各种生物传感器的发展通过提供快速而可靠的检测功能，彻底改变了医疗保健行业。印刷电路板（PCB）技术已在世界范围内广泛应用。  除电子设备外，该技术还用于制造电气部件，包括用于不同生物和化学传感器的电极。通过持久的标准工艺实现的高重现性以及大量竞争性制造服务所带来的低成本，使得该制造方法成为用于构图电极和生物传感器电子部件的主要候选方法。 在传感平台的制造中采用这种方法有助于将电子和微流控技术与生物传感器集成在一起。在这篇评论文章中，讨论了印制板电路技术的基本原理和进展。

 相关论文以题为“     Printed Circuit Board (PCB) Technology for Electrochemical Sensors and Sensing Platforms    ”与北京时间2020年10月30号发表在《     Biosensors    》上。

 通常，为特定应用选择理想的检测方法和工具的主要因素是成本，灵敏度，可靠性和快速性。成本是现代创新背后的主要推动力之一，但不是唯一的重要参数。 在短时间内获得可靠，准确的测量结果并不能总是为了减少开支而牺牲。在临床诊断应用中，数据的可靠性和快速性起着重要的作用。例如，可靠的血糖实时测量对于控制糖尿病的进展至关重要。

 为了开发具有成本效益的精确传感器，应考虑采用合适的检测方法，制造技术以及开发传感器所需的材料。 电化学分析可以提供一种经济的方法，以高选择性和高灵敏度定量化学物质并检测材料物理特性的变化。在设备方面，除了用于收集数据的电子仪器外，此类技术通常还需要由两个或三个称为工作（传感），参考和对（辅助）电极的电极组成的电化学传感器。  尽管传统上需要的电子仪器可能是大型且昂贵的，但是使用电子学的最新进展可以使这些设备小型化。这种小型仪器的实施可以促进在现场护理和现场部署应用中使用电化学传感器。

 可以考虑不同的制造方法来构造电化学传感器。 例如，半导体工业中使用的微细加工技术因其在采用各种材料和提供对传感器参数的出色控制的技术方面的灵活性而非常成熟。但是，可能需要多种技术（例如溅射，化学气相沉积，光刻）和专用设备来制造这些传感器。作为一种替代方法，印刷电路板技术（PCB）具有构建传感器的潜力。该技术是广泛用于制造电子电路的成熟的经济制造方法。如今，由于过去几十年来电子行业的显着增长，PCB的制造可以以相对较低的成本得到广泛应用。  PCB技术使高精度图案化导电电极成为可能，可以用作传感器的基板。尽管PCB技术采用的技术与微细加工工艺相似，但它提供了广泛可用的可承受的制造可能性。

    印刷电路板用料  

最常见的印刷电路板基材被称为FR4。FR4是满足美国电气制造商协会工业热固性产品（NEMA LI 1-1998）要求的一类材料。FR4的基础由玻璃纤维编织布和阻燃的环氧树脂粘合剂组成。FR4的吸水率接近于零，并且具有出色的强度与重量比，并且无论环境中的水分含量如何，都是出色的绝缘体。  通常，FR4中的阻燃材料是溴。连同其其他上述特性，FR4之所以成为最受欢迎的基材，是因为它易于制造，通常是最便宜的材料 。

 聚酰亚胺层压板在所有类别上都比FR4有所改进，最重要的是，具有更高的温度性能，电气性能，生存能力和抗膨胀性。 但是，制造聚酰亚胺的成本高于FR4。铁氟龙层压板在FR4和聚酰亚胺基基材上均提供了改善的电性能；但是，它们的生产成本远高于两者，并且需要专门的设备和高技能的员工  。聚四氟乙烯层压板可以涂覆在玻璃织物上或制造为无支撑的网眼，这使其具有FR4和聚酰亚胺都没有的适应性因子。

多层制造过程始于创建计算机辅助设计或CAD，然后将其发送给选定的制造商。制造商检查以确保CAD与他们的设备兼容。CAD的照相图像打印在胶片上，然后使用光敏干膜和无尘室中的紫外线将图像转印到板表面。除去照相胶片，并从板上蚀刻掉多余的铜。内层接受氧化层涂覆，然后与预浸料堆叠在一起，以在各层之间提供绝缘，然后将铜箔添加到新创建的堆叠的顶部和底部。氧化物层的应用通过增加包层铜的粗糙度来增强层压板的结合力。通过使内层承受极高的压力和高温来进行层压。缓慢释放压力，PCB仍在高温下固化。接下来，钻孔以固定堆栈，并去除多余的铜。使用化学药品将电路板的所有层融合在一起，然后清洗电路板。清洁后，一系列化学药品浸入板上，形成一层重1 oz / ft 2（305.152 g / m 2）的铜，其厚度为140密耳（35 µm），填充在钻孔和安置在顶层。在PCB行业中，通常使用公制单位使用诸如oz，mil，oz / ft 2的英制单位。另外，盎司通常用于oz / ft以上2表示铜的重量均匀地分布在1 ft 2（305.152 g / m 2）的PCB面积上，以确定铜层的厚度。再次，该板需要接受光致抗蚀剂施加，但是仅在外层上。在施加光致抗蚀剂之后，以与内层完全相同的方式电镀外层，但是施加锡的镀层以保护外层铜免于蚀刻。在外层上进行蚀刻，并通过铜蚀刻剂去除多余的铜，而锡保护其余的铜。清洁面板并准备好阻焊层。清洁后，涂上环氧油墨和阻焊膜，然后将板暴露在紫外线下，以指定阻焊层的特定区域以进行去除。烘烤电路板，使阻焊膜固化（图1）。该板上镀有金，银或热风焊料水平（HASL），使这些组件能够焊接到焊盘上并保护铜。电路板接受电镀的过程称为化学镀镍浸金（ENIG）。将镍层施加到铜上作为扩散阻挡层。在镍层之后是一个薄金层，该金层用于防止镍氧化并保持其固态表面可焊接。

 图1. 多层印刷电路板（PCB）板的3-D示意图设计，它由四个铜层（两个内部层），五个介电层以及顶部和底部掩模层组成。

    用于电化学分析的基于PCB的电极  

 铜是在PCB板上制造走线和电触点时最常用的材料。然而，铜的容易和不可避免的氧化问题限制了其在开发电化学传感器中的应用。 为了克服这一挑战，可以在PCB焊盘表面上沉积一层薄薄的惰性金属，例如金（Au）或铂（Pt）。使用Cu裸露的PCB电极进行的循环伏安分析显示出非特征伏安图，因为Cu容易氧化。另一方面，采用镀金的PCB电极可产生稳定的伏安图，并具有宽电位窗，可用于电化学生物传感应用（图2）。可以采用不同的技术在PCB电极上沉积金，包括化学镀，电沉积和溅射。PCB制造服务在标准制造过程中提供不同的表面处理。最受欢迎的类型是ENIG涂层。  但是，这些涂层的主要目的是提高PCB板的可焊性和保质期，并且可以在焊盘的边缘留下裸露的铜。另一方面，硬质Au或Pt的电沉积会导致电极完全被覆盖，表面粗糙度更高，这会增加电极的有效表面积。

 图2. 相对于Ag / AgCl，相对于Ag / AgCl的-100至500 mV的循环伏安法，使用PCB（蓝线）和镀Au PCB（红线）电极在含有5 mM K3Fe（CN6的0.1 M KCl内。扫描速率为50 mV / s。

 具体地，对于电化学传感器，感测电极的表面物理特性和化学性质在可靠且准确地检测目标分析物方面非常重要。额外的Au电镀可产生无孔表面，并改善电极表面的电子转移。 但是，根据Dutta等人的观察。在PCB电极的表面上电镀金之后，暴露的Cu以及具有高C和O含量的有机层可能残留在表面上，这使得电极电化学失活。他们建议使用丙酮，乙醇和水清洗，然后在包含氢氧化铵和过氧化氢的水溶液中进行超声处理，从而使电极具有电化学活性，并降低源自有机层的表面粗糙度（图3）。

 图3. 清洗前后镀金的PCB电极之间的比较：（A）在清洗前（i）和清洗后，在含4 mM K 3 Fe（CN）6的PBS溶液中，从镀金的PCB电极获得的循环伏安图（ ii）; （B）在清洁之前和（C）清洁之后获得的镀金的PCB电极的原子力显微镜。原始图中未指定原子力显微镜（AFM）显微照片的尺寸。

 根据Evans等人的研究，在镀金的PCB电极上，缓冲溶液中氯离子的存在会导致在Au和铜的界面处形成二次电化学电池。 使用含有氯离子（PBS）但不含氯化合物（HEPES）的缓冲液，在电流分析中比较电极的表面，结果表明，含有氯离子会导致金的还原和腐蚀。金和PCB铜焊盘之间的电镀镍层可以提高金的附着力。此外，镍层还可以作为扩散阻挡层，以减少铜穿过金的渗透，并避免铜到达表面并被氧化。此外，焊接掩模可以被扩展到覆盖电极的边缘，以避免铜的在边缘处。使用一种有趣的方法，丝网印刷了一种低温固化的Au油墨，以形成传感电极阵列（图4）。  开发可靠的感应电极的重要参数之一是镀金的厚度，在许多已报道的基于PCB的生物传感器中并未考虑到这一点。已经发现，较厚的金层会生成更稳定的特征循环伏安图。

 图4. 使用丝网印刷的Au墨水在PCB基板上制造的阵列芯片的照片。工作电极和对电极的直径分别为1和2 mm。参比电极的外环和内环的直径分别为4和3 mm。

 在电化学生物传感器中，参考电极以最小的电流通过它来保持其电位。 氯化银（Ag / AgCl）电极是电化学分析中广泛使用的参比电极之一。类似的参考电极可以在基于PCB的电化学生物传感器通过电镀或电沉积，附加Ag层，然后用HCl溶液，氯化钠溶液，或次氯酸钠。在某些不需要真正参考电位的传感应用中，可以将Pt或Au涂层的PCB焊盘用作伪参考电极。  另外，PCB化学浸镀银是制造商提供的标准工业工艺，可以被氯化并用作生物传感器中的参比电极。为了减小传感器的尺寸，单个电极既可以用作参考电极也可以用作计数器。但是，这会导致测量中出现更高的噪声水平。

    结论  

 PCB技术为制造各种传感器提供了另一种低成本的方法。 由于现有的快速发展的制造业，这种方法促进了原型传感器向市场和最终用户的过渡。此外，流体技术和电子技术与基于PCB的生物传感平台的集成性使其成为独立即时诊断系统的理想之选。

 尽管PCB技术与微细加工工艺共享许多制造方法，但在经久发展的PCB制造行业中，它还具有其他优势。 这有助于市场和最终用户采用基于PCB的生物传感器。此外，过程的相似性为采用已经研究过的生物传感器的设计并在PCB板上实现它提供了新的机会，从而降低了制造成本并促进了商业化的可能性。  新型材料，例如碳纳米管，还原型氧化石墨烯，金属纳米材料，金属氧化物纳米颗粒可用于开发具有改进的灵敏度和选择性的新型基于PCB的生物传感器。

 另一方面，就最小特征尺寸而言，标准的微细加工工艺优于PCB技术。 然而，对于电子系统小型化的迅速增长的需求推动了该行业朝着改善该限制的方向发展。此外，在电化学分析中无法使用的铜的使用为开发可靠的生物传感器强加了额外的辅助功能。为了克服这一挑战，可以将新颖的低成本制造方法（如喷墨印刷和丝网印刷）与PCB技术一起使用。