（机械制造及其自动化专业论文）基于义齿压力检测的MEMS电容式压力传感器的研制.pdf

摘要在口腔临床医疗中，天然牙缺失后的患者，采用可摘义齿修复后，义齿对口腔下方组织的作用力直接影响到患者的健康，因此，口腔医学的研究人员都希望能够准确了解义齿对口腔下方组织的作用力情况。目前，据现有的文献检索，国内较少这方面的相关研究报道，国外的研究已取得了一定的成果，但由于传感器的限制，还是比较难准确的测量到义齿对口腔下方组织的作用力。本文介绍了一种以m e m s 技术为基础的基于义齿压力检测的m e m s 电容式压力传感器的研制，它是以电容式压力传感器的原理为基础，采用m e m s 技术中的光刻、氧化、掩膜，键合等工艺，针对临床医疗中义齿压力检测而设计并制作的新型m e m s 压力传感器。就此本文主要开展了以下研究工作：分析了m e m s 电容式压力传感器的工作原理，对硼硅膜的形状进行了选择和受力分析，利用a n s y s 软件进行了模拟仿真，并结合义齿外形，设计了传感器的整体结构和尺寸，该传感器具有结构简单，体积小的特点，其总体结构尺寸长宽高只有2 2 n m x1 8 m m o 6 m m ，适合埋植到义齿中对其压力的测量。对传感器制作过程中的各个关键部分所涉及到的m e m s 基本工艺进行了理论上的论述和实践中的探索，得到了厚度可控、具有良好力学性能的硼硅膜，完成了对玻璃上金属电极的成形。根据传感器的结构和尺寸，设计了传感器制作所需的光刻掩膜版图，并制作出相应的光刻掩膜板。完成了对传感器硅片上工艺、玻璃上工艺、硅一玻璃键合工艺以及键合后的片上工艺流程的设计。完成了传感器的制作，累积并形成了一套该传感器制作的标准工艺路线。使用c a v 4 1 4 芯片制作了测试电路，完成了对微弱电容信号变化测量的电路的实现，并完成了传感器的先期测试工作，测试结果表明，该传感器性能良好，具有稳定的输入与输出关系，能准确测量到外界压力的变化。在口腔的临床医疗中，将传感器分布式埋植入义齿基托内，对口腔下方组织的作用力进行测试，将能准确地测定出义齿下方粘膜及粘膜下方的骨组织所承受的力大小和力的分布情况。关键词：义齿：m e m s ；压力传感器a b s t r a c tu s i n gt h er e m o v a b l ed e n t u r e st or e p a i rt h eb a dn a t u r a lt e e t h ，t h eh e a l t ho ft h ep a t i e n ti si m p a c t e db yt h ef o r c eo fo r a lb e l o wi nt h ed e n t a lc l i n i c t h e r e f o r e ，t h eo r a lm e d i c i n er e s e a r c h e r sh o p et oa c c u r a t e l yu n d e r s t a n dt h eo r a lb e n e a t ht h ef o r c eo fd e n t u r e s a tp r e s e n t , a c c o r d i n gt ot h ed o c u m e n tr e t r i e v a l ，t h e r ea r eo n l yf e wt h er e l e v a n tr e s e a r c hr e p o r t si nc h i n am a i n l a n dw h i l et h ef o r e i g nr e s e a r c h e r sh a sm a d es o m ep r o g r e s si nt h ef i e l d t h ed e n t u r ei ss t i l lr e l a t i v e l yd i f f i c u l tt oa c c u r a t e l ym a d s u r et h ef o r c eo fo r a lb e l o wb e c a u s eo ft h er e s t r i c t i o no ft h es e n s o r a c c o r d i n gt om e m st e c h n i q u ea n dt h ep r i n c i p l eo ft h ec a p a c i t yp r e s s u r es e n s o r ,an e wt y p es e n s o ri sp r e s e n t e di nt h i sp a p e r , w h i c ha d a p t st ot e s tt h ep r e s s u r eo fa r t i f i c i a ld e n t u r e t h i ss e n s o ri sd e s i g n e db ym e m st e c h n o l o g yo fl i t h o g r a p h y ,o x i d a t i o n , m a s k ，b o n d i n gp r o c e s s e sa n di san o v e ls e n s o ri nv i e wo fp r e s s u r et e s t i n gi nc l i n i c a lm e d i c i n e t h ep r i m a r yw o r k si nt h i st h e s i sa r el i s t e da sf o l l o w ：t h ew o r kp r i n c i p l eo ft h em e m sc a p a c i t i v ep r e s s u r es e n s o ri sa n a l y z e d t h es h a p eo ft h em e m b r a n eo p t i o n sa n dt h ed e f l e c t i o no ft h ea n a l y s i so ft h ep + - s id i a p h r a g mh a v eb e e nf i n i s h e d t h es i m u l a t i o nu s i n ga n s y sw a sm a d e t h eo v e r a l ls t r u c t u r ea n dt h es e n s o rs i z ea r ed e s i g n e d t h e r e f o r e ，t h es e n s o ri ss m a l la n ds i m p l e t h eo v e r a l ls t r u c t u r eo ft h es e f l s o rs i z ei so n l y2 2 m m x1 8 m m x o 6 m mo ft h el e n g t h ，w i d t ha n dh e i g h ta n dt h e nt h es e n s o ri sf i tf o rp r e s s u r em e a s u r e m e n tt oi m p l a n td e n t u r e s t h ek e yp a r t so ft h es e n s o r sp r o d u c t i o np r o c e s si n v o l v e di nt h em e m st e c h n o l o g ya r ee x p l o r e di nb o t l lt h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a la s p e c t s f o r t u n a t e l y ,w ec a ng e tt h ep + - s id i a p h r a g mw i t ht h ec o n t r o l l a b l et h i c k n e s sa n dt h e9 0 0 dm e c h a n i c sc h a r a c t e r t h ep r o b l e mo ft h ef o r m i n go fa l le l e c t r o d eo nt h eg l a s sw a ss o l v e d a c c o r d i n gt ot h es t r u c t u r ea n ds i z eo ft h es g n s o r , w ed e s i g nt h en e c e s s a r yl i t h o g r a p h ym a s kd e s i g nm a p ，a n dp r o d u c eac o r r e s p o n d i n gl i t h o g r a p h ym a s ko ft h em e m sc a p a c i t i v ep r e s s u r es e n s o r t h ep r o c e s so ft h es i l i c o ns e l l s o rt e c h n o l o g y , e 参a s st e c h n o l o g ya n ds i l i c a - g l a s sb o n d i n go ft h es e n s o ri sd e s i g n e d t h ep r o d u c t i o no ft h es e n s o rh a sb e e nc o m p l e t e d ，a n dw ec u m u l a t e das e to fs t a n d a r d sp r o c e s sf o rt h es e n s o rt e c h n o l o g y t h ec a v 414c h i pi sa p p l i e dt ot h ep r o d u c t i o no ft e s tc i r c u i t af a i n ts i g n a lc a p a c i t a n c em e a s u r e m e n tc i r c u i ta n dt h ep r e l i m i n a r yt e s t m go ft h es e n s o rh a v eb e e nf i n i s h e d t h et e s tr e s u l t ss h o w e dt h a tt h es e n s o rh a dg o o da n ds t a b l er e l a t i o n sb e t w e e nt h ei n p u ta n do u t p u t t h ec h a n g e st ot h ee x t e r n a lp r e s s u r ec a l lb ea c c u r a t e l ym e a s u r e d i nt h ed e n t a lc l i n i c , i m p l a n td e n t u r ec a nb eb u r i e ds e l i s o i sd i s t r i b u t e d t h ef o r c ea n di t sd i s t r i b u t i o nb e n e a t ht h eb o t t o mo fm u c o s aa n ds u b m u c o s ao ft h eb o n et i s s u ee x p o s u r ec a l lb ea c c u r a t e l ym e a s u r e d k e y w o r d s ：d e n t u r e ；m e m s ；p r e s s u r es e n s o r厦门大学学位论文原创性声明兹呈交的学位论文，是本人在导师指导下独立完成的研究成果。本人在论文写作中参考的其他个人或集体的研究成果，均在文中以明确方式标明。本人依法享有和承担由此论文产生的权利和责任。c 签少倘谚彳1 删日厦门大学学位论文著作权使用声明本人完全了解厦门大学有关保留、使用学位论文的规定。厦门大学有权保留并向国家主管部门或其指定机构送交论文的纸质版和电子版，有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅，有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索，有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在解密后适用本规定。本学位论文属于l 、保密() ，在年解密后适用本授权书。2 、不保密()( 请在以上相应括号内打“)篡一导师签名：夕殄勿彩日期：砌7 年f 月沙日日期：叩年厂胁日第一章概述第一章概述本章简述了本课题的研究背景，对于基于义齿压力检测方法的研究和发展作了详细的概述，在此基础上提出了本课题的研究意义和研究内容。1 1 本课题研究的背景2 1 世纪是生命科学世纪，人类对生命科学的研究促进了生物医学领域对各种新型传感器的需求，特别是人类对健康的追求大大促进了在生物学、医学、卫生、食物等学科研究领域对现代科学仪器制造所急需的各种新型传感器的研究开发。由于m e m s 传感器与传统的传感器相比具有体积小、重量轻、成本低、功耗低等特点，成为最能符合和满足这些领域内对所需传感器的要求。m e m s ( m i c r oe l e c t r om e c h a n i c a ls y s t e m ，微机电系统) 是指可批量制作的，集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、通信和电源等于一体的微型器件或系统，是随着半导体集成电路微细加工技术和超精密机械加工技术的发展而发展起来的。1 9 6 2 年，世界上第一个硅微压力传感器问世，紧接着又开发出尺寸为5 0 - - - 5 0 0pm 的齿轮、气动涡轮等基于m e m s 技术的微机构n 1 。7 0 年代后，美国学者提出了基于硅半导体材料的微机械的设想，1 9 8 8 年，美国加州大学伯克利分校m u ll e r 研究小组利用m e m s $ ；j 造技术研制出转子直径为6 0 1 0 0um 的硅静电电机，在当时学术界和工业界引起很大轰动，它表明了应用硅微加工技术制造微小可动结构的可行性，并能与集成电路兼容制造微小系统的优势乜1 。同期，m i t 、b e r k e l y 、s t a n d f o r d 等大学和a t & t 及n s f 的1 5 名科学家向美国政府提出m e m s 研究建议。m e m s 新技术已受到世界许多工业国家的重视，纷纷投以巨资开展研究。在日本，通产省自1 9 9 1 年开始了为期1 0 年、总投资为2 5 0 0 亿日元的“微机械技术研究开发计划。在欧洲，到1 9 9 3 年底，共有8 所科研院校，2 3个国家的研究所，建立了3 1 个微系统研究小组。就目前m e m s 研究状态来看，日本在一些m e m s 研究方面处于国际领先地位。如奥林巴斯公司研制的直径近i m m 、长度数厘米的柔性机器人，它将形状记忆合金s m a 、传感器及控制电路全部集成到机器基于义齿压力检测的m e m s 电容式压力传感器的研制人体内，其末端能吊起1 9 的重块并自由运动。口嘲近年来，随着m e m s 技术研究的进一步发展和深入，m e m s 器件在生物医学领域的应用和研究越来越得到各国研究人员的重视。m e m s 器件在生物医学领域中的首次应用是7 0 年代，在血压计中采用硅石英微机械加工的压力传感器，在没有使用m e m s 压力传感器前，血压计的价格约为6 0 0 美元，由于m e m s 压力传感器的使用，使m e m s 压力传感器、软管和阀在内的血压计价格低于了1 0 美元，安全可靠且一次性使用，年产量达到1 7 1 0 6 只，这种血压计成为m e m s 器件进入医疗领域的成功典范。另外，利用m e m s 还能制作出智能型外科器械，减少手术风险和时间，缩短病人康复时间，降低治疗的费用。v e r i m e t r a 公司正在利用m e m s 把现有手术器械转变成智能型手术器械，可用于多种场合，包括小手术、肿瘤、神经、牙科和胎儿心脏手术等。药物注入是生物医学m e m s 另一个可能有巨幅增长潜力的领域，m i c r o c h i p 公司正在致力开发一种药物注入系统，利用硅片或聚合物微芯片，在其上带有成千上万个微型贮液囊，里面充满药物、试剂及其它药品。这些微芯片能够向人体注入药物，使止痛剂、荷尔蒙以及类固醇之类的注入方式发生革命性的变化。类似这样的生物医学新进展还将催生出新型器械，如便携式掌上型透析机等。2 0 0 2 年底，美国加州大学的科学家们开发出一种由自旋蛋白质片段制成的可控纳米马达，宽度仅1 l n m ，加州大学的蒙特马格诺说：“这种由天然蛋白质制成的马达，可在未来用于驱动药物进送系统等纳米机构 。对于生物医学应用来讲，m e m s 是一种丰富多样、充满生机的技术，m e m s 用于生物医学领域所面临的挑战不仅是要开发出合适的技术，而且还要成为主要的角色。 1正是基于m e m s 技术研究、发展的大背景和m e m s 传感器在生物医学领域研究与应用的热潮下，同时应北京大学医学部口腔科的提议，与本课题组联合研制基于义齿压力检测的m e m s 电容式压力传感器，用于测量口腔学界中一直关注的义齿对于粘膜及其下方组织作用力的检测，利于评价义齿的好坏、修正义齿结构以及评价义齿对人体健康的影响。1 2 基于义齿压力检测方法的研究和发展近百年来，国外口腔学科的许多研究人员早已开始了针对口腔中义齿压力检2第一章概述测方法的研究，目的是对于天然牙缺失后的患者，采用可摘义齿修复后，了解义齿对其下方的粘膜及粘膜下方的骨组织作用力大小和力的分布情况，以便评价一对义齿的好坏和对人体健康的影响。1 9 0 8 年，b l a c kg v 使用一种常用测力计来研究人齿咀嚼咬合食物时腮基所需力的大小，算是世界上最早研究测量人齿咬合压力的试验。砸11 9 2 5 年，s t a n s b u r yc j 采用一种软性的卡纸，放入患者口中进行最大压力咬合，然后在卡纸上会形成特定形状的印痕，接下来使用义齿形状的模型对相同的卡纸施力压制出相同形状的印痕，使用这种方法来检测义齿咬合压力的大小，他们承认，测量方法不是很准确，但可以检测出入们咀嚼时最大的压力来源于口腔内上腭拱项部分上颌骨部分。嘲1 9 5 5 年，s t r o m b e r g 报道了一种根据作用力和反作用力原理的支持口腔中组织压力检测系统。他认为，义齿支持组织所受力也会反作用于基托，因此采用检测基托受力的方式来间接检测支持组织受力。n 们具体方法是将基托开窗后，将一块5 x 5 咖2 大的基托块与下方的一个单臂悬梁相连，在单臂悬梁上贴上应变片，当有作用力作用于活动的基托块时，基托块下沉引起单臂悬梁形变，由悬梁上的应变片信号采集后输出再进行放大，再换算成相应的受力。其检测结果虽然有些不稳但反映出其波动的有规律性，能够反应受力的变化趋势。作者用这套系统对患者咀嚼不同食物时的基托对支持组织的力进行了检测，并对比剖析了总义齿与无尖牙总义齿之间对支持组织作用力的区别，结果表明：在功能侧无尖牙总义齿对于牙槽嵴颊面压力小于解剖，总义齿而平衡侧则相反。但是作者并没有给出这种方法的标定方法及线性度情况。同年，f r e c h e t t ea r 直接在铸造的基托上制作岛型结构，使岛型结构只有一面与基托相连，在相连处粘贴应变片，再用导线与口外的与口内相同温度的三个贴在相同材料的应变片相连形成w h e a t s t o n e 桥梁，口外用三个相同温度的应变片来补偿温度对测量的影响。作者在文章中指出这种测量的不足，由于岛型结构的让性，随着加载力量加大，大部分力量将由岛型结构周边组织来承担，岛型结构不再承当力量，这样就产生很大的测量误差甚至偏差，另外，当传感器与组织不紧密贴合时也会明显影响到测量的精度，当作用力来自某一方向时，其它部位的传感器无法检测。因此作者认为不能采用义齿整体加力来标定传感器，而应基于义齿压力检测的m e m s 电容式压力传感器的研制采用局部标定的方法。采用在传感器表面加橡皮坝将整个区域封闭，然后采用气体加压，标定结果显示：线性度良好。作者利用这套系统对采用置换牙列的方法对牙尖斜度分别为3 0 、2 0 、0 度总义齿及带有金属刃的总义齿在咀嚼花生、胡萝卜和烤牛肉时对支持组织作用力进行了检测。认为随着牙尖斜度的减少，牙槽嵴顶力量增大，牙槽嵴颊舌面力量减少，而带金属刃的牙在一侧牙槽嵴顶最小而在另一侧最大，而在牙槽嵴侧面作用力最小。同年，作者还利用这套系统对平衡咀嚼状态和非平衡咀嚼状态时的总义齿在咀嚼花生时对支持组织作用力分布的对比，结果显示：非平衡总义齿对于支持组织的最大作用力要略小于平衡总义齿，但是差异不显著。然而，单侧咀嚼工作侧压力明显高于双侧咀嚼，比双侧咀嚼的增加5 0 - 一2 0 0 ，在平衡侧单侧咀嚼压力是双侧咀嚼的2 5 - 8 0 ，因此作者认为在咀嚼过程中应双侧咀嚼。这个观点仍被现代医学所认可，健康的咀嚼方式是平衡咀嚼，长期的单侧咀嚼还会带来两边脸部的不对称性。u 1 9 6 0 年，l o w s o nw a l 对于用于义齿下支持组织受力分析的不同类型的压力传感器进行了可靠性检测，并将患者粘膜厚度对检测的影响考虑在内。在实验室模拟状态下对于s t r o m b e r g 的检测方法的可靠性进行了检测。指出其压力检测值受小窗内传感器的弹性，周围基托硬度粘膜的性状和厚度等多方面影响。因此设计了模拟不同软组织厚度，传感器不同弹性回复力时传感器线性度的研究。使用单臂悬梁承托活动的基托块时，传感器的弹性最大，随着压力的增加，传感器所记录的压力值损耗较大，偏离理想值越多，但是随着模拟粘膜厚度增加，其测量值准确性有所好转。当采用类似简支梁来承托活动基托块时，传感器弹性回复力增加，其检测压力也有损耗但与单臂悬梁相比其损耗有所减少，而厚的模拟粘膜层其损耗越少，线性度越好。当采用两个十字交叉的金梁支持活动基托块时，其弹性回复力更大，0 1 4 英寸厚的模拟粘膜组织，其检测压力值损耗较少，线性度良好，当对于0 0 7 和0 0 3 英寸厚的模拟牙龈组织则线性度差，但总的来看精度增加。采用四个树枝柱支撑的传感器，其弹性回复力更大，测量读数远远超过了理想读数，考虑这可能是由于这时的活动基托硬度已高于周围基托硬度，或者是活动基托块与测量结构不贴合导致突出的基托块承担了应该由其他组织承担的力量，导致其超过了理想值。由此我们可以看出粘膜越厚越有利于压力检测的准确，其压力损耗越少。要想增加传感器检测压力的精确度，应当将传感器的弹4第一章概述性回复力与周围基托组织尽量接近，传感器检测表面应当与要检测面外形尽量吻合。临床上粘膜厚度不同常影响测量的精确度，所有这些问题导致在临床上准确测定义齿对于支持组织的实际压力具有很大的困难，但这种方法可用于对比研究。1 2 11 9 7 6 年，c u t r i g h td e 利用一种用液体压力来检测义齿对组织力量的方法。具体就是将针头埋入基托内，在针尖开口处磨出l m 深2 m 宽的洞，将与体温相同的水注入针头，再由一根管子与口外压力感应装置相连，当患者将义齿戴入口内后保持针内液体处于一种负压状态，以此来记录压力变化。利用此装置作者对三名患者在无食物吞咽，有食物吞咽，咀嚼多种食物，以及休息发音时的压力变化进行了测试。但是由于基托上的凹陷直接开口于口腔内与粘膜相接触，没有密封，其内唾液的流动以及粘膜的迟滞粘弹性对其测量结果产生了较大影响，而作者也并没有注明对该种测量方法的标定方法n 3 11 9 7 6 年k e l s e yc c 采用一种盒式的压力传感器，用来测量义齿的压力。他利用铜铍合金制作了一种底面为0 1 0 2 m 厚的薄板的小盒型传感器，在小盒的内表面粘贴电阻应变片，再用电线引出后，将小盒的口也用铜铍合金密封好，使小盒内部压力与大气压力大致相等，再将小盒的底面与要检测的组织面接触，埋在基托内，引出端在引出口外后与信号放大采集装置相连。这种传感器体积为：外径3 1 7 5 m m ，内径为2 3 6 2 m ，高度为1 3 9 7 m 。为了检测该传感器的可靠性，将传感器埋入类似基托材料后，分别对它进行了9 0 度、4 5 度角加载实验，为了模拟粘膜不同厚度，分别在加载装置与传感器之间分别使用了2 m 和5 m 厚的硅橡胶，还分别检测了将传感器与检测面平齐、突出0 2 5 m 凹入0 2 5 咖三种情况进行了比较，结果表明该传感器线性度良好，两种硅橡胶厚度对传感器测量影响不大，传感器只对正向压力敏感，对于切向力至少在4 2 n c m 2 之内都没有反应，静态加压和液态加压两者也无明显区别，而且该传感器变形仅为0 o l m m ，传感器可以用液压方式进行标定。但是，研究结果另外还表明：传感器与周围组织的平齐程度则严重影响到测量的准确程度。因此使用中最重要的是将传感器检测面与被检测面高度吻合，即使是0 2 5 m m 的差异也会严重影响检测精度。n 铂同年，r o e d e m a 删报道了也使用这套系统检测了功能状态下不同面宽度与义齿对支持组织作用力分布的关系。作者选择了一名有利于传感器放置并与支持组织贴合的基于义齿压力检测的m e m s 电容式压力传感器的研制无牙颌患者进行检测，结果显示：随着啮合面宽度的减少，牙槽嵴顶的平均压力下降，而颊舌侧平均压力则与啮合面宽度无关，当患者咀嚼胡萝卜时，其一个咀嚼周期所持续的时间随啮合面宽度的减少而增加，当患者咀嚼葡萄干时咀嚼周期则与啮合面宽度无关。无论是咀嚼何种食物，随着啮合面宽度的减少，一个咀嚼过程中( 进食到吞咽) 咬合次数增加，平均压力整体下降，咀嚼频率则与啮合面宽度无关。n 司1 9 8 4 年w a t s o nc j 等发表了利用一种低成本压力传感器来进行检测的方法，这种传感器最关键设计是改变了小盒型传感器弹性敏感部分的设计，他没有将应变片直接贴在小盒的内面，而是在小盒内部增加了一层内膜，两个膜之间用一个杆在膜中央相连，这样外膜的形变由杆传递集中在内膜的中央，作者认为这样的构造的优势在于：一方面增加了外膜弹性回复力的强度，另一方面减少了功能状态下压力不垂直所导致的传感器检测的非线性。使用液压系统检测该检测系统线性度良好，但是这种传感器大小是直径7 m m ，厚度为3 m m ，因此该传感器要想与粘膜外形相吻合也是极其困难的，他们提出在传感器表面使用硅橡胶来增加其与组织的密合程度或通过测定接触面积与非接触面积比值来校正测量值的设想来解决这个问题。对于温度补偿则可以在小盒内坚硬部位再加一片与主应变片方向相反的应变片使之代偿温度变化对测量的影响。指出传感器感应部位的中心变形应小于膜的厚度。如要提高传感器的精度应在传感器内增加应变片为全桥。n 叼1 9 8 7 年作者报导了使用这套系统在同一天里对三名患者咀嚼胡萝卜、花生时对支持组织作用力进行了三次检测，分析了检测结果的重复性，并对可能的影响因素进行了分析，对其中一名连续三天分别进行了检测。结果表明：所检测的咀嚼压力重复性较差。相比而言平均峰压值年轻人的重复性优于老年人。在咀嚼胡萝卜时三个人三次咀嚼周期分别相等，而在咀嚼花生时各自三次测试的咀嚼周期中只有两次相等。咀嚼胡萝卜和花生之间在咀嚼时间咀嚼峰压值之间存在明显差异，上颌传感器峰压值之间无明显一致趋势，下颌传感器显示咀嚼花生较咀嚼胡萝卜的咀嚼压力增加，咀嚼过程、咀嚼次数、及总压力都增加了，咀嚼循环周期也增加了。作者认为义齿对支持组织的作用力与食物性状、身体状况( 包括年龄、健康状况、疲劳程度等) 、咀嚼习惯等多种因素影响，这些都影响了测量的重复性。【l 力6第一章概述1 9 9 5 年，w e n g & k h l e v n o y 报导了一种压力传感器，它的主要结构是两个导电薄板之间由硅泡沫板构成的分隔，当受到一定压力后，两导电板之间间隙发生变化，最终引起静电电容的变化，这种电容变化与压力呈线性关系，因此可根据所记录的电容变化来测量所受压力。对该系统检测显示线性度良好。作者用这套系统对模拟功能状态下对于不同剩余牙槽嵴高度的无牙颌使用组织调节剂( t i s s u ec o n d i t i o n e r s ) 后支持组织受力情况进行了研究。研究表明：剩余牙槽嵴越高，剩余牙槽嵴顶的压力值越高，粘膜反折区压力越低。使用组织调节剂后，由于材料的收缩，衬垫组织调节剂的义齿内表面的压力随时间变化而变化。义齿粘膜反折区的压力在使用组织调节剂后四天内有少量增加后，四周内都倾向于减少。牙槽嵴顶则压力一直增加到四周。指出如果使用组织调剂剂作为取动态印模的方法，组织调节剂使用时间影响了动态印模尺寸的精度。n 明1 9 9 6 年，i n o u es 等人报导了种阻抗压力传感器，该传感器大小为5 唧n 2 、l m 厚由三层组成，第一层和第三层为电极，中间为橡胶，受压后电阻随压力的变化而变化，其输出电压与所受压力线性度良好可用于压力检测。该传感器的优点是简单、柔韧有弹性，可以适应剩余牙槽嵴表面复杂的形态，但没有指出其标定的方法。n 9 11 9 9 9 年，i n o u es 等又报导了一种膜式压力传感器，该传感器直径6 m m ，高度为0 6 m ，但没有说明该传感器的具体结构和该传感器的测量标定等，作者用这种传感器对三名患者人工牙在不同位置咀嚼不同食物时的压力分布，研究表明：咀嚼较硬食物时对支持组织作用力增加，当人工牙位于牙槽嵴顶的颊侧或舌侧3 哪时，咀嚼次数、咀嚼时间、咀嚼总压力都略有增加。他们对总义齿对支持组织的作用力进行了分析，研究表明：在加载9 8 n 的力时，牙槽嵴颊与舌侧面受力相等。当咬碎胡萝卜时，其作用于支持组织的压力值增长远大于咬碎胡萝卜所需力量的增加，而舌侧集中处对支持组织的压力比较小。咖1 3 本课题研究的意义和内容根据现有的文献检索，在国内，基于义齿压力检测方面的研究目前较少这方面的相关研究报道。在国外，从相关文献来看，到目前为此，取得了一定的成绩，但由于传感器的限制，还是比较难准确测量到义齿对口腔下方组织的作用力情基于义齿压力检测的i v i e m s 电容式压力传感器的研制况。基于义齿对于粘膜及其下方组织作用力和作用时间直接影响到这些组织的健康，也就是说直接影响到人体的健康，因此，目前国内外口腔科研究人员在针对义齿的研究中，都希望能够准确的测量到义齿对于粘膜及其下方组织作用力的大小和力的作用力的分布情况。北京大学医学部口腔科，在做义齿的临床研究中，对于天然牙缺失后的患者，采用可摘义齿修复，在很多情况下，需要测量义齿下方的粘膜及粘膜下方的骨组织作用力，了解义齿其对口腔下方组织的作用力情况，因为当义齿对于粘膜及其下方组织作用力在支持组织耐受范围之内时，作用力有利于支持组织健康，但是当作用力超过耐受力时，则对支持组织产生损伤。另外，近年来，本课题组在m e m s 传感器方面进行了大量的研究工作，在m e m s 工艺方面累积了一定的经验。因此，双方的联合具有一定的现实意义，同时拓展了m e m s 传感器在生物医学领域的应用。本文针对基于义齿压力检测的m e m s 电容式压力传感器主要开展的研究工作如下：l 、分析了m e m s 电容式压力传感器的工作原理，对硼硅膜的形状进行了选择和受力分析，利用a n s y s 软件进行了模拟仿真，并结合义齿外形，设计了传感器的整体结构和尺寸，该传感器具有结构简单，体积小的特点，其总体结构尺寸长宽高只有2 2 m i n x1 8 m i n x0 6 m m ，适合埋植到义齿中对其压力的测量。2 、对传感器制作过程中的各个关键部分所涉及到的m e m s 基本工艺进行了理论上的论述和实践中的探索，得到了厚度可控、具有良好力学性能的硼硅膜，完成了对玻璃上金属电极的成形。3 、根据传感器的结构和尺寸，设计了传感器制作所需的光刻掩膜板图，并制作出相应的光刻掩膜板。4 、完成了对传感器硅片上工艺、玻璃上工艺、硅一玻璃键合工艺以及键合后的片上工艺流程的设计。完成了传感器的制作，累积并形成了一套该传感器制作的标准工艺路线。5 、使用c a v 4 1 4 芯片制作了测试电路，完成了对微弱电容信号变化测量的电路的实现，并完成了传感器的先期测试工作，测试结果表明，该传感器性能良好，具有稳定的输入与输出关系，能准确测量到外界压力的变化。8第一章概述在口腔的临床医疗中，将传感器分布式埋植入义齿基托内，对i z i 腔下方组织的作用力进行测试，将能准确地测定出义齿下方粘膜及粘膜下方的骨组织所承受力的大小和力的分布情况。基于义齿压力检测的m e m s 电容式压力传感器的研制第二章传感器的设计本章简述了m e m s 电容式压力传感器的工作原理，对传感器硼硅膜的形状选择、受力分析进行了讨论，并通过a n s y s 仿真，给出了o 一0 6 7 m p a ( 0 9 0 p s i )压力范围内输入压力和电容的关系曲线；另外，结合义齿的形状，设计了传感器的整体结构。2 1m e m s 电容式压力传感器的工作原理m e m s 电容式压力传感器采用薄膜受力的变形来测定外界压力的变化，具有良好的近似零的温度系数，所采用的薄膜一般都在所在的边缘上固定，这种薄膜结构的电容可以使用平行板电容公式来对起始电容作粗略的计算。乜妇c = 岛号( 2 1 )口由此，根据间隙宽度的变化量a d 可求得电容变化量的a c 。a c = 一掣m( 2 2 )d 式中岛为两极板之间的介电常数，d 为两极板之间的距离，a 为两极板互相覆盖的有效面积。电容式压力传感器工作原理是利用硅膜片在压力的作用下产生变形，使得两极板之间的距离发生变化，从而使电容产生变化，以此作为测量的基础。电容式压力传感器的结构示意图如图2 一l 所示。传感器功能部分是由下电极、绝缘层、上电极三部分组成的，其中下电极溅射在玻璃衬底上，上电极由硅上扩散的硼硅膜组成，下电极上再生长一层氧化硅的绝缘层。硼硅膜则是利用硅片的双面光刻、扩散和各向异性腐蚀技术等工艺来完成制作的。该电容式压力传感器的腔体是由硅一玻璃键合封接而成的，形成了具有结构稳定的电容式压力传感器。电容器的两平板间的距离可由硅片腐蚀的深度控制，硼硅膜片与玻璃电极之间的间隙较小，这使得电容式压力传感器灵敏度高。1 0第二章传感器的设计玻璃j 绝缘层硅下电极图2 - 1m e m s 电容式压力传感器结构示意图当硼硅膜片受压力作用时，硼硅膜将产生变形，则两极板之间的距离将发生变化，如图2 2 所示。p，上电极玻璃勺、雍缘层下电极图2 - 2 电容式压力传感器变形结构示意图硅硼硅膜片变形后会引起电容量的变化，这样，电容量的变化与压力的变化产生特定的关联，以此作为测量外界压力的依据。当对硼硅膜片施加压力进行测试时，电容的变化与被测压力之间存在着一一对应的关系。2 2 传感器硼硅膜的选择与受力分析对于m e m s 电容式压力传感器的敏感单元，使用了硼硅膜作为传感器的核心部分。主要因素为：一方面，在m e m s 器件的许多压力传感器中，都选择硼硅膜作为传感器的传感元，硼硅膜具有制作简单、安全和良好的机械特性等特性。另一方面，硼硅膜可以在各种硅的腐蚀液中达到自停止，它可以作为固态压力传感器和s o i 结构器件等硅薄膜的腐蚀边界，由于其腐蚀精度高，腐蚀面平整被基于义齿压力检测的m e m s 电容式压力传感器的研制得到广泛的使用。2 2 1 传感器硼硅膜形状的选择电容式压力传感器膜片形状有圆形膜片、矩形膜片和方形膜片，如图2 3 所示。最先使用的是圆形膜片结构，后来由于各向异性腐蚀技术的发展，可以刻蚀出更薄的膜片而出现了方形或矩形膜片。这些比较薄的弹性膜片，其厚度一般为几微米到几十微米。)勿：图2 - 3 各种形状的膜片( c )l 、圆形膜片圆形膜片是最早使用的传感器功能性膜片，其圆形膜片力学模型可以简化为周边固支的圆形薄板，坐标系建立在薄板的弹性曲面上，如图2 3 ( a ) ，圆形膜片的半径为a ，根据弹性力学陇3 ，在均布压力p 下，板的挠度w 的表达式形= 丛6 4 d ( 1 一事) 2、7舯。= 南e 一材料的弹性模量。h 一薄板的厚度；v 一材料的松泊比；薄板表面处应用分布，即z = h 21 2( 2 3 )第二章传感器的设计( 2 4 )( 2 5 )2 、矩形膜片对于宽度为2 a ，长度为2 b 的矩形膜片，如图2 - 3 ( b ) ，在b 2 a 的条件下，膜上各点的挠度w 符合经典的格拉格拉索夫公式，当坐标原点取在膜片中心时，厚度为h 的膜片2 3 1形：p ( l - - i , , 2 ) ( a r 2 _ i x 2x j b 2 _ 一y 2 )( 2 6 )”2 e h 3 ( 口4 + b 4 )吒和盯，的表达式分别为o - 一赤【( 6 2 一y 2 ) 2 ( 3 x 2 - a 2 ) + y ( a 2 - x 2 ) ( 3 y 2 6 2 ) 】( 2 7 )q 一赤【( 口2 2 ) 2 ( 3 y 2 - 6 2 ( 6 2 _ y 2 x 3 x 2 _ _ g 2 ) ( 2 8 )3 、方形膜片方形膜片的受力模型可以简化为四周固支的方形薄板，如图2 - 3 ( c ) ，一个边长为2 a ，厚度为h 的正方形膜片，当坐标原点取在膜中心，x 轴和y 轴分别与两边平行时，膜上各点的应力2 4 1吒= 舞曲s 吾x ( 1 + c o s 吾y ) + v c o s 和和( 2 9 )仃y ：三唔【c o s 三y ( 1 + c o s 至x ) + v c o s 一7 x ( 1 + c o s 至y ) 】( 2 1 0 )77 ，l aa口口分析三种膜片的受力情况，可以知道：( 1 ) 应力在膜片中心处和边缘处达到最大值，且膜片边缘处的应力值大于膜片中心处的应力值。在方形和矩形膜的四个角点上应力为零。( 2 ) 三种膜片，在相同载荷作用下，方形膜片显示的最大应力数值较大，这说明方形膜片具有较大的灵敏度。在早期的研究中，由于工艺制作的原因，大都使用圆形膜片，近年来，在实，j-心讨哎铲y+y一一力d+kk丝昕翌孵=吒町基于义齿压力检测的m e m s 电容式压力传感器的研制际的研究工作中，随着传感器研究和应用的深入，方形型膜片已成为优先考虑选用的膜片形状。所以，本课题组选用了方形膜片作为传感器的硼硅膜片的形状。2 2 2 硼硅膜受力分析净2 叼膜图2 - , i 硼硅膜在压力作用下的形变由于传感器设计时使用的是方形膜片，因此在分析硼硅膜形变时使用方形膜进行理论分析。在均布压力的作用下，硼硅膜会发生形变，如图2 2 所示。假设硼硅膜在z 轴方向上的变形量们疹硼硅膜的厚度h ，采用大挠度理论对硼硅膜进行分析误差较小。当硼硅膜发生形变时，总的应变能由应变能v i 和弹性应变能v 2 组成，同时，硼硅膜总的势能v 由总的应变能和硼硅膜的消耗功组成。在形变时，硼硅膜中心的变形产生应变能v l ，由式2 1 l 决定。k = 赫jp 矿22 + 半瑚妫其中ex 和ey 分别是x , y 方向上的应变，而y 珂是x y 平面的剪应变，e 是硼硅膜的杨氏模量，v 是泊松比，a 是方形电极边长的一半。硼硅膜内在的张应力产生应变能v 2 ，大小为= 盯办，( q + 占y ) 蛐( 2 1 2 )消耗功w 是由于在外界压力下硼硅膜在z 方向上的位移产生的，孵= il 州c b c 由1 4( 2 1 3 )笙三雯堡壁墅堕堡生一一。x ，y 方向上的应变x 、y ，x y 平面的剪应变y 碍可以用x 、y 、z 方向上的位移u 、v 、w 来表示，a 1 跏、，= 否+ 五【i j加1 ，跏、，占，2 面+ 互面v 一塑+ 塑+ 丝丝( 2 1 4 )b2 面十夏十瓦砂、硼硅膜总的势能矿：k + 匕一形，根据能量最小化的方法丝= oo u 里：o【2 1 5 )出锄如詈c 。s 荔如加”。s i n 型口c o s 三以五力= c o s 三c 。s 丢( 2 1 6 )它们满足固定膜的边界条件，即边界零位移。其中w ( x ，y ) 描述的是硼硅膜的挠度。利用有限差分的方法，可以得到方膜中心点的最大位移- - - i 6 3 8 x1 0 4 【3 0 一旷x 2 a ) 4 pe h 3因此得到在硼硅膜上任意一点( x ，y ) 处的挠度“rv 、= w c o s 型c o s 孚= 1 6 3 8 1 0 _ 3 【“x ，y ) = w oc o s 五c o s 石一1 d 如x。此时，电容值】( 2 1 7 )程x7 t y】c o s 五s 五( 2 i s )( 2 1 9 )孓一dd盯=c基于义齿压力检测的m e m s 电容式压力传感器的研制2 2 3a n s y s 仿真a n s y s 软件是工程技术领域最为著名的分析仿真软件之一，它是融结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型通用有限元分析软件。同时，它还具有强大的非线性分析功能，并适用于m e m s 乜刀。因此本课题选用a n s y s 8 0 进行模拟仿真。在仿真中，选用了电容间隙为2 p r o ，体积为4 0 0 p m x 4 0 0 p m x 3 m 的传感器硼硅薄膜在不同压力下进行仿真。在零压力下，从理论上计算，传感器的初始电容值为5 3 8 f f 。当施加不同的外界压力时，方形膜上体现出不同的变形程度。对硼硅膜施加0 5 p s i 外力，约为3 7 3 1 p a ( 1 0 5 p a = 1 3 4 p s i ) 时，薄膜表面各点处受力变形情况如图2 - 5 所示。传感器在外界压力0 ，- - 9 0 p s i ( 0 0 6 7 m p a ) ，仿真输出电容值与输入压力的关系如图2 6 所示，图中可以看出，在o 6 7m p a 内，输出与输入具有良好的对应曲线关系。图2 - 7 为几个不同压力下硼硅薄膜的变形；另外，在仿真中还得到，当传感器电容上下极板相互接触时，外界压力为4 5 3 8p s i 。l ；一“。+ 羹静浚j臣萋罄爱麓。，。黝? 滋囊1 6一篁三童堡壁堡堕堡生一l 一图2 - 6 压力与电容值的关系图2 7 几个不同压力下硼硅薄膜的变形仿真结果表明，传感器中体积为4 0 0 , a m 4 0 0 舶3 掰的硼硅膜，间隙为基于义齿压力检测的m e m s 电容式压力传感器的研制2 # m 的电容结构，在外界最高压力为0 6 m p a 的工作环境下，能够良好的满足义齿对口腔下方组织作用力的测量。2 3 传感器的整体结构设计义齿的基托厚度比