CN108383075B - 一种柔性的mems双电层电容压力传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种柔性的MEMS双电层电容压力传感器及其制备方法，所述传感器包括微腔体，测量电极，参考电极，引出线，所述参考电极或所述测量电极与所述电解质溶液接触表面的正负离子层形成的电容即称为双电层电容，所述电解质溶液与所述测量电极接触面积变化即双电层电容值变化。利用双电层电容测量液体环境的压力值及改变量；液体环境压力发生变化时，进入微腔体内的电解质溶液体积随微腔体内微气泡体积变化而变化，测得进入微腔体内电解质溶液体积变化即可求得环境压力。本发明结构紧凑、尺寸小、灵敏度高、工艺简单且生物兼容性良好，可用于植入体内的压力测量。

Description

一种柔性的MEMS双电层电容压力传感器及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种微型压力传感器，尤其是一种柔性的MEMS双电层电容压力传感器及其制备方法，用于测量液体环境压力，属于可植入医疗器械领域。

背景技术

根据微创介入式治疗目前的发展，手术中使用的压力传感器一般载体为导丝或是导管，现在冠状动脉压力测量中使用的压力导丝直径为360μm，其上搭载的压力传感器尺寸仅为100×150×1300μm³，所以要求心血管介入手术中使用的压力传感器尺寸必须极小；另外，由于该传感器的使用环境为人体环境，所以该传感器中使用的所有材料必须具有良好的生物兼容性，以防止在使用过程中引起炎症等反应或形成血栓；最后，为避免交叉感染等，生物领域内此类传感器均为一次性用品，所以该传感器的工艺流程必须精简，从而降低成本以保证其推广应用。

经对现有技术文献的检索发现，Peter Sarr,Keith Bartel等在SENSORS ANDACTUATORS A 248(2016)38-45撰文“A thin-film pressure transducer forimplantable and intravascular blood pressure sensing”(“用于可植入的血管内血压测量的薄膜压力传感器”《传感器与执行器A》)。该文献中提及了一种通过电容传感器测量血压的压力传感器，原理是基于传统的薄膜形变改变电极间距的方式，其缺点在于使用刚性基底，不利于植入且需要封装，传统测量原理导致灵敏度较低且传感器体积较大。

基于以上观点，一种结构紧凑、尺寸极小、灵敏度高、工艺简单、无需封装且生物兼容性良好的MEMS压力传感器急需被开发制造，该压力传感器对生物医学领域具有非常重要的意义。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种柔性的MEMS双电层电容压力传感器及其制备方法，以便得到一种结构紧凑、尺寸极小、灵敏度高、工艺简单、无需封装且生物兼容性良好的MEMS压力传感器。

根据本发明的第一方面，提供一种柔性的MEMS双电层电容压力传感器，所述传感器包括微腔体、两个微通道、一个测量电极、一个参考电极和一对引出线，其中：

微腔体，位于第一薄膜、第二薄膜之间，所述微腔体的底部为所述第一薄膜的一部分，所述微腔体的上部为所述第二薄膜的一部分，所述微腔体的一端封闭、另一端开口，在所述微腔体的开口端侧面形成至少两个微通道，所述微腔体在浸入电解质溶液中后，所述电解质溶液从所述开口端进入所述微腔体并阻止所述微腔体内气体逸出；

测量电极，用于测量所述电解质溶液与气体界面位置，位于所述微腔体内并位于所述第一薄膜之上；

参考电极，位于所述微腔体外并位于所述第一薄膜之上；

至少一对引出线，用于分别连接所述测量电极、所述参考电极；

所述参考电极或所述测量电极与所述电解质溶液接触表面的正负离子层形成的电容即称为双电层电容，所述电解质溶液与所述测量电极接触面积变化即双电层电容值变化。

优选的，在电解质溶液进入所述微腔体后，在测量双电层电容值的过程中微通道能有效可靠的防止微腔体内微气泡溢出微腔体。

更优选的，所述微气泡为难溶于电解质溶液的气体。

优选的，所述引出线位于所述微腔体外并位于所述第一薄膜之上，所述引出线的形状为蜿蜒状以增强延展性。

优选的，在电解质溶液进入微腔体，电解质溶液接触测量电极和参考电极后，在测量电极和参考电极表面正负离子聚集且离子层间距极小，形成超级电容器；电解质溶液与测量电极接触面积变化改变电容值，即可通过测量双电层电容值变化表征外界压力。

优选的，在电解质溶液进入所述微腔体后，在测量电极和参考电极间施加微小的交流电，测量测量电极和参考电极间的电容和相角。

更优选的，当外界压力发生变化时，电解质溶液与测量电极间接触面积发生变化，在一时间内液体的性质不发生改变，则测量到的电容值由外界环境的压力决定，通过引出线测量测量电极和参考电极间的电容值变化，即求得外界环境的压力值。

优选的，通过比较和分析在测量电极和参考电极间施加的交流电流的频率来获得最优的测量频率。

根据本发明第二方面，提供一种柔性的MEMS双电层电容压力传感器的制备方法，包括如下步骤：

1)在衬底上沉积第一薄膜，作为柔性的MEMS双电层电容压力传感器的底层支撑结构；

2)在第一薄膜上溅射导电层；

3)图形化导电层，形成测量电极以及参考电极图形；

4)用牺牲层工艺定义微腔体的形状；

5)在牺牲层上沉积第二薄膜；

6)在第二薄膜上制掩模并图形化；

7)利用掩模刻蚀第二薄膜，用于打开微通道口，并将传感器引出线暴露，形成电气连接口；

8)释放第一薄膜、第二薄膜之间的牺牲层，形成微腔体；

9)释放器件。

与现有技术相比较，本发明具有如下有益效果：

本发明所述传感器具有很好的柔性和可延展性，可以将该传感器集成至曲面或者平面的刚性衬底上，用于测量外界环境中气体和液体的压力变化。

本发明结构紧凑、尺寸小、灵敏度高、工艺简单且生物兼容性良好，可用于植入体内的压力测量。本发明对于MEMS压力传感器在生物医学领域内的应用和拓展将具有极其重要的意义。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明一实施例的传感器整体结构示意图；

图2为本发明一实施例的传感器制作工艺流程图；

图中：

双电层电容压力传感器1，参考电极2，测量电极3，微腔体4，微通道5，引出线6，衬底7，第一薄膜8，牺牲层9，第二薄膜10。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1所示，一种柔性的MEMS双电层电容压力传感器1的一实施例结构示意图，包括：一个参考电极2、一个测量电极3、一个微腔体4、两个微通道5和一对引出线6，其中：

所述参考电极2，位于微腔体4内并位于第一薄膜8上；

所述测量电极3，位于微腔体4外并位于第一薄膜8上。

所述微腔体4，位于第一薄膜8、第二薄膜10之间，所述微腔体4的底部为所述第一薄膜8的一部分，所述微腔体4的上部为所述第二薄膜10的一部分，所述微腔体4的上部为所述第二薄膜10的一部分，所述微腔体4的一端封闭、所述微腔体4的另一端开口，在所述微腔体4的开口端侧面形成至少两个微通道，所述微腔体4在浸入电解质溶液中后，所述电解质溶液从所述开口端进入所述微腔体4并阻止所述微腔体4内气体逸出。

作为一优选的实施方式，所述微腔体4是通过释放位于第一薄膜8和第二薄膜10中间的牺牲层9形成的，所述微腔体4的底部为所述第一薄膜8的一部分，所述微腔体的上部为所述第二薄膜10的一部分；当然，在其他实施例中，也可以通过其他工艺在第一薄膜8和第二薄膜10中形成微腔体4。

作为一优选的实施方式，如图1所示，所述微腔体4的一端封闭、微腔体4的另一端开口，微腔体4开口端的两侧形成两个平行的微通道5，微腔体4在浸入电解质溶液中后电解质溶液从微通道5进入并阻止气体逸出微腔体4。

如图2所示的实施例中，所述微腔体4通过两层薄膜，即第一薄膜8和第二薄膜10构成，通过在所述第一薄膜8上制作光刻胶牺牲层9来定义微腔体4；所述参考电极2和所述测量电极3制作在第一薄膜8之上，并位于第二薄膜10之下。

进一步的，所述第一薄膜8和第二薄膜10可以采用parylene薄膜，当然在其他实施例中，也可以采用其他材料实现。

本发明上述实施例中的传感器使用时，将整个传感器浸入电解质溶液中的，参考电极和测量电极同时接触电解质溶液，在参考电极和测量电极表面会分别形成一个双电层电容。

本发明使用时，利用双电层电容测量液体环境的压力值及改变量；液体环境压力发生变化时，进入微腔体4内的电解质溶液体积随微腔体4内微气泡体积变化而变化，测得进入微腔体4内电解质溶液体积变化即可求得环境压力。具体的，为表征进入微腔体4内的电解质溶液体积，本发明在微腔体4下布置测量电极，测量电极3与电解质溶液间的双电层电容值的变化；在微腔体4外布置参考电极2，最后采集在两个电极上双电层电容的串联值。

如图2所示，一种柔性的MEMS双电层电容压力传感器的制备方法，所述方法的制作工艺流程如下：

1)CVD方法在玻璃或者硅片衬底7沉积第一薄膜8(Parylene薄膜)，作为柔性MEMS双电层电容传感器的底层支撑结构；

2)在第一薄膜8上溅射Cr/Au层(如图2中(a)所示)；

3)光刻图形化光刻胶，并以光刻胶为掩模，湿法刻蚀Au，形成测量电极2参考电极3以及引出线6图形(如图2中(b)所示)；

4)光刻显影，制作牺牲层9光刻胶(如图2中(c)所示)；

5)CVD方法在牺牲层9光刻胶上沉积第二薄膜10(Parylene薄膜)(如图2中(d)所示)；

6)光刻显影，该光刻胶作为后续工艺中RIE刻蚀的掩膜(如图2中(e)所示)；

7)RIE刻蚀，用于打开微通道5，并将参考电极3暴露(如图2中(f)所示)；

8)丙酮溶解牺牲层9光刻胶，形成微腔体4，暴露测量电极2；

9)从玻璃或者硅片衬底7上释放得到双电层电容压力传感器1(如图2中(g)所示)。

当然，上述制备方法仅仅是本发明中一个实施例，在其他实施例中，上述的薄膜、导电层、衬底等可以根据需要选择其他的材料，并不局限于上述实施例中的记载。这对于本发明没有实质性的影响，同样可以实现本发明的目的。

上述的柔性的MEMS双电层电容压力传感器，通过上述结构，其具体应用时，是基于以下的原理：

所述传感器利用理想气体定律，通过所述电解质溶液压力改变所述微腔体4内气体体积，气体体积改变导致所述电解质溶液与所述测量电极3接触面积变化，双电层电容是存在于所述参考电极2或所述测量电极3与所述电解质溶液接触表面的正负离子层形成的电容，所述电解质溶液与所述测量电极3接触面积变化即双电层电容值变化，测量所述双电层电容变化能够反映所述微腔体4内气体即微气泡大小的变化，从而反映外界环境压力的变化。当外界压力发生变化时电解质溶液与测量电极间接触面积发生变化，则测量到的电容值由外界环境的压力决定，通过测量两测量电极点间的电容值变化，即求得外界环境的压力值。

作为一优选的实施方式，通过比较和分析在测量电极和参考电极间施加的交流电流的频率来获得最优的测量频率：当测量频率从10Hz增加到1MHz的过程中，电容值呈下降趋势，而相位角在2kHz-3kHz间出现极小值，说明在此测量频率下测量到的阻抗是呈电容特性的，则此测量频率极即为最佳测量频率。

在上述传感器应用的实施例中，电解质溶液进入微腔体后，利用交流电桥LCR在测量电极和参考电极间施加微小的交流电，测量两个电极间的电容和相角。

本发明所述传感器具有很好的柔性和可延展性，可以将该传感器集成至曲面或者平面的刚性衬底上，用于测量外界环境中气体和液体的压力变化。

综上实施例可见，本发明提供了一种测量原理新颖、结构紧凑、尺寸小、灵敏度高且生物兼容性良好的MEMS双电层电容压力传感器，其对于MEMS压力传感器在生物医学领域内的应用和拓展将具有极其重要的意义。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (9)

1.一种柔性的MEMS双电层电容压力传感器，其特征在于，包括：

微腔体，位于第一薄膜、第二薄膜之间，所述微腔体的底部为所述第一薄膜的一部分，所述微腔体的上部为所述第二薄膜的一部分，所述微腔体的一端封闭、另一端开口，在所述微腔体的开口端侧面形成至少两个微通道，所述微腔体在浸入电解质溶液中后，所述电解质溶液从所述开口端进入所述微腔体并阻止所述微腔体内气体逸出；

测量电极，用于测量所述电解质溶液与气体界面位置，位于所述微腔体内并位于所述第一薄膜之上；

参考电极，位于所述微腔体外并位于所述第一薄膜之上；

至少一对引出线，用于分别连接所述测量电极、所述参考电极；

所述参考电极或所述测量电极与所述电解质溶液接触表面的正负离子层形成的电容即称为双电层电容，所述电解质溶液与所述测量电极接触面积变化即双电层电容值变化。

2.根据权利要求1所述的一种柔性的MEMS双电层电容压力传感器，其特征在于，所述电解质溶液进入所述微腔体后，所述微通道能防止所述微腔体内微气泡溢出微腔体。

3.根据权利要求2所述的一种柔性的MEMS双电层电容压力传感器，其特征在于，所述微气泡为难溶于电解质溶液的气体。

4.根据权利要求1所述的一种柔性的MEMS双电层电容压力传感器，其特征在于，所述引出线位于所述微腔体外并位于所述第一薄膜之上，所述引出线的形状为蜿蜒状以增强延展性。

5.一种权利要求1-4任一项所述的柔性的MEMS双电层电容传感器的应用方法，其特征在于，包括：

将整个传感器放入电解质溶液中，所述电解质溶液从所述微腔体的开口端进入所述微腔体，通过所述微通道阻止所述微腔体内气体逸出；

所述电解质溶液接触所述测量电极和所述参考电极后，在测量电极和参考电极表面正负离子聚集且离子层间距极小，形成超级电容器；电解质溶液与测量电极接触面积变化改变电容值，即可通过测量双电层电容值变化表征外界压力。

6.根据权利要求5所述的柔性的MEMS双电层电容压力传感器的应用方法，其特征在于，在所述电解质溶液进入所述微腔体后，在所述测量电极和所述参考电极间施加微小的交流电，测量所述测量电极和所述参考电极间的电容和相角，以得到求得外界环境的压力值。

7.根据权利要求6所述的柔性的MEMS双电层电容压力传感器的应用方法，其特征在于，当外界压力发生变化时，所述电解质溶液与所述测量电极间接触面积发生变化，在一时间内液体的性质不发生改变，则测量到的电容值由外界环境的压力决定，通过引出线测量所述测量电极和所述参考电极间的电容值变化，即求得外界环境的压力值。

8.根据权利要求6所述的一种柔性的MEMS双电层电容压力传感器的应用方法，其特征在于，通过比较和分析在所述测量电极和所述参考电极间施加的交流电流的频率来获得最优的测量频率。

9.一种权利要求1-4任一项所述柔性的MEMS双电层电容压力传感器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)在衬底上沉积第一薄膜，作为柔性的MEMS双电层电容压力传感器的底层支撑结构；

2)在第一薄膜上溅射导电层；

3)图形化导电层，形成测量电极、参考电极以及引出线图形；

4)用牺牲层工艺定义微腔体的形状；

5)在牺牲层上沉积第二薄膜；

6)在第二薄膜上制掩模并图形化；

7)利用掩模刻蚀第二薄膜，用于打开微通道口，并将传感器引出线暴露，形成电气连接口；

8)释放第一薄膜、第二薄膜之间的牺牲层，形成微腔体，暴露测量电极；

9)释放器件。