CN105595959B - 一种弹性压力传感器矩阵及用于检测组织弹性的探头 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种弹性压力传感器矩阵及用于检测组织弹性的探头，以硅基MEMS弹性压力传感器单元为基本构成单位，通过硅片晶向裂解的方法，沿裂片槽展裂压力传感器单元上极板，并将压力传感器单元紧密粘接固定于单一轴向硬性定型背衬之上，进而由传感器单元纵横并列连接成为单一轴向弯曲的弹性压力传感器矩阵。纵列、横列压力传感器单元，分别通过经导线、纬导线连接后，以线缆形式导出。柔性膜均匀紧密地覆盖于压力传感器矩阵上面和把手表面，即构成检测组织弹性的探头。

Description

一种弹性压力传感器矩阵及用于检测组织弹性的探头

技术领域

本发明涉及一种弹性压力传感器矩阵及用于检测人体组织弹性的探头，属医疗器械技术领域。

背景技术

弹性压力传感器的长期可靠性、温湿度稳定性、重复性、零点漂移等静态特性，传感器厚度及其力敏材料的力学性能，都是影响弹性压力传感器性能的重要因素。要探测弹性压力分布就需要相同的单个压力传感器构成的矩阵来完成，而每个压力传感器的均质性和传感器间距的均一性、矩阵的层合结构预紧等因素都会影响压力传感器矩阵的应用效果。针对待检物的外形和弹性模量的不同，还需要对压力传感器矩阵进行柔性处理，而要实现压力传感器矩阵的柔性化，每个压力传感器的均质性、传感器间距的均一性、矩阵的层合结构预紧等因素在传统柔性压力传感器矩阵上体现的问题很多。

本发明采用微机电工艺(MEMS)制备的曲面弹性压力传感器矩阵和用于检测人体组织弹性的探头，由于单晶硅MEMS传感器的结构稳定性，解决了传统弹性压力传感器受温湿度影响、稳定性不良、重复性较差的问题；另外，通过单面微距切割展裂工艺，在单一轴向曲面硬性定型背衬之上形成的曲面硅基压力传感器矩阵，解决了硅基矩阵的柔性弯曲问题，又可在单一轴向上无限扩大。

发明内容

本发明提供一种弹性压力传感器矩阵及用于检测人体组织弹性的探头，该探头仿生人类通过触觉感知物体性状、外形、大小的过程-手指对待检物体施加一定压力，在手指头的单位面积范围内，因同一待检物的不同部位或相邻物体的弹性模量不同，待检物体产生的反作用力差异，即可通过手指上密集分布的触觉小体和神经反射收集到大脑神经中枢，进而在大脑形成并映射描绘出待检物体的大小、外形、性状等触觉信息。本发明的弹性压力传感器矩阵以类似触觉小体的弹性压力传感器单元为感知单位，利用压电效应将组织弹性压力的差异转变为电信号的不同，然后，将不同的电信号经过数模转换和电子分析，以二维和三维图像表现出组织弹性压力的差异。

本发明提供一种弹性压力传感器矩阵，包括弹性压力传感器单元，所述弹性压力传感器单元紧密固定于单一轴向硬性定型背衬之上，该弹性压力传感器单元以纵列、横列相互连接，纵列的弹性压力传感器单元通过经导线连接，横列的弹性压力传感器单元通过纬导线连接，经导线、纬导线由线缆导出，具体地，经导线、纬导线在末端的经压焊板片、纬压焊板片处分别由经线缆、纬线缆导出。

基于上述方案，所述弹性压力传感器单元以单晶硅为基础材料，传感器单元的厚度为0.2-3mm。具体地，所述弹性压力传感器单元的上极板为硅基材料，厚度为0.05-1mm，弹性压力传感器单元的上极板上面沉积的金属膜片为0.1-1mm的正方形单元，金属膜片厚度为0.0001-0.05mm。金属膜片下面是硅弹性薄膜，厚度为0.01-0.1mm。硅弹性薄膜的正下方为0.15-1mm见方的空腔，高度为0.05-1mm。在硅基上极板背面沉积的金属膜片厚度为0.0001-0.003mm，经过金属的湿法腐蚀，形成硅基上极板背面金属膜片焊接单元-0.02-0.5mm宽，外边长为0.19-2mm的金属方框。

所述弹性压力传感器矩阵的下极板为柔性印刷电路板，柔性印刷电路板厚度为0.05-1mm，下极板上面覆盖的下电极单元为0.19-2mm正方形单元，下电极单元厚度为0.0001-0.05mm。

硅基上极板上面的上电极单元通过相同材料的导线纵向连接，柔性印刷电路板下极板上面的下电极单元也通过相同材料的导线横向链接。上极板背面的金属膜片焊接单元与下极板上面的下电极单元键合焊接后，在硅基材料上极板内形成高度为0.15-1mm的空腔。

所述弹性压力传感器单元为边长1-5mm的正方形，厚度为0.2-3mm。所述弹性压力传感器单元之间采用单面微距切割展裂的方式，通过硅片晶向裂解的方法，沿裂片槽展裂压力传感器单元上极板，并将压力传感器单元紧密粘接固定于单一轴向硬性定型背衬之上，进而由传感器单元纵横并列连接成为单一轴向弯曲的弹性压力传感器矩阵。

所述纵列弹性压力传感器单元为奇数列，奇数列的弹性压力传感器单元数量至少为7个；横列弹性压力传感器单元为偶数列，偶数列的弹性压力传感器单元数量至少为8个。优选将偶数列传感器矩阵单元通过紧密背衬于单一轴向硬性背衬的方式，进行均匀曲面柔性处理，实现曲面硅基MEMS压力传感器矩阵。

所述连接弹性压力传感器单元的经导线、纬导线为铜导丝、金导丝、转印石墨烯导丝中的一种，经导线、纬导线相互绝缘，并分别终止于经压焊板片、纬压焊板片。从经压焊板片、纬压焊板片分别引出的经线缆和纬线缆，相互绝缘并进行屏障防护处理，最后汇聚为总线缆。总线缆接入控制电路，联通至数模转换器进行计算分析。

所述弹性压力传感器单元的密度最高达250个/cm²，单点采样频率为250Hz，压力传感器矩阵的量程为0-1000kPa之间，压力综合测量误差≤5％F.S。

本发明还提供一种用于检测组织弹性的探头，探头包括柔性膜、弹性压力传感器矩阵，所述弹性压力传感器矩阵上面均匀紧密地覆盖有柔性膜。柔性膜包绕矩阵下面的硬性定型背衬和与背衬相粘连的把手，而构成压力传感器探头。所述柔性膜为派瑞林、TPU、派瑞林与TPU复合膜中的一种，所有柔性膜的要求是与人体皮肤和粘膜接触时没有毒害作用。柔性膜的厚度为0.001-0.5mm，柔性膜所覆盖的组织弹性压力传感器矩阵的整体撕裂强度达15/15N。

要实现柔性曲面弹性压力传感器矩阵，除了需要解决硅基材料柔韧性的问题，其它工艺难点也很多。本发明通过工艺改进解决了制备大面积曲面弹性压力传感器矩阵的问题-采用单面微距切割展裂的微机电硅基矩阵，紧密覆盖于单一轴向硬性定型背衬之上，以单一轴向曲面化构成柔性压力传感器矩阵。轴曲率最小至1/5mm，曲率由单一轴向弯曲的硬性定型背衬决定。

弹性压力传感器矩阵上各点构成的每个弹性压力传感器单元通过相互绝缘的经导线、纬导线连接，再汇总集合为总线缆而导出。每根导线由超薄的屏蔽层环绕，绝缘屏蔽效能强大，屏蔽效能＞60dB，屏蔽范围在100K-3GHz。且经过超薄屏障层处理的导线柔软度和曲度达到设计要求后，这些独立引出的经导线、纬导线经紧密固定至无缝隙后构成总线缆。中间绝缘介电材料-单晶硅的压缩永久形变＜20％，10,000次压缩后性能不变，故弹性压力传感器矩阵选择此材料。

目前实现弹性传感器矩阵的主要工艺方法有二，微机电工艺和压电式矩阵，优选微机电工艺(MEMS)，次选压电式矩阵。MEMS中每个单晶硅上极板上面的金属膜片和柔性印刷电路板下极板上面的金属膜片是构成压力传感器单元的上、下电极，其初始电容值和变化值都是线性关系，偏差极小。在-40℃-85℃温度的环境下使用，未见电容值的变化。

基于上述方案，压力传感器矩阵的硅基上极板加工工艺为：硅基底-溅射金属-光刻上电极金属及导线-湿法刻蚀金属-背面沉积金属-光刻背面镂空窗口和裂片槽-湿法刻蚀金-双面保护-KOH湿法腐蚀硅腔体和裂片槽。

压力传感器矩阵柔性印刷电路板下极板的加工工艺为：柔性印刷电路板-溅射金属-光刻下电极金属及导线-湿法腐蚀金属。

压力传感器矩阵的实现工艺为：硅基上极板的背面金属膜片与柔性印刷电路板下极板上面的金属膜片以纵、横垂直的方向进行键合焊接，再延着展裂槽，展裂硅基上极板，紧密贴覆于单一轴向硬性定型背衬之上，形成单一轴向柔性压力传感器矩阵，再将此传感器矩阵的背衬粘接至把手。把手的形状设计要便于操作者持握，以便于将探头矩阵部分均匀施加力量于待检组织上为原则，故把手的长轴应垂直或平行于探头矩阵平面。特别地，把手的侧表面和上表面是曲面且适合手持设计的，以利于舒适地把持，进而使探头矩阵部均匀施力于待检组织。

所述单面微距切割展裂工艺是通过版图的合理化设计，在湿法腐蚀微结构器件的同时，利用腐蚀时硅片的晶向、湿法腐蚀、自终止等特性，直接腐蚀出有一定深度裂片槽的矩阵，矩阵上面以派瑞林覆盖后倒置。湿法腐蚀工艺一般采用晶向为100的硅片，利用此种硅片在KOH的湿法腐蚀中的各项异性和自终止特性，合理化设计腐蚀版图，在腐蚀出带有镂空薄膜结构的同时，也腐蚀出有53.7°腐蚀角的非穿透裂片槽，保证硅片完整并键合焊接在柔性印刷电路板膜上，由于硅片的晶向方向有了裂片槽，只需在裂片槽的方向上加以微小力量，即可实现展裂。按裂片槽与单一轴向硬性背衬相同轴向的方式，将铺有粘胶的单一轴向硬性定型背衬与弹性压力传感器矩阵边边相对，从一个侧边开始粘接，同向滚动单一轴向硬性定型背衬，即将此矩阵均匀紧密地粘覆于单一轴向硬性定型背衬之上，从而制备出单一轴向弯曲的柔性MEMS压力传感器矩阵。

本发明解决技术难题所采用的技术方案是：通过单面微距切割展裂的工艺改进，解决了制备大面积曲面MEMS弹性压力传感器矩阵的问题，将硅基矩阵紧密背衬于单一轴向定型硬性材料之上，制备出曲面弹性压力传感器矩阵。

本发明的有益效果是，利用压力传感器矩阵原理，通过经典的半导体技术和可靠实用的MEMS工艺制备的硅基传感器单元，与柔性印刷电路板纵横排列，键合粘接成弹性压力传感器矩阵。以单面微距切割展裂的方式，进行纵或横展裂，以硬性背衬为基准，构成单一轴向曲面的弹性压力传感器矩阵。将本压力传感器矩阵以固定的压力垂直压于被检组织上，在矩阵面积内的每个压力传感器即可发出不同的电荷变化，进而通过模数转换软件，转换为压力分布图像，以二维或三维形式表现出来。

附图说明

图1：本发明弹性压力传感器矩阵上极板的示意图；

图2：本发明弹性压力传感器矩阵上极板的俯视透视图；

图3：本发明弹性压力传感器矩阵上极板的剖切示意图；

图4：本发明弹性压力传感器矩阵柔性印刷电路板下极板示意图；

图5：本发明弹性压力传感器矩阵立体结构示意图；

图6：本发明平面型弹性压力传感器矩阵的侧面剖切示意图；

图7：本发明曲面型弹性压力传感器矩阵的侧面剖切示意图；

图8：本发明探头立体结构示意图1；

图9：本发明探头立体结构示意图2；

图中：1.弹性压力传感器单元；2.定型背衬；3.弹性压力传感器矩阵；4.经导线；5.纬导线；6.线缆；7.柔性膜；8.裂片槽；9.柔性印刷电路板下极板上面的下电极单元；10.展裂线；11.纬压焊板片；12.柔性印刷电路板下极板；13.硅弹性薄膜；14.把手。

具体实施方式

实施例1：

如图1-6所示，一种弹性压力传感器矩阵，包括弹性压力传感器单元1，所述弹性压力传感器单元1紧密固定于硬性定型背衬2之上，该弹性压力传感器单元1纵列、横列连接，纵列的弹性压力传感器单元1通过经导线4连接，横列的弹性压力传感器单元1通过纬导线5连接，经导线4、纬导线5由线缆6导出。所述弹性压力传感器单元1以单晶硅为基础材料，弹性压力传感器单元的厚度为0.2-3mm。具体地，所述弹性压力传感器单元1的上极板为硅基材料，厚度为0.05-1mm，弹性压力传感器单元1的上极板上面沉积的金属膜片为0.1-1mm的正方形单元，金属膜片厚度为0.0001-0.05mm。金属膜片下面是硅弹性薄膜13，厚度为0.01-0.1mm。硅弹性薄膜13的正下方为0.15-1mm见方的空腔，高度为0.05-1mm。在硅基上极板背面沉积的金属膜片厚度为0.0001-0.003mm，经过金属的湿法腐蚀，形成硅基上极板背面金属膜片焊接单元-0.02-0.5mm宽，外边长为0.19-2mm的金属方框。硅基上极板上面的上电极单元通过相同材料的导线纵向连接，柔性印刷电路板下极板上面的下电极单元9也通过相同材料的导线横向链接。上极板背面的金属膜片焊接单元与下极板上面的下电极单元键合焊接后，在硅基材料上极板内形成高度为0.05-1mm的空腔。所述弹性压力传感器单元1为边长1-5mm的正方形，厚度为0.2-3mm。所述弹性压力传感器单元1之间采用单面微距切割展裂的方式，纵列、横列共同排列组成弹性压力传感器矩阵3。纵列弹性压力传感器单元1为奇数列，奇数列的弹性压力传感器单元1数量至少为7个；横列弹性压力传感器单元1为偶数列，偶数列的弹性压力传感器单元1数量至少为8个。优选将偶数列传感矩阵单元以单一轴向方式进行均匀曲面化处理。所述连接弹性压力传感器单元1的经导线4、纬导线5为铜导丝、金导丝、转印的石墨烯导丝中的一种，经导线4、纬导线5相互绝缘，并分别连接至经压焊板片、纬压焊板片11。所述弹性压力传感器单元1的密度最高达250个/cm²，单点采样频率250Hz，压力传感矩阵的量程为0-1000kPa之间，压力综合测量误差≤5％F.S。

如图7-9所示，一种用于检测组织弹性的探头，包括柔性膜7、弹性压力传感器矩阵3和把手14所述弹性压力传感器矩阵3上面均匀紧密地覆盖有柔性膜7，所述弹性压力传感器矩阵3由上述弹性压力传感器矩阵3组成。当然，为便于人手握持，在探头上部设有把手14。所述柔性膜7为派瑞林、TPU、派瑞林与TPU复合膜中的一种。所述柔性膜7的厚度为0.001-0.5mm，覆盖柔性膜7的弹性压力传感器矩阵3整体撕裂强度达15/15N。所述探头表面可设计为平面或曲面，曲率最小至1/5mm。

具体材料选择和工艺制作：选择厚度为0.2mm，晶向为100的4寸硅片为上极板，正面沉积金膜，厚度0.0002mm；在金膜上涂胶、光刻、显影，再进行湿法腐蚀金，去除光刻胶后，形成上极板上面的上电极单元和经导线4。硅片背面沉积抗碱性氮化硅，厚度0.0005mm，然后涂胶、光刻、显影，干法刻蚀氮化硅，去除光刻胶后硅片背面形成氮化硅保护窗口和裂片槽8开口。在硅片背面沉积金属金膜，厚度0.0002mm，在金膜上涂胶、光刻、显影，再进行金的湿法腐蚀，去除光刻胶后形成硅基上极板背面的金膜片焊接单元-0.05mm宽，外边长为0.2mm的金属方框。用抗碱胶做正面保护，将硅片放入70℃，33％的KOH溶液中浸泡、腐蚀3.5小时，背面窗口的硅被腐蚀掉0.18mm左右，余留厚度0.02mm左右的硅，实现了弹性硅膜。同时因裂片槽开口宽带只有0.14mm，100晶向硅片KOH的腐蚀角度为53.7°，所以腐蚀深度到底0.1mm左右时即自行终止，还留下0.1mm左右的硅作为连接。

下极板选用0.5mm厚的柔性印刷电路板，在柔性印刷电路板的上面沉积金膜，通过刻蚀形成下极板上面的下电极单元和纬导线5。将硅片上极板背面的金膜片焊接单元与柔性印刷电路板下极板12上面的下电极单元进行键合焊接，形成上极板经向排列、下极板纬向排列连接的弹性压力传感器矩阵3。通过硅片晶向裂解的方法，沿裂片槽8及展裂线10展裂上极板，实现单一轴向弯曲的弹性压力传感器矩阵3。再通过经导线4、纬导线5末端的压焊板片分别引出经线缆、维线缆，汇集成总线缆6后连接至控制分析电路。

弹性压力传感器矩阵3表面进行派瑞林表面涂层，进而在硅基矩阵表面形成密度均匀、表面平滑的被膜层，厚度为0.05mm。派瑞林之外的表面覆膜材料为TPU，该材料紧密贴合在传感器矩阵的表面。被覆在弹性压力传感器矩阵3表面的派瑞林及TPU，共同构成了传感器矩阵抵抗温度、湿度、静电感应、电磁感应、漏电感应，射频干扰等影响因素的关键材料。电缆线屏蔽方法采用电缆驱动技术-即保证电缆屏蔽层电位跟踪电容极板电位，使得二者电位的幅值与相位均相同，以消除屏蔽线的分布电容影响。弹性压力传感器矩阵3优选使用电荷放大器而不是电压放大器，使仪器灵敏度与压力传感器内外电缆长度无关。

弹性压力传感器矩阵3的背衬材料选用防静电，硬度均匀适中，适合机械加工的材料，为了使传感器工作中耦合性提高，背衬材料与传感器矩阵接触面设计采用3D matrix或solid works软件设计为适形性一致的外形和曲率。制备Z轴的曲率为1/10mm，X轴长度为24mm，Y轴长度为21mm的探头。其中硅基材料上极板中的空腔厚度为0.18mm。弹性压力传感器矩阵3的压力测量范围为0-100kPa。矩阵中的弹性压力传感器单元1，即压力感应点的点阵密度为56个/cm²，单点采样频率250Hz，压力综合测量误差≤5％F.S。

Claims (8)

1.一种弹性压力传感器矩阵，包括弹性压力传感器单元(1)，其特征在于，所述弹性压力传感器单元(1) 紧密固定于硬性定型背衬(2) 之上，该弹性压力传感器单元(1) 纵列、横列连接，纵列的弹性压力传感器单元(1) 通过经导线(4) 连接，横列的弹性压力传感器单元(1) 通过纬导线(5) 连接，经导线(4)、纬导线(5) 由线缆(6) 导出，所述弹性压力传感器单元(1) 以单晶硅为基础材料, 为边长1-5mm 的正方形，厚度为0.2-3mm，所述弹性压力传感器单元(1) 之间采用单面微距切割展裂的方式，通过硅片晶向裂解的方法，沿裂片槽(8) 展裂压力传感器单元上极板，并将压力传感器单元紧密粘接固定于单一轴向硬性定型背衬（2）之上，进而由传感器单元纵横并列连接成为单一轴向弯曲的弹性压力传感器矩阵(3)。

2.根据权利要求1 所述的弹性压力传感器矩阵，其特征在于，纵列弹性压力传感器单元(1) 为奇数列，奇数列的弹性压力传感器单元(1) 数量至少为7 个；横列弹性压力传感器单元(1) 为偶数列，偶数列的弹性压力传感器单元(1) 数量至少为8 个。

3.根据权利要求2 所述的弹性压力传感器矩阵，其特征在于，将偶数列传感矩阵单元以单一轴向方式进行均匀曲面化处理。

4.根据权利要求1 所述的弹性压力传感器矩阵，其特征在于，所述连接弹性压力传感器单元(1) 的经导线(4)、纬导线(5) 为铜导丝、金导丝、转印的石墨烯导丝中的一种，经导线(4)、纬导线(5) 相互绝缘，并分别连接至经压焊板片、纬压焊板片。

5.根据权利要求1所述的弹性压力传感器矩阵，其特征在于，所述弹性压力传感器单元(1) 的密度最高达250 个/cm2，单点采样频率250Hz，压力传感矩阵的量程为0-1000kPa之间，压力综合测量误差≤ 5％ F.S。

6. 一种用于检测组织弹性的探头，包括柔性膜(7)、弹性压力传感器矩阵(3) 和把手(14)，所述弹性压力传感器矩阵(3) 上面均匀紧密地覆盖有柔性膜(7)，其特征在于，所述弹性压力传感器矩阵(3) 为上述权利要求1-5任一所述。

7.根据权利要求6所述的用于检测组织弹性的探头，其特征在于，所述柔性膜(7)为派瑞林、TPU、派瑞林与TPU 复合膜中的一种。

8. 根据权利要求7 所述的用于检测组织弹性的探头，其特征在于，所述探头表面可设计为平面或曲面，曲率最小至1/5mm。