一种阵列式气敏膜及其并行制造方法

本发明属于电子元器件制造领域，具体涉及一种阵列式气敏膜及其并行制造方法。

背景技术：

1、金属氧化物气体传感器具有尺寸小、价格便宜、敏感性高、寿命长等特点，非常适用于大批量广泛应用的场景。目前金属氧化物气体传感器的气敏膜结构有单层、叠层和多层，组分以无机物为主。叠层和多层结构是在气敏膜上覆盖一层或者几层其它功能的膜，通过这层膜的催化、过滤等作用，增加气体传感器的稳定性或者选择性，比如隔绝灰尘和水分、提高抗硅氧烷稳定性、提高对特定气体的选择性等。同时，金属氧化物气体传感器的发展趋势是阵列式集成，即在一个器件上集成多个不同的气敏膜传感单元，可实现对复杂气氛的检测，因此需要实现气敏膜的叠层、并行成膜，但多种类型膜的叠层、并行制造，对成膜一致性和高效性要求较高。

2、目前mems器件的气敏膜成膜方法，主要采用压电或者静电喷膜的方法，主要流程是将气敏材料制作成粘度较低的浆料，通过压电驱动或者静电驱动的方式喷涂成膜。由于浆料喷涂后粘度较低，在溶剂挥发完全之前具有流动性，受表面张力、温湿度等因素的影响，其流延扩展尺寸具有不可控性，误差一般在数十微米级。同时压电、静电喷膜的喷嘴尺寸一般也在数十微米，因此其较难实现微米级长、宽、厚精度的成膜。同时在多种类型膜的叠层、并行制造中，这种误差会叠加，导致器件的一致性大幅降低。

技术实现思路

1、本发明的目的在于，克服现有技术的不足之处，提供一种阵列式气敏膜及其制造方法。该方法首次将气敏材料与光固化组分混合，制作成可光固化气敏浆料，通过雾化喷涂方法将浆料沉积在基板表面形成可光固化浆料膜并控制该可光固化浆料膜的厚度，再通过激光直写的方式，对可光固化浆料膜进行选择性光固化成型以控制膜的长宽尺寸精度，由此可在基板表面得到膜厚、长宽尺寸高一致性的气敏膜。

2、本发明首先提供一种阵列式气敏膜的并行制造方法，包括如下步骤：

3、s1:将可光固化组分、气敏材料和第一有机溶剂相混合制得可光固化气敏浆料；

4、s2:通过雾化喷涂装置将所述可光固化气敏浆料雾化成纳米级液滴，并将所述纳米级液滴沉积到基板表面同一平面上呈阵列式的多个成型区域中，形成具有预定厚度的多个可光固化气敏浆料膜；

5、s3:控制激光束按预定程序对所述多个成型区域中的所述多个可光固化气敏浆料膜进行选择性曝光、固化；

6、s4:将基板置于第二有机溶剂中溶解掉未固化部分，干燥、烧结去除有机物后在基板表面同时获得阵列式的多个气敏膜。

7、根据本发明的一个实施方式，步骤s1中的所述气敏材料为金属氧化物或具有另一金属掺杂/修饰/复合的金属氧化物，所述金属氧化物优选sno2、wo3、in2o3、zno、mno2、tio2、cuo、co3o4、nio、lafeo3、zn2sno4、moo2、cro3中的一种或多种，所述另一金属优选ru、pd或pt。

8、根据本发明的一个实施方式，所述可光固化组分包括光敏预聚体、活性稀释剂和光引发剂。

9、根据本发明的一个实施方式，所述光敏预聚体是丙烯酸酯化环氧树脂、不饱和聚酯或多硫醇-多烯体系光固化树脂中的一种，优选双酚a型环氧树脂、酚醛型环氧树脂、脂环族环氧树脂、脂肪族聚氨酯丙烯酸酯、芳香族聚氨酯丙烯酸酯中的一种；所述活性稀释剂是1,6-己二醇双丙烯酸酯、三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、二缩丙二醇双丙烯酸酯、三缩丙二醇双丙烯酸酯中的一种或多种；所述光引发剂是光引发剂184、光引发剂1173、光引发剂907、光引发剂819、光引发剂369、irgacure oxe 01、irgacure oxe 02、光引发剂itx中的一种。

10、根据本发明的一个实施方式，步骤s2中的所述基板是可加热的微热板。

11、根据本发明的一个实施方式，所述第一溶剂是异丙醇、无水乙醇、甲苯、二氯甲烷、乙腈、丙酮、吡啶、环己烷、正戊烷、乙醚中的一种；所述第二有机溶剂是无水乙醇、异丙醇、甲苯、二氯甲烷、乙腈、丙酮、吡啶、环己烷、正戊烷、乙醚中的一种。

12、根据本发明的一个实施方式，所述方法还包括：

13、s5：重复步骤s2-s4以在基板表面形成阵列式的多个多层膜。

14、根据本发明的一个实施方式，还包括步骤s6：

15、在形成所述多个多层气敏膜后，继续重复s1-s4，将s1中的气敏材料替换为催化材料，并相应地替换s3中所述预定程序包含的预设图形，在所述多个多层气敏膜上形成催化膜，以形成多个气敏-催化叠层膜；其中，在替换后的预定程序s3中，所述可光固化催化浆料膜预设图形的长宽厚尺寸均大于替换前光固化气敏浆料膜的预设图形。

16、根据本发明的一个实施方式，所述催化材料为金属催化剂、金属氧化物催化剂、金属硫化物催化剂、分子筛催化剂、非金属纳米催化剂或以上物质的组合物，所述金属催化剂、金属氧化物催化剂、金属硫化物催化剂、分子筛催化剂、非金属纳米催化剂优选pt、ptcu合金、al2o3、tio2、lacro3、zns、zsm-5、mcm-41、cnts，所述组合物优选ag与tio2的复合物、pt与al2o3的复合物、al2o3与zns的复合物、pt与fe2o3的复合物、ag修饰的分子筛zsm-5或pd修饰的分子筛mcm-41。

17、根据本发明的另一个方面，本发明还提供一种利用上述方法制造的气敏膜。

18、总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

19、1)本发明首次将光固化浆料雾化喷涂与激光直写成型相结合，可以高一致性制备气敏膜，基于光固化浆料雾化喷涂可以将气敏膜的厚度控制在1～10um，厚度误差控制在50nm，基于光固化浆料的激光直写成型，可以将气敏膜的膜长宽尺寸控制在10～1000um，膜长宽尺寸误差控制在2.5um以内，并且由于在基板上同时设置多个成型区域，利用激光直写的快速性以及雾化喷涂装置的自动化，可实现连续、高效生产；

20、2)本发明的方法基于浆料成分的多种选择以及基于重复雾化喷涂-激光直写的操作，可一次性制备出多种不同性能的单层、多层乃至叠层气敏膜，制得的气敏膜气敏响应性能好，该气敏膜可实现对复杂气氛的检测，并且即便多次重复叠加制造后仍能高度保持气敏膜的一致性。

技术特征：

1.一种阵列式气敏膜的并行制造方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤s1中的所述气敏材料为金属氧化物或具有另一金属掺杂/修饰/复合的金属氧化物，所述金属氧化物优选sno2、wo3、in2o3、zno、mno2、tio2、cuo、co3o4、nio、lafeo3、zn2sno4、moo2、cro3中的一种或多种，所述另一金属优选ru、pd或pt。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述可光固化组分包括光敏预聚体、活性稀释剂和光引发剂。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述光敏预聚体是丙烯酸酯化环氧树脂、不饱和聚酯或多硫醇-多烯体系光固化树脂中的一种，优选双酚a型环氧树脂、酚醛型环氧树脂、脂环族环氧树脂、脂肪族聚氨酯丙烯酸酯、芳香族聚氨酯丙烯酸酯中的一种；

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤s2中的所述基板是可加热的微热板。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一有机溶剂是异丙醇、无水乙醇、甲苯、二氯甲烷、乙腈、丙酮、吡啶、环己烷、正戊烷、乙醚中的一种；所述第二有机溶剂是无水乙醇、异丙醇、甲苯、二氯甲烷、乙腈、丙酮、吡啶、环己烷、正戊烷、乙醚中的一种。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，还包括步骤s6：

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述催化材料为金属催化剂、金属氧化物催化剂、金属硫化物催化剂、分子筛催化剂、非金属纳米催化剂或以上物质的组合物，所述金属催化剂、金属氧化物催化剂、金属硫化物催化剂、分子筛催化剂、非金属纳米催化剂优选pt、ptcu合金、al2o3、tio2、lacro3、zns、zsm-5、mcm-41、cnts，所述组合物优选ag与tio2的复合物、pt与al2o3的复合物、al2o3与zns的复合物、pt与fe2o3的复合物、ag修饰的分子筛zsm-5或pd修饰的分子筛mcm-41。

10.一种利用权利要求1-9任意一项所述方法制造的气敏膜。

技术总结
本发明属于电子元器件制造领域，具体涉及一种阵列式气敏膜及其并行制造方法，该方法首次将气敏材料与光固化组分混合，制作成可光固化气敏浆料，通过雾化喷涂方法控制光固化浆料膜的厚度，再通过激光直写的方式，高精度的对光固化浆料膜进行选择性光固化成型以控制膜的长宽尺寸精度，可在基板表面得到膜厚高一致性、长宽尺寸高一致性的气敏膜，该气敏膜气敏响应性能好，并且即便多次重复叠加制造后仍能高度保持一致性。本发明的制造方法工艺灵活性高、可重复性高、制造效率高，可一次性制备出性能要求多样的气敏膜，可满足对复杂气氛的检测。

技术研发人员：张顺平,雷鸣
受保护的技术使用者：华中科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15