CN215339580U - 透射电镜电化学检测芯片 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于电化学芯片技术领域，具体涉及一种透射电镜电化学检测芯片，包括上片和下片，上片和下片都为正反面都设有绝缘层的硅基片，上片的正面与下片的正面通过粘结层固定粘结，上片、下片和粘结层共同构成一腔室；上片上设有注样口和第一视窗，下片上设有工作电极、参比电极、对电极、第二视窗和温度计，工作电极、参比电极和对电极都搭设在第二视窗上。本实用新型提供的透射电镜电化学检测芯片的下片设置有温度计，温度计可以用于实时监控反应温度，便于使用者更好地了解电化学反应吸放热反应类型以及温度对电化学反应的影响。

Description

透射电镜电化学检测芯片

技术领域

本实用新型属于电化学芯片技术领域，具体涉及一种透射电镜电化学检测芯片。

背景技术

在科学技术发展的进程中，电化学在电解、电镀、化学电源、电分析、金属腐蚀与防护等领域都占据着重要的地位。但随着科学技术的进步，电化学的应用范围已经扩大到环境保护、电子、能源、材料、化工、冶金和化学合成等领域。通过透射电镜电化学检测芯片，从微观角度观测金属原子，有机分子等微观粒子的氧化还原过程，这些信息对于材料、能源等领域的技术原理解析是十分有必要的。

发明专利申请CN110736760A公开了一种电化学检测芯片，该电化学检测芯片存在几点不足，其中，最主要的一点是，该电化学检测芯片不具有温度检测功能，不便于使用者了解电化学反应吸放热反应类型以及温度对电化学反应的影响。

实用新型内容

为解决上述问题，本实用新型提供一种具有温度检测功能的透射电镜电化学检测芯片。

具体地，本实用新型的技术方案是：

一种透射电镜电化学检测芯片，包括上片和下片，上片和下片都为正反面都设有绝缘层的硅基片，上片的正面与下片的正面通过粘结层固定粘结，上片、下片和粘结层共同构成一腔室；上片上设有注样口和第一视窗，下片上设有工作电极、参比电极、对电极、第二视窗和温度计，工作电极、参比电极和对电极都搭设在第二视窗上。

优选地，所述第一视窗位于上片中央，第二视窗位于下片中央，第一视窗的中心与第二视窗的中心上下对齐设置。

优选地，所述工作电极位于第二视窗中央，对电极和工作电极并排搭设在第二视窗上，参比电极垂直于工作电极搭设在第二视窗上，温度计搭设在第二视窗上，且与对电极和工作电极相对设置。

优选地，还包括碳电极，碳电极覆盖在工作电极上。

优选地，所述碳电极由镀在工作电极上的碳膜构成。

优选地，所述温度计由铂金属膜图案构成。

优选地，所述铂金属膜图案为方波形状。

优选地，所述注样口的数量为二个，二个注样口关于第一视窗对称设置。

优选地，所述粘结层为金属键合层。

本实用新型提供的透射电镜电化学检测芯片采用了参比电极、工作电极和对电极三电极体系，使芯片电场稳定，可以用于观测微观粒子在不同电位下的氧化还原反应。进一步地，本实用新型提供的透射电镜电化学检测芯片的下片设置有温度计，温度计可以用于实时监控反应温度，便于使用者更好地了解电化学反应吸放热反应类型以及温度对电化学反应的影响。

附图说明

图1为本实用新型实施例一的结构图；

图2为图1中A部分的放大图；

图3为本实用新型实施例一下片的俯视图；

图4为图3中B部分的放大图；

图5为本实用新型实施例一硅基片的横截面示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本实用新型作进一步详细说明。

实施例一：

如图1至4所示，一种透射电镜电化学检测芯片，包括上片1和下片2，上片1和下片2都为正反面都设有绝缘层的硅基片。

本领域技术人员熟知：上述硅基片的一般结构如图5所示，包括中间的基底硅31、正面的绝缘层32和反面的绝缘层33。在本实施例中，绝缘层是氮化硅层或氧化硅层，防止芯片内部反应溶液挥发破坏电镜内部真空环境的同时，允许电子束透过，方便透射电镜成像。在本实施例中，绝缘层的厚度为5～200纳米，硅基片的厚度为50～500微米。

上片1的正面与下片2的正面通过粘结层(图未示)粘结，上片1、下片2和粘结层共同构成一超薄腔室。在设置粘结层时，先将粘结层设在上片1或下片2上，再将上片1和下片2粘结，由于下片2的结构比上片1更复杂，最好先将粘结层设在上片1上。在本实施例中，下片2的尺寸为2mm*2mm～10mm*10mm，优选为4mm*8mm，受电镜视窗面积限制，芯片如果过大，则浪费了芯片不在可观测区域内的部分，芯片如果过小，必然导致各电极之间间距过小，不利于观测；上片1的尺寸略小于下片2，以便将设有粘结层的上片1固定到下片2上。

在本实施例中，采用低熔点、有粘性且导电的材料，通过蒸镀工艺形成粘结层。粘结层为金属键合层，厚度为50～2000纳米，材料为低熔点金属，优选为铟、锡或铝。

上片1上设有注样口11和第一视窗12，在本实施例中，注样口11的数量为二个，二个注样口11关于第一视窗12对称设置，结构简单，便于制造和使用。

下片2上设有工作电极21、参比电极22、对电极23、第二视窗24和微型温度计25，工作电极21、参比电极22和对电极23都搭设在第二视窗24上。在本实施例中，各电极的材料为金、银、铜或钛等金属，厚度为30～200纳米。

本实用新型采用了参比电极、工作电极和对电极三电极体系，使芯片电场稳定，可用于观测微观粒子在不同电位下的氧化还原反应。进一步地，本实用新型将温度计引入电化学检测芯片，实现了对反应温度的实时监控。

在本实施例中，上片1中央的基底硅和反面绝缘层都被去除，剩余上片1中央的正面绝缘层，形成第一视窗12；下片2中央的基底硅和反面绝缘层都被去除，剩余下片2中央的正面绝缘层，形成第二视窗24；上片1、下片2和金属键合层共同形成的超薄腔室为均匀薄腔。

进一步地，第一视窗12和第二视窗24分别设在上片1和下片2的中央，第二视窗24的中心与第一视窗12的中心上下对齐设置，便于使用。在其它实施例中，第一视窗12和第二视窗24也可以偏置。

在本实施例中，第一视窗12和第二视窗24为方形，第一视窗12和第二视窗24尺寸为5微米*5微米～100微米*100微米，优选为20微米*50微米；第一视窗12和第二视窗24的尺寸不宜过大，否则容易在光刻、腐蚀等工艺流程中破裂。在其它实施例中，第一视窗12和第二视窗24也可以采用其它形状和尺寸。工作电极21尖端最好全部在第二视窗24上，以便观测工作电极21上的电化学反应，如果工作电极21的尖端过小，可观测的有效面积就会过小，在本实施例中，与第二视窗24的尺寸对应，工作电极21尖端最窄处宽为3～15微米。

进一步地，工作电极21位于第二视窗24中央，以便观测工作电极21上发生的电化学反应。对电极23和工作电极21并排搭设在第二视窗24上(即，对电极23和工作电极21平行设置)，对电极23与工作电极21距离20～5000微米。参比电极22垂直于工作电极21(当然，参比电极22也垂直于对电极23)搭设在第二视窗24上，微型温度计25搭设在第二视窗24上，以便测量第二视窗24范围内的反应温度，且微型温度计25与对电极23和工作电极21相对(即面对面)设置，以充分利用第二视窗24上方的空间。

进一步地，还包括碳电极(图未示)，碳电极覆盖在工作电极21上，不与对电极23接触。碳电极的引入可以有效提高成像分辨率，降低背景噪音。在其它实施例中，也可以不设碳电极。

进一步地，碳电极由镀在工作电极21上的碳膜构成，便于制造。在本实施例中，碳膜厚度为10～80纳米。

进一步地，微型温度计25由铂金属膜图案构成，通过测定铂金属膜在不同温度的电阻变化确定反应微区温度变化。纯铂膜易于加工，且铂丝在冷热循环中电阻的稳定性很高，电阻和温度有良好的线性关系。在其它实施例中，微型温度计25也可以采用电阻随温度变化的其它材料制成。在本实施例中，铂金属膜厚度为30～500纳米；铂膜厚度方差较大，铂金属膜不宜过薄，否则会影响测温的准确性；铂膜有内应力，铂金属膜不宜过厚，否则容易断裂。

进一步地，铂金属膜图案为规则方波形状。采用规则形状的铂金属膜可以使测温更均匀准确，且铂丝越细，铂金属膜与外界的接触面积越大，越有利于测量环境温度。在其它实施例中，也可以采用其它形状的铂金属膜。

上述透射电镜电化学检测芯片的制造方法：

S1：在正反面都设有绝缘层的硅基片A上加工出注样口和第一视窗，制造出上片。

S2：在正反面都设有绝缘层的硅基片B上加工出工作电极、参比电极、对电极、第二视窗和微型温度计，制造出下片。

S3：将上片与下片通过金属键合层粘结，得到透射电镜电化学检测芯片。上片、下片和金属键合层共同形成超薄腔室。

步骤S1具体包括：

S11：采用光刻工艺，将第一视窗图案和注样口图案从光刻掩膜版转移到正反面都设有绝缘层的硅基片A后，在正胶显影液中显影，得到硅基片A1。优选地，光刻工艺为在紫外光刻机的hard contact模式下曝光，显影的时间为50秒，曝光的时间为15秒。

S12：采用反应离子刻蚀工艺，去除硅基片A1背面与第一视窗和注样口对应的绝缘层后，用丙酮浸泡，用去离子水冲洗，去除光刻胶，得到硅基片A2。

S13：对硅基片A2采用湿法刻蚀工艺，去除与第一视窗和注样口对应的基底硅后，用去离子水冲洗，得到硅基片A3。优选地，用质量百分比浓度为20％的氢氧化钾溶液进行刻蚀，刻蚀的温度为80℃，刻蚀的时间为2小时。

S14：采用光刻工艺，将金属键合层图案从光刻掩膜版转移到硅基片A3正面后，在正胶显影液中显影，用去离子水冲洗，得到硅基片A4。优选地，光刻工艺为在紫外光刻机的hard contact模式下曝光，显影的时间为50秒，曝光的时间为15秒。

S15：采用热蒸发镀膜工艺，将硅基片A4蒸镀金属键合材料形成金属键合层，得到硅基片A5。

S16：对硅基片A5进行激光划片，得到上片。

步骤S2具体包括：

S21：采用光刻工艺，将第二视窗图案从光刻掩膜版转移到正反面都设有绝缘层的硅基片B的背面后，在正胶显影液中显影，用去离子水冲洗，得到硅基片B1。优选地，光刻工艺为在紫外光刻机的hard contact模式下曝光，光刻工艺中使用的光刻胶为AZ5214E，显影的时间为60秒，曝光的时间为15秒。

S22：采用反应离子刻蚀工艺，去除硅基片B1背面与第二视窗对应的绝缘层后，去除光刻胶，得到硅基片B2。

S23：采用湿法刻蚀工艺，去除硅基片B2与第二视窗对应的基底硅后，用去离子水冲洗，得到硅基片B3。优选地，用质量百分比浓度为20％的氢氧化钾溶液进行刻蚀，刻蚀的温度为80℃，刻蚀的时间为2小时。

S24：采用光刻工艺，将工作电极、参比电极和对电极图案从光刻掩膜版转移到硅基片B3正面后，在正胶显影液中显影，用去离子水冲洗，得到硅基片B4。

S25：采用直流磁控溅射工艺，在硅基片B4正面溅射一层电极材料薄膜后，用丙酮浸泡，用去离子水冲洗，去除光刻胶，得到硅基片B5。

S26：采用光刻工艺，将微型温度计图案从光刻掩膜版转移到硅基片B5正面后，在正胶显影液中显影，用去离子水冲洗，得到硅基片B6。

S27：采用直流磁控溅射工艺，在硅基片B6正面溅射一层铂金属薄膜后，用丙酮浸泡，用去离子水冲洗，去除光刻胶，得到硅基片B7。

S28：对硅基片B7进行激光划片，得到下片。

如需在工作电极上设置碳膜，则将步骤S26至S28替换为以下步骤：

S31：采用射频磁控溅射工艺，在硅基片B5正面溅射一层碳膜。

S32：采用光刻工艺，将碳电极图案从光刻掩膜版转移到硅基片B5正面后，用反应离子刻蚀机去除不被光刻胶保护的碳膜，得到硅基片B6’，优选地，在氩气和氧气中刻蚀不被光刻胶保护的碳膜，刻蚀功率为50瓦，刻蚀时间为30秒。

S33：去除光刻胶，得到硅基片B7’。

S34：采用光刻工艺，将微型温度计图案从光刻掩膜版转移到硅基片B7’正面后，在正胶显影液中显影，用去离子水清洗表面，得到硅基片B8。

S35：采用直流磁控溅射工艺，在硅基片B8正面溅射一层铂金属薄膜后，用丙酮浸泡，用去离子水冲洗，去除光刻胶，得到硅基片B9。

S36：对硅基片B9进行激光划片，得到下片。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并非对本实用新型的限制。应当指出，本领域的技术人员在阅读完本说明书后，凡在本实用新型的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种透射电镜电化学检测芯片，包括上片和下片，上片和下片都为正反面都设有绝缘层的硅基片，上片的正面与下片的正面通过粘结层固定粘结，上片、下片和粘结层共同构成一腔室；上片上设有注样口和第一视窗，其特征在于，下片上设有工作电极、参比电极、对电极、第二视窗和温度计，工作电极、参比电极和对电极都搭设在第二视窗上。

2.如权利要求1所述的透射电镜电化学检测芯片，其特征在于，所述第一视窗位于上片中央，第二视窗位于下片中央，第一视窗的中心与第二视窗的中心上下对齐设置。

3.如权利要求1所述的透射电镜电化学检测芯片，其特征在于，所述工作电极位于第二视窗中央，对电极和工作电极并排搭设在第二视窗上，参比电极垂直于工作电极搭设在第二视窗上，温度计搭设在第二视窗上，且与对电极和工作电极相对设置。

4.如权利要求1所述的透射电镜电化学检测芯片，其特征在于，还包括碳电极，碳电极覆盖在工作电极上。

5.如权利要求4所述的透射电镜电化学检测芯片，其特征在于，所述碳电极由镀在工作电极上的碳膜构成。

6.如权利要求1所述的透射电镜电化学检测芯片，其特征在于，所述温度计由铂金属膜图案构成。

7.如权利要求6所述的透射电镜电化学检测芯片，其特征在于，所述铂金属膜图案为方波形状。

8.如权利要求1所述的透射电镜电化学检测芯片，其特征在于，所述注样口的数量为二个，二个注样口关于第一视窗对称设置。

9.如权利要求1所述的透射电镜电化学检测芯片，其特征在于，所述粘结层为金属键合层。

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