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)計了用于義齒的電容式壓力傳感器，這是針對臨床醫(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，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)用和研究越來越得到各國研究人員的重視。MEMS器件在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的次應(yīng)用是70年代，在血壓計中采用硅/石英微機械加工的壓力傳感器，在沒有使MEMS壓力傳感器前，血壓計的價格約為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)的血壓計價格低于了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)險和時間，縮短病人康復(fù)時間，降低治療的費用。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另一個可能有巨幅增長潛力的領(lǐng)域。根據(jù)現(xiàn)有的文獻(xiàn)檢索，在國內(nèi)，基于義齒壓力檢測方面的研究目前較少這方面的相關(guān)研究報道。在國外，從相關(guān)文獻(xiàn)來看，到目前為此，取得了一定的成績，但由于傳感器的限制，還是比較難準(zhǔn)確測量到義齒對口腔下方組織的作用力情況?；诹x齒對于粘膜及其下方組織作用力和作用時間直接影響到這些組織的健康，也就是說直接影響到人體的健康，因此，目前國內(nèi)外口腔科研究人員在針對義齒的研究中，都希望能夠準(zhǔn)確的測量到義齒對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)實意義，同時拓展了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)計本章簡述了MEMS電容式壓力傳感器的工作原理，對傳感器硼硅膜的形狀選擇、受力分析進(jìn)行了討論，并通過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測定外界壓力的變化，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對起始電容作粗略的計算。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，上電極由硅上擴散的硼硅膜組成，下電極上再生長一層氧化硅的絕緣層。硼硅膜則是利用硅片的雙面光刻、擴散和各向異性腐蝕技術(shù)等工藝來完成制作的。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，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)，以此作為測量外界壓力的依據(jù)。當(dāng)對硼硅膜片施加壓力進(jìn)行測試時，電容的變化與被測壓力之間存在著一一對應(yīng)的關(guān)系。2.2 傳感器翻硅膜的選擇與受力分析對于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，硼硅膜具有制作簡單、安全和良好的機械特性等特性。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)，在均布壓力P下，板的撓度W的表達(dá)式其中2、矩形膜片對于寬度為2a，長度為2b的矩形膜片，如圖2-3 (b)，在b2a的條件下，膜上各點的撓度W符合經(jīng)典的格拉格拉索夫公式，當(dāng)坐標(biāo)原點取在膜片中心時，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化為四周固支的方形薄板，如圖2-3，一個邊長為2a，厚度為h的正方形膜片，當(dāng)坐標(biāo)原點取在膜中心，x軸和Y軸分別與兩邊平行時，膜上各點的應(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角點上應(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，在實際的研究工作中，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)計時使用的是方形膜片，因此在分析硼硅膜形變時使用方形膜進(jìn)行理論分析。在均布壓力的作用下，硼硅膜會發(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，采用大撓度理論對硼硅膜進(jìn)行分析誤差較小。當(dāng)硼硅膜發(fā)生形變時，總的應(yīng)變能由應(yīng)變能V;和彈性應(yīng)變能Vz組成，同時，硼硅膜總的勢能V由總的應(yīng)變能和硼硅膜的消耗功組成。在形變時，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來表示， （27）此時，電容值 （28）2.3 傳感器的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計義齒的基托厚度比較薄，而且大多不太平整，這對傳感器整體設(shè)計的結(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試力的部位(用白點標(biāo)出)如圖28所示。根據(jù)實際情況，綜合考慮各種要求，設(shè)計的傳感器的整體結(jié)構(gòu)尺寸為長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)時填入與基托相同材料的物質(zhì)，這個區(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)和用來做絕緣層的SiOZ組成，通過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)計的過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，不會超過粘膜的耐受度。另外，義齒咬合時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把模擬的電壓信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并將利用這種具有良好擬合度的趨勢線，作為外界施加壓力與輸出電壓的對應(yīng)關(guān)系曲線，編寫相應(yīng)的軟件系統(tǒng)以便臨床測試時對數(shù)據(jù)的直接讀取。參考文獻(xiàn)：1 趙醇生，陳啟東，微型機械的特點、研究現(xiàn)狀與應(yīng)用J.振動、測試與診斷，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.微機電工程及微機電一體化.東京:東京培風(fēng)館，1993.5 章吉良，楊春生，等. 微機電系統(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。微型機電系統(tǒng)的進(jìn)展.儀器儀表學(xué)報，1996,17 (1) :17.7 海外科技(納米技術(shù)又獲新突破)Z.機電工程技術(shù)，2003, 28 (1):8 Black GV, A work on operative dentistryJ. Medico-Dental Pub.1908, 1:161一171.9 Stansbu