CN113916954A - 一种片上原位微型银氯化银参比电极及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种集成片上原位微型银氯化银参比电极以及其制备方法。该片上原位微型银氯化银参比电极包括：硅基衬底，在硅基衬底结构上生长的绝缘层，溅射的金属种子层，电化学电镀的银层，以及腐蚀得到的氯化银层，滴涂法得到的保护层涂层。本发明实现的片上原位微型银氯化银参比电极和传统微机电加工工艺方法高度兼容。和商用的银氯化银参比的电极相比，具有高度集成化，微型化，应用场景多样化等优势。在生物监测和化学传感领域，能够广泛应用于生物体内实时精准电位标定，并且植入后造成较小的植入损伤。该片上原位微型银氯化银参比电极在脑科学或生物活体监测方面具有广泛的应用价值。

Description

一种片上原位微型银氯化银参比电极及其制备方法

技术领域

本发明涉及生物医学工程技术领域的生物传感检测电极，具体地，涉及一种片上原位微型银氯化银参比电极及其制备方法。

背景技术

随着生命科学的发展和人类对健康的认知的深入，科研工作这对生物体内部结构和元素以及分子含量的构成研究也不断加深，这对各种生物检测工具的多功能和微型化提出了新的挑战。生物检测工具的多功能集成和微型化集成依托于新兴的微机电系统技术飞速发展。工作电极具备各种离子检测功能，如H⁺、K⁺、Na⁺，或分子检测功能如多巴胺，谷氨酸等也不断被开发。同样和工作电极结合使用标定离子分子含量的参比电极在生物体物质监测中也具有重要的地位。

参比电极(RE)是电化学测量系统中必不可少的元素。电位计测定溶解离子所用的电化学电池的长期稳定性，主要取决于参比电极的电位稳定性。饱和甘汞电极(SCE)和Ag/AgCl电极是科学研究中常用的参考，因为它们能够在电流流过后立即恢复其第一平衡电位，并且在温度循环中也不会引起电位滞后。其中，Ag/AgCl参比电极主要用于生物传感器，以监测体内某些营养素的含量，因为其电极电位高度稳定，易于制造且没有细胞毒性，并且Ag/AgCl参比电极高温稳定性较好，在水中溶液度也较低。由在银表面上制造的氯化银组成的Ag/AgCl参比电极易于集成。例如，Jobst等人在Analytical Chemistry发表的工作“Thin-film microbiosensors for glucose-lactate monitoring”中，通过以Ag/AgCl为参比电极对含酶的光敏膜前体进行光图案化，从而实现了一种同时测量葡萄糖和乳酸水平的小型化设备。另外Brewer等人在“An improved approach for fabricating Ag/AgClreference electrodes”一文中，将Ag₂O热分解成直径为0.5mm的Pt线，并用其制作的Ag/AgCl参比电极，可在Harned池中测量pH，具有很高的重复性和确定性。在神经科学领域，Ag/AgCl参比电极也用于检测各种神经递质，中国科学院Cai等。为了开发一种可同时在活体动物大脑中进行L-谷氨酸和电生理记录的植入式微电极阵列，将一条分离的Ag丝与AgCl电沉积作为参比电极，该工作发表在Microsystems&Nanoengineering，题为“An implantablemicroelectrode array for simultaneous L-glutamate and electrophysiologicalrecordings in vivo”。将一条银线直接氯化用作参比电极，以检测大脑中的多巴胺水平的方法被广泛使用。显然，离散的银线作为参考会增加大脑中植入物的体积，这会导致更严重的慢性组织排斥，另一方面，开颅手术后植入生物传感器的难度也会增加。

综上所述，银氯化银参比电极在生物体物质监测方面具有不可或缺的地位，其集成化、微型化的应用需求也不断提高，尤其是在体内活体监测实验中的运用。因此亟需开发出一种微型集成片上原位银氯化银参比电极。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明提出了一种片上原位微型银氯化银参比电极及其制备方法。

本发明的第一方面，提供一种片上原位微型银氯化银参比电极，包括：

硅基衬底；

第一层绝缘层，设置于所述硅基衬底上；

金属种子层，设置于所述第一层绝缘层上；

第二层绝缘层，设置于所述金属种子层上，所述金属种子层暴露在所述第二层绝缘层外；

银层，设置于暴露在所述第二层绝缘层外的所述金属种子层上；

氯化银层，设置于所述银层上方，经腐蚀所述银层表面得到。

可选地，使用刻蚀的方式刻蚀所述第二层绝缘层，使所述金属种子层暴露，保留导线在所述第二层绝缘层下。

可选地，所述银层，是在暴露所述金属种子层上方使用电化学方法电镀得到。

可选地，所述片上原位微型银氯化银参比电极还包括：保护层，所述保护层为位于整个参比电极表面的涂层。进一步的，所述涂层材料为聚乙烯醇缩丁醛(PVB)粉末和氯化钠粉末(质量比5:1)溶解在甲醇溶液中搅拌一天得到的胶质液滴。

可选地，所述设置绝缘层，厚度范围在200-2000nm。

可选地，所述的金属种子层，厚度范围在200-500nm。

本发明的第二方面，提供一种片上原位微型银氯化银参比电极的制备方法，包括：

在硅基衬底上生长第一层绝缘层，在所述第一层绝缘层上生长金属种子层，通过曝光显影得到金属种子层刻蚀掩膜；

在所述金属种子层上使用干法刻蚀的方法刻蚀多余的金属种子层，得到金属种子层参比电极点和相应的导线以及后端的焊盘图形；

在所述金属种子层图形上生长第二层绝缘层，在所述第二层绝缘层上曝光显影得到第二层绝缘层暴露电极点处的掩膜；使用刻蚀方法刻蚀第二层绝缘层，仅暴露出所述金属种子层；

在所述金属种子层上方，通过电化学电镀的方法，完成银层的生长；

在所述电镀银层上方，通过腐蚀的方法将表面银层氯化形成氯化银层，形成原位微型银氯化银参比电极。

可选地，所述通过电化学电镀的方法，其中：将所述金属种子层参比电极设置为阴极，银片设置为阳极，在电镀液中完成银层的生长。

可选地，在所述原位微型银氯化银参比电极上方，使用滴涂法形成保护层。进一步的，将所述原位微型银氯化银参比电极放置于饱和KCl溶液中放置一段时间后取出使用。

本发明的第三方面，提供一种包括上述片上原位微型银氯化银参比电极的神经探针。

与现有技术相比，本发明实施例具有如下至少一种有益效果：

本发明上述的片上原位微型银氯化银参比电极及其制备方法，实现的片上原位微型银氯化银参比电极和传统微机电加工工艺方法高度兼容。和商用的银氯化银参比的电极相比，具有高度集成化，微型化，应用场景多样化等优势。

本发明上述的片上原位微型银氯化银参比电极可以应用在生物监测和化学传感领域，能够广泛应用于生物体内以较小的侵入损伤进行实时精准的电位标定。该片上原位微型银氯化银参比电极在脑科学或生物活体监测方面具有广泛的应用价值。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明一实施例中片上原位银氯化银参比电极的结构和制备工艺流程图；

图2a为本发明一实施例中包含片上原位银氯化银参比电极的神经探针结构图；

图2b为图2a的神经探针a-a’区域横截面示意图；

图3为本发明一实施例中微型电极点上电镀银的实验装置示意图以及电流电压曲线；

图4为本发明一实施例制备片上原位银氯化银参比电极过程中的实物图；

图5为本发明一实施例片上电镀银和最终制备银氯化银参比电极的X射线衍射分析图谱对比；

图6为本发明一实施例制备的片上原位银氯化银参比电极结合片上氧化铱电极进行pH值标定曲线和对应的拟合曲线分析图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

参照图1所示，为本发明一优选实施例中的片上原位微型银氯化银参比电极制备流程和结构示意，具体的，片上原位微型银氯化银参比电极包括：硅基衬底、第一层绝缘层、金属种子层、第二层绝缘层、银层和氯化银层；其中，第一层绝缘层设置于硅基衬底上；金属种子层设置于第一层绝缘层上；第二层绝缘层设置于金属种子层上，金属种子层暴露在第二层绝缘层外；银层设置于暴露在第二层绝缘层外的金属种子层上；氯化银层设置于银层上方，经腐蚀所述银层表面得到。

参照图1所示，本实施例中，使用刻蚀的方式刻蚀第二层绝缘层，仅暴露出金属种子层，保留导线在第二层绝缘层下。在暴露的金属种子层上方使用电化学方法电镀得到银层，在电镀银层上方腐蚀表面银层得到氯化银层。

为了更好保护上述结构，在另一优选实施例中，在片上原位微型银氯化银参比电极在上述结构基础上，还进一步包括保护层，保护层是一层在片上原位微型银氯化银参比电极外面的涂层。涂层材料为聚乙烯醇缩丁醛(PVB)粉末和氯化钠粉末溶解在甲醇溶液中搅拌一天得到的胶质液滴。该保护层主要是金属种子层、银层和氯化银层等进行保护，防止其在使用过程中损伤，提高准确率以及延长使用寿命。

在本发明的部分实施例中，第一绝缘层、第二绝缘层通过生长方式设置，生长绝缘层的方式包括但不限于等离子体增强化学气相沉积、热氧化生长、多靶磁控溅射、低压化学气相沉积等薄膜生长工艺。绝缘层材料包括但不限于氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、氧化硅/氮化硅复合薄膜等。较优实施例中，绝缘层厚度范围在200-2000nm。

在本发明的部分实施例中，生长金属种子层的方式包括但不限于多靶磁控溅射、电化学电镀、电子束蒸发、离子束溅射等金属薄膜生长方式，金属层包括但不限于铜、金、铂、银、铬等，较优实施例中，金属种子层的范围在200-500nm。

在本发明的部分实施例中，在电镀银层上方腐蚀表面银层得到氯化银层，腐蚀环境包括但不限于NaCl、KCl、HCl等富含氯离子的溶液中。

参照图1所示，在本发明另一较优实施例中，还提供一种片上原位微型银氯化银参比电极的制备方法，包括：

S1，在硅基衬底上生长第一层绝缘层，在第一层绝缘层上生长金属种子层，通过曝光显影得到金属种子层刻蚀掩膜；

S2，在金属种子层上使用干法刻蚀的方法刻蚀多余的金属种子层，得到金属种子层参比电极点和相应的导线以及后端的焊盘图形；

S3，在金属种子层图形上生长第二层绝缘层，在第二层绝缘层上曝光显影得到第二层绝缘层暴露电极点处的掩膜；使用刻蚀方法刻蚀第二层绝缘层，仅暴露出金属种子层；

S4，在金属种子层上方，通过电化学电镀的方法，将金属种子层参比电极设置为阴极，银片设置为阳极，在电镀液中完成银层的生长；

S5，在电镀银层上方，通过腐蚀的方法将表面银层氯化形成氯化银层，形成原位微型银氯化银参比电极；

S6，在银氯化银参比电极上方，使用滴涂法形成保护层。涂层材料为聚乙烯醇缩丁醛(PVB)粉末和氯化钠粉末(质量比5:1)溶解在甲醇溶液中搅拌一天得到的胶质液滴。

上述步骤S1-S6制备得到的原位微型银氯化银参比电极，使用前，可以将得到的原位微型银氯化银参比电极放置于饱和KCl溶液中放置24h后取出再使用。

本发明上述实施例中，片上原位微型银氯化银参比电极和传统微机电加工工艺方法高度兼容，具有高度集成化，微型化，能够广泛应用于生物体内实时精准电位标定，并且植入后造成较小的植入损伤。

参照图2a、2b所示，在另一实施例中，提供一种集成图1所示的片上原位微型银氯化银参比电极的神经探针。从图上可以看出，该神经探针包含三类电极点，分别为片上原位微型银氯化银参比电极1、氧化铱修饰的pH检测电极点2以及微电极点3，其中，片上原位微型银氯化银参比电极1主要目的是结合氧化铱修饰的pH检测电极点进行pH的精准标定；氧化铱修饰的pH检测电极点2主要目标是记录脑区内部的pH值变化，微电极点3主要致力于记录神经元动作电位。图2a中的4为封装的焊盘区域。其中图2b为图2a中a-a’区域横截面示意图。

结合上述的说明，以下给出具体下集成片上原位银氯化银参比电极的神经探针的实施方法。

如图1所示，本实施例中：

使用硅片作为传感器的衬底材料，将硅片分别放入丙酮，乙醇和去离子水中超声清洗5分钟，然后用氮气吹干后放入180℃烘箱中烘烤0.5小时。

使用等离子体增强化学气相沉积系统(PECVD)在硅片正面沉积800nm氧化硅和200nm氮化硅作为第一层绝缘层。在第一层绝缘层上溅射一层Cr/Au金属层作为导电层，Cr/Au金属层的厚度为30/300nm。接着在金属层上甩正胶(HJ6030)5μm，光刻后显影。在110℃热板上烘烤10分钟后使用离子束刻蚀设备将金属层图形化。这个步骤是形成电极点，导线和焊盘区域的导电层图形。

再次使用等离子体增强化学气相沉积系统在硅片正面沉积面沉积800nm氧化硅和200nm氮化硅作为第二层绝缘层材料。再次甩正胶(HJ6030)5μm，光刻后显影。在110℃热板上烘烤10分钟后使用反应离子刻蚀设备将第二层绝缘层图形化。这个步骤是暴露出电极点，焊盘以及电极轮廓线。

甩正胶(HJ6030)5μm，光刻后显影。在110℃热板上烘烤15分钟后使用反应离子刻蚀设备将第一层绝缘层图形化。这个步骤是图形化暴露出电极释放轮廓线以及凹槽轮廓线。接着使用激光刻蚀技术沿着暴露出的轮廓线进行刻蚀，得到单个神经探针。

将神经探针放入丙酮中去胶，使用金丝球焊将神经探针的电极和PCB的焊盘连接导通。

将封装好的神经探针按图3中(a)装置配置好，以99.9％的纯银片作为阳极，以微型金种子层电极作为阴极，在阳极上施加一定强度的电流密度在银电镀液开始电镀，电镀时保证超声恒温水浴的环境，电镀时间为20min。其电镀电流电压曲线如图3中(b)所示。

将电镀银后的片上原位微型银氯化银参比电极置于饱和氯化钾溶液中进行腐蚀氯化，其氯化装置如图3中(c)所示，其中阳极为待氯化的微型参比电极，阴极为铂片电极，氯化时间10min，氯化的电流电压曲线如图3中(d)所示。

将氯化完毕的片上原位微型银氯化银参比电极放于显微镜下方，使用注射针头，吸取一定量的PVB胶质液滴，缓慢滴涂到银氯化银参比电极上方，直到液滴将参比电极完全覆盖，得到完整的保护涂层。

最后将形成保护层的片上原位微型银氯化银参比电极置于饱和KCl溶液中放置24h后取出使用。

为了证明本发明提出的一种片上原位微型银氯化银参比电极及其制备方法的可行性，图4展示了制备片上原位银氯化银参比电极不同过程的实物图，分别是(a)为溅射的金种子层，(b)为电化学电镀银层，(c)为表面银层被氯化。图5为本发明一实施例制备片上原位银氯化银参比电极过程中的实物图，(a)为溅射的金种子层，(b)为电化学电镀银层，(c)为表面银层被氯化，(d)为制备银氯化银参比电极的扫描电镜形貌图。

另一方面，通过X射线衍射分析进一步验证银层和氯化银层的有效制备。从图5可以看出，制备的银层主要有三个衍射峰，分别在38.03°,44.16°和64.34°，将银层氯化后，增加了27.89°,32.31°,46.28°,54.87°,57.52°和76.74°.衍射峰，这些衍射峰都和氯化银的衍射峰匹配良好，证明制备银层和氯化银层的有效性。

另外通过结合氧化铱修饰pH敏感电极点进行体外pH值的标定。如图6中(a)所示，分别以6个氧化铱电极点作为工作电极，制备的片上原位银氯化银作为微型参比电极，成功实现了在不同pH值溶液中检测出不同的开路电压，其拟合的线性关系如图6中(b)，为y＝-0.0547*x+0.454，表明氧化铱电极点的灵敏度为54.7mV/pH。

总体来说，本发明提出一种集成片上原位银氯化银参比电极和商用的银氯化银参比电极相比，具有高度集成化，微型化，应用场景多样化等优势。在生物监测和化学传感领域，能够广泛应用于生物体内以较小的侵入损伤进行实时精准的电位标定。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (10)

1.一种片上原位微型银氯化银参比电极，其特征在于，包括：

硅基衬底；

第一层绝缘层，设置于所述硅基衬底上；

金属种子层，设置于所述第一层绝缘层上；

第二层绝缘层，设置于所述金属种子层上，所述金属种子层暴露在所述第二层绝缘层外；

银层，设置于暴露在所述第二层绝缘层外的所述金属种子层上；

氯化银层，设置于所述银层上方，经腐蚀所述银层表面得到。

2.根据权利要求1所述的一种片上原位微型银氯化银参比电极，其特征在于，使用刻蚀的方式刻蚀所述第二层绝缘层，使所述金属种子层暴露，保留导线在所述第二层绝缘层下。

3.根据权利要求1所述的一种片上原位微型银氯化银参比电极，其特征在于，所述银层，是在暴露所述金属种子层的上方使用电化学方法电镀得到。

4.根据权利要求1所述的一种片上原位微型银氯化银参比电极，其特征在于，还包括：保护层，所述保护层为位于整个参比电极表面的涂层，所述涂层材料为聚乙烯醇缩丁醛粉末和氯化钠粉末溶解在甲醇溶液中搅拌一天得到的胶质液滴，其中聚乙烯醇缩丁醛粉末和氯化钠粉末质量比为5:1。

5.根据权利要求1所述的一种片上原位微型银氯化银参比电极，其特征在于，所述设置绝缘层，厚度范围在200-2000nm。

6.根据权利要求1所述的一种片上原位微型银氯化银参比电极，其特征在于，所述的金属种子层，厚度范围在200-500nm。

7.一种权利要求1-6任一项所述的片上原位微型银氯化银参比电极的制备方法，其特征在于，包括：

在硅基衬底上生长第一层绝缘层，在所述第一层绝缘层上生长金属种子层，通过曝光显影得到金属种子层刻蚀掩膜；

在所述金属种子层上使用干法刻蚀的方法刻蚀多余的金属种子层，得到金属种子层参比电极点和相应的导线以及后端的焊盘图形；

在所述金属种子层图形上生长第二层绝缘层，在所述第二层绝缘层上曝光显影得到第二层绝缘层暴露电极点处的掩膜；使用刻蚀方法刻蚀第二层绝缘层，仅暴露出所述金属种子层；

在所述金属种子层上方，通过电化学电镀的方法，完成银层的生长；

在所述电镀银层上方，通过腐蚀的方法将表面银层氯化形成氯化银层，形成原位微型银氯化银参比电极。

8.根据权利要求7所述的片上原位微型银氯化银参比电极的制备方法，其特征在于，所述通过电化学电镀的方法，其中：将所述金属种子层参比电极设置为阴极，银片设置为阳极，在电镀液中完成银层的生长。

9.根据权利要求7所述的片上原位微型银氯化银参比电极的制备方法，其特征在于，在所述原位微型银氯化银参比电极上方，使用滴涂法形成保护层。

10.一种神经探针，其特征在于，包括权利要求1-6任一项所述的原位微型银氯化银参比电极。

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