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原文传递一种用于检测水中重金属的微纳传感器及其制作方法

专利名称：	一种用于检测水中重金属的微纳传感器及其制作方法
摘要：	提供一种用于检测水中重金属的微纳传感器及其制作方法，包括键合成一体的硅基片(21)与玻璃基片(1)，玻璃基片(1)键合面上分别设置消解电极(3)及其阴极铂对电极(4)、检测电极(10)及其检测对电极(9)与Ag/AgCl参比电极(7)，消解电极(3)包括消解基层与消解微柱阵列，检测电极(10)包括检测基层与检测微柱阵列，硅基片(21)键合面上在以上各电极相对应位置分别开设消解池(20)、阴极电极池(16)、检测池(19)、储液腔(17)；构建水样消解处理和检测一体化微芯片，实现现场实际水样中重金属快速手持式检测和分析。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	浙江;33
申请人：	宁波大学
发明人：	金庆辉;戴金莹;尹加文;张赞;郜晚蕾;金涵;简家文
专利状态：	有效
申请日期：	2019-02-14T00:00:00+0800
发布日期：	2019-05-17T00:00:00+0800
申请号：	CN201910114416.9
公开号：	CN109765277A
代理机构：	宁波奥圣专利代理事务所(普通合伙)
代理人：	陈其明
分类号：	G01N27/30(2006.01);G;G01;G01N;G01N27
申请人地址：	315211 浙江省宁波市江北区风华路818号
主权项：	1.一种用于检测水中重金属的微纳传感器，包括可与玻璃键合的表面为(100)晶面、双面抛光并氧化的硅基片(21)，所述硅基片(21)上面以与其键合的方式覆盖有Pyrex7740玻璃基片(1)，二者键合成一体；其特征在于，所述玻璃基片(1)键合面上分别设置用于将待测水样中各种组态重金属消解成离子态的消解电极(3)及其阴极铂对电极(4)，用于检测消解后水样中重金属含量的检测电极(10)及其检测对电极(9)与Ag/AgCl参比电极(7)，所述消解电极(3)包括厚度为纳米级的块状消解基层与设置其上面的消解微柱阵列，消解基层包括先后由lift-off工艺形成的块状铂基层与二氧化铅电镀层，每个消解微柱包括消解微柱芯与溅射在消解微柱芯表面的纳米金层；所述阴极铂对电极(4)为由lift-off工艺形成的厚度为纳米级的块状铂基层；所述检测电极(10)包括厚度为纳米级的块状检测基层与设置其上面的检测微柱阵列，检测基层包括由先后二次lift-off工艺形成的铂基层与金基层，每个检测微柱包括检测微柱芯与溅射在检测微柱芯表面的纳米金层；所述检测对电极(9)为由lift-off工艺形成的厚度为纳米级的开放环状铂层，环绕在检测电极(10)外周；所述玻璃基片(1)键合面上各电极还设置有由lift-off工艺形成的厚度为纳米级的铂电极引线(27)至玻璃基片(1)边缘；所述硅基片(21)键合面上在消解电极(3)、阴极铂对电极(4)、检测电极(10)、Ag/AgCl参比电极(7)相对应位置分别开设消解池(20)、阴极电极池(16)、检测池(19)、储液腔(17)；消解池(20)、阴极电极池(16)之间开设通道槽(15)，玻璃基片(1)在消解电极(3)、阴极铂对电极(4)之间处开设注入孔(5)与通道槽(15)相通，通道槽(15)内填有经注入孔(5)注入的饱和kcl琼脂溶胶；消解池(20)、阴极电极池(16)分别开设进水细槽(13)并交汇于总进水细槽(14)，玻璃基片(1)上开设进水孔(2)与总进水细槽(14)相通；消解池(20)与检测池(19)之间开设中间细槽(22)作为消解后水样通道；所述玻璃基片(1)上开设有与所述储液腔(17)相通的注液孔(8)，所述储液腔(17)中储存有经注液孔(8)注入的氯化钾饱和溶液，所述注液孔(8)用密封胶封装；检测池(19)与储液腔(17)之间多条纳米槽(18)，作为待测水样与氯化钾饱和溶液相接触双方进行离子交换的纳米通道。 2.如权利要求1所述的微纳传感器，其特征在于，所述铂电极引线(27)至玻璃基片(1)键合面边缘处设置有由lift-off工艺形成的厚度为纳米级的块状焊点(12)用作对外接线，所述硅基片(21)键合面上分别与玻璃基片(1)键合面上的铂电极引线(27)、块状焊点相配，开设有引线嵌槽(29)与焊点凹坑(28)，玻璃基片(1)与硅基片(21)二者键合后将外接引线插入焊点凹坑(28)，灌满银浆后用密封胶封住，并烘干固化。 3.如权利要求1所述的微纳传感器，其特征在于，所述硅基片(21)键合面上检测池(19)旁开设第一排水细槽(23)，所述玻璃基片(1)上开设第一排水孔(6)与该第一排水细槽(23)相通。 4.如权利要求1所述的微纳传感器，其特征在于，所述硅基片(21)键合面上阴极电极池(16)旁开设第二排水细槽(24)，所述玻璃基片(1)上开设第二排水孔(11)与该第二排水细槽(24)相通。 5.如权利要求1所述的微纳传感器，其特征在于，所述检测电极(10)的每个检测微柱的纳米金层外还电镀铋，形成纳米铋镀层。 6.如权利要求1所述的微纳传感器，其特征在于，所述检测对电极(9)呈开放圆环状，其2个开放端分别设置铂电极引线(27)至玻璃基片(1)边缘。 7.如权利要求1所述的微纳传感器，其特征在于，所述Ag/AgCl参比电极(7)从底部至表面依次包括铂基层、金属银层、以及金属银层采用盐酸处理后形成的Ag/AgCl层。 8.如权利要求1至7任一项所述的微纳传感器的制作方法，分别包括所述硅基片(21)的制作、所述玻璃基片(1)的制作及其二者的键合，以及键合后工序；其特征在于，所述硅基片(21)的制作包括以下步骤：步骤一、选择表面为(100)晶面的单面抛光并氧化的硅片作为硅基片(21)材料，硅氧化层厚度为2um，硅片表面平整度小于1um；步骤二、基片双面喷涂光刻胶、光刻显影；步骤三、采用30%KOH腐蚀液，50℃条件下各向异性湿法刻蚀硅层，制备出阴极电极池（16）、消解池（20）、检测池（19）、储液腔(17)的窗口与通道槽(15)、纳米槽(18)以及各细槽；通过控制腐蚀速率和腐蚀时间使阴极电极池（16）、消解池（20）、检测池（19）、储液腔(17)的深度控制在<200um，纳米槽(18)内径为几十微米；所述玻璃基片(1)的制作包括以下步骤：步骤1、选择可与硅片键合的Pyrex7740玻璃基片(1)；步骤2、采用激光打孔法或超声波打孔法在设定位置打出多个直径为1mm至2mm的穿孔，包括用于注入待测水样的进水孔(2)、用于注入饱和kcl琼脂溶胶的注入孔(5)及用于注入氯化钾饱和溶液的注液孔(8)；步骤3、在所述玻璃基片(1)的键合面上采用lift-off工艺一次性制备出所述阴极铂对电极(4)、检测对电极(9)与所述消解电极(3)、检测电极(10)、Ag/AgCl参比电极(7)的铂基底以及各电极的铂电极引线(27)；步骤4、在所述消解电极(3)的铂基层上面电镀二氧化铅形成二氧化铅电镀层，在所述检测电极(10)的铂基层上面再次采用lift-off工艺制备出金基层，在所述Ag/AgCl参比电极(7) 铂基层上面电镀银形成银电镀层，银电镀层采用盐酸处理后形成的Ag/AgCl层；步骤5、在所述消解电极(3)的二氧化铅电镀层上面与检测电极(10)的金基层上面采用甩胶法旋涂一层SU-8光刻胶，烘干后在UV紫外光进行一次曝光后再在SU-8显影液中进行显影，分别形成消解微柱芯阵列与检测微柱芯阵列，并在消解微柱芯阵列与检测微柱芯阵列表面溅射一层纳米金形成纳米金层；所述硅基片(21)与玻璃基片(1)二者的键合包括将上述制备完成的硅基片(21)与玻璃基片(1)对准，采用硅-玻璃阳极键合方式形成一体；键合后工序包括：经注液孔(8)向所述储液腔(17)中注入氯化钾饱和溶液；完成加液后向所述注液孔(8)挤入密封胶，后将所述微纳传感器置于烘箱中将密封胶烘干固化。 9.如权利要求8所述的制作方法用于制作如权利要求2所述的微纳传感器，其特征在于，键合后工序包括将外接引线插入焊点凹坑(28)，灌满银浆后用密封胶封住，后将所述微纳传感器置于烘箱中将密封胶一起烘干固化。 10.如权利要求8所述的制作方法，其特征在于，所述硅基片(21)、玻璃基片(1)分别为可以切割成多片的大面积集合板，设置有切割线，分别完成所述硅基片(21)的制作、所述玻璃基片(1)的制作后，采用硅-玻璃阳极键合方式形成微纳传感器板状集合体，采用硅芯片切割机沿着设计好的切割线，切割出单个传感器。
所属类别：	发明专利