无线无源非侵入式MEMS眼压传感器及其制作方法.pdf

《无线无源非侵入式MEMS眼压传感器及其制作方法.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《无线无源非侵入式MEMS眼压传感器及其制作方法.pdf（9页完整版）》请在专利查询网上搜索。

1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利 (10)授权公告号 (45)授权公告日 (21)申请号 201510065578.X (22)申请日 2015.02.09 (65)同一申请的已公布的文献号 申请公布号 CN 104545794 A (43)申请公布日 2015.04.29 (73)专利权人 中国科学院电子学研究所 地址 100190 北京市海淀区北四环西路19 号 (72)发明人 王军波 刘丽娟 陈德勇 (74)专利代理机构 中科专利商标代理有限责任 公司 11021 代理人 宋焰琴 (51)Int.Cl. A61B 3/16(2006.01) 审查员 万语 (54)发。

2、明名称 无线无源非侵入式MEMS眼压传感器及其制 作方法 (57)摘要 一种非侵入式无线无源眼压传感器及其制 作方法， 所述眼压传感器包括： 柔性衬底层、 第一 电极层、 中间层、 第二电极层和柔性衬底层， 且所 述中间层的一部分构成所述中央电容的介电层， 所述第一电极层和第二电极层的对应部分构成 所述中央电容的极板； 所述柔性衬底层选用 ParyleneC薄膜制作， 所述中间层采用PDMS材料 制作。 本发明的整套工艺简单易行； 采用额外的 边缘电容实现电容与电感的串联， 结构简单； 传 感器电极制作简单， 所制备的电极电阻率低， 有 利于获取较高的品质因数， 提高检测信号的信噪 比。 权利。

3、要求书1页 说明书4页 附图3页 CN 104545794 B 2017.04.12 CN 104545794 B 1.一种非侵入式无线无源眼压传感器， 其特征在于， 采用一种C-L-C的串联结构， 即电 感分别与两个电容的一个极板相连， 两个电容的另一个极板通过导线相连， 其中两个电容 分别为边缘电容与中央电容， 所述边缘电容起连接所述电感和所述中央电容的作用， 且所 述边缘电容的容值远大于所述中央电容的容值。 2.根据权利要求1所述的非侵入式无线无源眼压传感器， 其中所述眼压传感器包括： 第 一柔性衬底层、 第一电极层、 中间层、 第二电极层和第二柔性衬底层， 并且所述中间层的一 部分构成。

4、所述中央电容和边缘电容的介电层， 所述第一电极层和第二电极层的对应部分构 成所述中央电容和边缘电容的极板， 所述第一电极层的一部分还形成所述电感。 3.根据权利要求2所述的非侵入式无线无源眼压传感器， 其中所述第一柔性衬底层和 第二柔性衬底层均选用Parylene C薄膜材料制作。 4.根据权利要求2所述的非侵入式无线无源眼压传感器， 其中所述第一柔性衬底层和 第二柔性衬底层的厚度均为5-25 m。 5.根据权利要求2所述的非侵入式无线无源眼压传感器， 其中所述中间层选用聚二甲 基硅氧烷材料制作。 6.根据权利要求2所述的非侵入式无线无源眼压传感器， 其中采用电镀铜的方式制备 所述第一电极层和。

5、第二电极层。 7.根据权利要求2所述的非侵入式无线无源眼压传感器， 其中所述眼压传感器为MEMS 传感器， 且所述眼压传感器为曲面传感器。 8.一种非侵入式无线无源眼压传感器的制备方法， 包括以下步骤： 利用真空气相沉积法， 在基板上沉积一层具有生物兼容性的柔性材料； 在所述柔性材料上沉积铬/金种子层； 在所述种子层上涂布光刻胶并光刻， 然后在光刻图案上电镀铜层； 去除未电镀铜层区域的光刻胶， 刻蚀除去所述区域的铬/金种子层； 在上述制备的结构上涂布聚二甲基硅氧烷作为中间层； 重复上述步骤分别得到所述眼压传感器的上下芯片， 利用聚二甲基硅氧烷作为中间层 进行键合； 将得到的结构从所述基板上剥离。

6、， 继续采用热压法对得到的所述结构进行塑形， 所述 热压法为在真空条件下加热处理固定在曲面模具上的所述结构， 处理温度为170， 处理时 间不少于30min； 将得到的结构从所述曲面模具表面剥离， 得到最终的所述眼压传感器的产品。 9.根据权利要求8所述的非侵入式无线无源眼压传感器的制备方法， 其中所述具有生 物兼容性的柔性材料为Parylene C薄膜， 膜厚为5-25 m。 10.根据权利要求8所述的非侵入式无线无源眼压传感器的制备方法， 其中在所述刻蚀 除去所述区域的铬/金种子层的步骤中还包括采用氨水和双氧水溶解去除沉积物的步骤。 权 利 要 求 书 1/1 页 2 CN 1045457。

7、94 B 2 无线无源非侵入式MEMS眼压传感器及其制作方法 技术领域 0001 本发明涉及微传感器加工领域， 更具体地涉及一种无线无源非侵入式MEMS眼压传 感器及其制作方法。 背景技术 0002 青光眼是由于病理性眼压升高导致特征性视神经损害和视野缺损的一种疾病， 是 全球第2位的不可逆致盲性眼病。 眼压的升高是诊断和治疗青光眼的重要指标。 部分患者在 门诊时间内眼压检测正常， 但仍出现了青光眼致盲。 分析发现， 青光眼患者眼压在24h(小 时)内的波动较大， 在门诊以外某时， 例如睡眠或清晨时达到峰值。 因而准确和连续的眼压 检测对青光眼的诊断和及时治疗具有非常重要的意义。 0003 传。

8、统的眼压测量法， 例如指测法、 直接法和眼压计检测法等均无法实现眼压连续 检测。 而采用MEMS工艺制备的新型眼压传感器可以实现眼压24h连续监测。 0004 新型眼压传感器根据传感器是否需要植入眼组织可分为植入式与非侵入式。 0005 早期植入式眼压传感器采用硅作为基底， 通过刻蚀、 溅射等工艺得到电极结构。 但 是， 无源式植入传感器一方面要求最小化器件尺寸， 从而最小化植入损害； 另一方面要求传 感器与体外监控部分耦合效果强， 从而增加检测的距离， 这迫使传感器电感不易过小， 促使 基于柔性衬底的可折叠传感器结构的形成。 该折叠传感器折叠植入， 从而最小化植入损害， 植入后展开， 从而最。

9、大化耦合效果。 该传感器利用柔性材料， 例如SU-8、 Parylene C等作为 基底， 通过光刻和溅射等工艺得到电极结构。 尽管折叠式结构使传感器植入式最小化， 但是 借助外科手术植入眼组织， 依然导致不可逆的伤口。 0006 随着非侵入式传感器的发展， 可以实现无需手术植入的眼压测量， 避免对眼组织 造成的不可逆的损伤。 早期非侵入式眼压传感器检测利用压阻效应， 信号的传输采用有线 方式， 测量时带来不适感。 制备时， 利用浇铸法将压敏电阻包裹在柔性衬底内。 为了克服有 线传输的缺点， 后期采用集成电路实现信号传输。 但是集成电路设计复杂， 系统功耗较大， 发热较严重， 使得佩戴的舒适感。

10、降低， 且器件的尺寸较大。 近期出现了基于L-C结构的无线 无源非侵入式传感器结构， 但该结构采用有线键合的方式实现电感与电容之间的连接， 有 线键合在加工工艺上存在一定的难度， 且电极的制作采用的是刻蚀铜箔的方式， 铜箔的厚 度薄， 操作困难。 0007 除上述制备上的难度外， 非侵入式传感器需要像隐形眼镜一样佩戴在角膜上， 这 样对传感器衬底有要求， 一方面需要柔性衬底， 实现传感器与角膜的适形； 另一方面需要衬 底材料具有生物兼容性。 而当该传感器采用液态硅橡胶作为衬底时， 需要采用浇铸法实现 与角膜的适形， 需要借助模具， 对模具有较高的要求。 0008 此外， 传感器在制作时涉及电感。

11、和电容电极的制备， 为了保证传感器中的C-L-C串 联电路的品质因数(Q值)不致过小， 要求电极阻抗尽量小， 且制备过程应尽量简单。 由于传 感器的敏感单元是电容， 因此在制作过程中， 需要考虑所制作出的电容是压力敏感可变电 容。 即要对制作电容的结构和材料进行必要的选取。 传感器电极的制备通常采用的是刻蚀 说 明 书 1/4 页 3 CN 104545794 B 3 铜箔法， 虽然通过选择较厚的铜箔可以保证较高的Q值， 但是在薄铜箔上进行图形化， 易造 成电极断路， 取拿操作困难， 增加制备过程的难度。 另外， 刻蚀铜箔时， 需要严格控制刻蚀的 时间和刻蚀液的浓度， 防止出现过刻和严重的侧蚀。

12、， 导致传感器的电感小线条出现断裂的 现象。 发明内容 0009 针对上述多个技术问题之一， 本发明采用一种C-L-C串联结构的眼压传感器， 以实 现电感与电容的无线连接； 采用柔性材料做衬底， 以解决非侵入式传感器适形时对模具过 高的要求， 因为柔性材料具有良好的生物兼容性， 且属于热塑性材料， 塑形条件简单； 采用 电镀铜的方式制备传感器电极， 以解决非侵入式传感器电极的电感与电容制备过程中铜箔 过薄导致的操作困难。 0010 由此， 作为本发明的一个方面， 本发明提供了一种非侵入式眼压传感器， 其特征在 于， 采用一种C-L-C的串联结构， 其中两个电容分别为边缘电容与中央电容， 所述边。

13、缘电容 起连接所述电感和所述中央电容的作用， 且所述边缘电容的容值远大于所述中央电容的容 值。 0011 其中， 所述眼压传感器包括： 柔性衬底层、 第一电极层、 中间层、 第二电极层和柔性 衬底层， 并且所述中间层的一部分构成所述中央电容的介电层， 所述第一电极层和第二电 极层的对应部分构成所述中央电容的极板。 0012 其中， 所述柔性衬底层选用Parylene C薄膜材料制作。 0013 其中， 所述柔性衬底层的厚度为5-25 m。 0014 其中， 所述中间层选用聚二甲基硅氧烷材料制作。 0015 其中， 采用电镀铜的方式制备所述第一电极层和第二电极层。 0016 其中， 所述眼压传感。

14、器为MEMS传感器， 且所述眼压传感器为曲面传感器。 0017 作为本发明的另一个方面， 本发明还提供了一种非侵入式无线无源眼压传感器的 制备方法， 包括以下步骤： 0018 利用真空气相沉积法， 在基板上沉积一层具有生物兼容性的柔性材料； 0019 在所述柔性材料上沉积铬/金种子层； 0020 在所述种子层上涂布光刻胶并光刻， 然后在光刻图案上电镀铜层； 0021 去除未电镀铜层区域的光刻胶， 刻蚀除去所述区域的铬/金种子层； 0022 在得到的所述结构上涂布聚二甲基硅氧烷作为中间层； 0023 重复上述步骤分别得到所述眼压传感器的上下芯片， 利用聚二甲基硅氧烷作为中 间层进行键合； 002。

15、4 将得到的结构从所述基底上剥离， 继续采用热压法对得到的所述结构进行塑形， 所述热压法为在真空条件下加热处理所述固定在曲面模具上的所述结构， 处理温度为170 ， 处理时间不少于30min； 0025 将得到的结构从所述曲面模具表面剥离， 得到最终的所述眼压传感器的产品。 0026 其中， 所述具有生物兼容性的柔性材料为Parylene C薄膜， 膜厚为5-25 m。 0027 其中， 在所述刻蚀除去所述区域的铬/金种子层的步骤中还包括采用氨水和双氧 水溶解去除沉积物的步骤。 说 明 书 2/4 页 4 CN 104545794 B 4 0028 基于上述技术方案可知， 本发明利用Paral。

16、yne C和PDMS两种生物兼容性好的材 料， 由于此两种材料的杨氏模量差异， 实现了压敏可变电容的制作， 整套工艺简单易行； 采 用额外的边缘电容实现电容与电感的串联， 结构简单； 只需采用附加的边缘电容， 利用该电 容上下基板分别与中央电容和环形电感相连， 从而实现电感与中央电容的串联。 除此之外， 边缘电容远大于中央电容， 串联后的总电容取决于中央电容， 边缘电容的作用仅在于连接 电感与电容； 因此， 采用该结构， 可以简单的实现电感与电容的串联； 传感器电极制作简单， 所制备的电极电阻率低， 有利于获取较高的品质因数， 提高检测信号的信噪比。 附图说明 0029 图1是本发明的非侵入式。

17、眼压传感器上芯片的结构示意图； 0030 图2是本发明的非侵入式眼压传感器下芯片的结构示意图； 0031 图3是本发明的非侵入式眼压传感器制备过程的第一步至第十步的步骤流程图； 0032 图4是本发明的非侵入式平面传感器的结构示意图； 0033 图5是本发明的非侵入式曲面传感器贴附于模具表面的结构示意图。 0034 附图标记说明如下： 0035 1、 边缘电容； 2、 中央电容； 3、 环形电感； 4、 基板； 5、 柔性衬底层； 6、 种子层； 7、 光刻 胶； 8、 电极层； 9、 中间层； 10、 模具； 11、 曲面传感器。 具体实施方式 0036 为使本发明的目的、 技术方案和优点更。

18、加清楚明白， 以下结合具体实施例， 并参照 附图， 对本发明作进一步的详细说明。 0037 本发明的非侵入式无线无源眼压传感器， 采用一种C-L-C的串联结构， 两个电容分 别为边缘电容1与中央电容2， 边缘电容用于实现电感与电容的无线连接。 其中， 边缘电容1 起连接环形电感和中央电容的作用。 该电路总电容由边缘电容1与中央电容2串联而得， 由 于边缘电容1远大于中央电容2， 总电容近似等于中央电容2。 图1和图2分别给出了传感器的 上下芯片结构示意图。 其中， 上芯片包含中央电容2、 环形电感3和边缘电容1， 下芯片包含中 央电容2和边缘电容1。 0038 为解决无线无源非侵入式传感器适形。

19、时对模具过高的要求， 本发明采用柔性材 料， 例如C型派瑞林(Parylene的C型， 简称Parylene C)做衬底， 因为该材料具有良好的生物 兼容性， 且属于热塑性材料， 塑形条件简单。 Parylene是美国Union Carbide Co.在上世纪 六十年代开发的一种新型涂层材料， 主要成分为聚对二甲苯， 根据分子结构可以分为N型、 C 型、 HT型等型号。 其中， C型具有非常低的水分子和腐蚀性气体的透过率， 沉积生长速率比N 型快很多， 相应渗透能力差于N型。 0039 本发明的传感器主要包括5层： 第一层为柔性衬底Parylene C薄膜5； 第二层为铜 电极层8； 第三层为。

20、键合的中间层9， 也是电容的介质层， 例如采用柔性材料， 优选聚二甲基 硅氧烷(PDMS)； 第四层为铜电极层8； 第五层为Parylene C的薄膜层5。 采用Parylene C薄膜 作为衬底， 包裹电极结构， 起到密封作用。 采用PDMS作为键合的中间层9， 是因为PDMS的杨氏 模量远低于Parylene C， 当受压产生形变时， 中间层9由于最外两层Parylene C的挤压， 导 致PDMS厚度减小， 从而改变传感器的电容值。 为解决无线无源非侵入式传感器电极制备过 说 明 书 3/4 页 5 CN 104545794 B 5 程中铜箔过薄导致的操作困难， 本发明采用电镀铜的方式制。

21、备传感器电极。 0040 此外， 本发明的非侵入式无线无源眼压传感器可以制成MEMS传感器， 从而实现体 积小、 制备工艺简单高效的目的。 为了与眼部球面适形， 该MEMS传感器可以制作成曲面传感 器， 下面结合其制备工艺进行详细阐述。 0041 如图3中的步骤(1)到(10)所示， 本发明的非侵入式无线无源平面MEMS眼压传感器 的制备工艺如下所述： 0042 第一步： 利用硅/玻璃作为基板4， 并经过清洗处理， 旋转涂布脱膜剂， 便于后期 Parylene C从基底的剥离； 0043 第二步： 利用真空气相沉积方法， 在基板上沉积一层具有生物兼容性的Parylene C薄膜5， 膜厚为5-。

22、25 m， 优选例如为20 m； 0044 第三步： 采用电子束溅射的方式， 沉积一层种子层铬/金(Cr/Au)6， 厚度为 0045 第四步： 旋转涂布光刻胶AZ4620并光刻， 胶厚度不小于15 m； 0046 第五步： 在硫酸铜和硫酸的电镀液中进行电镀， 电镀电流约为45mA， 电镀层铜(Cu) 的厚度不大于光刻胶7厚度。 图3给出了电镀后的电极图； 0047 第六步： 利用浸泡丙酮法去除光刻胶7， 可适当超声， 但是功率不能过高； 0048 第七步： 刻蚀Cr/Au， 刻蚀过程中， 会在电极表面生成一层灰黑色沉积物， 需要利用 氨水加少许双氧水溶解沉积物； 0049 第八步： 旋转涂布。

23、PDMS， PDMS与固化剂的比例为12 1， 得到柔性更大的中间层9。 固 化后， PDMS膜厚为20 m。 0050 第九步： 上述8步可以得到上/下芯片， 利用PDMS作为中间层9进行键合； 0051 第十步： 将薄膜从基底4剥离， 得到平面传感器。 0052 为了进一步制作成曲面， 如图5所示， 本发明的非侵入式无线无源眼压传感器的制 备工艺还包括： 0053 第十一步： 采用热压法对平面传感器进行塑形。 热压法过程为： 首先将器件粘附于 与角膜相同曲率的模具表面； 在真空条件下， 加热至170， 加压不小于1Kpa， 处理时间不少 于30min； 最后取出模具， 并将器件从模具表面剥。

24、离。 0054 经过上述步骤， 便可获得曲面传感器。 图4给出了平面传感器的结构， 图5给出了塑 形时粘附于模具10表面的传感器结构， 将其从模具10剥离便得到曲面传感器11。 0055 通过大量的试验可知， 本发明的传感器结构简单， 传感器电极制作简单， 所制备的 电极电阻率低， 有利于获取较高的品质因数， 提高检测信号的信噪比， 此外， 利用Paralyne C和PDMS两种生物兼容性好的材料， 实现了压敏可变电容的制作， 整套工艺简单易行。 0056 以上所述的具体实施例， 对本发明的目的、 技术方案和有益效果进行了进一步详 细说明， 应理解的是， 以上所述仅为本发明的具体实施例而已， 并不用于限制本发明， 凡在 本发明的精神和原则之内， 所做的任何修改、 等同替换、 改进等， 均应包含在本发明的保护 范围之内。 说 明 书 4/4 页 6 CN 104545794 B 6 图1 图2 说 明 书 附 图 1/3 页 7 CN 104545794 B 7 图3 说 明 书 附 图 2/3 页 8 CN 104545794 B 8 图4 图5 说 明 书 附 图 3/3 页 9 CN 104545794 B 9 。