CN102423258B - 基于mems技术的无线传输可植入对称结构压力传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于MEMS技术的无线传输可植入对称结构压力传感器，包括：上下两个对称结构，电容和电感线圈位于基体表面的绝缘层上，整个传感器位于上下两个保护罩中间；两个电感线圈通过一个电感连接导线连接为一个电感，电感线圈的上面一端通过电感电容连接导线连接上电容的下极板，电感线圈的下面一端通过电感电容连接导线连接下电容的上极板，从而实现上下两个电容并联接入电容-电感回路；电容连接线分别连接上下两电容上极板以及连接上下两电容下极板，使得两电容以并联的形式接入电感-电容回路。本发明测量精度高、无线传输能力强、易于实现批量化集成制造。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种微机电系统领域的压力传感器，特别是一种基于MEMS技术的无线传输可植入对称结构压力传感器。
背景技术
近年来，集成电路技术和微/纳机电系统(MEMS/NEMS)技术以及生物技术的不断发展，为生物医学传感器的改进和推广提供了一个巨大的契机。而传统工艺的传感器由于体积大、难集成、功耗高等缺点，使得其在生物可植入方面的应用受到了很大的限制。由于MEMS器件的微型化、小型化、易集成等优点，为MEMS器件在植入传感器的应用方面提供了广阔的前景。
将MEMS传感器植入体内，检测体内血压等，可以对血压进行24小时连续监视，并可完整精确记录血压的变化，这有助于监测心脏病、脑血栓等重大疾病的病情。并且采用了Parylene作为结构材料是因为它的机械性能（杨氏模量约4GPa），抗化学腐蚀性，生物兼容性，同CMOS/MEMS加工技术兼容。另外采用了无线传输的方式将体内压力信号传送出体外，避免了体外设备通过导线同体内传感器的连接，从而解决了导线通过皮肤时所引起的感染问题。
通过对现有技术文献的检索发现，Po-Jui Chen等人在JOURNAL OFMICROELECTROMECHANICAL SYSTEMS17(6):1342-1350,2008撰文“Microfabricated Implantable Parylene-Based Wireless PassiveIntraocular Pressure Sensors”（基于Paryelne技术无线传输微制造的眼压传感器），该技术采用三维硅加工技术以及表面加工技术制作而成，通过电感耦合方式实现体内体外信号的无线传输。由于Parylene膜具有生物兼容性，所以能够使传感器能够顺利植入体内。通过检测体内器件电容大小的变化从而可以实现监测压力的变化。但是由于体内压力信号非常微弱，也比较容易受到体内环境的影响，所以该传感器精度比较低，并且电感线圈传输能力有限。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种基于MEMS技术无线传输可植入对称结构的压力传感器，具有信号传输能力强、检测精度高等突出优点。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明由上下两个完全对称的结构组成，每个对称的结构包括：基体、传感器保护罩、电容、电感线圈、电容连接导线、电容电感连接导线、电感连接导线。其中整个传感器的结构为：电容和电感线圈位于基体表面的绝缘层上，整个传感器位于上下两个保护罩中间。两个电感线圈通过一个电感连接导线连接为一个电感，电感线圈的上面一端通过电容电感连接导线连接上电容的下极板，电感线圈的下面一端通过电容电感连接导线连接下电容的上极板，从而实现上下两个电容并联接入电容-电感回路；电容连接导线分别连接上下两电容上极板以及连接上下两电容下极板，使得两电容以并联的形式接入电感-电容回路。
所述的基体为双面抛光双面氧化的硅片，硅片下部为一圆柱形空腔，空腔顶部中心有一小中心圆柱形通气小孔用于连接基体腔体与电容腔室以及引出连接上下两对称结构电容下极板的导线，另外在基体两侧均有一个贯穿整个传感器的缝合洞。
所述电容包括：电容下极板、电容腔室、电容上极板。其中电容两极板均为圆环形金属板，下极板做在基体上表面绝缘层上，并与基体中心所述圆柱形通气小孔为同心圆。电容上极板做在聚合物Parylene膜上，通过电感电容连接导线与电感线圈连接。由Parylene膜作为支撑形成两极板之间的电容腔室。
所述电容上极板为与下极板大小形状完全相同的环状金属板，上、下极板平行。
所述电容腔室为由Parylene膜形成的一个圆柱形腔体，半径比电容上极板或者下极板半径大。
所述电感连接导线，是通过三维微加工技术穿过器件基体的一个连接两对称线圈外端的导线，使两线圈构成一个电感。
所述电感电容连接导线为通过表面加工技术沉积的金属导线。
所述传感器保护罩为通过三维硅加工技术实现的，两侧均做有缝合洞，中心有一个圆柱形凹槽，凹槽底部有贯通凹槽底部圆柱形小洞。
所述传感器保护罩所用硅片为双面抛光双面氧化的硅片。
所述传感器保护罩两侧缝合洞与基体两侧所述缝合洞形状、大小尺寸均一致。
所述传感器保护罩凹槽为与基体中心小洞为同心圆的圆柱形腔体。
所述传感器保护罩的贯穿凹槽底部的圆柱形小洞为均匀分布的圆柱体。
本发明上述压力传感器，使用时与体外设备配合，压力传感器置于体内，体外设备震荡线圈以一定的速度改变其振荡频率，并同体内中的电感线圈进行电感耦合，对体内传感器进行供能。当体内压力发生改变时导致上下两对称电容极板发生形变，从而上下两对称电容值发生变化，体内LC电路固有频率发生改变，传感器从体外振荡线圈吸收的能量也发生改变，通过检测能量吸收峰的变化得到血压的变化。
本发明采用了上下两个完全对称的结构，敏感元件为两个对称电容，利用体外设备对两个电容测试结果取均值，从而可以大大提高测试精度。电感由上下两个线圈连接而成，而两个线圈通过一个导线连接为一个电感，这样使得在有限的面积范围内，电感线圈的圈数提高了一倍，从而大大提高了电感线圈同外部振荡线圈的耦合能力和传输距离。本发明测量精度高、无线传输能力强、易于实现批量化集成制造。
附图说明
图1为本发明一实施例的侧面剖视图；
图2为图1所示A-A面俯视图；
图3为图1所示B-B面俯视图；
图中：绝缘层1、基体2、缝合洞3、圆柱形空腔4、圆柱形气体通道5、电容6、电容腔室7、Parylene膜8和10、电容上极板9、电感线圈11、电容下极板电感连接导线12、电感连接导线13、电容下极板连接导线14、电容上极板电感连接导线15、电容上极板连接导线16、传感器保护罩17、圆柱形凹槽18、凹槽底部圆柱形小洞19。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1、图2、图3所示，本实施例提供一种基于MEMS技术的无线传输可植入对称结构压力传感器由上下两个完全对称的结构组成，每个对称结构包括：基体2、传感器保护罩17、电容6、电感线圈11、电容下极板连接导线14、电容上极板连接导线16、电容下极板电感连接导线12、电容上极板电感连接导线15、电感连接导线13。其中：电容下极板6和电感线圈11位于基体2表面的绝缘层1上；整个传感器位于上下两个保护罩17中间。
如图1、图2所示，基体2为200微米至800微米的双面抛光双面氧化的硅片，本实施例中为厚度500微米。硅基体2下部为一圆柱形空腔4，空腔顶部中心有一小圆柱形气体通道5，用于连接基体腔体与电容腔室以及引出连接上下两对称结构电容下极板的导线14，另外在基体两侧均有一个贯穿整个器件的缝合洞3。
如图1、图2所示，电容包括：电容6下极板、电容腔室7、电容上极板9。其中电容6两极板均为圆环形金属板，下极板做在基体2上表面绝缘层1上，基体2中心圆柱形通气小孔5为同心圆。电容上极板9做在聚合物Parylene膜8上，通过导线12和15与电感线圈连接。由Parylene膜8作为支撑形成两极板之间的电容腔室7。
如图1、图2所示，电容6下极板为一个与基片中心圆柱形气体通道5为同心圆的圆环，内径为50微米至200微米，外径1000微米至3000微米，厚度在1微米至3微米，位于基体表面绝缘层1上。本实施例中，圆环内径为100微米，外径2000微米，厚度2微米。
如图1所示，电容上极板9为与电容6下极板大小形状完全相同的环状金属板，上、下极板平行。
如图1所示，电容腔室7为由Parylene膜8形成的一个圆柱形腔体，半径比电容极板半径大50微米至100微米，高度为10微米至100微米。本实施例中，圆柱形腔体半径比电容极板外径大50微米，高度为60微米。
如图1所示，Parylene膜8、10厚度为2微米至20微米，本实施例中厚度为5微米。
如图1、图2所示，电感线圈11均做在基体表面的绝缘层1上，线圈圈数3至6圈，线圈宽度50微米至300微米，线圈间隔50微米至300微米，线圈厚度1微米至3微米。本实施例中，线圈圈数为3圈，线圈宽度为100微米，线圈间隔为100微米，线圈厚度为2微米。
如图1、图2所示，电感连接导线13，是通过三维微加工技术穿过器件基体2的一个连接两对称线圈外端的导线，使两线圈构成一个电感。
如图1、图2所示，电容连接线14，用于连接上下两电容的下极板，电容连接线16，用于连接上下两电容上极板，使得两电容以并联的形式接入电感-电容回路。
如图1、图2所示，电感电容连接导线12、15为通过表面加工技术沉积的金属导线，厚度1微米至3微米，宽度50微米至300微米，本实施例中厚度2微米，宽度100微米，电感电容连接导线12、15使得电感线圈的上面一端连接上电容的下极板6，电感线圈的下面一端连接下电容的上极板，从而实现上下两个电容并联接入电容-电感回路。
如图1、3所示，传感器保护罩17为通过三维硅加工技术实现的，两侧均做有缝合洞3，中心有一个圆柱形凹槽18，凹槽底部有贯通凹槽底部圆柱形小洞19。
如图1、3所示，传感器保护罩17所用硅片为厚度400微米至800微米双面抛光双面氧化的硅片。本实施例中传感器保护罩17所用为厚度500微米双面抛光双面氧化的硅片。
如图1、3所示，传感器保护罩17两侧缝合洞3与基体两侧所述缝合洞形状、大小尺寸均一致。
如图1、3所示，传感器保护罩17凹槽18为与基体2中心小洞为同心圆的圆柱形腔体，该圆柱形腔体半径在5000微米至8000微米，深度在200微米至400微米的圆柱形腔体。本实施例中，圆柱形腔体半径在6000微米，深度300微米。
如图1、3所示，传感器保护罩的贯穿凹槽底部的圆柱形小洞19为均匀分布的半径在50微米至100微米的圆柱体，本实施例中圆柱体半径为50微米。
本实施例上述压力传感器，使用时与体外设备配合，体外设备震荡线圈以一定的速度改变其振荡频率，并同体内中的电感线圈进行电感耦合，对体内传感器进行供能。当体内压力发生改变时导致上下两对称电容极板发生形变，从而上下两对称电容值发生变化，体内LC电路固有频率发生改变，传感器从体外振荡线圈吸收的能量也发生改变，通过检测能量吸收峰的变化得到血压的变化。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。
Claims (9)
1.一种基于MEMS技术的无线传输可植入对称结构压力传感器，其特征在于由上下两个完全对称的结构组成，每个对称的结构包括：基体、传感器保护罩、电容、电感线圈、电容连接导线、电容电感连接导线和电感连接导线，其中整个传感器的结构为：电容和电感线圈位于基体表面的绝缘层上，整个传感器位于上下两个保护罩中间；两个电感线圈通过一个电感连接导线连接为一个电感，电感线圈的上面一端通过电容电感连接导线连接上电容的下极板，电感线圈的下面一端通过电容电感连接导线连接下电容的上极板，从而实现上下两个电容并联接入电容-电感回路；电容连接导线分别连接上下两电容上极板以及连接上下两电容下极板，使得两电容以并联的形式接入电感-电容回路；所述基体为200微米至800微米的双面抛光双面氧化的硅片，硅基体下部为一圆柱形空腔，空腔顶部中心有一小圆柱形通气小孔，用于连接基体腔体与电容腔室以及引出连接上下两对称结构电容下极板的导线，另外在基体两侧均有一个贯穿整个传感器的缝合洞。
2.根据权利要求1所述的基于MEMS技术的无线传输可植入对称结构压力传感器，其特征是，所述电容包括：电容下极板、电容腔室以及电容上极板，其中电容两极板均为圆环形金属板，下极板设在基体上表面绝缘层上，并与基体中心所述圆柱形通气小孔为同心圆，电容上极板设在聚合物Parylene膜上，并通过电容电感连接导线与电感线圈连接，由Parylene膜作为支撑形成两极板之间的电容腔室。
3.根据权利要求1或2所述的基于MEMS技术的无线传输可植入对称结构压力传感器，其特征是，所述电容上极板为与下极板大小形状完全相同的环状金属板，上、下极板平行。
4.根据权利要求1或2所述的基于MEMS技术的无线传输可植入对称结构压力传感器，其特征是，所述电容腔室为由Parylene膜形成的一个圆柱形腔体，半径比电容上极板或下极板半径大。
5.根据权利要求1所述的基于MEMS技术的无线传输可植入对称结构压力传感器，其特征是，所述传感器保护罩两侧均有缝合洞，中心有一个圆柱形凹槽，凹槽底部有贯通凹槽底部圆柱形小洞。
6.根据权利要求1或5所述的基于MEMS技术的无线传输可植入对称结构压力传感器，其特征是，所述传感器保护罩两侧缝合洞与基体两侧所述缝合洞形状、大小尺寸均一致。
7.根据权利要求5所述的基于MEMS技术的无线传输可植入对称结构压力传感器，其特征是，所述传感器保护罩凹槽为与基体的所述中心圆柱形通气小孔为同心圆的圆柱形腔体。
8.根据权利要求5所述的基于MEMS技术的无线传输可植入对称结构压力传感器，其特征是，所述传感器保护罩的贯通凹槽底部的圆柱形小洞为均匀分布的圆柱体。
9.根据权利要求1所述的基于MEMS技术的无线传输可植入对称结构压力传感器，其特征是，所述电感连接导线是通过三维微加工技术穿过器件基体的一个连接两对称线圈外端的导线；所述电容电感连接导线为通过表面加工技术沉积的金属导线。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20131225 |