本發(fā)明屬于醫(yī)療器械和傳感器交叉融合領(lǐng)域，具體涉及一種植入式動(dòng)態(tài)壓力傳感器系統(tǒng)及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、隨著醫(yī)療技術(shù)的不斷發(fā)展，植入式醫(yī)療器械在疾病診斷和治療中發(fā)揮著越來越重要的作用。其中，動(dòng)態(tài)壓力傳感器作為關(guān)鍵組件之一，在監(jiān)控體內(nèi)瞬時(shí)壓力變化方面展現(xiàn)出顯著潛力，廣泛應(yīng)用于心血管系統(tǒng)監(jiān)控、顱內(nèi)壓力監(jiān)測(cè)和呼吸系統(tǒng)壓力觀察等多種醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。植入式動(dòng)態(tài)壓力傳感系統(tǒng)在復(fù)雜的體內(nèi)環(huán)境中長(zhǎng)時(shí)間工作時(shí)，必須具備高靈敏度、長(zhǎng)期穩(wěn)定性、低功耗以及微型化等特性。然而，傳統(tǒng)的植入式壓力傳感器通?；陔娙莼蛘邏鹤柙?，在應(yīng)對(duì)溫度變化、靈敏度及長(zhǎng)期穩(wěn)定性方面仍存在諸多不足，無法滿足體內(nèi)組織壓力的檢測(cè)要求。例如，電容式傳感器對(duì)溫度變化的敏感性較高，溫度波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致其電容值變化，進(jìn)而影響壓力測(cè)量的準(zhǔn)確性。而體內(nèi)環(huán)境的溫度變化是不可避免的，這限制了電容式傳感器在植入式設(shè)備中的應(yīng)用。壓阻式傳感器面臨靈敏度不足和長(zhǎng)期穩(wěn)定性欠佳的問題，難以保證持續(xù)的高精度壓力監(jiān)測(cè)。此外，長(zhǎng)期植入體內(nèi)的傳感器還必須解決生物相容性、體積和功耗等多方面的挑戰(zhàn)，這在很大程度上限制了其在植入式醫(yī)療器械中的應(yīng)用。

2、近年來，隨著材料科學(xué)和微機(jī)電系統(tǒng)(mems)技術(shù)的快速發(fā)展，壓電式壓力傳感器憑借其優(yōu)異的動(dòng)態(tài)壓力響應(yīng)能力受到了廣泛關(guān)注。壓電材料如鋯鈦酸鉛（pzt）和聚偏氟乙烯（pvdf）在受到機(jī)械壓力時(shí)會(huì)產(chǎn)生電荷信號(hào)，這種特性使得壓電式傳感器在壓力檢測(cè)中具有高靈敏度、長(zhǎng)期穩(wěn)定性、低功耗以及微型化和多功能集成等諸多優(yōu)勢(shì)。壓電材料具有高壓電系數(shù)，對(duì)微小的壓力變化極為敏感，能夠檢測(cè)到極小的壓力波動(dòng)，因此，非常適合用于監(jiān)測(cè)體內(nèi)壓力變化。例如，在心血管監(jiān)測(cè)中，細(xì)微的血壓變化可能預(yù)示潛在的健康問題，而壓電傳感器能夠捕捉到這些細(xì)微變化，從而為臨床診斷提供支持。壓電材料在機(jī)械疲勞和環(huán)境變化中能夠保持性能穩(wěn)定，適合長(zhǎng)時(shí)間的壓力監(jiān)測(cè)，滿足植入式設(shè)備對(duì)長(zhǎng)期可靠性的嚴(yán)格要求。壓電式傳感器在產(chǎn)生電信號(hào)時(shí)不需要外部的持續(xù)能量供給，功耗極低，有利于植入式醫(yī)療器械中電源的管理。此外，mems技術(shù)的發(fā)展使得壓電式傳感器可以被制成微型化器件，便于植入體內(nèi)而不對(duì)周圍組織造成損傷。同時(shí)，可以集成其他功能模塊，如溫度傳感器。這種集成化特點(diǎn)使得壓電式傳感器在監(jiān)控復(fù)雜生理信號(hào)時(shí)具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。因此，壓電式壓力傳感器在植入式醫(yī)療器械中有重要的應(yīng)用潛力。然而，現(xiàn)有的壓電式壓力傳感器面對(duì)溫度變化、動(dòng)態(tài)壓力響應(yīng)和長(zhǎng)期穩(wěn)定性等方面表現(xiàn)不足，特別是在長(zhǎng)期植入體內(nèi)的情況下，難以準(zhǔn)確應(yīng)對(duì)復(fù)雜的生理環(huán)境變化，顯著限制了其在植入式醫(yī)療器械中的應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明基于mems工藝提出了一種植入式動(dòng)態(tài)壓力傳感器系統(tǒng)，利用壓電材料獨(dú)特的壓電和熱敏特性制備的壓力傳感單元和溫度傳感單元，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)環(huán)境溫度，并根據(jù)溫度變化對(duì)壓力傳感器輸出進(jìn)行補(bǔ)償，提高了壓力傳感器在不同溫度條件下的精確度和穩(wěn)定性，在植入式醫(yī)療器械中有重要的應(yīng)用前景。傳感器的制備方法簡(jiǎn)單可行，適用于大規(guī)模生產(chǎn)，并具有較低的成本和高的可靠性。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

3、一種植入式動(dòng)態(tài)壓力傳感器系統(tǒng)，包括封裝外殼、壓力傳感單元、溫度傳感單元、檢測(cè)電路單元，封裝外殼用于容納集成在si基底上的壓力傳感單元和溫度傳感單元，其中，所述封裝外殼包括凹槽缺口，壓力傳感單元的傳感端正對(duì)凹槽缺口，用于與待測(cè)生物組織直接接觸，將檢測(cè)到的壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)；

4、所述壓力傳感單元的一端和溫度傳感單元的一端之間通過si基底內(nèi)部的布線相互連接，所述壓力傳感單元的另一端和溫度傳感單元的另一端分別與檢測(cè)電路單元的正輸入端、負(fù)輸入端相連接，所述溫度傳感單元實(shí)時(shí)檢測(cè)生物組織中的溫度并對(duì)壓力傳感單元進(jìn)行溫度補(bǔ)償；

5、所述壓力傳感單元所在位置的si基底被減薄至預(yù)設(shè)厚度。

6、進(jìn)一步的，其特征在于，所述壓力傳感單元和溫度傳感單元均包括si襯底、sio2絕緣層、底電極、敏感層、頂電極、以及與檢測(cè)電路單元連接的引線電極。

7、進(jìn)一步的，所述壓力傳感單元和溫度傳感單元均通過au引線與檢測(cè)電路單元相連。

8、進(jìn)一步的，所述壓力傳感單元通過生物膠固定在封裝外殼的凹槽缺口處。

9、進(jìn)一步的，所述壓力傳感單元和溫度傳感單元的敏感層均采用壓電材料batio3、pvdf、pzt的任一種。

10、進(jìn)一步的，所述檢測(cè)電路單元包括由場(chǎng)效應(yīng)管、二極管和電阻組成的放大電路。

11、進(jìn)一步的，所述檢測(cè)電路單元包括：壓力傳感單元的負(fù)端電極和溫度傳感單元的負(fù)端電極相連，壓力傳感單元正端電極作為輸入端與檢測(cè)電路單元正輸入端連接，溫度傳感單元正端電極與檢測(cè)電路單元負(fù)輸入端連接，電阻與場(chǎng)效應(yīng)管的柵極相連接，第一二極管的輸入和輸出端分別與檢測(cè)電路單元負(fù)輸入端和檢測(cè)電路單元正輸入端連接，場(chǎng)效應(yīng)管的源極與第二輸出端口連接，漏極與第一輸出端口連接接地，第二二極管的輸入和輸出端分別與第二輸出端口和第一輸出端口連接。

12、另一方面，本發(fā)明提供了一種植入式動(dòng)態(tài)壓力傳感器制備方法，所述方法包括如下步驟：

13、在采用等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積工藝在si襯底表面生長(zhǎng)sio2層作為隔離層；

14、通過光刻和磁控濺射技術(shù)在sio2層上制備集成在一起的壓力傳感單元和溫度傳感單元的底電極；

15、在底電極上制備壓電薄膜；

16、通過光刻和刻蝕工藝對(duì)壓電薄膜進(jìn)行圖形化，圖形化后的壓電薄膜分別作為壓力傳感單元和溫度傳感單元的敏感層；

17、通過光刻和濺射工藝在壓電薄膜上層和sio2層上分別制備頂電極和引線電極作為壓力傳感單元正端電極和溫度傳感單元正端電極；

18、采用熱極化法和電場(chǎng)極化法對(duì)敏感層的壓電薄膜進(jìn)行極化；

19、采用硅的背部光刻和深硅刻蝕工藝完成壓力傳感單元背部si基底的減??；

20、通過對(duì)晶圓正面光刻和深硅刻蝕釋放集成壓力傳感單元和溫度傳感單元的傳感器芯片。

21、本發(fā)明的有益效果在于：

22、本發(fā)明通過mems工藝實(shí)現(xiàn)了壓力傳感單元和溫度傳感單元的集成，將兩個(gè)傳感單元集成在同一基底上，實(shí)現(xiàn)傳感單元的小型化設(shè)計(jì)，適合植入式醫(yī)療器械的應(yīng)用；利用壓電材料優(yōu)異的壓電和熱敏特性，實(shí)現(xiàn)高靈敏度的壓力信號(hào)檢測(cè)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并補(bǔ)償溫度對(duì)壓力傳感器輸出的影響，溫度補(bǔ)償技術(shù)保證了壓力傳感器在不同溫度條件下仍具有高精度和穩(wěn)定性；壓力傳感單元采用懸空結(jié)構(gòu)，減少基底對(duì)壓電材料的機(jī)械約束，提升了傳感器的靈敏度，滿足體內(nèi)復(fù)雜環(huán)境下的檢測(cè)需求。

技術(shù)特征：

1.一種植入式動(dòng)態(tài)壓力傳感器系統(tǒng)，包括封裝外殼、壓力傳感單元、溫度傳感單元、檢測(cè)電路單元，其特征在于，

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種植入式動(dòng)態(tài)壓力傳感器系統(tǒng)，其特征在于，所述壓力傳感單元和溫度傳感單元均包括si襯底、sio2絕緣層、底電極、敏感層、頂電極、以及與檢測(cè)電路單元連接的引線電極。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種植入式動(dòng)態(tài)壓力傳感器系統(tǒng)，其特征在于，所述壓力傳感單元和溫度傳感單元均通過au引線與檢測(cè)電路單元相連。

4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種植入式動(dòng)態(tài)壓力傳感器系統(tǒng)，其特征在于，所述壓力傳感單元通過生物膠固定在封裝外殼的凹槽缺口處。

5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種植入式動(dòng)態(tài)壓力傳感器系統(tǒng)，其特征在于，所述壓力傳感單元和溫度傳感單元的敏感層均采用壓電材料batio3、pvdf、pzt的任一種。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種植入式動(dòng)態(tài)壓力傳感器系統(tǒng)，其特征在于，所述檢測(cè)電路單元包括由場(chǎng)效應(yīng)管、二極管和電阻組成的放大電路。

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種植入式動(dòng)態(tài)壓力傳感器系統(tǒng)，其特征在于，所述檢測(cè)電路單元包括：壓力傳感單元的負(fù)端電極和溫度傳感單元的負(fù)端電極相連，壓力傳感單元正端電極作為輸入端與檢測(cè)電路單元正輸入端連接，溫度傳感單元正端電極與檢測(cè)電路單元負(fù)輸入端連接，電阻與場(chǎng)效應(yīng)管的柵極相連接，第一二極管的輸入和輸出端分別與檢測(cè)電路單元負(fù)輸入端和檢測(cè)電路單元正輸入端連接，場(chǎng)效應(yīng)管的源極與第二輸出端口連接，漏極與第一輸出端口連接接地，第二二極管的輸入和輸出端分別與第二輸出端口和第一輸出端口連接。

8.一種植入式動(dòng)態(tài)壓力傳感器制備方法，其特征在于，所述方法包括如下步驟：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種植入式動(dòng)態(tài)壓力傳感器系統(tǒng)及其制備方法，屬于醫(yī)療器械和傳感器交叉融合領(lǐng)域。所述系統(tǒng)中，封裝外殼用于容納集成在Si基底上的壓力傳感單元和溫度傳感單元，其中，所述封裝外殼包括凹槽缺口，壓力傳感單元的傳感端正對(duì)凹槽缺口；所述壓力傳感單元的一端和溫度傳感單元的一端相互連接，所述壓力傳感單元的另一端和溫度傳感單元的另一端分別與檢測(cè)電路單元的正輸入端、負(fù)輸入端相連接，所述溫度傳感單元對(duì)壓力傳感單元進(jìn)行溫度補(bǔ)償；所述壓力傳感單元所在位置的Si基底被減薄至預(yù)設(shè)厚度。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了傳感單元的小型化設(shè)計(jì)，提升了傳感器的靈敏度，滿足了復(fù)雜環(huán)境下的檢測(cè)需求。

技術(shù)研發(fā)人員：茍廣洋,王軍波,陳德勇,魯毓嵐,謝波,李楠,郭宇森
受保護(hù)的技術(shù)使用者：中國科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/26