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专利名称：具有工作电极的受控变化的层压电化学传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及电化学传感器，并且更具体地涉及具有工作电极的受控变化的电化学传感器，其中电化学响应依赖于工作电极的尺寸。
背景技术：
用于血糖监控的典型的一次性(disposable)电化学传感器包括衬底薄膜,该衬底薄膜上沉积有导电材料层并且该导电材料层被图案化(patterned)以形成电极。传统的电化学单元(cell)或生物传感器包括三个电极工作电极或感测电极、参考电极，以及对电极或辅助电极。工作电极是相对于参考电极在固定施加的电势发生目标反应(reaction ofinterest)的地方。参考电极起到保持工作电极上稳定的电势的作用。对电极允许电流在工作电极和对电极之间流动从而不妨碍参考电极起作用。在系统电势是固有地稳定的或电势的小波动不重要的情况下，可以将参考电极和对电极组合成单独的参考/对电极与工作电极配对。在一些情况下，电化学生物传感器使用电流分析法来量化特定的分析物浓度。工 作电极提供与其暴露的表面积成比例的响应。在制造期间，制造紧密地控制与工作电极面积相关联的过程变化。通常工作电极由两个或更多个元件形成。一个元件是形成有源元件(activeelement)的导电层,有源元件便于电子到和从电有源种类(species)的传输，电有源种类在施加样本到传感器时产生。第二个兀件是介电层，其和第一个兀件一起限定工作电极与样本流体接触的实际尺寸。第二元件在一部分导电层之上形成窗口。任一元件的变化可能导致传感器响应的变化。因此第二元件或介电层可以直接影响读取的精度。一些现有技术传感器通过使用多个对称图案的导电颈部，减少不准确地在最终的电极表面积上施加介电层的影响。由于对称布置的颈部补偿偏移，因此介电层中的窗口会轻微的偏移。在这样的传感器中，介电层可能没有明确限定(poorly defined),但是由于与介电层的边交叉的颈部很小，因此没有明确限定的影响可被减到最小。然而，这样的传感器要求非常精确地限定全部导电颈部的许多，例如在典型的传感器上两个不同的颈部。这些精确限定的导电颈部中的一些甚至没有与外部电路连接，尽管为了对称还需要精确地限定颈部，这加大了制造传感器的复杂度和成本。在现有技术电极中，可以通过导电层图案化或者介电层图案化和登记来限定表面积。需要更精确地限定传感器的工作电极从而简化形成精确的生物传感器的过程。

发明内容
在一个实施例中，一种电化学传感器包括介电衬底和在该衬底的表面上形成的导电层。导电层包括工作电极、电极引线以及将工作电极连接到电极引线的连接臂。介电层位于导电层之上。介电层具有暴露工作电极和连接臂的一部分的孔。—个优点是，可以减小电极的尺寸，并且与现有技术的电极相比，限定的电极表面积的精确度不明显的改变。
另一个优点是限制介电层图案化对电极面积和尺寸精度的影响的能力。这使得可以使用现有的低成本、不够精确的方法使生物传感器介电层图案化，同时还保持电极精确度。本方法的另一个优点是提供一种具有改进的介电层图案化过程的甚至更加精确的电极。两者都提供对电化学传感器的制造和使用的改进。又一个优点是精确地限定电极表面积的能力。因此传感器的精确度可以更直接地与导电层限定而不是介电层限定的精度有关。可以用不够准确的电极图案化方法(例如丝网印刷和层压)制造具有期望的面积变异系数(COV)的小电极，该面积变异系数等于面积标准偏差和面积平均值的比率。本发明的电极面积COV可以接近导电层图案化过程的面积COV。从下面结合附图对优选实施例的更详细的描述，本发明的其它特点和优点将会显而易见，附图通过示例的方式说明本发明的原理。


图I示出电化学传感器的一个实施例的部分平面图。图2示出图I的电化学传感器的截面正视图。图3示出电化学传感器的可选实施例的部分平面图。图4示出示例的金(Au)消蚀的薄膜或衬底层的平面图。图5示出示例的电介层的平面图。图6示出示例的隔离层的平面图。图I示出示例的遮盖(cover)或盖子(lid)的平面图。
具体实施例方式本发明公开了一种电化学传感器，其被设计为使得工作电极尺寸的变化主要来自于有源元件的变化。传感器中包括的其它元件(例如印刷或层压绝缘层)的正常变化不影响工作电极的尺寸，并且因此没有由于其它元件而在由工作电极产生的响应中的变化。通过使工作电极和电连接器或引线之间的连接特征最小化，实现消除工作电极中的变化。可以使用激光消蚀形成工作电极和例如连接工作电极和引线的元件的其它的导电特征，所述激光消蚀是可以产生具有小于千分之一英寸的特征的元件过程。激光消蚀使能这样的电连接引线、工作电极和其它特征的精确的限定，该精确的限定是减小变异系数以及提供精确的测量所需的。可以使用激光消蚀图像化(image)金属化薄膜，诸如金、钯和钼或可以溅射或涂覆到诸如PET或聚碳酸酯的塑料衬底或其它介电材料上的具有类似电化学属性的任意金属。可以通过激光消蚀在聚合物衬底上承载的薄金属膜而产生主要的传感器特征。参照图1，传感器100包括工作电极10，工作电极10通过连接臂12连接到引线迹(lead trace)24。在至少一个实施例中，连接臂12可以窄到10微米。在可选的实施例中，连接臂的宽度12可以是20微米，或者具有对传感器响应的贡献小到由其自身或由介电开口导致的其限定的变化对传感器响应产生可以忽略的影响的宽度。引线迹24是引线34的延伸，并且使连接臂12和引线34电连接。在聚合物衬底22 (例如聚碳酸酯或聚乙烯对苯二酸盐(PET))上邻近工作电极10布置参考电极或对电极20。参考电极/对电机20通过连接臂36和引线迹38电连接到引线32。可在衬底22之上层压或印刷介电层14。介电层22包括孔16，该孔限定了电极10、20暴露给测试流体(test fluids)的区域或窗口 18。在至少一个实施例中，工作电极10的暴露的区域可以具有大约0. 320mm2的圆形区域，并且其具有有限而小的宽度的连接臂，或者工作电极10总面积的大约I. 2%构成了反应区域。在至少一个示例性实施例中，介电层14可以相对于窗口线18a与连接臂24交叉的点移动±0. 250mm。与±0. 250mm的移动相关联的工作电极面积的变化导致总工作电极面积大约0. 003mm2的变化，或者总工作电极面积大约1%的变化。排出孔(vent)42布置在传感器100上一对填充(fill)检测电极44和46之间。排出孔42和毛细管通道30流体联系，并且允许当流体进入毛细管通道30时空气从毛细管通道30中漏出。填充检测电极44和46检测毛细管通道30中流体的存在。下面参照图2，传感器100的截面图示出层压的布置。除了衬底22和介电层14，毛细管盖26和隔离层40也一起层压形成传感器100。隔离层40包括孔28，该孔限定出用于接收流体的毛细管通道30。在可选的实施例中，可以在导电层之上丝网印刷、光蚀图案化 或层压介电层。下面参照图3，用于控制工作电极尺寸的另一个示例性方法涉及通过一个或更多个特征来限定工作电极110。在图3中，工作电极110由介电层114中的开口限定。将介电层114布置在导电碳层122之上,从而使得介电层的相对边115和116,以及与介电层114的边115和116交叉的工作电极110和碳层122的相对边111和112 —起限定出工作电极110的hXw的区域。参考/对电极120也通过介电层114类似地限定，并且具有与工作电极110基本相同的暴露的尺寸h和W。在毛细管通道130的一端提供排出孔洞142。排出孔洞142提供毛细管通道130和外部空气之间的流体联系，从而允许流体取代毛细管通道130内的空气。填充检测电极144被部分暴露在毛细管通道130中，并且连接到填充电极触点(contact) 146。触点132和134分别提供与参考电极120和工作电极110的电通信。工作电极的面积的变化与介电开口的变化有关。在图I所示的示例性实施例中，当介电层18与连接臂12交叉时，工作电极10的面积可以是0. 320mm2并且连接臂18的面积可以是0. 004mm2，所述面积暴露给测试流体。传感器100的响应与这些暴露的面积成正t匕。当介电层窗口 18横贯连接臂12时预期的介电层窗口 18位置的变化是±0. 025mm。当连接臂12的宽度为13微米时，对应于暴露面积的预期的变化是0. 003mm2或 1%。在图3中，可以通过层122和114中的两个尺寸参数限定工作电极110。一个参数是衬底层122上工作电极110的导电部分的垂直尺寸h，并且另一尺寸w是介电层114的宽度。在示例性实施例中，工作电极110的面积可以由0. 635mm的长度(h)和0. 508mm的宽度(w)限定。每个尺寸中预期的变化可以是大约±0. 250mm。由等式2限定工作电极的面积的作为结果的变化A w/w+ A h/h=9%下面参照图4，示例的消蚀的薄膜层或衬底22包括消蚀的金触点10和20。端48与冲切线50 (图5)—致。图4中还示出全长度的电极引线32、34、44、46，引线迹24、38和连接臂12和36。图5示出重叠在衬底22上的介电层14。冲切线50指示顶部52从最终的传感器100分离的位置。介电层14中的孔18限定出窗口 18，其中线18a横穿(crossover)连接臂12。图6示出施加在介电层14上的隔离层40，从而使得孔28暴露介电开口18和例如由介电窗口 18限定的工作区域内的工作电极10和参考电极20以及连接臂12和36的组件。最后，图7示出施加在隔离层40的顶部上的毛细管盖26。毛细管盖26密封毛细管通道30，从而使得测试流体的体积是有限的，并且流体只能在端48进入毛细管通道。图4至7示出组装顺序，其为了说明目的，将每个层压的层14、22、26和40表示为透明层，从而使得可以理解功能元件的关系。应该理解在实际中，任何层压的层14、22、26和40都可以是不透明或半透明的，从而使得在完成的传感器100中看不见下面的层和关联的元件。虽然已经参照优选的实施例描述了本发明，但是本领域的技术人员将会理解在不偏离本发明的范围的情况下，可以做各种改变以及用等同物代替其中的元件。此外，在不偏离本发明的实质范围的情况下，可以进行许多修改从而使得特定的情况或材料适合本发明 的教导。因此旨在本发明不限于作为预计实现本发明的最佳方式而公开的特定的实施例，而是本发明经包括落入所附权利要求的范围之内的所有实施例。
权利要求
1.一种电化学传感器，包括 介电衬底； 导电层，形成在衬底的表面上，所述导电层包括至少一个工作电极、电极引线以及将工作电极连接到电极引线的连接臂； 介电层，布置在所述导电层的至少一部分上，所述介电层包括暴露所述工作电极和所述连接臂的至少一部分的孔。
2.根据权利要求I所述的传感器，其中与±0.250mm的移动相关联的工作电极面积的变化导致总的工作电极面积大约0. 003mm2的变化，总的工作电极面积的变化等于总的工作电极面积的大约1%。
3.根据权利要求I所述的传感器，其中连接臂的宽度或长度中的至少一个不超过千分之一英寸。
4.根据权利要求I所述的传感器，其中使用激光消蚀形成所述工作电极、连接臂和电极引线。
5.根据权利要求I所述的传感器，其中使用可以产生具有小于千分之一英寸的特征的元件的过程形成所述工作电极、连接臂和电极引线。
6.根据权利要求I所述的传感器，其中所述工作电极、连接臂和电极引线包括金属化薄膜，该金属化薄膜使用激光消蚀被图像化。
7.根据权利要求6所述的传感器，其中所述金属化薄膜是从包括金、钯和钼或可以溅射或涂覆的在电化学传感中感兴趣的任意金属的组中选择的。
8.根据权利要求7所述的传感器，其中所述衬底是从包括PET、聚碳酸酯和其它塑料材料的组中选择的。
9.根据权利要求I所述的传感器，其中通过激光消蚀在所述衬底上承载的薄金属膜而形成所述工作电极、电极弓I线和连接臂。
10.根据权利要求I所述的传感器，其中所述连接臂小于20微米。
11.根据权利要求I所述的传感器，还包括布置为邻近所述工作电极的参考/对电极，所述参考/对电极通过第二连接臂电连接到电极引线。
12.根据权利要求I所述的传感器，其中所述孔限定所述工作电极暴露给测试流体的面积。
13.根据权利要求I所述的传感器，其中工作电极还包括大约0.320平方毫米的圆形面积，该圆形面积大约等于所述工作电极的总面积的I. 2%。
14.根据权利要求I所述的传感器，其中与介电层孔的±0.250mm的移动相关联的工作电极面积的变化导致总的工作电极面积大约0. 003mm2的变化，该变化是总的工作电极面积的大约1%。
15.根据权利要求I所述的传感器，还包括一对填充检测电极，在传感器上所述填充检测电极之间布置有排出孔，该排出孔被布置为当测试流体在进入毛细管通道而取代空气时，允许空气从由隔离层和遮盖盖部分形成的毛细管通道漏出。
16.根据权利要求15所述的传感器，其中所述填充检测电极检测毛细管通道中流体的存在。
17.根据权利要求I所述的传感器，还包括导电层、介电层、毛细管盖和隔离层，所述隔离层还包括限定用于接收流体的毛细管通道的孔。
18.根据权利要求I所述的传感器，其中在所述导电层之上丝网印刷、图案化或层压所述介电层。
19.根据权利要求I所述的传感器，其中所述电极引线还包括引线迹，该引线迹从所述引线延伸到所述连接臂以形成所述连接臂与所述电极引线之间的导电通路。
全文摘要
一种层压的电化学传感器，包括介电衬底和在该衬底的表面上形成的导电层。导电层包括工作电极、电极引线以及将工作电极连接到电极引线的连接臂。介电层位于导电层之上。介电层具有暴露工作电极和连接臂的一部分的孔。可以通过激光消蚀技术形成工作电极、电极引线和连接臂，以提供精确的工作电极传感器参数。
文档编号G01N33/487GK102770756SQ201180010997
公开日2012年11月7日 申请日期2011年2月16日 优先权日2010年2月24日
发明者M.K.马索, N.F.扎波 申请人:导电技术股份有限公司