用于义齿的电容式压力传感器研究--张钊

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1、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

2、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

3、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

4、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0~0.67MPa(0~90psi)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。2.1MEMS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

5、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—1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

6、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ME

7、MS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。图2—3各种形状

8、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