用于义齿的电容式压力传感器研究--张钊.doc

用于义齿的电容式压力传感器研究摘要: 本文介绍了一种以MEMS技术为基础的基于义齿压力检测的MEMS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MEMS技术设计了用于义齿的电容式压力传感器，这是针对临床医疗中新型MEMS压力传感器。关键词： MEMS;压力传感器;义齿;一、引言近年来，随着MEMS技术研究的进一步发展和深入，MEMS器件在生物医学领的应用和研究越来越得到各国研究人员的重视。MEMS器件在生物医学领域中的次应用是70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MEMS压力传感器前，血压计的价格约为600美元，由于MEMS压力传感器的使用，使MEMS压力传感器、软管和阀在内的血压计价格低于了10美元，安全可靠且一性使用，年产量达到17x106只，这种血压计成为MEMS器件进入医疗领域的成功范。另外，利用MEMS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。Verimetra公司正在利用MEMS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MEMS另一个可能有巨幅增长潜力的领域。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。本文在MEMS传感器用于义齿的压力传感器方向进行了研究，具有一定的现实意义，同时拓展了MEMS传感器在生物医学领域的应用。二、传感器的设计本章简述了MEMS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ANSYS仿真，给出了00.67MPa(090psi)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。2.1 MEMS电容式压力传感器的工作原理MEMS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。由此，根据间隙宽度的变化量d可求得电容变化量的C。式中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21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。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。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 传感器翻硅膜的选择与受力分析对于MEMS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MEMS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501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23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。图23 各种形状的图片1、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，在均布压力P下，板的挠度W的表达式其中2、矩形膜片对于宽度为2a，长度为2b的矩形膜片，如图2-3 (b)，在b2a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 （2.4）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2-3，一个边长为2a，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 （2.5）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，方形型膜片己成为优先考虑选用的膜片形状。所以，本文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w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;和弹性应变能Vz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vl，由式2-6决定。 （26）x,y方向上的应变E x、Ey、xy平面的剪应变Yxy可以用x, y, z方向上的位移u, v, w来表示， （27）此时，电容值 （28）2.3 传感器的整体结构设计义齿的基托厚度比较薄，而且大多不太平整，这对传感器整体设计的结构尺寸就提出了较高的要求，要求传感器体积尽可能小，使埋植后能尽量达到与基托表面作用力具有一致性，义齿的形状和临床中要求测试力的部位(用白点标出)如图28所示。根据实际情况，综合考虑各种要求，设计的传感器的整体结构尺寸为长x宽x高为2.2mm*1.8mm*1.6mm，其整体结构如图29所示，图210为传感器剖面图。图28义齿及需测力部位图2-9 MEMS电容式压力传感器三维图图2-10 MEMS电容式压力传感器剖面图2-9中，传感器上极板硅片电极上引出的导线1，与硼硅膜(p+膜)上溅射的金属电极相连，传感器下极板玻璃电极上引出的导线2，与玻璃板上溅射的金属电极相连，此电极由两种不同的金属钦和铜先后溅射而成，以保证既有良好的粘接性能又有良好的导电性。图2-10中，空腔3用于当传感器埋植入义齿基托内时填入与基托相同材料的物质，这个区域的下方即为电容容腔，即图2-10的6所示。上电极板由硼硅膜(p+膜)和用来做绝缘层的SiOZ组成，通过它的受力变形感知义齿咬合压力的大小。传感器结构设计的过程中还要考虑传感器的工作环境，医学上认为，口腔的工作环境为:口腔内为100%湿度，温度平均在37左右，但随着患者张闭口和进食食物温度的变化而变化，一般是在37士20范围内波动，不会超过粘膜的耐受度。另外，义齿咬合时所能承受的最大压力约为0. 6MPa(80. 4ps i)。3 结论总的初步测试结果表明，该传感器性能良好，具有比较稳定的输入与输出关系，能较准确地测量到外界压力的变化。在下一步的工作中，将采用ADC把模拟的电压信号转换成数字信号，并将利用这种具有良好拟合度的趋势线，作为外界施加压力与输出电压的对应关系曲线，编写相应的软件系统以便临床测试时对数据的直接读取。参考文献：1 赵醇生，陈启东，微型机械的特点、研究现状与应用J.振动、测试与诊断，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.微机电工程及微机电一体化.东京:东京培风馆，1993.5 章吉良，杨春生，等. 微机电系统及其相关技术M.上海:上海交通大学出版社，1999.6 周兆英，叶雄英，等。微型机电系统的进展.仪器仪表学报，1996,17 (1) :17.7 海外科技(纳米技术又获新突破)Z.机电工程技术，2003, 28 (1):8 Black GV, A work on operative dentistryJ. Medico-Dental Pub.1908, 1:161一171.9 Stansbu