配備有微電極的電解槽的制作方法
【專利說明】配備有微電極的電解槽發(fā)明領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及用于產(chǎn)生未分離的產(chǎn)物的設(shè)有微電極的電解槽及其制造方法。本發(fā)明的電解槽和微電極通過在微機電系統(tǒng)(MEMS)的制備中使用的半導(dǎo)體器件制造技術(shù)獲得。
[0002]發(fā)明背景
[0003]本發(fā)明涉及可以被布置為單極或雙極構(gòu)造的電解槽，適用于不需要分離在陽極和陰極處產(chǎn)生的產(chǎn)物的方法。
[0004]本領(lǐng)域已知用于制造在微機電系統(tǒng)(MEMS)的制備中使用的半導(dǎo)體器件的方法和技術(shù)，以及用于在基于半導(dǎo)體材料的襯底上直接沉積用于電化學(xué)反應(yīng)的催化金屬或者制備微電極的光刻技術(shù)。例如在W02012078396中描述了利用上述技術(shù)的微電極及其獲得方法，以及它們在針對水電解的電解槽中的用途。在此情況下，描述了通過配備有微電極的電解槽電解水的方法，其中最終產(chǎn)物氫和氧是分離的。W02012078396還描述了一對板，其分別具有嵌入其中的陽極微電極和陰極微電極，盡管微電極大小的微米數(shù)量級，其電極間間隙即每對陽極微電極和陰極微電極之間的距離仍是宏觀級別。這是因為分別具有納入其中的陽極微電極和陰極微電極的該兩塊板，由于機械公差或者當(dāng)存在時置于所述板之間的隔膜或膜的厚度，不能接近超過一定限度。因為這個原因，只有電解質(zhì)的電阻率足夠小，才可以在實際有用的電流密度下將槽電壓限制在合理數(shù)值內(nèi)。因為同樣的原因，在傳統(tǒng)型電解槽中，即甚至該電極具有宏觀數(shù)量級的尺寸時，也只有電解質(zhì)的電阻率足夠小，才可以在實際有用的電流密度下將槽電壓限制在可以接受的數(shù)值內(nèi)。
[0005]還已知原位臭氧微發(fā)生器，例如在US2009/0120863中所描述的，公開了制備臭氧的電路，其印刷在印刷電路板(PCB)的一面上，為了增加氫氣泡的大小該印刷電路板(PCB)設(shè)有適當(dāng)粗糙化的表面，由此使產(chǎn)物臭氧與陰極析出的氫的重新組合最少化，因此增加有效的臭氧制備。除了其它缺點以外，US2009/0120863的粗糙陰極還需要定期再生，并且為此它們設(shè)有在PCB的相對面上布置的加熱元件。另外，US2009/0120863的臭氧發(fā)生器只能采用由最低水平的電導(dǎo)率開始的水(例如泉水或自來水)工作，不適用于由去礦物質(zhì)或去離子的水制備臭氧。
[0006]發(fā)明人出乎預(yù)料地發(fā)現(xiàn)，在單一板中設(shè)有以微米級的距離彼此插入的多個陽極和陰極微電極的電解槽，甚至還可以采用非常高的電阻率(即低電導(dǎo)率)的水性電解質(zhì)操作，制備數(shù)量足以用于各種用途的臭氧和混合氧化劑，只要該微電極表面極其光滑，例如鏡面狀。此外，設(shè)有鏡面狀微電極的制備臭氧的槽不需要任何定期再生，其臭氧制備速率高得多，從而由重新組合所致的損失產(chǎn)物部分不明顯。除了產(chǎn)生臭氧和混合氧化劑以外，設(shè)有鏡面狀微電極的電解槽還可以用于各種目的。這種類型的槽設(shè)計不能利用常規(guī)的PCB技術(shù)獲得，而且需要允許更精密的尺寸控制的先進制造技術(shù)，例如結(jié)合物理或化學(xué)氣相沉積的微機電系統(tǒng)(MEMS)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的各個方面列在所附的權(quán)利要求書中。
[0008]在一個方面，本發(fā)明涉及用于產(chǎn)生未分離的陽極產(chǎn)物和陰極產(chǎn)物的電解槽，其由可光刻圖案的襯底(例如硅襯底)組成，該襯底具有嵌入其中的多個陽極微電極和陰極微電極的表面，陽極微電極和陰極微電極以小于100微米的電極間間隙彼此插入并且具有小于0.05 μ m的平均表面粗糙度Ra。在一個實施方案中，陽極微電極和陰極微電極具有小于0.01 μ m的平均表面粗糙度Ra。
[0009]在此使用術(shù)語“嵌入”襯底的表面中意味著以這樣的方式在襯底表面上形成微電極:使得使它們的外部暴露用于在操作過程中與水性電解質(zhì)有效接觸。
[0010]發(fā)明人觀察到，電極表面的鏡面狀光滑度結(jié)合微米電極間間隙，允許在有效的電流密度下采用廣泛的電解質(zhì)操作，所述電解質(zhì)包括非常有電阻性的電解質(zhì)(即具有非常低的電導(dǎo)率)，例如純水或離子物質(zhì)含量極度減小的水。采用具有適當(dāng)催化的外表面的微電極，出乎預(yù)料地可以制備出乎預(yù)料的量和各種不同的物質(zhì)，例如氧化物質(zhì)。不期望將本發(fā)明限制于特定理論，可以假設(shè)微電極的光滑度防止在其整個表面上發(fā)生反應(yīng)，并且在其邊緣上集中電流線。因此，在微電極邊緣周圍局部電流密度變得如此的高，尤其是采用非常有電阻性的電解質(zhì)，以致于相應(yīng)的電勢觸發(fā)開始許多物質(zhì)(例如氧自由基物質(zhì))的形成，這不會由現(xiàn)有技術(shù)的槽產(chǎn)生。
[0011]在此使用的術(shù)語“多個微電極”意指表示至少兩個微電極。
[0012]在此使用的術(shù)語“微電極”意指表示具有微米數(shù)量級即小于100微米的尺寸的電極。
[0013]在一個實施方案中，根據(jù)本發(fā)明的電解槽具有涂覆有外層的微電極，該外層由真空沉積的硼摻雜的金剛石膜組成。這可具有優(yōu)點:有利于以電解槽在應(yīng)用例如消滅水溶液中的污染有機物質(zhì)中變得極其有效的速率制備含有臭氧的出乎預(yù)料的反應(yīng)性混合氧化劑物質(zhì)。在另一個實施方案中，根據(jù)本發(fā)明的電解槽具有涂覆有外層的微電極，該外層由含有至少一種選自Pt、Pd、Ir、Ru、Rh、Nb和Ti中的元素的材料制成?；谏鲜鲈氐耐繉釉趶母鞣N類型的電解質(zhì)產(chǎn)生多種需要的物質(zhì)例如氫氧、過氧化氫和臭氧方面證明是非常有效的。例如通過采用Ru和Pd涂覆該槽的微電極，還可以處理含氯化物的電解質(zhì)以制備含氯物質(zhì)例如次氯酸鹽或初生氯。此外改變微電極的電催化層的組成、區(qū)別微陽極和微陰極組成的可能性允許調(diào)節(jié)微電極的反應(yīng)性從而制備不同物質(zhì)。
[0014]在一個實施方案中，選自Co、Cr、Mo、W、N1、Ti及其合金的金屬材料中間層置于外層和襯底之間；這可以具有優(yōu)點:增加在槽操作過程中暴露于電解質(zhì)的外層與襯底的附著。
[0015]該襯底可以從現(xiàn)有技術(shù)的可光刻圖案的襯底中選擇。其可以具有半導(dǎo)體或絕緣屬性，為柔性或剛性的，并且可以包含無機-例如硅基-或有機組合物，例如不同屬性的聚合物。在此使用術(shù)語“可光刻圖案的襯底”表示一種襯底，可通過先進的光刻技術(shù)例如MEMS對該襯底進行處理以形成根據(jù)預(yù)定圖案的限定大小和幾何形狀的微電極，例如根據(jù)互相交叉的幾何形狀以預(yù)定的電極間間隙適當(dāng)?shù)夭迦攵鄠€電連接的指狀陰極的多個電連接的指狀陽極。
[0016]任選地，硅基襯底包含200至400 μ m厚的Si層，其頂部有0.5至2 μ m厚的S12
層O
[0017]在另一個方面，本發(fā)明涉及如上所述的電解槽的制造方法，包括步驟:
[0018]提供襯底，該襯底具有根據(jù)通過光刻技術(shù)的預(yù)定圖案的指狀物；
[0019]任選地，通過氣相物理或化學(xué)沉積技術(shù)(PVD或CVD)采用選自Co、Cr、Mo、W、N1、Ti及其合金的金屬層涂覆該指狀物；
[0020]通過氣相物理或化學(xué)沉積技術(shù)在所述金屬涂覆的指狀物上施加外電極層。
[0021]在一個實施方案中，外電極層包含一種材料，該材料含有至少一種選自Pt、Pd、Ir、Ru、Rh、Nb和Ti的元素。在另一個實施方案中，外電極層是通過微波輔助的化學(xué)氣相沉積施加的硼摻雜的金剛石膜。在另一個實施方案中，外層是硼摻雜的金剛石膜，該金剛石膜含有至少5000ppm的硼摻雜。
[0022]在一個實施方案中，利用選自MEMS光學(xué)光刻和MEMS激光刻蝕技術(shù)或者二者的組合的光刻技術(shù)，襯底設(shè)有根據(jù)預(yù)定圖案的指狀物。
[0023]在另一方面，本發(fā)明涉及一種可變組成的氧化混合物的制備方法，包括通過集成于如上所述的槽的微處理器程序化施加不同的電流密度。
[0024]因此，本發(fā)明還涉及一種根據(jù)本發(fā)明可變組成的氧化混合物的制備方法，該混合物含有至少一種選自臭氧、氧自由基、初生氧、過氧化物、次氯酸根離子和初生氯的物質(zhì)。這可以具有優(yōu)點:使得本發(fā)明的槽可用于殺菌和消毒領(lǐng)域內(nèi)的各種用途，例如醫(yī)療設(shè)備的殺菌、水凈化、洗衣機內(nèi)水的殺菌等等。
[0025]在另一個方面，本發(fā)明涉及一種用于分配殺菌、消毒或清潔劑物質(zhì)的裝置，該裝置配備有至少一個根據(jù)本發(fā)明的槽。
[0026]現(xiàn)在將參考附圖描述例示本發(fā)明的一些實施方式，其唯一目的在于說明相對于本發(fā)明的所述特定實施方式不同元件的相互布置；特別地，附圖不必按照比例繪制。
[0027]附圖簡要說明
[0028