一種彈性壓力傳感器矩陣及用于檢測(cè)組織彈性的探頭的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種彈性壓力傳感器矩陣及用于檢測(cè)人體組織彈性的探頭，屬醫(yī)療器械技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]彈性壓力傳感器的長(zhǎng)期可靠性、溫濕度穩(wěn)定性、重復(fù)性、零點(diǎn)漂移等靜態(tài)特性，傳感器厚度及其力敏材料的力學(xué)性能，都是影響彈性壓力傳感器性能的重要因素。要探測(cè)彈性壓力分布就需要相同的單個(gè)壓力傳感器構(gòu)成的矩陣來(lái)完成，而每個(gè)壓力傳感器的均質(zhì)性和傳感器間距的均一性、矩陣的層合結(jié)構(gòu)預(yù)緊等因素都會(huì)影響壓力傳感器矩陣的應(yīng)用效果。針對(duì)待檢物的外形和彈性模量的不同，還需要對(duì)壓力傳感器矩陣進(jìn)行柔性處理，而要實(shí)現(xiàn)壓力傳感器矩陣的柔性化，每個(gè)壓力傳感器的均質(zhì)性、傳感器間距的均一性、矩陣的層合結(jié)構(gòu)預(yù)緊等因素在傳統(tǒng)柔性壓力傳感器矩陣上體現(xiàn)的問(wèn)題很多。
[0003]本實(shí)用新型采用微機(jī)電工藝(MEMS)制備的曲面彈性壓力傳感器矩陣和用于檢測(cè)人體組織彈性的探頭，由于單晶硅MEMS傳感器的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，解決了傳統(tǒng)彈性壓力傳感器受溫濕度影響、穩(wěn)定性不良、重復(fù)性較差的問(wèn)題；另外，通過(guò)單面微距切割展裂工藝，在單一軸向曲面硬性定型背襯之上形成的曲面硅基壓力傳感器矩陣，解決了硅基矩陣的柔性彎曲問(wèn)題，又可在單一軸向上無(wú)限擴(kuò)大。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本實(shí)用新型提供一種彈性壓力傳感器矩陣及用于檢測(cè)人體組織彈性的探頭，該探頭仿生人類通過(guò)觸覺(jué)感知物體性狀、外形、大小的過(guò)程-手指對(duì)待檢物體施加一定壓力，在手指頭的單位面積范圍內(nèi)，因同一待檢物的不同部位或相鄰物體的彈性模量不同，待檢物體產(chǎn)生的反作用力差異，即可通過(guò)手指上密集分布的觸覺(jué)小體和神經(jīng)反射收集到大腦神經(jīng)中樞，進(jìn)而在大腦形成并映射描繪出待檢物體的大小、外形、性狀等觸覺(jué)信息。本實(shí)用新型的彈性壓力傳感器矩陣以類似觸覺(jué)小體的彈性壓力傳感器單元為感知單位，利用壓電效應(yīng)將組織彈性壓力的差異轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)的不同，然后，將不同的電信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換和電子分析，以二維和三維圖像表現(xiàn)出組織彈性壓力的差異。
[0005]本實(shí)用新型提供一種彈性壓力傳感器矩陣及用于檢測(cè)組織彈性的探頭，包括彈性壓力傳感單元，所述彈性壓力傳感單元緊密固定于硬性定型背襯之上，該彈性壓力傳感單元縱列、橫列連接，縱列的彈性壓力傳感單元通過(guò)經(jīng)導(dǎo)線連接，橫列的彈性壓力傳感單元通過(guò)瑋導(dǎo)線連接，經(jīng)導(dǎo)線、瑋導(dǎo)線由線纜導(dǎo)出。
[0006]基于上述方案，所述彈性壓力傳感單元以單晶娃為基礎(chǔ)材料，娃基材料的厚度為0.2-3mm。具體地，所述彈性壓力傳感器單元的上極板為娃基材料，厚度為0.05-lmm,彈性壓力傳感器單元的上極板上面沉積的金屬膜片為0.1-1mm的正方形單元，金屬膜片厚度為0.0001-0.05mm。金屬膜片下面是娃彈性薄膜，厚度為0.01_0.1mm。娃彈性薄膜的正下方為0.15-lmm見(jiàn)方的空腔，高度為0.05_1_。在硅基上極板背面沉積的金屬膜片厚度為0.0001-0.003mm，經(jīng)過(guò)金屬的濕法腐蝕，形成娃基上極板背面金屬膜片焊接單元-0.02?0.5mm寬，夕卜邊長(zhǎng)為0.19?2mm的金屬方框。
[0007]所述彈性壓力傳感器矩陣的下極板為柔性印刷電路板，柔性印刷電路板厚度為0.05-lmm,下極板上面覆蓋的下電極單元為0.19_2mm正方形單元，下電極單元厚度為0.0001—0.05mm。
[0008]硅基上極板上面的上電極單元通過(guò)相同材料的金屬導(dǎo)線縱向連接，柔性印刷電路板下極板上面的下電極單元也通過(guò)相同材料的金屬導(dǎo)線橫向鏈接。上極板背面的金屬膜片焊接單元與下極板上面的下電極單元鍵合焊接后，在硅基材料上極板內(nèi)形成高度為0.05-1謹(jǐn)?shù)目涨弧?br>[0009]所述彈性壓力傳感單元為邊長(zhǎng)l_5mm的正方形，厚度為0.2_3mm。所述彈性壓力傳感單元之間采用單面微距切割展裂的方式，背襯藍(lán)膜，縱列、橫列共同排列組成彈性壓力傳感器矩陣。依靠單一軸向彎曲的硬性背襯，通過(guò)上極板的縱向裂片槽展裂后，可實(shí)現(xiàn)傳感器單元在單一軸向的彎曲排列。多個(gè)彈性壓力傳感器單元以縱向、橫向共同緊密排列，組成彈性壓力傳感器矩陣。
[0010]縱列彈性壓力傳感單元為奇數(shù)列，奇數(shù)列的彈性壓力傳感單元數(shù)量至少為7個(gè)；橫列彈性壓力傳感單元為偶數(shù)列，偶數(shù)列的彈性壓力傳感單元數(shù)量至少為8個(gè)。優(yōu)選將偶數(shù)列傳感矩陣單元以單一軸向方式進(jìn)行均勻曲面化處理，實(shí)現(xiàn)曲面硅基MEMS壓力傳感器矩陣，次選制備多角形傳感矩陣單元，再通過(guò)定向硬性背襯實(shí)現(xiàn)固化的曲率。
[0011]所述連接彈性壓力傳感單元的經(jīng)導(dǎo)線、瑋導(dǎo)線為轉(zhuǎn)印的石墨烯導(dǎo)絲、銅導(dǎo)絲、金導(dǎo)絲中的一種，經(jīng)導(dǎo)線、瑋導(dǎo)線相互絕緣，并分別終止于經(jīng)壓焊板片、瑋壓焊板片。從經(jīng)壓焊板片、瑋壓焊板片分別引出的經(jīng)線纜和瑋線纜，相互絕緣并進(jìn)行屏障防護(hù)處理，最后匯聚為總線纜?？偩€纜接入控制電路，聯(lián)通至數(shù)模轉(zhuǎn)換器進(jìn)行計(jì)算分析。
[0012]所述彈性壓力傳感單元的密度最高達(dá)250個(gè)/cm2，單點(diǎn)采樣頻率250Hz，壓力傳感矩陣的量程為O?100kPa之間，壓力綜合測(cè)量誤差< 5% F.S。
[0013]本實(shí)用新型還提供一種彈性壓力傳感器矩陣及用于檢測(cè)組織彈性的探頭，包括柔性膜和彈性壓力傳感器矩陣，所述彈性壓力傳感器矩陣上面均勻緊密地覆蓋有柔性膜，所述彈性壓力傳感器矩陣為上述任意一種彈性壓力傳感器矩陣。柔性膜包繞矩陣下面的硬性定型背襯和與背襯相粘連的把手，而構(gòu)成壓力傳感器探頭。所述柔性膜為派瑞林、TPU、派瑞林與TPU復(fù)合膜中的一種，所有柔性膜的要求是與人體皮膚和粘膜接觸時(shí)沒(méi)有毒害作用。所述柔性膜的厚度為0.001-0.5mm，覆蓋柔性膜的彈性壓力傳感器矩陣整體撕裂強(qiáng)度達(dá)15/15N。
[0014]所述探頭表面可設(shè)計(jì)為平面或曲面，曲率最小至1/5_。要實(shí)現(xiàn)柔性曲面彈性壓力傳感器矩陣，除了需要解決硅基材料柔韌性的問(wèn)題，其它工藝難點(diǎn)也很多。本實(shí)用新型通過(guò)工藝改進(jìn)解決了制備大面積曲面彈性壓力傳感器矩陣的問(wèn)題-采用單面微距切割展裂的微機(jī)電硅基矩陣，緊密覆蓋于單一軸向硬性定型背襯之上，以單一軸向曲面化構(gòu)成彈性壓力傳感器矩陣。軸曲率最小至l/5mm，曲率由單一軸向彎曲的硬性定型背襯決定。
[0015]彈性壓力傳感器矩陣上各點(diǎn)構(gòu)成的每個(gè)彈性壓力傳感單元通過(guò)相互絕緣的經(jīng)導(dǎo)線、瑋導(dǎo)線連接，再匯總集合為總線纜而導(dǎo)出。每根導(dǎo)線由超薄的屏蔽層環(huán)繞，絕緣屏蔽效能強(qiáng)大，屏蔽效能> 60dB，屏蔽范圍在100K-3GHZ。且經(jīng)過(guò)超薄屏障層處理的導(dǎo)線柔軟度和曲度達(dá)到設(shè)計(jì)要求后，這些獨(dú)立引出的經(jīng)導(dǎo)線、瑋導(dǎo)線經(jīng)緊密固定至無(wú)縫隙后構(gòu)成總線纜。中間絕緣介電材料-單晶硅的壓縮永久形變< 20%，10，000次壓縮后性能不變，故彈性壓力傳感器矩陣選擇此材料。
[0016]目前實(shí)現(xiàn)彈性傳感器矩陣的主要工藝方法有二，微機(jī)電工藝和壓電式矩陣，優(yōu)選微機(jī)電工藝(MEMS)，次選壓電式矩陣。MEMS中每個(gè)單晶硅上極板上面的金屬膜片和柔性印刷電路板下極板上面的金屬膜片是構(gòu)成壓力傳感器單元的上、下電極，其初始電容值和變化值都是線性關(guān)系，偏差極小。在_40°C?85°C溫度的環(huán)境下使用，未見(jiàn)電容值的變化。
[0017]基于上述方案，壓力傳感器矩陣的硅基上極板加工工藝為:Si基底-濺射金屬-光刻上電極金屬及導(dǎo)線-濕法刻蝕金屬-背面沉積金屬-光刻背面鏤空窗口和裂片槽-濕法刻蝕金-雙面保護(hù)-KOH濕法腐蝕Si腔體和裂片槽。
[0018]壓力傳感器矩陣柔性印刷電路板下極板的加工工藝為:柔性印刷電路板-濺射金屬-光刻下電極金屬及導(dǎo)線-濕法腐蝕金屬。
[0019]壓力傳感器矩陣的實(shí)現(xiàn)工藝為:硅基上極板的背面金屬膜片與柔性印刷電路板下極板上面的金屬膜片以縱、橫垂直的方向進(jìn)行鍵合焊接，再延著展裂槽，展裂硅基上極板，緊密貼覆于單一軸向硬性定型背襯之上，形成單一軸向柔性壓力傳感器矩陣，再將此傳感器矩陣的背襯粘接至把手。把手的形狀設(shè)計(jì)要便于操作者持握，以便于將探頭矩陣部分均勻施加力量于待檢組織上為原則，故把手的長(zhǎng)軸應(yīng)垂直或平行于探頭矩陣平面。特別地，把手的側(cè)表面和上表面是曲面且適合手持設(shè)計(jì)的，以利于舒適地把持，進(jìn)而使探頭矩陣部均勻施力于待檢組織。
[0020]所述單面微距切割展裂工藝是通過(guò)版圖的合理化設(shè)計(jì)，在濕法腐蝕微結(jié)構(gòu)器件的同時(shí)，利用腐蝕時(shí)硅片的晶向、濕法腐蝕、自終止等特性，直接腐蝕出有一定深度裂片槽的矩陣，矩陣上面以派瑞林覆蓋后倒置。濕法腐蝕工藝一般采用晶向?yàn)?00的硅片，利用此種硅片在KOH的濕法腐蝕中的各項(xiàng)異性和自終止特性，合理化設(shè)計(jì)腐蝕版圖，在腐蝕出帶有鏤空薄膜結(jié)構(gòu)的同時(shí)，也腐蝕出有53.7°腐蝕角的非穿透裂片槽，保證硅片完整并鍵合焊接在柔性印刷電路板膜上，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，即可實(shí)現(xiàn)展裂。按裂片槽與單一軸向硬性背襯相同軸向的方式，將鋪有粘膠的單一軸向硬性定型背襯與彈性壓力傳感器矩陣邊一邊相對(duì)，從一個(gè)側(cè)邊開(kāi)始粘接，同向滾動(dòng)單一軸向硬性定型背襯，即將此矩陣均勻緊密地粘覆于單一軸向硬性定型背襯之上，從而制備出單一軸向彎曲的柔性MEMS壓力傳感器矩陣。
[0021]本實(shí)用新型解決技術(shù)難題所采用的技術(shù)方案是:通過(guò)單面微距切割展裂的工藝改進(jìn)，解決了制備大面積曲面MEMS彈性壓力傳感器矩陣的問(wèn)題，將硅基矩陣緊密背襯于單一軸向定型硬性材料之上，制備出曲面彈性壓力傳感器矩陣。
[0022]本實(shí)用新型的有益效果是，利用壓力傳感器矩陣原理，通過(guò)經(jīng)典的半導(dǎo)體技術(shù)和可靠實(shí)用的MEMS工藝制備的硅基傳感器單元，與柔性印刷電路板縱橫排列，鍵合粘接成彈性壓力傳感器矩陣。以單面微距切割展裂的方式，進(jìn)行縱或橫展裂，以硬性背襯為基準(zhǔn)，構(gòu)成單一軸向曲面的彈性壓力傳感器矩陣。將本壓力傳感器矩陣以固定的壓力垂直壓于被檢組織上，在矩陣面積內(nèi)的每個(gè)壓力傳感器即可發(fā)出不同的電荷變化，進(jìn)而通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換軟件，轉(zhuǎn)換為壓力分布圖像，以二維或三維形式表現(xiàn)出來(lái)。
【附圖說(shuō)明】
[0023]圖1:本實(shí)用新型彈性壓力傳感器矩陣上極板的示意圖；
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