[發(fā)明專利]一種基于墨滴打印的MEMS氣體敏感結構及其制備方法

在審

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• 申請日: 2020-10-30
• 公開（公告）號: CN112415054A
• 公開（公告）日: 2021-02-26
• 發(fā)明（設計）人: 劉宇航;汪震海;張晨生;彭渤;許諾
• 申請（專利權）人: 北京機械設備研究所
• 主分類號: G01N27/00
• 分類號: G01N27/00;B81B7/02;B81C1/00
• 代理公司: 北京知元同創(chuàng)知識產(chǎn)權代理事務所(普通合伙) 11535
• 代理人: 梁田

一種基于墨滴打印的MEMS氣體敏感結構及其制備方法，氣體敏感結構包括襯底、金屬電極層和氣敏層，氣敏層為在襯底上連接所述各金屬電極交疊處的金屬電極端部的線狀結構，通過將氣敏材料溶液化，并通過精密打印噴頭在所述正電極和負電極交疊區(qū)域以確定的步長滴涂而形成氣敏材料薄膜。本發(fā)明的方案不依賴于金屬電極之間的間距即可實現(xiàn)更小的結構線寬和更優(yōu)的靈敏度，由于墨滴的量、打印噴墨的位置和噴頭移動的步長可精確控制，因此在基于該方法制成重復性好、尺寸精度較高的氣敏層，有利于MEMS氣體敏感結構的批量化和低成本化制備。

技術領域

本發(fā)明屬于氣體檢測技術領域，涉及一種基于墨滴打印的MEMS氣體敏感結構及其制備方法。

背景技術

氣體傳感器是MEMS(Microelectro Mechanical Systems：微機電系統(tǒng))傳感技術領域的重要組成部分，氣體敏感結構是實現(xiàn)氣體傳感器功能的關鍵部件，其結構與工藝設計對氣體傳感器性能具有決定性影響。MEMS氣體敏感結構的線寬，即氣體敏感材料能夠起有效作用的最小平面尺度，例如一對鋪滿氣體敏感材料的電極之間的最小間距，對其靈敏度具有較大且直接的影響，因為更小的線寬意味著等效的最小氣敏單元所承載的氣體敏感材料的量也減小，工作時發(fā)生的相對變化量將變得更加顯著，因此，減小線寬通常有利于對氣體的靈敏度提升。但是，僅僅減小線寬通常不能直接帶來性能的提升，原因在于，一方面，最小線寬受MEMS加工工藝的限制；另一方面，過小的線寬會使可靠性變差，當線寬小于環(huán)境中的導電雜質顆粒時，這些顆粒容易造成氣體敏感結構的功能失效，如圖1a、1b所示。

針對傳統(tǒng)氣敏結構存在的上述問題，本發(fā)明提出一種新型氣體敏感結構及制備方法，它基于打印原理，在不過度減小金屬電極間距的前提下，可有效提升氣體敏感結構的靈敏度。此外，這種制備方法簡單、方便、重復性好，在成本、性能與可靠性方面具有優(yōu)勢。

發(fā)明內(nèi)容

一種基于墨滴打印的MEMS氣體敏感結構包括襯底、金屬電極層和氣敏層，其中，所述襯底為硅晶圓的表面氧化層或基于柔性的絕緣材料，所述金屬電極為在所述襯底上經(jīng)過濺射-圖形化-腐蝕工藝后形成，所述金屬電極包括正電極和負電極，所述正電極和負電極相對設置，并且在電極的端部位置部分交疊，所述金屬電極由導電性能優(yōu)異的金屬材料制成，所述氣敏層為在所述襯底上連接所述各金屬電極交疊處的金屬電極端部的線狀結構，通過將氣敏材料溶液化，并通過精密打印噴頭在所述正電極和負電極交疊區(qū)域以確定的步長滴涂而形成氣敏材料薄膜，所述氣敏材料薄膜與所述金屬電極和襯底均發(fā)生物理接觸。

根據(jù)本發(fā)明所述的基于墨滴打印的MEMS氣體敏感結構，所述金屬電極為金屬梳齒電極，正電極和負電極均呈梳齒狀且在端部位置部分交疊。

根據(jù)本發(fā)明所述的基于墨滴打印的MEMS氣體敏感結構，所述襯底為SiO₂或其他絕緣材料。

根據(jù)本發(fā)明所述的基于墨滴打印的MEMS氣體敏感結構，所述金屬電極由金、銀或鋁制成。

根據(jù)本發(fā)明所述的基于墨滴打印的MEMS氣體敏感結構，所述金屬電極的厚度約為50nm-100nm。

根據(jù)本發(fā)明所述的基于墨滴打印的MEMS氣體敏感結構，所述氣敏材料溶液化后成為墨滴。

根據(jù)本發(fā)明所述的基于墨滴打印的MEMS氣體敏感結構，所述確定的步長為用于精確控制噴頭移動的最小步長。

一種基于墨滴打印的MEMS氣體敏感結構的制備方法，包括：

第一步，在襯底上制備金屬電極層，配合掩膜版，通過勻膠光刻顯影剝離工藝加工成型，所述金屬電極包括正電極和負電極，所述正電極和負電極相對設置，并且在電極的端部位置部分交疊；