一种陶瓷基高精密叉指电极及其在电化学传感器中的应用

技术领域

本发明属于电化学传感器领域，涉及一种陶瓷基高精密叉指电极及其在电化学传感器中的应用。

背景技术

叉指电极是指状或梳状的面内有周期性图案的电极，它是通过电化学工艺加工获得的超精细电路。作为电信号传输核心部件，广泛应用于生物医疗检测、环境在线监测，食品安全检测，安全监测等重要领域。

近年来随着工业4.0和物联网的迅速发展，新兴工业和其他行业对传感器的需求越来越多，而叉指电极作为传感器的核心部件之一越来越受到社会的关注，如何提高叉指电极的可靠性，直接关系到各类传感器的技术水平，这也成为电子信息行业的行业共性难题。

国内外通常采用氮化铝或氧化铝作为基体进行叉指电极的设计开发，根据不同的叉指电极用途进行选择和设计，目前在气体检测、微生物检测等领域都得到了应用，但在叉指电极可靠性、精度方面，不同企业采用不同的加工工艺，性能指标相差较大、产品制程不良率较高，这也成为目前叉指电极行业面对的主要问题。

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种导电性能好、、电信号基线稳定、抗干扰能力强、可多次使用的陶瓷基高精密叉指电极，具有耐高温高压、可在极端环境下使用的叉指电极，并以此为基础进一步研发拓展并进行产业化发展。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种陶瓷基高精密叉指电极。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种陶瓷基高精密叉指电极，从下往上依次包括基底、导电内层和反应层，其中基底表面设有导电内层，导电内层外表面设有反应层，基底的厚度为0.38mm，导电内层的厚度为7.1～15.1μm，反应层厚度为1.0μm。

电极反应层外表面还可设有修饰层，所述修饰层厚度为3.0μm。

进一步，电极修饰层为纳米多孔金属层，包括纳米多孔金、纳米多孔银和纳米多孔铜。

进一步，电极基底为陶瓷基材，包括氮化铝、氧化铝、碳化硅、玻璃、压电陶瓷、微波介电陶瓷。

进一步，电极导电内层从下往上依次为Ti层，Cu层和Ni层，其中Ti层厚度为0.1μm，Cu层厚度为5～10μm，Ni层厚度为2～5μm。

进一步，电极反应层为Au、Ag、Pt中的一种。

进一步，电极基底上固定设有相互之间平行等距的长引脚，分别为第一引脚和第二引脚，第一引脚和第二引脚的下端部延伸至基底的下端构成两个引脚端点；第一引脚的上端部和第二引脚的上端部之间分别设置有相互之间平行等距且与引脚方向垂直的叉指条，第一引脚的叉指条和第二引脚的叉指条以齿梳状交错排列，第二引脚的叉指条设置在第一引脚的叉指条的间隙中，且间隔距离相同。

进一步，电极基底上固定设有相互之间平行等距的长引脚，分别为第一引脚和第二引脚，第一引脚和第二引脚的上下端部延伸至基底的上下两端构成两个上引脚端点和两个下引脚端点；第一引脚的中端部和第二引脚的中端部之间分别设置有相互之间平行等距且与引脚方向垂直的叉指条，第一引脚的叉指条和第二引脚的叉指条以齿梳状交错排列，第二引脚的叉指条设置在第一引脚的叉指条的间隙中，且间隔距离相同。

进一步，第一引脚的叉指条和第二引脚的叉指条的距离为75～100μm。

进一步，第一引脚的叉指条和第二引脚的叉指条的宽度相同，均为75～100μm。

如附图1所示，为本发明制备的陶瓷基高精密叉指电极。电极基材采用氧化铝陶瓷，厚度为0.38mm，电极从下往上依次修饰有电极导电内层的Ti层，Cu层和Ni层，其中Ti层厚度为0.1μm，Cu层厚度为5～10μm，Ni层厚度为2～5μm，以及作为电极反应层的纯金层，反应层厚度为1.0μm，电极拥有下端两个引脚端点，电极叉指对数为5对，电极线宽线距为80±5μm，整体电极尺寸为100mm x 10.0mm。

如附图2所示，为本发明制备的陶瓷基高精密叉指电极。电极基材采用氧化铝陶瓷，厚度为0.38mm，电极从下往上依次修饰有电极导电内层的Ti层，Cu层和Ni层，其中Ti层厚度为0.1μm，Cu层厚度为5～10μm，Ni层厚度为2～5μm，以及作为电极反应层的纯金层，反应层厚度为1.0μm，电极拥有下端两个引脚端点，电极叉指对数为10对，电极线宽线距为80±5μm，整体电极尺寸为10.0mm x 10.0mm。

如附图3所示，为本发明制备的陶瓷基高精密叉指电极。电极基材采用氧化铝陶瓷，厚度为0.38mm，电极从下往上依次修饰有电极导电内层的Ti层，Cu层和Ni层，其中Ti层厚度为0.1μm，Cu层厚度为5～10μm，Ni层厚度为2～5μm，以及作为电极反应层的纯金层，反应层厚度为1.0μm，电极拥有下端两个引脚端点，电极叉指对数为15对，电极线宽线距为80±5μm，整体电极尺寸为10.0mm x 10.0mm。

如附图4所示，为本发明制备的陶瓷基高精密叉指电极。电极基材采用氧化铝陶瓷，厚度为0.38mm，电极从下往上依次修饰有电极导电内层的Ti层，Cu层和Ni层，其中Ti层厚度为0.1μm，Cu层厚度为5～10μm，Ni层厚度为2～5μm，以及作为电极反应层的纯金层，反应层厚度为1.0μm，电极拥有下端两个引脚端点，电极叉指对数为10对，电极线宽线距为100μm，整体电极尺寸为10.0mm x 10.0mm。

如附图5所示，为本发明制备的陶瓷基高精密叉指电极。电极基材采用氧化铝陶瓷，厚度为0.38mm，电极从下往上依次修饰有电极导电内层的Ti层，Cu层和Ni层，其中Ti层厚度为0.1μm，Cu层厚度为5～10μm，Ni层厚度为2～5μm，以及作为电极反应层的纯金层，反应层厚度为1.0μm，电极拥有下端两个引脚端点，电极叉指对数为20对，电极线宽线距为100μm，整体电极尺寸为20.0mm x 10.0mm。

如附图6所示，为本发明制备的陶瓷基高精密叉指电极。电极基材采用氧化铝陶瓷，厚度为0.38mm，电极从下往上依次修饰有电极导电内层的Ti层，Cu层和Ni层，其中Ti层厚度为0.1μm，Cu层厚度为5～10μm，Ni层厚度为2～5μm，以及作为电极反应层的纯金层，反应层厚度为1.0μm，电极拥有下端两个引脚端点，电极叉指对数为7对，电极叉指条宽度为90μm，第一叉指条和第二叉指条的间距为70μm，整体电极尺寸为2.0mm x 4.0mm。

如附图7所示，为本发明制备的陶瓷基高精密叉指电极。电极基材采用氧化铝陶瓷，厚度为0.38mm，电极从下往上依次修饰有电极导电内层的Ti层，Cu层和Ni层，其中Ti层厚度为01μm，Cu层厚度为5～10μm，Ni层厚度为2～5μm，以及作为电极反应层的纯金层，反应层厚度为1.0μm，电极拥有上下四个引脚端点，电极叉指对数为13对，电极线宽线距为75μm，整体电极尺寸为8.0mm x 8.0mm。

如附图8所示，为本发明制备的陶瓷基高精密叉指电极。电极基材采用氧化铝陶瓷，厚度为0.38mm，电极从下往上依次修饰有电极导电内层的Ti层，Cu层和Ni层，其中Ti层厚度为0.1μm，Cu层厚度为5～10μm，Ni层厚度为2～5μm，以及作为电极反应层的纯金层以及纳米金属修饰层，反应层厚度为1.0μm，表面多孔金层厚度为3.0μm，电极拥有上下四个引脚端点，电极叉指对数为12对，电极线宽线距为75μm，整体电极尺寸为8.0mm x 8.0mm。

如附图9所示，为本发明制备的陶瓷基高精密叉指电极。电极基材采用氧化铝陶瓷，厚度为0.38mm，电极从下往上依次修饰有电极导电内层的Ti层，Cu层和Ni层，其中Ti层厚度为0.1μm，Cu层厚度为5～10μm，Ni层厚度为2～5μm，以及作为电极反应层的纯金层以及纳米金属修饰层，反应层厚度为1.0μm，表面多孔金层厚度为3.0μm，电极拥有下端两个引脚端点，电极叉指对数为23对，电极线宽线距为100μm，整体电极尺寸为20.0mm x 10.0mm。

如附图10所示，为本发明制备的陶瓷基高精密叉指电极横截面层次示意图。从图中可看出，从下往上依次包括基体、导电内层和反应层，电极导电内层从下往上依次为Ti层，Cu层和Ni层，其中Ti层厚度为0.1μm，Cu层厚度为5～10μm，Ni层厚度为2～5μm，电极反应层为纯金层，反应层厚度为1.0μm。

本发明还提供了一种陶瓷基高精密叉指电极及其在电化学传感器中的应用。

陶瓷基高精密叉指电极可用于水分检测，如实施例1所示，作为皮肤水分检测仪的核心器件，通过接触检测人体皮肤水分含量。

如附图11所示，为本发明制备的陶瓷基高精密叉指电极在不同空气湿度下的响应曲线，具体为在不同空气湿度(90％、81％、69％、58％、35％)下的叉指电极传感芯片的响应曲线(200kHz)。从图中可看出，在施加感应输入源到电容值达到稳定，整个过程的时间约为25s，在不同湿度下达到的稳定电容值各不相同，且本发明制备的叉指电极的电容值与人体皮肤相对湿度再35～81％范围内有较好的线性关系，电极的总体电容值随着皮肤湿度的升高而增大，二者有着良好的对应关系，证明本发明制备的陶瓷基高精密叉指电极可以作为皮肤湿度传感器敏感元件。

本发明的有益效果是：

(1)本发明采用陶瓷基材，电极可耐高温，适用于高温高压环境。

(2)本发明将两电极集成固定在一个基底上，实现微型电极集成化的目的，电极间距离的集成固定化和微型化，使得电极间的电解液的电阻值固定化，消除了因被测物质的浓度变化而产生的检测干扰，电极间设计相互间隔交替设置且微间距的叉指条，可以起到放大检测电流的作用，实现了提高电极检测灵敏度和检测数据精度的目的。

(3)本发明在电极表面设置引脚端点，可配合鸭嘴夹使用进行电极检测。

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附图。

图1是本发明实施例1制备的陶瓷基高精密叉指电极；

图2是本发明实施例2制备的陶瓷基高精密叉指电极；

图3是本发明实施例3制备的陶瓷基高精密叉指电极；

图4是本发明实施例4制备的陶瓷基高精密叉指电极；

图5是本发明实施例5制备的陶瓷基高精密叉指电极；

图6是本发明实施例6制备的陶瓷基高精密叉指电极；

图7是本发明实施例7制备的陶瓷基高精密叉指电极；

图8是本发明实施例8制备的陶瓷基高精密叉指电极；

图9是本发明实施例9制备的陶瓷基高精密叉指电极；

图10是本发明制备的陶瓷基高精密叉指电极横截面层次示意图；

图11是本发明制备的陶瓷基高精密叉指电极在不同空气湿度下的响应曲线。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，结合以下具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明的具体实施例包括：

本发明制备的陶瓷基高精密叉指电极横截面层次示意图，电极从下往上依次包括基体、导电内层和反应层，电极导电内层从下往上依次为Ti层，Cu层和Ni层，其中Ti层厚度为0.1μm，Cu层厚度为5～10μm，Ni层厚度为2～5μm，电极反应层为纯金层，反应层厚度为1.0μm。

本发明制备的陶瓷基高精密叉指电极表面还可修饰纳米多孔金属作为修饰层，具体如图10所示，为电极横截面层次示意图，在上述叉指电极结构基础上，在电极反应成表面设有纳米多孔金属修饰层，表面多孔金层厚度为3.0μm。

实施例1

本发明的陶瓷基高精密叉指电极采用共面的两电极体系，具体为工作电极和对电极，可参见附图1，电极基底选用氧化铝陶瓷材料，厚度为0.38mm，整体电极尺寸为10.0mm x10.0mm，电极导电内层从下往上依次为Ti层，Cu层和Ni层，其中Ti层厚度为0.1μm，Cu层厚度为5～10μm，Ni层厚度为2～5μm；电极反应层为纯金层，反应层厚度为1.0μm。

电极采用高精密集成共面的形式，电极基底上固定设有相互之间平行等距的第一引脚和第二引脚，分别为工作电极和对电极，工作电极的下端部和对电极的下端部延伸至电极基底的下端形成两个引脚端点，工作电极的上端部和对电极的上端部设置有相互之间平行等距的叉指条，工作电极的叉指条和对电极的叉指条以齿梳状交错排列，以一根相邻的工作电极叉指条和一根对电极叉指条为一对计数，共计5对，工作电极的叉指条设置在对电极的叉指条的间隙中，且间隔距离相同，为80±5μm。

实施例2

附图2采用高精密集成共面的形式，电极基底选用氧化铝陶瓷材料，厚度为0.38mm，整体电极尺寸为10.0mm x 10.0mm，电极基底上固定设有相互之间平行等距的第一引脚和第二引脚，分别为工作电极和对电极，工作电极的下端部和对电极的下端部延伸至电极基底的下端形成两个引脚端点，工作电极的上端部和对电极的上端部设置有相互之间平行等距的叉指条，工作电极的叉指条和对电极的叉指条以齿梳状交错排列，以一根相邻的工作电极叉指条和一根对电极叉指条为一对计数，共计10对，工作电极的叉指条设置在对电极的叉指条的间隙中，且间隔距离相同，为80±5μm。

实施例3

附图3采用高精密集成共面的形式，电极基底选用氧化铝陶瓷材料，厚度为0.38mm，整体电极尺寸为10.0mm x 10.0mm，电极基底上固定设有相互之间平行等距的第一引脚和第二引脚，分别为工作电极和对电极.工作电极的下端部和对电极的下端部延伸至电极基底的下端形成两个引脚端点，工作电极的上端部和对电极的上端部设置有相互之间平行等距的叉指条，工作电极的叉指条和对电极的叉指条以齿梳状交错排列，以一根相邻的工作电极叉指条和一根对电极叉指条为一对计数，共计15对，工作电极的叉指条设置在对电极的叉指条的间隙中，且间隔距离相同，为80±5μm。

实施例4

附图4采用高精密集成共面的形式，电极基底选用氧化铝陶瓷材料，厚度为0.38mm，整体电极尺寸为10.0mm x 10.0mm，电极基底上固定设有相互之间平行等距的第一引脚和第二引脚，分别为工作电极和对电极，工作电极的下端部和对电极的下端部延伸至电极基底的下端形成两个引脚端点，工作电极的上端部和对电极的上端部设置有相互之间平行等距的叉指条，工作电极的叉指条和对电极的叉指条以齿梳状交错排列，以一根相邻的工作电极叉指条和一根对电极叉指条为一对计数，共计10对，工作电极的叉指条设置在对电极的叉指条的间隙中，且间隔距离相同，为100μm。

实施例5

附图5采用高精密集成共面的形式，电极基底选用氧化铝陶瓷材料，厚度为0.38mm，整体电极尺寸为20.0mm x 10.0mm，电极基底上固定设有相互之间平行等距的第一引脚和第二引脚，分别为工作电极和对电极，工作电极的下端部和对电极的下端部延伸至电极基底的下端形成两个引脚端点，工作电极的上端部和对电极的上端部设置有相互之间平行等距的叉指条，工作电极的叉指条和对电极的叉指条以齿梳状交错排列，以一根相邻的工作电极叉指条和一根对电极叉指条为一对计数，共计20对，工作电极的叉指条设置在对电极的叉指条的间隙中，且间隔距离相同，为100μm。

实施例6

附图6为微型电极，采用高精密集成共面的形式，电极基底选用氧化铝陶瓷材料，厚度为0.38mm，整体电极尺寸为2.0mm x 4.0mm，电极基底上固定设有相互之间平行等距的第一引脚和第二引脚，分别为工作电极和对电极。工作电极的下端部和对电极的下端部延伸至电极基底的下端形成两个引脚端点。工作电极的上端部和对电极的上端部设置有相互之间平行等距的叉指条，工作电极的叉指条和对电极的叉指条以齿梳状交错排列，以一根相邻的工作电极叉指条和一根对电极叉指条为一对计数。共计7对，工作电极的叉指条设置在对电极的叉指条的间隙中。且间隔距离相同，为70μm。电极叉指条宽度为90μm。

实施例7

附图7采用高精密集成共面的形式，电极基底选用氧化铝陶瓷材料，厚度为0.38mm，整体电极尺寸为8.0mm x 8.0mm，电极基底上固定设有相互之间平行等距的第一引脚和第二引脚，分别为工作电极和对电极，工作电极的上下端部和对电极的上下端部分别延伸至电极基底的上下两端形成四个引脚端点，工作电极的中端部和对电极的中端部设置有相互之间平行等距的叉指条，工作电极的叉指条和对电极的叉指条以齿梳状交错排列，以一根相邻的工作电极叉指条和一根对电极叉指条为一对计数，共计13对，工作电极的叉指条设置在对电极的叉指条的间隙中，且间隔距离相同，为75μm。

以上陶瓷基高精密叉指电极的使用温度不超过250℃，可应用于高温高压环境检测。

实施例8

附图8采用高精密集成共面的形式，电极基材采用氧化铝陶瓷，厚度为0.38mm，整体电极尺寸为8.0mm x 8.0mm，电极基底上固定设有相互之间平行等距的第一引脚和第二引脚，分别为工作电极和对电极，工作电极的上下端部和对电极的上下端部分别延伸至电极基底的上下两端形成四个引脚端点，工作电极的中端部和对电极的中端部设置有相互之间平行等距的叉指条，工作电极的叉指条和对电极的叉指条以齿梳状交错排列，以一根相邻的工作电极叉指条和一根对电极叉指条为一对计数，共计12对，工作电极的叉指条设置在对电极的叉指条的间隙中，且间隔距离相同，为75μm。

实施例9

附图9采用高精密集成共面的形式，电极基底选用氧化铝陶瓷材料，厚度为0.38mm，整体电极尺寸为20.0mm x 10.0mm，电极基底上固定设有相互之间平行等距的第一引脚和第二引脚，分别为工作电极和对电极，工作电极的下端部和对电极的下端部延伸至电极基底的下端形成两个引脚端点，工作电极的上端部和对电极的上端部设置有相互之间平行等距的叉指条，工作电极的叉指条和对电极的叉指条以齿梳状交错排列，以一根相邻的工作电极叉指条和一根对电极叉指条为一对计数，共计23对，工作电极的叉指条设置在对电极的叉指条的间隙中，且间隔距离相同，为100μm。

以上陶瓷基高精密叉指电极的使用温度为-50～250℃，纳米级多孔孔径提高了抗原抗体类物质的附着力，可应用于高精密检测领域，具有高灵敏、高稳定特性。

实施例10

陶瓷基高精密叉指电极在电化学传感器中的应用测试：

取实施例4制备的陶瓷基叉指电极，并采用A.O.SMITH皮肤水分检测仪作为商用皮肤水分测试仪。采用商用传感器OMEGA-73测得空气相对湿度为69.2％，温度20℃，皮肤表面温度35.2℃。

叉指电极正极和负极通过导线连接至阻抗测试仪LCR821的H Sense接口和LSense接口，用10mL的吸量管在测试区皮肤表面均匀涂覆5.0mL的生理盐水，自然风干30s、60s、90s和120s后同时放置商用皮肤水分检测仪及叉指电极，记录皮肤水分检测仪的湿度及叉指电极的电容值，得到附图11，说明本发明制备的叉指电极可用于人体皮肤水分传感器。

实施例11

陶瓷基高精密叉指电极在电化学传感器中的应用测试：

取不同批次的实施例5制备的陶瓷基叉指电极，并在电极表面修饰玻璃釉保护层，将其置于高温食用油中，记录其电容值变化，其中食用油温度约为150～200℃，并取商用的以FR-4为基底的叉指电极作为对比例，得到检测结果如下表。

可知本发明制备的陶瓷基叉指电极具有耐高温特性，在高温环境下线路不易损坏及腐蚀，适用于高温高压下的气体、液体传感器。

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。

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过适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。本发明中所未详细描述的技术细节，均可通过本领域中的任一现有技术实现。特别的，本发明中所有未详细描述的技术特点均可通过任一现有技术实现。