MEMS壓力傳感器在義齒力學(xué)研究中的應用

　義齒下方粘膜及粘膜下方的力學(xué)性能研究，對于義齒修復后，義齒下方粘膜及粘膜下方的骨組織所承受的作用力機理研究有重要意義。指導修復形狀，使作用力在允許范圍之內，并對作用力超過(guò)允許力時(shí)，對支持組織產(chǎn)生損傷進(jìn)行評價(jià)。多年來(lái)，對這個(gè)作用力的測定一直為口腔修復學(xué)界和醫用傳感器研究者所關(guān)注，且現有的測定方法多是在義齒基托下方粘貼一個(gè)貼片壓阻式壓力傳感器，但貼片壓阻式壓力傳感器的彈性模量與義齒基托不一致，與檢測組織表面也不吻合，也難與周?chē)斜砻嫫烬R，所測力的大小誤差比較大，而且難以測定出力的分布情況_1 ]。針對這些問(wèn)題，文中采用MEMS電容式壓力傳感器的原理，設計了一個(gè)長(cháng)x寬x高為2．2 mmx 1．8 mmx 0．6mm的MEMS電容式壓力傳感器，再采用分布式埋植入義齒基托內的方法，能夠準確測試出義齒下方粘膜及粘膜下方的骨組織所承受的力和力的分布。該傳感器結構穩定，測量穩定性好，具有良好的線(xiàn)性度，力的最小分辨率為0．1克，靈敏度高，能夠在一100℃～200℃ 的溫度范圍內穩定工作，具有寬的溫度適用范圍，能夠適用于口腔的惡劣環(huán)境下作用力的測定。

　　1 傳感器的工藝流程

　　傳感器是采用MEMS工藝來(lái)實(shí)現_34]，采用到的工藝有：氧化、光刻、套刻、擴散、ICP刻、鍍膜、硅一玻璃鍵合等工藝。加工過(guò)程主要包括硅片上的加工工藝，玻璃上的加工工藝，以及硅一玻璃鍵合后的加工工藝。

　　半導體硅片經(jīng)過(guò)氧化、光刻、刻蝕、擴散、再氧化、套刻、刻蝕，從而完成了硅片正面的工藝，主要包括凹槽和絕緣層的形成。反面再經(jīng)過(guò)反面光刻、刻蝕、形成正負電極引出線(xiàn)PAD和填充凹槽。其中，擴散的目的是為了形成2 m左右的功能性硼硅膜(P+膜)，在進(jìn)行擴散前，對硅片應進(jìn)行標準清洗。由于擴散時(shí)，硅表面會(huì )與氧氣發(fā)生作用而形成了一層硼硅玻璃，所以要去除。使用濕法腐蝕去表面多余附著(zhù)的硼硅玻璃。在玻璃的加工中，選用廈門(mén)福芯微電子科技有限公司的7740玻璃晶片，經(jīng)過(guò)光刻、鍍膜形成玻璃上濺射的金屬層，即為下極板金屬電極。再經(jīng)過(guò)硅一玻璃鍵合、刻蝕、ICP刻、鍍膜，從而完成了整個(gè)傳感器的制作。在一片硅片上集成的器件，通過(guò)切片將硅片劃分為一個(gè)個(gè)的小器件，以便下一步的封裝和測試。

　　2 封裝和測試

　　在對單個(gè)傳感器負載下的壓力測試中，本課題組采用的方法是：使用與義齒基托相同材料的樹(shù)脂作為底基，在樹(shù)脂上挖一個(gè)邊長(cháng)為2 mm平整的方形小坑，將傳感器埋植進(jìn)去，再采用相同材料的冷凝樹(shù)脂和義齒基托專(zhuān)用樹(shù)脂混合，滴在傳感器表面封裝平整，使其平面與底基平面一致，待其凝固后，就可以得到表面材質(zhì)與義齒材質(zhì)一致的覆蓋面，封裝后如圖1所示。

　　在對埋植在底基中的傳感器施加040．67 MPa(0-90 psi)范圍內的壓力進(jìn)行施加壓力與輸出電壓的關(guān)系進(jìn)行測試，得到如圖2所示的測試電容時(shí)所施壓力與輸出電壓的分布關(guān)系和多項式擬合曲線(xiàn)。在圖2中，對其中一點(diǎn)進(jìn)行測試并對測試的各點(diǎn)進(jìn)行多項式擬合，得到的擬合趨勢線(xiàn)的R平方值為0．9901，表明測試中輸出的電壓分布和擬合曲線(xiàn)具有良好的擬合度，在后續工作中編程時(shí)以趨勢線(xiàn)作為外界施加壓力與輸出電壓的對應關(guān)系，其誤差值很小。

　　為了完成義齒的在線(xiàn)人體測試，首先進(jìn)行了在義齒模擬測量裝置上的實(shí)時(shí)檢測。該裝置將封裝在義齒上的傳感器通過(guò)引線(xiàn)引出，從而測量出基座與義齒底部的受力大小。義齒模擬測量裝置的結構如圖3所示。

　　用義齒模擬測量裝置測量當咀嚼壓碎有一定硬度的食物時(shí)，牙齒基座的變化過(guò)程如圖4所示。

　　3 結論

　　測試結果表明，該傳感器性能良好，具有比較穩定的輸入與輸出關(guān)系，能較準確地測量到外界的壓力變化。另外由于被測電容相對較小，測試過(guò)程中容易受到導線(xiàn)、焊點(diǎn)等外界因素的干擾會(huì )產(chǎn)生一定的誤差，所以接下去的工作中可以采用ADC把模擬電壓信號轉換成數字信號，并將利用這種具有良好的擬合度的趨勢線(xiàn)，做為外界施加壓力與輸出電壓的對應關(guān)系曲線(xiàn)編寫(xiě)相應的軟件系統以便臨床測試時(shí)對數據的直接讀取。

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