SENSOR ACTUAT B

由于其非接触、数字化性质和在非共形表面上沉积的能力，AJD是开发所提出的芯片上打印传感器技术的理想工艺。然而，尽管AJD提供了优点，但是在克服预封装IC的非保形和复杂的形貌方面存在许多挑战。这些包括仔细控制多个工艺参数以在相对粗糙的表面和陡峭的壁上保持轨迹一致性。

实验

材料

使用商用纳米颗粒银墨水TPS 35 HE（Clariant Produkte（Deutschland）GmbH）沉积叉指电极结构。以1：3体积份的比率用去离子水稀释此墨水且在不使用时在4 ℃下储存。

使用的集成电路是MCP 300110位模数转换器（MicrochipTechnology Inc.，USA），采用标准窄SOIC-8基底面封装。

传感器设计和制造

使用AJ 300气溶胶喷射沉积系统（Optomec Inc.，USA）。芯片器件上上打印的传感器由叉指电极结构组成，该结构上覆盖有特定于预期应用的活性传感材料。叉指电极结构通过气溶胶喷射沉积法（AJD：Aerosol Jet Deposition）沉积在集成电路的顶面上，并包括在封装的边缘上延伸并延伸到IC的所需引脚上的互连。对于本应用，打印传感器与IC的引脚2和引脚4接触。单个电极设计为长2.2mm，宽100μm，间距100μm。选择叉指式设计以为传感器提供最大的有效活性面积，并且对于该应用，测量为2.7mm × 2.3mm。叉指式电极结构包括多个叉指式电极和两个互连。每个互连提供将叉指电极连接到IC的所需引脚的通道。考虑到这些互连的功能，它们被设计为具有150μm的宽度，以在芯片封装的边缘上保持高导电性。

图1. 显示在集成电路上制造叉指型电极结构的气溶胶喷射沉积工艺的示意图。

图2. 传感器的3D分解图，显示了气溶胶喷射沉积的叉指电极结构和Nafion®层。

传感器操作和测量

图3. MCP3001电路示意图（a）带可变电阻器和（b）带打印传感器。

图4. 用于测量片上打印传感器器件对湿度变化的响应的实验装置。

打印参数的优化

通过调节关键工艺参数来控制沉积的墨水量以及沉积质量，所述关键工艺参数包括：雾化器和鞘气的流速、载物台移动的速度和所用的通道数。

图5. 不同工艺参数对沉积质量的影响（a）优化聚焦比，（b）喷嘴内湍流导致的低质量线，以及（c）过高雾化器流量导致的过度沉积。

图6. 气溶胶喷射参数的优化（a）示出了以2mm/s沉积在玻璃衬底上的10m宽的线（比例尺为20m），（b）用于产生较宽线的平行线填充图案，和（c）沉积在芯片表面上的交叉指型电极结构（比例尺为300m）。

叉指电极结构的表征

图7. (a)照片显示了在芯片表面上的气溶胶喷射沉积的叉指电极结构。

芯片上打印传感器装置的湿度响应

图8. 从40% RH到80% RH和返回到40% RH的5个周期中测量的打印芯片传感器器械的滞后。Vss = 5 V，Vref = 1 V，R1 = 10 M。

图9. 从40% RH至80% RH和返回至40% RH测量5个周期的打印型片上传感器器械的重复性特征。Vss = 5 V，Vref = 1 V，R1 = 10 M。

图10. 以10% RH步进增量从40% RH到80% RH再回到40% RH测量的打印芯片传感器的响应。Vss = 5 V，Vref = 1 V，R1 = 10 MΩ。

原文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0925400517315095

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