CN109828012A - 一种三电极共面集成的叉指电极的制备方法及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种三电极共面集成的叉指电极的制备方法及应用。本发明将传统三电极浓缩至叉指电极的一个平面,大幅缩小三电极的尺寸,便于微型传感器的设计与加工,尤其适用于电化学检测的传感器。所述三电极共面集成的叉指电极中,工作电极为电镀黄金、银、镍、铜、钴或上述金属合金层,对电极为铂或碳,参比电极为氯化银,且工作电极和对电极距离大幅缩小,可以消除溶液中的浓差极化,适用于检测电极活化材料的本征催化性能。
Description
技术领域
本发明涉及传感器技术领域,具体涉及一种三电极共面集成的叉指电极的制备方法及应用。
背景技术
生物传感器技术是一种非常活跃的工程技术,是发展生物技术必不可少的一种先进的检测与监控技术。电极是电化学传感器最重要的敏感元器件。一般传感器必须要有两个以上的电极,其中,三电极体系应用较为广泛。三电极包括工作电极,参比电极及对电极。传统的三电极体系的三个电极并非在一个平面上进行集成,各电极之间距离较远,在电化学测试过程中工作电极和对电极之间容易出现浓差极化,影响测试精度。此外,传统三电极尺寸大,不便于微型传感器的设计与加工,限制了三电极体系的应用。
叉指电极是常用的传感器敏感电极部件,其是在如指状或梳妆的面内有周期性图案的电极。由于叉指电极是一种微间距电极结构,被广泛应用于制备微型传感器。
专利CN201710805378.2公开了一种三电极共面的气敏传感器,在PET硬质薄膜基底表面采用丝网印刷技术加工电极,并在电极表面涂覆憎水透气膜进行密封。然而,采用丝网印刷技术,加工过程中产生的胶质混合物会对电极检测灵敏度和稳定性造成影响。
发明内容
针对现有技术所存在的不足,本发明提供一种三电极共面集成的叉指电极的制备方法及应用,该叉指电极解决了三电极体系无法应用于微型传感器的问题,且制得的叉指电极由于工作电极和对电极之间距离近,可以显著地消除电化学测试过程中的浓差极化。采用陶瓷、硅片、柔性材料(如PET、PI等)、高分子材料(FR-4等)作为基底,采用电化学薄膜电镀加工技术,具有高灵敏、高稳定的特性。
本发明的目的之一是提供一种工作电极、参比电极和对电极三电极共面集成的高精密叉指电极。
进一步的,所述叉指电极为陶瓷、硅片或高分子聚合物基叉指电极。
进一步的,所述陶瓷为氧化铝或氮化铝。
进一步地,所述叉指电极的工作电极为电镀黄金、银、镍、铜、钴或上述金属合金层,叉指中的一指为参比电极,另一指为对电极。
本发明的目的之二是提供一种三电极共面集成的叉指电极的制备方法,包括如下步骤:
(1)将陶瓷基体、硅片或高分子聚合物基材进行激光打孔。
(2)将打孔后的基材通过磁控溅射实现表面金属化,包括孔内金属化。
(3)将整板基材镀铜形成电镀铜层。
(4)将镀完铜的基材再镀金属形成电镀金属层。
(5)悬涂光刻胶,将叉指电极在光刻机上曝光,随后显形,形成叉指电极图案。
(6)蚀刻形成线路,再在氢氧化钾溶液中去除光刻胶,形成工作电极。
(7)将叉指的其中一指电镀铂或碳作为对电极,另一指电镀氯化银作为参比电极,从而形成三电极共面的叉指电极。
进一步的,所述金属层的金属为黄金、银、镍、铜、钴或上述金属合金。
进一步的,所述的电镀铜层可用银层或金层取代。
进一步的,步骤(2)通过磁控溅射形成溅射层,每层溅射层厚度为
进一步的,所述电镀铜层的厚度为2μm。
进一步的,所述电镀金层的厚度为1μm。
本发明的目的之三是提供本发明的叉指电极的应用,其特征在于将所述三电极共面集成的叉指电极用于电化学相关的生物及电化学活性检测。
进一步的,本发明加工后的叉指电极图形精度在微米级,采用半导体加工,适用于MEMS和微型电化学器件的使用。
进一步的,本发明的叉指电极可适用于检测电极活性材料的本征催化性能的电化学器件。
本发明的有益效果是:
(1)可将传统三电极大幅缩小到几个毫米的尺寸下,便于微型传感器的设计加工,尤其是用于电化学检测的传感器。
(2)工作电极和对电极距离大幅缩小,工作电极和对电极距离在50-100μm之间,可消除溶液中的浓差极化,可检测电极活化材料的本征催化性能。
(3)采用半导体工艺,在电极表面电镀纯金属,大幅提升了电极的灵敏度与稳定性,可用于高精密检测环境。
附图说明
图1为本发明制得的三电极叉指电极。
图2为实施例1制得的叉指电极两极NPG电极(左),Pt/Au电极(右)。
图3为实施例2制得的铂电极。
图4为实施例1制备的三电极共面集成的叉指电极(TEIE电极)在0.1MKOH+5mM葡萄糖+0.01MKCl溶液中测试得到电化学阻抗谱(EIS)(a)以及等效电路图(b)
具体实施方式
为了更好地理解本发明,下面结合实施例进一步阐明本发明的内容,但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
实施例1:
在氧化铝陶瓷基板上加工三电极共面的叉指电极
(1)针对0.38mm厚的氧化铝,激光打孔形成100μm直径的激光孔。整板磁控溅射,形成钛钨合金层和铜镍合金层,其中钛钨合金比例为70%:30%,铜镍合金比例为70%:30%,两层厚度为
(2)电镀铜2μm,在硫酸铜50g/L,硫酸100g/L,氯化钾20ppm,PSP20ppm溶液中镀铜,电流密度为1.5ASD。
(3)采用专利申请CN108802140A所记载的方法镀纳米多孔金,镀金层为1μm。
(4)悬涂光刻显影。
(5)在此基础上形成蚀刻,蚀刻溶液为氢氟酸和硝酸,摩尔比例为3:1,形成黄金线路,该黄金线路即为工作电极。
(6)在10mol/L的氢氧化钾溶液中去除光刻胶,针对其中一个电极电镀铂形成对电极,电镀溶液为硝酸2g/L,硫酸10g/L,硫酸钾20g/L,柠檬酸30g/L,H2PtCl61mM,KCl20g/L,pH为5.0,电流密度为1.0ASD。在另一个电极上电镀氯化银形成参比电极,先在5mol/L的硝酸银溶液中电镀银,将电极施加阳极电流,在2M的氯化钾溶液中电镀形成氯化银。
实施例2:
在高分子聚酰亚胺薄膜表面形成三电极体系
(1)激光打孔,再磁控溅射,SiO2/Ti/Cu,金层厚度为
(2)电镀铜2μm,在硫酸铜50g/L,硫酸100g/L,氯化钾20g/L,PSP20ppm溶液中镀铜,电流密度为1.0ASD。
(3)镀金,镀金层为1μm。
(4)悬涂光刻显影。
(5)在此基础上形成蚀刻,蚀刻溶液为氢氟酸和硝酸,摩尔比例为3:1,形成黄金线路。
(6)在10mol/L的氢氧化钾溶液中去除光刻胶,针对其中一个电极电镀铂,电镀溶液为硝酸2g/L,硫酸10g/L,硫酸钾20g/L,柠檬酸30g/L,H2PtCl61mM,KCl20g/L,pH为5.0,电流密度为1.0ASD。在参比电极上电镀氯化银,先在5M的硝酸银溶液中电镀银,将电极施加阳极电流,在2M的氯化钾溶液中电镀形成氯化银。
实施例3:
在硼酸玻璃表面加工用于光电耦合检测电极催化材料的催化活性
(1)在二氧化硅表面上激光打孔,再磁控溅射,SiO2/Ti/Cu,金层厚度为100nm。
(2)电镀铜2μm,在硫酸铜50g/L,硫酸100g/L,氯化钾20g/L,PSP20ppm溶液中镀铜,电流密度为1.5ASD。
(3)镀金,镀金层为1μm。
(4)悬涂光刻显影。
(5)在此基础上形成蚀刻,蚀刻溶液为氢氟酸和硝酸,摩尔比例为3:1,形成黄金线路。
(6)在10mol/L的氢氧化钾溶液中去除光刻胶,针对其中一个电极电镀铂,电镀溶液为硝酸2g/L,硫酸10g/L,硫酸钾20g/L,柠檬酸30g/L,H2PtCl61mM,KCl0.1mM,pH为5.0,电流密度为1.0ASD。在参比电极上电镀氯化银,先在5mol/L的硝酸银溶液中电镀银,将电极施加阳极电流,在2mol/L的氯化钾溶液中电镀形成氯化银。
应用例
将实施例1制备的三电极共面集成的叉指电极(TEIE电极)在0.1MKOH+5mM葡萄糖+0.01MKCl溶液中测试得到电化学阻抗谱(EIS)以及单个NPG电极作为对照试验图4(a),以及等效电路图图4(b)。
TEIE电极和NPG电极都有两个半电路,这意味着它们的传递特性相似。从图4中可以看出,TEIE电极(2.362Ω)的等效串联电阻(Rs)远小于NPG电极(16.930Ω),表明通过使用本发明这种新型的三电极结构,可显著降低表面电阻和体电阻。此外,TEIE电极具有1.516Ω的电荷转移电阻(Rct),远小于NPG电极(90.780Ω),代表TEIE电极的电荷转移速度快速。
考虑到极化过程,采用恒定相位元件(CPE或Q)。CPE由两个参数CPE-T和CPE-P定义。通常,当CPE-P为0.5时,该元素由扩散过程(Warburg阻抗)控制。如果CPE-P为1或0,则分别代表理想电容或纯电阻。TEIE电极和NPG电极的CPE-P值拟合为0.9018和0.5493。可以看出,NPG电极的极化过程更接近Warburg扩散,而叉指电极与电容行为更相关。
从图4中还可以看出,TEIE电极具有62.000Ω的极化电阻(Rp),小于NPG电极的Rp(100.600Ω)。
从此应用例可以看出,TEIE电极中的工作电极和对电极之间的间隔小,可有效缓解浓差极化,有利于更好的电荷转移和极化过程。
Claims (10)
1.一种三电极共面叉指电极,其特征在于:工作电极,参比电极和对电极共平面集成叉指电极,其中,叉指电极中的工作电极为电镀黄金、银、镍、铜、钴或上述金属合金层,叉指中的一指为参比电极,另一指为对电极。
2.根据权利要求1所述的一种三电极共面叉指电极,其特征在于:所述叉指电极为陶瓷、硅片或高分子聚合物基叉指电极。
3.根据权利要求2所述的一种三电极共面叉指电极,其特征在于:所述陶瓷为氧化铝或氮化铝。
4.根据权利要求1所述的一种三电极共面叉指电极,其特征在于:所述对电极镀铂或镀碳,参比电极镀氯化银。
5.根据权利要求1所述的一种三电极共面叉指电极,其特征在于:工作电极和对电极距离在50-100μm之间。
6.根据权利要求1所述的一种三电极共面叉指电极的制备方法,其特征在于,包括如下步骤:
(1)将陶瓷基体、硅片或高分子聚合物基材进行激光打孔;
(2)将打孔后的基材通过磁控溅射实现表面金属化,包括孔内金属化;
(3)将整板基材镀铜形成电镀铜层;
(4)将镀完铜的基材再镀金属形成电镀金属层;
(5)悬涂光刻胶,将叉指电极在光刻机上曝光,随后显形,形成叉指电极图案;
(6)蚀刻形成线路,再在氢氧化钾溶液中去除光刻胶,形成工作电极;
(7)将叉指的其中一指电镀铂或碳作为对电极,另一指电镀氯化银作为参比电极,从而形成三电极共面的叉指电极;
所述金属层中的金属为黄金、银、镍、铜、钴或上述金属合金。
7.根据权利要求6所述的制备方法,其特征在于:所述的电镀铜层用银层或金层取代。
8.根据权利要求6所述的制备方法,其特征在于:所述步骤(2)通过磁控溅射形成溅射层,每层溅射层厚度为
9.一种传感器,其包括权利要求1所述的三电极共面叉指电极或权利要求6所述的制备方法制得的三电极共面叉指电极。
10.一种气体检测设备,其特征在于:包含如权利要求9所述的传感器,以及与传感器连接的控制模块、与控制模块连接的输出模块。
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CN (1) | CN109828012A (zh) |
Cited By (10)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN110320256A (zh) * | 2019-06-27 | 2019-10-11 | 广州钰芯传感科技有限公司 | 一种用于测定水中微量铅的铋膜高集成电极及其制备方法与应用 |
CN110333276A (zh) * | 2019-06-28 | 2019-10-15 | 广州钰芯传感科技有限公司 | 一种用于快速检测痕量镉的铋膜高集成电极及其制备方法与应用 |
CN110455899A (zh) * | 2019-07-16 | 2019-11-15 | 广州钰芯传感科技有限公司 | 一种电化学气体传感器及其器件封装方法 |
CN110530952A (zh) * | 2019-08-19 | 2019-12-03 | 广州钰芯传感科技有限公司 | 一种插卡式电化学气体传感器模组及其封装方法 |
CN110530943A (zh) * | 2019-08-19 | 2019-12-03 | 广州钰芯传感科技有限公司 | 一种稀土掺杂钴磷三元合金修饰纳米多孔铜的柔性无酶葡萄糖传感电极及其制备方法 |
CN110530944A (zh) * | 2019-08-19 | 2019-12-03 | 广州钰芯传感科技有限公司 | 一种基于铜基纳米复合结构的便携式微型葡萄糖无酶传感电极及其制备方法与应用 |
CN110554073A (zh) * | 2019-07-23 | 2019-12-10 | 广州钰芯传感科技有限公司 | 一种磁吸式封装电化学气体传感器及其封装方法 |
CN111879827A (zh) * | 2020-06-15 | 2020-11-03 | 上海集成电路研发中心有限公司 | 一种柔性传感器结构及其制备方法 |
CN112117131A (zh) * | 2019-06-21 | 2020-12-22 | 清华大学 | 一种基于三维纳米多孔金的叉指电极及其制备方法与应用 |
CN113702477A (zh) * | 2021-04-30 | 2021-11-26 | 广州钰芯智能科技研究院有限公司 | 一种用于重金属检测的金膜修饰电极及其制备方法 |
Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN103105423A (zh) * | 2013-01-25 | 2013-05-15 | 中国人民解放军国防科学技术大学 | 带有纳米点阵列的叉指电极及其制备方法和应用 |
CN104465119A (zh) * | 2014-11-28 | 2015-03-25 | 国家纳米科学中心 | 基于三维ZnO@MnO2复合纳米阵列叉指电极的超级电容器及其制备方法 |
CN106017515A (zh) * | 2016-05-28 | 2016-10-12 | 惠州市力道电子材料有限公司 | 一种双面叉指电极、其加工方法及应用 |
CN107764883A (zh) * | 2017-09-08 | 2018-03-06 | 西安理工大学 | 一种印制式二氧化氮气敏传感器及其制备方法 |
CN108807570A (zh) * | 2018-06-28 | 2018-11-13 | 华南师范大学 | 嵌入柔性衬底的ZnO微米线阵列紫外探测器的制备方法 |
CN108802140A (zh) * | 2018-08-13 | 2018-11-13 | 广州钰芯传感科技有限公司 | 一种多孔金修饰的叉指电极及其制备方法和应用 |
CN109298032A (zh) * | 2018-08-15 | 2019-02-01 | 浙江大学 | 一种基于叉指结构的去干扰电化学纸基试片及其测试方法 |
-
2019
- 2019-03-01 CN CN201910157594.XA patent/CN109828012A/zh active Pending
Patent Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN103105423A (zh) * | 2013-01-25 | 2013-05-15 | 中国人民解放军国防科学技术大学 | 带有纳米点阵列的叉指电极及其制备方法和应用 |
CN104465119A (zh) * | 2014-11-28 | 2015-03-25 | 国家纳米科学中心 | 基于三维ZnO@MnO2复合纳米阵列叉指电极的超级电容器及其制备方法 |
CN106017515A (zh) * | 2016-05-28 | 2016-10-12 | 惠州市力道电子材料有限公司 | 一种双面叉指电极、其加工方法及应用 |
CN107764883A (zh) * | 2017-09-08 | 2018-03-06 | 西安理工大学 | 一种印制式二氧化氮气敏传感器及其制备方法 |
CN108807570A (zh) * | 2018-06-28 | 2018-11-13 | 华南师范大学 | 嵌入柔性衬底的ZnO微米线阵列紫外探测器的制备方法 |
CN108802140A (zh) * | 2018-08-13 | 2018-11-13 | 广州钰芯传感科技有限公司 | 一种多孔金修饰的叉指电极及其制备方法和应用 |
CN109298032A (zh) * | 2018-08-15 | 2019-02-01 | 浙江大学 | 一种基于叉指结构的去干扰电化学纸基试片及其测试方法 |
Non-Patent Citations (3)
Title |
---|
占强: "脉冲电强化微电解流化床处理含重金属浮选废水的研究", 《中国优秀博硕士学位论文全文数据库(硕士)工程科技Ⅰ辑》 * |
白银有色金属公司选冶厂电解车间: "《铜的电解精炼》", 31 December 1975 * |
赵研: "强化电容去离子脱盐的实验与机理研究", 《中国优秀博硕士学位论文全文数据库(博士)基础科学辑》 * |
Cited By (12)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN112117131A (zh) * | 2019-06-21 | 2020-12-22 | 清华大学 | 一种基于三维纳米多孔金的叉指电极及其制备方法与应用 |
CN110320256A (zh) * | 2019-06-27 | 2019-10-11 | 广州钰芯传感科技有限公司 | 一种用于测定水中微量铅的铋膜高集成电极及其制备方法与应用 |
CN110333276A (zh) * | 2019-06-28 | 2019-10-15 | 广州钰芯传感科技有限公司 | 一种用于快速检测痕量镉的铋膜高集成电极及其制备方法与应用 |
CN110455899A (zh) * | 2019-07-16 | 2019-11-15 | 广州钰芯传感科技有限公司 | 一种电化学气体传感器及其器件封装方法 |
CN110554073A (zh) * | 2019-07-23 | 2019-12-10 | 广州钰芯传感科技有限公司 | 一种磁吸式封装电化学气体传感器及其封装方法 |
CN110530952A (zh) * | 2019-08-19 | 2019-12-03 | 广州钰芯传感科技有限公司 | 一种插卡式电化学气体传感器模组及其封装方法 |
CN110530943A (zh) * | 2019-08-19 | 2019-12-03 | 广州钰芯传感科技有限公司 | 一种稀土掺杂钴磷三元合金修饰纳米多孔铜的柔性无酶葡萄糖传感电极及其制备方法 |
CN110530944A (zh) * | 2019-08-19 | 2019-12-03 | 广州钰芯传感科技有限公司 | 一种基于铜基纳米复合结构的便携式微型葡萄糖无酶传感电极及其制备方法与应用 |
CN110530952B (zh) * | 2019-08-19 | 2022-05-17 | 广州钰芯传感科技有限公司 | 一种插卡式电化学气体传感器模组及其封装方法 |
CN110530943B (zh) * | 2019-08-19 | 2022-07-12 | 广州钰芯传感科技有限公司 | 一种柔性无酶葡萄糖传感电极及其制备方法 |
CN111879827A (zh) * | 2020-06-15 | 2020-11-03 | 上海集成电路研发中心有限公司 | 一种柔性传感器结构及其制备方法 |
CN113702477A (zh) * | 2021-04-30 | 2021-11-26 | 广州钰芯智能科技研究院有限公司 | 一种用于重金属检测的金膜修饰电极及其制备方法 |
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RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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