一種柔性的mems氣泡壓力傳感器及其應(yīng)用和制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種壓力傳感器，尤其是一種柔性的MEMS氣泡壓力傳感器及其制備方法，用于測量氣體和液體環(huán)境的壓力，屬于MEMS器件設(shè)計制造領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]用于氣體或液體壓力測量的壓力傳感器有著極其廣泛的應(yīng)用，而采用MEMS技術(shù)制作的壓力傳感器具有體積小、價格低、可批量化生產(chǎn)的優(yōu)點，此類微型化的器件尤其便于集成安裝和測量。近年來傳感器技術(shù)開始在生物醫(yī)學領(lǐng)域大量應(yīng)用，人體生理參數(shù)壓力傳感器被廣泛的應(yīng)用在微創(chuàng)的活體內(nèi)測量，如顱內(nèi)壓力監(jiān)測、介入式血管內(nèi)血流壓力測量、以及眼內(nèi)壓力測量等。
[0003]為了滿足微創(chuàng)醫(yī)療的要求，此類壓力傳感器相比其他應(yīng)用領(lǐng)域的器件具有更小的尺寸，例如，目前用于冠狀動脈壓力測量的壓力導(dǎo)絲直徑僅為0.36mm，該壓力導(dǎo)絲所用到的一款壓力傳感器尺寸為100 X 150 X 1300 μ m，是目前世界上尺寸最小的測量血壓的壓力傳感器。同時，由于使用環(huán)境的特殊性，要求此類傳感器具有良好的生物兼容性，以免引起炎癥反應(yīng)和血栓形成，因此對器件的材料和封裝提出了較高的要求；此外，由于此類傳感器大多屬于一次性使用的耗材，傳感器的制作成本應(yīng)盡量低，否則將加劇患者的經(jīng)濟壓力和資源的浪費，從而限制其應(yīng)用。
[0004]目前的MEMS壓力傳感器都是基于硅基底的，例如壓阻式和電容式的壓力傳感器，其結(jié)構(gòu)通常是在一個硬的基底上制作出一個微腔體，該腔體由一個可變形的柔性膜所封閉，該柔性薄膜在外界壓力變化時發(fā)生撓度的變化，通過測量該薄膜的變形來計算外界壓力的變化。但是，此種結(jié)構(gòu)和測量原理通常意味著復(fù)雜的制作工藝和相對較大的體積尺寸，而且器件必須封裝以提高硅等脆性材料的生物兼容性。
[0005]因此，開發(fā)一種測量原理新穎、制作工藝簡單、生物相容性良好以及尺寸更小的MEMS壓力傳感器尤為重要，其對于MEMS壓力傳感器在生物醫(yī)學領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用和拓展將具有極其重要的意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]針對現(xiàn)有MEMS壓力傳感器技術(shù)中的局限性，本發(fā)明的目的是提供一種全新MEMS壓力傳感器方案，該壓力傳感器測量原理新穎、制作工藝簡單、生物相容性良好以及尺寸更小。
[0007]根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供一種柔性的MEMS氣泡壓力傳感器，所述傳感器包括微腔體、一對測量電極和兩個微通道，其中:
[0008]微腔體，是由第一層Parylene薄膜和第二層Parylene薄膜通過釋放位于兩層Parylene薄膜中間的犧牲層光刻膠形成的微腔體；
[0009]微腔體，呈狹長狀，微腔體的一端封閉、另一端開口，在該開口的中部封閉將開口分割形成兩個平行的微通道；微腔體在浸入溶液中后形成用于壓力測量的微氣泡；
[0010]一對測量電極，作為測量微氣泡大小的電化學測量電極，位于第一層Parylene薄膜、第二層Parylene薄膜之間；一對測量電極分別布置在微腔體的兩端，其中一個位于微腔體的封閉一端內(nèi)部、另一個位于微腔體的開口一端；
[0011]所述氣泡壓力傳感器利用毛細力之內(nèi)角流動原理，利用毛細力將導(dǎo)電溶液吸入微腔體中形成微氣泡，并用微氣泡作為壓力測量的敏感單元，用于短時間內(nèi)的液體和氣體壓力的測量；測量微氣泡隨外界壓力變化時的阻抗變化，該阻抗變化能夠反映微氣泡大小的變化，從而反映外界環(huán)境壓力的變化。
[0012]優(yōu)選地，所述的微腔體沿垂直方向上投影呈矩形，在長度方向上一端封閉，另一端開口，開口被分割為兩個平行的微通道。
[0013]更優(yōu)選地，所述的微通道在形成微氣泡后將微氣泡捕獲在微腔體內(nèi)，在測量的過程中能有效可靠的防止微氣泡溢出微腔體。
[0014]優(yōu)選地，所述的微腔體的橫截面(即垂直于長度方向)為弓形橫截面；弓形橫截面為軸對稱圖形，具有兩個相等的截面內(nèi)角，且截面內(nèi)角均為銳角。
[0015]優(yōu)選地，所述的微腔體能夠在浸入溶液中后在微腔體中形成微氣泡，具體的:在將微腔體浸入溶液環(huán)境中后，液體將在毛細力的作用下通過兩個微通道流入微腔體，形成兩條穩(wěn)定的內(nèi)角毛細流，由于微通道的尺寸相對于微腔體的尺寸更小，原來殘留在微腔體內(nèi)的氣體將被封閉在微腔體中無法排出，兩條內(nèi)角毛細流分別沿著微腔體兩側(cè)銳利的內(nèi)角向微腔體內(nèi)流動，隨后在微腔體的另一端處匯合，外部液體持續(xù)流入微腔體，壓縮封閉在微腔體中的氣體，直至液體壓力、氣體壓力以及彎液面附加壓力達到平衡。
[0016]更優(yōu)選地，同時采用氧等離子對微腔體的結(jié)構(gòu)材料Parylene內(nèi)表面和外表面進行改性，降低溶液和Parylene的接觸角Θ，使其滿足Concus_Finn條件:Θ〈 jt /2- α。
[0017]優(yōu)選地，所述的微氣泡的形成是自發(fā)的，并不完全可控，由于兩個微通道接觸液體的時間先后存在細微差別，將導(dǎo)致在隨機情況下形成的氣泡大小存在一定重復(fù)性的差別，因此有必要將形成后的氣泡進行修剪，以達到大小一定和形態(tài)一致的氣泡；
[0018]采用抽負壓的方式，將形成微氣泡后的壓力傳感器置于密閉腔體中，抽負壓至一定值時，微腔體中封閉的氣體體積發(fā)生膨脹，多余氣體通過微通道排出，剩余氣體在次負壓下填滿整個微腔體。隨后將該密閉腔體內(nèi)的壓力升至標準大氣壓，充滿微腔體內(nèi)的氣體收縮至一定大小，由于在該特定負壓條件下微腔體內(nèi)剩余的氣體的量剛好充滿微腔體，其氣體的量剛好是一定，當回到標準大氣環(huán)境下以后，氣體的體積也是一定的，具有不同初始微氣泡體積大小的氣體最后都具有相同的微氣泡體積，這樣即實現(xiàn)了微氣泡的修剪；
[0019]修剪后，微氣泡體積減小，兩個測量電極全部溶液覆蓋，兩個測量電極之間包含一個狹長型的微氣泡和兩條內(nèi)角毛細液柱。
[0020]根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供一種柔性的MEMS氣泡壓力傳感器的應(yīng)用方法，所述MEMS氣泡壓力傳感器形成微氣泡后，利用交流電橋LCR在兩個測量電極間施加微小的交流電，測量兩個測量電極間的電化學阻抗ΙΖΒΙ，ΙΖΒΙ由幾部分組成:電化學界面阻抗ZD、內(nèi)角毛細液柱阻抗Ζε、以及氣體阻抗ΖΑ;溶液為離子型導(dǎo)電液體，當測量頻率大于一定值的時候，ZB?ZC，而Zc= PLC/2AC，其中:P為導(dǎo)電液體的電阻率，LC為內(nèi)角毛細微液柱的長度，Ac為內(nèi)角毛細微液柱的截面積；
[0021]微氣泡為狹長型時，當外界壓力發(fā)生變化時微氣泡橫向方向的尺寸不發(fā)生變化，而僅僅在長度方向上發(fā)生伸縮，即4不發(fā)生變化，僅有Lc發(fā)生變化；在一時間內(nèi)液體的性質(zhì)不發(fā)生改變，則測量到的阻抗值ZB僅僅由微氣泡的長度決定，也即僅由外界環(huán)境的壓力決定，通過測量兩測量電極點間的電化學阻抗，即求得外界環(huán)境的壓力值。
[0022]根據(jù)本發(fā)明的第三方面，提供一種柔性的MEMS氣泡壓力傳感器的制備方法，所述方法包括如下步驟:
[0023]1)在玻璃或者硅片襯底上濺射金屬Cr/Cu，作為最后的釋放層；
[0024]2) CVD方法在釋放層上沉積第一層Parylene薄膜，作為柔性MEMS氣泡壓力傳感器底層支撐結(jié)構(gòu)；
[0025]3)在第一層Parylene上派射Cr/Au層，Cr用于增強第一層Parylene和Au的結(jié)合力，Au具有較好的導(dǎo)電性能和延展性，能夠保證柔性器件的電氣連接的可靠性；
[0026]4)光刻圖形化光刻膠，并以光刻膠為掩膜，濕法刻蝕Au，形成測量電極的圖形；
[0027]5)光刻顯影，制作犧牲層光刻膠，該犧牲層光刻膠用于定義微腔體的形狀，由于該犧牲層光刻膠的形貌直接決定了能否形成穩(wěn)定的內(nèi)角流動，在此采用接觸式光刻機，增大曝光間隙，