MEMS气体传感器气敏材料的EHD微滴打印关键技术研究

With the fast development of MEMS technology, and the Internet of things technology with the demand of low power consumption and integration, MEMS gas sensors have become the development trend of semiconductor gas sensors. Meanwhile, the study of semiconductor gas sensing materials has entered the era of hierarchical nanostructure materials. The in-situ growth of gas sensing materials on MEMS gas sensors faces many limitations. The technology of transferring pre-prepared gas sensing materials to MEMS gas sensors is an important research topic to be solved urgently. The EHD micro-droplet printing technology has a remarkable advantage on doing this job. Aims at the urgent need of high performance gas sensing film deposition technology of MEMS gas sensor, This project studies the EHD microdrop printing technology suitable for hierarchical nanostructure gas sensing material transfer. In order to improve the positioning accuracy and printing stability, the formation and control mechanism of micro droplets of gas sensitive ink under pulsed electric field is studied, and the high precision alignment technology for positioning printing is studied, and the EHD microdrop printing of a variety of gas sensing materials on MEMS gas sensors will be realized. Finally, a monolithic integrated MEMS gas sensor array is developed to form an on-chip electronic nose with cross-sensitive characteristics.

随着MEMS技术的逐渐成熟，以及发展迅猛的物联网技术对气体检测终端的低功耗和集成化需求，MEMS气体传感器已成为半导体气体传感器的发展趋势。同时，半导体气敏材料的研究已经进入多级纳米结构复合材料的时代，在MEMS气体传感器上原位生长气敏材料受到诸多限制，将预先制备好的气敏材料转移到MEMS气体传感器上的技术是亟待解决的重要研究课题，其中EHD微滴打印技术具有显著优势。本项目面向MEMS气体传感器高性能气敏薄膜定位淀积的迫切需求，研究适用于多级纳米结构的气敏薄膜转移的EHD微滴打印技术，以提高定位精度和改善打印稳定性为目标，研究气敏墨水在脉冲电场下液滴的形成与控制机理，研究定位打印的高精度对准技术，实现在MEMS气体传感器工作区内的多种气敏材料的打印沉积，最后研发出单片集成MEMS气体传感器阵列，形成具有交叉敏感特性的电子鼻探头。

半导体气敏传感器已经进入多级纳米结构材料与微热板相结合的时代。由于MEMS微热板是微米厚度的超薄介质薄膜，在微热板上制造多级纳米结构气敏材料受到诸多限制。本项目研究适用于MEMS气体传感器气敏薄膜制备的EHD微滴打印技术。建立了EHD打印系统，系统分析了电场强度、针头直径、墨水粘度、供液率、表面亲水性等因素对打印效果的影响机制。提出了针头悬挂液体量、供液量和打印墨滴直径之间的关系模型，根据该模型说明了批量连续打印状态下保持恒定供液率，三者将逐渐达到平衡，供液率决定墨滴直径；而少量和非周期性打印状态下，三者难以达到平衡，需要根据针头悬挂液体量来动态调节供液率。利用静电力从内径大于100μm针头拉出直径10-20μm的锥射流，在衬底上打印出数十微米直径的墨滴，既避免了针头堵塞问题又满足了打印精度需求。设计图像识别算法自动识别微热板中心并将其对准打印头，基于该技术实现了微米花、手风琴结构、微米长度纳米管等多级复合结构气敏材料在微热板上的准确定位沉积，在单芯片上的四个微热板上分别打印了四种不同气敏材料，形成单片微传感器阵列。为进一步提高集成度，设计了红外激光原位干燥装置，一次打印后通过原位红外照射使墨水秒干，有效的避免了墨水溶剂在样品表面的扩散，从而可以原位多次打印形成覆盖性良好的敏感薄膜。基于此技术实现了气敏性能差异显著的两种气敏材料在一个微热板上高集成度打印，两者间距仅20μm。基于上述微型气体传感器阵列研究了模式识别算法，实现了气体的定性和定量识别。开发了微型电子鼻系统，研究表明，可令微气体传感器阵列工作在间隙加热模式，虽然牺牲了一定的灵敏度，但可将电子鼻的功耗降低1个数量级。本项目提供的技术能够极大的扩展了MEMS气体传感器的气敏材料选择范围，从而充分发挥微热板的低功耗、高集成度优势和多级复合气敏材料的优异气敏性能。未来有望可以嵌入到机器狗、手机、可穿戴医疗设备等电子产品中，有着广阔的应用前景。