一种2.5D叉指电极制作方法和叉指电极与流程

本发明实施例涉及化学传感技术领域，更具体地，涉及一种2.5d叉指电极制作方法和叉指电极。

背景技术：

平面电极作为电化学传感器件，因其灵敏度高、易于小型化等特点被广泛关注。而且，电化学响应可以实现实时检测。而叉指电极指指状或者梳妆的平面内有周期性图案的电极，作为最广泛应用的平面电极之一，其有着平面电极传感的优秀特性，在非破坏性测试、电子通讯、化学测试等广泛应用。

随着健康观念的提升，人们越来越重视食品安全，环境问题以及医学的发展。目前食品安全检测以及环境水样等常规的分析方法有色谱法、质谱法等传统方法。虽然这些方法测定结果准确可靠，但存在着仪器昂贵、操作复杂、分析费用高等不足。而电化学传感器作为生物传感器的一种亦可广泛应用在上述的三个领域当中。微叉指电极阻抗生物传感器将微叉指电极作为信号转换器，是一种应用广泛的两电极结构形式，具有自身阻抗较低，检测耗时短，响应迅速，成本较低，操作简单，可实现自动化等突出优势，广泛应用于电化学阻抗生物传感器研究。微叉指电极传感器工作的原理是：在两电极两端加小振幅正弦激励信号，产生穿过被测物的电场来改变传感器的阻抗，从而得到被测物浓度与阻抗大小变化的关系进而完成分析。阻抗变化来自电极表面的待测物变化，如抗体、抗原结合；受体与dna、蛋白质结合；细菌、细胞增殖以及信号标记活性酶因其的介质离子浓度变化；重金属离子的固定引起的离子浓度变化。

目前在检测中所用的叉指电极，大部分制备方法是用曝光光刻胶产生电极图形，然后用电子束蒸发沉积金电极部分，最终用剥离的方法完成全部制作。这样传统的微纳加工方法，的确可以在高质量下控制成本生产电极，但是受制于电子束蒸发工艺的限制，电极的厚度通常在70-140nm。由于电极厚度过低，检测电场为边缘效应形成的不均匀电场且集中在电极边缘部分，而大部分待测物分布在电极的表面，所以电场自身不稳定的同时还难以覆盖大部分待测物。并且这样的结构与微流控系统结合完成自动化检测并实现实时监测时同样存在溶液只能滴定测量不能流动测量的问题。

技术实现要素：

本发明实施例提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种2.5d叉指电极制作方法和叉指电极。

第一方面，本发明实施例提供一种2.5d叉指电极制作方法，包括：

在硅衬底表面沉积种子层，在所述种子层表面旋涂厚度大于1μm的光刻胶，并进行曝光，得到包含叉指电极图案的硅片；

对所述硅片显影后进行脉冲电镀，得到500nm～2μm厚度的叉指电极；去除光刻胶，并将叉指电极外的种子层去除。

作为优选的，在硅衬底表面沉积种子层，具体包括：

通过电子束蒸发方法在所述硅衬底上沉积3nm厚的cr种子层和10nm厚的au种子层。

作为优选的，在所述种子层表面旋涂厚度大于1μm的光刻胶，具体包括：

将沉积种子层后的硅片放入匀胶机中，在所述种子层表面旋涂厚度大于1μm的紫外光刻胶；随后置于恒温热板上进行前烘。

作为优选的，并进行曝光，具体包括：

用紫外曝光机进行曝光，并将曝光后的硅片置于恒温热板上进行后烘。

作为优选的，并进行曝光后，还包括：

将曝光后得到的硅片置于az300mif显影液中显影，得到包含叉指电极图案的硅片。

作为优选的，对所述硅片显影后进行脉冲电镀，具体包括：

将所述硅片置于电镀液中，用电流密度5-10ma/cm²的脉冲电流对所述叉指电极图案进行填充，得到厚度为500nm～2μm的叉指电极。

作为优选的，去除光刻胶，具体包括：

依次在丙酮、乙醇和去离子水中分别超声清洗，以去除光刻胶。

作为优选的，并将叉指电极外的种子层去除，具体包括：

将硅片置于电子束刻蚀机中进行刻蚀，刻蚀至二氧化硅层，以确定衬底不导电；清洗、切片后得到叉指电极。

第二方面，本发明实施例提供一种根据本发明实施例第一方面所述方法制作的叉指电极。

第三方面，本发明实施例提供一种电化学传感器，包括如本发明实施例第一方面所述的叉指电极。

本发明实施例提出了一种2.5d叉指电极制作方法和叉指电极，在有电子束蒸发cr/au种子层的硅片上，将旋凃在种子层的光刻胶曝光、显影形成需要的电极图形，随后在金电镀液中进行脉冲电镀，根据需要通过调整电镀时间控制电极厚度。旨在增大电极厚度，进而可将待测物固定在电极之间，使电场完全覆盖待测物，且电极间的测试电场由边缘效应形成的弧形电场变为平行电场使检测信号更加稳定，最终提高检测电极的检测极限；另一方面由于电极厚度增加，电极的侧壁可以作为微流控的通道，与微流控系统结合完成检测的自动化。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为根据本发明实施例的2.5d叉指电极制作方法示意图；

图2为根据本发明实施例的2.5d叉指电极制作具体流程示意图；

图3为根据本发明实施例的传统电极、2.5d叉指电极与微流控结合示意图；

图4为根据本发明实施例的2.5d叉指电极相对传统电极的电场改变示意图示意图；

图5为根据本发明实施例的2.5d叉指电极相对传统电极的待测物固定优势示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

由于传统的微纳加工方法中，受制于电子束蒸发工艺的限制，电极的厚度通常在70-140nm。由于电极厚度过低，检测电场为边缘效应形成的不均匀电场且集中在电极边缘部分，而大部分待测物分布在电极的表面，所以电场自身不稳定的同时还难以覆盖大部分待测物。并且这样的结构与微流控系统结合完成自动化检测并实现实时监测时同样存在溶液只能滴定测量不能流动测量的问题。

因此本发明各实施例在传统叉指电极的基础上，通过改进制造方法，将脉冲电镀法引入电极制作增大电极厚度最终提升电极检测精度，检测稳定性，并且在未来更易与微流控系统进行结合，最终实现自动检测。以下将通过多个实施例进行展开说明和介绍。

图1为本发明实施例提供的一种2.5d叉指电极制作方法，包括：

s1、在硅衬底表面沉积种子层，在所述种子层表面旋涂厚度大于1μm的光刻胶，并进行曝光，得到包含叉指电极图案的硅片；

s2、对所述硅片显影后进行脉冲电镀，得到500nm～2μm厚度的叉指电极；去除光刻胶，并将叉指电极外的种子层去除。

在本实施例中，叉指电极的厚度根据不同的测试需求控制在500nm～2μm之间，厚度的大小是通过脉冲电镀的时间控制的。正是在制备中应用脉冲电镀法，使得电极的制作速度和质量得到了提升。

具体的，如图2所示，将上层为厚度500nm以上sio2的硅片清洗干净，作为衬底，在衬底上沉积种子层。衬底选择上层为足够厚sio2的硅片保证衬底的绝缘性。

传统电极的深宽比过低，大量待测物附着在测试电极的上表面，电场不能覆盖到，造成检测限低。而本发明实施例中，由于电极厚度大幅提升，所以待测物更容易吸附在电极侧壁，或通过磁珠控制、结合微流控等检测手段完全停留在电极之间，最终检测灵敏度更高，可提升检测限。

在上述实施例的基础上，在硅衬底表面沉积种子层，具体包括：

通过电子束蒸发方法在所述硅衬底上沉积3nm厚的cr种子层，或通过电子束蒸发方法在所述硅衬底上沉积10nm厚的au种子层。

将上层为厚度500nm以上sio2的硅片清洗干净，用电子束蒸发在表面沉积一层3nm/10nm的cr/au，即3nm厚的cr种子层和10nm厚的au种子层。

在上述各实施例的基础上，电极结构改变，电极面与面相对的面积变大，使得电极间的电场由过去边缘效应形成的弧形电场变成了平行电场。与弧形电场相比，平行电场更加稳定，可以在检测中形成更稳定的信号传输，使得检测更加精准。

可以将提升厚度的电极侧壁作为微流控系统的侧壁。以往传统电极的问题是检测自动化程度低，对检测人员要求高。当把电极整合进入微流控系统并且可以流动测量时，即可完成测量的完全自动化，可以大大提升这种检测的应用范围。并且可流动测量意味着这样的微流控检测系统可以实现实时检测，是环境监控的中重要需求。

在上述各实施例的基础上，在所述种子层表面旋涂厚度大于1μm的光刻胶，具体包括：

将沉积种子层后的硅片放入匀胶机中，在所述种子层表面旋涂厚度大于1μm的紫外光刻胶；随后置于恒温热板上进行前烘。

在本实施例中，以1μm厚电极制作为例，在种子层表面旋涂紫外光刻胶并保证厚度在1μm以上，匀胶后在热板上进行前烘。

用紫外曝光机进行曝光，并将曝光后的硅片置于恒温热板上进行后烘。

在上述各实施例的基础上，并进行曝光后，还包括：

将曝光后得到的硅片置于az300mif显影液中显影，得到包含叉指电极图案的硅片，即形成电极的模型。

将硅片放在电镀液中，用电流密度5-10ma/cm²的脉冲电流对已制作好的模型进行填充。在该电流密度下，电镀33分钟，即可得到厚度为1μm±50nm的金电极，即叉指电极。依次在丙酮、乙醇和去离子水中分别超声清洗，以去除光刻胶，在本实施例中，清洗时间可控制为6-15分钟。

在上述各实施例的基础上，对所述硅片显影后进行脉冲电镀，具体包括：

将所述硅片置于电镀液中，用电流密度5-10ma/cm²的脉冲电流对所述叉指电极图案进行填充，得到厚度为500nm～2μm的叉指电极。

在本实施例中，以1μm厚电极制作为例，将硅片放在电镀液中，用电流密度5-10ma/cm²的脉冲电流对已制作好的模型进行填充。在该电流密度下，电镀33分钟，即可得到厚度为1μm±50nm的金电极。在丙酮、乙醇或去离子水中超声清洗去除光刻胶。

在上述各实施例的基础上，并将叉指电极外的种子层去除，具体包括：

将上述步骤中得到的硅片置于电子束刻蚀机中，在能量500ev束流90ma条件下进行刻蚀，将没有叉指电极的种子层完全刻蚀去除，刻蚀至二氧化硅层，以确定衬底不导电；清洗、切片后得到叉指电极。

本实施例中还提供一种根据上述各实施例中所述方法制作的叉指电极。

本实施例中还提供一种电化学传感器，包括如上述各实施例中所述的叉指电极。

可以将提升厚度的叉指电极侧壁作为微流控系统的侧壁，如图3所示，图中左侧图为传统电极与微流控接合示意图，传统电极待测溶液主要在电极的上方，右侧图为本实施例中的2.5d叉指电极与微流控结合示意图，2.5d叉指电极的待测溶液主要在电极之间。以往传统电极的问题是检测自动化程度低，对检测人员要求高。当把电极整合进入微流控系统并且可以流动测量时，即可完成测量的完全自动化，可以大大提升这种检测的应用范围。并且可流动测量意味着这样的微流控检测系统可以实现实时检测，是环境监控的中重要需求。

图4为传统电极与本实施例中的2.5d叉指电极的电场改变示意图，左侧图为传统电极，传统电极待测溶液主要在电极的上方，右侧图为本实施例中的2.5d叉指电极的电场，2.5d叉指电极的待测溶液主要在电极之间，2.5d叉指电极的电场为平行电场，其平行电场场强比传统电极的弧形电场场强稳定，可以降低测试结果误差；图5为传统电极与本实施例中的2.5d叉指电极的待测物固定效果示意图，左侧图为传统电极，传统电极待测物主要在电极的上方，右侧图为本实施例中的2.5d叉指电极，2.5d叉指电极的待测物主要在电极之间，传统电极待测物分布在整个电极工作区，电场不能覆盖；2.5d叉指电极可以使待测物沉积到电极之间，使测试电场更好覆盖待测物，对待测物进行修饰可以完全将待测物锁定在电极之间。

综上所述，本发明实施例提供的一种2.5d叉指电极制作方法和叉指电极，在有电子束蒸发cr/au种子层的硅片上，将旋凃在种子层的光刻胶曝光、显影形成需要的电极图形，随后在金电镀液中进行脉冲电镀，根据需要通过调整电镀时间控制电极厚度。旨在增大电极厚度，进而可将待测物固定在电极之间，使电场完全覆盖待测物，且电极间的测试电场由边缘效应形成的弧形电场变为平行电场使检测信号更加稳定，最终提高检测电极的检测极限；另一方面由于电极厚度增加，电极的侧壁可以作为微流控的通道，与微流控系统结合完成检测的自动化。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。