Inkjet printing of ZnO nanoparticles for gas and humidity sensors

In recent years, inkjet printing was found to be an attractive technology for a wide variety of applications due to its simplicity, low-cost and scalability of production. Among all the possible applications is that of flexible chemoresistive gas and humidity sensors. In this work, a ZnO nanoparticles-based ink has been prepared starting from the formulation of the dispersion. It has been shown that the nanoparticles dispersion can be synthetized with physical properties suitable to have a precise and high-quality print. Several prints have been done with this dispersion to establish the influence that the substrate properties have on the printed film and to investigate the ZnO-printed pattern morphology. The optimized nanoparticles dispersion has then been used to print with the inkjet technology the active film of a fully inkjet-printed flexible humidity sensor with electrodes based on silver over a polyimide substrate and of a gas sensor with platinum contacts over an alumina substrate. In conclusion, the flexible humidity sensor produced has been tested, and its performances have been characterized in terms of calibration curve and response time by mounting it inside a humidity chamber and by measuring its electrical resistance variations with respect to a change of the humidity level. Even for the gas sensor some preliminary tests have been done to evaluate the performances by mounting it in an electronic nose.

In questi anni, l’inkjet printing si è rivelata essere una tecnologia interessante per una grande varietà di applicazioni grazie alla sua semplicità, al suo basso costo e alla sua scalabilità di produzione. Tra tutte le possibili applicazioni vi è quella dei sensori chemoresistivi flessibili per gas e umidità. In questo lavoro è stato preparato un inchiostro a base di nanoparticelle di ZnO a partire dalla formulazione della dispersione. Si è dimostrato che è possibile sintetizzare una dispersione di nanoparticelle con proprietà fisiche adatte ad avere una stampa precisa e di alta qualità. Diverse stampe sono state fatte con questa dispersione per stabilire l’influenza che hanno le proprietà del substrato flessibile sul film stampato e per studiare la morfologia del pattern di ZnO stampato. La dispersione di nanoparticelle ottimizzata è stata poi utilizzata per stampare con la tecnologia inkjet il film attivo di un sensore flessibile di umidità prodotto completamente tramite inkjet con gli elettrodi a base di argento sopra un substrato di polimmide e di un sensore di gas con contatti di platino su un substrato di allumina. Per concludere, il sensore flessibile prodotto è stato testato, e le sue performance sono state analizzate in termini di curva di calibrazione e di tempo di risposta montandolo all’interno di una camera di umidità e misurando le variazioni della sua resistenza elettrica con il cambiamento del livello di umidità. Anche per il sensore di gas sono stati fatti alcuni test preliminari per valutare le prestazioni montandolo all’interno di un naso elettronico.