用于微气体传感器的EHD微滴打印系统研究

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气体传感器广泛应用于工业、医疗等领域。微型化、低功耗的微热板气体传感器近年来得到了广泛关注。在微热板上沉积纳米气敏材料时,传统的溅射、CVD、滴涂和压电喷墨打印等制备方式不能够同时满足低温、低应力、高精度、易图形化、材料具有多孔形貌等要求。本文研究适用于微热板气敏材料打印的电流体动力学(EHD)打印系统。  首先,分析了EHD打印原理。现有EHD打印技术有多种模式,相应的打印系统设计也各有侧重的。根据微热板气敏材料打印的具体需求,选择了具有定点精确打印等优点的微滴模式。  在此基础上,设计并搭建了一套电流体动力学打印系统,该系统由高压脉冲信号发生模块、供液模块、摄像模块和位置控制模块组成,各模块与计算机建立通信,由LabVIEW程序进行控制。通过软硬件协同设计,通过上位机人机交互界面可以实现平移台、精密注射泵、函数发生器的仪器控制、自动打印和打印状态与效果的原位观察等功能。针对微热板气敏材料打印的的对准需求,设计了微热板识别算法,使系统能够根据摄像头拍摄画面寻找微热板中心坐标,实现自动对准打印。  然后,针对系统的打印稳定性和精度等关键性能指标,研究了墨水、电压、供液率、打印距离等关键工艺参数的影响。研究了DI水、乙醇、乙二醇等溶液中不同粒径和不同维度气敏材料的分散效果,得到了稳定的气敏材料墨水配方;研究了影响起始电压、打印点尺寸的因素。实验结果表明本EHD打印系统能够打印微米级尺寸气敏材料且不堵塞打印头,能够稳定高效的进行微滴模式打印。外径240μm的打印针头,打印点精度可达15μm。  最后,采用该EHD打印系统在微热板上打印了具有立方块结构的Zn2SnO4/SnO2气敏材料。SEM表征结果表明材料可均匀覆盖在100um×100um的微热板中心加热区域。气敏测试结果表明打印制备的微热板气体传感器对甲醛表现出良好的气敏响应特性,测试了5ppm-70ppm甲醛浓度下的响应值、响应时间和恢复时间。  本打印系统能够实现微米级粒径纳米材料的打印。对于更大粒径的材料可选择尺寸更大的打印针头。有望在微电子器件精密加工领域发挥重要作用。
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