及其铜的化合物，形成具有纳米级别凹凸结构的界面。该电极具有较大的表面积，纳米结构表面的电子极其活跃，提高了电极的灵敏度，且适应于快速检测。本发明可以广泛用于生物医药等多领域的检测。

Description

电极表面具有纳米凹凸结构的电化学传感器及其制备方法

技术领域

本发明属于传感器技术领域，具体涉及电极表面具有纳米凹凸结构的电化学传感器及其制备方法。

背景技术

电化学检测方法是利用电极将不同物质发生的生化反应产生的信号转换成电信号，从而确定物质间进行反映的微观过程，物质含量等。随着电化学检测系统和生物分析电化学及其相关领域的发展，电化学生物传感器快速增长，在医药、食品、农业、环境分析等领域具有几十亿美元的市场，并且在不断扩大。

最近二三十年里，微电子加工技术的发展使生物传感器及其生化分析仪器进一步向小型化、数字化和高可靠性的方向发展。微电子技术对电化学生物传感器的最主要影响是电极的改进，电极的尺寸有原来的常规电极发展到了微电极。传统分别使用的三电极系统电极（参比电极、辅助电极、工作电极）可以集成于一个芯片上；一个传感器器件上就可以集成多个具有独立检测功能的电极，从而实现了一个器件可以同时检测多种生物样品。微电极不仅仅具有小型化的优点，更重要的是它与常规电极相比具有无可比拟的优点，即极高的稳态电流密度、极短的响应时间、极化电流小、传质速率高、信噪比大等特点。

过去的研究中大多对于平面电极进行探讨和研究。随着加工技术的不断发展，制作具有三维结构的电极成为了电化学检测的一个非常重要研究方向。同时纳米科学的不断发展，为电化学传感器提供了一个广阔的发展天地。研究表明，纳米材料具有大量的界面,界面原子可达到50%以上，使得纳米材料具有常规材料不具备的独特性质，产生了四大效应:尺寸效应、量子效应、表面效应和界面效应。这些效应对于电化学检测的提高灵敏度，快速化，小型化等发展趋势会产生非常大的促进作用。

将纳米材料的加工与电化学传感器芯片制作技术相结合是提高电化学传感器的性能的重要的发展方向。制作表面具有一定分布的孔或者凹凸不平的结构，这种电极与平面电极具有着很大的不同，被称为多孔电极。如果凹凸结构或者孔的尺寸是纳米级别就称为表面具有纳米结构的电极。该结构具有很高的反应表面，有利于化学反应的进行，因而受到了广泛的研究。通常制作纳米多孔的金膜的方法包括：电化学方法，非电镀沉积，热分解Au₂O₃，利用汞齐溶解以及利用已有的模板进行沉积等等。然而使用电化学腐蚀的方法来制作表面具有纳米结构的电极，此种方法由于容易操作，陈本低廉，适用于实验室和工业生产中。

于是，通过微电子工艺制作具有电极图形的纳米结构的电极对于电化学检测具有重要意义。本发明制作Au/Cu/Ti薄膜，通过热退火的方法使Au与Cu发生剧烈扩散，在界面处产生纳米结构，使用稀酸腐蚀去掉铜的成分，得到具有纳米凹凸结构的金膜，使用自主设计PCB封装基座进行封装，制作成表面具有纳米结构的电化学传感器。

发明内容

本发明的目的在于提出一种电化学响应灵敏，适应于快速的电化学检测，生物匹配性良好的用于电化学检测的电极表面具有纳米凹凸结构的电化学传感器及其制备方法。

本发明提出的用于电化学检测的电化学传感器，其电极是利用现有微电子工艺技术的制备条件，设计制作成的表面具有三维结构的电极。该电极根据检测的需求，可以设计不同的电极形状和阵列结构。例如目前使用广泛的是圆盘电极和叉指电极。根据需求的不同，可以改变电极的尺寸。

这种电极结构由如下制备方法获得：

（1）用微电子加工工艺依次在衬底上制作Cu、Au、Ti三层薄膜，即Cu/Au/Ti薄膜；衬底为SiO₂或者陶瓷材料。Ti作为Au材料与衬底的粘附层， Au作为工作电极由具有良好生物相容性， Cu作为与Au原子在退火条件下扩散的材料。由于Cu原子及其氧化物在制作的过程中会使用稀酸腐蚀掉，所以Cu薄膜的生长可以选择不同过程进行。例如，在使用微电子工艺制作完具有电极形状的Au/Ti电极上生长Cu薄膜；或者直接制作具有电极形状的Cu/Au/Ti三层金属电极。

本发明中，Ti的厚度优选为10nm~50nm。Au的厚度优选为100nm~500nm。Cu的厚度优选为100nm~500nm。

本发明中，工作电极在芯片中成阵列分布，根据测试的不同可以决定工作电极的数目，工作电极按一定规则芯片上均匀分布，电极的数目可以为3~6个。工作电极的大小根据不同测试的需要、不同的工艺条件，以及芯片的大小等进行确定。

本发明中，工作电极优选使用微电极电化学研究比较成熟的圆盘电极，工作电极的半径是10μm~1000μm 。

（2）将制作好的Cu/Au/Ti三层金属薄膜进行退火处理，退火氛围为 N₂、O₂或空气氛围。在N₂氛围下，Cu原子基本不氧化；在O₂的氛围下，由于在高温的情况下，很快Cu与O₂反应生成Cu的氧化物。在空气的气氛下，也会生成Cu氧化物，但是其速度要比O₂的气氛中慢的多。

退火温度的选择会影响电极表面结构的形成，如果退火温度较低，Au、Cu原子相互扩散不强烈，需要较长的时间进行退火，但是薄膜的均匀性较好；退火温度较高，Au、Cu原子相互扩散非常强烈，短时间内就可以形成纳米结构，但是形成的纳米结构的均匀性较差。根据设计的需求可以选择不同的退火温度和退火时间来控制Au表面的形貌特点。本发明使用的退火温度为150℃~350℃，退火时间为12h~36h。

（3）经过退火后的芯片使用稀酸进行腐蚀，稀酸不能将Au原子腐蚀，但是可以很容易的腐蚀掉Cu原子。这种选择性的腐蚀特性会使得退火后Au-Cu界面出现的相互扩散的Cu原子或者Cu的氧化物所占据的空间被腐蚀掉，使电极的表面形成纳米级别凹凸结构。对于温度较高的退火，可以观察到纳米孔的存在。本发明中使用的稀酸为0.06M~0.12M稀硫酸或稀盐酸，腐蚀时间为25~40min。

芯片上工作电极由各自的电极导线引出。所述芯片封装于PCB版基座上构成所需传感器，通过硅胶封装绝缘导线，同时硅胶沿着芯片边缘封装，形成凹槽构成电解池（检测池），纳米结构电极芯片是电解池的底。

本发明的芯片具有纳米级别凹凸结构和纳米孔，表面积大，表面电子活跃，为电化学检测高灵敏性、小型化、快速提供了有力的支持。

上述表面具有纳米结构的电化学传感器采用微电子加工工艺制作，具体操作步骤为：

1、在P型硅片上热氧化生长二氧化硅，作为电极的衬底，或者直接用陶瓷片作为衬底。

2、使用piranha 溶液（H₂SO₄：H₂O₂=3:1）清洗二氧化硅表面，去离子水清洗去除杂质，烘干硅片；光刻，使用正胶形成工作电极图形。氧等离子体溅射打底膜。

3、使用PVD溅射系统溅射Ti 作为电极的粘附层，溅射Au作为工作电极，采用lift-off工艺去除光刻胶形成工作电极图形，使用PVD溅射Cu作为扩散材料层。或者使用PVD溅射系统溅射Ti 作为电极的粘附层，溅射Au作为工作电极，溅射Cu作为扩散材料层，采用lift-off工艺去除光刻胶形成工作电极图形。

5、退火，使用退火炉在空气的气氛中退火，根据需要选择退火温度时间。

6、腐蚀，将退火后的硅片置于稀硫酸中腐蚀。使用去离子水清洗10min左右，使用丙酮浸泡10min左右，使用无水乙醇浸泡10min左右，最后使用去离子水浸泡10min左右。N₂吹干。

7、划片，引线，硅胶封装。待硅胶凝固后，表面具有纳米结构的电化学传感器制作完成。

本发明使用了基于硅基的微电子加工工艺，加工工艺简单，成本低廉，适应于大批量的加工，传感器将纳米材料的研究与微电子技术相结合，有理由新型电化学传感器的产品化，商业化。

本发明的制得的表面具有纳米结构的芯片相对于同样半径的圆盘电极具有更大的表面积。纳米级别的孔和凹凸结构使得电极表面的电子非常活跃。这极大地提高电化学检测的峰值，同时可是更适用于快速检测。

本发明工作电极可以根据检测的需要进行多通道检测，可以对多种样品同时进行检测，极大地提高了检测的效率。

本发明制作的具有三维尺寸的电极增大了电极的响应面积。可以更加促进电化学传感器的小型化。

本发明在工艺条件内，可以改进薄膜生长，退火工艺，腐蚀工艺，对纳米结构精确控制，有利于提高了电化学检测的精度。

本发明使用PCB作为封装基座，使用绝缘硅胶进行封装，一方面保证了封装的绝缘性能，另一方面硅胶与电化学三电极集成芯片构成电解池，为检测工作带来很大的方便。同时降低成本，并与现有电化学检测系统兼容。

附图说明

图1为工艺流程图示。其中，a为退火前Cu/Au/Ti薄膜，b为退火后Cu/Au/Ti薄膜，c为稀酸腐蚀后Au/Ti电极结构。

图2为传感器结构图示。

图中标号：1是Cu，2是Au，3是Ti，4是SiO₂/Si，5是PCB板封装基座，6是芯片。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。实施例在以本发明方案为技术前提下，给出了详细的实施方案和具体操作过程，但本发明的保护范围不限于实施例。

1. 在P型硅衬底上热氧化生长600nm的二氧化硅，作为电极衬底；或者直接选取陶瓷片作为衬底。

2. 使用piranha 溶液（H₂SO₄：H₂O₂=3：1）清洗衬底表面，去离子水清洗去除杂质，烘干硅片；光刻，使用正胶形成工作电极图形，使用圆盘工作电极，工作电极半径为500μm。氧等离子体溅射打底膜。

3. 使用PVD系统溅射 20nm的Ti，300nm 的Au；300nm的Cu，形成Au/Cu/Ti三层金属薄膜。采用lift-off工艺去除光刻胶，形成工作电极图形，形成圆盘工作电极半径为500μm。

4. 退火工艺，将Au/Cu/Ti三层金属薄膜置于退火炉中。退火炉置于空气气氛中。退火时间定为24h。退火温度为250℃。

5. 腐蚀。将退火后的硅片置于0.1M的稀硫酸中腐蚀30min。使用去离子水清洗10min，使用丙酮浸泡10min，使用无水乙醇浸泡10min，最后使用去离子水浸泡10min。N₂吹干。

6. 划片，引线，硅胶封装。待硅胶凝固后，传感器制作完成。

通过对加工完成的芯片进行SEM表征。在同样的放大倍数，经过处理的金膜非常明显的出现了密集的纳米孔，表面变得非常粗糙。孔洞较大的尺寸为160~20nm左右，同时分布各种尺寸不等的小的孔洞。由于本实验是用的薄膜厚度为100nm左右，可以判定出现较大孔洞的部位，金电极表面出现了贯穿。经过初步的观察可以发现，金电极表面的孔洞不均匀分布，具有一定的随机性。

电化学传感器制作完成后，使用电化学分析仪，采用循环伏安法进行测试，对封装完成的芯片进行裸电极的测试。使用Pt丝作为外加辅助电极，使用Ag/AgCl作为外加参比电极。电化学传感器使用二茂铁甲醇（FcM）作为氧化还原探针中进行电化学表征。FcM 溶液浓度是2 mM. 缓冲液为PBS，0.1mM（pH=7.4）表征过程中，使用循环伏安法对传感器进行检测，电压扫描范围是-0.5 V到 0.5 V，扫描的速率是100 mV/s.取电流分布的中值大约为3.5μA。这一电流值明显大于同等条件下测得的平面结构的裸金电极。同条件下测得的相同面积平面裸金电极的电流为3.0μA。所以电流具有更好响应特性。同时，通过改变测试的速率，观察扫描速率对于缝制电流的影响。并于平面结构的裸金电极进行对比。发现，当测试速率越大的情况下，纳米结构的电极具有更快的增大趋势。于是可以得到，纳米结构电极更加适合于快速检测。

本发明可以用于生物医药等多领域的各种样品的检测。本发明可以通过电化学原位包埋或者自组装分子的方法将生物活性分子固定到工作电极，从而构成具有不同检测目的的生物传感器。

Claims

1.电极表面具有纳米凹凸结构的电化学传感器，其特征在于该传感器的芯片由下述方法制备获得：

（1）用微电子加工工艺依次在衬底上制作Cu、Au、Ti三层薄膜，即Cu/Au/Ti薄膜；衬底为SiO₂或者陶瓷材料，Ti作为Au材料与衬底的粘附层， Au作为工作电极， Cu作为与Au原子在退火条件下扩散的材料；

（2）将制作好的Cu/Au/Ti三层金属薄膜进行退火处理，退火氛围为 N₂、O₂或空气氛围；退火温度为150℃~350℃，退火时间为12h~36h；

（3）经过退火后的芯片使用稀酸进行腐蚀，使退火后Au-Cu界面出现的相互扩散的Cu原子或者Cu的氧化物所占据的空间被腐蚀掉，使电极的表面形成纳米级别凹凸结构；使用的稀酸为0.06M~0.12M稀硫酸或稀盐酸，腐蚀时间为25~40min。

2.根据权利要求1所述的电化学传感器，其特征在于步骤（1）中， Ti的厚度是10nm~50nm； Au的厚度为100nm~500nm； Cu的厚度为100nm~500nm。

3.根据权利要求1或2所述的电化学传感器，其特征在于所述工作电极在芯片中成阵列分布，电极的数目为3~6个。

4.根据权利要求1或2所述的电化学传感器，其特征在于所述电极是圆盘电极或叉指电极。

5.根据权利要求1或2所述的电化学传感器，其特征在于所述芯片封装于PCB版基座上，通过硅胶封装绝缘导线，同时硅胶沿着芯片边缘封装，形成凹槽构成电解池，纳米结构电极芯片是电解池的底。

6.一种电极表面具有纳米凹凸结构的电化学传感器的制备方法，其特征在于具体步骤为：

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于步骤（1）中， Ti的厚度是10nm~50nm； Au的厚度为100nm~500nm； Cu的厚度为100nm~500nm。

8.根据权利要求6或7所述的制备方法，其特征在于所述工作电极在芯片中成阵列分布，电极的数目为3~6个。

9.根据权利要求6或7所述的制备方法，其特征在于所述电极是圆盘电极或叉指电极。

10.根据权利要求6或7所述的制备方法，其特征在于所述芯片封装于PCB版基座上，通过硅胶封装绝缘导线，同时硅胶沿着芯片边缘封装，形成凹槽构成电解池，纳米结构电极芯片是电解池的底。