噴墨打印技術在化學傳感器上的應用

2021-08-25 11:03 睿度光電RUIDU

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MicroFab噴墨打印技術在化學傳感器件上有廣泛的應用，尤其是在化學電阻材料方面，已經(jīng)成為MEMS傳感器的熱門領域。利用MicroFab噴墨打印系統(tǒng)制備的MEMS芯片可用于檢測呼吸機中的揮發(fā)性有機物，在醫(yī)療行業(yè)有著廣泛應用。

化學傳感器已經(jīng)成為MEMS器件研究和開發(fā)中的一個相當熱門領域，這是由于需要大量用于爆炸物、化學藥品、藥物濫用、工業(yè)氣體、住宅氣體和許多其他氣體的低成本傳感器。這些傳感器中的大多數(shù)使用電或光活性材料，或者更簡單地說，具有使敏感的分子暫時粘附到其表面。其中，大多數(shù)這些傳感材料都是敏感材料，即不能用光刻技術處理。此外，因為它們是敏感的，它們通常被應用于制造工藝的最后部分；通常，這是在**脆弱的非平面上進行制造。所有這些因素使得MEMS化學傳感器制造成為一個廣泛探索使用噴墨打印技術的領域。

化學電阻材料，即當暴露于特定氛圍環(huán)境時可改變電阻的材料，是MEMS傳感器器件中最廣泛使用的傳感材料。納米材料和MEMS結(jié)構(gòu)的**發(fā)展節(jié)省了正在開發(fā)的時間。如圖1所示為用于檢測呼吸機中揮發(fā)性有機化合物，圖1a傳感器的基本結(jié)構(gòu)是一對螺旋電極，直徑250μm，位于直徑為350μm的SU-8凹結(jié)構(gòu)中。如圖1b所示，通常可包含多種傳感材料的多個傳感和參考元件被集成在一個2.65mm的芯片上，該芯片還包含所有所需的控制電子器件。該芯片被組裝到常用于光學器件的TO-5封裝中（圖1c）。

▲ 圖1 化學傳感器示意圖；（a）350μm SU-8凹井中250μm直徑雙電極螺旋傳感元件；（b）2.65mm芯片上多個傳感器與參考元件；（c）傳感器件的TO-5外包裝；（d）印刷有225個標稱30pL液滴的傳感器元件，該溶液包含硫代金納米粒子

化學傳感材料硫代金納米粒子懸浮液中，并沉積在傳感區(qū)域。但在使用噴墨設備將15滴標稱30pL的體積沉積到傳感器上的圖1a中看不到。圖1d顯示了沉積225個標稱30pL液滴后的傳感區(qū)域，產(chǎn)生1.5μm的平均薄膜厚度。值得注意的是在傳感區(qū)域使用了兩個潤濕“擋塊”。SU-8凹井包含分配的初始流體體積，防止?jié)櫇竦侥K的其他區(qū)域。此外，在干燥過程中，流體從凹井的外部結(jié)露，使得所有的顆粒都沉積在電極區(qū)域上。這種自定中心行為可導致阻抗變化小于10%。

傳感器材料的打印不僅發(fā)生在單個的管芯上，而且還發(fā)生在封裝工藝中。這有效地將傳感材料沉積方法限制為噴墨打印方法，并且在產(chǎn)品中印刷固定在夾具中的多個傳感器的要求將需要數(shù)據(jù)驅(qū)動方法，除非夾具是高精度的。如果使用接觸分配方法，通過量將受到分配器為每個分配器進行垂直移動的要求的限制。諧振微機電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)檢測諧振頻率的變化，該變化與敏感的分子的吸附引起的諧振結(jié)構(gòu)的質(zhì)量變化相關聯(lián)。利用可以在微機電系統(tǒng)器件的集成電路中實現(xiàn)的眾所周知的集成電路，可以**精確地實現(xiàn)對諧振變化的檢測。微機電系統(tǒng)制造技術可以產(chǎn)生極低質(zhì)量，高品質(zhì)的共振結(jié)構(gòu)，允許檢測極低濃度的目標分子。

資料來源：

美國MicroFab公司

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