CN105310669A - 一种应用在血压计中的mems接触式力传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用在血压计中的MEMS接触式力传感器及其制备方法。本发明的力传感器包括：衬底，键合体，接触体，应变膜和压阻条；其中，在衬底正面采用注入，褪火的方法形成压阻条。从衬底背面挖腔体，刻蚀出应变膜，应变膜正面粘合或键合一个可垂直面运动的接触体，接触体的触头不键合，并与应变膜面刚好接触，不施加外力。靠接触体与人体的上臂或者腕部皮肤接触，主动脉的振动，压力传递，使传感器的惠斯通桥路的变化，监测到脉冲信号，然后通过科学的算法来测定人体血压。从而在系统体积比较小的情况下可以测量较精确的接触式的微作用力，是一种体积相对较小、灵敏度高的传感器，在血压计等可穿戴医疗设备中有着极为广阔的应用前景。

Description

一种应用在血压计中的MEMS接触式力传感器及其制备方法

技术领域

本发明涉及半导体制造技术，具体涉及一种微机电系统MEMS力传感器及其制备方法。

背景技术

血压是血液在血管内流动时，作用于血管壁的压力，它是推动血液在血管内流动的动力。心室收缩，血管内的压力最高，称为收缩压，亦为高压。心室舒张，血管内弹性回缩，血压下降，称为舒张压，即低压。

电子血压计技术从使用原理上经历了听诊法(又称柯氏音法)和示波法(又称振荡法)两个阶段的发展，由于柯氏音法测量血压依赖于人的听觉，容易受环境和测量人主观感觉的影响，测得的血压值常存在一定的误差。随着电子技术的发展，基于示波法设计的血压计在临床上开始使用。电子血压计从测量方式上有两种，一是臂式，二是腕式。这两种电子血压计对于健康人来讲都适用。但要特别说明一点，腕式的电子血压计不适用于患有血液循环障碍的病人。

传统的电子血压计中的气压压力传感器，必须通过伺服加压气泵、电子控制排气阀等电子元器件的配合使用，在加压和排压过程中测量血压。这么势必造成电子血压计的尺寸过于笨重，无法随身佩戴，在日常生活中无法实时监测人体血压。在当今的物联网时代，血压实时监测是人工智能佩戴产品的重要发展方向，这么必须考虑改变传统测量方法，设计新的力传感器，缩减仪器尺寸，制造具有血压监测的可穿戴接触式产品，例如手环，臂环，集成于手表的装置。

发明内容

针对以上提出的现有技术的不足，本发明提供一种应用在血压计中的MEMS接触式力传感器及其制备方法，本发明的传感器制作工艺精巧，灵敏度高、体积相对较小，提高使用过程中传感器的测量信号稳定性及测量可靠性。

本发明的一个目的在于提供一种MEMS接触式力传感器。

本发明的MEMS力传感器为接触式传感器，包括：衬底，键合体，接触体，应变膜和压阻条；其中，在衬底正面采用注入，褪火的方法形成压阻条，组成惠斯通桥电路，开环或闭环均可。从衬底背面挖腔体，刻蚀出应变膜，膜的面积与厚度一定，应变膜正面粘合或键合一个可垂直面运动的接触体，接触体的触头不键合，并与应变膜面刚好接触，不施加外力，接触体可为球形，柱形等形状。靠接触体与人体的上臂或者腕部皮肤接触，主动脉的振动，压力传递，使传感器的惠斯通桥路的变化，监测到脉冲信号，然后通过科学的算法来测定人体血压。

衬底的材料采用半导体材料。注入的离子采用三价离子，制备压阻条，结构简单，制备方便，而且精度更高。

根据衬底和膜厚度的要求，可考虑采用湿法KOH溶液腐蚀或者DRIE深刻蚀得到腔体和应变膜。

进一步，本发明的MEMS压阻式多轴力传感器连接外接电路，将悬臂梁上的压阻条和参考电阻连成简单的惠斯通电阻电桥，并连接信号处理电路。

键合体可采用MEMS加工或者封装注塑工艺制成，粘接介质安全可靠，键合强度大，MEMS加工工艺时我们可选择BCB(苯并环丁烯)胶；或用封装注塑工艺直接粘合，卡住接触体可垂直面上下运动。

接触体采用凝胶或塑性塑料制成，接触体的触头为圆弧形，保证接触时应力分散。接触体塑性高，不发生形变，或者形变后迅速恢复，体现在传感器上，输出的迟滞小。

应变膜上的压阻条的电阻值的变化与施加在接触体上的微力的大小存在一定的关系。接触体受到外力的作用传递到应变膜上，应变膜可沿水平方向和垂直方向产生弯曲并体现出拉应力，弯曲时电阻值的变化反映了来自于水平方向和垂直方向的微作用力情况。通过将检测应变膜上的压阻条和参考电阻连成简单的惠斯通电阻电桥，并经信号处理电路就可以获取电阻的变化情况，从而间接计算出接触体上微作用力的大小。

本发明的另一个目的在于提供一种MEMS接触式力传感器的制备方法。

本发明的MEMS力传感器的制备方法，包括以下步骤：

1)提供半导体的衬底；

2)在衬底的上表面进行与垂直角为7°的离子注入，制备四个压阻条，通过MEMS工艺金属引线连接形成惠斯通电阻电桥；

3)根据衬底和膜厚度的要求，刻蚀出腔体和应变膜。

4)衬底正面通过键合体粘合或键合一个可垂直面运动的接触体，接触体的触头与应变膜面刚好接触。

本发明的MEMS接触式力传感器的有益效果是：由于采用注入的方法制备压阻条，接触体完美键合在衬底正表面，使得在接触体上施加一定微作用力时，应变膜通过横向和垂向的敏感弯曲，弯曲时产生的拉应力，使电阻值的变化间接反映了来自于垂直方向和水平方向的微作用力的情况。从而在系统体积比较小的情况下可以测量较精确的接触式的微作用力，是一种体积相对较小、灵敏度高的传感器，在医疗、汽车、电子、机电等，尤其在血压计等可穿戴医疗设备中有着极为广阔的应用前景。

附图说明

图1为本发明的MEMS力传感器的结构剖面示意图；

图2为本发明的MEMS力传感器的运动状态示意图。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例进一步阐述本发明。

如图1所示，本发明的MEMS接触式力传感器包括：衬底(1)、应变膜(2)、压阻条(3)、键合体(4)和接触体(5)；接触体(5)连接键合体(4)固定并悬浮在应变膜(2)上。

在本实施例中，采用离子注入的方法。在应变膜(2)的正面做4个压阻条(3)。衬底(1)背面通过深刻蚀形成腔体和应变膜。

如图2所示，接触体(5)所受外力F的挤压，外力的作用传递到应变膜(2)上，应变膜(2)可沿水平方向和垂直方向产生弯曲并体现出拉应力，弯曲时压阻条(3)的变化通过惠斯通电桥反映了来自于水平方向和垂直方向的微作用力情况。

本发明的MEMS接触式力传感器的制备方法：

1)提供半导体的衬底；

2)在衬底的上表面进行与垂直角为7°的离子注入硼离子，制备四个压阻条，并通过MEMS工艺金属引线连接形成惠斯通电阻电桥；

3)根据衬底和膜厚度的要求，刻蚀出腔体和应变膜。

4)衬底正面粘合或键合一个可垂直面运动的接触体，接触体的触头与应变膜面刚好接触。

5)完成MEMS接触式力传感器的制备。

最后应说明的是：虽然本说明书通过具体的实施例详细描述了本发明的具体参数和结构，但是本领域的技术人员应该理解，本发明的实现方式不限于实施例的描述范围，在不脱离本发明实质和精神范围内，可以对本发明进行各种修改和替换，因此本发明的保护范围视权利要求范围所界定。

Claims (9)

1.一种MEMS接触式力传感器，其特征在于，所述多轴力传感器包括：衬底(1)、应变膜(2)、压阻条(3)、键合体(4)和接触体(5)；其中，在衬底(1)正面采用注入，褪火的方法形成压阻条(3)，组成惠斯通桥电路。从衬底(1)背面刻蚀挖腔体，刻蚀出应变膜(2)，膜的面积与厚度一定，应变膜(2)正面通过键合体(4)粘合或键合一个可垂直面运动的接触体(5)，接触体(5)的触头不键合，并与应变膜面刚好接触。

2.如权利要求1所述的接触式力传感器，其特征在于，所述衬底(1)采用半导体材料。

3.如权利要求1所述的接触式力传感器，其特征在于，所述注入的离子采用三价离子。

4.如权利要求1所述的接触式力传感器，其特征在于，通过刻蚀，包括KOH腐蚀和深刻蚀DRIE挖腔体生成应变膜(2)。

5.如权利要求1所述的接触式力传感器，其特征在于，所述键合体(4)可采用MEMS加工或者封装注塑工艺制成，MEMS加工工艺时我们可选择安全可靠，键合强度大的介质，例如BCB(苯并环丁烯)胶。

6.如权利要求1所述的接触式力传感器，其特征在于，所述接触体(5)采用凝胶或塑性塑料制成，可为球形，柱形等形状。接触体(5)的触头为圆弧形，保证接触时应力分散。接触体塑性高，不发生形变。

7.如权利要求6所述的接触式力传感器，其特征在于，所述接触式力传感器连接外接电路，将所述接触体(5)受到外力的作用传递到应变膜(2)上，应变膜(2)可沿水平方向和垂直方向产生弯曲并体现出拉应力，弯曲时电阻值的变化反映了来自于水平方向和垂直方向的微作用力情况。通过将检测应变膜(2)上的压阻条(3)和参考电阻连成简单的惠斯通电阻电桥，并经信号处理电路就可以获取电阻的变化情况，从而间接计算出接触体上微作用力的大小。

8.一种权利要求1所述的MEMS接触式力传感器的制备方法，其特征在于，所述方法，包括以下步骤：1)提供半导体的衬底；2)在衬底的上表面进行与垂直角为7°的离子注入，制备四个压阻条，并通过MEMS工艺金属引线连接形成惠斯通电阻电桥；3)根据衬底和膜厚度的要求，刻蚀出腔体和应变膜；4)衬底正面通过键合体粘合或键合一个可垂直面运动的接触体，接触体的触头与应变膜面刚好接触。

9.如权利要求8所述的制备方法，其特征在于，在步骤4)中，接触体(5)需卡在键合体中间可垂直面上下运动。