利用EHD噴印技術(shù)在MEMS器件上實(shí)現(xiàn)性能優(yōu)異的無掩膜沉積WO3膠體量子點(diǎn)

隨著新一代物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，氣體傳感器逐漸向小型化、低功耗以及芯片化發(fā)展。而傳統(tǒng)采用金屬氧化物構(gòu)建的半導(dǎo)體氣體傳感器存在制備和工作溫度高，與硅基工藝不兼容等問題，限制了其在高密度集成物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)中的應(yīng)用。

膠體量子點(diǎn)作為一種半導(dǎo)體納米晶，具有獨(dú)特的高表面活性以及量子限制效應(yīng)的物化特性，擁有室溫溶液處理的能力，更容易與硅基兼容。但隨著硅基板尺寸逐漸縮小，對敏感膜沉積的精度和工藝要求開始變高，目前常用于氣體傳感器的成膜技術(shù)包括濺射、低溫化學(xué)氣相沉積（CVD）、滴涂、旋涂、絲網(wǎng)印刷等。由于采用濺射法在真空環(huán)境下易形成不致密多孔結(jié)構(gòu)薄膜，低溫CVD法對材料的選擇存在局限性，滴涂法的成膜尺寸與百微米級硅基板不匹配，絲網(wǎng)印刷由于應(yīng)力問題會破壞硅基板結(jié)構(gòu)，因此需要開發(fā)一種低失配、低溫、高精度的膠體量子點(diǎn)薄膜沉積工藝，來實(shí)現(xiàn)氣體傳感器的芯片化。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，針對傳統(tǒng)成膜工藝無法實(shí)現(xiàn)在百微米級并且結(jié)構(gòu)懸空的MEMS基板上制備氣敏薄膜的問題，華中科技大學(xué)劉歡教授團(tuán)隊利用電流體動力學(xué)（EHD）噴印技術(shù)結(jié)合氧化鎢（WO3）膠體量子點(diǎn)進(jìn)行氣敏薄膜的無掩模沉積，在MEMS微熱板上制備出均勻致密的敏感薄膜，實(shí)現(xiàn)了高性能微型氣體傳感器的制備。相關(guān)研究成果已發(fā)表于《微納電子技術(shù)》期刊。

EHD噴印是近年來出現(xiàn)的一種新型增材制造技術(shù)，主要是基于外加電場誘導(dǎo)流體產(chǎn)生運(yùn)動，導(dǎo)致墨滴的拉伸和破裂，形成小于噴嘴直徑數(shù)量級的高分辨率圖形，因此可以對寬粘度范圍的材料以及低維納米顆粒進(jìn)行噴印。

考慮到EHD噴印過程受到諸多力的影響，研究人員采用了理論與實(shí)驗結(jié)合的方式，進(jìn)行錐射流穩(wěn)定性影響因素分析，并探究了電壓、表面張力以及粘性力對噴印的影響，進(jìn)而制備出符合要求的氣敏墨水。研究人員利用WCl6作為鎢源，乙醇作為氧源，油酸（OA）和油胺（OLA）有機(jī)物作為長鏈配體，在加熱條件下完成WO3膠體納米晶的成核與生長過程，使用高分辨率透射電子顯微鏡（HRTEM）觀察合成的WO3膠體納米晶，如圖1所示。采用能斯達(dá)電子MEMS微熱板作為氣體傳感器基板，目標(biāo)是在該區(qū)域上沉積半徑100 μm的敏感膜，器件如圖2所示。圖3顯示了利用EHD噴印技術(shù)在MEMS微熱板上噴印WO3量子點(diǎn)的過程，利用EHD噴印方法噴印的液滴準(zhǔn)確地沉積在叉指電極上，正好覆蓋在整個傳感區(qū)域，由膜形貌可知其具有良好的均勻性。

圖1 WO3膠體納米晶的HRTEM圖

圖2 MEMS氣體傳感器結(jié)構(gòu)

圖3 氣敏薄膜的制備過程及其SEM圖

研究人員將該MEMS氣體傳感器封裝后進(jìn)行氣敏性能測試，實(shí)驗結(jié)果表明，利用EHD噴印方法制備的WO3氣體傳感器的薄膜致密均勻，在150℃下功耗僅20 mW，對體積分?jǐn)?shù)5 × 10??的NO2的響應(yīng)值約為10，能實(shí)現(xiàn)體積分?jǐn)?shù)5 × 10?? ~ 1 × 10??的NO2檢測，檢測下限低至1.6 × 10??，具有優(yōu)異的氣敏性能。

圖4 MEMS氣體傳感器的氣敏性能測試結(jié)果

綜上所述，這項研究工作利用EHD噴印技術(shù)成功地在MEMS器件上實(shí)現(xiàn)了性能優(yōu)異的無掩膜沉積WO3膠體量子點(diǎn)。與傳統(tǒng)的材料制備方法如滴涂、濺射、靜電紡絲等相比，EHD噴印方法簡單，并且能適應(yīng)尺寸逐漸縮小的氣體傳感器基板，同時有望實(shí)現(xiàn)在傳感器陣列上集成多種膠體量子點(diǎn)氣敏材料，從而推動傳感器向集成化、智能化發(fā)展，更好地應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)、移動終端等。

審核編輯：彭菁