CN110426532A - 一种电化学敏感电极及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

一种电化学敏感电极，包括：衬底(101)；绝缘层(102)，其形成在衬底(101)的上下表面，绝缘层(102)表面形成有阳极电极(103)及阴极电极(104)，上下两绝缘层(102)表面的阳极电极(103)相互对称，上下两绝缘层(102)表面的阴极电极(104)相互对称；通孔(105)，其贯穿相互对称的所述阳极电极(103)或贯穿相互对称的所述阴极电极(104)或两者均贯穿。该电化学敏感电极的电极层与溶液接触的面积大大增加，灵敏度显著提升。本发明还提供该电化学敏感电极的制作方法，该方法制作精度高，工艺简单，效率高。

Description

一种电化学敏感电极及其制作方法
技术领域
本发明涉及加速度计与微电子机械系统(MEMS)技术领域，特别是涉及一种电化学敏感电极及其制作方法。
背景技术
加速度计是将外部加速度信号转变为电信号输出的传感器，在地质勘探、地震监测和惯性导航等领域有着广泛应用。
其中，近几年出现的电化学加速度计，不同于基于固体惯性质量块的传统加速度计，采用了碘-碘离子混合溶液作为质量块。其核心元件是由两对阴阳极对组成的敏感电极，电极上的通孔作为电解液的流道。工作时，外部电源对阴阳电极施加一个偏置电压，离子在电极上发生氧化还原反应。当外部没有加速度，则两对敏感电极附近的离子浓度对称分布，电信号经差分后输出为0。当外部存在一定的加速度，由于惯性作用，电解液与敏感电极产生相对位移，从而两对敏感电极附近的离子浓度不一样，差分后的电流值反应了外部加速度信号的频率和幅度。由于电化学加速度计采用液体作为惯性质量块，其具有无机械噪声、工作倾角大、灵敏度高和功耗低等特性。
传统电化学敏感电极通过陶瓷烧结的方式将铂丝网和陶瓷薄片进行组装，存在了一致性差、批量化生产能力差、成本高和性能难优化等问题。随后，引入MEMS技术制造敏感电极的方案很大程度解决上述的问题。目前有方案采用的是阴阳极单片集成的敏感电极，优点是减少所需硅片到两片，但还需要人工进行对准组装，操作困难，并且对器件一致性有影响；有方案在一个硅片表面制作平面电极，其优点是层间对齐好，缺点是灵敏度低；有方案是在硅片上依次沉积铂电极和氮化硅绝缘层，提高集成度，但其需用聚焦离子束刻蚀通孔，工艺复杂，加工效率低，并且电解液和电极接触面积小，仅为流孔侧壁面积，因而灵敏度低；有方案基于有机薄膜制作敏感电极，具有成本低、参数调节范围大等优点，但其成品率极低，可重复性差。
发明内容
(一)技术问题
针对现有技术存在的问题，本发明提出一种电化学敏感电极及其制作方法，用于至少部分解决上述技术问题。
(二)技术方案
本发明一方面提供一种电化学敏感电极，包括：衬底101；绝缘层102，其形成在衬底101的上下表面，绝缘层102表面形成有阳极电极103及阴极电极104，上下两绝缘层102表面的阳极电极103相互对称，上下两绝缘层102表面的阴极电极104相互对称；通孔105，其贯穿相互对称的阳极电极103或贯穿相互对称的阴极电极104或两者均贯穿。
可选地，衬底101的厚度小于250微米。
可选地，阳极电极103与阴极电极104为圆环形电极或叉指电极。
可选地，绝缘层102为二氧化硅层或氮化硅层。
可选地，阳极电极103与阴极电极104的材料为铂、金或铂金合金。
本发明另一方面提供一种电化学敏感电极的制作方法，包括：S1，在衬底101上下表面生长绝缘层102；S2，对其中一绝缘层102光刻，形成阳极电极图形；S3，根据阳极电极图形制作阳极电极103；S4，基于该阳极电极103，对另一绝缘层102光刻，制作与该阳极电极103对称的另一阳极电极103；S5，在S4的基础上，对绝缘层102光刻，并刻蚀绝缘层102，形成凹槽；S6，在S5的基础上，对绝缘层102光刻，形成阴极电极图形，根据阴极电极图形制作阴极电极104；S7，刻蚀绝缘层102及衬底101，形成通孔105。
可选地，在S7中，刻蚀绝缘层102及衬底101，形成贯穿相互对称的阳极电极103或贯穿相互对称的阴极电极104或两者均贯穿的通孔105。
可选地，在S7中，采用热氧化法生长绝缘层102。
本发明另一方面提供一种基于上述电化学敏感电极的电极器件，包括：电化学敏感电极，其两面均连接有电路板。
可选地，电化学敏感电极的阳极电极103与阴极电极104与电路板的焊盘202连接。
(三)有益效果
本发明提供一种电化学敏感电极及其制作方法，有益效果为：
1、该电化学敏感电极结合了平面电极和体电极，相比平面电极，电极层与溶液接触的面积大大增加，解决了单片集成式一体化敏感电极芯片灵敏度低的问题。
2、该电化学敏感电极的阴阳电极间距、阴阳电极对间距和通孔的参数易调节，且参数范围不受原材料限制，有利于器件性能优化和探究。
3、该制作方法将敏感电极四层电极层和三层绝缘层集成在一片硅片上，无需层间对准，提高层间对齐精度，简化了加工工艺。
4、该制作方法所用的MEMS工艺操作简单，效率高，从而成品率高，适于批量化生产。
附图说明
为了更完整地理解本发明及其优势，现在将参考结合附图的以下描述，其中：
图1A示意性示出了根据本发明实施例的电化学敏感电极的结构图；
图1B示意性示出了根据本发明实施例的电化学敏感电极的截面图；
图2A示意性示出了根据本发明实施例的电化学敏感电极制作方法的流程图；
图2B示意性示出了根据本发明实施例的电化学敏感电极制作方法对应的结构图；
图3示意性示出了根据本发明实施例的基于电化学敏感电极的电极器件结构图。
【附图标记】
100-电化学敏感电极
101-衬底
102-绝缘层
103-阳极电极
104-阴极电极
105-通孔
200-电路板
201-金线
202-焊盘
具体实施方式
以下，将参照附图来描述本发明的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本发明实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本发明。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。
图1A示意性示出了根据本发明实施例的电化学敏感电极的结构图，图1B示意性示出了根据本发明实施例的电化学敏感电极的截面图。如图1A与图1B所示，该电化学敏感电极100包括：
衬底101，在本发明实施例中，衬底101例如可以是硅片，具体材料类型，本发明不做限制。衬底101的厚度例如可以是小于250微米。
绝缘层102，其形成在衬底101的上下表面，每一面的绝缘层102表面均形成有阳极电极103及阴极电极104，一绝缘层102表面的阳极电极103与另一绝缘层102表面的阳极电极103相互对称，一绝缘层102表面的阴极电极104与另一绝缘层102表面的阴极电极104相互对称。
绝缘层102例如可以是二氧化硅层或氮化硅层或其它绝缘材料层。具体本发明不做限制。
阳极电极103与阴极电极104例如以是圆环形电极或叉指电极或其它图形的电极，具体本发明不做限制。
阳极电极103与阴极电极104的材料例如可以是铂、金或铂金合金，具体本发明不做限制。
阴阳电极间距、阴阳极电极对间距和通孔的参数易于调节，且参数范围不受原材料限制。
通孔105，其贯穿相互对称的阳极电极103或贯穿相互对称的阴极电极104或两者均贯穿。具体贯穿形式不发明不做限制，根据实际需求而定。
在工作时，阳极电极103与阴极电极104为电解液发生氧化还原反应所需的电极，而通孔105作为电解液的流道。
本发明实施例提供的电化学敏感电极结合了平面电极和体电极，相比平面电极，电极层与溶液接触的面积大大增加，解决了单片集成式一体化敏感电极芯片灵敏度低的问题。
图2A示意性示出了根据本发明实施例的电化学敏感电极制作方法的流程图，图2B示意性示出了根据本发明实施例的电化学敏感电极制作方法对应的结构图。如图2A及2B所示，该制作方法基于MEMS实现，例如可以包括操作S1～S7。
S1，在衬底101上下表面生长绝缘层102。
具体地，选用硅片作为衬底101，对衬底101进行清洗，再进行热氧化，生长绝缘层102，使衬底101绝缘。例如可生长二氧化硅层或氮化硅层作为绝缘层102。操作S1后得到的电极结构截面图如图2A中的(a)所示。
S2，对其中一绝缘层102光刻，形成阳极电极图形。
具体地，在上方绝缘层102上旋涂光刻胶并光刻，使表面图形化，形成阳极电极图形。选用的光刻胶例如可以是正胶AZ1500，具体本发明不做限制。操作S2后得到的电极结构截面图如图2A中的(b)所示。
S3，根据阳极电极图形制作阳极电极103。
具体地，在阳极电极图形上溅射电极材料，并进行剥离，形成阳极电极103。电极材料例如可以是为铂、金或铂金合金，具体本发明不做限制。操作S2后得到的电极结构截面图如图2A中的(c)所示。
S4，基于该阳极电极103，对另一绝缘层102光刻，制作与该阳极电极103对称的另一阳极电极103。
具体地，在下方绝缘层102上旋涂光刻胶后进行背面套刻，得到的电极结构截面图如图2A中的(d)所示。选用的光刻胶例如可以是正胶AZ1500，具体本发明不做限制。
溅射电极材料，并进行剥离，形成另一层阳极电极103。电极材料例如可以是为铂、金或铂金合金，具体本发明不做限制。操作S3后得到的电极结构截面图如图2A中的(e)所示。
S5，在S4的基础上，对绝缘层102光刻，并刻蚀绝缘层102，形成凹槽。
具体地，首先，在操作S4得到的器件基础上，在上表面旋涂光刻胶后进行正面套刻，并坚膜，得到的电极结构截面图如图2A中的(f)所示，选用的光刻胶例如可以是正胶AZ4620，具体本发明不做限制。然后，使用反应离子刻蚀(RIE)刻蚀露出的绝缘层102，并去除表面光刻胶，得到的电极结构截面图如图2A中的(g)所示。按相同的方法处理下表面，得到的电极结构截面图如图2A中的(h)所示。基于前述操作，即可形成凹槽。
S6，在S5的基础上，对绝缘层102光刻，形成阴极电极图形，根据阴极电极图形制作阴极电极104。
具体地，首先在上表面的绝缘层102上旋涂光刻胶，并进行正面套刻，形成阴极电极图形，选用的光刻胶例如可以是正胶AZ1500，具体本发明不做限制。然后，溅射电极材料，并进行剥离，形成阴极电极104，得到的电极结构截面图如图2A中的(i)所示。电极材料例如可以是为铂、金或铂金合金，具体本发明不做限制。
基于相同方法对下表面进行处理，形成另一层阴极电极104，得到的电极结构截面图如图2A中的(j)所示。
S7，刻蚀绝缘层102及衬底101，形成通孔105。
具体地，在在操作S6得到器件的任一表面旋涂光刻胶并光刻，坚膜后，首先利用RIE刻蚀掉该面露出的剩下的绝缘层102，然后利用深反应离子刻蚀(DRIE)将衬底101刻穿，再利用RIE刻蚀掉另一面的绝缘层102，形成通孔105。制作完成后清洗干净，得到电化学敏感电极，其截面图如图2A中的(k)所示。选用的光刻胶例如可以是正胶AZ4620，具体本发明不做限制。
此外，上述溅射工艺也可由蒸发工艺实现，具体本发明不做限制。
本实施例提出的电化学敏感电极制作方法，将敏感电极四层电极层和三层绝缘层集成在一片硅片上，无需层间对准，提高层间对齐精度，简化了加工工艺。并且所用的MEMS工艺操作简单，效率高，从而成品率高，适于批量化生产。
图3示意性示出了根据本发明实施例的基于电化学敏感电极的电极器件结构图，如图3所示，该电极器件包括：
电化学敏感电极100及电路板200，电化学敏感电极100上下表面均连接有电路板200，通过金线201将电化学敏感电极100的阳极电极103和阴极电极104分别与电路板的焊盘202连接。该电路板200例如可以是印刷电路板。
该电极器件的具体制作方法为：在电化学敏感电极100设有电极的两表面均组装电路板200，使用金丝球压焊，通过金线201使电化学敏感电极100表面的阳极103和阴极104分别与电路板200上两个焊盘202相连。
本发明实施例提供的电极器件采用了前述制作的电化学敏感电极，其性能得到显著的提升。
本领域技术人员可以理解，尽管已经参照本发明的特定示例性实施例示出并描述了本发明，但是本领域技术人员应该理解，在不背离所附权利要求及其等同物限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对本发明进行形式和细节上的多种改变。因此，本发明的范围不应该限于上述实施例，而是应该不仅由所附权利要求来进行确定，还由所附权利要求的等同物来进行限定。

Claims (10)

1.一种电化学敏感电极，包括：
衬底(101)；
绝缘层(102)，其形成在所述衬底(101)的上下表面，所述绝缘层(102)表面形成有阳极电极(103)及阴极电极(104)，上下两所述绝缘层(102)表面的阳极电极(103)相互对称，上下两所述绝缘层(102)表面的阴极电极(104)相互对称；
通孔(105)，其贯穿相互对称的所述阳极电极(103)或贯穿相互对称的所述阴极电极(104)或两者均贯穿。
2.根据权利要求1所述的电化学敏感电极，其中，所述衬底(101)的厚度小于250微米。
3.根据权利要求1所述的电化学敏感电极，其中，所述阳极电极(103)与所述阴极电极(104)为圆环形电极或叉指电极。
4.根据权利要求1所述的电化学敏感电极，其中，所述绝缘层(102)为二氧化硅层或氮化硅层。
5.根据权利要求1或3所述的电化学敏感电极，其中，所述阳极电极(103)与所述阴极电极(104)的材料为铂、金或铂金合金。
6.一种电化学敏感电极的制作方法，包括：
S1，在衬底(101)上下表面生长绝缘层(102)；
S2，对其中一所述绝缘层(102)光刻，形成阳极电极图形；
S3，根据所述阳极电极图形制作阳极电极(103)；
S4，基于该阳极电极(103)，对另一所述绝缘层(102)光刻，制作与该阳极电极(103)对称的另一阳极电极(103)；
S5，在S4的基础上，对所述绝缘层(102)光刻，并刻蚀所述绝缘层(102)，形成凹槽；
S6，在S5的基础上，对所述绝缘层(102)光刻，形成阴极电极图形，根据所述阴极电极图形制作阴极电极(104)；
S8，刻蚀所述绝缘层(102)及所述衬底(101)，形成通孔(105)。
7.根据权利要求6所述的电化学敏感电极的制备方法，在所述S7中，刻蚀所述绝缘层(102)及所述衬底(101)，形成贯穿相互对称的所述阳极电极(103)或贯穿相互对称的所述阴极电极(104)或两者均贯穿的所述通孔(105)。
8.根据权利要求6所述的电化学敏感电极的制备方法，在所述S7中，采用热氧化法生长所述绝缘层(102)。
9.一种基于权利要求1-6任一项所述电化学敏感电极的电极器件，包括：
所述电化学敏感电极(100)，其两面均连接有电路板(200)。
10.根据权利要求9所述的电极器件，其中，所述电化学敏感电极的阳极电极(103)和阴极电极(104)与所述电路板的焊盘(202)连接。
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