CN1255825A

CN1255825A - 用于制作印刷电路板上电化学传感器的方法,

Info

Publication number: CN1255825A
Application number: CN 98122755
Authority: CN
Inventors: 徐添财; 张景裕; 王纪文
Original assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Current assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Priority date: 1998-12-03
Filing date: 1998-12-03
Publication date: 2000-06-07

Abstract

透露电化学传感器之新制法。先制作有多个电化学传感器之PCB,每个传感器皆至少有两个由高反应性材料制成之电极。电化学传感器之全部电极皆以并联方式电连接于一个电镀电极。然后PCB被镀以低反应性材料,使高反应性材料电极被低反应性材料所隔离。电镀之后,使电化学传感器与PCB分离,并清除电极之电连接接点。从而制成以低反应性层保护之电化学传感器。它们适合电化学应用,例如生物传感器、可随意使用之试片、血糖试片等。

Description

用于制作印刷电路板上电化学传感器的方法

本发明涉及一种用于制作印刷电路板上电化学传感器的方法，和涉及如此制作的电化学传感器；特别涉及一种用于以印刷电路板制作材料和工艺来制作电化学传感器的新颖方法，和如此制作的电化学传感器。

印刷电路板(PCB，即印刷布线板PWB)是一种在其上制作有特定线路图的电气导体的绝缘板。如此设计这些电气导体，以致于在绝缘板上分配的全部电气或电子部件都按照特定的顺序进行电气连接，以便执行所需的功能。

“加成法”(additive process)和“减成法”(subtractive process)是PCB制作中常用的两种主要方法。在采用加成法时，用化学反应方法在绝缘板上直接制作电气导体。而在采用减成法时，则先在绝缘板上制作一个导电层，然后用化学反应方法去除不需要的导电部分。

PCB由于制作成本低，并且制作方法简单，故有利于制作电气和电子器件。然而，本领域技术人员熟知，PCB不适合制作电化学传感器。如美国专利No.5,437,999(“电化学传感器”)中所述，为了能够大量生产PCB和降低其生产成本，要用铜和镍之类的高反应性材料去制作PCB的导电层。然而，这些高反应性材料容易与环境中存在的其它物质反应，从而会损害导电层的性能。当用这些材料作电化学传感器的电极时，它们会加入电化学反应系统，并且干扰该反应系统。

为了解决这些问题，可在导电层上覆盖一层低反应性材料(总是一种贵金属，例如碳、金、铂、银、钯等)，以便导电层可以不同那些存在于环境中或电化学反应系统中的其它物质起反应。然而发现，只要要求大量生产电化学传感器，这种方法就是不可实行的。

在低反应性材料制作中，可采用两种方法：化学浸渍法和电化学镀层法。

化学浸渍法：根据在衬底导电层(Cu或Ni)与贵金属层(Au，Pt或Ag)之间反应性的差别，借助化学置换反应，在衬底导电层上淀积一个低反应性层(例如碳、金、铂、银、钯或其它稳定金属)。当采用化学浸渍法时，只有一层不大于5微英寸厚的低反应性材料淀积在导电层上。此法不能对电化学反应系统提供导电层的绝对绝缘。如果用此法制作电化学传感器，则导电层会干扰反应系统，和损害测量质量。

电化学镀层法：

此法经常用于制作PCB。先在PCB上的那些不淀积电气导体的区域，覆盖一个光阻材料层。然后在PCB上淀积一个导电层，再淀积一个低反应性层。最后，去掉光阻层，即得一个有所需电气导体线路图的PCB。然而，在此法情况下，在去掉光阻层以后，会露出导电层的边缘。如果用此PCB作电化学传感器，则导电层会干扰反应系统，和损害测量质量。

为了制作PCB上的电化学传感器，美国专利No.5,437,999公开了一种改进的方法。根据这种方法，先用喷射之类的物理蒸气淀积法在一个绝缘层上制作一个贵金属膜。然后把该膜粘贴到一个硬基片或软基片上，以制作适合于电化学反应的工作电极。其后，用标准的PCB制作法制作电化学传感器的对电极和参考电极。在理论上，此法能解决上述问题。然而，它伴有复杂的制作过程，且由于如此使用的物理蒸气法昂贵而使它的制作成本相当高。这些结果显然不合使用PCB制作法之本意：降低电化学传感器制作的成本，和简化其工艺。

因此，在工业上需要有一种制作PCB上电化学传感器的新颖方法，以便可在其导电层上淀积一个足够厚度的低反应性层，从而隔开导电层和电化学反应系统。

在工业上还需要有一种制作PCB上电化学传感器的简化方法，以适应电化学传感器的低成本和大量生产的要求。

本发明之目的在于提供一种用于制作印刷电路板上电化学传感器的新颖方法。

本发明之目的还在于提供一种用于制作电化学传感器的方法，其中可用一个低反应性层隔开导电层。

本发明之另一目的在于提供一种用于电化学传感器的既简单又成本低的制作方法。

本发明之又一目的在于提供一种新颖的电化学传感器。

本发明之另一目的在于提供一些所发明电化学传感器的应用。

根据本发明，公开一种用于制作电化学传感器的新颖方法。首先，制作一个包含多个电化学传感器的PCB，每个传感器都至少包含两个由高反应性材料制成的电极。电化学传感器的全部电极皆以并联方式电气地连接于一个电镀电极上。然后，用一种低反应性材料电镀PCB，使其高反应性材料被这种低反应性材料隔开。在电镀以后，把电化学传感器与PCB隔开，从而除去电极的电气连接触点。于是制成用低反应性层保护的电化学传感器。如此制成的传感器适合电化学应用，例如生物传感器，可随意使用的试片，血糖试片等。

从参照下述图的详细描述中，可清楚地了解本发明的上述和其它的目标和优点。

图1说明适合于本发明印刷电路板上电化学传感器制作方法的印刷电路板布置。

图2说明使用本发明电化学传感器的过氧化氢传感器的系统布置。

图3说明用作过氧化氢传感器的本发明电化学传感器的反应曲线。

图4说明用作铁氰酸盐传感器的本发明电化学传感器的反应曲线。

图5说明使用本发明电化学传感器的血糖试片的结构。

图6说明用作血糖试片的本发明葡萄糖传感器的葡萄糖剂量响应曲线。

图7进一步说明本发明血糖试片的全血测量与自动分析仪测量的相关性。

首先给出用于制作本发明印刷电路板(PCB)上电化学传感器的新颖方法。然后说明本发明电化学传感器的应用。

本发明用于制作电化学传感器的方法适用于单侧的或双侧的PCB。适用于PCB的基片包括FR-1、CEM-1、CEM-3和FR-4的镀铜板，聚酯基底镀铜板，聚酰亚胺基底镀铜板，陶瓷材料板和其它适用材料板。可用方法包括加成法和减成法。

在设计PCB的电路布置时，把多个至少有两个电极(或引线)的电化学传感器安排在一个PCB上，全部电极皆以并联方式电气地连接于一个电镀电极上。图1说明适合于制作本发明印刷电路板上电化学传感器的方法的印刷电路板布置。如图1所示，几十个到几百个电化学传感器2被分配在一个印刷电路板1上，并且电化学传感器2的全部电极皆以并联方式连接于一个电镀电极3。

在制作电化学传感器2时，首先制作一个用于PCB1的绝缘基片，并且在PCB1上淀积一个导电层。可以使用任何金属或其它导电材料制作导电层。在大多数情况下，使用Cu，Ni或任何其它高反应性金属材料来制作导电层。可用任何可用的方法去淀积导电层。然后，处理导电层，以便在板1上形成如图1所示的图案。可用任何可用的技术去处理导电层。常规的化学蚀刻技术可看成是一个良好的实例，该技术包括涂覆光阻层，曝光，显影，蚀刻，和去除光阻层。在本发明中，还可使用减成法。

在带有一个呈现图1所示图案的导电层的PCB1被制作以后，就在PCB1上电镀一层低反应性材料，并且最好是在导电层与低反应性层之间用电化学法镀上一个中间层。适用于低反应性层的材料包括碳，金，银，铂，钯，和其它贵金属。适用于中间层的材料包括镍，钯，铬，和其它适用材料。因为电化学传感器2的全部电极皆连接于电极3，故可在导电层上电镀具有所需厚度的低反应性层和中间层。由低反应性层和中间层来保护包括其边缘在内的导电层的表面。

在电镀以后，清洗PCB1，并且在PCB1的选择部分上施加一个绝缘层。然后使PCB1分离成包括至少一个传感器2的片。在分离时，要清除那些到电极3的接点，使传感器2的全部电极与其它电极隔开。可以使用任何已知的技术进行PCB的清洗和分离，从而略去其详述。下面参照图5描述如此制作的电化学传感器2。

如此制作的电化学传感器可用于各式各样的电化学应用。下面说明某些应用的实例。

实例I：用作过氧化氢传感器。

过氧化氢是一种高还原性物质。它是许多氧化酶催化反应的产物，常用于免疫测定应用。在电化学分析领域，可用电流计法测量过氧化氢。图2说明使用本发明电化学传感器的过氧化氢传感器的系统布置。在图2中，用相同的标号表示与图1相同的元件。如图2所示，过氧化氢传感器2与一个电位恒定器4相连。把过电位设定为650mV。把过氧化氢传感器2固定于反应器5。在反应器5中加入2ml的缓冲液。启动分析仪。当本底电流稳定时，把0.1ml的过氧化氢样品加入反应器5中。记录器6记录反应电流。图3说明用作过氧化氢传感器的本发明电化学传感器的反应曲线。如图3所示，本发明过氧化氢传感器的线性范围是从1mM到10mM，其灵敏度是38mA/M。

实例II：用作铁氰酸盐传感器

铁氰酸盐是一种氧化还原剂。它是许多氧化酶反应的电子媒体，常用作生物传感器试剂。可用电流计法测量铁氰酸盐。当用本发明电化学传感器作铁氰酸盐传感器时，其系统布置可与图2所示的相同。在测量铁氰酸盐时，传感器2与电位恒定器4相连。把过电位设定为350mV。把传感器2固定于反应器5。在反应器5中加入2ml的缓冲液。启动分析仪。当本底电流稳定时，把0.1ml的铁氰酸盐标准液加入反应器5中。记录器6记录反应电流。图4说明用作铁氰酸盐传感器的本发明电化学传感器的反应曲线。如图4所示，本发明铁氰酸盐传感器的线性范围是从0.01mM到1mM，其灵敏度是0.092mA/M。

实例III：用作血糖试片

图5说明使用本发明电化学传感器的血糖试片的结构。与图1中所示相同的元件用相同的标号表示。如图5所示，血糖试片包括一个基片20，一个铜导电层21，一个镍中间层22，和一个用于隔离的低反应性层23。低反应性层23的一部分涂以绝缘层24。把一个生物反应性材料25涂覆于电化学电极上。反应性拼料可以包括缓冲液中的葡萄糖氧化酶，牛血清白蛋白和铁氰酸盐。把这种拼料均匀地涂覆于电化学电极上。血糖传感器在室温干燥后即可使用。在血糖传感器2的测试区作一些毛细管通道，方法是在测试区的两侧贴上塑料片27，并且用胶带26固定。

在450mV的过电位情况下进行血糖测量。通过毛细管通道28把样品吸入试片2的测试区。测量反应时期以后的输出电流，并且计算样品中所含的葡萄糖。图6说明用作血糖试片的本发明血糖传感器的葡萄糖剂量响应曲线。如图6所示，当样品体积为1-2μl时，本发明血糖试片可提供60nA/(mg/dl)的灵敏度。葡萄糖测量的线性范围是从0到600mg/dl，其测量精确度为CV＜5％。图7进一步说明本发明血糖试片的全血测量与自动分析仪测量的相关性。图7表明，这两个系统的相关系数约为0.98。

本发明的电极能够用于许多不同的分析物分析。这些分析可以是代谢产物分析，酶分析，免疫分析，基因分析和许多其它分析。这是深入研究的科目。

如以上详述所示，本发明能够把一个有足够厚度的低反应性层镀到导电层上，以使把导电层和电化学反应系统隔开。本发明能够制作印刷电路板上的电化学传感器。本发明的电化学传感器可以用作各式各样电化学应用中的传感器。不用说，除了电化学传感器以外，本发明的方法还可用于制作其它的电气和电子电路。

因为已参照一些优选实施例说明和描述本发明，故本专业的技术人员会认可，可在其中作出上述的和其它的变更，而不脱离本发明的精神和范围。

Claims

1.一种用于制作多个至少具有两个隔离电极的电化学传感器的方法，包括：

制作一个绝缘基片；

在所述基片上形成一个导电层图案，其中所述图案包括多个至少具有两个电极的传感器；

在所述图案的表面上形成一个低反应性层；和

分离该组件，以制成一些片，每个片皆至少包含一个传感器；

其特征在于，所述图案的所述电极是通过导线电气地连接于一个电镀电极的，并且电气地连接于一个所述电镀电极的所述电极的接点是在分离所述组件时被清除的。

2.根据权利要求1的方法，其中所述基片的材料选自镀铜板，聚酯基底镀铜板，聚酰亚胺基底镀铜板，和陶瓷材料板。

3.根据权利要求1的方法，其中所述低反应性层的材料选自碳，金，银，铂和钯。

4.根据权利要求1的方法，还包括一个在形成所述导电层与形成所述低反应性层之间形成一个中间层的步骤。

5.根据权利要求4的方法，其中所述中间层的材料选自镍，铬和钯。

6.根据权利要求4的方法，其中，所述中间层和所述低反应性层是电镀于所述导电层上的。

7.根据权利要求1的方法，其中，所述低反应性层是电镀于所述导电层上的。

8.根据权利要求1的方法，还包括在所述低反应性层上形成一层生物反应性材料和一些毛细管通道的步骤。

9.一种根据权利要求1-8中任何一项制作的电化学传感器。