CN111791623A - 一种喷墨打印制备气体传感器阵列的方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种喷墨打印制备气体传感器阵列的方法，其特征在于，所述方法至少包括：基于喷头的孔径调制与所述喷头的孔径适配的导电墨水的物理性质参数和/或金属氧化物颗粒悬浮液的物理性质参数：在以喷墨打印的方式在传感器阵列基底上制备至少一个叉指电极的过程中，基于预设的喷头电压脉冲时序图微调脉冲电压变化参数以控制液滴喷射参数，将所述导电墨水按照预设的间隔打印在传感器阵列基底上；在所述叉指电极图案挥发成膜后，在相应的叉指电极图案上打印优化后的金属氧化物颗粒悬浮液从而形成气敏薄膜。本发明通过调制与孔径适配的导电墨水和金属氧化物颗粒悬浮液，能够获得打印稳定性更高的液滴，避免卫星滴和拉丝现象。

Description

一种喷墨打印制备气体传感器阵列的方法及装置
技术领域
本发明属于传感器装置技术领域，尤其涉及一种喷墨打印制备气体传感器阵列的方法及装置。
背景技术
传统的金属氧化物气体传感器由于对多种气体存在交叉响应，因而具有较差的气体选择性，容易受干扰气体影响。将有差异的多个金属氧化物气体传感器作为多个传感像素集成到传感器阵列中，可根据阵列中传感器的差异性响应生产对不同气体或混合气体的响应模式，利用模式识别算法或神经网络，可有效分辨不同气体，及检测混合气体中各组分的浓度。传感器阵列并非简单将多个传感器放置在一起，未来的技术发展趋势更在于传感器阵列的简单制备，与高度集成。
现有的气体传感器多为平面结构，通过将叉指电极(Finger Electrode)或源漏电极对(Source-Drain Electrode Pair)集成在单块基底上，并通过溅射(Sputter)、蒸镀(Evaporation)、滴涂(Drop Casting)、旋涂(Spin Coating)的方式沉积气体传感器材料，配合打线接合等方式，可将传感器的信号引出至芯片载体上。目前沉积传感器薄膜的方式中，溅射与蒸镀所需时间较长，难以快速制备传感器阵列，且对基底的耐热性及耐真空性有所要求，虽然可在微米尺度上沉积材料，但需要配合由上至下(Top-down)的微米特征制备流程(包含光刻，刻蚀等方式)，总体成本较高；旋涂可以制备较为均匀的薄膜，对基底没有要求，但同时难以在同一基底上制备不同传感器，也难以制备微米级尺寸的传感器像素；滴涂具有快速制备不同特性的传感器阵列的优点，对基底没有要求，但由于滴液装置的最小体积限制，同样难以制备微米级尺寸的传感器像素。
喷墨打印是一种材料节约型沉积技术，用于打印的油墨可以是溶解或分散在溶剂中的液相材料。其工作原理是：墨水腔收到突然的压电作用，导致腔室的体积减小，墨水从腔内喷出，之后墨水在重力与空气阻力的作用下喷射压降到撞击的基材上，在获得的动量作用下扩散，随着表面张力辅助流沿着表面流动，墨滴通过溶剂蒸发干燥后形成要打印的图案。喷墨打印技术可控制液滴大小至滴涂装置的百万分之一，能够实现微米尺寸的传感器像素快速与均匀制备。同时对于基底材料几乎没有限制，可在硅片，陶瓷片，玻璃片，甚至透明树脂材料上制备传感器。由于属于增材制造(Additiveanufacturing)的范畴，不需要额外的特征制备流程。而墨盒可任意装配不同的金属氧化物悬浮液，可用于制备传感器阵列。特别地，喷墨打印也可打印导电墨水，制备叉指电极，从而实现从电极到材料的增材制造。基于其上述优点，使得喷墨打印技术逐渐应用于气体传感器的制备中。
例如，中国专利CN107202823B公开了一种喷墨印刷制备微电极阵列传感器的方法，其中微电极阵列传感器由工作电极、对电极和参比电极组成，其中工作电极由基底层、工作电极金电极层、工作电极印刷银电极层、电极防水层和生物敏感层构成，对电极由对电极金电极层、对电极印刷银电极层和对电极防水层构成，参比电极由参比电极金电极层、参比电极印刷银电极层和参比电极防水层构成，通过喷墨印刷方法制备，本发明所得微电极阵列传感器可以作为DO传感器，温度传感器，pH传感器和电导率传感器应用于废水处理领域中，对多种水质参数进行实时检测。微电极阵列传感器结构紧凑，尺寸较小，其具备精度高，响应快，制备过程简单，可控性强且成本低廉的优势。该传感器阵列适用于水质参数的传感和探测。现有技术中还不具有喷墨打印的用于气体探测的传感器阵列。
公开号为CN108490043A的专利文献，其公开了一种气体传感器及其制备方法，气体传感器以柔性材料为衬底、纳米碳材料为气敏材料、微阵列电极为电极层；通过刮涂气敏材料水性分散液实现了气体传感器中气敏材料层制备工艺的简化、快速大面积制备，同时避免了现有技术中喷涂、旋涂等工艺造成的材料浪费，降低了成本；通过喷墨打印制备微阵列电极可实现电极图案的任意定制，从而增大传感器的电流响应，使传感器具有较高的灵敏度，与现有技术中光刻、蒸镀法等电极制备工艺相比，具有简单易操作、成本低、利于大规模制备的特点。但是，该专利文献同样难以制备微米级尺寸的传感器像素。
此外，一方面由于对本领域技术人员的理解存在差异；另一方面由于发明人做出本发明时研究了大量文献和专利，但篇幅所限并未详细罗列所有的细节与内容，然而这绝非本发明不具备这些现有技术的特征，相反本发明已经具备现有技术的所有特征，而且申请人保留在背景技术中增加相关现有技术之权利。
发明内容
如本文所用的词语“模块”描述任一种硬件、软件或软硬件组合，其能够执行与“模块”相关联的功能。
针对现有技术之不足，本发明提供一种喷墨打印制备气体传感器阵列的方法，其特征在于，所述方法至少包括：基于喷头的孔径调制与所述喷头的孔径适配的导电墨水的物理性质参数和/或金属氧化物颗粒悬浮液的物理性质参数。本发明通过调制与孔径适配的导电墨水和金属氧化物颗粒悬浮液，能够获得打印稳定性更高的液滴，避免卫星滴和拉丝现象。
在以喷墨打印的方式在传感器阵列基底上制备至少一个叉指电极的过程中，基于预设的喷头电压脉冲时序图微调脉冲电压变化参数以控制液滴喷射参数，将所述导电墨水按照预设的间隔打印在传感器阵列基底上。本发明通过脉冲电压来调节液滴的初速度和滴落频率，从而能够更好地实现在基底上的叉指电极的打印间隔和打印速度。
在所述叉指电极图案挥发成膜后，在相应的叉指电极图案上打印优化后的金属氧化物颗粒悬浮液从而形成气敏薄膜。通过调制好的金属氧化物颗粒悬浮液来进行打印，结合脉冲时序，能够更好地实现气敏薄膜的均匀性和稳定性，制造气体传感器阵列的效率更高，次品率低。
优选的，基于喷头的孔径调制导电墨水的物理性质参数的步骤包括：基于喷头的孔径、待调制的导电墨水的密度和打印稳定性参数Z确定导电墨水的表面张力和粘稠度的调制范围，其中，
Figure BDA0002594798490000031
γink为墨水的表面张力，ρ为导电墨水的密度，η为墨水粘稠度，D为喷头的孔径，Z的范围为1～12。通过打印稳定性的计算以及调制物理性质参数的计算，能够有目标地调制液滴的物理性质参数，获得具有稳定性的气体传感器阵列的打印材料。
优选的，基于喷头的孔径调制导电墨水的物理性质参数的步骤还包括：以加入有机溶剂的方式对待调制的导电墨水的表面张力和粘稠度进行调制，直至导电墨水的表面张力和粘稠度达到对应的调制范围。对市售的导电墨水进行调制，有利于缩短调制时间，提高调制效率，从而快速得到性质稳定的导电墨水，更有利于气体传感器阵列生产的效率的提高。
优选的，优化用于制备气敏薄膜的金属氧化物颗粒悬浮液的物理性质参数的步骤包括：将至少一种金属氧化物纳米颗粒分散至异丙醇与仲丁醇按照一定配比混合的混合溶液中，加入定量的聚乙烯吡咯烷酮以调节金属氧化物颗粒悬浮液的粘稠度，其中，所述金属氧化物颗粒悬浮液的粘稠度范围基于喷头的孔径、金属氧化物颗粒悬浮液的密度和打印稳定性参数Z确定。优化能够减少液滴的调制步骤，方法简易，恒有利于操作人员的实施，也有利于提高属氧化物颗粒悬浮液的生产效率。
优选的，调制用于制备气敏薄膜的金属氧化物颗粒悬浮液的物理性质参数的步骤包括：
将乙酸锌酒精溶液配置为预设浓度并进行超声分散，
将乙酸锌酒精溶液在一定温度的水浴环境中搅拌加热，
在乙酸锌酒精溶液冷却至室温后，加入定量的氢氧化钠酒精溶液并搅拌，
在加入0.1-1mL的油酸后，进行离心并用酒精清洗至少一次，
将清洗后的乙酸锌酒精溶液重新分散到异丙醇与仲丁醇的混合溶液中，加入适量聚乙烯吡咯烷酮以调节粘稠度。通过调制金属氧化物颗粒悬浮液，能够获得与喷墨打印设备喷头孔径相适配的悬浮液，有利于获得打印稳定性更好的悬浮液，从而使得打印的气敏薄膜能够独立设置，不具有拉丝、黏连的打印现象，提高气体传感器阵列的气敏薄膜的敏感度。本发明能够进一步大幅度降低气体传感器阵列生产的不合格率。
优选的，所述方法还包括：
印刷有叉指电极图案的传感器阵列基底在惰性气体中以一定的温度加热一定时间，从而挥发成膜。有利于叉指电极的快速生成，避免与后续的气敏薄膜产生混合效应，提高产品的生产效率。
优选的，所述方法还包括：在相应的叉指电极上打印所述金属氧化物颗粒悬浮液后，传感器阵列基底在惰性气体中以200-400摄氏度高温处理至少一个小时。有利于气敏薄膜的快速生成，提高产品的生产效率。
本发明还提供一种基于气体传感器阵列的喷墨打印装置，其特征在于，所述装置至少包括具有脉冲压电调节组件的喷墨打印设备，喷墨打印设备设置有其物理性质参数与喷头的孔径适配的导电墨水和/或金属氧化物颗粒悬浮液；在以喷墨打印的方式在传感器阵列基底上制备至少一个叉指电极的过程中，所述喷墨打印设备基于导入的叉指电极图案和预设的喷头电压脉冲时序图微调脉冲电压变化参数以控制液滴喷射参数，将所述导电墨水按照预设的间隔打印在传感器阵列基底上；在所述叉指电极图案挥发成膜后，喷墨打印设备在相应的叉指电极图案上打印优化后的金属氧化物颗粒悬浮液从而形成气敏薄膜。本发明的喷墨打印装置，使得气体传感器阵列中的叉指电极和气敏薄膜具有清晰的打印区域，在打印液稳定性稿的情况下，避免打印区域之间由于液滴拉丝引起的打印误差现象，从而减少电路短路或者信号传输紊乱的现象，能够得到敏感度高、探测率高的气体传感器阵列。优选的，基于喷头的孔径调制导电墨水的物理性质参数的步骤包括：
本发明的基于气体传感器阵列的喷墨打印装置，与喷头的孔径适配的导电墨水的物理性质参数的调制方法包括：
基于喷头的孔径、待调制的导电墨水的密度和打印稳定性参数Z确定导电墨水的表面张力和粘稠度的调制范围，其中，
γink为墨水的表面张力，ρ为墨水的密度，η为墨水粘稠度，D为喷头的
Figure BDA0002594798490000051
孔径，Z的范围为1～12。
本发明的基于气体传感器阵列的喷墨打印装置，与喷头的孔径适配的导电墨水的物理性质参数的调制方法包括：以加入有机溶剂的方式对待调制的导电墨水的表面张力和粘稠度进行，直至导电墨水的表面张力和粘稠度达到对应的调制范围。本发明对市售的导电墨水进行直接调制，有利于缩短调制时间，提高调制效率，从而快速得到性质稳定的导电墨水，更有利于气体传感器阵列生产的效率的提高。
附图说明
图1是本发明的喷头的工作状态的脉冲电压示意图；
图2是本发明的喷墨打印装置的局部结构示意图。
附图标记列表
10：导电墨水；20：喷头；30：液滴；40：压电转换器；50：基底；60：脉冲电压。
具体实施方式
下面结合附图进行详细说明。
叉指电极是如指状或梳状的面内有周期性图案的电极，这种电极被用来产生与可穿透材料样品和敏感涂层的电场相关的电容。
本发明提供一种喷墨打印制备气体传感器阵列的方法，本发明还提供一种基于气体传感器阵列的喷墨打印制备装置。
实施例1
本发明提供一种喷墨打印制备气体传感器阵列的方法，所述方法至少包括：
S1：基于喷头的孔径调制与所述喷头的孔径适配的导电墨水的物理性质参数和/或金属氧化物颗粒悬浮液的物理性质参数。
S2：在以喷墨打印的方式在传感器阵列基底上制备至少一个叉指电极的过程中，基于预设的喷头电压脉冲时序图微调脉冲电压变化参数以控制液滴喷射参数，将所述导电墨水按照预设的间隔打印在传感器阵列基底上。
S3：在所述叉指电极图案挥发成膜后，在相应的叉指电极图案上打印优化后的金属氧化物颗粒悬浮液从而形成气敏薄膜。
本发明中的导电墨水主要作用为制备叉指电极，为后续气敏薄膜提供导电通道。优选的，导电墨水一般选择商用的银墨水。银纳米颗粒的浓度在25-40％，颗粒大小在50-100nm。银墨水的选择需要注意其粘稠度以及表面张力与喷墨打印机喷头相匹配。喷墨打印设备优选为材料喷墨打印机。例如，喷墨打印设备优选为DMP2800材料喷墨打印机
本发明基于喷头的孔径调制导电墨水的物理性质参数的方法为：基于喷头的孔径、待调制的导电墨水的密度和打印稳定性参数Z确定导电墨水的表面张力和粘稠度的调制范围。其中，打印稳定性参数为：
Figure BDA0002594798490000071
γink为墨水的表面张力，ρ为墨水的密度，η为墨水粘稠度，D为喷头的孔径，Z的范围为1～12。优选的，Z的范围为1～10。Z在1～12之间时，可减少打印过程中较长的丝状物的形成，减少离散型的液滴的出现。
在Z的数值范围中，若Z值接近或小于1，代表墨水过浓而无法被喷射出来；若Z值接近或大于10，大量细小的离散型液滴会伴随着主液滴一起喷射出来从而降低打印的分辨率。
例如，导电墨水的Z值范围优选为2～5，有利于保证打印的稳定性，提高电极打印精度，防止相邻的电极因为离散型导电液滴而造成短路。
金属氧化物颗粒悬浮液的Z值范围优选为2～8，有利于防止悬浮液过浓而堵塞喷头，同时适中的浓度可保证高通量快速打印，实现氧化物颗粒在传感区域的均匀覆盖。
例如，喷头孔径D为21.5um，墨水的粘稠度需为8-12mPa*s，表面张力为28-33mN/m，墨水密度为1g/cm3进行举例，计算获得Z为2.5，代表该性质的墨水可以实现稳定打印。相应地，对于不同孔径喷头的喷墨打印设备，可以根据Z设计验证墨水的各项物理性质。在已知喷头孔径的情况下，只要调制后的导电墨水的打印稳定性在1～10范围内，则导电墨水能够用来进行打印。
优选的，本发明还可以根据界面张力比值计算公式判断液滴的速度。界面张力比值是导电墨水的粘稠力与表面张力之间的比值，反映了分散相流体受界面张力影响的程度，能够预测两相流中发生形变以及破裂的可能性。
Figure BDA0002594798490000072
N表示界面张力比值，ν表示为液滴的速度。N≥1，导电墨水的稳定性较佳，液滴不会由于初速度过小受到气流干扰从而沉积在错误的位置。
因此，结合打印稳定参数的计算公式和界面张力比值公式的共同计算，能够获得具有打印稳定性的液滴的粘稠度和表面张力的准确范围，甚至能够计算液滴的速度范围，有利于调制出打印稳定性更佳的导电墨水和金属氧化物颗粒悬浮液。
在导电墨水与喷墨打印设备的喷头孔径不适配的情况下，以加入有机溶剂的方式对待调制的导电墨水的表面张力和粘稠度进行调制，直至导电墨水的表面张力和粘稠度达到对应的调制范围，使得导电墨水的物理性质参数与喷头孔径相适配，提高打印的稳定性。
本发明的叉指电极参数示例为：叉指宽度100um，相邻叉指间距50um，指数量10对，电极厚度500nm-1um。
本发明的叉指电极的打印步骤包括：
S11：将预设的叉指电极图案导入喷墨打印机程序中。
S12：设置喷头电压脉冲时序图。喷头电压脉冲时序图的示例如图1所示。
S13：按照预设的液滴间距，在传感器阵列基底上打印一遍叉指电极图案，打印过程中传感器阵列基底保持常温。优选的，液滴间距优选为25um，有利于液滴不黏连，使得打印的叉指电极图案清晰，不模糊，导电性能好。传感器阵列基底优选为陶瓷、聚对苯二甲酸乙二酯或聚酰亚胺。
S14：在叉指电极打印完毕后，将传感器阵列基底在惰性气体中以一定摄氏度加热一定时间，促进导电墨水挥发成膜。
优选的，打印完毕后，将传感器阵列基底在惰性气体中60摄氏度加热30分钟促进导电墨水挥发成膜。在该温度参数和时间参数，导电墨水挥发速度快，挥发时间短，并且不影响叉指电极的物理性质，形成的叉指电极图案不变形比较稳定，导电性也不会降低。
如1所示是粘稠度为8mPa*s、表面张力为33mN/m的导电墨水的喷头的电压脉冲时序图。图1是工作状态的脉冲电压时序图。
优选的，脉冲幅值优选为22V。当脉冲小于22V后液滴飞行速度急剧减小。在压电脉冲设置为22V使既能够满足稳定喷射有能够保证液滴具有一定初速度，满足喷墨打印的需要。优选的，脉冲幅值还可以大于22V。在压电脉冲大于22V时，液滴的体积和速度也比较稳定。
如图1所示，喷头喷射单滴导电墨水的工作状态，完整的一次喷射需时24.32us。首先电压下降至0V，压电元件归回原位，墨水被吸入与喷头相连的腔体内。在5.888us时电压匀速上升，上升至最大幅值开始维持电压不变，此时墨水被从腔体推出至喷头外。从12.032us开始电压逐级下降以防止空气回吸，首先下降至第二梯度电压为最大幅值的40％时保持不变。在18.176us电压从第二梯度电压下降至第一梯度电压即最大幅值的25％并维持至24.32us，液滴比较干净地与喷头分离。对于不同粘稠度或表面张力的导电墨水，通过微调电压上升沿的上升速度，最终达到设定的电压大小与持续时间。或者微调电压下降时的速度与大小等参数，从而获得较好的液滴喷射效果，使得液滴落在传感器阵列基底上时彼此不连续，获得准确间隔距离，不具有多余液滴溢出的叉指电极。例如，在溶液过于黏稠时，可适当加快电压上升沿速度，延长峰值电压的时间等，使得液滴快速滴落进行打印。
如图1所示，在喷头关闭状态，喷头的电压维持在最大幅值的25％左右且保持不变。本发明中的最大幅值，不局限于22V，也可以是根据实际情况设置的其他脉冲幅值。
本发明调制用于制备气敏薄膜的金属氧化物颗粒悬浮液的步骤以氧化锌量子点分散液的制备步骤为例。
S21：将乙酸锌酒精溶液配置为预设浓度并进行超声分散。优选的，乙酸锌的浓度为20-40mg/mL。
S22：将乙酸锌酒精溶液在一定温度的水浴环境中搅拌加热。优选的，将乙酸锌酒精溶液在80度水浴环境中搅拌加热2小时。水浴环境有利于温度环境稳定。此步骤中温度不限于80度，可以是60度～90度之间。
S23：在乙酸锌酒精溶液冷却至室温后，加入定量的氢氧化钠酒精溶液并搅拌。例如加入5-10mL的0.5-1M浓度的氢氧化钠酒精溶液，搅拌10分钟，有利于形成氧化锌量子点。
S24：在加入0.1-1mL的油酸后，进行离心并用酒精清洗至少一次。优选的，加入0.1-1mL的油酸后，进行离心并用酒精清洗2-3次，更有利于提高氧化锌量子点的纯度。
S25：将清洗后的乙酸锌酒精溶液重新分散到异丙醇(Isopropanol)与仲丁醇(2-Butanol)的混合溶液中，加入适量聚乙烯吡咯烷酮(Polyvinylpyrrolidone)以调节粘稠度，使得氧化锌量子点分散液的粘稠度、表面张力与喷头的孔径匹配。优选的，异丙醇(Isopropanol)与仲丁醇(2-Butanol)的混合比例为9:1。
优选的，金属氧化物颗粒悬浮液不局限于用乙酸锌酒精溶液进行调制，只要是含有锌盐的前驱体溶液都可以用来替换乙酸锌酒精溶液。
优选的，金属氧化物颗粒悬浮液不局限于用氢氧化钠酒精溶液进行调制，只要是碱性前驱体溶液都可以用来替换氢氧化钠酒精溶液。
优选的，优化用于制备气敏薄膜的金属氧化物颗粒悬浮液的步骤包括：
将至少一种金属氧化物纳米颗粒分散至异丙醇与仲丁醇按照一定配比混合的混合溶液中，
加入定量的聚乙烯吡咯烷酮以调节金属氧化物颗粒悬浮液的粘稠度，其中，
所述金属氧化物颗粒悬浮液的粘稠度范围基于喷头的孔径、金属氧化物颗粒悬浮液的密度和打印稳定性参数Z确定。
对于不同的金属氧化物颗粒悬浮液，其表面张力及粘稠度需要在悬浮液制备阶段完成优化，与喷头适配。在实际打印过程中，所有优化后的悬浮液具有相差较小的表面张力和粘稠度，都可使用相同的电压脉冲进行打印。
具体地，金属氧化物颗粒悬浮液除上述氧化锌量子点分散液外，可直接购买直径在100nm以内的各种金属氧化物纳米颗粒(包括氧化锡、氧化铟、氧化铟锡、氧化锌、氧化钛等)，重新分散到异丙醇(Isopropanol)与仲丁醇(2-Butanol)的混合溶液中(9：1),加入适量聚乙烯吡咯烷酮(Polyvinylpyrrolidone)以调节粘稠度，使得金属氧化物颗粒悬浮液粘稠度、表面张力与喷头的孔径匹配。
在相应的叉指电极上打印所述金属氧化物颗粒悬浮液后，传感器阵列基底在惰性气体中以200-400摄氏度高温处理至少一个小时。如此设置，有利于金属氧化物颗粒悬浮液的快速挥发。该温度也不会破坏叉指电极的稳定性。优选的，在相应的叉指电极上打印金属氧化物颗粒悬浮液后，在惰性气体中以200-400摄氏度高温处理2个小时后，金属氧化物颗粒悬浮液形成气敏薄膜，完成传感器的制备。
实施例2
本发明还提供一种基于气体传感器阵列的喷墨打印装置，所述装置至少包括具有脉冲压电调节组件的喷墨打印设备。其中，喷墨打印设备设置有其物理性质参数与喷头的孔径适配的导电墨水和/或金属氧化物颗粒悬浮液。
如图2所示，所述喷墨打印设备的喷头20设置有压电转换器40。压电转换器40按照脉冲时序图调节脉冲电压60的变化。喷头内设置有用于引入导电墨水10或金属氧化物颗粒悬浮液的通道。导电墨水在与脉冲电压变化关联的情况下形成滴落速度可调的液滴30。液滴30滴落在传感器阵列基底上，形成按照预设的间隔排布的叉指电极。
其中，在打印之前，向喷墨打印设备导入导电墨水和预设的脉冲时序图。
在以喷墨打印的方式在传感器阵列基底上制备至少一个叉指电极的过程中，所述喷墨打印设备基于导入的叉指电极图案和预设的喷头电压脉冲时序图微调脉冲电压变化参数以控制液滴喷射参数，使得液滴的滴落速度与传感器阵列基底的移动速度相适配。将所述导电墨水按照预设的间隔打印在传感器阵列基底上。
在所述叉指电极图案挥发成膜后，喷墨打印设备的喷头导入调制好的与喷头的孔径适配的金属氧化物颗粒悬浮液。在相应的叉指电极图案上打印优化后的金属氧化物颗粒悬浮液，从而金属氧化物颗粒悬浮液挥发形成气敏薄膜。
本发明中，基于喷头的孔径调制导电墨水的物理性质参数的步骤包括：
基于喷头的孔径、待调制的导电墨水的密度和打印稳定性参数Z确定导电墨水的表面张力和粘稠度的调制范围。其中，
Figure BDA0002594798490000111
γink为墨水的表面张力，ρ为墨水的密度，η为墨水粘稠度，D为喷头的孔径，Z的范围为1～12。
优选的，基于喷头的孔径调制导电墨水的物理性质参数的步骤还包括：
以加入有机溶剂的方式对待调制的导电墨水的表面张力和粘稠度进行，直至导电墨水的表面张力和粘稠度达到对应的调制范围。
在叉指电极打印完成后，调制好的金属氧化物颗粒悬浮液的种类不限于一种，可以是多种。在气敏薄膜的打印过程中，金属氧化物颗粒悬浮液滴落按照预设的打印间隔滴落，金属氧化物颗粒悬浮液的间隔范围包括至少一个叉指电极。即同一种金属氧化物颗粒悬浮液之间存在一个叉指电极。在滴落两次不同种类的金属氧化物颗粒悬浮液后，传感器阵列基底上的至少两种气敏薄膜形成交错设置。同样地方式，喷墨打印设备能够在传感器阵列基底的叉指电极上打印多种不同分布形式的多种气敏薄膜，从而形成能够同时探测多种气体成分的传感器阵列。
优选的，在喷墨设备打印过程中，叉指电极和气敏薄膜的排布可以为矩阵阵列排布，也可以是打印距离相等的圆阵列排布、错位阵列排布等若干阵列。
优选的，叉指电极之间的距离可以是等距设置，也可以是非等距设置。
本发明通过导电墨水和金属氧化物颗粒悬浮液的物理性质参数的调制，使得液滴的打印稳定性较好。本发明的基于气体传感器阵列的喷墨打印装置，能够通过脉冲时序图以及脉冲参数微调来调节液滴的滴落速度，使得导电墨水不与喷头黏连，减少打印过程中较长的丝状物的形成，减少离散型的液滴的出现。从而液滴按照一定的滴落速度进行喷射，使得打印后的气体传感器阵列的导电线路清晰，气敏薄膜分布均匀，得到的气体传感器阵列的传感灵敏度高，能够更快地探测到气体成分。
需要注意的是，上述具体实施例是示例性的，本领域技术人员可以在本发明公开内容的启发下想出各种解决方案，而这些解决方案也都属于本发明的公开范围并落入本发明的保护范围之内。本领域技术人员应该明白，本发明说明书及其附图均为说明性而并非构成对权利要求的限制。本发明的保护范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种喷墨打印制备气体传感器阵列的方法，其特征在于，所述方法至少包括：
基于喷头的孔径调制与所述喷头的孔径适配的导电墨水的物理性质参数和/或金属氧化物颗粒悬浮液的物理性质参数：
在以喷墨打印的方式在传感器阵列基底上制备至少一个叉指电极的过程中，基于预设的喷头电压脉冲时序图微调脉冲电压变化参数以控制液滴喷射参数，将所述导电墨水按照预设的间隔打印在传感器阵列基底上；
在所述叉指电极图案挥发成膜后，在相应的叉指电极图案上打印优化后的金属氧化物颗粒悬浮液从而形成气敏薄膜。
2.根据权利要求1所述的喷墨打印制备气体传感器阵列的方法，其特征在于，基于喷头的孔径调制导电墨水的物理性质参数的步骤包括：
基于喷头的孔径、待调制的导电墨水的密度和打印稳定性参数Z确定导电墨水的表面张力和粘稠度的调制范围，其中，
γink为墨水的表面张力，ρ为导电墨水的密度，η为墨水粘稠度，D为喷
Figure FDA0002594798480000011
头的孔径，Z的范围为1～12。
3.根据权利要求2所述的喷墨打印制备气体传感器阵列的方法，其特征在于，基于喷头的孔径调制导电墨水的物理性质参数的步骤还包括：
以加入有机溶剂的方式对待调制的导电墨水的表面张力和粘稠度进行调制，直至导电墨水的表面张力和粘稠度达到对应的调制范围。
4.根据权利要求2所述的喷墨打印制备气体传感器阵列的方法，其特征在于，优化用于制备气敏薄膜的金属氧化物颗粒悬浮液的物理性质参数的步骤包括：
将至少一种金属氧化物纳米颗粒分散至异丙醇与仲丁醇按照一定配比混合的混合溶液中，
加入定量的聚乙烯吡咯烷酮以调节金属氧化物颗粒悬浮液的粘稠度，其中，
所述金属氧化物颗粒悬浮液的粘稠度范围基于喷头的孔径、金属氧化物颗粒悬浮液的密度和打印稳定性参数Z确定。
5.根据权利要求2所述的喷墨打印制备气体传感器阵列的方法，其特征在于，调制用于制备气敏薄膜的金属氧化物颗粒悬浮液的物理性质参数的步骤包括：
将乙酸锌酒精溶液配置为预设浓度并进行超声分散，
将乙酸锌酒精溶液在一定温度的水浴环境中搅拌加热，
在乙酸锌酒精溶液冷却至室温后，加入定量的氢氧化钠酒精溶液并搅拌，
在加入0.1-1mL的油酸后，进行离心并用酒精清洗至少一次，
将清洗后的乙酸锌酒精溶液重新分散到异丙醇与仲丁醇的混合溶液中，加入适量聚乙烯吡咯烷酮以调节粘稠度。
6.根据权利要求1～5任一项所述的喷墨打印制备气体传感器阵列的方法，其特征在于，所述方法还包括：
印刷有叉指电极图案的传感器阵列基底在惰性气体中以一定的温度加热一定时间，从而挥发成膜。
7.根据权利要求6所述的喷墨打印制备气体传感器阵列的方法，其特征在于，所述方法还包括：
在相应的叉指电极上打印所述金属氧化物颗粒悬浮液后，传感器阵列基底在惰性气体中以200-400摄氏度高温处理至少一个小时。
8.一种基于气体传感器阵列的喷墨打印装置，其特征在于，所述装置至少包括具有脉冲压电调节组件的喷墨打印设备，
喷墨打印设备设置有其物理性质参数与喷头的孔径适配的导电墨水和/或金属氧化物颗粒悬浮液；
在以喷墨打印的方式在传感器阵列基底上制备至少一个叉指电极的过程中，所述喷墨打印设备基于导入的叉指电极图案和预设的喷头电压脉冲时序图微调脉冲电压变化参数以控制液滴喷射参数，将所述导电墨水按照预设的间隔打印在传感器阵列基底上；
在所述叉指电极图案挥发成膜后，喷墨打印设备在相应的叉指电极图案上打印优化后的金属氧化物颗粒悬浮液从而形成气敏薄膜。
9.根据权利要求8所述的基于气体传感器阵列的喷墨打印装置，其特征在于，与喷头的孔径适配的导电墨水的物理性质参数的调制方法包括：
基于喷头的孔径、待调制的导电墨水的密度和打印稳定性参数Z确定导电墨水的表面张力和粘稠度的调制范围，其中，
γink为墨水的表面张力，ρ为墨水的密度，η为墨水粘稠度，D为喷头的
Figure FDA0002594798480000031
孔径，Z的范围为1～12。
10.根据权利要求8所述的基于气体传感器阵列的喷墨打印装置，其特征在于，与喷头的孔径适配的导电墨水的物理性质参数的调制方法包括：
以加入有机溶剂的方式对待调制的导电墨水的表面张力和粘稠度进行，直至导电墨水的表面张力和粘稠度达到对应的调制范围。
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