CN104248421B - 一种用于牙龈血流监测的反射式光电传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种种用于牙龈血流监测的反射式光电传感器以及该反射式光电传感器的制备方法。本发明通过改变发光二极管与光电接收芯片的排布，使得光电接收面积增大，从而将反射方式采集的信号在测量精度、抗干扰、稳定性等方面性能提高。本发明还通过涂抹二氧化硅和氮化硅能够避免由于传感器漏电问题导致使用者受到伤害。采用环形电极，可以根据印制电路板电极引出位置选择相应的正电极和负电极的引出位置，避免了以往仅仅设定几个点的正电极和负电极带来的布局局限性。

Description

一种用于牙龈血流监测的反射式光电传感器及其制备方法

技术领域

本发明涉及反射式光电传感器，具体涉及一种用于牙龈血流监测的反射式光电传感器以及该反射式光电传感器的制备方法。

背景技术

由于肿瘤切除、外伤或长期缺牙造成的口腔牙列及软组织缺损的病例一直处于上升趋势。由于各种原因造成的软组织量不足时，为了恢复软组织外形、保证种植体周围组织健康及美学效果，常常需要游离软组织移植物。因此需要对口腔软组织术后牙龈血流状态实时监测，准确及时掌握游离软组织移植物的生长情况，进而采取相应医疗手段。

然而，由于牙龈组织血流观察方法十分有限。目前所采用的无创观察活体组织血流状况的方法有：激光多普勒成像术、激光扫描共聚焦显微镜技术、光学相干体层摄影术、正焦偏振光谱成像技术等。但这些技术均适用于较厚的透明组织，且体积庞大，不适用于牙龈这类较薄且为半透明的组织，而且由于口腔的限制，需采用体积较小的传感器，以便于放置于口腔内部。

目前，本申请人提出了用于牙龈监测的一种基于光电容积脉搏波描记技术，通常情况下，光电容积脉搏波描记技术中的光电传感器的排布方式有两种，分别是反射式和透射式。然而，由于透射式光电传感器的光电信号直接进入人体组织内部，反射回来的光电信号量极少，光电接收部分没办法感测，故主要用于指甲式、耳夹式血氧探头，用来实时测量人体血氧和脉率指标。而对于牙龈这类皮下组织厚度小，同时薄薄的皮下组织下面就是骨骼，骨骼可以将光电信号反射回来的情况下，通常会选用反射式光电传感器。

目前市面上有许多反射式光电传感器，如：韩国APMKorea公司生产的DCM02，DCM03，DCM05系列；日本无线株式会社开发了反射式光电传感器NJL5501R，NJL5303R；这类传感器不仅有如上所说的体积大，不适用于较薄的半透明组织的缺陷，而且这类反射式光电传感器的排布方式一般如图1所示，发射部分和接收部分分开排布，但是这种排布方式会导致光电接收管的接收面积小，进而导致反射方式采集的光电容积脉搏波描记信号在测量精度、抗干扰、稳定性等方面性能不够。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种用于牙龈血流监测的反射式光电传感器以及该反射式光电传感器的制备方法，能够有效地增大接收管的接收面积，从而提高测量精度、抗干扰、稳定性等方面性能。

一种用于牙龈血流监测的反射式光电传感器，包括发光二极管、光电接收芯片和印制电路板；其中，光电接收芯片中心开设窗口；光电接收芯片焊接在印制电路板上，发光二极管置于光电接收芯片中心开设的窗口处且焊接在电路板上；

优选地，所述发光二极管个数为两个，分别发射红光和红外光。

优选地，所述光电接收芯片为光电接收二极管芯片或光电接收三极管芯片。

优选地，所述光电接收芯片的外形采用圆形或椭圆形。

特别地，所述反射式光电传感器采用三段式封装方式，即：四周采用塑料或陶瓷材料封装，光电接收芯片的一面采用透明材料封装，印制电路板的一面采用对人体无害、能快速凝固的医用凝胶。

特别地，所述光电接收二极管芯片包括硅片，硅片上表面依次连接硼离子层、第一二氧化硅层和氮化硅层，氮化硅层作为光电接收二极管芯片的接收面；硅片下表面嵌有电极并覆盖第二二氧化硅层，第二二氧化硅层上具有镂空孔，镂空孔位置与电极位置对应，镂空孔处连接金电极。

特别地，所述电极包括磷离子形成的正电极和硼离子形成的负电极；正电极和负电极的图形均为环形，且内外嵌套、交替排列。

一种用于牙龈血流监测的反射式光电传感器的制备方法，反射式光电传感器包括发光二极管、光电接收二极管芯片和印制电路板；其制备工艺具体步骤为：

步骤一、采用离子注入工艺在硅片下表面注入电极元素，形成电极；在硅片上表面涂抹一层硼离子；

步骤二、采用硅热氧化工艺，在涂有硼离子的硅片上表面形成一层二氧化硅薄膜，称为第一二氧化硅薄膜，在硅片下表面形成一层二氧化硅薄膜，称为第二二氧化硅薄膜；采用LPVCD工艺，在第一二氧化硅薄膜上表面沉积一层氮化硅薄膜，作为光电接收二极管芯片的接收面；

步骤三、在第二二氧化硅薄膜的下表面蒸发一层铝作为牺牲层，并采用光刻工艺，使用反应离子刻蚀机形成电极处将第二二氧化硅薄膜刻蚀出镂空孔；采用lift－off和蒸金工艺，从刻蚀出的镂空孔处引出金电极，从而形成光电接收二极管芯片；

步骤四、采用深刻蚀工艺，将制作好的光电接收二极管芯片中心刻蚀出窗口；

步骤五、将光电接收二极管芯片通过引出的金电极焊接在印制电路板上，将发光二极管置于光电接收二极管芯片中心开设的窗口内部，并焊接在印制电路板上。

特别地，所述在硅片下表面注入电极元素为：注入磷离子用于形成正电极，并注入硼离子用于形成负电极。

特别地，所述正电极和负电极的图形均为环形，且内外嵌套、交替排列。

有益效果：

1、本发明通过改变发光二极管与光电接收芯片的排布，即：通过将光电芯片中心开设窗口，发光二极管置于光电接收芯片中心开设的窗口的形式，使得光电接收面积增大，从而将反射方式采集的信号在测量精度、抗干扰、稳定性等方面性能提高。

2、本发明通过涂抹二氧化硅和氮化硅能够将除红外光、绿光和红光以外的如白光滤除，故适用于较薄的半透明组织；且二氧化硅和氮化硅具有良好的绝缘性，可避免由于传感器漏电问题导致使用者受到伤害。

3、传统光电接收芯片的外形采用长方形设计，但由于长方形自身具有棱角，如果放置于口腔中则会对牙龈造成损害。本发明采用圆形或椭圆形设计，这样则避免由于棱角对牙龈的损害。

4、本发明中采用环形电极，即：正电极和负电极的图形均为环形，且内外嵌套，交替排列。这种排布方式能够在选择电极引出位置时有更强的灵活性，正电极和负电极成圈出现，可以根据印制电路板电极引出位置选择相应的正电极和负电极的引出位置，避免了以往仅仅设定几个点的正电极和负电极带来的布局局限性。

附图说明

图1为现有技术中光电传感器的排布方式示意图。

图2为本发明牙龈血流监测反射式光电传感器示意图。

图3为本发明光电接收二极管芯片的工艺流程图。

图4为本发明光电接收二极管芯片的下表面电极的排布方式与金电极布局示意图(去除第二二氧化硅层)。

其中，1-发光二极管，2-光电接收芯片，3-印制电路板。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

如图1所示，本发明提供了一种用于牙龈血流监测的反射式光电传感器，包括发光二极管、光电接收芯片和印制电路板。其中，光电接收芯片中心开设窗口；光电接收芯片焊接在印制电路板上，发光二极管置于光电接收芯片中心开设的窗口处且焊接在电路板上。

可见，本发明通过改变发光二极管与光电接收芯片的排布，即：通过将光电芯片中心开设窗口，发光二极管置于光电接收芯片中心开设的窗口的形式，使得光电接收面积增大，从而将反射方式采集的信号在测量精度、抗干扰、稳定性等方面性能提高。

光电接收芯片可以是圆形、椭圆形、长方形、正方形等形状中的一种。由于本实施例以牙龈组织为例，为适用于牙龈组织，避免制作出的所述反射式光电传感器的棱角对牙龈的损害，本实施例采用椭圆形光电接收芯片。

为防止唾液喷溅在传感器内，反射式光电传感器采用三段式封装方式，即四周采用塑料或陶瓷等材料封装，光电接收芯片的一面采用透明材料封装，印制电路板的一面采用对人体无害、能快速凝固的医用凝胶。

其中，所述发光二极管采用可发出红光的二极管和可发出红外光的二极管组合使用，通过细胞反射能力的对比能够很好的测量出血流参数。而绿光的反射效果相对于红光和红外光更强，因此也可以单独采用发射绿光的发光二极管。为了得到更加精确的测量结果，所述每种发光二极管个数可以为两个或两个以上，但是考虑到该传感器是用于牙龈部位的血流监测，要求体积要尽可能的小，且牙龈下部就是骨骼，自身反射性能就很好，所以一般来说，对用于牙龈血流监测的传感器来说，采用红光和红外光共两个发光二极管足以。

当信号响应较小且要求精准度时，光电接收芯片可采用光电接收三极管芯片。但在通常情况下采用光电接收二极管芯片即可满足要求。本发明进一步提供了一种用于反射式光电传感器的光电接收二极管芯片。该芯片中具有二氧化硅层和氮化硅层，能够将除红外光、绿光和红光以外的如白光滤除，故适用于较薄的半透明组织；且二氧化硅和氮化硅具有良好的绝缘性，可避免由于传感器漏电问题导致使用者受到伤害。利用它能够在人体正常活动时采用红外光谱技术对组织血流形态进行实时监测。

结合图2的“步骤四”所示，该光电接收二极管芯片包括硅片，硅片上表面依次连接硼离子层、第一二氧化硅层和氮化硅层，氮化硅层作为光电接收二极管芯片的接收面；硅片下表面嵌有电极并覆盖第二二氧化硅层，第二二氧化硅层上具有镂空孔，镂空孔位置与电极位置对应，镂空孔处连接金电极。

其中，电极包括磷离子形成的正电极和硼离子形成的负电极。如图4所示，本实施例中正电极和负电极的图形均为环形，且内外嵌套、交替排列。这种排布方式能够根据印制电路板电极引出位置选择相应的正电极和负电极的位置，避免了以往局限式分布正电极和负电极的情况。

如图3所示，采用上述光电接收二极管芯片的反射式光电传感器的制备方法包括：

步骤一、采用离子注入工艺，形成电极。即：按图4所示，利用离子注入设备，将磷离子和硼离子分别注入硅片下表面，其中，由磷离子形成的正电极、由硼离子形成的负电极在注入后的图形均为环形，且内外嵌套，交替排列。

步骤二、由于二氧化硅和氮化硅具有良好的滤光性，可将除红外光、绿光和红光以外的如白光滤除；且二氧化硅和氮化硅具有良好的绝缘性，可避免由于传感器漏电问题导致使用者受到伤害；故采用硅热氧化工艺，即：将硅与如水蒸汽、氧气这类含氧化物的气体在900摄氏度至1200摄氏度的条件下在硅片上表面形成一层二氧化硅薄膜，称为第一二氧化硅薄命，在硅片下表面形成一层二氧化硅薄膜，称为第二二氧化硅薄膜；采用低压化学沉积工艺(LPVCDLowPressureChemicalVaporDeposition)，即：首先对反应室抽真空，注入N₂，将硅片与氮气在27Pa至270Pa的反应力下进行化学气相沉淀，在第一二氧化硅薄膜上表面沉积一层氮化硅薄膜，作为光电接收二极管芯片的接收面。

步骤三、在第二二氧化硅薄膜的下表面蒸发一层铝作为牺牲层，并采用光刻工艺，使用反应离子刻蚀机(RIEReactiveIonEtching)，对RIE中的两平板电极间施加10MHz至100MHz的高频电压，此时，会产生数百微米厚的离子层，将制作的带有二氧化硅和氮化硅的硅片试样放入其中，由于二氧化硅表面具有一层铝牺牲层，故当离子高速撞击硅片试样时则完成化学反应蚀刻，进而将第二二氧化硅薄膜刻蚀出镂空孔，以便引出金电极。采用金属剥离法(lift－off)和蒸金工艺，将硅片涂胶后曝光显影，使产生一个稍微内倾的光刻胶剖面，通过蒸发器将注入硼离子和磷离子从刻蚀出的镂空孔出引出金电极，从而形成光电接收二极管芯片。

步骤四、采用深刻蚀工艺，将制作好的光电接收二极管芯片按发光二极管的大小刻蚀出窗口，以便放置两个发光二极管。

步骤五、将光电接收二极管芯片通过引出的金电极焊接在印制电路板上，将两个发光二极管置于光电接收二极管芯片中心开设的窗口内部，并焊接在印制电路板上。

目前国内尚未出现此类用于牙龈血流监测的反射式光电传感器。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种用于牙龈血流监测的反射式光电传感器，其特征在于，包括发光二极管、光电接收芯片和印制电路板；其中，光电接收芯片中心开设窗口；光电接收芯片焊接在印制电路板上，发光二极管置于光电接收芯片中心开设的窗口处且焊接在电路板上；

反射式光电传感器采用三段式封装方式，即：四周采用塑料或陶瓷材料封装，光电接收芯片的一面采用透明材料封装，印制电路板的一面采用对人体无害、能快速凝固的医用凝胶。

2.如权利要求1所述的反射式光电传感器，其特征在于，所述发光二极管个数为两个，分别发射红光和红外光。

3.如权利要求1所述的反射式光电传感器，其特征在于，所述光电接收芯片为光电接收二极管芯片或光电接收三极管芯片。

4.如权利要求1所述的反射式光电传感器，其特征在于，所述光电接收芯片的外形采用圆形或椭圆形。

5.如权利要求3所述的反射式光电传感器，其特征在于，所述光电接收二极管芯片包括硅片，硅片上表面依次连接硼离子层、第一二氧化硅层和氮化硅层，氮化硅层作为光电接收二极管芯片的接收面；硅片下表面嵌有电极并覆盖第二二氧化硅层，第二二氧化硅层上具有镂空孔，镂空孔位置与电极位置对应，镂空孔处连接金电极。

6.如权利要求5所述的反射式光电传感器，其特征在于，所述电极包括磷离子形成的正电极和硼离子形成的负电极；正电极和负电极的图形均为环形，且内外嵌套、交替排列。

7.一种用于牙龈血流监测的反射式光电传感器的制备方法，其特征在于，反射式光电传感器包括发光二极管、光电接收二极管芯片和印制电路板；其制备工艺具体步骤为：

步骤一、采用离子注入工艺在硅片下表面注入电极元素，形成电极；在硅片上表面涂抹一层硼离子；

步骤二、采用硅热氧化工艺，在涂有硼离子的硅片上表面形成一层二氧化硅薄膜，称为第一二氧化硅薄膜，在硅片下表面形成一层二氧化硅薄膜，称为第二二氧化硅薄膜；采用LPVCD工艺，在第一二氧化硅薄膜上表面沉积一层氮化硅薄膜，作为光电接收二极管芯片的接收面；

步骤三、在第二二氧化硅薄膜的下表面蒸发一层铝作为牺牲层，并采用光刻工艺，使用反应离子刻蚀机形成电极处将第二二氧化硅薄膜刻蚀出镂空孔；采用lift－off和蒸金工艺，从刻蚀出的镂空孔处引出金电极，从而形成光电接收二极管芯片；

步骤四、采用深刻蚀工艺，将制作好的光电接收二极管芯片中心刻蚀出窗口；

步骤五、将光电接收二极管芯片通过引出的金电极焊接在印制电路板上，将发光二极管置于光电接收二极管芯片中心开设的窗口内部，并焊接在印制电路板上。

8.如权利要求7所述的一种用于牙龈血流监测的反射式光电传感器的制备方法，其特征在于，所述在硅片下表面注入电极元素为：注入磷离子用于形成正电极，并注入硼离子用于形成负电极。

9.如权利要求8所述的一种用于牙龈血流监测的反射式光电传感器的制备方法，其特征在于，所述正电极和负电极的图形均为环形，且内外嵌套、交替排列。