基本介紹
- 中文名：叉指電極
- 外文名：Interdigital Electrodes
工作原理,結構,參數影響分析,製造工藝,套用,
工作原理
電化學感測器通過與被測目標分析物發生反應，並產生與目標分析物濃度成比例的電信號來工作。典型的電化學感測器由感測電極和反電極組成，並有一個薄電解層隔開。在環境監測中，可以在電化學感測器的電極之間生長可與目標分析物發生反應並發生阻值變化的捕獲物，通過檢測捕獲物的電阻值變化，實現檢測環境中大部分有毒有害生物化學物質的目的。電化學感測器通常具有操作簡單、儀器成本低等特點。除此之外，電化學感測器可以與各種先進的微機電系統製造技術聯用，從而實現大規模的批量生產，並且可以實現小型化從而降低成本。
結構
微間距的叉指電極是一種最為常用的微間距電極結構，它被廣泛的套用於非破壞性測試、電子通訊、化學測試等多個領域。 一般來說，不同的套用領域對於叉指電極的形狀、幾何學尺寸、加工工藝、材料的選擇、建模分析、系統集成以及數據的分析都有不同的要求，因此對於不同的領域我們應該區分對待。基本的結構有圓形、矩形等，而每條叉指的形狀除簡單的矩形外，也可有圓形或矩形突起。在這裡，我們要根據環境監測的具體要求，針對叉指電極的結構形狀進行分析說明和最終的結構選擇，確定具體的設計參數根據微弱信號檢測的相關原理，在低頻信號測量時，電阻值越高，其相應的電阻熱噪聲和閃爍噪聲也就越高，不利於信號的提取和檢測[1]。所以，可以通過減少敏感膜電阻值的方法，實現對氣體敏感感測器的信號噪聲比的提高，從而減小噪聲對測量信號的干擾。根據電阻的計算公式，影響阻值變化的因素主要有電阻率、電阻長度及橫截面積等。一般情況下，氣體敏感材料薄膜的電阻率較高，因此減小敏感膜電阻值的方法是增加敏感膜的厚度或者是增大敏感膜的寬長比。但是，敏感膜的厚度太大會降低氣體敏感感測器的回響時間。因此，綜合考慮到回響時間和信噪比，需要設計最佳化氣體敏感感測器中微電極的厚度和長寬比。
參數影響分析
叉指電極感測器主要包括四個結構參數，分別為：叉指電極對的對數、叉指寬度、相鄰叉指之間的間隙距離以及叉指電極的厚度。這四個參數對基於叉指電極的生化感測器關鍵性能指標都有很大影響。通過分析叉指電極阻值的計算公式可發現，叉指的長寬比越大，叉指的密度越大，叉指電極的初始電阻越小，從而感測器的靈敏度和回響速度就會越高。當叉指電極結構尺寸減小到微米量級以下，叉指電極結構間的微弱的電阻變化可以被靈敏地檢測到，叉指電極感測器的靈敏度得以顯著提高。叉指電極結構周圍的電場分布可以通過理論分析以及數值模擬計算得到，計算結果表明叉指電極感測器的電場強度與電極厚度成近似反比關係，電極越厚，電場強度越小。因此，通過最佳化叉指電極感測器的相關結構參數可以提高生物化學感測器的性能，當套用於不同的感測檢測領域時，可能需要使用不同結構參數的叉指電極結構。
分析表明，叉指電極感測器的電極對數對叉指電極感測器的信噪比沒有影響。原因在於：叉指電極感測器的信號的大小和噪聲的大小都和叉指電極結構的表面積成正比例變化關係。當叉指電極對數增加時，叉指電極結構的表面積隨之增大，叉指電極感測器的信號的大小和噪聲的大小同時等比例增大，使得叉指電極感測器的信噪比基本保持不變。因此可以得出結論，電極的對數對叉指電極感測器信噪比的大小基本沒有影響。叉指電極間距的減小可以使信噪比增大的同時提高信號幅。如套用於化學感測領域，叉指電極間距的減小還可以有效地提高化學反應的速率、加快建立反應進行過程，從而能夠提高感測器性能，並縮短叉指電極感測器反應的時間。叉指電極感測器的電極寬度的減小在提高信噪比的同時會使檢測信號的幅值降低。
製造工藝
1.叉指電極基底的選擇
襯底 | 成本 | 金屬化 | 機械性 |
陶瓷 | 中等 | 一般 | 較差 |
塑膠 | 低廉 | 較差 | 一般 |
矽 | 較高 | 較好 | 非常好 |
玻璃 | 較低 | 較好 | 較差 |
2.製備工藝流程設計：
（1）清洗玻璃片。玻璃襯底的潔淨度對生長於其上的薄膜的黏附性影響非常大。由於後續工藝流程中含有在酸性溶液中的濕法腐蝕等工藝，所以在第一步工藝中希望能儘量把玻璃襯底清洗乾淨。常用的清洗方法為先在“食人魚”溶液、即濃硫酸和雙氧水的混合溶液中進行浸，去除附著於玻璃襯底上的有機污染物；然後再放入氨水等鹼性溶液、鹽酸溶液、丙酮溶液、乙醇溶液中分別進行超聲清洗，去除金屬離子污染和顆粒污染，最後用乾燥潔淨的 N2吹去玻璃片表面水分，在乾燥箱中充分乾燥。
（2）鉻金薄膜的蒸鍍生長。本文所研究的叉指電極結構採用鉻、金材料製作。首先需要在玻璃襯底上生長一層均勻覆蓋的薄膜。將上一步工藝過程中清洗好的玻璃片放入電子束蒸發鍍膜機中，抽真空後，先蒸鍍 50 厚度的鉻金屬層，再蒸鍍1000Å 厚度的金層，最後升溫到 300℃進行熱處理以增強鉻金層的黏附性。
（3）紫外光刻。首先利用勻膠機在玻璃襯底表面旋塗一層均勻的光刻膠，厚度大約為 1~2μm，然後利用光刻機設備以及已製備好叉指電極圖形的光刻板在玻璃片表面進行紫外曝光工藝，然後在顯影液中顯影得到掩模圖形。完成光刻後，在鉻金金屬薄膜表面上就形成光刻膠的電極圖案。
（4）濕法腐蝕。在光刻膠的保護下，用金腐蝕液腐蝕金膜，再用鉻腐蝕液腐蝕鉻膜，得到電極圖形。去除在金屬電極表面的光刻膠掩模，完成叉指電極基底的製造。
套用
叉指電極
1.集總元件微波積體電路（MIC）
2.光電探測器
3.化學感測器
4.生物感測器
5.慢波設備
6.光聲表面設備
7.高溫超導體以及鐵電薄膜
8.濕度感測器
