专利名称：一种高深宽比超微钨电极阵列及其制备方法
技术领域：
本发明属于微传感技术领域，主要用于生物、医学、电化学和环境监测等方面，特别涉及一种用于细胞和神经等微区信息记录及电刺激的高深宽比超微钨电极阵列及其制备方法。
背景技术：
高深宽比超微钨电极阵列及其制备方法属于微传感检测技术领域，主要用于生物、医学、电化学和环境监测等方面，特别用于微区分析、电刺激脑细胞、治疗帕金森症、修复听力和视力等。该类电极阵列可以实现对多个目标分子的实时检测，同时由于其检测中去掉了化学及免疫分析中必不可少的标记物而大大提高了检测的专一性和灵敏度；不仅如此，它还可以高通量、微型化、快速地进行相关参数的检测。超微电极阵列由多个超微电极按特定的排列结构组合而成。和单一超微电极相比较，超微电极阵列不但可显著提高检出信号的电流强度，同时又可保持单一超微电极的特性。制备技术是高深宽比超微电极阵列研究的关键，正受到越来越多研究小组的关注。日本的Hirokazu Takahashi对玻璃基底上的聚酰亚胺薄膜进行激光加工，得到特定的栅线掩膜图形；然后用喷砂工艺刻蚀玻璃衬底，形成节距为400 μ m,宽度为120 μ m、高度为120 μ m 的栅线结构模具；再用该模具热压聚苯乙烯，形成同样结构尺寸的聚苯乙烯凹槽结构，并在各凹槽中置入100 μ m的钨丝，形成单层钨微电极阵列；最后把得到的多个单层钨微电极阵列叠加在一起并进行热压成型，得到节距为400 μ m的多层钨微电极阵列。由于采用了热压技术，且多次使用掩膜图形、模具，从而限制了电极深宽比的进一步提高，不易实现批量化生产。美国麻省理工学院的Timothy Aiofonoff等人用电火花放电加工(EDM)工艺在钛块体材料表面上直接加工钛超微电极阵列先在钛块体材料表面特定方向加工出一组深槽阵列结构图案；然后把该钛块旋转一定角度(90°或60°等)，再用EDM工艺在其表面上加工另一组深槽阵列结构图案；依次重复上述加工步骤，直到钛块等分转完360° ；上述结构图案互相交叉，即可得到高度为Imm (或5mm)，节距500 μ m (或250 μ m)的四方形或六角形电极阵列；在用化学刻蚀工艺刻蚀该阵列图形结构，以便进一步减小单电极截面尺寸，最终得到钛超微电极阵列。由于受EDM放电加工原理的影响，所得电极易于弯曲变形，故电极径向尺寸不能太小，深宽比不能过大。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的缺陷，提供一种高深宽比超微钨电极阵列及其制备方法。按本发明的制备方法制备的超微钨电极阵列具有高深宽比、高精度、阵列可任意调整、成本低、可批量生产的特点。为达到上述目的，本发明高深宽比超微钨电极阵列包括环氧树脂和贯穿于该环氧树脂的钨丝所形成超微钨电极阵列。所述的超微钨电极阵列为mXn的阵列，其中m = 2-10,η = 2-10相邻钨丝(5)的间距为 150-300 μ m。所述的钨丝的直径为25-300 μ m。本发明的制备方法如下1)取nX 2块的铜制夹板及直径为25-300 μ m的钨丝用无水乙醇清洗，其中η = 2-10 ；所述的铜制夹板的尺寸为(10.00+乂丫)111111\10111111\2111111，其中乂= 0.15-0.3111111，￥为 0至9的自然数；2)利用线切割工艺在步骤1)所述的ηΧ2块铜板的(10. 00+XY)mmX IOmm的平面中间对称加工出m个宽为35-310 μ m、深度为40-320 μ m的圆弧凹槽，相邻圆弧凹槽的间距为 150-300 μ m，其中 m = 2-10 ；3)利用线切割工艺从2块15mmX IOmmX 2mm铜板的15. OOmm边上依次加工出m个宽为35-310 μ m、深度为6-8mm的圆弧凹槽，相邻圆弧凹槽的间距为150-300 μ m的正面挡板，其中m = 2-10 ；4)取40mmX IOmmX IOmm铜块，在铜块两端加工出12_X 10_X 5mm的平台，形成
铜质底座；5)利用铣削和磨削工艺加工出2块40mmX 20mmX 2mm侧面挡板；6)将两个正面挡板、两个IOmmX IOmmX 2mm铜制夹板和底座固定在一起；7)将m根钨丝分别穿过上述固定好的正面挡板，并将钨丝两端放置在铜制夹板的凹槽内，用热熔胶将其粘接固定在铜制夹板背面的凹槽内；8)将两个10. 15mmX IOmmX 2mm的铜制夹板分别固定在2个IOmmX IOmmX 2mm铜
制夹板两侧，然后重复步骤7)；9)重复步骤8)，直至制备出mXn的钨丝阵列；10)将侧面挡板与底座紧固，从而与2块正面挡板形成一个型腔；11)在上述型腔中浇注环氧树脂(6)并使其固化，再对上述钨丝进行修剪；12)依次拆卸2块侧面挡板、nX2块铜制夹板、2块正面挡板和1块底座，得到高深宽比mXn的超微钨电极阵列。本发明采用夹具进行超微钨电极阵列的装配。通过多块铜制夹板对钨丝进行定位并形成特定阵列；由正面挡板、侧面挡板与底座形成包围钨丝阵列的长方体型腔，在其中浇铸环氧树脂并固化，最终形成贯穿环氧树脂的高深宽比钨超微电极阵列。与其他制备方法相比较，本发明所制备的超微钨电极阵列具有高深宽比、高精度、阵列可任意调整、成本低、 可批量生产等特点。
图Ia是本发明实施例的三维视图，图Ib是图Ia的截面图；图加是本发明实施例铜制夹板的结构示意图，图2b是图加的侧视图；图3a是本发明实施例正面挡板结构示意图，图北是图3a的侧视图；图4是本发明实施例底座的结构示意图；图5是本发明实施例侧面挡板结构示意图；图6是本发明实施例的制备流程图。
具体实施例方式以下结合附图及实施例对本发明作进一步的详细说明。1)取5 X 2块的铜制夹板及直径为50 μ m的钨丝用无水乙醇清洗；所述的铜制夹板的尺寸为(10.00、10. 15、10. 30、10. 45、10. 60)mmX IOmmX 2mm ；2)参见图2，利用线切割工艺在步骤1)所述的5X2块铜板的(10.00、10. 15、 10. 30、10. 45、10. 60)mmX10mm的平面中间对称加工出6个宽为60 μ m、深度为80 μ m的圆弧凹槽，相邻圆弧凹槽的间距为150 μ m，工艺参数空载电压70-90V，峰值电流< 4. 8A，脉冲宽度2-6 μ s，脉冲间隔< 3 μ s，走丝速度lm/min，进给速度lOmm/min，冷却液为去离子水；3)参见图3，利用线切割工艺从2块15mmX IOmmX 2mm铜板的15. OOmm边上依次加工出6个宽为60 μ m、深度为6mm的圆弧凹槽，相邻圆弧凹槽的间距为150-300 μ m的正面挡板；其厚度可确保钨丝阵列具有高深宽比的特点。工艺参数空载电压70-90V，峰值电流 < 4. 8A，脉冲宽度2-6 μ s，脉冲间隔< 3 μ s，走丝速度lm/min，进给速度lOmm/min，冷却液为去离子水；4)参见图4，取40mmX IOmmX IOmm铜块，在铜块两端加工出12mmX IOmmX 5mm的平台，形成铜质底座3，工艺参数砂轮速度1440r/min，进给速度3-4m/min ；5)参见图5，利用铣削和磨削工艺加工出2块40mmX20mmX2mm侧面挡板，工艺参数砂轮速度1440r/min ；进给速度3-4m/min，；6)参见图6a，将两个正面挡板2-1、2-2、两个IOmmX IOmmX 2mm铜制夹板1-1、1-6
和底座3固定在一起；7)参见图6b，将6根钨丝分别穿过上述固定好的正面挡板2-1、2_2，并将钨丝两端放置在铜制夹板1-1、1_6的凹槽内，用热熔胶将其粘接固定在铜制夹板背面的凹槽内；8)参见图6c，将两个10. 15mmX IOmmX2mm的铜制夹板1_2、1_7分别固定在2个 IOmmX IOmmX 2mm铜制夹板1-1、1-6的两侧，然后重复步骤7)；9)参见图6d，重复步骤8)，直至另外三对(10. 30mm, 10. 45mm, 10. 60mm) X IOmmX 2mm铜制夹板及相应的6X 3根钨丝固定完毕制备出6X5的钨丝阵列；10)参见图6e，将两个侧面挡板4与底座3紧固，从而与2块正面挡板2_1、2_2形成一个型腔；11)参见图6f，在上述型腔中浇注环氧树脂(6)并使其固化，再对上述钨丝进行修剪；12)参见图1，2，依次拆卸2块侧面挡板4、10块铜制夹板、2块正面挡板和1块底座，得到高深宽比6X5的超微钨电极阵列。本发明利用线切割工艺可加工高精度、窄凹槽的特点，完成铜制夹板和正面挡板中关键尺寸要素的加工，进而保证超微钨电极阵列中电极之间的水平方向间距；用铣削和磨削工艺得到铜制夹板的精确高度，确保超微钨电极阵列中电极之间的垂直方向间距；依靠铣削和磨削工艺实现正面挡板的精确加工，其厚度可确保钨丝阵列具有高深宽比的特点；改变正面挡板的厚度可方便调整超微钨电极阵列深宽比；一次成型高深宽比的超微钨电极阵列，实现批量化得到精确定位的高深宽比钨电极阵列。
权利要求
1.一种高深宽比超微钨电极阵列，其特征在于包括环氧树脂(6)和贯穿于该环氧树脂(6)的钨丝(5)所形成超微钨电极阵列。
2.根据权利要求1所以述的高深宽比超微钨电极阵列，其特征在于所述的超微钨电极阵列为mXn的阵列，其中m = 2-10, η = 2-10相邻钨丝(5)的间距为150-300 μ m。
3.根据权利要求1所以述的高深宽比超微钨电极阵列，其特征在于所述的钨丝的直径为 25-300 μ m。
4.一种高深宽比超微钨电极阵列的制备方法，其特征在包括下述步骤1)取nX2块的铜制夹板及直径为25-300 μ m的钨丝用无水乙醇清洗，其中η = 2-10 ； 所述的铜制夹板的尺寸为(10. 00+ΧΥ)謹Χ10_Χ2謹，其中X = O. 15-0. 3mm，Y为0至9的自然数；2)利用线切割工艺在步骤1)所述的nX2块铜板的(10.00+XY)mmX10mm的平面中间对称加工出m个宽为35-310 μ m、深度为40-320 μ m的圆弧凹槽，相邻圆弧凹槽的间距为 150-300m，其中 m = 2-10 ；3)利用线切割工艺从2块15mmXIOmmX 2mm铜板的15. OOmm边上依次加工出m个宽为35-310 μ m、深度为6-8mm的圆弧凹槽，相邻圆弧凹槽的间距为150-300 μ m的正面挡板， 其中 m = 2-10 ；4)取40mmXIOmmX IOmm铜块，在铜块两端加工出12mmX IOmmX 5mm的平台，形成铜质底座；5)利用铣削和磨削工艺加工出2块40mmX20mmX 2mm侧面挡板；6)将两个正面挡板、两个IOmmXIOmmX 2mm铜制夹板和底座固定在一起；7)将m根钨丝分别穿过上述固定好的正面挡板，并将钨丝两端放置在铜制夹板的凹槽内，用热熔胶将其粘接固定在铜制夹板背面的凹槽内；8)将两个10.15mmX IOmmX 2mm的铜制夹板分别固定在2个IOmmX IOmmX 2mm铜制夹板两侧，然后重复步骤7)；9)重复步骤8)，直至制备出mXn的钨丝阵列；10)将侧面挡板与底座紧固，从而与2块正面挡板形成一个型腔；11)在上述型腔中浇注环氧树脂(6)并使其固化，再对上述钨丝进行修剪；12)依次拆卸2块侧面挡板、nX2块铜制夹板、2块正面挡板和1块底座，得到高深宽比mXn的超微钨电极阵列。
全文摘要
一种高深宽比超微钨电极阵列及其制备方法，首先制作铜制夹板、正面挡板、侧面挡板和底座，然后将正面挡板、铜制夹板和底座固定在一起；将钨丝分别穿过正面挡板，并将钨丝两端放置在铜制夹板的凹槽内，用热熔胶将其粘接固定在铜制夹板背面的凹槽内；重复将铜制夹板分别固定制备出m×n的钨丝阵列；将侧面挡板与底座紧固，从而与正面挡板形成一个型腔；在上述型腔中浇注环氧树脂并使其固化，再对上述钨丝进行修剪；依次拆卸侧面挡板、铜制夹板、正面挡板和底座，得到高深宽比m×n的超微钨电极阵列。与其他制备方法相比较，本发明所制备的超微钨电极阵列具有高深宽比、高精度、阵列可任意调整、成本低、可批量生产等特点。
文档编号G01N27/30GK102353706SQ201110151609
公开日2012年2月15日 申请日期2011年6月9日 优先权日2011年6月9日
发明者周贵庭, 景蔚萱, 樊哲, 牛玲玲, 蒋庄德 申请人:西安交通大学