一种气体传感器阵列及其打印溶液调制方法技术

本发明专利技术涉及气体传感器阵列及其打印溶液调制方法，气体传感器阵列，至少包括：传感器阵列基底、由导电墨水按照预设的间隔打印在传感器阵列基底上的叉指电极，和在叉指电极图案挥发成膜后，由优化后的金属氧化物颗粒悬浮液在对应叉指电极图案上形成的气敏薄膜，其中，所述导电墨水的物理性质参数是基于打印装置的喷头孔径调制的，所述导电墨水的物理性质参数与打印稳定性参数的关系为：γ

【技术实现步骤摘要】
一种气体传感器阵列及其打印溶液调制方法
[0001]本专利技术是申请日为2020年7月21日，申请号为202010709276.2，专利技术名称为一种喷墨打印制备气体传感器阵列的方法及装置的专利技术专利的分案申请。


[0002]本专利技术属于传感器装置
，尤其涉及一种气体传感器阵列及其打印溶液调制方法。

技术介绍

[0003]传统的金属氧化物气体传感器由于对多种气体存在交叉响应，因而具有较差的气体选择性，容易受干扰气体影响。将有差异的多个金属氧化物气体传感器作为多个传感像素集成到传感器阵列中，可根据阵列中传感器的差异性响应生产对不同气体或混合气体的响应模式，利用模式识别算法或神经网络，可有效分辨不同气体，及检测混合气体中各组分的浓度。传感器阵列并非简单将多个传感器放置在一起，未来的技术发展趋势更在于传感器阵列的简单制备，与高度集成。
[0004]现有的气体传感器多为平面结构，通过将叉指电极(Finger Electrode)或源漏电极对(Source
‑
Drain Electrode Pair)集成在单块基底上，并通过溅射(Sputter)、蒸镀(Evaporation)、滴涂(Drop Casting)、旋涂(Spin Coating)的方式沉积气体传感器材料，配合打线接合等方式，可将传感器的信号引出至芯片载体上。目前沉积传感器薄膜的方式中，溅射与蒸镀所需时间较长，难以快速制备传感器阵列，且对基底的耐热性及耐真空性有所要求，虽然可在微米尺度上沉积材料，但需要配合由上至下(Top
‑
down)的微米特征制备流程(包含光刻，刻蚀等方式)，总体成本较高；旋涂可以制备较为均匀的薄膜，对基底没有要求，但同时难以在同一基底上制备不同传感器，也难以制备微米级尺寸的传感器像素；滴涂具有快速制备不同特性的传感器阵列的优点，对基底没有要求，但由于滴液装置的最小体积限制，同样难以制备微米级尺寸的传感器像素。
[0005]喷墨打印是一种材料节约型沉积技术，用于打印的油墨可以是溶解或分散在溶剂中的液相材料。其工作原理是：墨水腔收到突然的压电作用，导致腔室的体积减小，墨水从腔内喷出，之后墨水在重力与空气阻力的作用下喷射压降到撞击的基材上，在获得的动量作用下扩散，随着表面张力辅助流沿着表面流动，墨滴通过溶剂蒸发干燥后形成要打印的图案。喷墨打印技术可控制液滴大小至滴涂装置的百万分之一，能够实现微米尺寸的传感器像素快速与均匀制备。同时对于基底材料几乎没有限制，可在硅片，陶瓷片，玻璃片，甚至透明树脂材料上制备传感器。由于属于增材制造(Additive anufacturing)的范畴，不需要额外的特征制备流程。而墨盒可任意装配不同的金属氧化物悬浮液，可用于制备传感器阵列。特别地，喷墨打印也可打印导电墨水，制备叉指电极，从而实现从电极到材料的增材制造。基于其上述优点，使得喷墨打印技术逐渐应用于气体传感器的制备中。
[0006]例如，中国专利CN107202823B公开了一种喷墨印刷制备微电极阵列传感器的方法，其中微电极阵列传感器由工作电极、对电极和参比电极组成，其中工作电极由基底层、
工作电极金电极层、工作电极印刷银电极层、电极防水层和生物敏感层构成，对电极由对电极金电极层、对电极印刷银电极层和对电极防水层构成，参比电极由参比电极金电极层、参比电极印刷银电极层和参比电极防水层构成，通过喷墨印刷方法制备，本专利技术所得微电极阵列传感器可以作为DO传感器，温度传感器，pH传感器和电导率传感器应用于废水处理领域中，对多种水质参数进行实时检测。微电极阵列传感器结构紧凑，尺寸较小，其具备精度高，响应快，制备过程简单，可控性强且成本低廉的优势。该传感器阵列适用于水质参数的传感和探测。现有技术中还不具有喷墨打印的用于气体探测的传感器阵列。
[0007]公开号为CN108490043A的专利文献，其公开了一种气体传感器及其制备方法，气体传感器以柔性材料为衬底、纳米碳材料为气敏材料、微阵列电极为电极层；通过刮涂气敏材料水性分散液实现了气体传感器中气敏材料层制备工艺的简化、快速大面积制备，同时避免了现有技术中喷涂、旋涂等工艺造成的材料浪费，降低了成本；通过喷墨打印制备微阵列电极可实现电极图案的任意定制，从而增大传感器的电流响应，使传感器具有较高的灵敏度，与现有技术中光刻、蒸镀法等电极制备工艺相比，具有简单易操作、成本低、利于大规模制备的特点。但是，该专利文献同样难以制备微米级尺寸的传感器像素。
[0008]在本专利技术母案的实质审查过程中，没有现有技术公开本专利技术的基于喷头的孔径调制导电墨水的物理性质参数的步骤。因此，本专利技术是具有新颖性和创造性的。
[0009]此外，一方面由于对本领域技术人员的理解存在差异；另一方面由于申请人做出本专利技术时研究了大量文献和专利，但篇幅所限并未详细罗列所有的细节与内容，然而这绝非本专利技术不具备这些现有技术的特征，相反本专利技术已经具备现有技术的所有特征，而且申请人保留在
技术介绍
中增加相关现有技术之权利。

技术实现思路

[0010]如本文所用的词语“模块”描述任一种硬件、软件或软硬件组合，其能够执行与“模块”相关联的功能。
[0011]针对现有技术之不足，本专利技术提供一种喷墨打印制备气体传感器阵列的方法，其特征在于，所述方法至少包括：基于喷头的孔径调制与所述喷头的孔径适配的导电墨水的物理性质参数和/或金属氧化物颗粒悬浮液的物理性质参数。本专利技术通过调制与孔径适配的导电墨水和金属氧化物颗粒悬浮液，能够获得打印稳定性更高的液滴，避免卫星滴和拉丝现象。
[0012]在以喷墨打印的方式在传感器阵列基底上制备至少一个叉指电极的过程中，基于预设的喷头电压脉冲时序图微调脉冲电压变化参数以控制液滴喷射参数，将所述导电墨水按照预设的间隔打印在传感器阵列基底上。本专利技术通过脉冲电压来调节液滴的初速度和滴落频率，从而能够更好地实现在基底上的叉指电极的打印间隔和打印速度。
[0013]在所述叉指电极图案挥发成膜后，在相应的叉指电极图案上打印优化后的金属氧化物颗粒悬浮液从而形成气敏薄膜。通过调制好的金属氧化物颗粒悬浮液来进行打印，结合脉冲时序，能够更好地实现气敏薄膜的均匀性和稳定性，制造气体传感器阵列的效率更高，次品率低。
[0014]优选的，基于喷头的孔径调制导电墨水的物理性质参数的步骤包括：基
[0015][0016]于喷头的孔径、待调制的导电墨水的密度和打印稳定性参数Z确定导电墨水的表面张力和粘稠度的调制范围，其中，
[0017]γ
ink
为墨水的表面张力，ρ为导电墨水的密度，η为墨水粘稠度，D为喷头的孔径，Z的范围为1～12。通过打印稳定性的计算以及调制物理性质参数的计算，能够有目标地调制液滴的物理性质参数，获得具有稳定性的气体传感器阵列的打印材料。
[0018]优选的，基于喷头的孔径调制导电墨水的物理性质参数的步骤还包括：以加入有机溶剂的方式对待调制的导电墨水的表面张力和粘稠度进行调制，直至导电墨水的表面张力和粘稠度达到对应的调制范围。本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种气体传感器阵列，其特征在于，至少包括：传感器阵列基底，由导电墨水按照预设的间隔打印在传感器阵列基底上的叉指电极，和在叉指电极图案挥发成膜后，由优化后的金属氧化物颗粒悬浮液在对应叉指电极图案上形成的气敏薄膜，其中，所述导电墨水的物理性质参数是基于打印装置的喷头孔径调制的，所述导电墨水的物理性质参数与打印稳定性参数的关系为：γ
ink
为墨水的表面张力，ρ为导电墨水的密度，η为墨水粘稠度，D为喷头的孔径，Z的范围为1～12。2.根据权利要求1所述的气体传感器阵列，其特征在于，所述导电墨水是基于预设的喷头电压脉冲时序图微调脉冲电压变化参数来控制液滴喷射参数的。3.根据权利要求1或2所述的气体传感器阵列，其特征在于，所述导电墨水的表面张力和粘稠度的调制方式为：加入有机溶剂的方式进行调制，直至导电墨水的表面张力和粘稠度达到对应的调制范围。4.根据权利要求1～3任一项所述的气体传感器阵列，其特征在于，所述叉指电极图案挥发成膜的方式包括：印刷有叉指电极图案的传感器阵列基底在惰性气体中以一定的温度加热一定时间，从而挥发成膜。5.根据权利要求1～4任一项所述的气体传感器阵列，其特征在于，所述气敏薄膜的形成方式包括：在相应的叉指电极上打印所述金属氧化物颗粒悬浮液后，传感器阵列基底在惰性气体中以200
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400摄氏度高温处理至少一个小时。6.根据权利要求1～5任一项所述的气体传感器阵列，其特征在于，形成所述叉指电极的导电墨水的间隔喷射的控制方式为：设置喷头电压脉冲时序图，微调电压上升沿的上升速度，达到设定的电压大小与持续时间；或者，微调电压下降时的速度与大小，获得较好的液滴喷射效果，使得液滴落在传感器阵列基底上时彼此不连续，获得准确间隔距离。7.根据权利要求1～6任一项所述的气体传感器阵列...

【专利技术属性】
技术研发人员：周清峰，丘勇才，
申请(专利权)人：艾感科技广东有限公司，
类型：发明
国别省市：