Inkjet喷印技术在气体传感器微热板上实现无掩膜高精度沉积气敏材料
气体传感器上的气体灵敏材料需要具备精准的定量并且可重复的沉积是传感器制备的主要难点。MicroFab的喷头的液滴发生的CV<1%能很好的解决此问题。如：美国俄亥俄州立大学在定位精度为±5μm的Jetlab II设备上，用口径50μm的AT喷头发生体积74pL，速度2m/s，频率为600Hz的液滴。验证了此沉积技术创造了一个开放的氧化膜微观结构，没有大的氧化锡纳米颗粒团聚的良好效果。
1 概述
微热板式气体传感器上的气体灵敏材料需要具备精准的定量并且可重复的沉积是传感器制备的主要难点，睿度光电的MicroFab Inkjet技术和EHD技术可以很好的解决此问题。国内与我司合作过的客户或有实验测试的客户有大连理工大学，华中科技大学，清华大学，上海大学，浙江大学等（以首字母排序）。国外使用MicroFab Inkjet技术制备气体传感器的客户有美国俄亥俄州立大学，意大利都灵理工大学等。
2 背景
工业和科技的快速发展给我们的生态环境带来很多严重污染。工厂排放的气体，农业，汽车排放的尾气等越来越多，这些气体中有毒有害，易燃易爆气体不仅污染环境，而且危害人类的自身安全。如氮气可以结合空气中的NOX和SOX发生反应并产生PM10和PM2.5颗粒。为能有效的防止恶性事件发生，环保、矿山、汽车、农业等领域需要检测性能高、体积小、功耗低的气体检检测和分析仪器。
气体传感器是通过检测环境中的气体浓度并将其转化为相应电信号输出装置，按原理分主要有电化学气体传感器，红外光学气体传感器，谐振式气体传感器，半导体气体传感器。其中半导体传感器能够实时对各种气体进行检测及分析，并实现反馈控制，很适合在工业、农业、家庭等各种场合的应用。用MEMS技术制作的微热板式气体传感器具备灵敏度较高、体积小且造价成本低的特点，且成为气体检测仪器中极具开发潜力的产品。
其中基于传感器阵列的电子鼻系统在20世纪末被正式提出，它是一种模仿人工嗅觉的系统。近年来，电子鼻系统以其便携、成本低、采样及分析时间短等优点，在气体检测方面得到了广泛的应用，如：部分电子鼻系统能够识别出多种恶臭气体；目前使用传感器阵列与一维卷积神经网络结合的方法可以识别出甲烷、一氧化碳、乙烯及两种混合气体等。
3 应用案例
美国俄亥俄州立大学[1][3]验证MicroFab Inkjet喷墨打印技术（MicroFab Jetlab II，喷头口径50μm）是一种以微热板平台的形式在微型传感器器件上沉积氧化锡纳米颗粒的有用技术。与传统的厚膜打印方法相比，这种沉积技术创造了一个开放的氧化膜微观结构，没有大的氧化锡纳米颗粒团聚。对氧化锡纳米颗粒、微球和微米级颗粒的甲烷和一氧化碳进行的气体传感器测试表明，氧化物膜的颗粒尺寸、表面积和微结构对传感器的性能都很重要。与微球相比，纳米颗粒具有相似的响应和瞬态特性（响应和恢复时间）。这两种材料的性能都大大超过了氧化锡微米大小的粒子。打印的前后图片如图1-7所示。
▲ 图1（a）打印前（b）打印后
▲ 图2（a）打印前（b）打印后
▲ 图3 打印策略（a）静态集中式多滴沉积（b）分散式沉积
▲ 图4 氧化膜的表层
▲ 图5 气体-电阻响应
▲ 图6 气体传感器的实物图片
▲ 图7 气体传感器的实物图片
意大利都灵理工大学[2]利用喷墨打印技术（MicroFab Jetlab 4）成功制备了PEDOT：PSS气体传感器，并将不同浓度和纯甲醇浸入不同浓度的硫酸中进行后处理。从而证实了一种以显著提高电导率和提高气体传感性能简单而稳健的处理PEDOT：PSS的方法。打印的图片如图8所示。
▲ 图8 制作的PEDOT：PSS气体传感器的图片
4 相关设备型号
MicroFab 高精度纳米材料沉积喷墨打印系统 Jetlab Ⅱ
特点
- Inkjet喷墨打印技术，数字可控，高精度运动控制
- 具备校准系统，实现精准的定位打印
- 产生皮升体积液滴，液滴体积CV<1%，从而实现精准的定量
- 打印效率高，喷头频率1-30kHz
- 配置有MicroFab应用程序及PC，可进行液滴的测量及观测
- 材料适应性强，适用多于500种的液体喷射，溶液粘度范围1-30cps
- 可放大、观察和测量打印的工件
- 喷头可清洗，可重复使用
特点
- 材料适用性、兼容性强，粘度适用范围0.5~10000cps
- 液滴精细，≥0.5fL，可调可控
- 二套视觉观测系统，涵盖液滴调试、基材校准、过程监控、打印结果分析等功能
- 兼容不同类型喷头，提供耗材支持
- 高分辨率图案打印，点径≥1μm，线宽≥0.5μm
- 多种打印模式：按需点喷、连续纺丝、电喷雾、任意分辨率和方向打印
参考文献：
[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] 魏广芬.基于微热板式气体传感器的混合气体检测及分析[D].大连理工大学[2024-06-20].DOI:CNKI:CDMD:1.2006.021549.
