阅读说明：本技术 一种基于墨滴打印的mems气体敏感结构及其制备方法 (MEMS gas sensitive structure based on ink drop printing and preparation method thereof ) 是由 刘宇航 汪震海 张晨生 彭渤 许诺 于 2020-10-30 设计创作，主要内容包括：一种基于墨滴打印的MEMS气体敏感结构及其制备方法,气体敏感结构包括衬底、金属电极层和气敏层,气敏层为在衬底上连接所述各金属电极交叠处的金属电极端部的线状结构,通过将气敏材料溶液化,并通过精密打印喷头在所述正电极和负电极交叠区域以确定的步长滴涂而形成气敏材料薄膜。本发明的方案不依赖于金属电极之间的间距即可实现更小的结构线宽和更优的灵敏度,由于墨滴的量、打印喷墨的位置和喷头移动的步长可精确控制,因此在基于该方法制成重复性好、尺寸精度较高的气敏层,有利于MEMS气体敏感结构的批量化和低成本化制备。(An MEMS gas sensitive structure based on ink drop printing and a preparation method thereof are provided, the gas sensitive structure comprises a substrate, a metal electrode layer and a gas sensitive layer, the gas sensitive layer is a linear structure which is connected with the end part of a metal electrode at the overlapping part of each metal electrode on the substrate, and a gas sensitive material film is formed by dissolving a gas sensitive material and performing drip coating in a determined step length in the overlapping area of a positive electrode and a negative electrode through a precise printing spray head. The scheme of the invention can realize smaller structure line width and better sensitivity without depending on the distance between metal electrodes, and because the amount of ink drops, the position of printing ink jet and the moving step length of a spray head can be accurately controlled, a gas-sensitive layer with good repeatability and higher dimensional precision is manufactured based on the method, thereby being beneficial to the batch and low-cost preparation of the MEMS gas-sensitive structure.)

一种基于墨滴打印的MEMS气体敏感结构及其制备方法

技术领域

本发明属于气体检测技术领域，涉及一种基于墨滴打印的MEMS气体敏感结构及其制备方法。

背景技术

气体传感器是MEMS(Microelectro Mechanical Systems：微机电系统)传感技术领域的重要组成部分，气体敏感结构是实现气体传感器功能的关键部件，其结构与工艺设计对气体传感器性能具有决定性影响。MEMS气体敏感结构的线宽，即气体敏感材料能够起有效作用的最小平面尺度，例如一对铺满气体敏感材料的电极之间的最小间距，对其灵敏度具有较大且直接的影响，因为更小的线宽意味着等效的最小气敏单元所承载的气体敏感材料的量也减小，工作时发生的相对变化量将变得更加显著，因此，减小线宽通常有利于对气体的灵敏度提升。但是，仅仅减小线宽通常不能直接带来性能的提升，原因在于，一方面，最小线宽受MEMS加工工艺的限制；另一方面，过小的线宽会使可靠性变差，当线宽小于环境中的导电杂质颗粒时，这些颗粒容易造成气体敏感结构的功能失效，如图1a、1b所示。

针对传统气敏结构存在的上述问题，本发明提出一种新型气体敏感结构及制备方法，它基于打印原理，在不过度减小金属电极间距的前提下，可有效提升气体敏感结构的灵敏度。此外，这种制备方法简单、方便、重复性好，在成本、性能与可靠性方面具有优势。

发明内容

一种基于墨滴打印的MEMS气体敏感结构包括衬底、金属电极层和气敏层，其中，所述衬底为硅晶圆的表面氧化层或基于柔性的绝缘材料，所述金属电极为在所述衬底上经过溅射-图形化-腐蚀工艺后形成，所述金属电极包括正电极和负电极，所述正电极和负电极相对设置，并且在电极的端部位置部分交叠，所述金属电极由导电性能优异的金属材料制成，所述气敏层为在所述衬底上连接所述各金属电极交叠处的金属电极端部的线状结构，通过将气敏材料溶液化，并通过精密打印喷头在所述正电极和负电极交叠区域以确定的步长滴涂而形成气敏材料薄膜，所述气敏材料薄膜与所述金属电极和衬底均发生物理接触。

根据本发明所述的基于墨滴打印的MEMS气体敏感结构，所述金属电极为金属梳齿电极，正电极和负电极均呈梳齿状且在端部位置部分交叠。

根据本发明所述的基于墨滴打印的MEMS气体敏感结构，所述衬底为SiO₂或其他绝缘材料。

根据本发明所述的基于墨滴打印的MEMS气体敏感结构，所述金属电极由金、银或铝制成。

根据本发明所述的基于墨滴打印的MEMS气体敏感结构，所述金属电极的厚度约为50nm-100nm。

根据本发明所述的基于墨滴打印的MEMS气体敏感结构，所述气敏材料溶液化后成为墨滴。

根据本发明所述的基于墨滴打印的MEMS气体敏感结构，所述确定的步长为用于精确控制喷头移动的最小步长。

一种基于墨滴打印的MEMS气体敏感结构的制备方法，包括：

第一步，在衬底上制备金属电极层，配合掩膜版，通过匀胶光刻显影剥离工艺加工成型，所述金属电极包括正电极和负电极，所述正电极和负电极相对设置，并且在电极的端部位置部分交叠；

第二步，在所述金属电极层上制备气敏层，首先制备气敏材料溶液，将气敏材料按确定的配比溶解于溶剂中，并通过超声振荡使之充分溶解，溶解后的气敏材料即为墨水；然后将配制好的墨水放入精密打印设备的墨水腔体中，所述打印设备可精密控制每次喷出的墨水量；通过打印工艺加工所述气敏层；

第三步，测试每个相邻金属电极之间的导电性，若存在某两个相邻金属电极间不连通的情况，则在这两个金属电极间重复打印过程，直至电气连通，最终形成完整的气体敏感结构；

第四步，气体敏感结构干燥与老化，通过溶剂溶解、去除多余的气敏材料。向MEMS气体敏感结构表面通干燥氮气，并加热至60-150℃，保持两个小时，完成此步骤后，即完成了MEMS气体敏感结构的制备。

根据本发明所述的基于墨滴打印的MEMS气体敏感结构的制备方法，所述金属电极为金属梳齿电极，正电极和负电极均呈梳齿状且在端部位置部分交叠。

根据本发明所述的基于墨滴打印的MEMS气体敏感结构的制备方法，在所述第二步中，通过打印工艺加工气敏层的具体方法为，以金属电极交叠区域边缘为起点，将喷头对准该区域，开始打印，喷头运动方向为垂直于金属电极延伸的方向，移动步长约为墨滴扩散半径，重复打印过程直至墨滴覆盖全部金属电极，在所述衬底上形成连接所述正电极和负电极的近似线状的气敏薄层。

根据本发明所述的基于墨滴打印的MEMS气体敏感结构的制备方法，所述第四步中的加热步骤在温度控制箱中进行。

本发明的有益效果：

本发明所述MEMS气体敏感结构基于墨滴打印工艺制备，不依赖于金属电极之间的间距即可实现更小的结构线宽和更优的灵敏度，由于墨滴的量、打印喷墨的位置和喷头移动的步长可精确控制，因此在基于该方法制成重复性好、尺寸精度较高的气敏层，有利于MEMS气体敏感结构的批量化和低成本化制备。此外，基于微墨滴打印制成的气敏层，其厚度可控性较好，可有效降低气敏层的厚度，进而提升气体敏感结构对气体的响应速度。

附图说明

图1a、图1b MEMS气体敏感结构的现有技术示意图；

图2本发明的基于墨滴打印的MEMS气体敏感结构的整体示意图；

图3本发明的基于墨滴打印的MEMS气体敏感结构的金属电极层示意图；

图4本发明的基于墨滴打印的MEMS气体敏感结构的气敏层制备步骤示意图；

图5本发明的基于墨滴打印的MEMS气体敏感结构的气敏层制备步骤中打印喷头移动步长示意图；

图6本发明的基于墨滴打印的MEMS气体敏感结构的导电性测试步骤示意图；

图7本发明的基于墨滴打印的MEMS气体敏感结构的制备方法流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。此外，应理解，在阅读了本发明所公开的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本发明所限定的保护范围之内。

如图2所示的一种基于墨滴打印的MEMS气体敏感结构包括衬底1、金属电极层2和气敏层3，其中，所述衬底1为硅晶圆的表面氧化层或基于柔性的绝缘材料，例如SiO₂。金属电极2为在衬底上经过溅射-图形化-腐蚀工艺后形成。金属电极2包括正电极2.1和负电极2.2，所述正电极2.1和负电极2.2相对设置，并且在电极的端部位置部分交叠。金属电极2由导电性能优异的金、银或铝等金属材料制成，金属电极2的厚度约为50nm-100nm。所述气敏层3为在衬底1上连接所述各金属电极2交叠处的金属电极端部的线状结构，通过将气敏材料溶液化为墨滴，并通过精密打印喷头在正电极2.1和负电极2.2交叠区域以用于精确控制喷头移动的最小步长滴涂而形成气敏材料薄膜3，气敏材料薄膜3与金属电极2和衬底1均发生物理接触。在本实施例中，金属电极为金属梳齿电极，但在实际应用中不限于此类电极。

图7示出了上述基于墨滴打印的MEMS气体敏感结构的制备方法，包括：

第一步，如图3所示，在衬底1上制备金属电极层2，配合掩膜版，通过匀胶光刻显影剥离工艺加工成型，金属电极2包括正电极2.1和负电极2.2，正电极2.1和负电极2.2相对设置，并且在电极的端部位置部分交叠。在本实施例中采用金属梳齿电极，但在实际应用中不限于此类电极。

第二步，如图4所示，在金属电极层2上制备气敏层3，首先制备气敏材料溶液，将气敏材料按确定的配比溶解于溶剂中，并通过超声振荡使之充分溶解，溶解后的气敏材料即为墨水；然后将配制好的墨水放入精密打印设备的墨水腔体中，所述打印设备可精密控制每次喷出的墨水量；通过打印工艺加工所述气敏层3。通过打印工艺加工气敏层的具体方法为，以金属梳齿电极交叠区域边缘为起点，将喷头对准该区域，开始打印，喷头运动方向为垂直于梳齿的方向，移动步长约为墨滴扩散半径(如图5所示)，重复打印过程直至墨滴覆盖全部梳齿电极2，在所述衬底1上形成连接所述正电极2.1和负电极2.2的近似线状的气敏薄层3。

第三步，如图6所示，测试每个相邻金属梳齿电极(A、B、C、D、E、F、G、H、I、J)之间的导电性，若存在某两个相邻金属梳齿电极间不连通的情况，则在这两个金属梳齿电极间重复打印过程，直至电气连通，最终形成完整的气体敏感结构；

第四步，气体敏感结构干燥与老化，通过溶剂溶解、去除多余的气敏材料。向MEMS气体敏感结构表面通干燥氮气，并加热至60-150℃，该加热可在温度控制箱中进行，保持两个小时，完成此步骤后，即完成了MEMS气体敏感结构的制备。

以上，对本发明的实施方式进行了说明。但是，本发明不限定于上述实施方式。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。