一种高灵敏度陶瓷基叉指电极的制作方法

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1.本实用新型属于功能陶瓷器件领域，涉及电化学传感器芯片，尤其涉及一种高灵敏度陶瓷基叉指电极。


背景技术：

2.在电化学检测中，常见的单电极可实现在线检测目标物质或化学反应，反馈得到包括物质浓度等信息。除上述常见的单电极检测外，双电极模式可同步获取不同反应的信息。一般地，双电极由独立控制的两个工作电极所组成，可实现对不同反应的同时控制，从而获得比传统单电极模式更为丰富的物质变化信息，为利用电化学方法实现反应过程中痕量物质的检测提供了有力手段。
3.叉指电极是指状或梳状的面内有周期性图案的电极，它是通过微纳加工工艺获得的超精细电路。叉指电极进行选择和设计相对灵活，目前在气体检测、微生物检测、液体检测等领域都得到了广泛的应用。
4.由于陶瓷具有高强度、绝缘性佳、耐高温、耐酸碱、耐潮的特性，因而在高温、高湿、酸碱环境复杂的环境中，陶瓷基板具有比高分子/树脂类基板明显的优势。国内外通常采用氮化铝或氧化铝陶瓷作为基体层，进行叉指电极的设计开发。
5.近年来行业内很多企业院校，开发生产的叉指电极类传感器性能指标相差较大、产品制程不良率较高，究其原因，很大部分因素在于，作为核心部件的叉指电极存在着可靠性差、精度不高等主要问题。
6.授权公告号为cn 215263245 u的中国专利文件，公开了一种陶瓷基高精度叉指电极，从下往上依次包括基底、导电内层和反应层，其中基底表面设有所述导电内层，导电内层外表面设有反应层，基底的厚度为0.38mm，导电内层的厚度为7.1～15.1μm，反应层厚度为1.0μm，反应层外表面还设有修饰层，修饰层厚度为3.0μm。一方面，该叉指电极结构简单，相反极性的叉指交叉重叠程度较小，灵敏度低；另一方面，该叉指电极在工作时，反应层直接与检测环境相接触，容易导致“中毒”乃至失效等问题，即其可靠性较低。
7.如何提高叉指电极的可靠性，直接影响产品的使用寿命；如何提高叉指电极的灵敏度，直接影响传感器的测量精度。因此如何进一步提高叉指电极的可靠性和灵敏度，是以叉指电极结构为核心的传感器的技术发展方向。
8.本实用新型要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种可靠性好、灵敏度高、导电性能好、电信号基线稳定、抗干扰能力强的陶瓷基叉指电极，具有耐高温高压、可在极端环境下使用的高灵敏度陶瓷基叉指电极。


技术实现要素：

9.本实用新型的目的在于解决上述问题，提出一种高灵敏度陶瓷基叉指电极，结构设计合理，确保了陶瓷基叉指电极可靠性好、灵敏度高、导电性能好、电信号基线稳定和抗干扰能力强的特点，并提出了如下的技术方案：
10.一种高灵敏度陶瓷基叉指电极，包含基底层和功能层，功能层设置于基底层的表面，功能层包含相互之间平行等距的长引脚，分别为第一引脚和第二引脚。长引脚的下端部延伸至上述基底层的下端构成两个引脚端点。第一引脚的上端部和第二引脚的上端部之间分别设置有相互之间平行等距且与长引脚方向垂直的一级叉指条，第一引脚的一级叉指条和上述第二引脚的一级叉指条以齿梳状交错排列。第二引脚的一级叉指条设置在第一引脚的一级叉指条的间隙中，第一引脚的一级叉指条和第二引脚的一级叉指条之间分别设置有相互之间平行等距、以齿梳状交错排列的二级叉指条。
11.本实用新型在叉指电极的具备一级叉指条的基础上，再在第一引脚的一级叉指条和第二引脚的一级叉指条之间分别设置有相互之间平行等距、以齿梳状交错排列的二级叉指条。这样的设置，充分利用了原有一级叉指条之间的空间，有效提高了两个异性电极的交叉重合程度，进而提高了叉指电极检测信号的精度和灵敏度。
12.更进一步地，上述第一引脚的一级叉指条和第二引脚的一级叉指条相互之间平行等距的距离为5 um～300um，第一引脚的二级叉指条和第二引脚的二级叉指条相互之间平行等距的距离为5um～300um、且与一级叉指条方向呈15
°
～90
°
角的二级叉指条。
13.在叉指条对数和平行间距相等的情况下，两个异性电极的交叉重合程度，跟二级叉指条与一级叉指条呈现角度大小(在0
°
～90
°
范围内)成正比。因此，可以通过精细地调整二级叉指条与一级叉指条的角度，进而实现对叉指电极检测信号的精度和灵敏度的微调，进而实现叉指电极在批量生产中性能指标的修正，极大提高了产品的一致性。
14.更进一步地，上述第一引脚的一级叉指条和第二引脚的一级叉指条相互之间平行等距的距离为10 um～100um，第一引脚的二级叉指条和第二引脚的二级叉指条相互之间平行等距的距离为10um～100um。
15.更进一步地，上述第一引脚的一级叉指条和第二引脚的一级叉指条的最相邻的平行等距距离为50 um～300um，第一引脚的二级叉指条和第二引脚的二级叉指条的最相邻的平行等距距离为50um～300um。
16.更进一步地，上述基底层的材质是氧化铝、氧化锆、氮化铝或氮化硅的中至少一种，上述基底层的厚度为0.10mm～5.0mm，上述功能层从下往上依次包括导电层、反应层和保护层，上述导电层的厚度为0.05 um～80um，上述反应层的厚度为0.05um～3um，上述保护层的厚度为5um～100um。
17.基底层的形状为表面光滑的平面、曲面或其它常见的规则形状结构，其主要功能为用于承载叉指电极的其它部分。
18.基底层的材质是氧化铝、氧化锆、氮化铝或氮化硅陶瓷的至少一种。高导热系数的陶瓷基底提供叉指电极的高导热性能，可以实现在检测工作时叉指电极工作温度与检测环境温度的快速同步，尤其减小与温度强关联的检测参数的误差，从而保证检测数值的精度。同时氧化铝、氧化锆、氮化铝或氮化硅陶瓷还具备：(1)高绝缘性，防止叉指电极内外部信号的串扰；(2)高强度性能，满足了叉指电极制作过程、总成装配过程和总成产品抗摔抗震动的性能要求。
19.导电层设置于基底层之上，用于形成特定的工作电路。
20.反应层设置于导电层之上，是叉指电极的主要功能层，用于探测特定的信号，并转化为电信号。
21.保护层设置于反应层之上，用于保护反应层免除或减少受到潮湿、酸碱度高、严重偏离正常工作温度的待探测环境的影响，从而保证叉指电极的正常工作，并延长产品寿命。
22.更进一步地，上述导电层的材质是ti、cr、cu、ni或pd中的至少一种，上述导电层的厚度为0.05um～50 um；上述反应层为ag、au或sn中的至少一种，上述反应层(202)的厚度为0.05um～2um；上述保护层 (203)的材质为聚酰亚胺，上述保护层(203)的厚度为5um～50um。
23.基底层上设置金属布线时，在基板的表面溅射一层ti、cr、cu或ni种子层，首先在基板上溅射一层 ti或cr层，通常的ti或cr层只有几十个纳米的厚度，由于ti或cr的导电性比cu差太多，为了同时保证结合力及高导电性，即减少ti或cr层钝化及增强ti/cu种子层的导电性，再在ti或cr层上溅射一层 cu层。在基板上完成电镀导电线路层与cu柱层之后，需要在没有保护的情况下，使用快速蚀刻法，将基板上非图形区域内多余的ti/cu或cr/cu种子层蚀刻掉，而不影响基板的图形区域上的金属层。通过硫酸和双氧水等腐蚀性溶液，蚀刻基板上ti/cu或cr/cu种子层中的cu层；通过氢氟酸等腐蚀性溶液，蚀刻所述 ti/cu或cr/cu种子层中的ti或cr层，从而形成导电层。在对cu层增厚完成后，可以采用化学镀形成ni-au、 ni-ag或ni-pd-au镀层，也可以采用电镀ni、溅射au层完成ni-au层，形成反应层。在反应层上印刷或涂敷一层聚酰亚胺树脂，并固化，形成保护层。最终构成高灵敏度陶瓷基叉指电极。
24.更进一步地，上述导电层的材质为w、mo、mn、ni或pd中的至少一种，上述导电层的厚度为5um～20 um；上述反应层的材质为ag、au或sn中的至少一种，上述反应层的厚度为0.05um～2um；上述保护层的材质为非晶态玻璃，上述保护层的厚度为10um～100um。
25.采用w、mo、w-cu合金、mo-mn合金等金属浆料通过丝网印刷、曝光显影等方式，在基底层上布线，经过高温烧结，使得w、mo、w-cu合金或mo-mn合金等金属导体与基底层牢固粘接；也可以采用ag、 cu、ni或pd等金属浆料通过丝网印刷、曝光显影等方式，在基底层上布线，经过低温烧结，使得ag、cu、 ni或pd等金属导体与基底层牢固粘接，从而形成叉指电极的导电层。然后，既可以采用化学镀形成ni-au、 ni-ag或ni-pd-au镀层，也可以采用电镀ni、溅射au层完成ni-au镀层，形成叉指电极的反应层。最后，反应层之上的保护层，既可以印刷或涂敷一层聚酰亚胺树脂并固化形成，也可以通过印刷或涂敷一层玻璃浆料并通过低温烧结来形成。最终构成高灵敏度陶瓷基叉指电极。
26.更进一步地，上述导电层的材质是cu、ag、ni或pd中的至少一种，上述导电层的厚度为1um～20um；上述反应层ag、au或sn中的至少一种，上述反应层的厚度为0.1um～1um；上述保护层的材质为非晶态玻璃，上述保护层(203)的厚度为10um～50um。
27.更进一步地，上述基底层的材质是氮化铝，上述导电层的材质是ag、ni中的至少一种，上述导电层的厚度为10um～20um；上述反应层的材质为au，上述反应层的厚度为0.1um～1um；上述保护层的材质为膨胀系数为6～8ppm/k的硼硅酸玻璃，上述保护层的厚度为10um～20um。
28.本实用新型创造公开的技术方案具有以下有益效果：
29.1、提供的高灵敏度陶瓷基叉指电极，产品结构简单、图形分布均匀。
30.2、提供的高灵敏度陶瓷基叉指电极，工艺流程简短，利于大批量产业化生产。
31.3、提供的高灵敏度陶瓷基叉指电极，灵敏度更高，信号分辨率更高。
32.4、提供的高灵敏度陶瓷基叉指电极，具备高绝缘性能，防止叉指电极内外部信号的串扰；
33.5、提供的高灵敏度陶瓷基叉指电极，具备高强度性能，适应于叉指电极制作过程、总成装配过程和总成产品一定的抗摔抗震动的性能要求；
34.6、提供的高灵敏度陶瓷基叉指电极，具备高可靠性能，保护层有效隔绝探测环境高低温度、高低酸碱度、高湿度对内部结构的侵蚀和干扰。
附图说明
35.图1为高灵敏度陶瓷基叉指电极的三维结构示意图；
36.图2为高灵敏度陶瓷基叉指电极的剖面示意图；
37.图3为实施例1、5、6制备的高灵敏度陶瓷基叉指电极的三维结构示意图；
38.图4为实施例2制备的高灵敏度陶瓷基叉指电极的三维结构示意图；
39.图5为实施例3制备的高灵敏度陶瓷基叉指电极的三维结构示意图；
40.图6为对比例1制备的高灵敏度陶瓷基叉指电极的三维结构示意图；
41.图7为实施例1、5、6制备的高灵敏度陶瓷基叉指电极的正视图；
42.图8为实施例2制备的高灵敏度陶瓷基叉指电极的正视图；
43.图9为实施例3制备的高灵敏度陶瓷基叉指电极的正视图；
44.图10为对比例1制备的高灵敏度陶瓷基叉指电极的正视图；
具体实施方式
45.以下结合附图和本实用新型的具体实施例，对本实用新型的结构作进一步地说明。
46.实施例1
47.本实施例的高灵敏度陶瓷基叉指电极，参见附图3和附图7。
48.从结构上看，高灵敏度陶瓷基叉指电极，包含基底层1和功能层2，功能层2设置在基底层1的表面。功能层2包含相互之间平行等距的长引脚21，分别为第一引脚211和第二引脚212。第一引脚211和第二引脚212的下端部延伸至基底层的下端构成两个引脚端点。第一引脚的上端部和第二引脚的上端部之间，分别设置有相互之间平行等距且与引脚方向垂直的一级叉指条22。第一引脚的一级叉指条221和第二引脚的一级叉指条222以齿梳状交错排列，第二引脚的一级叉指条222设置在第一引脚的一级叉指条221的间隙中。第一引脚的一级叉指条和第二引脚的一级叉指条相互之间平行等距的距离为5um。
49.第一引脚的一级叉指条221和第二引脚的一级叉指条222之间分别设置有相互之间平行等距、以齿梳状交错排列、且与所述一级叉指条22方向呈15
°
～90
°
夹角的二级叉指条23。二级叉指条相互之间平行等距的距离为5um、与一级叉指条方向呈90
°
夹角。
50.从材质上看，高灵敏度陶瓷基叉指电极的功能层2，从下往上包括导电层201、反应层202和保护层203。基底层1的材质是氧化铝陶瓷，厚度为0.10mm。导电层201由厚度0.05um的ti/cr层、厚度5um的ni 层和厚度1um的ni层的组成。反应层202为厚度0.1um的au层。保护层203的材质为聚酰亚胺，厚度为 10um。
51.实施例2
52.本实施例的高灵敏度陶瓷基叉指电极，参见附图4和附图8。
53.从结构上看，高灵敏度陶瓷基叉指电极，包含基底层1和功能层2，功能层2设置在基底层1的表面。功能层2包含相互之间平行等距的长引脚21，分别为第一引脚211和第二引脚212。第一引脚211和第二引脚212的下端部延伸至基底层的下端构成两个引脚端点。第一引脚的上端部和第二引脚的上端部之间，分别设置有相互之间平行等距且与引脚方向垂直的一级叉指条22。第一引脚的一级叉指条221和第二引脚的一级叉指条222以齿梳状交错排列，第二引脚的一级叉指条222设置在第一引脚的一级叉指条221的间隙中。第一引脚的一级叉指条和第二引脚的一级叉指条相互之间平行等距的距离为10um。
54.第一引脚的一级叉指条221和第二引脚的一级叉指条222之间分别设置有相互之间平行等距、以齿梳状交错排列、且与所述一级叉指条22方向呈15
°
～90
°
夹角的二级叉指条23。二级叉指条相互之间平行等距的距离为10um、与一级叉指条方向呈90
°
夹角。
55.从材质上看，高灵敏度陶瓷基叉指电极的功能层2，从下往上包括导电层201、反应层202和保护层203。基底层1的材质是氧化锆陶瓷，厚度为0.38mm。导电层201由厚度0.05um的ti/cu层和厚度1um的ni 层组成。反应层202为厚度1um的ag层所组成。保护层203的材质为聚酰亚胺，厚度为5um。
56.实施例3
57.本实施例的高灵敏度陶瓷基叉指电极，参见附图5和附图9。
58.从结构上看，高灵敏度陶瓷基叉指电极，包含基底层1和功能层2，功能层2设置在基底层1的表面。功能层2包含相互之间平行等距的长引脚21，分别为第一引脚211和第二引脚212。第一引脚211和第二引脚212的下端部延伸至基底层的下端构成两个引脚端点。第一引脚的上端部和第二引脚的上端部之间，分别设置有相互之间平行等距且与引脚方向垂直的一级叉指条22。第一引脚的一级叉指条221和第二引脚的一级叉指条222以齿梳状交错排列，第二引脚的一级叉指条222设置在第一引脚的一级叉指条221的间隙中。第一引脚的一级叉指条和第二引脚的一级叉指条相互之间平行等距的距离为50um。
59.第一引脚的一级叉指条221和第二引脚的一级叉指条222之间分别设置有相互之间平行等距、以齿梳状交错排列、且与所述一级叉指条22方向呈15
°
～90
°
夹角的二级叉指条23。二级叉指条相互之间平行等距的距离为50um、与一级叉指条方向呈60
°
夹角。
60.从材质上看，高灵敏度陶瓷基叉指电极的功能层2，从下往上包括导电层201、反应层202和保护层203。基底层1的材质是氧化铝，厚度为0.50mm。导电层201由厚度0.05um的ti/cu层、厚度20um的cu层和3um的ni层组成。反应层202为厚度1um的ag层。保护层203的材质为聚酰亚胺，厚度为30um。
61.实施例4
62.本实施例的高灵敏度陶瓷基叉指电极，参见附图5和附图9。
63.从结构上看，高灵敏度陶瓷基叉指电极，包含基底层1和功能层2，功能层2设置在基底层1的表面。功能层2包含相互之间平行等距的长引脚21，分别为第一引脚211和第二引脚212。第一引脚211和第二引脚212的下端部延伸至基底层的下端构成两个引脚端点。第一引脚的上端部和第二引脚的上端部之间，分别设置有相互之间平行等距且与引脚方向垂直的一级叉指条22。第一引脚的一级叉指条221和第二引脚的一级叉指条222以齿梳状交错排列，第二引脚的一级叉指条222设置在第一引脚的一级叉指条221的间隙中。第一引脚的一
级叉指条和第二引脚的一级叉指条相互之间平行等距的距离为100um。
64.第一引脚的一级叉指条221和第二引脚的一级叉指条222之间分别设置有相互之间平行等距、以齿梳状交错排列、且与所述一级叉指条22方向呈15
°
～90
°
夹角的二级叉指条23。二级叉指条相互之间平行等距的距离为100um、与一级叉指条方向呈60
°
夹角。
65.从材质上看，高灵敏度陶瓷基叉指电极的功能层2，从下往上包括导电层201、反应层202和保护层203。基底层1的材质是氧化铝陶瓷，厚度为0.50mm。导电层201由厚度80um的cu层、厚度为5um的ni层和厚度为0.05um的pd层组成。反应层202为厚度0.1um的au层。保护层203的材质为聚酰亚胺，厚度为50um。
66.实施例5
67.本实施例的高灵敏度陶瓷基叉指电极，参见附图3和附图7。
68.从结构上看，高灵敏度陶瓷基叉指电极，包含基底层1和功能层2，功能层2设置在基底层1的表面。功能层2包含相互之间平行等距的长引脚21，分别为第一引脚211和第二引脚212。第一引脚211和第二引脚212的下端部延伸至基底层的下端构成两个引脚端点。第一引脚的上端部和第二引脚的上端部之间，分别设置有相互之间平行等距且与引脚方向垂直的一级叉指条22。第一引脚的一级叉指条221和第二引脚的一级叉指条222以齿梳状交错排列，第二引脚的一级叉指条222设置在第一引脚的一级叉指条221的间隙中。第一引脚的一级叉指条和第二引脚的一级叉指条相互之间平行等距的距离为300um。
69.第一引脚的一级叉指条221和第二引脚的一级叉指条222之间分别设置有相互之间平行等距、以齿梳状交错排列、且与所述一级叉指条22方向呈15
°
～90
°
夹角的二级叉指条23。二级叉指条相互之间平行等距的距离为300um、与一级叉指条方向呈90
°
夹角。
70.从材质上看，高灵敏度陶瓷基叉指电极的功能层2，从下往上包括导电层201、反应层202和保护层203。基底层1的材质是氮化硅陶瓷，厚度为1mm。导电层201由厚度10um的w层和厚度为5um的ni层组成。反应层202为厚度0.5um的au层。保护层203的材质厚度为10um厚膨胀系数为6～8ppm/k的硼硅酸玻璃。
71.实施例6
72.本实施例的高灵敏度陶瓷基叉指电极，参见附图3和附图7。
73.从结构上看，高灵敏度陶瓷基叉指电极，包含基底层1和功能层2，功能层2设置在基底层1的表面。功能层2包含相互之间平行等距的长引脚21，分别为第一引脚211和第二引脚212。第一引脚211和第二引脚212的下端部延伸至基底层的下端构成两个引脚端点。第一引脚的上端部和第二引脚的上端部之间，分别设置有相互之间平行等距且与引脚方向垂直的一级叉指条22。第一引脚的一级叉指条221和第二引脚的一级叉指条222以齿梳状交错排列，第二引脚的一级叉指条222设置在第一引脚的一级叉指条221的间隙中。第一引脚的一级叉指条和第二引脚的一级叉指条相互之间平行等距的距离为300um。
74.第一引脚的一级叉指条221和第二引脚的一级叉指条222之间分别设置有相互之间平行等距、以齿梳状交错排列、且与所述一级叉指条22方向呈15
°
～90
°
夹角的二级叉指条23。二级叉指条相互之间平行等距的距离为300um、与一级叉指条方向呈90
°
夹角。
75.从材质上看，高灵敏度陶瓷基叉指电极的功能层2，从下往上包括导电层201、反应层202和保护层203。基底层1的材质是氮化铝，厚度为1mm。导电层201由厚度15um的ag层和厚度为5um的ni层组成。反应层202为厚度0.5um的au层。保护层203的材质厚度为15um的膨
胀系数为6～8ppm/k的硼硅酸玻璃。
76.对比例1
77.本对比例的高灵敏度陶瓷基叉指电极，参见附图6和附图10。
78.从结构上看，高灵敏度陶瓷基叉指电极，包含基底层1和功能层2，功能层2设置在基底层1的表面。功能层2包含相互之间平行等距的长引脚21，分别为第一引脚211和第二引脚212。第一引脚211和第二引脚212的下端部延伸至基底层的下端构成两个引脚端点。第一引脚的上端部和第二引脚的上端部之间，分别设置有相互之间平行等距且与引脚方向垂直的一级叉指条22。第一引脚的一级叉指条221和第二引脚的一级叉指条222以齿梳状交错排列，第二引脚的一级叉指条222设置在第一引脚的一级叉指条221的间隙中。第一引脚的一级叉指条和第二引脚的一级叉指条相互之间平行等距的距离为100um。
79.从材质上看，高灵敏度陶瓷基叉指电极的功能层2，从下往上包括导电层201、反应层202和保护层203。基底层1的材质是氧化铝，厚度为1mm。导电层201由厚度5um的ag层和厚度为5um的ni层组成。反应层202为厚度1um的au层。保护层203的材质厚度为10um厚膨胀系数为6～8ppm/k的硼硅酸玻璃。
80.在不脱离本实用新型精神或必要特性的情况下，可以其它特定形式来体现本实用新型创造。应将上述具体实施例各方面仅视为解说性而非限制性。因此，本实用新型创造的范畴如随附申请专利范围所示而非如前述说明所示。所有落在申请专利范围的等效意义及范围内的变更应视为落在申请专利范围的范畴内。