一种脉搏传感器及其集成化工艺方法

1.本发明涉及传感器技术领域，具体涉及一种脉搏传感器及其集成化工艺方法、以及在医疗领域中的应用。


背景技术：

2.随着科学技术的迅速发展，现代传感器技术倍受重视，尤其是在人体健康监测设备领域，愈发趋于便携式及可穿戴式，如腕式血压计、指夹式血氧仪和健康监测手环等，这对传感器的微型化及低功耗的需求随之增加，设计一种应用于智能手环的微型低功耗脉搏传感器及制作工艺方法对高精度脉搏监测尤为重要。
3.根据采集信号的方式，脉搏传感器主要分为光电式、压阻式、压电式等。光电式脉搏传感器通过红外发光二极管反射或透射的方式，将血管在脉搏跳动过程中透光率的变化转换为电信号输出。压阻式脉搏传感器通过惠斯通电桥将脉搏跳动过程中材料电阻率的变化转换为电信号输出。压电式脉搏传感器为压电材料随脉搏跳动发生形变而产生极化电荷，输出电信号。基于新型压电材料的压电式脉搏传感器具有动态响应快、信噪比高和工艺简单等特点。
4.为进一步降低功耗、提高动态响应、降低噪声干扰和提高测量准确度，需要给出一种无源、动态响应快、信噪比高且准确度高的脉搏传感器及其制作工艺。


技术实现要素：

5.基于上述技术背景，本发明人进行了锐意进取，采用微电子机械加工技术和纳米薄膜制备技术制作阵列化压电式脉搏传感器，该压电式脉搏传感器包括力测量结构和抗过载结构，力测量结构安装在抗过载结构上，力测量结构和抗过载结构均包括由弹性衬底和压电结构等组成的力敏感单元，在脉搏力的作用下，弹性衬底发生弹性形变，使压电结构产生相应输出电荷，实现脉搏力大小的测量，所述力敏感单元采用3
×
3压电力敏感单元阵列，可实现脉搏力的多点独立监测，有利于脉搏信号的分析及提高信噪比，同时采用双层力敏感单元堆叠的方式，在所测力过大时，抗过载结构可对力测量结构进行支撑保护及过载报警。本发明所述压电式脉搏传感器具有无源、动态响应性好、准确性高等特点，从而完成本发明。
6.本发明第一方面在于提供一种压电式脉搏传感器，所述压电式脉搏传感器包括力测量结构和抗过载结构，力测量结构安装在抗过载结构上方。
7.本发明第二方面在于提供一种本发明第一方面所述压电式脉搏传感器的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
8.步骤1、一次氧化，在衬底6表面生长sio2层，形成绝缘层5；
9.步骤2、清洗，进行一次光刻，采用磁控溅射法制备底电极4，底电极图形化；
10.步骤3、清洗，进行二次光刻，采用磁控溅射法制备压电薄膜3，剥离工艺去胶，压电层图形化；
11.步骤4、清洗，进行三次光刻，采用真空蒸镀法制备顶电极2，剥离工艺去胶，顶电极2图形化；
12.步骤5、采用化学气相沉积法生长钝化层1；
13.步骤6、清洗，进行四次光刻，采用反应离子刻蚀钝化层1引线孔窗口，通过磁控溅射系统制备金属阻挡层；
14.步骤7、清洗，进行五次光刻，通过电镀法制备浸润焊接层，剥离工艺去胶，浸润焊接层图形化；
15.步骤8、清洗，进行六次光刻，采用电感耦合等离子体刻蚀金属阻挡层；
16.步骤9、焊料回流，形成金凸点；
17.步骤10、清洗，进行七次光刻，在衬底6背面刻蚀硅杯窗口和力传导接触点7；
18.步骤11、采用倒装焊技术，将力测量结构与抗过载结构焊接；
19.步骤12、将带有键帽8的聚乙烯柔性覆盖膜9与力测量结构的力敏感单元底部粘连，完成脉搏传感器的封装。
20.本发明的第三方面在于提供一种本发明第一方面所述压电式脉搏传感器或由本发明第二方面所述制备方法制得的压电式脉搏传感器的应用，其可用于脉搏监测，优选作为健康监测手环的脉搏传感器或便携式脉搏测试仪等。
21.本发明提供的一种脉搏传感器及其集成化工艺方法具有以下优益效果：
22.(1)本发明所述脉搏传感器结构为3
×
3压电力敏感单元阵列，采用并行输出的电学连接方式，可实现脉搏力多点独立监测，提供多信号输出通道，有利于脉搏信号的分析及提高信噪比；
23.(2)本发明所述脉搏传感器的力敏感单元通过硅膜底部的力传导结构实现脉搏力的传递，选用具有高压电系数d
31
和d
33
的li掺杂zno压电薄膜作为敏感层，可将弹性硅膜形变转化为相对应的电量输出，实现对脉搏力的监测；
24.(3)本发明基于压电效应，可将脉搏跳动引起的弹性硅膜形变量直接转换为电量输出，具有无源、小型化、动态响应好的特点，有利于对脉搏信号的采集，在实际应用中有利于降低系统功耗，并设计抗过载结构，易于实现智能化测试；
25.(4)本发明制作工艺简单，可批量生产。
附图说明
26.图1示出本发明所述压电式脉搏传感器芯片结构示意图；
27.图2a示出本发明所述力敏感单元结构示意图；
28.图2b示出本发明所述力敏感单元结构剖视图；
29.图3示出本发明所述实现脉搏力测量的压电结构等效电路；
30.图4(1)～(14)示出本发明所述脉搏传感器芯片制作工艺流程图；
31.图5示出本发明所述压电式脉搏传感器的力敏输出特性曲线；
32.图6示出本发明所述压电式脉搏传感器的动态响应特性测试结果。
33.附图标号说明
34.1-钝化层；
35.2-顶电极；
36.3-压电薄膜；
37.4-底电极；
38.5-绝缘层；
39.6-衬底；
40.7-力传导接触点；
41.8-键帽；
42.9-柔性覆盖膜；
43.10-焊点；
44.11-焊盘。
具体实施方式
45.下面将对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。
46.本发明第一方面在于提供一种压电式脉搏传感器，如图1所示，所述压电式脉搏传感器包括力测量结构和抗过载结构，力测量结构安装在抗过载结构上方。
47.其中，力测量结构和抗过载结构均包括力敏感单元，力测量结构还包括柔性覆盖膜9，柔性覆盖膜9粘附于力敏感单元底部，作为与皮肤接触的媒介。
48.本发明中，抗过载结构的芯片尺寸和量程均大于力测量结构，力测量结构安装在抗过载结构上，当所测力过载时，抗过载结构对力测量结构进行支撑保护及过载报警。
49.抗过载结构上表面边长比力测量结构上表面边长优选大1000～3000μm，更优选大2000μm。
50.根据本发明一种优选实施方式，所述力敏感单元包括衬底6、绝缘层5、底电极4、压电薄膜3、顶电极2和钝化层1。
51.所述衬底6上依次沉积绝缘层5、底电极4、压电薄膜3、顶电极2和钝化层1，如图2所示。
52.当脉搏跳动时，产生的外力通过柔性覆盖膜9，使衬底6发生弹性形变，基于压电效应，压电薄膜上下表面产生极化电荷，顶电极和底电极产生电信号，该电信号的大小与所受应力大小相关，可实现对脉搏力的测量，使该脉搏传感器具有无源、动态响应性好等优点。
53.优选地，所述衬底6为弹性材料，弹性材料在受到外力时，发生弹性形变，进而使压电薄膜产生极化电荷，更优选衬底6为弹性硅膜。采用硅作为衬底更有利于向压电薄膜传递弹性形变，脉搏监测灵敏、准确。
54.衬底6的厚度优选为400～600μm，更优选为525μm。
55.所述绝缘层5为二氧化硅层，其厚度优选为300～500nm，更优选为400nm。
56.所述底电极4为钛/铂层，其中，钛的厚度为50～100nm，优选钛的厚度为50nm，铂的厚度为100～150nm，优选铂的厚度为150nm。
57.压电薄膜3为li掺杂zno层，其中，li在zno中的质量百分比优选为(3～10)wt％，更优选为5wt％。
58.本发明选用具有高压电系数d
31
和d
33
的li掺杂zno作为压电薄膜，可实现弹性衬底形变转换为相对应的电量输出，提高对脉搏力监测的灵敏度。
2)。
79.所述底电极4厚度优选为100～300nm，更优选为200nm。
80.底电极4为钛/铂层，其中，钛的厚度为50nm，铂的厚度为150nm。
81.步骤3、清洗，进行二次光刻，采用磁控溅射法制备压电薄膜3。
82.所述压电薄膜3优选为li掺杂zno薄膜，li在zno中的质量百分比浓度为(3～10)wt％，优选为5wt％。
83.压电薄膜3的厚度优选为200～300nm，更优选为250nm。
84.对制备的压电薄膜进行退火处理，以消除压电薄膜缺陷。
85.退火于真空环境中进行，退火温度优选为700～800℃，更优选为750℃，退火时间优选为90～150min，更优选为120min。在上述温度和时间范围内进行退火，更有利于压电薄膜缺陷的消除。
86.剥离工艺去胶，压电层图形化(如图4-3)。
87.步骤4、清洗，进行三次光刻，采用真空蒸镀法制备顶电极2。
88.所述顶电极2为金属铝层，其厚度优选为100～300nm，更优选为200nm。
89.最后剥离工艺去胶，顶电极图形化(如图4-4)。
90.步骤5、采用化学气相沉积法生长钝化层1(如图4-5)。
91.生长钝化层前进行清洗。
92.钝化层1为氮化硅层，厚度优选为100～200nm，更优选为150nm。
93.步骤6、清洗，进行四次光刻，采用反应离子刻蚀(rie)钝化层1引线孔窗口(如图4-6)。
94.通过磁控溅射系统制备金属阻挡层(如图4-7)，厚度优选为100～300nm，更优选为200nm。
95.所述金属阻挡层为钛/钨层，其中，钛的厚度为50nm，钨的厚度为150nm。
96.步骤7、清洗，进行五次光刻，通过电镀法制备浸润焊接层(如图4-8)。剥离工艺去胶，浸润焊接层图形化(如图4-9)。
97.所述浸润焊接层为金层，其厚度优选为10～30μm，更优选为20μm。
98.步骤8、清洗，进行六次光刻，采用电感耦合等离子体刻蚀金属阻挡层(如图4-10)。
99.步骤9、焊料回流，形成金凸点(如图4-11)。
100.对晶片做回流，焊料由于表面的张力而形成光滑的球形焊料凸点，即焊点10。
101.步骤10、清洗，进行七次光刻，在衬底6背面刻蚀硅杯窗口和力传导接触点7(如图4-12)。
102.在衬底背面采用mems技术刻蚀方形腐蚀坑，优选采用电感耦合等离子体(icp)刻蚀方形腐蚀坑(如图4-13)，即为硅杯窗口，如图2b所示。
103.所述mems技术是指微电子机械加工系统(mems，micro-electro-mechanical system)，是指对微米/纳米材料进行设计、加工、制造、测量和控制的技术，也叫做微电子机械系统、微系统、微机械等，其特点为小尺寸、多样化，制备的器件体积小，集成化高。
104.力测量结构中硅杯深度优选为400～550μm，更优选为480μm。
105.所述力传导接触点7为圆柱形，位于硅杯窗口的中心，如图2b所示，力测量结构中的力传导接触点的直径优选为500～700μm，更优选为600μm。
106.抗过载结构的硅杯深度优选为350～500μm，更优选为425μm，抗过载结构中的力传导接触点的直径优选为700～900μm，更优选为800μm。
107.步骤11、采用倒装焊技术，将力测量结构与抗过载结构焊接(如图4-14)。
108.倒装焊技术是指ic芯片倒扣在封装衬底上，互连凸点阵列分布于硅片表面，与封装外壳或布线基板直接互连的一种技术，属于面阵列封装。
109.抗过载结构的力传导接触点7与力测量结构焊接一侧表面之间的间距为弹性硅膜的最大挠度，当所测力过载时，力测量结构的弹性硅膜衬底弯曲达到最大，与抗过载结构的力传导接触点相接触，抗过载结构产生脉冲输出信号，实现过载报警功能。
110.步骤12、将带有键帽8的聚乙烯柔性覆盖膜9与力测量结构的力敏感单元底部粘连，完成脉搏传感器的封装。
111.优选地，采用xl-312ab聚乙烯胶水，将带有键帽的聚乙烯柔性覆盖膜与力测量结构的力敏感单元底部粘连，柔性覆盖膜作为脉搏传感器与皮肤接触的媒介。
112.所述键帽的底部设有凹槽，粘连过程中将力测量结构中力敏感单元的力传导接触点嵌入键帽底部的凹槽中，嵌套后键帽和力传导接触点的总高度略高于硅杯深度，有利于力传导接触点与手腕脉搏点的良好接触，可实现各方向的脉搏力监测。
113.本发明的第三方面在于提供一种本发明第一方面所述压电式脉搏传感器或由本发明第二方面所述制备方法制得的压电式脉搏传感器的应用，其可用于脉搏监测，优选作为健康监测手环的脉搏传感器或便携式脉搏测试仪等。
114.实施例
115.以下通过具体实例进一步阐述本发明，这些实施例仅限于说明本发明，而不用于限制本发明范围。
116.实施例1
117.采用下述步骤制作脉搏传感器：
118.步骤1、一次氧化，将清洗后的单晶硅(衬底6)，采用热氧化法在其表面生长二氧化硅，形成绝缘层5；
119.其中，在衬底的上下表面均生长二氧化硅，形成绝缘层5，二氧化硅的生长温度为1050℃，单晶硅的厚度为525μm，二氧化硅(绝缘层)的厚度为400nm。
120.步骤2、清洗，进行一次光刻，采用磁控溅射法制备底电极4(ti/pt)，形成底电极窗口，底电极4厚度为200nm，底电层图形化；
121.其中，钛的厚度为50nm，铂的厚度为150nm。
122.步骤3、清洗，进行二次光刻，采用磁控溅射系统制备压电薄膜结构3(li掺杂zno)，形成压电层窗口，压电薄膜3厚度为250nm，于750℃下真空环境退火处理120min，剥离工艺去胶，压电层图形化；
123.其中，li掺杂zno的质量百分比为5wt％。
124.步骤4、清洗，进行三次光刻，采用真空蒸镀法制备顶电极2(al)，刻蚀顶电极窗口，顶电极2厚度为200nm，剥离工艺去胶，顶电极图形化。
125.步骤5、清洗，采用等离子体增强化学气相沉积法生长钝化层1(si3n4)，钝化层1厚度为150nm。
126.步骤6、清洗，进行四次光刻，采用反应离子刻蚀钝化层引线孔窗口，通过磁控溅射
系统制备金属阻挡层(ti/w)，金属阻挡层厚度为200nm；
127.其中，钛的厚度为50nm，钨的厚度为150nm。
128.步骤7、清洗，进行五次光刻，通过电镀法制备浸润焊接层(电极引出的焊点)(au)，浸润焊接层厚度为20μm，剥离工艺去胶，浸润焊接层图形化。
129.步骤8、清洗，进行六次光刻，采用电感耦合等离子体刻蚀金属阻挡层。
130.步骤9、焊料回流，形成金凸点，即焊点10。
131.步骤10、清洗，进行七次光刻，背面刻蚀硅杯窗口，采用电感耦合等离子体(icp)刻蚀方形腐蚀坑及圆柱体接触点(圆柱体接触点即为力传导接触点7)，力测量结构的硅杯深度为480μm，圆柱体接触点(力传导接触点7)的直径为600μm。
132.抗过载结构的硅杯深度为425μm，力传导接触点的直径为800μm。
133.步骤11、采用倒装焊技术将力测量结构与抗过载结构焊接。
134.步骤12、采用xl-312ab聚乙烯胶水，将带有键帽8的聚乙烯柔性覆盖膜9与力敏感单元粘连，完成脉搏传感器的封装。
135.实验例
136.实验例1力敏感性能测试
137.采用压力测试系统对实施例1制备的脉搏传感器进行力敏特性测试与分析，其中，施加外力为0～175kpa。在检测时，将脉搏传感器安装在刚性密闭腔体中，顶电极与底电极连接数字万用表的正负极。由于本发明中各力敏感单元具有工艺和结构一致性，因此以其中一个单元举证说明，如图5示出阵列中的其中一个单元检测结果。
138.从图5中可以看出，当外加作用力增大时，本发明所述脉搏传感器顶电极和底电极之间输出的电压差随之增大，且压力与外加压力之间呈一定线性关系，表现力敏感特性。
139.实验例2动态响应特性测试
140.采用脉冲压力测试装置对实施例1制备的脉搏传感器进行动态响应特性测试与分析，其中，脉冲压力最大值为100kpa。在检测时，将脉搏传感器安装在刚性密闭腔体中，顶电极与底电极连接数字万用表的正负极。由于本发明中的9个力敏感单元具有工艺和结构一致性，因此以其中一个单元举证说明，如图6示出阵列中的其中一个单元检测结果。
141.从图6中可以看出，当外加压力大小发生突变时，本发明所述脉搏传感器可瞬间产生明显电压输出，外加压力为100kpa时，输出电压约为9.97mv，表现出较好的动态响应特性。
142.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于本发明工作状态下的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
143.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”“相连”“连接”应作广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体的连接普通；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
144.以上结合了优选的实施方式对本发明进行了说明，不过这些实施方式仅是范例性的，仅起到说明性的作用。在此基础上，可以对本发明进行多种替换和改进，这些均落入本发明的保护范围内。