CN111505210A - 一种气体传感器芯片一体化微加工装置 - Google Patents

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Abstract

本发明属于气体传感器相关技术领域，并一种气体传感器芯片一体化微加工装置。该微加工装置集成激光刻蚀、紫外曝光和微喷成膜功能于一体，包括光学平台、激光器、吸附平台、曝光灯、微喷机构和滑移台，其中，光学平台是其它部件的载体；吸附平台用于放置待成形气体传感器的基片；滑移台具备X、Y和Z方向的自由度，用于吸附掩模版并将掩模版放置在吸附平台上的基片上；曝光灯用于对放置有掩模版的基片进行曝光；激光器用于对基片按照预设图案进行激光刻蚀；微喷机构用于在待成形气体传感器上成型气敏膜。通过本发明，解决了传统方式制造气体传感器需要一系列复杂设备的问题，减少了因为人为操作带来的误差，改善气敏传感器的一致性。

Description

一种气体传感器芯片一体化微加工装置
技术领域
本发明属于气体传感器相关技术领域，更具体地，涉及一种气体传感器芯片一体化微加工装置。
背景技术
气体传感器作为传感器类型中不可忽视的一员，在人们的日常生活中有着十分广泛地应用。近年来，传感器更多地与人工智能、物联网等领域结合在一起，将气体传感器应用于智能终端是发展的主流趋势。为满足这一需求，气敏传感器必须往微型化、集成化、批量化生产发展。
微电子机械系统(MEMS,Micro-Electro-Mechanical-Systems)指可批量制作的，将微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、直至接口、通信和电源等集成于一块或多块芯片上的微型器件或系统。基于MEMS技术可制造能应用于智能终端的气体传感器。但利用MEMS技术制造气体传感器需要一套系列化的装备和平台，其中包括光学刻蚀、激光刻蚀、物理沉积等。这些装备及平台成本昂贵、体积庞大且不易维护，此外利用这些平台制造气体传感器，相应的制造工艺流程并不连贯，相应的成本十分高昂，不利于大批量生成。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种气体传感器芯片一体化微加工装置，该气体传感器微加工平台集成了激光刻蚀、紫外曝光、微喷成膜和高精度丝印功能，解决了传统方式制造气体传感器需要一系列复杂设备的问题，同时该平台的功能都是通过操作电脑实现，减少了因为人为操作带来的误差，因此很大程度上改善了所制备的气敏传感器的一致性。
为实现上述目的，按照本发明，提供了一种气体传感器芯片一体化微加工装置，该微加工装置集成激光刻蚀、曝光和微喷功能于一体，包括光学平台、激光器、吸附平台、曝光灯、微喷机构和滑移台，其中，
所述光学平台是其它部件的载体，作为加工平台；所述吸附平台用于放置待成形气体传感器的基片，该吸附平台具备X、Y和Z方向的自由度，用于改变所述基片的位置；所述滑移台具备X、Y和Z方向的自由度，用于吸附掩模版并将掩模版放置在所述吸附平台上的基片上；所述曝光灯用于对放置有掩模版的基片进行曝光；所述激光器用于对所述基片按照预设图案进行激光刻蚀；所述微喷机构用于在待成形气体传感器上成型气敏膜；
所述微喷机构包括支架和设置在该支架上的注射器夹持模块、气压输入接口和电机，所述注射器夹持模块上设置有多个注射器，所述气压输入接口设置在每个注射器的上端，与外接的气压输入机构连接，用于给所述注射器中的原料提供压力，每个注射器上方设置有电机，用于驱动注射器上下移动，该注射器还与电压输入机构连接，使得该注射器末端和所述吸附平台上基片之间形成电场，该微喷机构中的原料在所述压力和电场的作用下，滴落在所述基片上，以此进行气敏膜的成型。
进一步优选地，所述微加工装置上还包括印刷网版，当不适应用所述微喷机构进行气敏膜成型时，采用该印刷网版成型气敏膜。
进一步优选地，所述滑移台上还设置有丝印刮刀，在采用印刷网版成型气敏膜时将气敏浆料铺展在所述印刷网版上。
进一步优选地，所述滑移台上还设置有封装吸嘴，用于将所述基片从所述吸附平台中取出。
进一步优选地，所述吸附平台中设置有电磁阀，用于吸附和固定放置在所述吸附平台上的基片。
进一步优选地，所述激光器上设置有第一摄像头，用于观察并校准所述基片在所述吸附台上的位置，所述滑移台上设置有第二摄像头和第三摄像头，所述第二摄像头用于观察并协助调整掩模版放置在所述基片上，所第三摄像头用于观察所述微喷机构的注射器注射的位置。
进一步优选地，所述激光器上设置有第一高度传感器，用于激光光刻是的定位，所述滑移台上设置有第二高度传感器，用于定位掩模版的高度，以确保在掩模版吸嘴在吸附掩模版时该掩模版正好被所述掩模版吸嘴吸紧。
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，具备下列有益效果：
1.本发明的气体传感器微加工装置的微喷机构采用“喷”代替“滴”，即采用电压输入、气压输入和玻璃针头以及气密微量注射器相结合来定量微喷，从而实现气敏材料在电极层上的沉积，微“喷”孔孔径在10-100μm范围，可解决现有微滴技术在成膜方法中出现的无法滴定粘稠浆料的问题，可以实现尺寸不大于1μm颗粒的纳米气敏原材料的nL级定量微喷；
2.本发明的气体传感器芯片微加工装置集成了激光刻蚀、紫外曝光、3D微喷和高精度丝印的功能，实现了气体传感器制造流程的一体化，大大减少了气体传感器的加工周期，可批量化生产气体传感器；
3.本发明的气体传感器芯片加工平台中涉及到的基片定位以及图形的对准均由电脑控制校准，因此很大程度上避免了人为造成的误差，使得气敏传感器的一致性、选择性以及功耗都有很好的保证。
附图说明
图1是按照本发明的优选实施例所构建的气体传感器芯片一体化微加工装置立体结构示意图；
图2是按照本发明的优选实施例所构建的气体传感器芯片一体化微加工装置侧示意图；
图3是按照本发明的优选实施例所构建的激光器结构示意图；
图4是按照本发明的优选实施例所构建的滑移台正视图；
图5是按照本发明的优选实施例所构建的滑移台右视图；
图6是按照本发明的优选实施例所构建的微喷机构的结构示意图；
图7是按照本发明的优选实施例所构建的微加工装置的工作控制图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
1-光学平台，2-激光器，3-吸附平台，4-曝光灯，5-微喷机构，6-滑移台，7-支架，8-注射器夹持模块，9-气压输入接口，10-电机，11-注射器，12-印刷网版，13-丝印刮刀，14-封装吸嘴，15-掩模版吸嘴，16-第一摄像头，17-第二摄像头，18-第三摄像头，19-第一高度传感器，20-第二高度传感器，21-网板支架。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1和2所示，一种气体传感器芯片一体化微加工装置，其包括激光器2、光学平台1、吸附平台3、曝光灯4、微喷机构5、印刷网版。
光学平台1是整个操作台的承载桌面，该光学平台1结构厚重扎实能满足防震、防撞、稳定的要求，同时光学平台1台面有间25cm*25cm的螺纹孔可以实现选用部件的精准定位限位固定。
吸附平台3是内置有电磁阀的试样台，可通过控制电磁阀的通断来控制对基片的吸附，同时，该试样台包括沿直角坐标系x、y和z三个方向的导轨，可通过控制伺服电机来控制试样台在三维方向上的移动。
曝光灯4具有方盒结构，方盒的顶部为曝光灯4灯珠及其散热结构，散热片底部固定有曝光灯4灯珠，其表面固定有散热风扇，方盒底部为凸透镜及其固定结构，使得曝光灯4发射出平行光。
如图6所示，微喷机构5包括六路可上下移动的针管夹持模块，可通过控制步进电机来控制移动高度，微喷机构5包括支架7和设置在该支架7上的注射器夹持模块8、气压输入接口9和电机10，注射器夹持模块8上设置有多个注射器11，气压输入接口9设置在每个注射器11的上端，与外接的气压输入机构连接，用于给注射器11中的原料提供压力，每个注射器11上方设置有电机10，用于驱动注射器11上下移动，该注射器11还与电压输入机构连接，使得该注射器11末端和吸附平台3上基片之间形成电场，该微喷机构5中的原料在压力和电场的作用下，滴落在基片上，以此进行气敏膜的成型。
首先根据要实现的激光刻蚀功能，如图3所示，对激光器2进行了设计，在激光器2上固定了第一高度传感器19和第一摄像头16，第一摄像头用于观察基片的位置，第一高度传感器19用于激光光刻时的精准定位，此外考虑到在刻蚀期间基片本身要保持不动但又要根据与激光器2的相对位置调整位置，因此设计了吸附平台3，一种内置电磁阀具有吸附功能的三维滑台，通过将激光器2和基片吸附平台3结合，对基片进行精确定位的激光刻蚀，具体包括划片以及打孔；
其次，根据要实现的紫外曝光功能，设计了曝光灯4、滑移台6(三维滑台)，如图4和5所示，其中滑移台6上设置有掩模版吸嘴15、第二高度传感器20、第二摄像头17，掩模版吸嘴15用于将掩模版吸附后放置在基片上，第二摄像头17用于确认掩模版图案是否在基片正确位置上，通过曝光灯4、滑移台6以及吸附平台3的配合工作，实现了对基片的准确曝光，将掩模版上的图形转移到基片表面的同时为后续的磁控溅射电极层做好准备；
再者，根据气体传感器芯片成型中要实现的微喷成膜功能，设计了六路微喷机构5，一种每路夹持了注射单元可由步进电机控制可上下移动的装置，通过六路微喷机构5、设置在滑移台6上的第三摄像头18、滑移台6以及吸附平台3、气压/电压输入模块，第三摄像头18用于确定玻璃针头与基片的相对位置，并观察为微喷成膜的情况，实现了多路微喷阵列成膜功能，具体指将预制的浆料通过电流体喷印的方式沉积在基片的电极层；
此外，根据要实现的高精度丝印功能，设计了印刷网板固定单元即网板支架21，用于放置印刷网板，并在滑移台6上设置了印刷刮刀，通过印刷网板、印刷刮刀13、滑移台6以及吸附平台3的相互配合，实现了高精度丝网印刷功能，能够将高粘度浆料以丝网印刷的方式沉积在基片电极层，丰富了本平台的成膜方式；
最后，根据要实现的自动封装功能，设计了封装吸嘴14，其作用将加工后的基片即芯片移动到其他工作台上，将芯片与气体传感器中的其他组件进行封装，实现气体传感器的封装。
如图7所示，按照本发明的一个实施例，基于气体传感器芯片微加工装置制造气体传感器芯片的运行过程主要为：
PC端控制软件运行发出信号，信号调理控制电路接收该信号并驱动控制器使控制器完成相应指令，吸附平台3、滑移台6和微喷机构5上的步进电机、电磁阀和气压/电压输入单元按相应指令运行。
气体传感器芯片在本发明提供的装置中进行加工的过程为：将基片旋涂一层光刻胶，然后将旋涂有光刻胶的基片放在吸附平台3上，滑移台6吸附掩模版，将掩模版放置在基片上，吸附平台3移至曝光灯4下，曝光150-200s，使得光刻胶发生反应，将曝光后的基片从吸附平台3中取出后显影，磁控溅射镀电极；然后，将表面溅射有电极的基片放回吸附平台3中，利用激光器2进行激光刻蚀，在基片上除电极以外的地方上刻蚀形成镂空的结构，形成镂空的目的在于，后续使用芯片时对电极的加热的热量集中在电极处，而不是分散在整个基板上；最后，微喷机构5在电极上进行微喷成膜，将镀膜后的基片放在吸附平台3上并移动到微喷机构5下方，向预装有气敏浆料的注射器中通入气压，在注射器尖端部分接入电压并移动吸附平台3，气敏浆料会喷印在金属电极的插齿部分，至此完成芯片的制备，利用封装吸嘴14将该芯片取出，之后与气体传感器的其他组件组装后后的所需的气体传感器。
上述只是本发明提供的一个实施例中利用本发明的微加工装置进行加工的工艺过程，对于其他的实施例，可根据对工艺顺序进行调整和组合，并不仅仅限于本发明中的实施例。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种气体传感器芯片一体化微加工装置，其特征在于，该微加工装置集成激光刻蚀、紫外曝光和微喷成膜功能于一体，包括光学平台(1)、激光器(2)、吸附平台(3)、曝光灯(4)、微喷机构(5)和滑移台(6)，其中，
所述光学平台(1)是其它部件的载体，作为加工平台；所述吸附平台(3)用于放置待成形气体传感器的基片，该吸附平台(3)具备X、Y和Z方向的自由度，用于改变所述基片的位置；所述滑移台(6)具备X、Y和Z方向的自由度，用于吸附掩模版并将掩模版放置在所述吸附平台(3)上的基片上；所述曝光灯(4)用于对放置有掩模版的基片进行曝光；所述激光器(2)用于对所述基片按照预设图案进行激光刻蚀；所述微喷机构(5)用于在待成形气体传感器上成型气敏膜；
所述微喷机构(5)包括支架(7)和设置在该支架(7)上的注射器夹持模块(8)、气压输入接口(9)和电机(10)，所述注射器夹持模块(8)上设置有多个注射器(11)，所述气压输入接口(9)设置在每个注射器(11)的上端，与外接的气压输入机构连接，用于给所述注射器(11)中的原料提供压力，每个注射器(11)上方设置有电机(10)，用于驱动注射器(11)上下移动，该注射器(11)还与电压输入机构连接，使得该注射器(11)末端和所述吸附平台(3)上基片之间形成电场，该微喷机构(5)中的原料在所述压力和电场的作用下，滴落在所述基片上，以此进行气敏膜的成型。
2.如权利要求1所述的一种气体传感器芯片一体化微加工装置，其特征在于，所述微加工装置上还包括印刷网版(12)，当不适应用所述微喷机构(5)进行气敏膜成型时，采用该印刷网版成型气敏膜。
3.如权利要求2所述的一种气体传感器芯片一体化微加工装置，其特征在于，所述滑移台(6)上还设置有丝印刮刀(13)，在采用印刷网版(12)成型气敏膜时将气敏浆料铺展在所述印刷网版(12)上。
4.如权利要求1所述的一种气体传感器芯片一体化微加工装置，其特征在于，所述滑移台(6)上还设置有封装吸嘴(14)，用于将所述基片从所述吸附平台(3)中取出。
5.如权利要求1所述的一种气体传感器芯片一体化微加工装置，其特征在于，所述吸附平台(3)中设置有电磁阀，用于吸附和固定放置在所述吸附平台(3)上的基片。
6.如权利要求1所述的一种气体传感器芯片一体化微加工装置，其特征在于，所述激光器(2)上设置有第一摄像头(16)，用于观察并校准所述基片在所述吸附台上的位置，所述滑移台(6)上设置有第二摄像头(17)和第三摄像头(18)，所述第二摄像头(17)用于观察并协助调整掩模版放置在所述基片上，所第三摄像头(18)用于观察所述微喷机构(5)的注射器注射的位置。
7.如权利要求1所述的一种气体传感器芯片一体化微加工装置，其特征在于，所述激光器(2)上设置有第一高度传感器(19)，用于激光光刻是的定位，所述滑移台(6)上设置有第二高度传感器(20)，用于定位掩模版的高度，以确保在掩模版吸嘴在吸附掩模版时该掩模版正好被所述掩模版吸嘴吸紧。
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