材料沉积喷墨打印及
涂层系统解决方案

新闻资讯

为推动多种溶液法加工及纳米材料沉积喷墨打印技术在印刷电子和生物等科学研究及工业领域的应用和发展而不懈努力。

喷墨打印用于集成凹槽悬臂谐振式气体传感器的传感层沉积

发布时间:2022-10-28
发布人:

介绍

随着科技的进步和时代的发展,越来越多的化学和生物传感器被要求在气体或液体环境中使用,在存在干扰化合物的情况下,要求传感器的功耗降低但对 低浓度目标分析物的灵敏度还需提高。由于对悬臂传感器的设计和理论有很全面的了解,且其制造工艺相对成熟,测量谐振传感器的频率位移所需的接口电路已经成熟,并有充分的记录;分子都具有质量,这使得可以用质量敏感的方法来检测任何目标物种,故基于悬臂的传感器是一种具有吸引力的技术。但对特定分析物的检测可能会因化学干扰的存在而变得复杂,对 低浓度的准确检测会受到环境噪声和传感器固有的检测限(LOD)的限制。为了解决化学干扰、噪声和LOD这三个难题,可以通过改进化学敏感吸附层来同时解决,化学敏感吸附层通常应用于质量敏感的悬臂式传感器的表面。

经研究可知,在整个悬臂梁结构上添加一个均匀应用的吸附层会显著降低器件的机械和电气特性,故研究者们进一步研究,将吸附剂层限制在梁尖端附近,以提供在高应变区保持(硅)梁所需的机械性能且保持Q因子的数量级。喷墨打印已被证明是一种实现局部聚合物沉积的方法,将吸附剂聚合物溶解在相容的溶剂中,然后通过压电喷墨打印技术沉积到基板上。

D. S. Gottfried等研究者们提出了在平面内弯曲模式下共振的硅锤头悬臂的头部区域中形成集成凹槽结构,吸附剂膜通过喷墨打印系统(MicroFab Jetlab Ⅱ)沉积,并定位在凹槽结构中,与悬臂支撑梁的高应变区域相距很远,这个创新用于在空气中运行的谐振器中,可在显著降低Q因子退化的情况下改善沉积的吸附剂膜的质量。

icsens.2013.jpg

icsens.20131.jpg

▲ 图1(a)总厚度为12µm的未涂覆锤头谐振器和蚀刻到头部结构中的5µm凹槽的SEM显微照片,以及(b)通过喷墨打印用作为局部化学敏感膜的聚醋酸乙烯酯(PVAc)填充凹槽后的锤头谐器
如图1所示,研究中测试的锤头谐振器包括一个半圆形头部,其内径和外径分别为100µm和200µm,由宽45µm和长100µm长的悬臂梁支撑。在其支撑端,每个锤头结构都有嵌入式硅电阻器,用于电热激励和平面内弯曲振动的压阻检测。由于头部区域的大表面积增加了粘性阻尼,锤头传感器在平面外模式下表现出相对较低的Q因子,但在平面内弯曲模式下操作设备,会随着粱有效地穿过周围介质而提高Q因子。
使用反应离子刻蚀技术,将一个大约5μm深的凹槽蚀刻到硅锤头的头部区域,后者的标称厚度为9-12μm(图1)。当谐振腔质量减小时,凹槽实际上略微降低了平面内模式的Q因子。使用喷墨打印(MicroFab Jetlab®Ⅱ)用吸附聚合物层填充选定谐振器凹槽,再将包含8个凹式谐振器的芯片安装到双列直插式封装中。溶剂与聚合物的质量比、喷嘴孔直径、喷嘴的压电参数和维持时间时等各种参数都会影响沉积薄膜的精度和质量,在凹部的不同位置沉积大量液滴,让其蒸发,然后再沉积,直到凹部完全填满。
icsens.20132.jpg
▲ 图2 具有5µm凹槽的9µm厚锤头谐振器的有限元模态分析


使用有限元分析(COMSOL Multiphysics)对集成凹槽结构对器件性能的影响进行建模。模拟表明,将5µm集成凹槽结构引入到未涂覆的9µm厚锤头装置中,导致锤头装置的预期基本面内共振频率为489kHz(图2)。模拟进一步表明,由于吸附剂聚合物层的增加质量,PIB在凹陷结构中的局部沉积导致谐振频率下降至450kHz。模拟数据与实验结果对比得出,凹陷的9μm锤头结构在涂覆前的平面内共振频率约为483kHz。通过喷墨打印局部沉积5μm的PIB,使共振频率降低到445kHz。在涂覆7µm PVAc的器件的情况下,模拟得到的平面内共振频率为420kHz,而测量频率为410kHz(见图3)。


icsens.20133.jpg
▲ 图3
有限元模拟也证实了凹槽将聚合物限制在远离微观结构的应变区域的区域内(见图2中的应力分布)。尽管不是所有的表面积都涂有聚合物,但硅局部被聚合物取代这一事实提高了凹入装置的重量灵敏度。同时,局部聚合物沉积提高了空气中的Q因子,而且灵敏度和Q因子的提高都有望在化学传感中产生更好的检测限。
将未涂覆的凹入式锤头装置的传输特性与具有喷墨印刷涂层的凹入装置的传输特征进行比较(图3),并与具有喷涂吸附层的非凹入装置进行比较,实验结果证明,在整个谐振器结构(包括支架附近的高应变区域)上均匀沉积,会导致聚合物周期性变形引起的阻尼,导致量子因子降解一个数量级。通过喷墨打印具有局部聚合物沉积的集成凹槽结构,显著降低了涂层器件的Q因子,局部5µm PIB膜导致Q因子下降约40%,而7µm PVAc膜导致Q因数下降甚至仅约1.5%,数据证实,将聚合物沉积限制在远离支撑梁的高应变区域,使得相对厚的吸附剂层能够应用于装置。
icsens.20134.jpg
▲ 图4
在开环表征后,将吸附剂涂层传感器作为化学传感器进行评估。将涂层谐振器嵌入放大反馈回路,并交替暴露在定制气体装置中交替暴露在纯氮载气和规定浓度的挥发性有机化合物(挥发性有机物)中。如图4,显示了PIB涂层谐振器对不同浓度甲苯的频率响应。从基线频率数据(见图4中的 后500秒)中,使用艾伦方差法提取了2×10-8的短期频率稳定性。对测量的频率数据进行分析表明,传感器与甲苯浓度呈线性响应(如图5),使用观察到的甲苯的化学灵敏度为0.5Hz/ppm,艾伦方差为2×10-8,装置的检测限可低于1ppm。结果还表明即使对于相对较厚的聚合物薄膜,传感器的响应也是完全可逆的,时间常数远低于1分钟。
icsens.20135.jpg
▲ 图5



结论

介绍了一种用于吸附剂聚合物层局部沉积的具有集成凹区的质量敏感化学传感器平台的设计、模拟和表征,证明了喷墨打印提供局部聚合物沉积的潜力。提出的集成凹槽提供了将吸附层限制在远离支撑束高应变区域的能力,这在Q因子降低方面比均匀涂层器件具有明显的优势,并最终转化为增强的化学灵敏度和分辨率。未来将研究传感器阵列的涂层和操作的可能性,每个传感器阵列都有独特的吸附层,目标是在存在化学干扰的情况下可靠地检测气相或液相中的目标分析物。


参考文献:

[1] C. Carron, P. Getz, J.-J. Su, D.S. Gottfried, O. Brand, F. Josse, S.M. Heinrich (2013). [IEEE 2013 IEEE Sensors - Baltimore, MD, USA (2013.11.3-2013.11.6)] 2013 IEEE SENSORS - Cantilever-based resonant gas sensors with integrated recesses for localized sensing layer deposition. , (), 1–4.


____________________________________________________________________________________________________________________________

p.s.为保持服务的专业性及稳定性,烦请通过以下方式与睿度光电联系,咨询邮箱:service@rd-mv.com,电话:+86-21-51816409。非常感谢您的关注,期盼与您合作并探索更多可能。