用于義齒的電容式壓力傳感器研究--張釗.doc

用于義齒的電容式壓力傳感器研究摘要: 本文介紹了一種以MEMS技術(shù)為基礎(chǔ)的基于義齒壓力檢測(cè)的MEMS電容式壓力傳感器的研制，它是以電容式壓力傳感器的原理為基礎(chǔ)，采用MEMS技術(shù)設(shè)計(jì)了用于義齒的電容式壓力傳感器，這是針對(duì)臨床醫(yī)療中新型MEMS壓力傳感器。關(guān)鍵詞： MEMS;壓力傳感器;義齒;一、引言近年來(lái)，隨著MEMS技術(shù)研究的進(jìn)一步發(fā)展和深入，MEMS器件在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)的應(yīng)用和研究越來(lái)越得到各國(guó)研究人員的重視。MEMS器件在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的次應(yīng)用是70年代，在血壓計(jì)中采用硅/石英微機(jī)械加工的壓力傳感器，在沒(méi)有使MEMS壓力傳感器前，血壓計(jì)的價(jià)格約為600美元，由于MEMS壓力傳感器的使用，使MEMS壓力傳感器、軟管和閥在內(nèi)的血壓計(jì)價(jià)格低于了10美元，安全可靠且一性使用，年產(chǎn)量達(dá)到17x106只，這種血壓計(jì)成為MEMS器件進(jìn)入醫(yī)療領(lǐng)域的成功范。另外，利用MEMS還能制作出智能型外科器械，減少手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)和時(shí)間，縮短病人康復(fù)時(shí)間，降低治療的費(fèi)用。Verimetra公司正在利用MEMS把現(xiàn)有手術(shù)器械轉(zhuǎn)變成智能型手術(shù)器械，可用于多種場(chǎng)合，包括小手術(shù)、腫瘤、神經(jīng)、牙科和胎兒心臟手術(shù)等。藥物注入是生物醫(yī)學(xué)MEMS另一個(gè)可能有巨幅增長(zhǎng)潛力的領(lǐng)域。根據(jù)現(xiàn)有的文獻(xiàn)檢索，在國(guó)內(nèi)，基于義齒壓力檢測(cè)方面的研究目前較少這方面的相關(guān)研究報(bào)道。在國(guó)外，從相關(guān)文獻(xiàn)來(lái)看，到目前為此，取得了一定的成績(jī)，但由于傳感器的限制，還是比較難準(zhǔn)確測(cè)量到義齒對(duì)口腔下方組織的作用力情況?；诹x齒對(duì)于粘膜及其下方組織作用力和作用時(shí)間直接影響到這些組織的健康，也就是說(shuō)直接影響到人體的健康，因此，目前國(guó)內(nèi)外口腔科研究人員在針對(duì)義齒的研究中，都希望能夠準(zhǔn)確的測(cè)量到義齒對(duì)于粘膜及其下方組織作用力的大小和力的作用力的分布情況。本文在MEMS傳感器用于義齒的壓力傳感器方向進(jìn)行了研究，具有一定的現(xiàn)實(shí)意義，同時(shí)拓展了MEMS傳感器在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。二、傳感器的設(shè)計(jì)本章簡(jiǎn)述了MEMS電容式壓力傳感器的工作原理，對(duì)傳感器硼硅膜的形狀選擇、受力分析進(jìn)行了討論，并通過(guò)ANSYS仿真，給出了00.67MPa(090psi)壓力范圍內(nèi)輸入壓力和電容的關(guān)系曲線;另外，結(jié)合義齒的形狀，設(shè)計(jì)了傳感器的整體結(jié)構(gòu)。2.1 MEMS電容式壓力傳感器的工作原理MEMS電容式壓力傳感器采用薄膜受力的變形來(lái)測(cè)定外界壓力的變化，具有良好的近似零的溫度系數(shù)，所采用的薄膜一般都在所在的邊緣上固定，這種薄膜結(jié)構(gòu)的電容可以使用平行板電容公式來(lái)對(duì)起始電容作粗略的計(jì)算。由此，根據(jù)間隙寬度的變化量d可求得電容變化量的C。式中為兩極板之間的介電常數(shù)，d為兩極板之間的距離，A為兩極板互相覆蓋的有效面積。電容式壓力傳感器工作原理是利用硅膜片在壓力的作用下產(chǎn)生變形，使得兩極板之間的距離發(fā)生變化，從而使電容產(chǎn)生變化，以此作為測(cè)量的基礎(chǔ)。電容式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖如圖21所示。傳感器功能部分是由下電極、絕緣層、上電極三部分組成的，其中下電極濺射在玻璃襯底上，上電極由硅上擴(kuò)散的硼硅膜組成，下電極上再生長(zhǎng)一層氧化硅的絕緣層。硼硅膜則是利用硅片的雙面光刻、擴(kuò)散和各向異性腐蝕技術(shù)等工藝來(lái)完成制作的。該電容式壓力傳感器的腔體是由硅一玻璃鍵合封接而成的，形成了具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的電容式壓力傳感器。電容器的兩平板間的距離可由硅片腐蝕的深度控制，硼硅膜片與玻璃電極之間的間隙較小，這使得電容式壓力傳感器靈敏度高。當(dāng)硼硅膜片受壓力作用時(shí)，硼硅膜將產(chǎn)生變形，則兩極板之間的距離將發(fā)生變化，如圖2-2所示。硼硅膜片變形后會(huì)引起電容量的變化，這樣，電容量的變化與壓力的變化產(chǎn)生特定的關(guān)聯(lián)，以此作為測(cè)量外界壓力的依據(jù)。當(dāng)對(duì)硼硅膜片施加壓力進(jìn)行測(cè)試時(shí)，電容的變化與被測(cè)壓力之間存在著一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。2.2 傳感器翻硅膜的選擇與受力分析對(duì)于MEMS電容式壓力傳感器的敏感單元，使用了硼硅膜作為傳感器的核心部分。主要因素為:一方面，在MEMS器件的許多壓力傳感器中，都選擇硼硅膜作為傳感器的傳感元，硼硅膜具有制作簡(jiǎn)單、安全和良好的機(jī)械特性等特性。另一方面，硼硅膜可以在各種硅的腐蝕液中達(dá)到自停止，它可以作為固態(tài)壓力傳感器和501結(jié)構(gòu)器件等硅薄膜的腐蝕邊界，由于其腐蝕精度高，腐蝕面平整被得到廣泛的使用。2.2.1 傳感器硼硅膜形狀的選擇電容式壓力傳感器膜片形狀有圓形膜片、矩形膜片和方形膜片，如圖23所示。最先使用的是圓形膜片結(jié)構(gòu)，后來(lái)由于各向異性腐蝕技術(shù)的發(fā)展，可以刻蝕出更薄的膜片而出現(xiàn)了方形或矩形膜片。這些比較薄的彈性膜片，其厚度一般為幾微米到幾十微米。圖23 各種形狀的圖片1、圓形膜片圓形膜片是最早使用的傳感器功能性膜片，其圓形膜片力學(xué)模型可以簡(jiǎn)化為周邊固支的圓形薄板，坐標(biāo)系建立在薄板的彈性曲面上，如圖2-3 (a)，圓形膜片的半徑為a，根據(jù)彈性力學(xué)，在均布?jí)毫下，板的撓度W的表達(dá)式其中2、矩形膜片對(duì)于寬度為2a，長(zhǎng)度為2b的矩形膜片，如圖2-3 (b)，在b2a的條件下，膜上各點(diǎn)的撓度W符合經(jīng)典的格拉格拉索夫公式，當(dāng)坐標(biāo)原點(diǎn)取在膜片中心時(shí)，厚度為h的膜片 （2.4）3、方形膜片 方形膜片的受力模型可以簡(jiǎn)化為四周固支的方形薄板，如圖2-3，一個(gè)邊長(zhǎng)為2a，厚度為h的正方形膜片，當(dāng)坐標(biāo)原點(diǎn)取在膜中心，x軸和Y軸分別與兩邊平行時(shí)，膜上各點(diǎn)的應(yīng)力 （2.5）分析三種膜片的受力情況，可以知道:(1)應(yīng)力在膜片中心處和邊緣處達(dá)到最大值，且膜片邊緣處的應(yīng)力值大于膜片中心處的應(yīng)力值。在方形和矩形膜的四個(gè)角點(diǎn)上應(yīng)力為零。(2)三種膜片，在相同載荷作用下，方形膜片顯示的最大應(yīng)力數(shù)值較大，這說(shuō)明方形膜片具有較大的靈敏度。在早期的研究中，由于工藝制作的原因，大都使用圓形膜片，近年來(lái)，在實(shí)際的研究工作中，隨著傳感器研究和應(yīng)用的深入，方形型膜片己成為優(yōu)先考慮選用的膜片形狀。所以，本文組選用了方形膜片作為傳感器的硼硅膜片的形狀。2.2.2硼硅膜受力分析由于傳感器設(shè)計(jì)時(shí)使用的是方形膜片，因此在分析硼硅膜形變時(shí)使用方形膜進(jìn)行理論分析。在均布?jí)毫Φ淖饔孟?，硼硅膜?huì)發(fā)生形變，如圖2.2所示。假設(shè)硼硅膜在Z軸方向上的變形量w硼硅膜的厚度h，采用大撓度理論對(duì)硼硅膜進(jìn)行分析誤差較小。當(dāng)硼硅膜發(fā)生形變時(shí)，總的應(yīng)變能由應(yīng)變能V;和彈性應(yīng)變能Vz組成，同時(shí)，硼硅膜總的勢(shì)能V由總的應(yīng)變能和硼硅膜的消耗功組成。在形變時(shí)，硼硅膜中心的變形產(chǎn)生應(yīng)變能vl，由式2-6決定。 （26）x,y方向上的應(yīng)變E x、Ey、xy平面的剪應(yīng)變Yxy可以用x, y, z方向上的位移u, v, w來(lái)表示， （27）此時(shí)，電容值 （28）2.3 傳感器的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)義齒的基托厚度比較薄，而且大多不太平整，這對(duì)傳感器整體設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)尺寸就提出了較高的要求，要求傳感器體積盡可能小，使埋植后能盡量達(dá)到與基托表面作用力具有一致性，義齒的形狀和臨床中要求測(cè)試力的部位(用白點(diǎn)標(biāo)出)如圖28所示。根據(jù)實(shí)際情況，綜合考慮各種要求，設(shè)計(jì)的傳感器的整體結(jié)構(gòu)尺寸為長(zhǎng)x寬x高為2.2mm*1.8mm*1.6mm，其整體結(jié)構(gòu)如圖29所示，圖210為傳感器剖面圖。圖28義齒及需測(cè)力部位圖2-9 MEMS電容式壓力傳感器三維圖圖2-10 MEMS電容式壓力傳感器剖面圖2-9中，傳感器上極板硅片電極上引出的導(dǎo)線1，與硼硅膜(p+膜)上濺射的金屬電極相連，傳感器下極板玻璃電極上引出的導(dǎo)線2，與玻璃板上濺射的金屬電極相連，此電極由兩種不同的金屬欽和銅先后濺射而成，以保證既有良好的粘接性能又有良好的導(dǎo)電性。圖2-10中，空腔3用于當(dāng)傳感器埋植入義齒基托內(nèi)時(shí)填入與基托相同材料的物質(zhì)，這個(gè)區(qū)域的下方即為電容容腔，即圖2-10的6所示。上電極板由硼硅膜(p+膜)和用來(lái)做絕緣層的SiOZ組成，通過(guò)它的受力變形感知義齒咬合壓力的大小。傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過(guò)程中還要考慮傳感器的工作環(huán)境，醫(yī)學(xué)上認(rèn)為，口腔的工作環(huán)境為:口腔內(nèi)為100%濕度，溫度平均在37左右，但隨著患者張閉口和進(jìn)食食物溫度的變化而變化，一般是在37士20范圍內(nèi)波動(dòng)，不會(huì)超過(guò)粘膜的耐受度。另外，義齒咬合時(shí)所能承受的最大壓力約為0. 6MPa(80. 4ps i)。3 結(jié)論總的初步測(cè)試結(jié)果表明，該傳感器性能良好，具有比較穩(wěn)定的輸入與輸出關(guān)系，能較準(zhǔn)確地測(cè)量到外界壓力的變化。在下一步的工作中，將采用ADC把模擬的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，并將利用這種具有良好擬合度的趨勢(shì)線，作為外界施加壓力與輸出電壓的對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線，編寫(xiě)相應(yīng)的軟件系統(tǒng)以便臨床測(cè)試時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)的直接讀取。參考文獻(xiàn)：1 趙醇生，陳啟東，微型機(jī)械的特點(diǎn)、研究現(xiàn)狀與應(yīng)用J.振動(dòng)、測(cè)試與診斷，1998, 18(1) :61-70.2 Bryzek J. Impact of MEMS technology on society J. Sensors and actuators, 1996, 56:1-9.3 Minhang Bao, Weiyuan Future of microelectro mechanical systems J.Sensors and actuators, 1996, 54 :135-141.4 江刺正喜，藤田博之，等.微機(jī)電工程及微機(jī)電一體化.東京:東京培風(fēng)館，1993.5 章吉良，楊春生，等. 微機(jī)電系統(tǒng)及其相關(guān)技術(shù)M.上海:上海交通大學(xué)出版社，1999.6 周兆英，葉雄英，等。微型機(jī)電系統(tǒng)的進(jìn)展.儀器儀表學(xué)報(bào)，1996,17 (1) :17.7 海外科技(納米技術(shù)又獲新突破)Z.機(jī)電工程技術(shù)，2003, 28 (1):8 Black GV, A work on operative dentistryJ. Medico-Dental Pub.1908, 1:161一171.9 Stansbu