[发明专利]一种多参数水质监测集成微阵列电极及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种多参数水质监测集成微阵列电极及制备方法，更确切地说本发明涉及一种集成Ag/AgCl参比电极的水质监测集成传感器及制作方法，包括可同时在线测定温度、电导率、氧化还原电位和pH值等，属微细加工和传感器领域。

背景技术

氧化还原电位(Oxidetion Reduction Potential，ORP)是水体中多种氧化物与还原物质发生氧化还原反应的综合结果，是一综合性指标。这一指标可有助于人们了解水质电化学特性、分析水体性质，以做出防范或治理的决策；电导率在电厂、化工和污水处理等部门的水质监测中同样应用广泛；pH作为一衡量溶液酸碱程度的标准在食品、制药业、水质检测领域都有广泛应用；另外，温度对于电导率的测量、pH值的大小都有影响，且它在一定程度上也反映了水体质量的好坏。

目前，大多数在线水质检测设备需消耗大量化学试剂，能同时检测的参数也较少，且价格昂贵维护成本也较高。因此微传感器及微系统被提上日程，出现了一些报道，如将溶解氧和氧化还原电位传感器的集成。但由于采用的是外接参比电极难将仪器微型化，及其多参数集成过程工艺的兼容性均使大多数的研究停留在实验室阶段，实际应用又较少。

参比电极作为电化学测试中稳定电位的提供者，具有非常重要的意义。目前电化学传感器中使用较多的是Ag/AgCl电极和饱和甘汞电极，其中饱和甘汞电极因含有有毒物质汞，所以该电极的应用受到了限制。现阶段微电极型传感器使用的Ag/AgCl电极一般都是外接的一个成品电极，这样将限制仪器的集成化、微型化，存在改进空间。

此外，随着微加工技术的发展，基于MEMS微加工技术的微传感器、微执行器以及流体控制等技术得到了飞速发展，其特点是体积小，成本低，可批量生产，可自动控制，生化分析设备的小型化、微型化是MEMS技术最具有发展前景的应用领域之一。

本发明基于以上技术背景，拟利用MEMS工艺制作出Pt集成微电极，通过电化学修饰，制备了IrOx金属氧化物的pH电极，并将Ag/AgCl参比电极集成上，终以电化学检测的方法，实现对水体温度、电导率、氧化还原电位和pH值的测定。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于Ag/AgCl参比电极的多参数水质监测集成微电极及制作方法，所述的微阵列电极制作在氧化硅片上。该阵列电极衬底为Pt薄膜，光敏性聚酰亚胺为绝缘层，光刻将电极位点裸露出来，其他部分绝缘。采用电化学修饰的方法在裸露电极上电沉积Ag/AgCl和IrOx薄膜分别形成参比电极和pH测试电极，以实现对温度、氧化还原电位、电导率和pH的测定。

本发明需要解决的关键技术是：

1.微阵列电极及制作方法

微阵列电极采用的是微细加工技术，制作过程采用两次光刻，使制作方法简单、制备成本低。

2.电镀液的配置

选择合适的电镀液及适当的浓度直接影响着电沉积效果。

3.电镀方法及条件的优化

为了得到结构致密的参比电极和pH测试电极，需筛选出合适的电沉积方法及最优化的电沉积条件，从而使制得的参比电极和pH测试电极具有最佳的性能。

本发明采用的技术方案是：

1.铂微阵列电极的制作：利用MEMS工艺在氧化硅片上首先制作出图形化的Pt电极，然后在图形化的电极上旋涂聚酰亚胺，进行二次光刻，这样使电极位点裸露而其他部分被绝缘性聚酰亚胺保护起来。

2.Ag/AgCl参比电极的制备：采用循环伏安法在Pt电极上电沉积银，沉积溶液为10mmol/L的Ag(NH₃)₂OH，在-0.3V--0.5V的电压范围内以30mv/s的扫描速度扫描30圈；恒电压下设置电压为0.2V，0.05mol/L HCl溶液中处理180s。

3.pH电极的制备：配置电镀IrO₂膜的电沉积液，用恒电流密度法电沉积，电流密度为2mA/cm²，沉积时间为5min。

本发明的优点和有益效果是：

1.本发明采用硅基微细加工工艺，其来源丰富，加工工艺成熟，能够批量生产且可以重复使用。

2.所制作的Ag/AgCl参比电极结构简单，制作成本较低，能够满足在线检测的需求。

3.IrOx电极具有很好的稳定性且pH响应范围宽，另外Nafion膜提高了电极对H⁺的选择性和电极的抗干扰能力，使电极可长时间进行在线检测。

4.微电极便于集成化和微型化。

附图说明