一种柔性压力传感器阵列及其制备方法与流程

本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种柔性压力传感器阵列及其制备方法和用于膝关节压力测量的组件。

背景技术：

微机电系统(microelectromechanicalsystem，mems)压力传感器，通常由硅杯、硅力敏电阻条等组合而成，硅力敏电阻条作为压阻单元，对表面所受压力进行感应测量。测量压力分布的柔性传感器阵列，通常以聚酯类材料作为柔性基底，保证压力传感器的柔韧度，以填充碳黑、石墨或者金属等材料形成的导电聚合物作为压阻单元，对表面所受压力进行感应测量。

然而，对于膝关节假体表面压力测量而言，现有柔性传感器阵列具有以下缺陷：(1)放置于膝关节假体表面的传感器存在生物兼容性问题，无法运用于活体实验；(2)放置于膝关节假体内部进行测量，采用导电聚合物等压阻材料等，会对传感器的迟滞性、可测量程、精确性等产生负面影响；(3)尺寸限制，可放置于膝关节假体上的传感器数目较少，测量点密度较低，难以达到实际需求效果。(4)量程限制，难以满足膝关节假体内部量程在mpa以上的压力测试需求。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是，针对现有柔性压力传感器阵列的至少一部分的缺陷，提供一种柔性压力传感器阵列及其制备方法和用于膝关节压力测量的组件。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种柔性压力传感器阵列的制备方法，包括以下步骤：

在soi基片上通过光刻及刻蚀对硅电阻进行图形化；

在光刻后的soi基片上生长二氧化硅层，作为缓冲和保护层；

向二氧化硅层下图形化的硅电阻注入硼离子，并在两端位置进行重掺杂以形成硅电阻条的欧姆接触区；

通过光刻在每根硅电阻条的欧姆接触区上方打开电极窗口；

溅射导电材料，在每根硅电阻条两端的欧姆接触区上制备接触电极，并制备与其中第一接触电极连接的下层引线；

生长聚对二甲苯介质层以覆盖电阻条；

通过光刻和刻蚀在聚对二甲苯介质层上对应第二接触电极的区域制备引线孔；

溅射导电材料，并制备与第二接触电极连接的上层引线；

在器件上表面旋涂聚酰亚胺，依次按温度梯度固化后形成第一聚酰亚胺包覆层；

在第一聚酰亚胺包覆层上通过临时键合胶进行上表面暂键合；

去除器件下方的soi基片的埋氧层及衬底；

在器件下表面旋涂聚酰亚胺，依次按温度梯度固化后在器件底面形成第二聚酰亚胺包覆层；

解除上表面暂键合，获得柔性压力传感器阵列。

在根据本发明所述的柔性压力传感器阵列的制备方法中，优选地，所述对硅电阻进行图形化后定义了多排硅电阻条，每排硅电阻条的第一接触电极通过平行的上层汇流条引出，每根硅电阻条的延伸方向一致且垂直于所连接的上层汇流条，每排硅电阻条的第二接触电极通过平行的下层汇流条引出，所述下层汇流条的延伸方向平行于所述硅电阻条。

在根据本发明所述的柔性压力传感器阵列的制备方法中，优选地，所述制备方法中通过剪薄抛光工艺去除器件下方的soi基片的埋氧层及硅衬底。

在根据本发明所述的柔性压力传感器阵列的制备方法中，优选地，所述制备方法中在旋涂聚酰亚胺后，依次按照以下温度梯度固化：

第一阶段：在60～90℃下固化10-40min；

第二阶段：在110～130℃下固化10-40min；

第三阶段：在150-180℃下固化10-40min；

第四阶段：在190～200℃下固化0-20min；

第五阶段：在210～230℃下固化10-40min；

第六阶段：在240～260℃下固化10-40min。

在根据本发明所述的柔性压力传感器阵列的制备方法中，优选地，所述soi基片包括五边形的阵列区和长方形的引线区；所述对硅电阻进行图形化后定义的多排硅电阻条位于阵列区，且每排硅电阻条的布置间隔相等。

在根据本发明所述的柔性压力传感器阵列的制备方法中，优选地，所述导电材料为ti/au。

本发明还提供了一种柔性压力传感器阵列，采用如前所述的方法制备。本发明所述的柔性压力传感器阵列可以用于膝关节、脊柱关节或髋关节的假体表面压力测量。

本发明还提供了一种用于膝关节压力测量的组件，包括：

膝关节假体，所述膝关节假体包括股骨假体、胫骨假体和安装于所述胫骨假体上方的垫片，所述垫片的上表面开设有片形槽；

如上所述的方法制备的柔性压力传感器阵列，设置于所述垫片的片形槽内。

在根据本发明所述的用于膝关节压力测量的组件中，优选地，所述片形槽包括：内侧髁槽和外侧髁槽；以及从内侧髁槽和外侧髁槽分别向两侧延伸的走线槽。

实施本发明的柔性压力传感器阵列及制备方法，具有以下有益效果：本发明采用聚酰亚胺以及聚对二甲苯等机械性能、生物兼容性均良好的材料，对压力传感器阵列进行包覆，保证其柔性以及生物兼容性，并相应提供了一套制备工艺步骤，能够满足例如膝关节压力分布的测量要求。

附图说明

图1为根据本发明优选实施例的柔性压力传感器阵列平面结构示意图；

图2至图15为根据本发明优选实施例的柔性压力传感器阵列的制备工艺流程示意图；

图16为根据本发明优选实施例的膝关节假体表面压力测量组件中膝关节假体的安装示意图；

图17为根据本发明优选实施例的膝关节假体表面压力测量组件中垫片的结构图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在附图中示出了根据本公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状以及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。

在本公开的上下文中，当将一层/元件称作位于另一层/元件“上”时，该层/元件可以直接位于该另一层/元件上，或者它们之间可以存在居中层/元件。另外，如果在一种朝向中一层/元件位于另一层/元件“上”，那么当调转朝向时，该层/元件可以位于该另一层/元件“下”。

请参阅图1，为根据本发明优选实施例的柔性压力传感器阵列平面结构示意图。请结合参阅图2至图15，为根据本发明优选实施例的柔性压力传感器阵列的制备工艺流程示意图。该实施例提供的柔性压力传感器阵列的制备方法包括以下步骤：

(1)如图2所示提供soi基片，并在该soi基片上通过光刻对硅电阻进行图形化，如图3所示。其中soi基片包括硅电阻层、埋氧层2和硅衬底3。光刻之后硅电阻层形成了图形化的硅电阻，包括多根硅电阻条1。光刻单个硅电阻条尺寸为：长为200～1000um，宽为10～100um，电阻条彼此间距50～500um。优选地，本发明选用的soi基片包括五边形的阵列区13和长方形的引线区14，对硅电阻进行图形化后定义的多排硅电阻条1位于阵列区13，且每排硅电阻条1的布置间隔相等。优选地，五边形的阵列区13为长方形缺角的设计，以与膝关节假体形状适配。

(2)在光刻后的soi基片上生长二氧化硅层4，作为缓冲和保护层，如图4所示。

(3)向二氧化硅层下图形化的硅电阻注入硼离子，并在两端位置进行重掺杂以形成硅电阻条1的欧姆接触区5，如图5所示。欧姆接触区5可以降低金属引线与硅电阻条之间的接触电阻。硅电阻条1是通过掺杂b离子形成，上面的二氧化硅层4起缓冲作用。优选地，该步骤中硅电阻条的b⁺掺杂剂量为2e13～5e14，注入能量为50～180kev；硅电阻条两端欧姆接触区域的b⁺掺杂剂量为2e15～5e16，注入能量为50～180kev；在注入b⁺后进行退火，其温度为800～1050℃，时间为3h～24h，并且整个退火过程采用n2氛围。

(4)通过光刻在每根硅电阻条1的欧姆接触区5上方打开电极窗口，如图6所示。

(5)溅射导电材料，在每根硅电阻条两端的欧姆接触区5上制备接触电极，包括第一接触电极61和第二接触电极62，并制备与其中第一接触电极61连接的下层引线63，如图7所示。优选地，该导电材料为ti/au。ti/au是由钛和金共同作为电极以及引线材料，其中钛在底层，增强与硅之间的粘附性，金在上层。ti的厚度大约为au的厚度则为

(6)在器件上表面生长聚对二甲苯(parylene)介质层7以覆盖电阻条和下层引线63等，如图8所示。优选地，该步骤中生成的parylene介质层7的厚度为2～3um。

(7)通过光刻及刻蚀在聚对二甲苯介质层7上对应第二接触电极62的区域制备引线孔，如图9所示。

(8)溅射导电材料，并制备与第二接触电极62连接的上层引线64，如图10所示。聚对二甲苯介质层7起到隔离上层引线64与下层引线63的作用，同时具有很好的生物相容性。

上述上层引线64包括了多根平行的上层汇流条，下层引线63包括了多根平行的下层汇流条。相应地，前述步骤中对硅电阻进行图形化后定义了多排硅电阻条1，每排硅电阻条1的第一接触电极61通过平行的上层汇流条引出，每根硅电阻条的延伸方向一致且垂直于所连接的上层汇流条。每排硅电阻条的第二接触电极62通过平行的下层汇流条引出，下层汇流条的延伸方向平行于所述硅电阻条1。引线区14中上层引线和下层引线平行设置。本发明通过行列上下两层布线，并从同一侧引出，减小了引线占据面积，同时满足测量需求。

(9)在器件上表面旋涂聚酰亚胺(pi)，依次按温度梯度固化后形成第一聚酰亚胺包覆层8，如图11所示。

(10)在第一聚酰亚胺包覆层8上通过临时键合胶进行上表面暂键合，如图12所示。例如通过临时键合胶9将第一聚酰亚胺包覆层8粘附到厚度为400um的硅衬片上。

(11)去除器件下方的soi基片的埋氧层2及硅衬底3，如图13所示。优选地，该步骤中通过剪薄抛光工艺(cmp)去除器件下方的soi基片的埋氧层2及硅衬底3。

(12)在器件下表面旋涂聚酰亚胺，依次按温度梯度固化后在器件底面形成第二聚酰亚胺包覆层12，如图14所示。

(13)解除上表面暂键合，获得柔性压力传感器阵列，如图15所示。

本发明还针对所使用的聚酰亚胺的固化工艺进行了研究。优选地，上述方法中步骤(9)和(12)在旋涂聚酰亚胺后，依次按照以下温度梯度固化：第一阶段：在60～90℃下固化10-40min；第二阶段：在110～130℃下固化10-40min；第三阶段：在150-180℃下固化10-40min；第四阶段：在190～200℃下固化0-20min；第五阶段：在210～230℃下固化10-40min；第六阶段：在240～260℃下固化10-40min。上述六个阶段温度从低至高，聚酰亚胺在连续经过上述过程之后可以达到很好的固化粘结效果。本发明还提供了一种柔性压力传感器阵列，采用如前所述的方法制备。该柔性压力传感器阵列可以用于膝关节、脊柱关节或髋关节的假体表面压力测量。

本发明还相应提供了一种用于膝关节压力测量的组件，至少包括：膝关节假体和如前所述的柔性压力传感器阵列。

请参阅图16，为根据本发明优选实施例的膝关节假体表面压力测量组件中膝关节假体的安装示意图。如图所示，其中，膝关节假体包括股骨假体10、胫骨假体20和垫片30。股骨假体10安装于截骨后的股骨40远端，其下表面形态与截骨手术前个体的股骨远端形态一致，可以通过预先扫描个体的医学影像数据，建立膝关节三维数字化模型，并基于该膝关节三维数字化模型进行虚拟截骨操作，从而设计出个性化的股骨假体。胫骨假体20又被称为胫骨金属托，安装于截骨后的胫骨50近端。胫骨假体20和垫片30是根据安装个体截骨前的胫骨近端形状而设计，也是通过对胫骨模型进行虚拟截骨操作后设计出的个性化假体。其中垫片30的上表面形态与设计的股骨假体10的表面形态相匹配。垫片30安装于胫骨假体30上方，且垫片30的上表面开设有片形槽31。垫片30优选采用超高分子聚乙烯垫片。柔性压力传感器阵列设置于垫片30的片形槽31内。垫片30的周径与安装个体的胫骨平台尺寸一致。实际胫骨平台的骨头表面，拥有很多凹凸结构，本发明的超高分子聚乙烯垫片表面的形态是在充分模仿原有骨表面形态的基础上，和假体稳定性设计的基础上去制作的。本领域基础技术人员熟知并能设计该垫片30的表面形态，因此不再进行赘述。

柔性压力传感器阵列100的形状与垫片30的片形槽形状相符，通过例如生物粘合的方式，粘附到垫片30表面，实现在活体动物关节置换术后，对膝关节表面假体的力学分布的测量。本发明将柔性压力传感器阵列放置在膝关节假体表面，可以减少假体材料的干扰，提高测量结果的精确度。

请结合参阅图17，为根据本发明优选实施例的膝关节假体表面压力测量组件中垫片的结构图。垫片30的上表面与安装个体的胫骨平台表面形态一致，片形槽31中各个位置的厚度相等，且片形槽31的底面弧度与胫骨平台表面对应位置的弧度一致。片形槽包括：内侧髁槽311和外侧髁槽312；以及从内侧髁槽311和外侧髁槽312分别向两侧延伸的走线槽313。内侧髁槽311和外侧髁槽312分布在对应胫骨隆起两侧的位置，其尺寸可以根据安装个体的胫骨平台大小进行调整。在本发明的优选实施例中，内侧髁槽311和外侧髁槽312均呈五边形，此五边形贴近超高分子聚乙烯边缘，涵盖膝关节表面受力区域优选地，每个槽的面积均为70mm2左右，即最大长边的长度约为12mm，前后底边分别为4mm、7mm。该片形槽31的厚度优选200um，在保证传感器阵列敏感性及其覆盖材料的韧带度要求的基础上，最大程度保持了原有超高分子聚乙烯垫片的结构的完整性，为检测膝关节假体表面生物力学提供最真实可靠的数据结果。虽然该实施例中给出了片形槽31的具体开设形式，但是本领域基础技术人员可以根据需要进行调整。本发明不仅将pi、parylene材料与soi相结合，制备利用pi以及parylene层包覆的重掺杂单晶硅电阻条阵列，还按照膝关节压力测试的要求，对其阵列分布，外形等进行了针对设计；其优势在于，可以很好与膝关节测量环境相匹配，具备生物兼容性，在活体实验中拥有着一定的应用前景。

本发明的柔性压力传感器阵列可以通过引线引出至实验个体的膝关节皮下，与绑定在膝关节外部的fpc电路板、单片机以及无线通讯模块相连接，并将信号输出至pc端，进行结果显示。本发明的柔性压力传感器阵列中重掺杂的硅力敏电阻条在受到外界的压力时会产生形变，内部应力会导致电阻率发生变化，从而引起硅力敏电阻条的阻值变化，通过测量硅力敏电阻条阵列的阻值变化，便可以得到外界的压力分布。因此，当股骨施加压力至膝关节假体表面时，柔性压力传感器阵列感应到外界压力变化，并产生相应信号，利用单片机控制柔性压力传感器阵列的数据信号采集过程，并通过fpc电路板对所采集的信号进行传输。信号在通过单片机模块的进一步处理之后，利用无线通讯模块，将信号传输至pc端进行收集与直观显示。

综上所述，本发明提供了一种柔性压力传感器阵列以及采用该阵列的组件，可运用于活体实验中，测量例如个性化膝关节假体表面压力分布。其中采用pi(聚酰亚胺)以及parylene(聚对二甲苯)等机械性能、生物兼容性均良好的材料，对压力传感器阵列进行包覆，保证其柔性以及生物兼容性，满足活体实验条件。并且本发明利用mems加工技术，通过一定工序，将soi片制备成重掺杂的单晶硅力敏电阻条阵列，对所受压力进行测量。与现有技术相比，为了满足膝关节压力分布的测量要求，本发明存在着不同的光刻版图、工艺步骤、参数以及加工材料等。由于导电聚合物、聚酯类材料的杨氏模量远小于单晶硅电阻条以及pi材料，所以在面对外部同等的较大压强时，本发明的柔性压力传感器阵列的形变量会较小，相对迟滞性以及可测量程表现会更好，此外重掺杂的单晶硅电阻条其压阻系数大，电阻变化值明显，精确性也会更高。因此，本发明的传感器体积小，使用寿命长，可测量程大，测量面积、密度大，迟滞性等性能表现更好。本发明的上述柔性压力传感器阵列以及采用该阵列的组件的尺寸适用于动物beagle犬膝关节，当应用于不同生物体时，其尺寸可根据需要设计。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。