Dispositivo microelectrónico basado en redes de microelectrodos de disco y anillo,

y método de fabricación del mismo.

La presente invención consiste en un dispositivo microelectrónico basado en redes de microelectrodos de anillo (6) y disco (5), que consigue que la corriente se amplifique y pueda permitir la raalización de medidas electroquímicas sin tener que utilizar el comúnmente usado electrodo rotante de anillo-disco, el dispositivo tridimensional ayuda a superar las limitaciones de resolución impuestas por la alineadora empleada en las etapas fotolitográficas. La presente invención también describe el método de fabricación de dicho dispositivo microelectrónico.

Dispositivo microelectrónico basado en redes de microelectrodos de disco y anillo, y método de fabricación del mismo.

Objeto de la invención

La presente invención se enmarca en el área científico-técnica de la Química, dentro del sector de las aplicaciones electroquímicas, en entornos donde se utilicen técnicas voltamperométricas, como la voltametría cíclica o la amperometría. Puede emplearse en sectores tan dispares como el control de aguas, la determinación de metales pesados o de parámetros electroquímicos de interés analítico, como también puede emplearse como base de nuevos biosensores.

El objeto principal de la presente invención se refiere a un dispositivo microelectrónico basado en redes de microelectrodos de disco y anillo y al método de fabricación del mismo. Otro objetivo de la presente invención es su aplicación en mediciones electroquímicas.

Antecedentes de la invención

El electrodo rotante es una herramienta electroquímica clásica que permite mantener un flujo controlado y constante de material hacia la superficie de un electrodo. Es una de las varias técnicas conocidas como "hidrodinámicas", junto a sistemas como celdas de flujo o electrodos de chorro ("wall jet", en Inglés). Los electrodos rotantes son muy conocidos y ampliamente utilizados para estudios tanto electroanalíticos como de caracterización de materiales o de medida de mecanismos de reacción y determinación de parámetros cinéticos. Un electrodo rotante es generalmente un electrodo de disco, formado por un metal como oro, platino u otro, o bien carbono o derivado del carbono, pulido y rodeado de un material aislante de forma cilíndrica y con el cual resulta concéntrico. Este electrodo se acopla a un motor conectado a una unidad que permite un control muy preciso de la velocidad de rotación, de manera que puedan obtenerse condiciones reproducibles. En general se busca generar condiciones de flujo laminar en la interfase electrodo-disolución, de manera que se consiga un aporte elevado y constante de material que resulte en corrientes limitantes fáciles de medir. Los electrodos rotantes se emplean típicamente para determinar parámetros mecanísticos tales como coeficientes de difusión o concentración de un determinado analito, el número de electrones que intervienen en una determinada reacción, constantes de reacción o parámetros relacionados con la viscosidad de un medio.

Una variante del electrodo rotante es el conocido como electrodo rotante de anillo y disco. Este dispositivo tiene sus orígenes a finales de los años 1950, cuando Frumkin y Nekrasov lo desarrollaron con el fin de detectar intermedios de reacción inestables. Consiste en un electrodo de disco rotante rodeado por un anillo aislante concéntrico y a continuación por segundo electrodo anular concéntrico. Así se consigue disponer de dos electrodos independientemente polarizables, lo que permite utilizar el disco central como electrodo "generador" de nuevas especies químicas que pueden ser detectadas en el electrodo anular contiguo, que actúa como "colector". Todo esto permite determinar constantes cinéticas de reacción, ya que modulando la velocidad de rotación del sistema se consiguen mayores o menores tasas de aporte de materia del disco al anillo. Además de jugar con la velocidad de rotación, también es posible variar la distancia que separa a ambos electrodos. Cuánto más pequeña sea dicha distancia, más rápidos serán los procesos que se pueden estudiar. Esta capacidad de trabajar con los dos electrodos actuando como "generador" y "colector" también viene aprovechándose en otro tipo de dispositivos de escala micrométrica, conocidos como microelectrodos de doble y triple banda, pero más eficazmente en los microelectrodos interdigitados.

Los microelectrodos son electrodos que presentan, por lo general, al menos una dimensión del orden de magnitud o inferior al espesor de la capa de difusión que se genera cuando trabajan. Habitualmente, esta dimensión es del orden de unas pocas micras. Los microelectrodos pueden fabricarse mecánica o litográficamente, y son de gran utilidad en electroanálisis de medios muy resistivos, o para medidas de analitos presentes a baja concentración, o para medidas cinéticas de fenómenos rápidos (en comparación con lo que se puede llegar a medir con un macroelectrodo o con un electrodo rotante). Dado su pequeño tamaño, los microelectrodos tienen una serie de ventajas adicionales. Entre otras cosas, experimentan pérdidas ohmicas ("iR drop") muy bajas, por lo que pueden ser empleados en medios muy resistivos, también experimentan corrientes capacitivas muy bajas, ya que su área es muy pequeña. Como contrapartida, la corriente que se puede llegar a medir en un microelectrodo es típicamente muy baja, del orden de los nanoamperios. Esto obliga a trabajar con equipos bastante sensibles y en condiciones de aislamiento eléctrico bastante estrictas.

Las redes de microelectrodos son agrupaciones ordenadas o aleatorias de un número más o menos grande de microelectrodos, conectados en paralelo. En la invención que se presenta se trabaja con de redes de microelectrodos conectados en paralelo, aunque también se podrían hacer dispositivos individualmente accesibles. En una red de microelectrodos se suman las corrientes obtenidas en cada uno de los microelectrodos que la componen ya que los microelectrodos están conectados a un contacto único,con lo que se consigue elevar el orden de magnitud de la corriente total y facilitar así su medida. Por otro lado, y operados en condiciones óptimas, las redes de microelectrodos permiten conservar prácticamente todas las ventajas de los microelectrodos individuales, tales como son la sensibilidad y la baja componente capacitiva de la corriente, en comparación con un macroelectrodo que tuviese la misma área superficial que el área ocupada por la red.

La mayoría de las redes de microelectrodos que se utilizan están formadas por microdiscos, aunque también es posible encontrar microelectrodos de otras geometrías. La segunda geometría más estudiada son las microbandas. Inicialmente se trabajó sobre microbandas individuales, seguido de la combinación de dos. La limitación venía dada por la técnica de fabricación. Lo más habitual era partir de una fina lámina del metal que se quería emplear como electrodo. Esta lámina se encapsulaba en un material aislante, como vidrio o alguna resina, de modo que al pulir el conjunto quedase expuesto el borde de la lámina, dando lugar a una microbanda.

Más adelante, con la disponibilidad de técnicas fotolitográficas, comienzan a surgir dispositivos en los que hay una multitud de microbandas conectadas de forma alternada en dos electrodos interdigitados. Estos dispositivos se han utilizado principalmente para medidas de impedancia y capacidad, aunque también hay ejemplos de su utilización en amperometría. Los electrodos interdigitados pueden usarse en modo "generador-colector", y sus eficiencias de colección son más altas que en los electrodos de dos o tres microbandas. Su misión es similar a la del disco rotatorio, aunque las implicaciones teóricas difieren en parte.

Descripción de la invención

La presente invención consiste en un dispositivo microelectrónico red de microelectrodos de anillo y disco dispuestos en una configuración tal que consigue que la corriente se amplifique y pueda permitir la realización de medidas electroquímicas sin tener que utilizar el comúnmente usado electrodo rotante de anillo-disco con las ventajas que esto supone. Como se ha descrito anteriormente en el estado de la técnica, hay múltiples soluciones para realizar mediciones; el dispositivo microelectrónico objeto de la invención ofrece varias ventajas sobre estas soluciones conocidas. Estas ventajas son principalmente la miniaturización, la falta de necesidad de disponer de un caro sistema rotor y la posibilidad de estudiar procesos químicos rápidos.

A su vez la invención propuesta no sólo se centra en un dispositivo microelectrónico basado en redes de microelectrodos de anillo y disco, sino que además describe un procedimiento de obtención para su posterior uso en aplicaciones electroquímicas donde se utilicen técnicas voltamperométricas, siendo de gran utilidad para sectores como el control de aguas, la determinación de metales pesados, la determinación de parámetros electroquímicos de interés analítico, y la detección mediante biosensores.

La presente invención se basa en la fabricación mediante técnicas fotolitográficas de redes de microelectrodos de disco y de anillo sobre un chip planar para la...

1. Dispositivo microelectrónico basado en redes de microelectrodos de disco (5) y anillo (6) caracterizado porque comprende:

- una oblea de silicio (1),

- al menos una primera capa de material dieléctrico (4) que se encuentra definido sobre la oblea de silicio (1),

- un nivel metálico inferior (2) que se encuentra definido en la primera capa de material dieléctrico (4),

- al menos un disco (5) definido en el nivel metálico inferior (2)

- al menos una segunda capa de material dieléctrico (7) que se encuentra definido sobre el nivel metálico inferior (2)

- un nivel metálico superior (3) que se encuentra definido en la segunda capa de material dialéctrico (7),

- al menos un anillo (6) definido en el nivel metálico superior (3), y

- al menos una tercera capa de material dieléctrico (8) que se encuentra definida sobre el nivel metálico superior (3).

2. Método de fabricación del dispositivo de redes de microelectrodos de disco (5) y anillo (6) descrito en la reivindicación 1 caracterizado porque comprende las siguientes fases: