[发明专利]印制在基底上的工作电极

说明书

本发明涉及印制在基底上的电化学电池，特别涉及这种电池的工作电极的制备，其制备通过印制技术，使用以聚合物、碳和银的颗粒混合物制成的油墨，用于分析电解质溶液。

印制在基底上的电化学电池通常包含三个电极：工作电极、参比电极、对电极。每一个电极都通过一个导电轨道与可自动运作的电路相连，使得可以将电势差加载在工作电极和参比电极之间，也使得由工作电极和对电极串联的电路中的电流可以被测量。

印制的电化学电池通常制作于基底上，基底基本上为薄的平板状，典型的厚度为80至120微米，例如聚酯薄片。基底包含将电极印制于其上的第一面和第二自由面。印制的电池以矩阵形式大量制备，这样可以对相同的电解质或平行的不同电解质进行多种测量，在卫生领域尤为如此。

为了获得对一种电解质的电化学测量，将基底平置，其第二自由面向下，第一印制面向上，并将一带穿孔的盖子通过胶粘或焊接附于第一面上，以密封欲测量的电解质，孔的底部对准基底，从而使电池的电极（进行电化学测试所必需的）覆盖井底。然后将井填满电解质溶液，通常用液态电解质溶液。最后，通过与多路复用器适配的单电路按顺序对电池通电，多路复用器可对各电池进行独立测量。

油墨在印制电化学电池的发展中有着相当的重要性，油墨使得制造完整的电池成为可能，从而其可用性是至关重要的。这个领域中普遍使用的油墨是由溶于挥发性溶剂中的碳或银颗粒二元混合物加入聚合物中制成的。油墨一经印制到一个表面上，溶剂便挥发，即在该表面上形成一薄层的沉积物，溶于聚合物中的颗粒之间发生了渗滤现象。同时，基于碳和银颗粒的浓度，可以观察到电流的导通。

当二元混合物在很宽的电化学势范围内具有完全或几乎完全的化学惰性，即基本由碳颗粒构成时，这样的油墨是制造质量良好的工作电极的理想油墨。的确，在工作电极中，与电解质接触的面上，具有化学活性的银的存在，会显著降低工作性能。这是由于激活了氧化还原反应，会阻断测量信号，并且降低稳定性，从而也降低了准确性和实用性。

当二元混合物基本是由银颗粒构成时，相比于由同浓度的碳颗粒构成的相同体积的混合物，其电阻要低得多。这样的二元混合物适用于制备导电轨道，用于传输电流，使电流从工作电极表面和接触块流过基底，使基底两边的导电轨道相连。

可能的话，将最好的碳工作电极连于银轨道，从理论上来说，这样可以得到最佳的电化学电池结构。这是通过最小化电池电测量回路中电化学电流所遇到的阻力来实现的，同时也取决于碳和银二元混合物制成的油墨的种类。

然而在实际中，当通过油墨将工作电极印制在基底上时，这样的结构会碰到一个问题，就是从轨道而来的银颗粒会污染工作电极的表面。的确，在印制沉积过程中溶剂的存在使银浓度产生梯度，从而导致在碳电极和轨道的连接处发生银颗粒交换。同样地，油墨中的聚合物受蠕变的影响，导致银颗粒迁移至工作电极表面。另外，印制的碳电极可以是多孔的；也可以使电解质直接接触银轨道。

因此，对于插入工作电极电路中的表面元件，可使其银浓度低于轨道的银浓度并且高于电极的银浓度，以减少电极被轨道中的银颗粒污染的现象。在现有技术中常常可见，单面的工作电极回路包含以碳油墨制成的工作电极、以银油墨制成的轨道和银缓冲层或银耗尽凹槽或这样一种凹槽，其由一定比例的碳和银二元混合物油墨制成，即银的量与混合物中碳和银的总量之比值或二元混合物中的银浓度，在0（电极的典型值）与1（轨道或为银轨道横穿基底提供通道的接触块的典型值）之间变化。

在现有技术中，银耗尽凹槽不含银，并且为碳的电极尾部（electrodetails of carbon），因而倾向于排斥电极中的银颗粒。因此，电极出现不含银的延长部分，其长度可以经验地确定，延长的部分限制了信号干扰。

但是，申请人发现，凹槽的存在会导致印制表面的杂乱，更重要的是需要包含井的顶部盖子（top cover）和基底之间在一个非光滑的表面上形成粘合。对一次印制来说，例如一次丝网印制，电极尾部通常伸长10至15微米。这种不规则的粘合表面导致井的密封的长期流失或不断的温度循环对电化学电池的计量造成损害，其中工作电极所具有的凹槽仍然是必不可少的。