協同精密微制造實現高性能陶瓷MEMS多通道氣體傳感陣列芯片

復雜環境氣體檢測亟需克服傳統半導體、電化學和光學傳感器局限性的先進技術。多傳感器陣列技術通過分析多個傳感單元的數據，可提高檢測精度和氣體識別范圍，微機電系統（MEMS）技術則能提供小型化、集成化和低功耗的優勢。然而，現有的硅基MEMS氣體傳感器面臨熱膨脹失配導致電極脫落、生產設備昂貴以及氣敏材料片上集成困難等挑戰，嚴重阻礙了其在石油石化工業等復雜嚴苛工業環境中的商業化應用進程。

近日，中國石油集團工程材料研究院趙宇鑫團隊與華中科技大學張順平團隊合作，開發出一種創新的集成微制造平臺，成功應用于高性能陶瓷MEMS氣體傳感器陣列芯片的制備。該平臺協同整合了紫外光刻、激光蝕刻和微噴涂沉積三項關鍵技術，顯著提升了制造過程的精度、可靠性和效率。平臺通過計算機控制的基底定位與圖案對準集成系統，最大限度減少了人為誤差，確保了大規模生產的一致性。研究團隊關鍵性地選用了氧化鋯陶瓷作為基底，其10.5×10^-6/K的熱膨脹系數與常用電極材料和氣敏材料更為匹配，有效解決了反復熱沖擊下薄膜脫落的難題。平臺的核心創新在于集成了氣助靜電微噴涂技術，該技術利用噴嘴與基底之間的強電場拉伸并沉積墨滴，能夠處理粘度范圍1~10000 mPa·s的納米氣敏材料墨水。相比傳統噴墨打印，靜電微噴涂能產生更精細的射流，實現約0.1微米的沉積厚度精度。結合激光直寫光聚合技術，該平臺可精確控制氣敏薄膜的形狀和尺寸至~1微米水平，有效克服了傳統噴墨打印中常見的噴頭堵塞和高粘度材料打印困難等瓶頸問題。