MEMS壓力傳感器在義齒力學(xué)研究中的應(yīng)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(fù)后，義齒下方粘膜及粘膜下方的骨組織所承受的作用力機(jī)理研究有重要意義。指導(dǎo)修復(fù)形狀，使作用力在允許范圍之內(nèi)，并對作用力超過允許力時(shí)，對支持組織產(chǎn)生損傷進(jìn)行評價(jià)。多年來，對這個(gè)作用力的測定一直為口腔修復(fù)學(xué)界和醫(yī)用傳感器研究者所關(guān)注，且現(xiàn)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，也難與周圍基托表面平齊，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 ]。針對這些問題，文中采用MEMS電容式壓力傳感器的原理，設(shè)計(jì)了一個(gè)長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(nèi)的方法，能夠準(zhǔn)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(jié)構(gòu)穩(wěn)定，測量穩(wěn)定性好，具有良好的線性度，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(nèi)穩(wěn)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工藝來實(shí)現(xiàn)_34]，采用到的工藝有：氧化、光刻、套刻、擴(kuò)散、ICP刻、鍍膜、硅一玻璃鍵合等工藝。加工過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(dǎo)體硅片經(jīng)過氧化、光刻、刻蝕、擴(kuò)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)過反面光刻、刻蝕、形成正負(fù)電極引出線PAD和填充凹槽。其中，擴(kuò)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(kuò)散前，對硅片應(yīng)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)清洗。由于擴(kuò)散時(shí)，硅表面會與氧氣發(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的硼硅玻璃。在玻璃的加工中，選用廈門福芯微電子科技有限公司的7740玻璃晶片，經(jīng)過光刻、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(fù)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脂作為底基，在樹脂上挖一個(gè)邊長為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脂和義齒基托專用樹脂混合，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(nèi)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(xiàng)式擬合曲線。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(xiàng)式擬合，得到的擬合趨勢線的R平方值為0．9901，表明測試中輸出的電壓分布和擬合曲線具有良好的擬合度，在后續(xù)工作中編程時(shí)以趨勢線作為外界施加壓力與輸出電壓的對應(yīng)關(guān)系，其誤差值很小。  

　　為了完成義齒的在線人體測試，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引線引出，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(jié)構(gòu)如圖3所示。

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

　　3 結(jié)論

　　測試結(jié)果表明，該傳感器性能良好，具有比較穩(wěn)定的輸入與輸出關(guān)系，能較準(zhǔn)確地測量到外界的壓力變化。另外由于被測電容相對較小，測試過程中容易受到導(dǎo)線、焊點(diǎn)等外界因素的干擾會產(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(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并將利用這種具有良好的擬合度的趨勢線，做為外界施加壓力與輸出電壓的對應(yīng)關(guān)系曲線編寫相應(yīng)的軟件系統(tǒng)以便臨床測試時(shí)對數(shù)據(jù)的直接讀取。

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