一种柔性压力传感器阵列及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种柔性压力传感器阵列及其制备方法，其中方法包括：在SOI基片上通过光刻及刻蚀对硅电阻进行图形化；生长二氧化硅层；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欧姆接触区；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，制备接触电极和下层引线；生长聚对二甲苯介质层；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；溅射导电材料制备上层引线；在器件上表面旋涂形成第一聚酰亚胺包覆层；在第一聚酰亚胺包覆层上表面暂键合；去除器件下方SOI基片的埋氧层及衬底；旋涂第二聚酰亚胺包覆层；解除上表面暂键合。本发明专利技术采用聚酰亚胺以及聚对二甲苯，保证柔性以及生物兼容性。

A Flexible Pressure Sensor Array and Its Preparation Method

The invention relates to a flexible pressure sensor array and a preparation method thereof. The methods include: patterning silicon resistance on SOI substrate by lithography and etching; growing silicon dioxide layer; implanting boron ions into patterned silicon resistance under silicon dioxide layer, and re-doping at both ends to form ohmic contact zone; punching above ohmic contact zone of each silicon resistance bar. Opening electrode window; sputtering conductive material to prepare contact electrode and lower lead; growing poly (p-xylene) dielectric layer; preparing lead hole in the area corresponding to the second contact electrode in the poly (p-xylene) dielectric layer; preparing upper lead by sputtering conductive material; spinning coating on the surface of the device to form the first polyimide coating; temporary bonding on the surface of the first polyimide coating; remover; The oxygen-embedded layer and the substrate of the SOI substrate under the part; the second polyimide coating by spinning; the temporary bonding on the upper surface is removed. The invention adopts polyimide and polyp-xylene to ensure flexibility and biocompatibility.

【技术实现步骤摘要】
一种柔性压力传感器阵列及其制备方法
本专利技术涉及传感器
，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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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，本专利技术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。在根据本专利技术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。在根据本专利技术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。在根据本专利技术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。在根据本专利技术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。在根据本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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。在根据本专利技术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。实施本专利技术的柔性压力传感器阵列及制备方法，具有以下有益效果：本专利技术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为根据本专利技术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为根据本专利技术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为根据本专利技术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为根据本专利技术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专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术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专利技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，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，都属于本专利技术保护的范围。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，为根据本专利技术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，为根据本专利技术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，本专利技术选用的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本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种柔性压力传感器阵列的制备方法，其特征在于，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。

【技术特征摘要】
1.一种柔性压力传感器阵列的制备方法，其特征在于，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。2.根据权利要求1所述的柔性压力传感器阵列的制备方法，其特征在于，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。3.根据权利要求1所述的柔性压力传感器阵列的制备方法，其特征在于，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。4....

【专利技术属性】
技术研发人员：余家阔，高成臣，孙泽文，程胜战，原福贞，陈有荣，毛子木，韩超，
申请(专利权)人：北京大学第三医院，北京大学，
类型：发明
国别省市：北京,11