MEMS压力传感器在义齿力学研究中的应用
发布时间：2010-11-29 13:35
发布者：techshare
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给出一种用于义齿压力测量的微型电容式传感器的研制工艺和封装测试。文中根据电容式压力传感器的原理，采用MEMS工艺，研制出微型传感器。在与义齿基托相同材料的作底基的树脂上挖一个边长为2 rnlTl平整的方形小坑，将传感器分布式埋植入底基，并用自制的施加压力的装置对传感器进行测试，从而检测出压力对口腔下方组织的作用力。测量结果表明，该传感器能够准备地测量出当牙齿咬合时，义齿基托所承受的力和力的分布。该传感器性能良好，具有比较稳定的输入与输出关系，适用于口腔恶劣环境下测量义齿对口腔下方组织作用力。 义齿下方粘膜及粘膜下方的力学性能研究，对于义齿修复后，义齿下方粘膜及粘膜下方的骨组织所承受的作用力机理研究有重要意义。指导修复形状，使作用力在允许范围之内，并对作用力超过允许力时，对支持组织产生损伤进行评价。多年来，对这个作用力的测定一直为口腔修复学界和医用传感器研究者所关注，且现有的测定方法多是在义齿基托下方粘贴一个贴片压阻式压力传感器，但贴片压阻式压力传感器的弹性模量与义齿基托不一致，与检测组织表面也不吻合，也难与周围基托表面平齐，所测力的大小误差比较大，而且难以测定出力的分布情况_1 ]。针对这些问题，文中采用MEMS电容式压力传感器的原理，设计了一个长x宽x高为2．2 mmx 1．8 mmx 0．6mm的MEMS电容式压力传感器，再采用分布式埋植入义齿基托内的方法，能够准确测试出义齿下方粘膜及粘膜下方的骨组织所承受的力和力的分布。该传感器结构稳定，测量稳定性好，具有良好的线性度，力的最小分辨率为0．1克，灵敏度高，能够在一100℃～200℃ 的温度范围内稳定工作，具有宽的温度适用范围，能够适用于口腔的恶劣环境下作用力的测定。 1 传感器的工艺流程 传感器是采用MEMS工艺来实现，采用到的工艺有：氧化、光刻、套刻、扩散、ICP刻、镀膜、硅一玻璃键合等工艺。加工过程主要包括硅片上的加工工艺，玻璃上的加工工艺，以及硅一玻璃键合后的加工工艺。 半导体硅片经过氧化、光刻、刻蚀、扩散、再氧化、套刻、刻蚀，从而完成了硅片正面的工艺，主要包括凹槽和绝缘层的形成。反面再经过反面光刻、刻蚀、形成正负电极引出线PAD和填充凹槽。其中，扩散的目的是为了形成2 m左右的功能性硼硅膜(P+膜)，在进行扩散前，对硅片应进行标准清洗。由于扩散时，硅表面会与氧气发生作用而形成了一层硼硅玻璃，所以要去除。使用湿法腐蚀去表面多余附着的硼硅玻璃。在玻璃的加工中，选用厦门福芯微电子科技有限公司的7740玻璃晶片，经过光刻、镀膜形成玻璃上溅射的金属层，即为下极板金属电极。再经过硅一玻璃键合、刻蚀、ICP刻、镀膜，从而完成了整个传感器的制作。在一片硅片上集成的器件，通过切片将硅片划分为一个个的小器件，以便下一步的封装和测试。 2 封装和测试 在对单个传感器负载下的压力测试中，本课题组采用的方法是：使用与义齿基托相同材料的树脂 作为底基，在树脂上挖一个边长为2 mm平整的方形小坑，将传感器埋植进去，再采用相同材料的冷凝 树脂和义齿基托专用树脂混合，滴在传感器表面封装平整，使其平面与底基平面一致，待其凝固后，就可以得到表面材质与义齿材质一致的覆盖面，封装后如图1所示。  在对埋植在底基中的传感器施加040．67 MPa(0-90 psi)范围内的压力进行施加压力与输出电压的关系进行测试，得到如图2所示的测试电容时所施压力与输出电压的分布关系和多项式拟合曲线。在图2中，对其中一点进行测试并对测试的各点进行多项式拟合，得到的拟合趋势线的R平方值为0．9901，表明测试中输出的电压分布和拟合曲线具有良好的拟合度，在后续工作中编程时以趋势线作为外界施加压力与输出电压的对应关系，其误差值很小。  为了完成义齿的在线人体测试，首先进行了在义齿模拟测量装置上的实时检测。该装置将封装在义齿上的传感器通过引线引出，从而测量出基座与义齿底部的受力大小。义齿模拟测量装置的结构如图3所示。  用义齿模拟测量装置测量当咀嚼压碎有一定硬度的食物时，牙齿基座的变化过程如图4所示。  3 结论 测试结果表明，该传感器性能良好，具有比较稳定的输入与输出关系，能较准确地测量到外界的压力变化。另外由于被测电容相对较小，测试过程中容易受到导线、焊点等外界因素的干扰会产生一定的误差，所以接下去的工作中可以采用ADC把模拟电压信号转换成数字信号，并将利用这种具有良好的拟合度的趋势线，做为外界施加压力与输出电压的对应关系曲线编写相应的软件系统以便临床测试时对数据的直接读取。 |
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