本发明专利技术提供了一种柔性的MEMS气泡压力传感器及其应用和制备方法，所述传感器包括微腔体、一对测量电极和两个微通道，利用气泡作为压力敏感单元测量液体和气体环境的压力值及改变量；外界压力发生变化时，气泡体积发生变化，通过测量气泡体积变化即求得环境压力变化；测量气泡体积变化，在气泡两端布置一对测量电极并施加交流电以测量气泡阻抗，阻抗直接反应气泡体积；利用毛细力形成气泡，气泡形成是自发的，气泡存留时间通过选择难溶于液体的气体进行延长以延长传感器测量寿命；在形成气泡后通过抽负压方式将气泡多余体积排除，以获得大小一定且可控的气泡用于压力测量。本发明专利技术测量原理新颖、制作工艺简单、生物相容性良好以及尺寸更小。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种压力传感器，尤其是一种柔性的MEMS气泡压力传感器及其制备方法，用于测量气体和液体环境的压力，属于MEMS器件设计制造领域。
技术介绍
用于气体或液体压力测量的压力传感器有着极其广泛的应用，而采用MEMS技术制作的压力传感器具有体积小、价格低、可批量化生产的优点，此类微型化的器件尤其便于集成安装和测量。近年来传感器技术开始在生物医学领域大量应用，人体生理参数压力传感器被广泛的应用在微创的活体内测量，如颅内压力监测、介入式血管内血流压力测量、以及眼内压力测量等。为了满足微创医疗的要求，此类压力传感器相比其他应用领域的器件具有更小的尺寸，例如，目前用于冠状动脉压力测量的压力导丝直径仅为0.36mm，该压力导丝所用到的一款压力传感器尺寸为100 X 150 X 1300 μ m，是目前世界上尺寸最小的测量血压的压力传感器。同时，由于使用环境的特殊性，要求此类传感器具有良好的生物兼容性，以免引起炎症反应和血栓形成，因此对器件的材料和封装提出了较高的要求；此外，由于此类传感器大多属于一次性使用的耗材，传感器的制作成本应尽量低，否则将加剧患者的经济压力和资源的浪费，从而限制其应用。目前的MEMS压力传感器都是基于硅基底的，例如压阻式和电容式的压力传感器，其结构通常是在一个硬的基底上制作出一个微腔体，该腔体由一个可变形的柔性膜所封闭，该柔性薄膜在外界压力变化时发生挠度的变化，通过测量该薄膜的变形来计算外界压力的变化。但是，此种结构和测量原理通常意味着复杂的制作工艺和相对较大的体积尺寸，而且器件必须封装以提高硅等脆性材料的生物兼容性。因此，开发一种测量原理新颖、制作工艺简单、生物相容性良好以及尺寸更小的MEMS压力传感器尤为重要，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。
技术实现思路
针对现有MEMS压力传感器技术中的局限性，本专利技术的目的是提供一种全新MEMS压力传感器方案，该压力传感器测量原理新颖、制作工艺简单、生物相容性良好以及尺寸更小。根据本专利技术的一个方面，提供一种柔性的MEMS气泡压力传感器，所述传感器包括微腔体、一对测量电极和两个微通道，其中:微腔体，是由第一层Parylene薄膜和第二层Parylene薄膜通过释放位于两层Parylene薄膜中间的牺牲层光刻胶形成的微腔体；微腔体，呈狭长状，微腔体的一端封闭、另一端开口，在该开口的中部封闭将开口分割形成两个平行的微通道；微腔体在浸入溶液中后形成用于压力测量的微气泡；一对测量电极，作为测量微气泡大小的电化学测量电极，位于第一层Parylene薄膜、第二层Parylene薄膜之间；一对测量电极分别布置在微腔体的两端，其中一个位于微腔体的封闭一端内部、另一个位于微腔体的开口一端；所述气泡压力传感器利用毛细力之内角流动原理，利用毛细力将导电溶液吸入微腔体中形成微气泡，并用微气泡作为压力测量的敏感单元，用于短时间内的液体和气体压力的测量；测量微气泡随外界压力变化时的阻抗变化，该阻抗变化能够反映微气泡大小的变化，从而反映外界环境压力的变化。优选地，所述的微腔体沿垂直方向上投影呈矩形，在长度方向上一端封闭，另一端开口，开口被分割为两个平行的微通道。更优选地，所述的微通道在形成微气泡后将微气泡捕获在微腔体内，在测量的过程中能有效可靠的防止微气泡溢出微腔体。优选地，所述的微腔体的横截面(即垂直于长度方向)为弓形横截面；弓形横截面为轴对称图形，具有两个相等的截面内角，且截面内角均为锐角。优选地，所述的微腔体能够在浸入溶液中后在微腔体中形成微气泡，具体的:在将微腔体浸入溶液环境中后，液体将在毛细力的作用下通过两个微通道流入微腔体，形成两条稳定的内角毛细流，由于微通道的尺寸相对于微腔体的尺寸更小，原来残留在微腔体内的气体将被封闭在微腔体中无法排出，两条内角毛细流分别沿着微腔体两侧锐利的内角向微腔体内流动，随后在微腔体的另一端处汇合，外部液体持续流入微腔体，压缩封闭在微腔体中的气体，直至液体压力、气体压力以及弯液面附加压力达到平衡。更优选地，同时采用氧等离子对微腔体的结构材料Parylene内表面和外表面进行改性，降低溶液和Parylene的接触角Θ，使其满足Concus_Finn条件:Θ〈 jt /2- α。优选地，所述的微气泡的形成是自发的，并不完全可控，由于两个微通道接触液体的时间先后存在细微差别，将导致在随机情况下形成的气泡大小存在一定重复性的差别，因此有必要将形成后的气泡进行修剪，以达到大小一定和形态一致的气泡；采用抽负压的方式，将形成微气泡后的压力传感器置于密闭腔体中，抽负压至一定值时，微腔体中封闭的气体体积发生膨胀，多余气体通过微通道排出，剩余气体在次负压下填满整个微腔体。随后将该密闭腔体内的压力升至标准大气压，充满微腔体内的气体收缩至一定大小，由于在该特定负压条件下微腔体内剩余的气体的量刚好充满微腔体，其气体的量刚好是一定，当回到标准大气环境下以后，气体的体积也是一定的，具有不同初始微气泡体积大小的气体最后都具有相同的微气泡体积，这样即实现了微气泡的修剪；修剪后，微气泡体积减小，两个测量电极全部溶液覆盖，两个测量电极之间包含一个狭长型的微气泡和两条内角毛细液柱。根据本专利技术的第二方面，提供一种柔性的MEMS气泡压力传感器的应用方法，所述MEMS气泡压力传感器形成微气泡后，利用交流电桥LCR在两个测量电极间施加微小的交流电，测量两个测量电极间的电化学阻抗ΙΖΒΙ，ΙΖΒΙ由几部分组成:电化学界面阻抗ZD、内角毛细液柱阻抗Ζε、以及气体阻抗ΖΑ;溶液为离子型导电液体，当测量频率大于一定值的时候，ZB?ZC，而Zc= PLC/2AC，其中:P为导电液体的电阻率，LC为内角毛细微液柱的长度，Ac为内角毛细微液柱的截面积；微气泡为狭长型时，当外界压力发生变化时微气泡横向方向的尺寸不发生变化，而仅仅在长度方向上发生伸缩，即4不发生变化，仅有Lc发生变化；在一时间内液体的性质不发生改变，则测量到的阻抗值ZB仅仅由微气泡的长度决定，也即仅由外界环境的压力决定，通过测量两测量电极点间的电化学阻抗，即求得外界环境的压力值。根据本专利技术的第三方面，提供一种柔性的MEMS气泡压力传感器的制备方法，所述方法包括如下步骤:1)在玻璃或者硅片衬底上溅射金属Cr/Cu，作为最后的释放层；2) CVD方法在释放层上沉积第一层Parylene薄膜，作为柔性MEMS气泡压力传感器底层支撑结构；3)在第一层Parylene上派射Cr/Au层，Cr用于增强第一层Parylene和Au的结合力，Au具有较好的导电性能和延展性，能够保证柔性器件的电气连接的可靠性；4)光刻图形化光刻胶，并以光刻胶为掩膜，湿法刻蚀Au，形成测量电极的图形；5)光刻显影，制作牺牲层光刻胶，该牺牲层光刻胶用于定义微腔体的形状，由于该牺牲层光刻胶的形貌直接决定了能否形成稳定的内角流动，在此采用接触式光刻机，增大曝光间隙，当前第1页1 2 3 4 本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种柔性的MEMS气泡压力传感器，其特征在于，所述传感器包括微腔体、一对测量电极和两个微通道，其中：微腔体，是由第一层Parylene薄膜和第二层Parylene薄膜通过释放位于两层Parylene薄膜中间的牺牲层光刻胶形成的微腔体；微腔体，呈狭长状，微腔体的一端封闭、另一端开口，在该开口的中部封闭将开口分割形成两个平行的微通道；微腔体在浸入溶液中后形成用于压力测量的微气泡；一对测量电极，作为测量微气泡大小的电化学测量电极，位于第一层Parylene薄膜、第二层Parylene薄膜之间；一对测量电极分别布置在微腔体的两端，其中一个位于微腔体的封闭一端内部、另一个位于微腔体的开口一端；所述气泡压力传感器利用毛细力之内角流动原理，利用毛细力将导电溶液吸入微腔体中形成微气泡，并用微气泡作为压力测量的敏感单元，用于短时间内的液体和气体压力的测量；测量微气泡随外界压力变化时的阻抗变化，该阻抗变化能够反映微气泡大小的变化，从而反映外界环境压力的变化。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：刘景全，唐龙军，杨斌，陈翔，杨春生，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海;31
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