2.3 Back-Cell气体传感器


从电化学角度来看，电极尺寸的减小能够显著加速电化学响应，进而提升气体传感器的效率。在硅基微机械加工技术的支持下，、得以拥有丰富的气体传感器制作工艺，其中背部电池工艺尤为关键。该工艺通过让采样气体从元件背部通过致密通孔穿过，触发电池反应，在电解液扩散模式上Clark构型气体传感器得以改变，从而实现了对气体的气相监测。其示意图如图4所示。对于单个背部电池元件，其设计精巧，通孔直径为1 mm，而每个通气孔的直径则精细至2μm。


A：元件的基础衬底选用P型硅基片，上面覆盖一层厚度10μm的N型硅，形成PN结，为自停止腐蚀电极工艺提供了基础。


B：在制造过程中，通过腐蚀工艺在N极上精准腐蚀出通孔，并在元件外围沉积绝缘层，以确保电气隔离。完成这些步骤后，通孔直径精确控制在2μm。

图4 Back-Cell气体传感器示意图


C：利用溅射金属法，在通孔顶部构建Au工作电极，同时在一侧N极顶部构建Au对电极，在另一侧N极顶部则构建Ag/Ag2O聚合物参照电极。这些电极的精确布局确保了元件的高效电化学性能。


经过严格的性能检测，该背部电池元件展现出优异的性能参数。其线性响应范围覆盖0-100ppm，检测下限低至5 ppm，信噪比达到2.0，90%响应时间为330μs，回复时间为550μs。这些性能指标充分展示了该元件在气体监测领域的潜在应用价值。


2.4微电化学流动池集成传感器


微电化学流动池集成传感器以其高集成度著称，能在紧凑的体积内（1 cm×0.6 cm×0.8 cm）实现多种传感器的集成。这一设计使得在有限的空间内可以同时构建O2传感器、CO2传感器以及基于ISFET的JD足球反波胆APP下载传感器，从而实现对不同气体和离子浓度的实时监测。示意图如图5所示。

图5微电化学流动池传感器示意图


在微电化学流动池集成传感器中，其设计精巧，特别是在硅基板背面布局了三个Ag/AgCl参比电极。这样的设计使得测样能够通过小于500微米的孔径顺利经过玻璃封装板进入系统内。在这一过程中，形成了一个具有特定尺寸的测试空间，其宽度为600μm，长度为7毫米，厚度为80μm。这个紧凑的测试空间体积仅约0.34μL，极大地提高了传感器的灵敏度和响应速度。其细部结构如图6。

图6微电化学流动池的细部结构图


微电化学流动池集成传感器中的各个组件均经过精心设计，以实现高效、精确的电化学信号采集。


O2传感器采用缩小尺寸的Clark电极型设计，这种设计不仅减小了电极尺寸，还提高了电化学响应速度。在构建过程中，我们使用SiO2作为牺牲层材料，通过牺牲层构建技术在硅基板和透气膜之间构建了一个厚度为0.3纳升1微米的空腔。这个空腔内充满了JD足球反波胆APP下载值为6.86、浓度为0.1mol/L的KCl缓冲液，用于对O2进行电化学信号采集。这种设计能够确保传感器对O2的敏感度和准确性，为气体检测提供了可靠的数据支持。


CO2传感器采用了缩小尺寸的Severringhaus传感器设计。在硅基板与透气膜之间，我们构建了一个0.5纳升的空腔，内部填充了浓度为0.02mol/L的NaCl与0.005mol/L的NaHCO3混合溶液作为电解液。这种设计使得传感器能够对CO2进行高效、准确的电化学信号采集，为环境监测和气体分析提供了有力的工具。


JD足球反波胆APP下载传感器采用Si3N4门传感器设计，它使用JD足球反波胆APP下载值为6.86、浓度为0.1 mol/L的KCl电解液进行JD足球反波胆APP下载信号的电法采集。这种设计保证了传感器对JD足球反波胆APP下载值的精确测量，使其在生物化学等领域具有广泛的应用前景。


在测试中，微电化学流动池传感器确实容易受到电解池中试样液体的流动性、扩散性等因素的影响，这在一定程度上限制了其响应速度和灵敏度的有效测量。具体而言，试样的流动性不均或扩散性不佳可能导致传感器内部的微空腔和小液结中的反应物质分布不均，从而影响电化学信号的采集和传输。


此外，透气膜与硅基板之间的微空腔和小液结的制成过程对微控制工艺的要求极高。微小的尺寸和复杂的结构使得制备过程中的任何微小偏差都可能对最终制成结果产生显著影响。因此，优化微控制工艺，确保微空腔和小液结的精确制备，是提高传感器性能的关键。


试样进出口的连接方式也是影响传感器灵敏度和采集效率的重要因素。合理的连接方式应确保试样能够顺畅地进入传感器内部，并与内部的反应物质充分接触。否则，连接不畅或试样泄露等问题都可能导致传感器性能下降。


尽管当前制备工艺下，微电化学流动池传感器属于较高精尖的元件实现模式，但随着硅基微机械开关系统加工技术的不断提升，我们有理由相信，未来高集成度的类似微电化学流动池传感器的元件制备将变得更为容易实现。通过不断优化制备工艺、提高微控制精度以及改进试样进出口连接方式，我们可以期待微电化学流动池传感器在未来展现出更加优异的性能，为生物化学、环境监测等领域的研究和应用提供有力支持。


3总结


在生物化学的电化学信号采集领域，微机械开关传感器因其独特优势而备受关注。生物酶技术与硅基微机械加工技术的结合，为这一领域的研究提供了新的突破点。当前，硅基浅表加工技术已经能够精细到7-14纳米层面，而硅基微机械加工则主要停留在微米层面。然而，随着技术的不断进步，我们可以预见敏感元件将逐渐从微米级硅基加工向纳米级加工工艺发展。


这种发展将带来诸多益处。首先，元件尺寸的缩小将显著提高反应速度，减少样品使用量，并提升灵敏度。这将使得微机械开关传感器在生物化学研究中的应用更加广泛和深入。其次，缩小尺寸的元件在人体植入监测方面也将更具优势，使得操作更为便捷，减轻患者的负担。此外，石英晶体谐振微天平传感器（QCM）也将随着硅基微结构加工技术的提升而逐渐发展。结合电化学石英晶体微天平（EQCM），这种传感器可以融入震荡电路中，作为恒电势仪器或恒电流仪器提供电化学信号。这种技术的应用将进一步拓宽微机械加工技术在生物化学领域的应用范围。


综上所述，微机械加工技术近年来发展迅速，已经成为一种跨学科且应用场景极为丰富的创新研究范畴。现有成果已经展示了其在液相或气相气体监测中的强大电化学适应性，并实现了诸多应用场景。同时也为日后船舶上的微机械开关传感器的集成化、可靠性等方面研究提供了相关依据，对于进一步提高其可靠性及高效性具有一定的意义。