[发明专利]基于直接成型介孔碳技术的微型电化学传感器及制作方法

说明书

技术领域

本发明属于微传感器和微机械加工领域，尤其涉及一种基于直接成型介孔碳技术的微型电化学传感器及制作方法。

背景技术

电化学传感器作为传感器的一种，通过测量电化学反应中电位、电流等电信号的变化来表征物质的电化学性质。电化学传感器主要由敏感元件以及转换元件两部分构成，电化学传感器首先通过敏感元件与待测的物质发生相互作用，产生化学量的变化，再通过转换元件将化学量的变化转变成为相关的电信号，最后通过对这些电信号的处理得出待测物质的相关参数。电化学传感器的发展趋势是集成化以及微型化，电化学传感器微型化以后，可以与微流体芯片以及微流体系统结合，实现其功能的完整性与多样性。电化学传感器体积的缩小也进一步拓宽了其在生物系统、生态系统中的应用，更容易进行植入式及分布式的检测。微型电化学传感器由工作电极、对电极以及参比电极三部分组成(三电极体系)。通过MEMS(Micro-Electro-Mechanical System)等微加工工艺微型化以后，工作电极的体积变小，可以进行批量的设计与生产；同时对电流噪声、背景干扰能够更好的进行抑制。工作电极是电化学传感器进行检测的主要界面，也是敏感材料上载、实现电极功能化的区域，工作电极的性能将直接影响和决定传感器的灵敏度、检测限等重要的参数指标，因此对于工作电极基底材料的选择显得十分重要。

2005年，D.Lee等人发现了具有纳米孔径结构的介孔碳粉末材料能够有效的固定生物分子并显著提升生物催化的过程，并用此材料固定葡萄糖氧化酶制备了高性能的葡萄糖传感器。2008年，L.Zhu等人对比了石墨烯、碳纳米管、介孔碳三种材料制备的糊状电极在电化学传感和生物传感方面的性能，发现了介孔碳材料能够提供更好的电子转移动力，具有更好的电化学催化性能。2010年，BJ Melde和BJ Johnson进一步阐释了介孔碳材料表面的含氧官能团以及边缘缺陷位可以促进电子的转移，并且可以进一步通过对介孔碳材料的表面修饰提升材料的导电性、比表面积、吸附性能以及电子转移速率。在大多数情况下，介孔碳材料成型后呈现粉末状，需要使用Nafion等粘结剂使其成型，这使得介孔碳材料在微型电化学传感器工作电极材料上的应用受到了限制。因此，如果能够实现介孔碳材料的微型化、图形化以及直接成型，不仅将有助于传感器的集成，还能实现微型电化学传感器的批量设计与生产，推进基于介孔碳材料电化学传感器的发展。

发明内容

针对上述问题，本发明设计实现了一种基于直接成型介孔碳技术的微型电化学传感器及制作方法。

一种基于直接成型介孔碳技术的微型电化学传感器，包括：器件衬底、绝缘层、对电极、参比电极、工作电极；其中，器件衬底为矩形，其正中间覆有矩形的工作电极以及从工作电极的某一边延伸出的一条电极引线；器件衬底上除了工作电极和引线之外，全部覆盖绝缘层，且绝缘层与工作电极和电极引线之间保持缝隙；在绝缘层上，以工作电极和电极引线为中心向外依次覆有一小一大的U形对电极，其中大U形对电极上覆有参比电极。

所述对电极的材料为铂。

所述参比电极的材料为固态银/氯化银。

所述工作电极的材料为介孔碳。

一种基于直接成型介孔碳技术的微型电化学传感器的制作方法，包括：

步骤1、在硅片上用等离子体增强化学气相沉积二氧化硅层作为绝缘层，通过光刻并利用刻蚀得到工作电极区域；

步骤2、通过光刻得到对电极以及参比电极衬底区域的图形，蒸发掉一定厚度的铂，再剥离光刻胶；

步骤3、在工作电极区域的硅衬底模板上旋涂光刻胶与纳米氧化硅的混合物，光刻图形化得到工作电极区域，经过高温碳化后，用氢氟酸去除模板材料二氧化硅，得到工作电极介孔碳；

步骤4、在参比电极基底铂上涂覆银/氯化银浆，得到固态银/氯化银参比电极。

所述步骤1中二氧化硅层的沉积厚度为500nm。

所述步骤2中蒸发掉的铂的厚度为80nm。

所述步骤3中光刻胶采用SU-8光刻胶。

所述步骤3中高温碳化温度为900℃。