具有三叠层结构的高精度陶瓷基叉指电极及其制造方法技术

本发明专利技术提供了一种具有三叠层结构的高精度陶瓷基叉指电极及其制造方法，对陶瓷衬底进行预处理；在预处理后的陶瓷衬底表面均匀涂铺一层牺牲层材料，并对涂铺牺牲层进行固化；根据设计的叉指电极的几何图案形状和参数，以高温导纳米导电银浆为打印材料，在陶瓷衬底涂铺铺的牺牲层之上打印叉指电极的导电芯层；进行预固化处理，并对陶瓷衬底及其牺牲层上的导电芯层，进行真空或者惰性气体氛围下的烧结处理，对烧结后的陶瓷基板叉指电极进行后处理；在叉指电极导电芯层之上沉积抗氧化层或者反应层；在抗氧化层或者反应层上沉积或者涂覆修饰层；对叉指电极进行后处理。本发明专利技术能实现超高精度陶瓷基叉指电极的高效和低成本制造。高精度陶瓷基叉指电极的高效和低成本制造。高精度陶瓷基叉指电极的高效和低成本制造。

【技术实现步骤摘要】
具有三叠层结构的高精度陶瓷基叉指电极及其制造方法


[0001]本专利技术属于微纳增材制造
，具体涉及一种具有三叠层结构的高精度陶瓷基叉指电极及其制造方法。

技术介绍

[0002]本部分的陈述仅仅是提供了与本专利技术相关的
技术介绍
信息，不必然构成在先技术。
[0003]叉指电极(微叉指电极)是指状或梳状的面内有周期性图案的电极，它是通过微纳制造工艺加工制备的超精细电路，其结构简单容易量产，尺寸小响应灵敏，且在检测中能快速建立稳定信号而被广泛应用于生物医疗、环境，土壤水质、食品安全，公共安全等领域的各类传感器和检测中。按照使用衬底的不同，叉指电极通常分为：陶瓷基叉指电极、柔性基材叉指电极、硅基叉指电极等。与其它类型的叉指电极相比，陶瓷基叉指电极具有许多独特的优势，适合高温、高压、强酸、强碱等极端环境下气体和液体电化学性能检测等。
[0004]随着对检测精度、灵敏度、响应速度、信噪比等要求越来越高，对于高精度陶瓷基叉指电极提出越来越高的要求，其要求叉指电极的指宽(线宽)、指距(间距)越来越小，指厚越来越大。不同于硅基、玻璃等衬底，陶瓷基衬底的表面通常较为粗糙，平整度较差。现有的微纳制造技术(薄膜技术、厚膜技术、激光直接成像LDI等)难以在陶瓷基材实现高精度(微细线宽和线距)、大厚度微细叉指电极的制造，尤其是对于线宽和线距小于30微米、电极厚度高于5微米高精度微细叉指电极，现有的技术完全无法实现高效和低成本制造。例如，传统丝网印刷技术属于厚膜电路工艺，其能够实现较大厚度叉指电极的制造，但是线宽和线距通常大于50微米，无法实现线宽和线距小于30微米高精度微细叉指电极的制造。
[0005]基于薄膜沉积、光刻和刻蚀的薄膜电路工艺，其能够实现超高精度(线宽和线距小于50纳米)叉指电极的制造，但是，电极的厚度通常是在几百纳米(最大是1微米)，即使后续通过电化学沉积/化学沉积等工艺，也难以实现5微米以上大厚度高精度叉指电极的制造。而且，其要求陶瓷衬底的表面平整度高，叉指电极的制造工艺复杂，成本高，周期长，生产环境苛刻(洁净、高温、真空等)，尤其是生产过程中还会产生三废，环境污染严重等难题。
[0006]综上，现有的陶瓷基叉指电极制造技术(诸如厚膜电路、薄膜电路、激光直接成型LDI、喷墨打印等)都还难以实现高精度和厚电极陶瓷基叉指电极制造，尤其是对于线宽和线距小于10微米、电极厚度高于10微米的超高精度微细叉指电极，都无法实现这种超高精度陶瓷基叉指电极制造。

技术实现思路

[0007]本专利技术为了解决上述问题，提出了一种具有三叠层结构的高精度陶瓷基叉指电极及其制造方法，三叠层结构包括导电芯层、抗氧化层以及表面修饰层，其中，导电芯层主要为叉指电极提供高精度、高导电性，同时也作为后续两层的母模；抗氧化层主要为导电芯层提供保护，满足高温高腐蚀等环境使用；修饰层为主要通过功能材料增大表面接触，进一步
提高叉指电极性能。本专利技术使用电场驱动喷射微纳3D打印技术，并结合化学沉积和电化学沉积等微纳增材制造技术，以及复合叉指电极的结构，能够实现高精度陶瓷基叉指电极制造，尤其是解决了超高精度(指宽和指距小于10微米、电极厚度大于10微米)陶瓷基叉指电极的高效和低成本制造。突破了现有陶瓷基叉指电极厚膜技术、薄膜技术的不足和局限性。
[0008]根据一些实施例，本专利技术采用如下技术方案：
[0009]一种具有三叠层结构的高精度陶瓷基叉指电极的制造方法，包括以下步骤：
[0010](1)对陶瓷衬底进行预处理；
[0011](2)在预处理后的陶瓷衬底表面均匀涂铺一层牺牲层材料，并对涂铺牺牲层进行固化；
[0012](3)根据设计的叉指电极的几何图案形状和参数，以高温导纳米导电银浆为打印材料，采用电场驱动喷射沉积微纳3D打印工艺，在陶瓷衬底涂铺铺的牺牲层之上打印叉指电极的导电芯层；
[0013](4)对于打印完成的陶瓷衬底牺牲层上的叉指电极导电芯层进行预固化处理，并对陶瓷衬底及其牺牲层上的导电芯层，进行真空或者惰性气体氛围下的烧结处理，去除牺牲层，以及叉指电极导电芯层中的有机溶剂，完成打印导电芯层导烧结电化处理；
[0014](5)对烧结后的陶瓷基板叉指电极进行后处理；
[0015](6)在叉指电极导电芯层之上沉积抗氧化层或者反应层；
[0016](7)在抗氧化层或者反应层上沉积或者涂覆修饰层；
[0017](8)对叉指电极进行后处理。
[0018]作为可选择的实施方式，所述步骤(1)中的预处理过程包括：采用物理抛光或化学方法，对陶瓷衬底的表面进行加工处理，降低陶瓷衬底的表面粗糙度，使陶瓷衬底的表面粗糙度优于设定值0.1微米，然后，通过超声清洗工艺去除陶瓷衬底表面的污物，最后，对陶瓷衬底进行烘干/氮气吹干处理。
[0019]作为可选择的实施方式，所述步骤(1)中，陶瓷衬底包括但不限于氧化铝、氧化铍、氮化硅、碳化硅和氮化铝；陶瓷基体的厚度10微米
‑
2000微米。
[0020]作为可选择的实施方式，所述步骤(2)中叉指电极的参数包括电极的指宽、指距、指长和指厚。
[0021]作为可选择的实施方式，所述步骤(2)中牺牲层材料包括但不限于如下材料中的一种：水性涂层液、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚乙烯醇(PVA)以及能够改善陶瓷表面质量并可以通过高温去除的材料。
[0022]作为可选择的实施方式，所述步骤(2)中涂铺牺牲层材料的方法包括但不限于以下工艺中的一种：旋涂、狭缝涂布、喷涂、提拉式涂膜、刮涂和流延涂布。
[0023]涂铺牺牲层的厚度是500纳米
‑
20微米；
[0024]牺牲层固化方式包括但不限于以下工艺的一种：加热固化、紫外固化、红外固化和激光固化。
[0025]作为可选择的实施方式，所述步骤(3)中电场驱动喷射沉积微纳3D打印工艺为接触式电场驱动喷射沉积微纳3D打印工艺、非接触式电场驱动喷射沉积微纳3D打印工艺或者单平板电极电场驱动喷射沉积微纳3D打印工艺。
[0026]作为可选择的实施方式，所述步骤(3)中，采用电场驱动喷射沉积微纳3D打印工艺
时，控制电场驱动喷射沉积微纳3D打印的打印工艺参数，对打印叉指电极精度、打印叉指电极形貌和质量进行精确控制，打印工艺参数至少包括：打印喷嘴的内径尺寸、电压、打印速度、打印高度和背压，根据打印材料和打印电路精度及形状，得到最优的打印工艺窗口。
[0027]作为进一步的，打印喷嘴的内径为1μm
‑
300μm；
[0028]打印电压为300V
‑
3000V；
[0029]打印速度为5mm/s
‑
100mm/s；
[0030]打印高度为50μm
‑
500μm；
[0031]背压为100kpa
‑
800kpa。
[0032]作为可选择的实施方式，所述步骤(4)中，打印叉指电极预固化包本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有三叠层结构的高精度陶瓷基叉指电极的制造方法，其特征是，包括以下步骤：(1)对陶瓷衬底进行预处理；(2)在预处理后的陶瓷衬底表面均匀涂铺一层牺牲层材料，并对涂铺牺牲层进行固化；(3)根据设计的叉指电极的几何图案形状和参数，以高温导纳米导电银浆为打印材料，采用电场驱动喷射沉积微纳3D打印工艺，在陶瓷衬底涂铺铺的牺牲层之上打印叉指电极的导电芯层；(4)对于打印完成的陶瓷衬底牺牲层上的叉指电极导电芯层进行预固化处理，并对陶瓷衬底及其牺牲层上的导电芯层，进行真空或者惰性气体氛围下的烧结处理，去除牺牲层，以及叉指电极导电芯层中的有机溶剂，完成打印导电芯层导烧结电化处理；(5)对烧结后的陶瓷基板叉指电极进行后处理；(6)在叉指电极导电芯层之上沉积抗氧化层或者反应层；(7)在抗氧化层或者反应层上沉积或者涂覆修饰层；(8)对叉指电极进行后处理。2.如权利要求1所述的一种具有三叠层结构的高精度陶瓷基叉指电极的制造方法，其特征是，所述步骤(1)中的预处理过程包括：采用物理抛光或化学方法，对陶瓷衬底的表面进行加工处理，降低陶瓷衬底的表面粗糙度，使陶瓷衬底的表面粗糙度优于设定值，然后，通过超声清洗工艺去除陶瓷衬底表面的污物，最后，对陶瓷衬底进行烘干/氮气吹干处理。3.如权利要求1或2所述的一种具有三叠层结构的高精度陶瓷基叉指电极的制造方法，其特征是，所述步骤(1)中，陶瓷衬底为氧化铝、氧化铍、氮化硅、碳化硅或氮化铝；或，陶瓷基体的厚度10微米
‑
2000微米。4.如权利要求1所述的一种具有三叠层结构的高精度陶瓷基叉指电极的制造方法，其特征是，所述步骤(2)中叉指电极的参数包括电极的指宽、指距、指长和指厚；或，所述步骤(2)中涂铺牺牲层材料的方法为旋涂、狭缝涂布、喷涂、提拉式涂膜、刮涂和流延涂布中的至少一种；或，牺牲层材料为水性涂层液、聚二甲基硅氧烷或聚乙烯醇；或涂铺牺牲层的厚度是500纳米
‑
20微米；或，牺牲层固化方式为加热固化、紫外固化、红外固化和激光固化中至少一种。5.如权利要求1所述的一种具有三叠层结构的高精度陶瓷基叉指电极的制造方法，其特征是，所述步骤(3)中电场驱动喷射沉积微纳3D打印工艺为接触式电场驱动喷射沉积微纳3D打印工艺、非接触式电场驱动喷射沉积微纳3D打印工艺或者单平板电极电场驱动喷射沉积微纳3D打印工艺。6.如权利要求1或5所述的一种具有三叠层结构的高精度陶瓷基叉指电极的制造方法，其特征是，所述步骤(3)中，采用电场驱动喷射沉积微纳3D打印工艺时，控制电场驱动喷...

【专利技术属性】
技术研发人员：兰红波，于志浩，张广明，朱晓阳，贺健康，许权，赵佳伟，
申请(专利权)人：青岛五维智造科技有限公司，
类型：发明
国别省市：