一种集成微纳传感器的制作方法

本实用新型涉及一种用于海洋、江河、湖泊、水库等水体ph值、电导率和温度三参数快速在线检测的集成微纳传感器，属于环境保护技术领域，也属于传感器技术领域。

背景技术：

ph值、电导率和温度是表征水环境质量的基本参数，在环境水体、家庭饮用水及海洋水体质量控制的必测指标。三个参数之间相互关联，互相影响，因此在测量时必须同时同位点测量以达到准备测定的要求。常规ph采用玻璃电极采用电化学法进行测量，响应时间较长；电导率采用双电极进行测量，温度采用铂电阻进行测量，三个传感器分立测量为主，部分集成包装在一起进行测量。

在常用的电化学测量ph值的三电极体系中，工作电极采用玻璃碳电极，参比电极为ag/agcl电极，对电极采用铂金电极。该体系多为三个独立的较大电极，不能与其他电极集成制备在一个传感器芯片上，工作电极与对电极之间间距、相对面积难以控制，测量的准确性受到影响。有文献报道基于微纳制造技术发展了微型ag/agcl全固态参比电极，但由于电极所需的氯化钾饱和溶液在电极表面的保存时间很短，所以电极的使用寿命不长，不能满足传感器长时间连续工作的要求。

本案申请人在2017年11月29日递交了一件名为“银/氯化银参比电极及其制作方法”的发明专利申请，2018年04月20日公布，文献号为cn107941876a，提供了一种ag/agcl参比电极及其制作方法，其显著特征在于集成了锥形微孔阵列的微结构，既可以起到离子交换的功能，也有效降低离子交换的速度，大幅提高电极的稳定性和使用寿命。本实用新型可以看作是在此技术基础上进一步的研发成果。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种用于海洋、江河、湖泊、水库等水体同一个位置点与时间点的ph值、电导率和温度三参数快速在线检测的集成微纳传感器，克服现有传感器的缺点，传感器的集成程度高，使用寿命长，稳定性好。

为了解决上述技术问题，本实用新型微纳传感器所采用的技术方案为：

一种用于水体ph值、电导率和温度三参数快速在线检测的集成微纳传感器，包括可与硅片键合的pyrex7740玻璃基片(10)，玻璃基片(10)上面以与其键合的方式覆盖有表面为(100)晶面、双面抛光并氧化的硅基片(14)，二者键合成一体；其特征在于，硅基片(14)上分别设置有温度传感器(1)、ph值传感器(2)和电导率传感器(3)，温度传感器(1)为设置在硅基片(14)表面的铂丝热敏电阻(15)，电导率传感器(3)为设置在硅基片(14)表面的2对铂电极(16)；ph值传感器(2)包括设置在硅基片(14)表面分别呈内圆环与外圆环布置的铱/氧化铱工作电极(5)与铂对电极(6)，位于内圆环的铱/氧化铱工作电极(5)底下设置向下开口腔，该开口腔与所述玻璃基片(10)形成用于储存氯化钾饱和溶液的储液腔(12)，储液腔(12)顶壁设置采用湿法腐蚀刻蚀出的多个外壁孔径大内壁孔径小的纳米级锥形微孔(9)，形成位于铱/氧化铱工作电极(5)内圆环内的锥形微孔(9)阵列，每个锥形微孔(9)作为与外界待测物相接触进行双方离子交换的纳米通道；所述玻璃基片(10)设置有与所述储液腔(12)相通的注液孔(13)，并配置有用于封装所述注液孔(13)的密封胶，所述储液腔(12)中储存有经注液孔(13)注入的氯化钾饱和溶液；所述玻璃基片(10)上表面设置有铂电极引线(11)通入储液腔(12)，在铂电极引线(11)末端段的上表面设置有银/氯化银参比电极层(7)。

以下为本实用新型微纳传感器进一步的方案：

所述ph值传感器(2)的铱/氧化铱工作电极(5)为在由lift-off工艺形成的厚度为纳米级、宽度为毫米级的铂薄层上面的厚度为微米级的电镀层，所述铂对电极(6)、所述温度传感器(1)、电导率传感器(3)为由lift-off工艺直接形成的厚度为纳米级、宽度为微米级的铂薄层。

所述铱/氧化铱工作电极(5)为封闭圆环，所述铱/氧化铱工作电极(5)从其环体引出工作电极引出线至硅基片(14)的一侧的接线端；所述铂对电极(6)为开放圆环，所述铂对电极(6)从其开放圆环的2个开放端引出线至硅基片(14)的同一侧的接线端。

所述温度传感器(1)、ph值传感器(2)和电导率传感器(3)，温度传感器(1)并列布置，ph值传感器(2)和电导率传感器(3)位于中间，温度传感器(1)与电导率传感器(3)分别位于ph值传感器(2)的左右两侧。

所述温度传感器(1)的整段金属铂丝在其所在区域面积来回重复布置，使得形成温度传感器(1)的整段金属铂丝的长度与宽度能达到温度为0度时电阻值为一个整数临界值；所述整数临界值为1000欧姆或5000欧姆或10000欧姆。

所述电导率传感器(3)设计成双半圆形对立结构。

所述银/氯化银电极层从底部至表面依次包括钛-铂电极基底导电层、金属银层、以及金属银层采用盐酸处理后形成的ag/agcl层。

所述玻璃基片(10)的背面涂有一层环氧避光层。

所述外封装在硅基片(14)上面温度传感器(1)、ph值传感器(2)和电导率传感器(3)所在区域开口，其它部位全部封装，并引出各电极的引出线。

与现有技术相比，本实用新型ph/电导率/温度传感器将三个传感器集成在一个硅基芯片上，采用微纳制造工艺批量制造，工艺简单，一致性好，制造成本低；可以测量水环境同一个位点三个参数，实现这三个相互关联的参数准确测量；三参数电极设计布局在硅片表面，方便应用时采用刷子进行清洁；ph传感器采用了氯化钾饱和溶液预封装方式，提高传感器的稳定性和使用寿命。

本实用新型ph/电导率/温度传感器基于微机械加工工艺制备用于离子交换的锥形微孔(9)阵列、氯化钾饱和溶液储液腔(12)、ag/agcl电极。由于锥形微孔(9)阵列不仅具有离子交换的功能，更由于纳米级孔径，离子交换速率大大降低，可以有效提高氯化钾饱和溶液的使用时间，显著提高其参比电极的使用寿命，进而显著提高微纳传感器的使用寿命。本实用新型将各电极集成制造，实现整个检测传感器的微型化，同时具有更长的使用寿命，形成一种新型传感器微芯片，具有可批量化制备，降低成本、一致性好等显著优点，为微纳传感器在水质监测领域的应用提供支持，具有重要的实际应用价值。

附图说明

图1为本实用新型微纳传感器整体结构示意图；

图2为本实用新型微纳传感器剖面结构示意图；

图3为硅基片外露面示意图；

图4为硅基片键合面示意图；

图5为玻璃基片键合面示意图；

图6为玻璃基片底面示意图；

图7为硅基片制作过程中各步骤形状变化剖面示意图；其中，

图7-1为硅基片制作初始状态示意图；

图7-2为在硅基片双面甩涂光刻胶后制备出氧化硅层窗口状态示意图；

图7-3为对硅基片进行koh腐蚀，制备出纳米级锥形微孔阵列与储液腔状态示意图；

图7-4为采用溅射和lift-off工艺制备出铂电极导电层状态示意图；

图7-5为电镀铱/氧化铱工作电极(5)并除去基片剩余氧化硅层状态示意图；

图8为玻璃基片制作过程中各步骤形状变化剖面示意图；其中，

图8-1为玻璃基片打好注液孔状态示意图；

图8-2为在玻璃基片表面制备铂电极引线和钛-铂电极基底导电层状态示意图；

图8-3为在钛-铂导电层上面电镀银并形成银/氯化银参比电极层状态示意图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本实用新型作进一步详细描述。

本实用新型用于检测水中ph值、电导率和温度三参数快速在线检测的集成微纳传感器，如图1、图2所示，包括可与硅片键合的pyrex7740玻璃基片10，玻璃基片10上面以与其键合的方式覆盖有表面为100晶面、双面抛光并氧化的硅基片14，二者键合成一体。硅基片14上分别设置有温度传感器1、ph值传感器2和电导率传感器3，温度传感器1为设置在硅基片14表面的铂丝热敏电阻15。电导率传感器3为设置在硅基片14表面的2对铂电极16。

ph值传感器2包括设置在硅基片14表面分别呈内圆环与外圆环布置的铱/氧化铱工作电极5与铂对电极6；如图2、图4所示，ph值传感器2还包括：位于内圆环的铱/氧化铱工作电极5底下设置向下开口腔，该开口腔与玻璃基片10形成用于储存氯化钾饱和溶液的储液腔12，储液腔12顶壁设置采用湿法腐蚀刻蚀出的多个外壁孔径大内壁孔径小的纳米级锥形微孔9，形成位于铱/氧化铱工作电极5内圆环内的锥形微孔9阵列，每个锥形微孔9作为与外界待测物相接触进行双方离子交换的纳米通道；如图5、图6所示，玻璃基片10设置有与储液腔12相通的注液孔13，并配置有用于封装注液孔13的密封胶，储液腔12中储存有经注液孔13注入的氯化钾饱和溶液；玻璃基片10上表面设置有铂电极引线11通入储液腔12，在铂电极引线11末端段的上表面设置有银/氯化银参比电极层7。

如图3所示，ph值传感器2的铱/氧化铱工作电极5为在由lift-off工艺形成的厚度为纳米级、宽度为毫米级的铂薄层19上面的厚度为微米级的电镀层，铂对电极6、温度传感器1、电导率传感器3为由lift-off工艺直接形成的厚度为纳米级、宽度为微米级的铂薄层。

如图1、图3所示，铱/氧化铱工作电极5为封闭圆环，铱/氧化铱工作电极5从其环体引出工作电极引出线至硅基片14的一侧的接线端；铂对电极6为开放圆环，铂对电极6从其开放圆环的2个开放端引出线至硅基片14的同一侧的接线端。ph传感器中工作电极选用铱/氧化铱材料，灵敏度高，响应速度快，电极采用圆环形设计，圆环中心通过纳米孔阵列与背面的参比电极进行离子交换，参比电极设计在工作电极的背面，背面设计有kcl饱和溶液储存液，ag/agcl电极制作在pyrex玻璃上，pt对电极与工作电极成同心圆布局在工作电极的外圈，圆环形设计可以有效提高器件的抗环境电磁场干扰能力。

如图1、图3所示，温度传感器1、ph值传感器2和电导率传感器3并列布置在厘米见方的硅基片14上，ph值传感器2和电导率传感器3位于中间，温度传感器1与电导率传感器3分别位于ph值传感器2的左右两侧。如此布局可以方便后期使用时电动刷清洁电极表面污物。

如图1、图3所示，温度传感器(1)的整段金属铂丝在其所在区域面积来回重复布置，使得形成温度传感器(1)的整段金属铂丝的长度与宽度能达到温度为0度时电阻值为一个整数临界值；整数临界值为可选取1000欧姆或5000欧姆或10000欧姆。铂丝热敏电阻15材料为99.99%以上纯铂金属，通过长度、宽度和厚度控制温度时为0度时其电阻值为整数临界值1000欧姆或5000欧姆或10000欧姆，引线部分电阻小于1欧姆；相应的铂丝热敏电阻15分别可称作1000铂热敏电阻、5000铂热敏电阻与10000铂热敏电阻。当然，整数临界值取值越大，测试精度就越高，但制度难度也相应提升。电导率传感器3设计成双半圆形对立结构，以提高电极抗环境电磁场干扰能力。电导率传感器3电极片选用pt材料，耐腐蚀，性能稳定，双半圆电极片采用半圆弧形同心圆布局设计为佳，以进一步提高电极抗环境电磁场干扰能力。

如图2所示，银/氯化银电极层从底部至表面依次包括钛-铂电极基底导电层、金属银层、以及金属银层采用盐酸处理后形成的ag/agcl层。玻璃基片10的背面涂有一层环氧避光层。

外封装在硅基片14上面温度传感器1、ph值传感器2和电导率传感器3所在区域开口，其它部位全部封装，并引出各电极的引出线。外封装可采用金属壳体，如量大的话，更适合采用注塑成型的塑料件。

本实用新型微纳传感器的制作，分别包括硅基片14的制作、玻璃基片10的制作及其二者的键合，氯化钾饱和溶液的注入，还包括密封胶的生成。硅基片14的制作步骤如图7所示，包括以下步骤：

步骤一、如图7-1所示，选择表面为100晶面的单面抛光并氧化的硅片作为硅基片14材料，表面具有硅氧化层17，硅氧化层17厚度为2um，硅片表面平整度小于1um。

步骤二、如图7-2所示，基片双面喷涂光刻胶18、光刻显影，用boe腐蚀液刻蚀氧化硅层，制备出储液腔12的窗口与纳米通道窗口。

步骤三、如图7-3所示，采用30%koh腐蚀液，50℃条件下各向异性湿法刻蚀硅层，制备出储液腔12与离子交换通道，直至正反两面刻蚀穿，通过控制腐蚀速率和腐蚀时间使穿孔的大小控制在<1um，形成锥形微孔9阵列。

步骤四、如图7-4所示，在制备有锥形微孔9阵列的硅片上，采用溅射和lift-off工艺制备出铂电极导电层和引线，铂电极导电层包括铱/氧化铱工作电极5的铂底层与铂对电极6。

步骤五、如图7-5所示，在铱/氧化铱工作电极5的铂底层表面电镀形成铱/氧化铱工作电极5电镀层。

玻璃基片10的制作步骤如图8所示，包括以下步骤：

步骤一、如图8-1所示，选择可与硅片键合的pyrex7740玻璃基片10，采用激光打孔法或超声波打孔法在设定位置打出一个直径为1mm至2mm，用于注入氯化钾饱和溶液的注液孔13，并配置与注液孔13形状相配的密封胶。

步骤二、如图8-2所示，在玻璃基片10表面采用lift-off工艺先制备铂电极引线11和钛-铂电极基底导电层。

步骤三、如图8-3所示，在钛-铂导电层上面电镀银形成一层金属银，采用盐酸处理后形成银/氯化银参比电极层7。

硅基片14与玻璃基片10二者的键合包括将上述制备完成的硅基片14与玻璃基片10对准，再通过硅-玻璃阳极键合技术将硅基片14与玻璃基片10键合形成完整的板状传感器阵列体，采用硅芯片切割机沿着设计好的切割线，切割出单个如图1、图2所示的传感器。将各单个微纳传感器置于溶液不回流状态，经注液孔13向储液腔12中注入氯化钾饱和溶液。完成加液后向注液孔13挤入密封胶，后将微纳传感器置于烘箱中将密封胶烘干固化。玻璃基片10的制作还包括在玻璃基片10的背面甩涂一层环氧避光层，可在打好注液孔13后甩涂环氧避光层。环氧避光层避免参比电极受到光照的影响。焊接上各电极的引线，还包括按上述要求进行封装。通过读出电路得到测量值，再搭配后端电路用于实际测试。

本实用新型的传感器信号读出方法及参数校准方法：

（1）温度传感器采用惠斯顿电桥法测量pt丝随温度变化引起的阻值变化，温度与阻值成线性关系，通过测到的电阻值得到温度值；

（2）电导率传感器采用加载1khz的交变信号方式进行测试，并与温度参数进行校准得到电导率值；

（3）ph传感器根据电化学三电极体系测量工作电极与参比电极之间的电位差，ph值的大小与电位差成线性关系，并与温度参数进行校准得到最终ph值。

本实用新型所涉及三个传感器的结构设计和布局具有如下显著优势：

（1）三个传感器集成在同一个微芯片上，可以测量同时测量同一个位点的环境参数，利于后端数据分析和参数校准，提高测量的准确性。

（2）三个传感器制备工艺与微机电系统（mems）工艺兼容，可以实现大规模批量制备，降低单器件制造成本。温度传感器的pt电阻丝，电导率传感器的4个pt电极，ph传感器的pt对电极，以及所有电极的电极引线，在（100）硅基片14上采用金属溅射和剥离工艺（lift-off）一步完成，纳米孔阵列及储液池采用氢氧化钾各向异性湿法腐蚀工艺完成，ag/agcl电极在pyrex7740玻片上采用金属溅射、lift-off和盐酸处理完成。整个工艺制备流程与微机电系统（mems）工艺兼容，可以在4英寸或8英寸微机电系统（mems）制造平台进行几十至几百个器件的批量制造。

（3）ph传感器中参比电极保存在氯化钾饱和溶液中，通过纳米孔进行离子交换，既达到了离子交换的要求，又有效降低离子交换的速率，显著提高了参比电极的时候寿命，也就提高了整个传感器的使用寿命。

本实用新型微纳传感器可以用于海洋、江河、湖泊、水库等水中ph值、电导率和温度三参数快速在线检测。使用方法与现有在线检测方法相同。