一种陶瓷基传感电极表面精细线路的制作方法与流程

本发明涉及传感电路技术领域，，具体涉及一种陶瓷基传感电极表面精细线路的制作方法。

背景技术：

poct（pointofcaretesting），定义为即时检测，具体指在病人旁边进行的临床检测，即在现场采用并即刻进行分析。快速得到检测结果。而poct快检芯片，则是配套应用于相关医疗仪器的传感电路，以达到仪器快速检测的结果。poct拥有快速、便捷、节约成本等特点，具体表现为即时得到检测结果，且仪器操作简便，且单体检验成本降低。即时诊断（poct）仅保留和诊断最核心的采样、分析、质控、输出环节，大大降低了诊断时间，满足在最短时间内得到准确检验结果的要求，且降低诊断操作的难度，拓展检测空间，在基层医疗机构、家庭日常和突发事件等场景中得到广泛应用。

与之对应，poct产品具有“小型便携、操作简单、使用方便、报告即时”等特点，其价格相较于实验室大型诊断设备较低，适合基层医疗卫生机构使用，在满足医疗检测服务的同时大幅降低了仪器设备资金的投入，符合国家分级诊疗政策的大趋势，是发挥基层医疗卫生机构早期诊断、预防功能、慢性病管理等作用的重要方式。在个人及家庭健康管理中，自我检测的地位十分突出，poct产品则是最佳检验选择，而在二、三级医院中，poct产品将与大型诊断设备相互补充，越来越多地发挥检验作用。

目前，用于poct的技术主要分为免疫层析技术、生物传感技术及生物芯片技术，大多是基于免疫学反应和生化反应。

近年来，研究工作者对生物传感器的性能及器件进行改进及集成，出现了许多新的技术及方法的融合，包括:基于微流控芯片的生物传感器、基于纸的生物传感器、基于纳米材料的生物传感器、基于手机检测平台的生物传感器和集成的智能型生物传感器。

poct作为体外诊断行业的重要细分领域，其产品凭借快速、便携、操作方便等优势，在医院检测科、急诊、基层医疗、家庭健康管理、病理检测等多个领域得到广泛应用。随着对于即时快检的需求增长，poct市场在全球范围内的发展较为稳定，随着体外诊断试剂行业的发展和相关行业对于poct认可度的提高，全球poct行业市场规模持续扩大，根据美国咨询机构rncos报告，2013年全球poct的市场规模达到160亿美元，预计未来将保持约8%的年复合增速，于2018年提高到240亿美元。从全球区域看，医疗卫生发展水平较高的发达国家是poct的主要市场，其中美国、欧洲和日本位居前三位，市场份额分别为47%、30%和12%，而中国、印度、巴西等新兴市场，尽管占比较小，但发展速度快于平均水平，是全球poct行业增长的主要动力。

生物医用电极作为检测系统最为关键的核心部件之一，可以起到生物电信号的激励、采集、传导等作用，但是由于生物电信号较弱，在多数情况下通常需要使用多个电极来同时进行生物电信号的采集与分析。因此，生物医用电极一般要求具有良好的导电性能，通常是采用硅基材料或聚合物材料表面覆盖一层易导电金属层的方式制造加工形成。由于生物医用电极使用过程中与人体组织直接接触，往往需要尽量减少电极的接触阻抗以获得稳定的生理信号，同时还要求无毒无害，以避免引发过敏等不良生理反应。为减少检测过程中由于运动产生的干扰问题，通常选用与皮肤高度贴合的电极材料或利用泡沫背衬结构应用于生物医用电极中起到缓冲减震的使用效果。但是，在现有技术中，电极的可靠性和灵敏度还是不够理想。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供一种陶瓷基传感电极表面精细线路的制作方法，本发明的陶瓷基传感电极表面精细线路可靠性更高，灵敏度更好。

本发明的技术方案为：一种陶瓷基传感电极表面精细线路的制作方法，包括陶瓷基体，其特征在于，包括以下步骤：

s1.在陶瓷基体表面布置精细线路，所述精细线路的线宽为5-100μm、线距为5-100μm；

s2.在精细线路的表面修饰纳米多孔金；

s3.将工作电极、参比电极、对电极集成到陶瓷基体的对应平面的叉指电极上。

进一步的，所述步骤s1包括以下具体步骤：

步骤a：将陶瓷基体表面作金属化处理；

步骤b：通过电化学加工铜层获得高导电金属层；

步骤c：利用紫外线光刻技术获得精细的铜层线路；

步骤d：在高导电金属层上镀金层；

步骤e：在光刻加工基础上，加厚金层到指定厚度。

进一步的，所述步骤a的金属化处理是在陶瓷基体上溅射钛-钨离子。

进一步的，所述步骤s2包括以下具体步骤：

步骤1）：在金层上用电化学加工金锡共晶；

步骤2）通过化学除锡，得到纳米多孔金修饰的叉指电极。

本发明中多孔金表面修饰技术增加了传感器的灵敏度，通过纳米多孔金修饰可大幅增加活性物质负载，提高生物传感、电化学传感和气敏传感器件的灵敏度。纳米多孔金稳定性好，在其表面上易于负载各种敏感活性物质。

进一步的，所述步骤s3中，工作电极为金电极，对电极为铂电极，参比电极为氯化银电极。

进一步的，所述工作电极与对电极之间的距离为50-100μm。工作电极和对电极距离在50-100μm之间，距离较短，可以显著地消除电化学测试过程中的浓差极化，可检测电极活性材料的本征电催化活性。

进一步的，所述陶瓷基体为氮化铝陶瓷基体。

进一步的，所述传感电极还包括检测仪器和数据分析模组，传感电极接于检测仪器的输入端，检测仪器的输出端接数据分析模组。

本发明的有益效果在于：

本发明通过在陶瓷基体表面布置精细线路，以提高传感电极的可靠性，通过在精细线路的表面修饰纳米多孔金，以提高传感电极的灵敏度，通过将工作电极、参比电极、对电极集成到陶瓷基体的对应平面的叉指电极上，可缩小传感电极的体积，实现小型化。

附图说明

利用附图对发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图：

图1是本发明的基于陶瓷表面精细线路的电路板的多孔金修饰叉指电极的结构示意图；

图2是本发明的基于陶瓷表面精细线路的电路板的正面结构示意图；

图3是本发明的基于陶瓷表面精细线路的电路板的背面结构示意图；

其中，陶瓷基板1、多孔金修饰叉指电极2；工作电极w，参比电极r，对电极c。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

一种陶瓷基传感电极表面精细线路的制作方法，包括陶瓷基体，其特征在于，包括以下步骤：

s1.在陶瓷基体表面布置精细线路，所述精细线路的线宽为5μm、线距为5μm；

s2.在精细线路的表面修饰纳米多孔金；

s3.将工作电极、参比电极、对电极集成到陶瓷基体的对应平面的叉指电极上。

进一步的，所述步骤s1包括以下具体步骤：

步骤a：将陶瓷基体表面作金属化处理；

步骤b：通过电化学加工铜层获得高导电金属层；

步骤c：利用紫外线光刻技术获得精细的铜层线路；

步骤d：在高导电金属层上镀金层；

步骤e：在光刻加工基础上，加厚金层到指定厚度。

进一步的，所述步骤a的金属化处理是在陶瓷基体上溅射钛-钨离子。

进一步的，所述步骤s2包括以下具体步骤：

步骤1）：在金层上用电化学加工金锡共晶；

步骤2）通过化学除锡，得到纳米多孔金修饰的叉指电极。

本发明中多孔金表面修饰技术增加了传感器的灵敏度，通过纳米多孔金修饰可大幅增加活性物质负载，提高生物传感、电化学传感和气敏传感器件的灵敏度。纳米多孔金稳定性好，在其表面上易于负载各种敏感活性物质。

进一步的，所述步骤s3中，工作电极为金电极，对电极为铂电极，参比电极为氯化银电极。

进一步的，所述工作电极与对电极之间的距离为50μm。工作电极和对电极距离在50-100μm之间，距离较短，可以显著地消除电化学测试过程中的浓差极化，可检测电极活性材料的本征电催化活性。

进一步的，所述陶瓷基体为氮化铝陶瓷基体。

进一步的，所述传感电极还包括检测仪器和数据分析模组，传感电极接于检测仪器的输入端，检测仪器的输出端接数据分析模组。

本发明的有益效果在于：

本发明通过在陶瓷基体表面布置精细线路，以提高传感电极的可靠性，通过在精细线路的表面修饰纳米多孔金，以提高传感电极的灵敏度，通过将工作电极、参比电极、对电极集成到陶瓷基体的对应平面的叉指电极上，可缩小传感电极的体积，实现小型化。

实施例2

一种陶瓷基传感电极表面精细线路的制作方法，包括陶瓷基体，其特征在于，包括以下步骤：

s1.在陶瓷基体表面布置精细线路，所述精细线路的线宽为100μm、线距为100μm；

s2.在精细线路的表面修饰纳米多孔金；

s3.将工作电极、参比电极、对电极集成到陶瓷基体的对应平面的叉指电极上。

进一步的，所述步骤s1包括以下具体步骤：

步骤a：将陶瓷基体表面作金属化处理；

步骤b：通过电化学加工铜层获得高导电金属层；

步骤c：利用紫外线光刻技术获得精细的铜层线路；

步骤d：在高导电金属层上镀金层；

步骤e：在光刻加工基础上，加厚金层到指定厚度。

进一步的，所述步骤a的金属化处理是在陶瓷基体上溅射钛-钨离子。

进一步的，所述步骤s2包括以下具体步骤：

步骤1）：在金层上用电化学加工金锡共晶；

步骤2）通过化学除锡，得到纳米多孔金修饰的叉指电极。

本发明中多孔金表面修饰技术增加了传感器的灵敏度，通过纳米多孔金修饰可大幅增加活性物质负载，提高生物传感、电化学传感和气敏传感器件的灵敏度。纳米多孔金稳定性好，在其表面上易于负载各种敏感活性物质。

进一步的，所述步骤s3中，工作电极为金电极，对电极为铂电极，参比电极为氯化银电极。

进一步的，所述工作电极与对电极之间的距离为100μm。工作电极和对电极距离在50-100μm之间，距离较短，可以显著地消除电化学测试过程中的浓差极化，可检测电极活性材料的本征电催化活性。

进一步的，所述陶瓷基体为氮化铝陶瓷基体。

进一步的，所述传感电极还包括检测仪器和数据分析模组，传感电极接于检测仪器的输入端，检测仪器的输出端接数据分析模组。

实施例3

一种陶瓷基传感电极表面精细线路的制作方法，包括陶瓷基体，其特征在于，包括以下步骤：

s1.在陶瓷基体表面布置精细线路，所述精细线路的线宽为10μm、线距为10μm；

s2.在精细线路的表面修饰纳米多孔金；

s3.将工作电极、参比电极、对电极集成到陶瓷基体的对应平面的叉指电极上。

进一步的，所述步骤s1包括以下具体步骤：

步骤a：将陶瓷基体表面作金属化处理；

步骤b：通过电化学加工铜层获得高导电金属层；

步骤c：利用紫外线光刻技术获得精细的铜层线路；

步骤d：在高导电金属层上镀金层；

步骤e：在光刻加工基础上，加厚金层到指定厚度。

进一步的，所述步骤a的金属化处理是在陶瓷基体上溅射钛-钨离子。

进一步的，所述步骤s2包括以下具体步骤：

步骤1）：在金层上用电化学加工金锡共晶；

步骤2）通过化学除锡，得到纳米多孔金修饰的叉指电极。

本发明中多孔金表面修饰技术增加了传感器的灵敏度，通过纳米多孔金修饰可大幅增加活性物质负载，提高生物传感、电化学传感和气敏传感器件的灵敏度。纳米多孔金稳定性好，在其表面上易于负载各种敏感活性物质。

进一步的，所述步骤s3中，工作电极为金电极，对电极为铂电极，参比电极为氯化银电极。

进一步的，所述工作电极与对电极之间的距离为65μm。工作电极和对电极距离在50-100μm之间，距离较短，可以显著地消除电化学测试过程中的浓差极化，可检测电极活性材料的本征电催化活性。

进一步的，所述陶瓷基体为氮化铝陶瓷基体。

进一步的，所述传感电极还包括检测仪器和数据分析模组，传感电极接于检测仪器的输入端，检测仪器的输出端接数据分析模组。

实施例4

一种陶瓷基传感电极表面精细线路的制作方法，包括陶瓷基体，其特征在于，包括以下步骤：

s1.在陶瓷基体表面布置精细线路，所述精细线路的线宽为50μm、线距为50μm；

s2.在精细线路的表面修饰纳米多孔金；

s3.将工作电极、参比电极、对电极集成到陶瓷基体的对应平面的叉指电极上。

进一步的，所述步骤s1包括以下具体步骤：

步骤a：将陶瓷基体表面作金属化处理；

步骤b：通过电化学加工铜层获得高导电金属层；

步骤c：利用紫外线光刻技术获得精细的铜层线路；

步骤d：在高导电金属层上镀金层；

步骤e：在光刻加工基础上，加厚金层到指定厚度。

进一步的，所述步骤a的金属化处理是在陶瓷基体上溅射钛-钨离子。

进一步的，所述步骤s2包括以下具体步骤：

步骤1）：在金层上用电化学加工金锡共晶；

步骤2）通过化学除锡，得到纳米多孔金修饰的叉指电极。

本发明中多孔金表面修饰技术增加了传感器的灵敏度，通过纳米多孔金修饰可大幅增加活性物质负载，提高生物传感、电化学传感和气敏传感器件的灵敏度。纳米多孔金稳定性好，在其表面上易于负载各种敏感活性物质。

进一步的，所述步骤s3中，工作电极为金电极，对电极为铂电极，参比电极为氯化银电极。

进一步的，所述工作电极与对电极之间的距离为80μm。工作电极和对电极距离在50-100μm之间，距离较短，可以显著地消除电化学测试过程中的浓差极化，可检测电极活性材料的本征电催化活性。

进一步的，所述陶瓷基体为氮化铝陶瓷基体。

进一步的，所述传感电极还包括检测仪器和数据分析模组，传感电极接于检测仪器的输入端，检测仪器的输出端接数据分析模组。

实施例5

一种陶瓷基传感电极表面精细线路的制作方法，包括陶瓷基体，其特征在于，包括以下步骤：

s1.在陶瓷基体表面布置精细线路，所述精细线路的线宽为80μm、线距为80μm；

s2.在精细线路的表面修饰纳米多孔金；

s3.将工作电极、参比电极、对电极集成到陶瓷基体的对应平面的叉指电极上。

进一步的，所述步骤s1包括以下具体步骤：

步骤a：将陶瓷基体表面作金属化处理；

步骤b：通过电化学加工铜层获得高导电金属层；

步骤c：利用紫外线光刻技术获得精细的铜层线路；

步骤d：在高导电金属层上镀金层；

步骤e：在光刻加工基础上，加厚金层到指定厚度。

进一步的，所述步骤a的金属化处理是在陶瓷基体上溅射钛-钨离子。

进一步的，所述步骤s2包括以下具体步骤：

步骤1）：在金层上用电化学加工金锡共晶；

步骤2）通过化学除锡，得到纳米多孔金修饰的叉指电极。

本发明中多孔金表面修饰技术增加了传感器的灵敏度，通过纳米多孔金修饰可大幅增加活性物质负载，提高生物传感、电化学传感和气敏传感器件的灵敏度。纳米多孔金稳定性好，在其表面上易于负载各种敏感活性物质。

进一步的，所述步骤s3中，工作电极为金电极，对电极为铂电极，参比电极为氯化银电极。

进一步的，所述工作电极与对电极之间的距离为90μm。工作电极和对电极距离在50-100μm之间，距离较短，可以显著地消除电化学测试过程中的浓差极化，可检测电极活性材料的本征电催化活性。

进一步的，所述陶瓷基体为氮化铝陶瓷基体。

进一步的，所述传感电极还包括检测仪器和数据分析模组，传感电极接于检测仪器的输入端，检测仪器的输出端接数据分析模组。

实施例6

本实施例提供提供一种陶瓷基传感电极表面精细线路的制作方法，具体包括以下步骤：

（1）传感电极精细电路加工

以陶瓷基电极为例，半导体电路精细加工过程中，精细线路蚀刻过程中线宽线距与厚度之间存在相关性。为了保障精细化电路加工的需要，在光刻加工基础上，通过厚膜负胶工艺加厚金层到指定厚度。通过陶瓷表面金属化处理后，通过电化学加工铜层获得高导电金属层。随后，利用紫外线光刻技术可以获得较精细的铜层线路，可提高传感电极的可靠性。

（2）传感电极表面修饰纳米多孔金

为了增加poct传感电极的灵敏度，在氧化铝陶瓷基叉指电极的金表面，原位修饰一层纳米多孔金。多孔金可有效锚定生物敏感活性物质，例如铂纳米颗粒，氧化钴，蛋白酶，血红素等。作为特异性传感的传感器受体，实现其对相应生物标记物分子的检测，提高传感器检测的灵敏度，在电极表面进行纳米多孔金修饰，修饰后的叉指电极检测基底，可以提高其负载量，提高其检测精度。

本实施例的陶瓷基传感电极可应用于针对目标生物标记物分子：

分别对叉指电极修饰葡萄糖氧化酶，应用于糖尿病相关的血糖检测；

对叉指电极修饰血红素，应用于检测癌症早期标记物一氧化氮分子；

对叉指电极修饰铂颗粒，应用于检测炎症相关的活性氧物质；

对叉指电极修饰还原石墨烯，应用于同时区分检测肾脏疾病相关的尿素、以及检测神经性疾病相关的多巴胺。

本发明中多孔金表面修饰技术增加了传感器的灵敏度，通过纳米多孔金修饰可大幅增加活性物质负载，提高生物传感、电化学传感和气敏传感器件的灵敏度。纳米多孔金稳定性好，在其表面上易于负载各种敏感活性物质。

采用温和的电化学加工方法，可在任何基底上获得多孔金薄膜，先电化学加工金锡共晶再化学除锡，可以得到多孔金修饰的叉指电极（见图1）。

叉指电极是指状或梳状的面内有周期性图案的电极对的集合体，一方为产生电极，另一方为收集电极，从而能够在电极上实现电化学氧化还原循环反应。

叉指电极特点：高灵敏度的cv测量；少量试样的电化学测量；小型一体化；高速响应；电导率测量。

叉指电极与单电极相比，具有以下优势：

1）在使用单电极对少量的试样溶液进行电化学分析测量时，试样将因电解而消耗殆尽。然而使用这种叉指阵列电极，即使氧化还原反应反复发生，也不会耗尽试样物质。

2）单电极测量方式中，因电解消耗了试样物质使得电流变得非常小。而双电极测量方式的电流值增加到约30倍左右。

多孔金修饰叉指电极使用温度范围：-50°c~250°c。

3）三电极共面集成技术

将传统电化学三电极体系，即工作电极、参比电极、对电极集成到以陶瓷或高分子材料为基体的对应平面的叉指电极上，即三电极共面集成技术（图2和图3）。工作电极为金，对电极为铂，参比电极为氯化银，三种电极全部以厚膜负胶工艺加工形成。工作电极和对电极距离在50-100μm之间，距离较短，可以显著地消除电化学测试过程中的浓差极化，可检测电极活性材料的本征电催化活性。

设计时，将传统三电极大幅缩小到几个毫米的尺寸下，便于微型传感器的设计加工，尤其是用于电化学检测的传感器，适用于与电化学相关的生物及电化学活性检测。加工后的叉指电极图形精度在微米级，采用半导体加工，适用于mems和微型电化学器件的使用。

本实施例还提供基于陶瓷表面精细线路的电路板，包括传感电极，所述传感电极是通过以上所述的设计方法制成。

优选的，基于陶瓷表面精细线路的电路板，其传感电极还包括检测仪器和数据分析模组，传感电极接于检测仪器的输入端，检测仪器的输出端接数据分析模组。

本实施例通过在陶瓷基体表面布置精细线路，以提高传感电极的可靠性，通过在精细线路的表面修饰纳米多孔金，以提高传感电极的灵敏度，通过将工作电极、参比电极、对电极集成到陶瓷基体的对应平面的叉指电极上，可缩小传感电极的体积，实现小型化。

本实施例的poct快检电极，主要针对血气生化类检测，可以检测血液、汗液、尿液等，检测项目主要有ph，co2，o2，k+，na+，hct，也包括血糖，乳酸等。

传感电极包括目标识别体（如抗体、探针、适配体等）、信号标记物（如葡萄糖氧化酶、二茂铁、亚甲基蓝等）和信号承载体（如电极）三部分。

以血糖检测电极为例，在柔性材料表面喷上金涂层作为信号承载体，构建柔性电极；在金涂层上修饰相应的目标识别体和信号标记物，如标记有铁氰化钾的葡萄糖氧化酶。当电极表面的葡萄糖氧化酶与血液样本中葡萄糖接触时，首先产生葡萄糖酸和亚铁氰化钾，之后亚铁氰化钾再被氧化回铁氰化钾，反应中产生的电子迁移被镀金表面感应，产生电化学信号，再经数字化处理器转化为可读数据。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。需注意的是，本发明中所未详细描述的技术特征，均可以通过任一现有技术实现。