一种硅基电镀银微电极阵列、制备方法及其应用与流程

本发明涉及生物传感器，更具体的说是涉及一种硅基电镀银微电极结构、制备方法及其应用。

背景技术：

1、微流控芯片，特别是集成有功能性微电极的生物传感芯片，已成为现代体外诊断、基因测序及单分子分析领域的核心技术平台。此类芯片的性能极大程度上依赖于其内置微电极的电学特性、化学稳定性及制造精度。在诸如纳米孔测序、细胞阻抗分析、电化学生物传感等高精度应用中，电极需要具备极低的背景噪声、优异的电化学活性、良好的长期稳定性，以及能够实现高密度集成的可制造性。

2、目前，微流控芯片中金属微电极的主流制备技术主要包括物理气相沉积法（如磁控溅射、电子束蒸镀）、丝网印刷法以及电化学沉积法。其中，

3、物理气相沉积这种方法虽然能获得图案精度较高的薄膜电极，但其成本高昂，贵金属靶材和复杂的真空设备导致制造成本居高不下，难以满足消费级或大规模筛查应用对成本的控制要求；其次，电极性能受限，在检测高频或微弱电流信号时引入较大的热噪声（约翰逊噪声）；再者，工艺兼容性与可扩展性不足，其后续的图形化通常需要额外的光刻和蚀刻步骤，与标准半导体工艺的集成流程存在差异，且在向更大尺寸晶圆和更高密度阵列扩展时，薄膜均匀性与良率控制面临挑战。

4、丝网印刷法则是一种低成本、适合大批量生产的替代方案，通常使用金属浆料（如碳浆、银浆）印制电极。然而，该方法的缺点在于精度和一致性差且电极的电化学性能不稳定，不适用于需要长期稳定或高灵敏度的定量检测场景。

5、为了解决上述问题，电化学沉积法因其能够在特定区域选择性生长金属、获得接近块体材料性能的厚膜，且设备成本相对较低而受到关注。现有技术中，已有采用电镀金制备电极的报道。然而，金离子在大多数电解液中稳定性差，为获得良好的镀层质量，常需使用含氰化物的剧毒电镀液，对生产安全与环境保护构成严重压力；而且，金本身是昂贵的战略金属，其原材料成本使得该方案在大规模应用中的经济性优势丧失。

6、综上所述，当前微流控芯片电极制造技术存在一个明显的“技术三角”困境，即：高精度与高性能（如溅射金）、低成本与可扩展性（如印刷）、优异的电化学特性与工艺安全性（如无氰电镀）三者难以兼得。随着生物检测向高通量（如数百至数千通道并行）、高灵敏度（如单分子检测）和便携式方向发展，研发一种能够同时突破成本、性能和可制造性瓶颈的新型电极制备技术，已成为推动该领域发展的关键。特别是在面向256通道及以上规模的超高通量纳米孔基因测序芯片等前沿应用中，如何在保证单个电极超高性能的前提下，实现晶圆级、高一致性的低成本制造，是现有技术均未有效解决的行业难题。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供了一种硅基电镀银微电极阵列结构、制备方法及其应用，以解决背景技术中存在的瓶颈问题。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案。

3、一方面，本发明提出了一种硅基电镀银微电极阵列结构，包括；

4、硅基底，包括硅基片以及在硅基片表面形成的二氧化硅绝缘层；

5、图形化复合种子层，形成于所述硅基底上；

6、金属电极层，形成于所述图形化复合种子层上；

7、绝缘层，形成于所述金属电极层上；

8、第一微流道结构层，由第一干膜层光刻胶经图形化构成，层叠于所述绝缘层上；

9、第二微流道结构层，由第二干膜层经图形化构成，层叠于所述第一微流道结构层上。

10、上述的硅基电镀银微电极阵列结构，所述硅基底为表面具有二氧化硅绝缘层的硅基片；所述硅片厚度为1000-3000nm；所述二氧化硅绝缘层厚度为50nm-500nm。

11、上述的硅基电镀银微电极阵列结构，所述复合种子层至少包括一层金属层，所述金属层材料为铬、镍、钛、铜、铝、银、金、铂中的至少一种，且所述复合种子层厚度大于10nm。

12、上述的硅基电镀银微电极阵列结构，所述金属层包括一层铬层以及位于铬层之上的铜层。

13、上述的硅基电镀银微电极阵列结构，所述金属电极为银电极。

14、上述的硅基电镀银微电极阵列，所述银电极厚度大于10nm。

15、另一方面，本发明还提供一种硅基电镀银微电极阵列结构的制备方法，包括以下步骤：

16、步骤s1、在硅基底上形成图形化复合种子层，所述图形化复合种子层至少包括铬层和铜层；

17、步骤s2、以所述图形化复合种子层为导电基底，通过电化学沉积工艺在其上形成金属电极层；所述金属电极层的材质为银；

18、步骤s3、在所述金属电极层及未被覆盖的基底区域上形成绝缘层；对所述绝缘层进行图形化处理，以形成暴露所述金属电极层至少一部分的开口；

19、步骤s4、在图形化后的绝缘层上，依次层压第一微流道结构层和第二微流道结构层，形成微电极阵列结构。

20、上述的硅基电镀银微电极阵列结构的制备方法，所述图形化复合种子层采用剥离工艺形成，包括：在所述硅基底上形成第一光刻图形，暴露出预定电极区域的基底表面；通过物理气相沉积依次形成覆盖光刻图形及暴露基底表面的铬层和铜层。

21、上述的硅基电镀银微电极阵列结构的制备方法，步骤s2中电化学沉积工艺采用无氰电镀银溶液，采用恒电压模式，电压设置范围为0.2-2 v，电镀时间为0-30 min，电镀液温度为20-50℃。

22、上述的硅基电镀银微电极阵列结构的制备方法，步骤s3中对绝缘层进行图形化处理包括在所述绝缘层上形成第二光刻图形，以所述第二光刻图形为掩模，对绝缘层进行刻蚀，形成开口。

23、本发明还提供了上述硅基电镀银微电极阵列结构在微流控芯片中的应用。

24、制备微流控芯片时通过两次关键的光刻对准实现电极结构与功能的精确控制，第一次对准是在硅基底上形成第一光刻图形，以定义图形化复合种子层及后续金属电极层的位置；第二次对准则是在覆盖金属电极层的绝缘层上形成第二光刻图形，第二光刻图形与金属电极层的位置对准，以定义暴露电极活性区域的绝缘层窗口，且绝缘层窗口的尺寸小于其对应的金属电极层的尺寸。

25、经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明的硅基电镀银微电极阵列结构自然，为后续多层微流道的集成提供了平坦、稳固的界面。通过干膜光刻技术，可以精准构建一对一的电极-腔室对准结构，从物理空间上隔离各检测单元，是实现超高通量、低串扰并行检测（如大规模纳米孔测序）的关键架构；其电极层采用双电极体系电镀制备得到银电极，电极厚度可控，可以有效降低电阻和热噪声，适用于纳米孔测序等这类pa级微弱电流信号的检测；而且采用银电极，原料成本远低于金、铂等贵金属，且电镀设备投资和运行成本远低于高真空溅射系统，综合制造成本大幅降低，为消费级生物传感芯片的普及扫清了关键障碍；同时采用无氰电镀液体系，避免了剧毒氰化物的使用，生产工艺更加安全环保，符合现代电子制造业的绿色发展方向。

26、本发明整个工艺流程（热氧化、溅射、光刻、电镀）与标准硅基半导体（cmos）工艺高度兼容。采用干膜光刻胶和图形化种子层引导的电镀，易于在晶圆级实现高精度、高均匀性的大规模阵列制造（如256通道、1024通道），良率高，重复性好，具备强大的产业化放大潜力。