CN109030600A - 可打磨的微电极阵列及其封装和使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可打磨的微电极阵列及其封装和使用方法，属于传感器领域。微电极阵列包括电极引出电路板和微电极簇，电极引出电路板的上表面中心设有若干个相互绝缘的电极触点组成的触点阵列，电极引出电路板的上表面沿周向边缘分布有若干个相互绝缘的外部触点，每个电极触点通过内部导线最多与1个外部触点相连；微电极簇由多根相互绝缘分离的微电极组成，通过环氧树脂封装固定在电极引出电路板的上表面；每根微电极呈线形，末端通过固定件固定于一个电极触点上且微电极与电极触点构成电连接，尖端延伸至环氧树脂封装的上表面。本发明可以实现微电极的高效利用，提高使用效率和便捷度，在微电极研究领域有着较好的实用价值。

Description

可打磨的微电极阵列及其封装和使用方法

技术领域

本发明涉及微电极的封装技术，属于传感器领域。

背景技术

细胞水平的活性物质检测能够反应细胞的真实生理活动，能够精准有效的获得活性物质的释放信息，在药物反应研究和细胞应激性研究中有着大量应用。但是这一领域一直以来是电化学检测中的难点，主要困难在于细胞水平空间小、活性物质浓度低，一般的检测电极尺寸很难靠近细胞表面，细胞活性物质释放之后在空间之中快速扩散，到达电极表面时浓度非常低，难以产生有效的电化学反应电流。为了解决这一问题，许多研究者开始使用微电极进行检测。

微电极通常指直径在100微米以下的微电极，微电极阵列是由多根微电极组成的阵列结构，微电极和微电极阵列常用于微纳检测领域，其优点是响应速度快、检测限低以及微小范围内的检测，能够贴近细胞表面或者插入细胞内部，能够检测到活性物质的释放。同时，由于微电极微小的尺寸，微电极在使用过程中需要进行封装。目前使用较多的微电极往往使用玻璃进行封装，微电极材料多为金属细丝，在熔融态玻璃中插入金属细丝，冷却后便可以得到封装好的单根金属微电极。但是该种方法封装难度较高，成本较贵，难以定制化，只能封装特定材料的金属丝。而微电极阵列则较多使用的是平面MEA，在玻璃片表面喷涂金颗粒，形成特定形状微电极及导线，但是MEA制作也较为复杂，成本昂贵，且电极材料往往为金，难以满足个性化的需要。除此之外，它们都有着难以重复利用的问题，导致实验难度较高，极易损坏。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中微电极封装难度较高、无法重复利用等问题，并提供一种具有新型结构的可打磨的微电极阵列。

本发明的发明构思是：现有的微电极阵列的封装方式较为复杂且成本昂贵，可重复性低，所以选择环氧树脂作为封装材料，其本身固化时间快，操作简便，同时固体状态下方便打磨，可以重复使用。环氧树脂常温下为液态，在5摄氏度至35摄氏度状态下能保持形状稳定，通过加入不同的固化剂，可以在0-180摄氏度下固化，所以常温状态下环氧树脂也可以固化，大大简化了加工条件，同时不耐高温的微电极材料例如碳纤维等也可以进行封装。固化完成后的环氧树脂力学性能好，化学稳定性好，绝缘性能好，但同时也可以进行打磨，通过打磨可以对封装电极的尺寸进行调整，不断暴露出新的微电极横截面，实现重复利用。

本发明所采用的具体技术方案如下：

一种可打磨的微电极阵列，其包括电极引出电路板和微电极簇，所述的电极引出电路板的上表面中心设有若干个相互绝缘的电极触点组成的触点阵列，电极引出电路板的上表面沿周向边缘分布有若干个相互绝缘的外部触点，每个所述的电极触点通过内部导线最多与1个外部触点相连；所述的微电极簇由多根相互绝缘分离的微电极组成，通过环氧树脂封装固定在电极引出电路板的上表面；每根微电极呈线形，末端通过固定件固定于一个电极触点上且微电极与电极触点构成电连接，尖端延伸至环氧树脂封装的上表面。

本发明中，微电极与电极引出电路板相连接的一端称其为末端，另一端称其为尖端。

在上述方案基础上，本发明还可以提供如下若干优选方式。

作为优选，所述的微电极簇中的微电极均与电极引出电路板的上表面垂直。

作为优选，所述的微电极簇中的微电极尖端聚拢，微电极簇呈锥形，不同微电极之间的距离从上到下逐渐增大。

作为优选，所述的固定件为银浆或者焊接形成的焊点。

作为优选，所述的微电极直径在100微米以下的圆柱体细丝，微电极簇尖端的微电极间隔在100微米以下。

作为优选，所述的触点阵列中具有4×4个电极触点，每个电极触点上固定有且仅有一条微电极，所述的外部触点共16个，每个电极触点通过内部导线连接有且仅有一个外部触点。

作为优选，所述的电极触点和外部触点均为正方形铜焊盘。

本发明的另一目的在于提供一种上述可打磨的微电极阵列的封装方法，其步骤如下：

1)制作带有电极触点和外部触点的电极引出电路板，且保证每个电极触点通过内部导线连接有且仅有一个外部触点；

2)在每个电极触点上通过焊接或者银浆固定一条微电极的末端，并保证电极触点与微电极导通，形成微电极簇；

3)在电极引出电路板上方平行设置一块第一固定电路板，所述第一固定电路板上设有由若干个固定触点组成的触点阵列，且第一固定电路板和电极引出电路板上的触点阵列完全相同，两者的投影一一重合；

4)将微电极簇中每根微电极的尖端通过焊接或者银浆固定在所述固定触点上，并保持每根微电极均与电极引出电路板的上表面垂直，每根微电极均绝缘不接触；

5)利用浇筑模具包裹微电极簇，然后以电极引出电路板作为底板，向浇筑模具中注入环氧树脂，待环氧树脂固化后，拆除浇筑模具，在微电极簇外部形成环氧树脂封装；

6)去除第一固定电路板，切断环氧树脂封装外部多余的微电极，然后研磨环氧树脂封装上表面形成平整的表面，完成微电极阵列的封装。

本发明的另一目的在于提供另一种上述微电极阵列的封装方法，其步骤如下：

1)制作带有电极触点和外部触点的电极引出电路板，且保证每个电极触点通过内部导线连接有且仅有一个外部触点；

2)在每个电极触点上通过焊接或者银浆固定一条微电极的末端，并保证电极触点与微电极导通，形成微电极簇；

3)在电极引出电路板上方平行设置一块第二固定电路板，所述第二固定电路板上设有1个固定触点；

4)将微电极簇中每根微电极的尖端通过焊接或者银浆固定在所述固定触点上，使微电极簇形成锥形，且微电极簇中的每根微电极除尖端外其余部分均绝缘不接触；

5)利用浇筑模具包裹微电极簇，然后以电极引出电路板作为底板，向浇筑模具中注入环氧树脂，待环氧树脂固化后，拆除浇筑模具，在微电极簇外部形成环氧树脂封装；

6)去除第二固定电路板，切断环氧树脂封装外部多余的微电极，然后研磨环氧树脂封装上表面形成平整的表面，完成微电极阵列的封装。

本发明的另一目的在于提供一种上述微电极阵列的使用方法，其具体为：将微电极阵列中的环氧树脂封装上表面进行打磨，获得新的微电极横截面，用于作为检测电极，实现重复利用。

本发明相对于现有技术而言，具有以下有益效果：

1.本发明加工方法简单快捷，且成本较低，可封装的微电极材料选择更加多样化。

2.本发明微电极的重复利用率提高,封装完成的微电极打磨方便，可以实现重复利用，大大提高了微电极的使用次数。

3.本发明将微电极和电极引出电路板通过环氧树脂封装在一起，整个系统安全、稳定且易于操作，简化了微电极的使用，更加方便。

附图说明

图1为紧凑型微电极阵列的立体结构示意图；

图2为本发明的两种不同的微电极簇阵列的剖面结构示意图；a)为紧凑型，b)为垂直型；

图3为电极引出电路板的俯视图；

图4为电极引出电路板的剖面图；

图5为垂直型微电极阵列的封装过程示意图；

图6为垂直型微电极阵列的封装过程示意图；

图7为垂直型微电极阵列的封装过程示意图；

图8为垂直型微电极阵列的封装过程示意图；

图9为紧凑微电极阵列的封装过程示意图；

图中附图标记：电极引出电路板1、外部触点2、电极触点3、环氧树脂封装4、微电极簇5、微电极6、内部导线7、固定件8、第一固定电路板9、固定触点10、浇筑模具11、第二固定电路板12。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。

本发明的可打磨的微电极阵列有垂直型和紧凑型两种形式，垂直型的微电极阵列中的微电极均垂直于电极引出电路板，紧凑型的微电极阵列中的微电极末端汇聚到同一点，微电极呈倾斜状态。

如图1所示，为紧凑型微电极阵列的结构示意图。该微电极阵列包括电极引出电路板1和微电极簇5。如图3和4所示，电极引出电路板1的上表面中心设有4×4个电极触点3组成的触点阵列，16个电极触点3不接触，相互绝缘。电极引出电路板1呈方形，上表面沿周向边缘分布有16个相互绝缘的外部触点2，每条边隔4个。每个电极触点3通过内部导线7与1个且仅有1个外部触点2相连，内部导线7位于电极引出电路板1的内部。电极引出电路板1可使用传统的PCB加工工艺制备而成，电极触点3和外部触点2均采用正方形铜焊盘。

如图2.a)所示，微电极簇5由16根相互绝缘分离的微电极6组成，通过环氧树脂封装4固定在电极引出电路板1的上表面，形成一个整体，微电极6之间相互不接触。每根微电极6均呈线形，末端通过固定件8固定于一个电极触点3上且微电极6与电极触点3构成电连接，尖端延伸至环氧树脂封装4的上表面。固定件8可以根据微电极6的材质不同，选择银浆或者通过焊接形成的焊点。紧凑型的微电极簇5中的微电极6尖端聚拢，聚拢中心与触点阵列的中心位于同一铅垂线上。微电极簇5呈锥形，不同微电极6之间的距离从上到下逐渐增大。本发明直接将微电极和电极引出电路板相连，再进行封装，提高了微电极阵列使用的便利性。由于环氧树脂的易操作性和良好的绝缘性，使得这一连接方法变得简单易行，环氧树脂不仅作为封装材料，同时也作为微电极和电极引出电路板的固定材料，使得微电极和电极引出电路板之间连接良好，不易脱落，环氧树脂良好的绝缘性保证了整个系统的电学绝缘性能。而且环氧树脂在常温下24小时内就可以固化，在一般的实验室条件下就可以进行操作，对操作的人员的要求较低，加工方法也较为安全，毒害性小，不会产生环境污染。该电极阵列使用时，外部检测电路与四周的外部触点2相连接，便可以获得对应的单根微电极6上的信号，可以根据检测需要使用一个或者多个触点。

垂直型和紧凑型微电极阵列的区别仅在于微电极簇5在环氧树脂封装4中的形态不同。如图2.b)所示，垂直型的微电极簇5中的微电极6均与电极引出电路板1的上表面垂直，其尖端不聚拢。

上述两种微电极阵列既可以单根独立使用也可以多根同时使用，并且互相之间不干扰。单根使用时作为微电极使用，多根使用时作为微电极阵列使用。由于微电极密封在环氧树脂固化材料中，因此能够使用进行检测的是其尖端的电极横截面，而对于垂直型和紧凑型的两种微电极阵列而言，前者适合作为单根微电极的使用，后者适合作为微电极阵列使用。

本发明的两种微电极阵列，特别是紧凑型微电极阵列，使用前需要打磨保证微电极尖端相互分开。而且，由于使用了容易打磨的环氧树脂封装材料，固化后的环氧树脂封装微电极，通过打磨横截面，可以暴露出新的微电极横截面，使用之后，也可以通过打磨去除之前微电极表面的污染物，通过不断得打磨可以实现微电极的重复使用，也大大降低了微电极的成本。但同时打磨过程中电极长度会缩短，因此打磨的次数是受限的，不能无限制重复利用。

特别对于紧凑型的微电极阵列而言，由于不同微电极6之间的距离从上到下逐渐增大，通过此方法向下打磨，可以获得不同的电极尖端间距，满足不同的检测要求。

一般而言，为了保证检测准确性，微电极6可采用直径在100微米以下的圆柱体细丝，微电极簇5尖端的微电极6间隔在100微米以下。

下面以垂直型的微电极阵列为例，描述其封装工艺流程。图5至图8所示，为本发明的微电极阵列封装工艺流程的步骤示意图，下面结合附图进行详述：

1)首先需要用PCB板印刷工艺制作带有电极触点3和外部触点2的电极引出电路板1，且保证每个电极触点3通过内部导线7连接有且仅有一个外部触点2，如图3和4所示；

2)然后根据使用的微电极材料，在每个电极触点3上通过焊接或者银浆固定一条微电极6的末端，并保证电极触点3与微电极6导通。电极引出电路板1上的所有微电极6形成微电极簇5。

3)再进行微电极簇固定，图6所示为垂直型的微电极簇固定方法：先在电极引出电路板1上方平行设置一块第一固定电路板9，固定电路9中心有16个固定触点10，也为4×4的正方形铜焊盘阵列，且第一固定电路板9和电极引出电路板1上的触点阵列完全相同，两者的投影一一重合；

4)根据使用的微电极材料，将微电极簇5中每根微电极6的尖端通过焊接或者银浆固定在固定触点10上，并保持每根微电极6均与电极引出电路板1的上表面垂直，每根微电极6均具有一定间距，保持不接触状态。

5)再利用一个圆筒状的浇筑模具11包裹在微电极簇5外部，模具以微电极簇5为中心，底部密闭扣合在电极引出电路板1上。然后以电极引出电路板1作为底板，向浇筑模具11中注入环氧树脂，并根据固化要求添加固化剂。待环氧树脂固化后，拆除浇筑模具11，在微电极簇5外部形成环氧树脂封装4，如图7所示。此时，微电极簇5被包裹在环氧树脂封装4内，且形态固化，相互之间绝缘。

6)最后，去除第一固定电路板9，切断环氧树脂封装4外部多余的微电极6，然后通过打磨机打磨环氧树脂封装4上表面形成平整的表面，至此整个微电极阵列封装完毕。此时微电极6也同时露出新的横截面，用于进行电化学检测。

对于紧凑型的微电极阵列，其封装工艺流程与垂直型的微电极阵列基本相同，区别仅在于步骤3)和步骤4)。其中，步骤3)中，需要在电极引出电路板1上方平行设置一块第二固定电路板12，该第二固定电路板12上的固定触点形式与第一固定电路板不同，其仅有1个固定触点10。而在步骤4)中，则需要将微电极簇5中每根微电极6的尖端都通过焊接或者银浆固定在同一个固定触点10上，使微电极簇5形成锥形，且微电极簇5中的每根微电极6除尖端外其余部分均绝缘不接触，如图9所示。其他步骤均可与垂直型的微电极阵列封装工艺相同。使用前需要打磨使微电极尖端相互分开，并且通过不断打磨可以获得不同的电极尖端间距。

以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。例如，微电极阵列中微电极的条数、触点个数可以根据具体要求增加和删减。封装材质、微电极材料、微电极直径也可以根据需要进行调整，例如封装材质可以选择不同的环氧树脂及其衍生物，微电极材料可以是金属丝、碳纤维等等，电极直径也没有限制，只要能够符合检测要求即可。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种可打磨的微电极阵列，其特征在于，包括电极引出电路板(1)和微电极簇(5)，所述的电极引出电路板(1)的上表面中心设有若干个相互绝缘的电极触点(3)组成的触点阵列，电极引出电路板(1)的上表面沿周向边缘分布有若干个相互绝缘的外部触点(2)，每个所述的电极触点(3)通过内部导线(7)最多与1个外部触点(2)相连；所述的微电极簇(5)由多根相互绝缘分离的微电极(6)组成，通过环氧树脂封装(4)固定在电极引出电路板(1)的上表面；每根微电极(6)呈线形，末端通过固定件(8)固定于一个电极触点(3)上且微电极(6)与电极触点(3)构成电连接，尖端延伸至环氧树脂封装(4)的上表面。

2.如权利要求1所述的可打磨的微电极阵列，其特征在于，所述的微电极簇(5)中的微电极(6)均与电极引出电路板(1)的上表面垂直。

3.如权利要求1所述的可打磨的微电极阵列，其特征在于，所述的微电极簇(5)中的微电极(6)尖端聚拢，微电极簇(5)呈锥形，不同微电极(6)之间的距离从上到下逐渐增大。

4.如权利要求1所述的可打磨的微电极阵列，其特征在于，所述的固定件(8)为银浆或者焊接形成的焊点。

5.如权利要求1所述的可打磨的微电极阵列，其特征在于，所述的微电极(6)直径在100微米以下的圆柱体细丝，微电极簇(5)尖端的微电极(6)间隔在100微米以下。

6.如权利要求1所述的可打磨的微电极阵列，其特征在于，所述的触点阵列中具有4×4个电极触点(3)，每个电极触点(3)上固定有且仅有一条微电极(6)，所述的外部触点(2)共16个，每个电极触点(3)通过内部导线(7)连接有且仅有一个外部触点(2)。

7.如权利要求1所述的可打磨的微电极阵列，其特征在于，所述的电极触点(3)和外部触点(2)均为正方形铜焊盘。

8.一种如权利要求1所述微电极阵列的封装方法，其特征在于，步骤如下：

1)制作带有电极触点(3)和外部触点(2)的电极引出电路板(1)，且保证每个电极触点(3)通过内部导线(7)连接有且仅有一个外部触点(2)；

2)在每个电极触点(3)上通过焊接或者银浆固定一条微电极(6)的末端，并保证电极触点(3)与微电极(6)导通，形成微电极簇(5)；

3)在电极引出电路板(1)上方平行设置一块第一固定电路板(9)，所述第一固定电路板(9)上设有由若干个固定触点(10)组成的触点阵列，且第一固定电路板(9)和电极引出电路板(1)上的触点阵列完全相同，两者的投影一一重合；

4)将微电极簇(5)中每根微电极(6)的尖端通过焊接或者银浆固定在所述固定触点(10)上，并保持每根微电极(6)均与电极引出电路板(1)的上表面垂直，每根微电极(6)均绝缘不接触；

5)利用浇筑模具(11)包裹微电极簇(5)，然后以电极引出电路板(1)作为底板，向浇筑模具(11)中注入环氧树脂，待环氧树脂固化后，拆除浇筑模具(11)，在微电极簇(5)外部形成环氧树脂封装(4)；

6)去除第一固定电路板(9)，切断环氧树脂封装(4)外部多余的微电极(6)，然后研磨环氧树脂封装(4)上表面形成平整的表面，完成微电极阵列的封装。

9.一种如权利要求1所述微电极阵列的封装方法，其特征在于，步骤如下：

1)制作带有电极触点(3)和外部触点(2)的电极引出电路板(1)，且保证每个电极触点(3)通过内部导线(7)连接有且仅有一个外部触点(2)；

2)在每个电极触点(3)上通过焊接或者银浆固定一条微电极(6)的末端，并保证电极触点(3)与微电极(6)导通，形成微电极簇(5)；

3)在电极引出电路板(1)上方平行设置一块第二固定电路板(12)，所述第二固定电路板(12)上设有1个固定触点(10)；

4)将微电极簇(5)中每根微电极(6)的尖端通过焊接或者银浆固定在所述固定触点(10)上，使微电极簇(5)形成锥形，且微电极簇(5)中的每根微电极(6)除尖端外其余部分均绝缘不接触；

5)利用浇筑模具(11)包裹微电极簇(5)，然后以电极引出电路板(1)作为底板，向浇筑模具(11)中注入环氧树脂，待环氧树脂固化后，拆除浇筑模具(11)，在微电极簇(5)外部形成环氧树脂封装(4)；

6)去除第二固定电路板(12)，切断环氧树脂封装(4)外部多余的微电极(6)，然后研磨环氧树脂封装(4)上表面形成平整的表面，完成微电极阵列的封装。

10.一种如权利要求1所述微电极阵列的使用方法，其特征在于，将微电极阵列中的环氧树脂封装(4)上表面进行打磨，获得新的微电极(6)横截面，用于作为检测电极，实现重复利用。