ПЛЕНОЧНЫЙ МНОЖЕСТВЕННЫЙ МИКРОЭЛЕКТРОД Российский патент 1997 года по МПК G01N27/30 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к измерителям концентрации неорганических и органических соединений в различных объектах.

Многочисленные преимущества множественных микроэлектродов (ММЭ) особенно проявляются при уменьшении размеров измерительных электродов до микронного уровня, при этом влияние сопротивления раствора становится пренебрежительно малым, а емкостные токи, которые являются лимитирующим фактором при использовании электродов обычных размеров, на ММЭ уменьшаются до незначительных величин ММЭ представляет собой совокупность множества единичных микроэлектродов с идентичными геометрическими размерами. Использование ММЭ позволяет достичь высокой чувствительности с хорошим соотношением сигнал/шум и использовать стандартную измерительную аппаратуру.

Основной задачей при создании ММЭ является увеличение количества единичных микроэлектродов, уменьшение размеров их рабочих поверхностей, повышение технологичности конструкций.

Известен ММЭ [1] состоящий из отрезков микропровода, расположенных в защитном капилляре, либо скрепленных между собой клеящим веществом. Известен ММЭ [2] в котором диэлектрический цилиндр оборачивается металлической сеткой из микропровода и изолируется эпоксидным компаундом. Рабочие участки микроэлектродов появляются при шлифовке торцевой поверхности цилиндра.

Недостатками приведенных конструкций являются, во-первых, низкая чувствительность ММЭ из-за малого количества единичных микроэлектродов и, во-вторых, низкая технологичность конструкций.

Прототипом выбран пленочный множественный микроэлектрод [3] содержащий диэлектрическую подложку, узкие полоски пленочных микроэлектродов, примыкающих к более широкому пленочному токопроводу, при этом токопровод изолирован сверху диэлектрическим материалом. Достоинствами ММЭ являются высокая технологичность конструкции и высокая чувствительность, достигаемая большим количеством единичных микроэлектродов.

Недостатками ММЭ являются:
Минимальные размеры единичных микроэлектродов (площади рабочих участков) ограничены возможностями микроэлектронной технологии, например не менее 0,005х0,005 мм².

При работе ММЭ происходит загрязнение поверхности микроэлектродов. В прототипе очистка поверхности микроэлектродов затруднена из-за малой толщины пленки, ее невысокой адгезии и подложке и вследствие этого малой механической прочности.

Технической задачей при создании изобретения является уменьшение площади рабочих поверхностей единичных микроэлектродов, повышение технологичности изготовления пленочного ММЭ и создание возможности обновления рабочей поверхности.

Техническая задача решена тем, что на диэлектрической подложке, на которой нанесены пленочный токопровод и соединенные с ним пленочные проводники, имеющие каждый рабочую поверхность единичного микроэлектрода, нанесены пленочные проводники до боковой поверхности подложки, поверхность пленочных проводников и токопровод покрыты изоляционным материалом, боковые поверхности подложки отшлифованы, а рабочими поверхностями единичных микроэлектродов являются торцы пленочных проводников на боковых поверхностях подложки, а также тем, что токопровод расположен на подложке одной из боковых сторон, диэлектрическая подложка с токопроводом и проводниками свернута в рулон, один конец которого является плоскостью с рабочими поверхностями единичных микроэлектродов, а другой общим токопроводом, кроме того тем, что подложка выполнена в виде плоских колец с внутренним диаметров, на каждом кольце у внутренней боковой поверхности расположен токопровод, а пленочные проводники расположены на подложке радиально, плоские кольца насажены на являющийся токопроводом стержень с диаметром d, выполненным из проводящего материала.

На фиг.1 9 изображены различные варианты конструкций ММЭ. Здесь 1 - диэлектрическая подложка, 2 единичные микроэлектроды, 3 рабочие поверхности микроэлектродов, 4 токопровод, 5 изоляционное покрытие, 6 общий токопровод. l₁ ширина пленочного проводника, l₂ - толщина пленочного проводника, d диаметр общего токопровода-стержня, D - диаметр цилиндра.

На фиг.1 и 2 показан вариант однослойной конструкции ММЭ, соответственно вид сверху и сбоку.

ММЭ по фиг.1 и 2 может быть изготовлен следующим образом.

На диэлектрической подложке одним из известных способов (плазменным, термическим, парафазным и др.), применяя методы микроэлектронной технологии, создают рисунок из металлической пленки пленочный токопровод с присоединенными к нему пленочными микроэлектродами. На подложку с металлической пленкой наносится защитное покрытие из диэлектрического материала, являющегося выводом. Шлифовкой боковых поверхностей подложки оголяют торцы пленочных проводников, служащие затем рабочими поверхностями микроэлектродов. При этом размер l₁ такой же, как в прототипе (определяется разрешающей способностью технологического процесса), а размер l₂ равен толщине пленки. Как известно, толщина пленки (размер l₂) может быть получена очень малой, управляя интенсивностью и продолжительностью процесса напыления пленки.

На фиг. 3 приведена конструкция многослойного ММЭ. Здесь в качестве подложки использованы тонкие полимерные пленки (толщиной менее 0,1 мм). Металлизированные полимерные пленки могут быть соединены друг с другом с помощью клея или нагревом сборки до определенной температуры, если полимерная пленка термопластичная.

На фиг. 4 6 показана многослойная цилиндрическая конструкция, соответственно общий вид (фиг.4), вид отдельной подложки сверху (фиг.5), вид сечения подложки (фиг.6). Здесь отдельные подложки имеют круглую форму с отверстием в середине, их устанавливают на несущий металлический (или диэлектрический металлизированный) стержень, токопроводы подложек электрически соединены с общим токопроводом цилиндрическим стержнем. Подложки могут быть соединены друг с другом с помощью клея, стеклоприпоя (если подложки керамические) или нагревом, если материал подложки является термопластичным. Единичные микроэлектроды располагаются на боковой поверхности цилиндра.

На фиг. 7 9 показана конструкция ММЭ, выполненная из полимерной пленки ленточной формы с пленочным токопроводом и микроэлектродами, при этом микроэлектроды располагаются только с одной стороны токопровода, как показано на фиг. 7. Полимерную пленку сворачивают в рулон, при этом образуется цилиндр (фиг.8), один конец которого имеет множество единичных микроэлектродов (фиг. 9), второй торец соединен с общим токопроводом и служит выводом.

Отличительным признаком приведенных конструкций пленочных ММЭ от прототипа является то, что рабочими участками единичных микроэлектродов служат торцы тонких пленок, площадь которых может быть на несколько порядков меньше, чем у прототипа.

Достоинствами предложенных конструкций является.

Возможность изготовления ММЭ с сверхмалыми размерами единичных микроэлектродов. Известно, что с уменьшением размеров единичных микроэлектродов уменьшаются влияния емкостных токов и сопротивления раствора на точность измерения. Например, при размерах микроэлектрода прототипа - ширине 0,005 мм и длине 0,005 мм, площадь рабочей части составит 25•10^-6 мм². В предложенных конструкциях ММЭ ширина проводника остается такой же, а длиной служит толщина пленки l₂, которая может быть изготовлена достаточно малой (вплоть до нескольких десятков атомных размеров, пока сохраняется проводимость пленки), например, l₂ 5•10^-5 мм (0,005 мкм). При этом площадь торцевой поверхности пленки 25•10^-8 мм², что в 100 раз меньше, чем в прототипе.

Высокая чувствительность ММЭ за счет большого количества единичных микроэлектродов. Благодаря тому, что рабочей поверхностью микроэлектродов являются торцы пленок, появляется возможность изготовления слоистых ММЭ, многократно увеличивая количество единичных микроэлектродов и соответственно чувствительность.

Возможность очистки и обновления рабочей поверхности микроэлектродов, обеспечиваемых электрохимически или шлифовкой торцевой поверхности.

Высокая механическая прочность конструкции, достигаемая благодаря тому, что поверхность пленки защищена покрытием и выступает лишь торец пленки.

Использование: в измерительной технике, в частности в измерителях концентрации органических и неорганических соединений в растворах. Сущность изобретения: пленочный множественный электрод содержит диэлектрическую подложку 1, на которой нанесены пленочный токопровод 4 и соединенные с ним пленочные проводники 2, нанесенные до боковой поверхности подложки. Поверхность пленочных проводников и токопровод покрыты изоляционным материалом. Рабочими поверхностями единичных микроэлектродов, образованных пленочными проводниками, являются торцы пленочных проводников, которые находятся в одной плоскости с боковой поверхностью подложки после ее шлифовки. Токопровод может быть расположен с одной из боковых сторон подложки или иметь форму стержня, при этом подложка выполняется в виде плоских колец, насаженных на стержень, а пленочные проводники нанесены на подложке радиально. 2 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Пленочный множественный микроэлектрод, содержащий диэлектрическую подложку, на которой нанесены пленочный токопровод и соединенные с ним пленочные проводники, имеющие каждый рабочую поверхность единичного микроэлектрода, отличающийся тем, что пленочные проводники нанесены от токопровода до боковой поверхности подложки, поверхность пленочных проводников и токопровод покрыты изоляционным материалом, боковые поверхности подложки отшлифованы, а рабочими поверхностями единичных микроэлектродов являются торцы пленочных проводников на боковых поверхностях подложки. 2. Микроэлектрод по п.1, отличающийся тем, что токопровод расположен на подложке одной из боковых сторон, диэлектрическая подложка с токопроводом и проводниками свернута в рулон, один торец которого является плоскостью с рабочими поверхностями единичных микроэлектродов, а другой общим токопроводом. 3. Микроэлектрод по п.1, отличающийся тем, что подложка выполнена в виде плоских колец с внутренним диаметром, на каждом кольце у внутренней боковой поверхности расположен токопровод, а пленочные проволоки расположены на подложке радиально, плоские кольца насажены на являющийся общим токопроводом стержень с диаметром d, выполненный из проводящего материала.