CN103040456B - 一种半桥芯片植入式颅压传感器 - Google Patents

Abstract

一种半桥芯片植入式颅压传感器，包括敏感芯片，敏感芯片中的方形薄膜位于外壳顶部缺口的正下方，敏感芯片与外壳通过生物胶固粘，敏感芯片的中间布置有四个压阻条，构成惠斯通电桥，当脑颅压作用于传感器芯片时，压力作用于方形薄膜，进而使薄膜发生变形，压阻条在方形薄膜的应力作用下其阻值发生变化，惠斯通电桥失去平衡，输出一个与外界压力相对应的电信号，从而实现传感器芯片对脑颅压的测量，本发明具测量准确，尺寸小，创伤小，可靠性高的优点。

Description

一种半桥芯片植入式颅压传感器

技术领域

本发明属于微机械电子技术领域，具体涉及一种半桥芯片植入式颅压传感器。

背景技术

现代临床医疗中，脑水肿、颅脑损伤、帕金森症的治疗过程中都需要掌握病人颅内压力的状况。颅内压（Intracranial Pressure，ICP）是指颅腔内容物对颅腔壁上所产生的压力，又称脑压，是神经外科临床和科研的重要观察指标。颅内压增高是颅内疾病或颅内继发性病变的一种反映，如不能及时发现颅内压增高并采取有效的治疗措施，则可能导致严重后果，甚至危及生命。在临床工作中，单纯依靠观察神经系统症状或CT、MRI影像学资料判断颅内压是否增高，很难说明颅内压的实际水平，故采用持续的颅内压监测作为“早期报警系统”，有利于早期发现和及时处理颅内压增高和颅内疾病，并提高疗效。因此，颅内压作为神经外科临床和科研的重要指标一直受到神经外科临床和科研人员的重视，是神经外科临床和科研的重要观察指标。颅压传感器已有相关的研究和应用，如美国INTEGRA NEUROSCIENCES公司生产的型号为110-4L的CAMINO光纤颅内压力监测系统还有通过手术放置在硬脑膜下的无线电电子式颅内压力检测传感器等，但都存在以下问题：1）价格昂贵，普及应用十分困难；2）无线电充电效率过低；3）测压位置不佳导致的测压不准。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种半桥芯片植入式颅压传感器，主要优势在于测量精准，小尺寸、可靠性好的封装设计带来更小的颅脑创伤，减轻患者病痛，使用方便。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种半桥芯片植入式颅压传感器，包括外壳1、敏感芯片2、金丝引线3、生物胶4、电缆线5、后续电路6，外壳1作为基座，其上通过生物胶4粘接有敏感芯片2，敏感芯片2中的方形薄膜位于外壳1顶部缺口的正下方，在敏感芯片2的方形薄膜上配有两个阻值相同的压阻条，两个压阻条构成半桥电路，半桥电路通过金丝引线3和电缆线5连接，通过电缆线5实现给传感器提供桥路电源和输出与压力相关的电压信号，电缆线5将电压信号提供给后续电路6处理。

所述的敏感芯片2采用了（100）晶面硅。

所述的敏感芯片2上的两个压阻条沿着[110]和晶向布置。

所述的敏感芯片2采用250um厚双面抛光N型单晶硅片材料制作。

由于本发明是将传感器植入硬脑膜下测量，其中敏感芯片2采用MEMS工艺，集感应压力与测量电路于一体，同时为了简化封装去掉了转接电路板，将惠斯通全桥电路简化为半桥减少了两个焊接点，为后续的精密封装带来了便利，故具有测量准确，尺寸小，创伤小，可靠性高的优点。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为压阻条在敏感芯片2上的分布示意图。

图3为压阻条构成的半桥电路示意图。

图4为本发明的应用示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做详细说明。

参见图1，一种半桥芯片植入式颅压传感器，包括外壳1、敏感芯片2、金丝引线3、生物胶4、电缆线5、后续电路6，外壳1作为基座，其上通过生物胶4粘接有敏感芯片2，敏感芯片2中的方形薄膜位于外壳1顶部缺口的正下方，在敏感芯片2的方形薄膜上配有由MEMS工艺特制的两个阻值相同的压阻条，两个压阻条构成半桥电路，半桥电路通过金丝引线3和电缆线5连接，通过电缆线5实现给传感器提供桥路电源和输出与压力相关的电压信号，就形成了传感器的工作部分，由于极小的封装尺寸限制，在外壳内部不适合设置转接电路板，所以由金丝引线3将半桥的信号与传输到电缆线5上，并用生物胶4将焊接点固定在一侧，电缆线5将电压信号提供给后续电路6处理。

所述的敏感芯片2采用了（100）晶面硅。

所述的敏感芯片2上设计的两个压阻条沿着[110]和晶向布置，组成压力测量电路。

所述的敏感芯片2采用250um厚双面抛光N型单晶硅片材料制作。

参见图2和3，两个压阻条分别为电阻R1、R2，在敏感芯片2上，电阻R1与电阻R2垂直布置，两个压阻条构成半桥电路。

本发明的工作原理为：

参照图4，完成穿刺动作后，将传感器头部置于与斜角边钻孔相对的硬脑膜下的脑组织上，使传感器敏感芯片2朝向脑皮层，被测介质压力直接作用在镀有绝缘保护层的传感器上。分布于敏感芯片2上的两个压阻条构成半桥电路，组成压力测量电路，当颅压作用于传感器敏感芯片2时，使得方膜结构发生变形，压阻条在方形薄膜的应力作用下其阻值发生变化，压阻条组成的半桥电路失去平衡，在恒定电源的激励下输出一个与外界压力相对应的电信号，从而实现传感器芯片对脑颅压的测量。

本发明中，敏感芯片2上的压阻条阻值的变化量通过压阻效应的相关公式计算而来，压阻效应是指当半导体材料受到应力作用时，由于载流子迁移率的变化，使其电阻率发生变化的现象。当压阻条处于一定应力作用下时，其阻值变化与其所受应力之间的比例关系式如下：

$\frac{\mathrm{\ΔR}}{R}={\mathrm{\π}}_l{\mathrm{\σ}}_i+{\mathrm{\π}}_{\mathrm{\τ}}{\mathrm{\τ}}_i$

式中：R——压阻条初始阻值；

π_l——为压阻条横向压阻系数；

π_τ—压阻条纵向压阻系数；

σ_i——压阻条受到的正应力；

τ_i——压阻条受到的剪应力。

因此敏感芯片2在脑颅压作用时产生的应力将会使其上的压阻条的阻值变化，通过惠斯通电桥再将此变化转变为电信号输出，继而实现对脑颅压的感应与测量，压阻效应具有各向异性的特征，沿着不同的方向施加应力或沿不同方向通过电流，材料的电阻率变化均不相同，为了在同样的加速度作用下得到更大的输出电信号，本发明中的敏感芯片2选择（100）晶面硅片，利用（100）晶面硅在[110]和晶向上具有最大值，在[100]和[010]晶向上几乎为零的特点，压阻条沿着[110]和晶向分布，提高了传感器芯片对脑颅压的测量精度。

Claims (1)

1.一种半桥芯片植入式颅压传感器，包括外壳(1)、敏感芯片(2)、金丝引线(3)、生物胶(4)、电缆线(5)、后续电路(6)，其特征在于：外壳(1)作为基座，其上通过生物胶(4)粘接有敏感芯片(2)，敏感芯片(2)中的方形薄膜位于外壳(1)顶部缺口的正下方，在敏感芯片(2)的方形薄膜上配有两个阻值相同的压阻条，两个压阻条构成半桥电路，半桥电路通过金丝引线(3)和电缆线(5)连接，通过电缆线(5)实现给传感器提供桥路电源和输出与压力相关的电压信号，电缆线(5)将电压信号提供给后续电路(6)处理；

所述的敏感芯片(2)采用了(100)晶面硅；

所述的敏感芯片(2)上的两个压阻条沿着[110]和晶向布置；

所述的敏感芯片(2)采用250um厚双面抛光N型单晶硅片材料制作；

将所述的传感器植入硬脑膜下测量，其中敏感芯片(2)集感应压力与测量电路于一体，将惠斯通全桥电路简化为半桥减少了两个焊接点，完成穿刺动作后，将传感器头部置于与斜角边钻孔相对的硬脑膜下的脑组织上，使传感器敏感芯片(2)朝向脑皮层，被测介质压力直接作用在镀有绝缘保护层的传感器上。