Inkjet printing of sol-gel metal oxides for gas sensing applications

The aim of this thesis project was fabricating chemorestive gas sensors through inkjet printing of semiconductor metal oxides in the form of sol-gels; these sensors were then characterized and tested in the proper environment. Since Inkjet printing is a low cost, simple and very efficient technology to obtain high quality products in terms of precision, it was chosen as the method to deposit thin films of the selected active materials: zinc oxide (ZnO), tin oxide (SnO2), and titanium oxide (TiO2). These active materials were formulated through sol-gel solutions, which allowed to obtain inks suitable for jetting. At the end of the printing process, an annealing treatment was necessary to allow the evaporation of the solvent and obtain the metal oxide semiconductor active material layer on the substrate. Regarding the substrates employed to fabricate the sensors, two different approaches were evaluated: firstly, commercial alumina substrates with interdigitated electrodes were used (“Dropsense” substrates), which only required the active material application; secondly, a fully customized sensor was produced at the laboratory, starting from a thin alumina substrate onto which a pattern, characterized by the presence of a resistive heater and two electrodes, was obtained using a PVD process; the active material was then deposited in the desired zone. Characterization tests of the obtained sensors and sensing tests were carried out to see the effective properties and usability of the produced chemosensors. In particular, the sensor performances have been tested exploiting a system, called electronic nose, used for the recognition of gases and substances inside precise atmospheres.

Lo scopo di questo progetto di tesi era quello di realizzare sensori chemoresistivi, con il supporto dell’inkjet printing, per la rilevazione di gas e utilizzando, come materiali attivi, ossidi metallici semiconduttori. Una volta terminata la fase di fabbricazione, i sensori sono stati caratterizzati e testati nel corretto ambiente di lavoro. C’era la necessita di scegliere una tecnica di deposizione con un costo contenuto, semplice e soprattutto efficiente per realizzare prodotti di alta qualità, specialmente in termini di precisone, e l’inkjet-printing è stata selezionata come metodologia per realizzare film sottili dei materiali attivi desiderati: Zinco ossido (ZnO), Stagno ossido (SnO2), e ossido di Titanio (TiO2). Per poter effettuare il processo di stampa, sono stati ottenuti inchiostri dei suddetti ossidi metallici come soluzioni sol-gel, che hanno permesso di ottenere inchiostri adatti ad essere stampati. Una volta terminata la deposizione, si è reso necessario un trattamento di annealing per favorire l’evaporazione del solvente e ottenere sul substrato il film di materiale attivo. Per quanto riguarda i substrati utilizzati per la preparazione dei sensori, due differenti approcci sono stati adottati: inizialmente sono stati utilizzati dei substrati pre-fabbricati di allumina aventi elettrodi interdigitati di oro (substrati “Dropsense”) su cui è stato semplicemente depositato l’inchiostro di materiale attivo; secondariamente, è stato prodotto in laboratorio un sensore personalizzato, partendo da un substrato sottile di allumina sul quale si è cercato di replicare il pattern, caratterizzato dalla presenza di un riscaldatore resistivo e due elettrodi, utilizzando un processo di deposizione da vapore (PVD) e successivamente è avvenuta la deposizione del materiale attivo nel sito di interesse. Per verificare le effettive proprietà e l’usabilità dei sensori prodotti sono stati condotti test di caratterizzazione e di funzionamento sui sensori ottenuti. Nello specifico, le performance sono state testate grazie ad un sistema, chiamato naso elettronico, usato per il riconoscimento di gas e sostanze presenti all’interno di specifiche atmosfere.