CN100998501A - 一种基于mems的智能服装及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于MEMS的智能服装及其制备方法，可用于采集心电、心音等人体生理参数，该智能服装的功能是通过将柔性传感器阵列薄膜与纺织品整合的方式来实现的：首先，在晶圆上采用MEMS技术分别制作出声/电换能器及其电气互联结构。其次，在晶圆的反面刻蚀出硅岛图形，使得每个传感器之间相互孤立。再次，在晶圆的正反面旋涂上聚合物，并对其进行光刻图形化出传感器窗口以及缝纫孔，即得到柔性传感器阵列薄膜。聚合物起到对传感器的保护作用，缝纫孔可用于让导电纤维将传感器传感器阵列薄膜与纺织品缝合于一体，即得到有特定功能的智能服装。本发明采用MEMS制作工艺，重复性好，可靠性高，可大批量制造，成本较低，具有广泛的应用前景。

Description

一种基于MEMS的智能服装及其制作方法

技术领域

本发明涉及MEMS技术领域，具体涉及一种测量人体生理参数的基于MEMS的智能服装及其制作方法。

背景技术

自从1903年Einthoven应用弦线型电流计，首次自人体描记到感光片上的心电图，医学界致力于采集人体各种生理参数并记录在案，以此对病人的病情进行更加详尽、系统的评估和诊断。然而，大多数情况下，需要专门的人员操作各种复杂而昂贵的设备对病人进行检查，这样对病人或者医疗机构都带来很多不必要的麻烦，并且，还很难做到全天24小时对病人病情的跟踪监视。因此，医疗人员迫切需要能够实现无人值守连续监控病人病情的能力。芬兰POLAR ELECTRO OY公司推出一种可以连续监测人体心脏心跳速率的传感器，将长条状的传感器捆绑在胸部，通过探测人体心电信号来计算出心脏心率，如此，时间长了使得佩戴者难以忍受。1997年美国麻省理工学院媒体实验室首次提出一种“可水洗的、有计算能力的服饰”，它是把导电纤维按照设计好的电路图刺绣在纺织品上作为电气互联线路，实现一些简单的计算功能。来自维吉尼亚工学院的研究小组提出一种集成有麦克风阵列的电子服饰，他们成功地使用了缝纫机将麦克风、薄膜电池和低功耗的单片机缝合在纺织品上。在此基础上，美国北卡罗莱纳州立大学开发出一种可以探测到声源的电子服饰：他们将麦克风用导电纤维缝合在纺织品上，麦克风均匀的分布在纺织品上形成麦克风阵列，穿着这种电子服饰的人员可以对枪声、坦克开动的声音甚至如飞行器等快速移动物体的位置进行精确定位，在军事上有着极其重要的意义。

上述的各种方法很容易实现电子器件与纺织品的整合，但是，它们的缺点也是显而易见的：首先，在使用过程中，随着纺织品的不断弯曲褶皱，纺织品与各种电子器件互联的可靠性很难得到保证；其次，为了不影响纺织品穿着的舒适性，集成的电子器件数量将受到极大的限制，那么其功能也是及其有限的。

发明内容

本发明的目的在于克服上述技术的不足，提供一种基于MEMS的智能服装，该智能服装能够实现传感器与纺织品很好地整合于一体的同时不影响其穿着的舒适性；本发明还提供了该智能服装的制备方法。

本发明提供的一种基于MEMS的智能服装，该智能服装上设置有柔性传感器阵列，该柔性传感器阵列包括柔性衬底、若干个硅岛和声/电换能器，柔性衬底分为上柔性衬底和下柔性衬底，硅岛和声/电换能器呈阵列式分布设置在柔性衬底和下柔性衬底之间，硅岛与声/电换能器通过金属线路实现电气互联，各硅岛和声/电换能器的四周均设置有缝纫孔，导电纤维穿过缝纫孔将柔性传感器阵列薄膜与纺织品缝合于一体；硅岛的结构为：硅基底上开有焊盘，焊盘的引出线与金属线路的一端相连，导电纤维与焊盘之间点胶有导电胶；声/电换能器的结构为：硅基底上开有空腔，空腔上面设置有悬臂梁，悬臂梁由下述薄膜层依次叠置构成：支撑层、粘结材料层、下电极、声/电换能材料层、吸声材料层和上电极，其中，下电极和上电极构成金属线路。

制备上述智能服装的方法，其步骤包括：

(1)、使用氮化硅作为掩模，对晶圆进行局部氧化制作悬臂梁的牺牲层；

(2)、使用溶胶-凝胶法在悬臂梁靠近固定端的区域沉积钛锆酸铅；

(3)、在悬臂梁顶部溅射一层镍铬合金作为声/电换能器的吸音材料；

(4)、通过光刻对旋涂在晶圆上的聚酰亚胺进行图形化，使得柔性传感器阵列薄膜露出悬臂梁窗口、焊盘和缝纫孔；

(5)、使用导电纤维将柔性传感器阵列薄膜与纺织品进行缝合；

(6)、导电纤维经过硅岛焊盘时，使用导电胶将导电纤维与焊盘粘结引出传感器产生的信号供外部电路处理。

本发明采用了MEMS/ICs技术在晶圆上制作出传感器，采用一种由两层聚酰亚胺夹着的三明治结构的柔性传感器阵列薄膜，采用了导电纤维作为传感器阵列的电器互联线路，采用了导电胶作为导电纤维与传感器信号引出的电极焊盘的粘结材料，全部实现柔性化，扩大了智能服装的集成度，提高了智能服装的可靠性，增加了智能服装穿着的舒适性。另外，由于制作出的硅岛焊盘上点胶有导电胶，其与人体胸腔接触，能够检测到心脏跳动时产生的微弱电信号。因此，可以将心电信号引出到处理电路即可得到心电图，可以和心音图综合与一起来分析、诊断病情。

附图说明

图1为柔性传感器阵列薄膜与纺织品整合的结构图。

图2为图1的A-A截面放大图。

图3为一种实例的结构示例图，其中(a)为主视图，(b)为俯视图。

图4为图3实例的工艺流程图。

图5为图4实例数值模拟得到的传感器电压输出频率响应曲线。

具体实施方式

本发明基于MEMS/ICs技术，分三步在晶圆上制作出能够与纺织品整合于一体的柔性传感器阵列薄膜：首先，在晶圆上制作出用于智能服装上的传感器；其次，将第一步制作出的传感器阵列化、柔性化，成为柔性传感器阵列薄膜；最后，将第二步制作出的柔性传感器阵列薄膜与纺织品整合于一体。

智能服装上的传感器为测量人体心音信号的声/电换能器，该传感器采用堆叠形多层复合悬臂薄膜结构，即是由弹性结构层形成粘结的堆叠悬臂梁，悬臂梁结构自下而上分别由支撑层、粘结层、底电极、压电薄膜、附加层、项电极堆叠而成。通过对传感器施加不同频率的声压信号，悬臂梁随即产生沿着厚度方向的振动，堆叠在悬臂梁上的压电薄膜产生变形，形成正压电效应，产生电压信号，经过底电极与顶电极引出到外部处理电路进行处理。悬臂梁薄膜一端固定，另外一端和两侧自由，悬臂梁薄膜长度为振动波长的1/4，因此第一谐振频率相对两端固定和四周固定的要低，对于测量频率多分布在低频范围的心音信号有很大的优势。所述压电悬臂薄膜堆叠结构中的支撑层为LPCVD沉积在晶圆上的低应力氮化硅薄膜，其化学稳定性好，力学性能突出。压电悬臂薄膜堆叠结构中的粘结层为磁控溅射在氮化硅薄膜上的钛，其熔点高，可经受后续的高温工艺；其化学性质表现为容易被氧化，须被保护起来；其粘结性好，可实现氮化硅薄膜于后续工艺中的底电极金属很好的粘结起来。压电悬臂薄膜堆叠结构中的底电极为磁控溅射在钛薄膜上的铂，其熔点高、化学性质稳定，可经受后续的高温工艺；其欧姆特性好，可用于信号引出电极。压电悬臂薄膜堆叠结构中的压电薄膜为使用溶胶-凝胶法沉积在底电极上的锆钛酸铅(PZT)，其压电系数、相对介电常数高，可作为声/电换能材料；其居里温度高，可经受后续传感器柔性化工艺中聚合物固化工艺。压电悬臂薄膜堆叠结构中的压电薄膜沉积工艺之前往往预先沉积一层钛酸铅(PT)薄膜，用于降低PZT烧结陶瓷化时的温度，并降低PZT与底电极之间原子的渗透。所述压电悬臂薄膜堆叠结构层中的附加层为磁控溅射在PZT薄膜上的镍铬合金，其吸声性能突出，提高换能器的灵敏度。压电悬臂薄膜堆叠结构中的顶电极为磁控溅射在镍铬合金薄膜上的金，其熔点高、化学性质稳定，可经受后续的高温工艺；其欧姆特性好，可用于信号引出电极。压电悬臂薄膜堆叠结构自下而上分别为Si₃N₄/Ti/Pt/PZT/Ni-Cr/Au。

柔性传感器阵列为硅岛与声/电换能器阵列(如8×8阵列)，采用深离子反应刻蚀技术(DRIE)在制作有上述传感器的晶圆的反面刻蚀出硅岛图案；晶圆正面旋涂的一层开有焊盘和悬臂梁图形窗口的聚酰亚胺；晶圆反面旋涂的一层聚酰亚胺，两层聚酰亚胺将传感器阵列夹在中间形成三明治结构。

在一张开有缝纫孔的柔性传感器阵列薄膜上，采用光刻技术在上述柔性传感器阵列薄膜上图形化露出缝纫孔；作为电气互联线路的导电纤维，将上述柔性传感器阵列薄膜与纺织品缝合于一体，即得到具有采集人体心音信息能力的智能服装。

下面结合实例和附图对本发明做进一步详细的说明。

如图1所示，柔性传感器阵列的结构为：柔性衬底1分为上柔性衬底1a和下柔性衬底1b，在柔性衬底1a和下柔性衬底1b之间分布有阵列式的硅岛2和声/电换能器3，在导电纤维6经过上柔性衬底1a的位置为硅岛2，其余位置为声/电换能器3，硅岛2与声/电换能器3通过金属线路5实现电气互联，硅岛2、声/电换能器3，每个硅岛2或者声/电换能器3的上、下、左、右分别设置有一个缝纫孔4，以便柔性传感器阵列薄膜能够和纺织品能够更加紧密的结合。导电纤维6穿过缝纫孔4将柔性传感器阵列薄膜与纺织品8缝合于一体。硅岛2和声/电换能器3以及缝纫孔4在的柔性衬底1上程阵列式分布着。

如图2所示，硅岛2的结构为：硅基底19上开有焊盘9，焊盘9的引出线与金属线路5的一端相连，实现硅岛2与声/电换能器3的电气互联。导电纤维6经过焊盘9时，其上面点胶有导电胶7，实现柔性传感器阵列薄膜与外部处理电路的电气互联。

如图3所示，声/电换能器3的结构为：硅基底18上开有空腔10，空腔10上面设置有悬臂梁11，悬臂梁11的一边固定在硅基底18，其它三边悬在空腔10上。悬臂梁11由下述薄膜层依次叠置构成：支撑层12、粘结材料层13、下电极14、声/电换能材料层15、吸声材料层16和上电极17，其中，下电极14和上电极17构成金属线路5。为达到更好的技术效果，支撑层12选用Si₃N₄，粘结材料层13选用Ti，声/电换能材料层15选用PZT，吸声材料层16选用Ni-Cr，下电极14选用Pt，上电极17选用Au。

以下通过实例对柔性传感器阵列薄膜的制作工艺流程做进一步的说明。

如图4所示，制作工艺流程开始于a：准备一片双面经过抛光处理并且使用LPCVD沉积有0.5μm低应力氮化硅薄膜的四英寸晶圆。b：对晶圆正面的氮化硅进行光刻图形化后，使用RIE刻蚀出1.2μm深的腔体。c：对经过b处理的晶圆进行局部氧化(LOCOS)，腔体中填充了大约2.2μm的二氧化硅，在经过c部氧化后的二氧化硅往往生长得比氮化硅层高，通常情况下需要一步平坦化工艺将其高出部分去除。d：在平坦化工艺后的晶圆上使用LPCVD沉积1.2μm的氮化硅薄膜作为悬臂梁的支撑层材料。e：使用liftoff工艺在氮化硅上分别溅射一层0.18μm的钛和0.02μm的铂，金属钛的作用是作为粘结材料将铂和氮化硅粘结起来，金属铂的电阻率低、化学性质稳定，作为换能器的底电极材料。f：使用溶胶-凝胶法在底电极上旋涂上PZT溶胶，加热到200℃将溶胶的有机溶剂蒸发掉得到凝胶，并加热到400℃进行预处理，凝胶的厚度随溶胶的黏度和旋胶机的转速有关，通常配置出0.5mol/L的溶胶旋涂在转速为4000rpm的晶圆上，经过多次旋涂得到所需厚度的PZT凝胶，继续在晶圆上旋涂PZT溶胶直至得到需要的厚度，将晶圆至于电磁炉中加热至650℃将PZT凝胶烧结成压电陶瓷，然后使用HF/HCl和缓冲剂对PZT进行图形化。g：使用liftoff工艺在晶圆上分别溅射一层0.012μm的镍铬合金和0.05μm的金，其中镍铬合金作为吸声材料分别覆盖在支撑层和PZT上，金的电阻率低、化学性质稳定，作为换能器的顶电极材料。h：对晶圆正面光刻图形化出悬臂梁图形，使用RIE刻蚀氮化硅得到20μm宽的悬臂梁自由变的边缘缝隙。i：在晶圆的正面旋涂一层聚酰胺酸并对其光刻图形化露出悬臂梁结构，其厚度随聚酰胺酸的浓度以及旋胶机的转速有关，通常配置出20％的聚酰胺酸旋涂在转速为4000rpm的晶圆上，得到大约25μm的薄膜，将晶圆至于电磁炉中以0.5℃/min的升温速度分别加热到80℃并保温30min、170℃并保温30min、270℃并保温120min，然后自然冷却固化成聚酰亚胺。j：对晶圆反面的氮化硅进行光刻图形化，使用DRIE刻蚀出硅岛图形，以i的方法在晶圆反面旋涂聚酰亚胺并对其固化。K：将j得到的硅岛阵列置于HF中以去除空腔中的二氧化硅，释放出悬臂结构。将得到的柔性硅岛阵列置于20kv/cm的电场中，使PZT沿着厚度方向极化声/电换能器换能阵列。

根据上述实施方式给出一个具体实例：

图5所示：横坐标为载荷的频率，纵坐标为换能器输出的电压。声/电换能器的支撑层为氮化硅，其长、宽、高分别为400X70X1μm³，声/电换能器的换能材料为PZT，其长、宽、高分别为100X70X1μm³，将换能器置于40db的声场中，使用通用有限元分析软件对其进行数值模拟，得到其输出电压的频率响应曲线。从图中可以看出，换能器的响应曲线在低频段，曲线比较平缓，随着频率的升高在缓慢升高，到第一谐振频率时达到最高值，随后缓慢的下降。当将换能器用于智能服装上测量人体心音图时，可采用低通滤波器将高频信号过滤，得到0-1000Hz的心音信号供临床医师分析、诊断。

Claims (3)

1、一种基于MEMS的智能服装，其特征在于：该智能服装上设置有柔性传感器阵列，该柔性传感器阵列包括柔性衬底(1)、若干个硅岛(2)和声/电换能器(3)，柔性衬底(1)分为上柔性衬底(1a)和下柔性衬底(1b)，硅岛(2)和声/电换能器(3)呈阵列式分布设置在柔性衬底(1a)和下柔性衬底(1b)之间，硅岛(2)与声/电换能器(3)通过金属线路(5)实现电气互联，各硅岛(2)和声/电换能器(3)的四周均设置有缝纫孔(4)，导电纤维(6)穿过缝纫孔(4)将柔性传感器阵列薄膜与纺织品(8)缝合于一体；

硅岛(2)的结构为：硅基底(19)上开有焊盘(9)，焊盘(9)的引出线与金属线路(5)的一端相连，导电纤维(6)与焊盘(9)之间点胶有导电胶(7)；

声/电换能器(3)的结构为：硅基底(18)上开有空腔(10)，空腔(10)上面设置有悬臂梁(11)，悬臂梁(11)由下述薄膜层依次叠置构成：支撑层(12)、粘结材料层(13)、下电极(14)、声/电换能材料层(15)、吸声材料层(16)和上电极(17)，其中，下电极(14)和上电极(17)构成金属线路(5)。

2、根据权利要求1所述的智能服装，其特征在于：支撑层(12)材料为Si₃N₄，粘结材料层材料(13)为Ti，声/电换能材料层(15)材料为钛锆酸铅，吸声材料层(16)材料为Ni-Cr，下电极(14)材料为Pt，上电极(17)材料为Au。

3、一种制备权利要求2所述智能服装的方法，其步骤包括：

(1)、使用氮化硅作为掩模，对晶圆进行局部氧化制作悬臂梁的牺牲层；

(2)、使用溶胶-凝胶法在悬臂梁靠近固定端的区域沉积钛锆酸铅；

(3)、在悬臂梁顶部溅射一层镍铬合金作为声/电换能器的吸音材料；

(4)、通过光刻对旋涂在晶圆上的聚酰亚胺进行图形化，使得柔性传感器阵列薄膜露出悬臂梁窗口、焊盘和缝纫孔；

(5)、使用导电纤维将柔性传感器阵列薄膜与纺织品进行缝合；

(6)、导电纤维经过硅岛焊盘时，使用导电胶将导电纤维与焊盘粘结引出传感器产生的信号供外部电路处理。

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