一種表面設有納米多孔金的基體、其制備方法和應用
【專利摘要】本發(fā)明提供一種表面設有納米多孔金的基體、其加工方法及應用，所述基體表面可設有緩沖層；所述基體表面或所述緩沖層表面設有導電層；所述基體為泡沫鎳、泡沫銅等金屬材料或陶瓷、玻璃、PS、PET、PC、PMMA及其聚合物等非金屬材料中的任一種；所述導電層為納米多孔金。
【專利說明】
一種表面設有納米多孔金的基體、其制備方法和應用
技術領域
[0001] 本發(fā)明涉及傳感器技術領域，具體涉及一種表面設有納米多孔金的基板、其制備 方法和應用。
【背景技術】
[0002] 生物傳感器技術是一個非?；钴S的工程技術研究領域，它與生物信息學、生物芯 片、生物控制論、仿生學、生物計算機等學科一起處在生命科學和信息科學的交叉區(qū)域，是 發(fā)展生物技術必不可少的一種先進的檢測與監(jiān)控裝置。生物醫(yī)用電極作為一種能夠有效地 將生物體電化學活動產(chǎn)生的離子電位轉換成測量系統(tǒng)電子電位的傳感器，廣泛應用于現(xiàn) 代臨床檢測和生物醫(yī)學測量。
[0003]生物醫(yī)用電極作為測量系統(tǒng)最為關鍵核心部件之一，可以起到生物電信號的激 勵、采集、傳導等作用，但是由于生物電信號較弱，在多數(shù)情況下通常需要使用多個電極 來同時進行生物電信號的采集與分析。因此，對生物醫(yī)用電極的靈敏度和導電性能提出了 很高的要求。為提高傳感器的靈敏度，一般都會采用在傳感器中負載敏感成分的方法，在這 種那個方法中，敏感成分負載量與傳感器對目標氣體的靈敏度呈正相關，為保證傳感器的 靈敏度，需要在傳感器表面上負載足量的敏感成分。但僅僅增加敏感成分的負載量，由于敏 感層比表面積的限定，負載的敏感成分難以與傳感器檢測的受體充分接觸，實質上難以顯 著提高傳感器的靈敏度。而增加傳感器的面積雖然可以一定程度上增加敏感層的負載量及 接觸面積，但該做法一方面將增加傳感器的體積，另一方面對傳感器的靈敏度提升并不明 顯，難以投入工業(yè)化生產(chǎn)中應用。同時現(xiàn)有技術當中，采用的是熔鑄法的加工工藝實現(xiàn)，是 將金和另一種合金高溫熔化形成合金，在腐蝕的溶液中去除另一種金屬。但這種方法無法 在陶瓷、塑料等非金屬表面上實現(xiàn)，局限性非常大。另外，形成的多孔金屬也是塊體的結構， 不是金屬膜層的結構，相比于薄膜，塊狀的多孔金屬塊厚度大，極大的限制了傳感器的應 用。
[0004]

【發(fā)明內容】

[0005] 針對現(xiàn)有技術所存在的不足，本發(fā)明提供一種表面設有納米多孔金的基體及其加 工方法和應用。
[0006] 為解決上述技術問題，本發(fā)明提出的技術方案為：一種表面設有納米多孔金的基 體，所述基體表面可設有緩沖層;所述基體表面或所述緩沖層表面設有導電層;所述基體為 泡沫鎳、泡沫銅等金屬材料或陶瓷、玻璃、PS、PET、PC、PMM及其聚合物等非金屬材料中的任 一種;所述導電層為納米多孔金。當基板選用金屬材料時，則無需在基板表面設置緩沖層， 直接電鍍導電層；當基板選用非金屬材料時，需先表面金屬化基板形成緩沖層，再電鍍導電 層，通過緩沖層增加基板與導電層的結合力。
[0007] 所述導電層中設有反應孔;所述反應孔相互連通。
[0008] 本發(fā)明通過在基板表面修飾納米多孔金層，通過反應孔之間相互貫通，為電解質 的流通提供了足夠的空間，并通過多孔金層中的反應孔來增加比表面積，在不增加傳感器 基板體積的前提下為敏感成分提供更多的附著位點，提高敏感成分的負載量以及敏感成分 的接觸面積，最終可以大幅提升所制得的傳感器的靈敏度，所述表面設有納米多孔金的基 體非常適用于線路板、叉指電極當中。
[0009] 所述反應孔的直徑為60-100nm;導電層的表面孔隙率為20%-50%。
[0010]所述導電層的厚度為的厚度為5_50μπι。
[0011] 進一步的，所述反應孔直徑為60-80nm;所述導電層的表面孔隙率為30%-40%。特別 的，在此反應孔直徑和表面孔隙率的范圍下，可使基板表面可以負載盡可能多的敏感成分， 同時還可以避免孔隙率過高導致多孔金屬層的導電性能下降而引發(fā)信號衰減。
[0012] 所述緩沖層為Ti、Mo、W中的至少兩種形成的合金層；所述基板的厚度為0.1-lmm，所述的緩沖層的厚度為5-50μηι。
[0013] 所述表面設有納米多孔金的基體在25° C電路的表面電阻率值為1.60 X 10-8-2.20 ΧΙΟ-8Ω ·πι〇
[0014] 本發(fā)明還提供一種表面設有納米多孔金的基體加工方法，應用于上述的表面設有 納米多孔金的基體，其特征在于，所述表面設有納米多孔金的基體加工方法包括： S1:選擇金屬材料或非金屬材質材質的材料作為基板，按照需求將基板裁成相應尺寸； S2:若基板材質為非金屬材料，利用磁控濺射的方法，在非金屬材質的基板表面鍍上 Ti、Mo、W中的至少兩種金屬材料，形成緩沖層； S3:電鍍金的合金到金屬材料表面或所述緩沖層表面形成合金層，所述合金層中包括 至少一種穩(wěn)定金屬和至少一種活潑金屬。所述合金層中的活潑金屬應當是相對于穩(wěn)定金屬 具有較強還原性的金屬，容易被氧化為金屬離子而除去，如鋅、錫、鋯等； S4:通過堿性試劑和氧化劑共同作用腐蝕除去所述合金層中的活潑金屬，獲得納米多 孔金導電層。
[0015] 特別的，當基板的材質選用金屬銅時，腐蝕工藝不僅會將金屬層中的活潑金屬腐 蝕，同時會將基體表面的銅一并腐蝕，獲得多孔金的薄膜，漂浮在腐蝕試劑水面上。
[0016] 所述合金層為金錫合金層或金鋅合金層或金鋯合金層，其中活潑金屬的含量為 20-50wt%;所述S4中除去所述合金層中的活潑金屬是指用1.5-3M的堿性試劑和3-6M氧化試 劑除去所述合金層中的活潑金屬。
[0017] 步驟S2中的磁控濺射方法具體為：濺射的靶材為高純金屬，金屬的直徑為25-45mm、厚度為3_6mm。革E和基板之間的距離為l〇 -16cm，工作氣體為99. 99wt%的高純氮氣和 99. 99wt%的高純氬氣，分別使用質量流量計控制;基板在放入真空室之前，分別用丙酮、 酒精、去離子水超聲清洗，濺射前將真空室氣壓抽到1 X 1〇_6_4 X l(T6Pa，并充入氬氣預濺射 12-17min以清洗靶面。隨后通入氮氣，控制總濺射氣壓在1 X 10_3-3 X 10_3 Pa，控制氮氣與 氬氣的比例為2:1，濺射功率控制在lKw-1.25Kw，濺射時間為0.5-1.5h。通過磁控濺射的方 法，可實現(xiàn)在非金屬材質基板表面的金屬化，有效解決了非金屬材料難以作為傳感器基板 應用到半導體元件中的問題，通過磁控濺射在非金屬基板表面金屬化，表面金屬層能夠與 非金屬基板表面金屬化層穩(wěn)定結合，再通過常規(guī)電鍍的方式即可實現(xiàn)非金屬基板表面生成 金屬導電層，加工工藝簡單，效果好。
[0018] 與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于： (1)本發(fā)明采用去合金法在基板表面制備納米多孔金層，所獲得的多孔金層與電極層 結合強度高，層間信號傳遞無延時、衰減等問題，反應孔分布均勻。
[0019] (2)本發(fā)明通過在線路板基體表面設置納米多孔金層，可有效增加叉指電極的敏 感成分負載量，提高傳感器的檢測靈敏度。
[0020] (3)本發(fā)明針對非金屬基板材料制造特點，結合現(xiàn)有的磁控濺射處理工藝的優(yōu)勢， 對非金屬材質的基板實現(xiàn)表面金屬化制備，能夠在長時間內獲得具有均勻的金屬膜厚分布 的薄膜緩沖層，為傳感器的優(yōu)異特性奠定基礎； (4) 本發(fā)明采用技術方案具有兼容性好、效率高、制造方便等特點，可以充分利用現(xiàn)有 的設備和資源，對從高分子聚合材料向傳感器電極的發(fā)展具有重要意義； (5) 本發(fā)明通過在基板表面設置納米多孔金膜，可廣泛應用于工業(yè)自動化、環(huán)境污染監(jiān) 測、醫(yī)療保健、醫(yī)藥工程和生物工程等領域。
【附圖說明】
[0021] 圖1是本發(fā)明的剖視圖； 圖2是本發(fā)明的局部示意圖。
【具體實施方式】
[0022] 為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照 附圖和對比例，對本發(fā)明進一步詳細說明。
[0023] 實施例1 本實施例提供一種表面設有納米多孔金的基體，所述基體1表面設有導電層3;所述基 體為泡沫鎳;所述導電層為納米多孔金。
[0024]所述導電層中設有反應孔;所述反應孔相互連通。所述反應孔的直徑為70nm;導電 層的表面孔隙率為35%。所述導電層的厚度為的厚度為ΙΟμπι。
[0025] 所述基板的厚度為0.1mm。
[0026] 所述表面設有納米多孔金的基板在25° C電路的表面電阻率值為2.17 Χ10_8Ω · m。
[0027] 實施例2 本實施例提供一種表面設有納米多孔金的基體，所述基體1表面設有緩沖層2;所述緩 沖層2表面設有導電層3;所述基體為氧化鋁陶瓷;所述導電層為納米多孔金。
[0028]所述導電層中設有反應孔;所述反應孔相互連通。所述反應孔的直徑為80nm;導電 層的表面孔隙率為40%。所述導電層的厚度為的厚度為ΙΟμπι。
[0029] 所述緩沖層為Mo/W形成的合金層(Mo、W質量比為1:1);所述基板的厚度為0.48mm， 所述的緩沖層的厚度為15μπι。
[0030] 所述表面設有納米多孔金的基板在25°C電路的表面電阻率值為1.92Χ10_8Ω · m。
[0031] 實施例3 本實施例提供一種表面設有納米多孔金的基體，所述基體1表面設有導電層3;所述基 體為金屬銅;所述導電層為納米多孔金。
[0032] 所述導電層中設有反應孔;所述反應孔相互連通。所述反應孔的直徑為60nm;導電 層的表面孔隙率為30%。所述導電層的厚度為的厚度為ΙΟμπι。
[0033] 所述基板的厚度為0.48mm。
[0034] 所述表面設有納米多孔金的基板在25°C電路的表面電阻率值為1.93Χ10_8Ω · m。
[0035] 實施例4 本實施例提供一種表面設有納米多孔金的基體，所述基體1表面設有導電層3;所述基 體為泡沫鎳;所述導電層為納米多孔金。
[0036]所述導電層中設有反應孔;所述反應孔相互連通。所述反應孔的直徑為70nm;導電 層的表面孔隙率為35%。所述導電層的厚度為的厚度為20μπι。
[0037] 所述基板的厚度為0.88 mm。
[0038] 所述表面設有納米多孔金的基板在25°C電路的表面電阻率值為2.06Χ10_8Ω · m。
[0039] 實施例5 本實施例提供一種表面設有納米多孔金的基體，所述基體1表面設有緩沖層2;所述緩 沖層2表面設有導電層3;所述基體為氧化鋁陶瓷;所述導電層為納米多孔金。
[0040] 所述導電層中設有反應孔;所述反應孔相互連通。所述反應孔的直徑為80nm;導電 層的表面孔隙率為35%。所述導電層的厚度為的厚度為ΙΟμπι。
[00411所述緩沖層為Mo/W形成的合金層(Mo、W質量比為1:1);所述基板的厚度為0.88mm， 所述的緩沖層的厚度為ΙΟμπι。
[0042] 所述表面設有納米多孔金的基板在25°C電路的表面電阻率值為1.89Χ10-8Ω · m。
[0043] 實施例6 本實施例提供一種表面設有納米多孔金的基體，所述基體1表面設有導電層3;;所述基 體為金屬銅;所述導電層為納米多孔金。
[0044] 所述導電層中設有反應孔;所述反應孔相互連通。所述反應孔的直徑為60nm;導電 層的表面孔隙率為30%。所述導電層的厚度為的厚度為20μπι。
[0045] 所述基板的厚度為0.48mm。
[0046] 所述表面設有納米多孔金的基板在25°C電路的表面電阻率值為2.14Χ10-8Ω · m。
[0047] 實施例7 本實施例提供一種表面設有納米多孔金的基體，所述基體1表面設有導電層3;所述基 體為泡沫鎳;所述導電層為納米多孔金。
[0048] 所述導電層中設有反應孔;所述反應孔相互連通。所述反應孔的直徑為60nm;導電 層的表面孔隙率為40%。所述導電層的厚度為的厚度為ΙΟμπι。
[0049] 所述基板的厚度為0.38 mm。
[0050] 所述表面設有納米多孔金的基板在25°C電路的表面電阻率值為2.16Χ10-8Ω · m。
[0051] 實施例8 本實施例提供如實施例1所述的一種表面設有納米多孔金的基體加工方法，應用于上 述的表面設有納米多孔金的基體，其特征在于，所述表面設有納米多孔金的基體加工方法 包括： S1:選擇泡沫鎳材料作為基板，按照需求將基板裁成相應尺寸； S2:電鍍金鎳合金到金屬材料表面形成合金層； S3:通過堿性試劑和氧化劑共同作用24h，腐蝕除去所述合金層中的活潑金屬鎳，獲得 納米多孔金導電層。
[0052]所述合金層為厚度為10um的金錫合金層，其中活潑金屬的含量為30wt%;所述S4中 除去所述合金層中的活潑金屬是指用2M的堿性試劑和5M氧化試劑除去所述合金層中的活 潑金屬。
[0053] 實施例9 本實施例提供如實施例3所述的一種表面設有納米多孔金的基體加工方法，應用于上 述的表面設有納米多孔金的基體，其特征在于，所述表面設有納米多孔金的基體加工方法 包括： S1:選擇金屬銅作為基板，按照需求將基板裁成相應尺寸； S2:電鍍金鎳合金到金屬材料表面形成合金層； S3:通過堿性試劑和氧化劑共同作用腐蝕除去所述合金層中的活潑金屬，獲得納米多 孔金導電層。
[0054]所述合金層為厚度為10um的金錫合金層，其中活潑金屬的含量為50wt%;所述S4中 除去所述合金層中的活潑金屬是指用2M的堿性試劑和5M氧化試劑除去所述合金層中的活 潑金屬。
[0055] 實施例10 本實施例提供如實施例1所述的一種表面設有納米多孔金的基體加工方法，應用于上 述的表面設有納米多孔金的基體，其特征在于，所述表面設有納米多孔金的基體加工方法 包括： S1:選擇泡沫鎳材料作為基板，按照需求將基板裁成相應尺寸； S2:電鍍金鎳合金到金屬材料表面形成合金層； S3:通過堿性試劑和氧化劑共同作用24h，腐蝕除去所述合金層中的活潑金屬鎳，獲得 納米多孔金導電層。
[0056]所述合金層為厚度為10um的金錫合金層，其中活潑金屬的含量為20wt%;所述S4中 除去所述合金層中的活潑金屬是指用2M的堿性試劑和5M氧化試劑除去所述合金層中的活 潑金屬。
[0057] 實施例11 本實施例提供如實施例2所述的一種表面設有納米多孔金的基體加工方法，應用于上 述的表面設有納米多孔金的基體，其特征在于，所述表面設有納米多孔金的基體加工方法 包括： S1:選擇氧化鋁陶瓷材料作為基板，按照需求將基板裁成相應尺寸； S2:利用磁控濺射的方法，在非金屬材質的基板表面鍍上Mo、W兩種金屬材料，形成緩 沖層； S3:電鍍金的合金所述緩沖層表面形成合金層，所述合金層中包括金和錫兩種材料； S4:通過堿性試劑和氧化劑共同作用腐蝕除去所述合金層中的活潑金屬錫，獲得納米 多孔金導電層。
[0058]所述合金層為厚度為10um的金錫合金層，其中活潑金屬的含量為35wt%;所述S4中 除去所述合金層中的活潑金屬是指用2M的堿性試劑和5M氧化試劑除去所述合金層中的活 潑金屬。
[0059] 步驟S2中的磁控濺射方法具體為:濺射的靶材為高純金屬，金屬的直徑為35mm、 厚度為5mm。靶和基板之間的距離為13cm，工作氣體為99. 99wt%的高純氮氣和99. 99wt% 的高純氬氣，分別使用質量流量計控制;基板在放入真空室之前，分別用丙酮、酒精、去離子 水超聲清洗，派射前將真空室氣壓抽到2Xl(T 6Pa，并充入氬氣預濺射15min以清洗靶面。隨 后通入氮氣，控制總濺射氣壓在1 X ΚΓ3 Pa，控制氮氣與氬氣的比例為2:1，濺射功率控制在 l.lKw，濺射時間為lh。
[0060] 對比例1 本實施例提供一種陶瓷基板叉指電極，該叉指電極從下往上依次為:基板、緩沖層和導 電層;其中，所述基板材料為陶瓷;所述的導電層為Cu。
[0061] 所述緩沖層為Mo、W中形成的合金層(Mo、W質量比為1:1);所述基板的厚度為 0.48mm，所述的緩沖層的厚度為50μηι ;所述的導電層的厚度為45μηι。
[0062] 所述陶瓷基板叉指電極在25° C電路的表面電阻率值為1.38 X 10-5 Ω · m。
[0063] 對比例2 本實施例提供一種銅基板的叉指電極，該叉指電極從下往上依次為:基板和導電層;所 述的導電層為鋅。
[0064]所述基板的厚度為0.48mm，所述的導電層的厚度為60μηι。
[0065] 所述陶瓷基板叉指電極在25°C電路的表面電阻率值為2.66Χ10-6Ω ·πι。
[0066] 實驗例1 1.1在實施例1-7中和對比例1、2附著上二氧化硫敏感材料（可選用公告號為 102175815Β的中國發(fā)明專利所記載的敏感材料），用于制成傳感器。測定傳感器對二氧化硫 氣體的檢出限。其結果如表1所示。
[0067]表1.二氧化硫濃度檢出限。
[0068] 1.2在實施例1-7中和對比例1、2附著上對二氧化氮的敏感材料(可選用公開號為 102608183Α的中國發(fā)明專利所記載的敏感材料），用于制成傳感器。測定傳感器對二氧化氮 氣體的檢出限。其結果如表2所示。
[0069]表2.二氧化氮濃度檢出限。
[0070] 實驗例2 層間結合強度測試。采用GB/T 5270-2005對緩沖層與導電層、緩沖層與基板間或導電 層與基板間的結合強度進行測試。
[0071] 對電極單體進行熱震實驗(30(TC)，觀察表面形態(tài)，其結果如表3所示。
[0072] 表3電極單體熱震實驗(300°C)表面形態(tài)觀察結果
以上為本發(fā)明的其中具體實現(xiàn)方式，其描述較為具體和詳細，但并不能因此而理解為 對本發(fā)明專利范圍的限制。應當指出的是，對于本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā) 明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些顯而易見的替換形式均屬于本發(fā)明的 保護范圍。
【主權項】
1. 一種表面設有納米多孔金的基體，其特征在于，所述基體（1)表面可設有緩沖層(2); 所述基體(1)表面或所述緩沖層(2)表面設有導電層(3);所述基體為泡沫鎳、泡沫銅等金屬 材料或陶瓷、玻璃、PS、PET、PC、PMMA及其聚合物等非金屬材料中的任一種;所述導電層為納 米多孔金。2. 根據(jù)權利要求1所述表面設有納米多孔金的基體，其特征在于，所述導電層中設有 反應孔;所述反應孔相互連通。3. 根據(jù)權利要求1所述表面設有納米多孔金的基體，其特征在于，所述反應孔的直徑 為60-100nm;導電層的表面孔隙率為20%-50%〇4. 根據(jù)權利要求1任一項所述表面設有納米多孔金的基體，其特征在于，所述導電層 的厚度為的厚度為5-50μπι。5. 根據(jù)權利要求1-4所述的表面設有納米多孔金的基體，其特征在于:所述反應孔直徑 為60-80nm;所述導電層的表面孔隙率為30%-40%。6. 根據(jù)權利要求1所述表面設有納米多孔金的基體，其特征在于，所述緩沖層為Ti、 Mo、W中的至少兩種形成的合金層;所述基板的厚度為0.1-lmm，所述的緩沖層的厚度為5-50pm〇7. 根據(jù)權利要求1所述表面設有納米多孔金的基體，其特征在于，所述表面設有納米 多孔金的基體在25° C電路的表面電阻率值為1.60 X 10_8-2.20 X 10_8 Ω · m。8. -種表面設有納米多孔金的基體加工方法，應用于如權利要求1至7中任意一項所 述的表面設有納米多孔金的基體，其特征在于，所述表面設有納米多孔金的基體加工方法 包括： S1:選擇金屬材料或非金屬材質材質的材料作為基板，按照需求將基板裁成相應尺寸； S2:若基板材質為非金屬材料，利用磁控濺射的方法，在非金屬材質的基板表面鍍上 Ti、Mo、W中的至少兩種金屬材料，形成緩沖層； S3:電鍍金的合金到金屬材料表面或所述緩沖層表面形成合金層，所述合金層中包括 至少一種穩(wěn)定金屬和至少一種活潑金屬； S4:通過堿性試劑和氧化劑共同作用腐蝕除去所述合金層中的活潑金屬，獲得納米多 孔金導電層。9. 根據(jù)權利要求8所述的方法，其特征在于:所述合金層為金錫合金層或金鋅合金層或 金鋯合金層，其中活潑金屬的含量為20_50wt%;所述S4中除去所述合金層中的活潑金屬是 指用1.5-3M的堿性試劑和3-6M氧化試劑除去所述合金層中的活潑金屬。10. 根據(jù)權利要求8的一種表面設有納米多孔金的基體加工方法，其特征在于，步驟S2 中的磁控派射方法具體為:派射的祀材為高純金屬，金屬的直徑為25-45mm、厚度為3-6mm; 靶和基板之間的距離為l〇_16cm，工作氣體為99. 99wt%的高純氮氣和99. 99wt%的 高純氬氣，分別使用質量流量計控制;基板在放入真空室之前，分別用丙酮、酒精、去離子水 超聲清洗，濺射前將真空室氣壓抽到1乂1(^ 6-4\1(^叩&，并充入氬氣預濺射12-171^11以清 洗靶面； 隨后通入氮氣，控制總濺射氣壓在1 X 10-3-3 X 10_3 Pa，控制氮氣與氬氣的比例為2:1， 濺射功率控制在lKw-1.25Kw，濺射時間為0.5-1.5h。
【文檔編號】G01N27/00GK106093121SQ201610365589
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年5月28日
【發(fā)明人】黃興橋, 崔皓博
【申請人】惠州市力道電子材料有限公司