Inkjet噴印技術在氣體傳感器微熱板上實現無掩膜高精度沉積氣敏材料
氣體傳感器上的氣體靈敏材料需要具備精準的定量并且可重復的沉積是傳感器制備的主要難點。MicroFab的噴頭的液滴發生的CV<1%能很好的解決此問題。如：美國俄亥俄州立大學在定位精度為±5μm的Jetlab II設備上，用口徑50μm的AT噴頭發生體積74pL，速度2m/s，頻率為600Hz的液滴。驗證了此沉積技術創造了一個開放的氧化膜微觀結構，沒有大的氧化錫納米顆粒團聚的良好效果。
1 概述
微熱板式氣體傳感器上的氣體靈敏材料需要具備精準的定量并且可重復的沉積是傳感器制備的主要難點，睿度光電的MicroFab Inkjet技術和EHD技術可以很好的解決此問題。國內與我司合作過的客戶或有實驗測試的客戶有大連理工大學，華中科技大學，清華大學，上海大學，浙江大學等（以首字母排序）。國外使用MicroFab Inkjet技術制備氣體傳感器的客戶有美國俄亥俄州立大學，意大利都靈理工大學等。
2 背景
工業和科技的快速發展給我們的生態環境帶來很多嚴重污染。工廠排放的氣體，農業，汽車排放的尾氣等越來越多，這些氣體中有毒有害，易燃易爆氣體不僅污染環境，而且危害人類的自身安全。如氮氣可以結合空氣中的NOX和SOX發生反應并產生PM10和PM2.5顆粒。為能有效的防止惡性事件發生，環保、礦山、汽車、農業等領域需要檢測性能高、體積小、功耗低的氣體檢檢測和分析儀器。
氣體傳感器是通過檢測環境中的氣體濃度并將其轉化為相應電信號輸出裝置，按原理分主要有電化學氣體傳感器，紅外光學氣體傳感器，諧振式氣體傳感器，半導體氣體傳感器。其中半導體傳感器能夠實時對各種氣體進行檢測及分析，并實現反饋控制，很適合在工業、農業、家庭等各種場合的應用。用MEMS技術制作的微熱板式氣體傳感器具備靈敏度較高、體積小且造價成本低的特點，且成為氣體檢測儀器中極具開發潛力的產品。
其中基于傳感器陣列的電子鼻系統在20世紀末被正式提出，它是一種模仿人工嗅覺的系統。近年來，電子鼻系統以其便攜、成本低、采樣及分析時間短等優點，在氣體檢測方面得到了廣泛的應用，如：部分電子鼻系統能夠識別出多種惡臭氣體；目前使用傳感器陣列與一維卷積神經網絡結合的方法可以識別出甲烷、一氧化碳、乙烯及兩種混合氣體等。
3 應用案例
美國俄亥俄州立大學[1][3]驗證MicroFab Inkjet噴墨打印技術（MicroFab Jetlab II，噴頭口徑50μm）是一種以微熱板平臺的形式在微型傳感器器件上沉積氧化錫納米顆粒的有用技術。與傳統的厚膜打印方法相比，這種沉積技術創造了一個開放的氧化膜微觀結構，沒有大的氧化錫納米顆粒團聚。對氧化錫納米顆粒、微球和微米級顆粒的甲烷和一氧化碳進行的氣體傳感器測試表明，氧化物膜的顆粒尺寸、表面積和微結構對傳感器的性能都很重要。與微球相比，納米顆粒具有相似的響應和瞬態特性（響應和恢復時間）。這兩種材料的性能都大大超過了氧化錫微米大小的粒子。打印的前后圖片如圖1-7所示。
▲ 圖1（a）打印前（b）打印后
▲ 圖2（a）打印前（b）打印后
▲ 圖3 打印策略（a）靜態集中式多滴沉積（b）分散式沉積
▲ 圖4 氧化膜的表層
▲ 圖5 氣體-電阻響應
▲ 圖6 氣體傳感器的實物圖片
▲ 圖7 氣體傳感器的實物圖片
意大利都靈理工大學[2]利用噴墨打印技術（MicroFab Jetlab 4）成功制備了PEDOT：PSS氣體傳感器，并將不同濃度和純甲醇浸入不同濃度的硫酸中進行后處理。從而證實了一種以顯著提高電導率和提高氣體傳感性能簡單而穩健的處理PEDOT：PSS的方法。打印的圖片如圖8所示。
▲ 圖8 制作的PEDOT：PSS氣體傳感器的圖片
4 相關設備型號
MicroFab 高精度納米材料沉積噴墨打印系統 Jetlab Ⅱ
特點
- Inkjet噴墨打印技術，數字可控，高精度運動控制
- 具備校準系統，實現精準的定位打印
- 產生皮升體積液滴，液滴體積CV<1%，從而實現精準的定量
- 打印效率高，噴頭頻率1-30kHz
- 配置有MicroFab應用程序及PC，可進行液滴的測量及觀測
- 材料適應性強，適用多于500種的液體噴射，溶液粘度范圍1-30cps
- 可放大、觀察和測量打印的工件
- 噴頭可清洗，可重復使用
特點
- 材料適用性、兼容性強，粘度適用范圍0.5~10000cps
- 液滴精細，≥0.5fL，可調可控
- 二套視覺觀測系統，涵蓋液滴調試、基材校準、過程監控、打印結果分析等功能
- 兼容不同類型噴頭，提供耗材支持
- 高分辨率圖案打印，點徑≥1μm，線寬≥0.5μm
- 多種打印模式：按需點噴、連續紡絲、電噴霧、任意分辨率和方向打印
參考文獻：
[1] Elvin R. Beach, Kurt D. Benkstein, Christopher . Montgomery, Steve Semancik, Patricia A. Morris,Picoliter drop deposition of SnO2 nanoparticles onto microsensor platforms, Sensors & Actuators: B. Chemical 403 (2024) 135152.
[2] L. Vigna , A. Verna, S.L. Marasso, M. Sangermano, P. D’Angelo, F.C. Pirri, M. Cocuzza ,The effects of secondary doping on ink-jet printed PEDOT:PSS gas sensors for VOCs and NO2 detection ，Sensors & Actuators: B. Chemical 345 (2021) 130381.
[3] Mark A. Andio, Paul N. Browning, Patricia A. Morris, Sheikh A. Akbar, Comparison of gas sensor performance of SnO2 nano-structures on microhotplateplatforms, Sensors and Actuators B 165 (2012) 13–18.
[4] 魏廣芬.基于微熱板式氣體傳感器的混合氣體檢測及分析[D].大連理工大學[2024-06-20].DOI:CNKI:CDMD:1.2006.021549.
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