一種柔性的mems氣泡壓力傳感器及其應用和制備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種壓力傳感器，尤其是一種柔性的MEMS氣泡壓力傳感器及其制備方法，用于測量氣體和液體環境的壓力，屬于MEMS器件設計制造領域。
【背景技術】
[0002]用于氣體或液體壓力測量的壓力傳感器有著極其廣泛的應用，而采用MEMS技術制作的壓力傳感器具有體積小、價格低、可批量化生產的優點，此類微型化的器件尤其便于集成安裝和測量。近年來傳感器技術開始在生物醫學領域大量應用，人體生理參數壓力傳感器被廣泛的應用在微創的活體內測量，如顱內壓力監測、介入式血管內血流壓力測量、以及眼內壓力測量等。
[0003]為了滿足微創醫療的要求，此類壓力傳感器相比其他應用領域的器件具有更小的尺寸，例如，目前用于冠狀動脈壓力測量的壓力導絲直徑僅為0.36mm，該壓力導絲所用到的一款壓力傳感器尺寸為100 X 150 X 1300 μ m，是目前世界上尺寸最小的測量血壓的壓力傳感器。同時，由于使用環境的特殊性，要求此類傳感器具有良好的生物兼容性，以免引起炎癥反應和血栓形成，因此對器件的材料和封裝提出了較高的要求；此外，由于此類傳感器大多屬于一次性使用的耗材，傳感器的制作成本應盡量低，否則將加劇患者的經濟壓力和資源的浪費，從而限制其應用。
[0004]目前的MEMS壓力傳感器都是基于硅基底的，例如壓阻式和電容式的壓力傳感器，其結構通常是在一個硬的基底上制作出一個微腔體，該腔體由一個可變形的柔性膜所封閉，該柔性薄膜在外界壓力變化時發生撓度的變化，通過測量該薄膜的變形來計算外界壓力的變化。但是，此種結構和測量原理通常意味著復雜的制作工藝和相對較大的體積尺寸，而且器件必須封裝以提高硅等脆性材料的生物兼容性。
[0005]因此，開發一種測量原理新穎、制作工藝簡單、生物相容性良好以及尺寸更小的MEMS壓力傳感器尤為重要，其對于MEMS壓力傳感器在生物醫學領域內的應用和拓展將具有極其重要的意義。
【發明內容】
[0006]針對現有MEMS壓力傳感器技術中的局限性，本發明的目的是提供一種全新MEMS壓力傳感器方案，該壓力傳感器測量原理新穎、制作工藝簡單、生物相容性良好以及尺寸更小。
[0007]根據本發明的一個方面，提供一種柔性的MEMS氣泡壓力傳感器，所述傳感器包括微腔體、一對測量電極和兩個微通道，其中:
[0008]微腔體，是由第一層Parylene薄膜和第二層Parylene薄膜通過釋放位于兩層Parylene薄膜中間的犧牲層光刻膠形成的微腔體；
[0009]微腔體，呈狹長狀，微腔體的一端封閉、另一端開口，在該開口的中部封閉將開口分割形成兩個平行的微通道；微腔體在浸入溶液中后形成用于壓力測量的微氣泡；
[0010]一對測量電極，作為測量微氣泡大小的電化學測量電極，位于第一層Parylene薄膜、第二層Parylene薄膜之間；一對測量電極分別布置在微腔體的兩端，其中一個位于微腔體的封閉一端內部、另一個位于微腔體的開口一端；
[0011]所述氣泡壓力傳感器利用毛細力之內角流動原理，利用毛細力將導電溶液吸入微腔體中形成微氣泡，并用微氣泡作為壓力測量的敏感單元，用于短時間內的液體和氣體壓力的測量；測量微氣泡隨外界壓力變化時的阻抗變化，該阻抗變化能夠反映微氣泡大小的變化，從而反映外界環境壓力的變化。
[0012]優選地，所述的微腔體沿垂直方向上投影呈矩形，在長度方向上一端封閉，另一端開口，開口被分割為兩個平行的微通道。
[0013]更優選地，所述的微通道在形成微氣泡后將微氣泡捕獲在微腔體內，在測量的過程中能有效可靠的防止微氣泡溢出微腔體。
[0014]優選地，所述的微腔體的橫截面(即垂直于長度方向)為弓形橫截面；弓形橫截面為軸對稱圖形，具有兩個相等的截面內角，且截面內角均為銳角。
[0015]優選地，所述的微腔體能夠在浸入溶液中后在微腔體中形成微氣泡，具體的:在將微腔體浸入溶液環境中后，液體將在毛細力的作用下通過兩個微通道流入微腔體，形成兩條穩定的內角毛細流，由于微通道的尺寸相對于微腔體的尺寸更小，原來殘留在微腔體內的氣體將被封閉在微腔體中無法排出，兩條內角毛細流分別沿著微腔體兩側銳利的內角向微腔體內流動，隨后在微腔體的另一端處匯合，外部液體持續流入微腔體，壓縮封閉在微腔體中的氣體，直至液體壓力、氣體壓力以及彎液面附加壓力達到平衡。
[0016]更優選地，同時采用氧等離子對微腔體的結構材料Parylene內表面和外表面進行改性，降低溶液和Parylene的接觸角Θ，使其滿足Concus_Finn條件:Θ〈 jt /2- α。
[0017]優選地，所述的微氣泡的形成是自發的，并不完全可控，由于兩個微通道接觸液體的時間先后存在細微差別，將導致在隨機情況下形成的氣泡大小存在一定重復性的差別，因此有必要將形成后的氣泡進行修剪，以達到大小一定和形態一致的氣泡；
[0018]采用抽負壓的方式，將形成微氣泡后的壓力傳感器置于密閉腔體中，抽負壓至一定值時，微腔體中封閉的氣體體積發生膨脹，多余氣體通過微通道排出，剩余氣體在次負壓下填滿整個微腔體。隨后將該密閉腔體內的壓力升至標準大氣壓，充滿微腔體內的氣體收縮至一定大小，由于在該特定負壓條件下微腔體內剩余的氣體的量剛好充滿微腔體，其氣體的量剛好是一定，當回到標準大氣環境下以后，氣體的體積也是一定的，具有不同初始微氣泡體積大小的氣體最后都具有相同的微氣泡體積，這樣即實現了微氣泡的修剪；
[0019]修剪后，微氣泡體積減小，兩個測量電極全部溶液覆蓋，兩個測量電極之間包含一個狹長型的微氣泡和兩條內角毛細液柱。
[0020]根據本發明的第二方面，提供一種柔性的MEMS氣泡壓力傳感器的應用方法，所述MEMS氣泡壓力傳感器形成微氣泡后，利用交流電橋LCR在兩個測量電極間施加微小的交流電，測量兩個測量電極間的電化學阻抗ΙΖΒΙ，ΙΖΒΙ由幾部分組成:電化學界面阻抗ZD、內角毛細液柱阻抗Ζε、以及氣體阻抗ΖΑ;溶液為離子型導電液體，當測量頻率大于一定值的時候，ZB?ZC，而Zc= PLC/2AC，其中:P為導電液體的電阻率，LC為內角毛細微液柱的長度，Ac為內角毛細微液柱的截面積；
[0021]微氣泡為狹長型時，當外界壓力發生變化時微氣泡橫向方向的尺寸不發生變化，而僅僅在長度方向上發生伸縮，即4不發生變化，僅有Lc發生變化；在一時間內液體的性質不發生改變，則測量到的阻抗值ZB僅僅由微氣泡的長度決定，也即僅由外界環境的壓力決定，通過測量兩測量電極點間的電化學阻抗，即求得外界環境的壓力值。
[0022]根據本發明的第三方面，提供一種柔性的MEMS氣泡壓力傳感器的制備方法，所述方法包括如下步驟:
[0023]1)在玻璃或者硅片襯底上濺射金屬Cr/Cu，作為最后的釋放層；
[0024]2) CVD方法在釋放層上沉積第一層Parylene薄膜，作為柔性MEMS氣泡壓力傳感器底層支撐結構；
[0025]3)在第一層Parylene上派射Cr/Au層，Cr用于增強第一層Parylene和Au的結合力，Au具有較好的導電性能和延展性，能夠保證柔性器件的電氣連接的可靠性；
[0026]4)光刻圖形化光刻膠，并以光刻膠為掩膜，濕法刻蝕Au，形成測量電極的圖形；
[0027]5)光刻顯影，制作犧牲層光刻膠，該犧牲層光刻膠用于定義微腔體的形狀，由于該犧牲層光刻膠的形貌直接決定了能否形成穩定的內角流動，在此采用接觸式光刻機，增大曝光間隙，