一种基于悬浮工作电极的电化学敏感芯片及加工方法技术

本发明专利技术公开了一种基于悬浮工作电极的电化学敏感芯片及其加工方法，其包括衬底、金属电极薄膜的附着层、工作电极和其他电极，衬底正面中部设有腐蚀凹槽或第一腐蚀孔，金属电极薄膜的附着层铺设在腐蚀凹槽或第一腐蚀孔外部的衬底正面且金属电极薄膜的附着层中心设有与腐蚀凹槽或第一腐蚀孔连通的第二腐蚀孔，工作电极中部悬浮在第二腐蚀孔上，第二腐蚀孔通过工作电极两侧的空隙与工作电极上部连通。分别基于表面微加工技术或基于双侧体微加工技术，制备具有悬浮工作电极结构的电化学敏感芯片，工作电极正反面都与电解液直接接触，增加了工作电极参与电荷交换的有效面积，成功地提高了工作电极上的电流输出，提高测量信噪比。比。比。

【技术实现步骤摘要】
一种基于悬浮工作电极的电化学敏感芯片及加工方法

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[0001]本专利技术属于电化学传感器
，具体涉及一种基于悬浮工作电极的电化学敏感芯片及其加工方法。

技术介绍
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[0002]电化学传感器在空气与水质检测中应用广泛。其原理为：被检测物质在电化学传感器工作电极(即敏感电极或者感应电极)表面发生电化学反应，化学能转化为电信号，通过获取工作电极上的电信号，可获得被测物质的有无或者浓度等参数。电化学传感器中工作电极的表面积直接影响电化学传感器的灵敏度，表面积越大，灵敏度越高。
[0003]目前，微型化、集成化、智能化已成为电化学传感器等传感器行业的研究与发展方向。其中，通过电化学敏感芯片，能够有效实现传感器微型化和集成化。敏感芯片面积小，体积小，保证其工作电极足够的有效表面积，是实现传感器微型化的关键。目前，电化学传感器敏感芯片都是通过工作电极的单侧表面接触待测液体，接触面积有限，为了提高信号强度，通常要考虑增加工作电极的有效表面积。而增加工作电极的有效表面积具体有两种方法，第一种方法是增加平面二维尺度，也就是扩大芯片尺寸，使得传感器尺寸也随之扩大；另一种方法是通过电镀等方法在电极表面进行金属的电镀或化学镀，通过纵向增加电极厚度甚至形成柱状电极的方法，提高工作电极的有效表面积，该方法虽然可以一定程度增加工作电极的有效表面积，但是电镀层的厚度有限制，另外，电镀需要在特定的电镀液中完成，镀层的质量、镀层的金属种类、制作工艺的兼容性都有局限性。以上两种方法都存在增加成本和不利于微型化的缺点。

技术实现思路
：<br/>[0004]本专利技术目的在于克服现有技术存在的缺点，寻求设计一种基于悬浮工作电极的电化学敏感芯片及加工方法。在工作电极尺寸一定的情况下，在衬底上形成工作电极的悬浮结构，电化学反应可在电极的两个面同时进行，可显著提高工作电极的有效表面积，进而提高输出信号强度。本专利技术的悬浮工作电极浸没在待测液体中，上下压力均衡，且抗冲击振动，所以也保证了使用可靠性。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0006]技术方案一：
[0007]一种基于悬浮工作电极的电化学敏感芯片，包括衬底(1)、金属电极薄膜的附着层、工作电极(5)和其他电极，衬底(1)正面中部设有腐蚀凹槽(10)，金属电极薄膜的附着层铺设在腐蚀凹槽(10)外部的单晶硅片(1)正面且金属电极薄膜的附着层中心设有与腐蚀凹槽(10)连通的第二腐蚀孔(11)，工作电极(5)两端固定在金属电极薄膜的附着层上且工作电极(5)中部悬浮在第二腐蚀孔(11)上，第二腐蚀孔(11)通过工作电极(5)两侧的空隙与工作电极(5)上部连通，其他电极固定在金属电极薄膜的附着层上。
[0008]所述基于悬浮工作电极的电化学敏感芯片的加工方法，包括：
[0009]步骤1：在衬底上加工金属电极薄膜的附着层；
[0010]步骤2：在金属电极薄膜的附着层上沉积制备工作电极(5)与其他电极；
[0011]步骤3：在工作电极(5)和其他电极上沉积保护介质层(7)；
[0012]步骤4：形成贯穿保护介质层(7)和金属电极薄膜的附着层的通孔(9)，通孔置于工作电极(5)两侧；
[0013]步骤5：通过通孔腐蚀去除工作电极(5)下方一定厚度的衬底，形成腐蚀凹槽(10)；
[0014]步骤6：蚀去保护介质层(7)以及工作电极(5)下面的部分金属电极薄膜的附着层，在腐蚀凹槽(10)上形成与其连通的第二腐蚀孔(11)，工作电极(5)中部悬浮在第二腐蚀孔(11)上；
[0015]步骤7：衬底清洗、烘干，芯片分离，即得到单侧微加工的悬浮微电极电化学敏感芯片。
[0016]具体地，所述金属电极薄膜的附着层包括第一二氧化硅介质层(2)和第一氮化硅介质层(3)，第一二氧化硅介质层(2)和第一氮化硅介质层(3)依次铺设在腐蚀凹槽(10)外部的单晶硅片(1)正面且第一二氧化硅介质层(2)和第一氮化硅介质层(3)中心设有与腐蚀凹槽(10)连通的第二腐蚀孔(11)。
[0017]具体地，所述保护介质层为致密氮化硅介质层。
[0018]具体地，衬底为单晶硅片，玻璃，或者陶瓷。
[0019]具体地，所述其他电极为辅助电极(4)或参比电极(6)，辅助电极(4)或参比电极(6)覆盖在第二腐蚀孔(11)两侧的第一氮化硅介质层(3)上。
[0020]具体地，所述的基于悬浮工作电极的电化学敏感芯片的加工方法，包括：
[0021]步骤1：选择单晶硅片(1)，将单晶硅片(1)的一个面作为器件层面，通过热氧化和低压化学气相沉积LPCVD在器件层面制作第一二氧化硅介质层(2)和第一氮化硅介质层(3)，第一二氧化硅介质层(2)和第一氮化硅介质层(3)构成金属电极薄膜的附着层；
[0022]步骤2：在第一氮化硅介质层(3)表面，沉积金属电极薄膜，并利用金属电极图形化技术制备工作电极(5)，以及辅助电极(4)或参比电极(6)；
[0023]步骤3：通过等离子体增强化学气相沉积法PECVD制备致密氮化硅介质层(7)，致密氮化硅介质层(7)覆盖工作电极(5)，以及辅助电极(4)或参比电极(6)；
[0024]步骤4：致密氮化硅介质层(7)表面涂覆光刻胶(8)，光刻出待腐蚀位置图形，干法刻蚀去除未受光刻胶保护的致密氮化硅介质层(7)、第一氮化硅介质层(3)和第一二氧化硅介质层(2)，之后用氢氟酸缓冲液漂洗，去除刻蚀区域残余第一二氧化硅介质层(2)，形成依次贯穿致密氮化硅介质层(7)、第一氮化硅介质层(3)和第一二氧化硅介质层(2)的通孔(9)，通孔(9)置于工作电极(5)两侧，然后去除光刻胶；
[0025]步骤5：在HF，HNO3，CH3COOH混合溶液中进行湿法各向同性腐蚀，腐蚀掉工作电极(5)下方一定厚度的单晶硅片(1)，由于单晶硅片(1)各向同性的刻蚀，最后在工作电极(5)下方形成腐蚀凹槽(10)；
[0026]步骤6：采用等离子刻蚀方法去除致密氮化硅介质层(7)，去除未被辅助电极(4)或参比电极(6)保护的第一二氧化硅介质层(2)和第一氮化硅介质层(3)，以及工作电极(5)下方的部分第一二氧化硅介质层(2)和第一氮化硅介质层(3)，在腐蚀凹槽(10)上方形成与其连通的第二腐蚀孔(11)，工作电极(5)中部悬浮于第二腐蚀孔(11)上方，该层也可以通过湿
法腐蚀完成；
[0027]步骤7：清洗、烘干晶圆、芯片分离，即得到单侧微加工的悬浮微电极电化学敏感芯片。
[0028]技术方案二：
[0029]一种基于悬浮工作电极的电化学敏感芯片，包括衬底(1)、金属电极薄膜的附着层、工作电极(5)和其他电极，在衬底(1)中部设有上下贯通的第一腐蚀孔(12)，金属电极薄膜的附着层铺设在第一腐蚀孔(12)外部的衬底(1)正面且金属电极薄膜的附着层中心设有与第一腐蚀孔(12)连通的第二腐蚀孔(11)，工作电极(5)两端固定在金属电极薄膜的附着层上且工作电极(5)中部悬浮在第二腐蚀孔(本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于悬浮工作电极的电化学敏感芯片，其特征在于，包括衬底(1)、金属电极薄膜的附着层、工作电极(5)和其他电极，衬底(1)正面中部设有腐蚀凹槽(10)，金属电极薄膜的附着层铺设在腐蚀凹槽(10)外部的衬底(1)正面且金属电极薄膜的附着层中心设有与腐蚀凹槽(10)连通的第二腐蚀孔(11)，工作电极(5)两端固定在金属电极薄膜的附着层上且工作电极(5)中部悬浮在第二腐蚀孔(11)上，第二腐蚀孔(11)通过工作电极(5)两侧的空隙与工作电极(5)上部连通，其他电极固定在金属电极薄膜的附着层上。2.一种权利要求1所述基于悬浮工作电极的电化学敏感芯片的加工方法，其特征在于，包括：步骤1：在衬底上加工金属电极薄膜的附着层；步骤2：在金属电极薄膜的附着层上沉积制备工作电极(5)与其他电极；步骤3：在工作电极(5)和其他电极上沉积保护介质层(7)；步骤4：形成贯穿保护介质层(7)和金属电极薄膜的附着层的通孔(9)，通孔置于工作电极(5)两侧；步骤5：通过通孔腐蚀去除工作电极(5)下方一定厚度的衬底，在衬底(1)上，形成腐蚀凹槽(10)；步骤6：腐蚀去除保护介质层(7)以及工作电极(5)下面的部分金属电极薄膜的附着层，在腐蚀凹槽(10)上形成与其连通的第二腐蚀孔(11)，工作电极(5)中部悬浮在第二腐蚀孔(11)上；步骤7：衬底清洗、烘干，芯片分离，即得到单侧微加工的悬浮微电极电化学敏感芯片。3.根据权利要求2所述的基于悬浮工作电极的电化学敏感芯片的加工方法，其特征在于，金属电极薄膜的附着层包括第一二氧化硅介质层(2)和第一氮化硅介质层(3)，第一二氧化硅介质层(2)和第一氮化硅介质层(3)依次铺设在腐蚀凹槽(10)外部的单晶硅片(1)正面且第一二氧化硅介质层(2)和第一氮化硅介质层(3)中心设有与腐蚀凹槽(10)连通的第二腐蚀孔(11)，衬底为单晶硅片，玻璃，或者陶瓷，所述保护介质层为致密氮化硅介质层。4.根据权利要求2所述的基于悬浮工作电极的电化学敏感芯片的加工方法，其特征在于，所述其他电极为辅助电极(4)或参比电极(6)，辅助电极(4)或参比电极(6)覆盖在第二腐蚀孔(11)两侧的第一氮化硅介质层(3)上。5.根据权利要求2所述的基于悬浮工作电极的电化学敏感芯片的加工方法，其特征在于，包括步骤1：选择单晶硅片(1)，将单晶硅片(1)的一个面作为器件层面，通过热氧化和低压化学气相沉积LPCVD在器件层面制作第一二氧化硅介质层(2)和第一氮化硅介质层(3)，第一二氧化硅介质层(2)和第一氮化硅介质层(3)构成金属电极薄膜的附着层；步骤2：在第一氮化硅介质层(3)表面，沉积金属电极薄膜，并利用金属电极图形化技术制备工作电极(5)，以及辅助电极(4)或参比电极(6)；步骤3：通过等离子体增强化学气相沉积法PECVD制备致密氮化硅介质层(7)，致密氮化硅介质层(7)覆盖工作电极(5)，以及辅助电极(4)或参比电极(6)；步骤4：致密氮化硅介质层(7)表面涂覆光刻胶(8)，光刻出待腐蚀位置图形，干法刻蚀去除未受光刻胶保护的致密氮化硅介质层(7)、第一氮化硅介质层(3)和第一二氧化硅介质层(2)，之后用氢氟酸缓冲液漂洗，去除刻蚀区域残余第一二氧化硅介质层(2)，形成依次贯
穿致密氮化硅介质层(7)、第一氮化硅介质层(3)和第一二氧化硅介质层(2)的通孔(9)，通孔(9)置于工作电极(5)两侧，然后去除光刻胶；步骤5：在HF，HNO3，CH3COOH混合溶液中进行湿法各向同性腐蚀，腐蚀掉工作电极(5)下方一定厚度的单晶硅片，由于单晶硅各向同性的刻蚀，最后在工作电极(5)下方形成腐蚀凹槽(10)；步骤6：采用等离子刻蚀方法去除致密氮化硅介质层(7)，去除未被辅助电极(4)或参比电极(6)覆盖保护的第一二氧化硅介质层(2)和第一氮化硅介质层(3)，以及工作电极(5)下方的部分第一二氧化硅介质层(2)和第一氮化硅介质层(3)，在腐蚀凹槽(10)上方形成与其连通的第二腐蚀孔(11)，工作电极(5)中部悬浮于第二腐蚀孔(11)上，该层也可以通过湿法腐蚀完成；步骤7：晶圆清洗、烘干，芯片分离，即得到单侧微加工的悬浮微电极电化学敏感芯片。6.一种基于悬浮工作电极的电化学敏感芯片，其特征在于，包括衬底(1)、金属电极薄膜的附着层、工作电极(5)和其他电极，在衬底(1)中部设有上下贯通的第一腐蚀孔(12)，金属电极薄膜的附着层铺设在第一腐蚀孔(12)外部的衬底(1)正面且金...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙铭锐，金建东，马秀芬，
申请(专利权)人：广东芯阅科技有限公司，
类型：发明
国别省市：