一种MEMS呼吸监测传感芯片、制备方法以及传感器组件与流程

一种mems呼吸监测传感芯片、制备方法以及传感器组件
技术领域
1.本发明属于呼吸传感器技术领域，特别涉及一种mems呼吸监测传感芯片及其制备方法。


背景技术：

2.无创通气即佩戴面罩或鼻罩进行机械通气的通气方式。无创通气最关键的问题是人-机同步性，即呼吸机开始送气与自主呼吸吸气的同步性，以及呼吸机切换至呼气相与自主呼吸开始呼气的同步性。现有的处理无创通气同步性的方法都是间接的，无论使用何种传感器以及不论传感器放置的位置是面罩还是近端管路，都不能直接探测到自主呼吸的吸气和呼气本身，所以处理人-机同步性的方法尽管多种多样，但都是通过间接的算法来实现的，使其人-机同步性的质量仍有不少差距，从而无法确保无创通气的舒适性、耐受性、依从性和有效性。另外，实时呼吸监测也是一个很重要的环节，如果能够对自主呼吸进行连续动态的监测，有助于进行机械通气之前对呼吸衰竭的进展程度进行评估，从而对通气治疗的时机和强度进行判断。现有的此类传感器由于体积较大、需要配合电源、检测精度有限等缺陷，往往无法实现近距离的实时、高精度的呼吸监测，这也成为本领域技术人员所面临的重要问题。


技术实现要素：

3.为了解决上述技术问题，本发明提供了一种mems呼吸监测传感芯片、制备方法以及传感器组件。
4.本发明具体技术方案如下：
5.本发明一方面提供了一种mems呼吸监测传感芯片，包括基体和设在所述基体上的多个感测元件，所述感测元件包括至少两个量热元件作为呼吸流量及流向感测元件、以及至少一个热导元件作为二氧化碳感测元件，所述呼吸流量及流向感测元件由热堆或热电偶构成，所述二氧化碳感测元件由热电偶金属制成；所述呼吸流量及流向感测元件在所述基体上对称分布，根据所述传感芯片的表面温度场在呼吸气流下的变化情况获得所述呼吸气流的流量和方向；所述二氧化碳感测元件一部分覆盖有惰性涂层、另一部分裸露在空气中，根据两部分的热导变化情况获得所述呼吸气流中的二氧化碳含量；多个所述感测元件分别通过预设的信号路径将采集到的信号传输至接收终端。
6.进一步地，所述基体为正方形，所述呼吸流量及流向感测单元共有四个、分别设在所述基体的四角，所述二氧化碳感测单元共有两个、分别对称设在所述基体中部的两侧。
7.进一步地，所述基体上从下到上依次设有绝缘层、芯片层和钝化层，多个所述感测元件设在所述芯片层，所述芯片层和所述钝化层在刻蚀处相互融合。
8.进一步地，所述基体底部与多个所述感测元件相对的位置设有多个隔热腔。
9.进一步地，所述芯片层还设有分别与多个所述感测元件导通的多组信号线。
10.进一步地，所述呼吸流量及流向感测元件由热堆或热电偶构成，厚度为80～
200nm；所述二氧化碳感测元件由热电偶金属制成，所述热电偶金属中可掺杂多晶硅。
11.进一步地，所述信号线由金或铝制成，其中可掺杂导电多晶硅；所述信号线的厚度为100～300nm。
12.本发明另一方面提供了制备上述mems呼吸监测传感芯片的方法，包括如下步骤：
13.在所述基体的上下表面沉积氮化硅；
14.将所述感测元件沉积至所述基体的上表面，并与预定的信号路径连接；
15.在所述基体上表面的全部区域进行表面钝化，构建覆盖所述基体上表面以及所述感测元件的钝化层；
16.在所述基体下表面开设多个与所述感测元件相对应的空槽，形成隔热腔；
17.完成微加工过程后，进行切割和分离，从而得到所述芯片。
18.本发明还提供了一种呼吸监测传感器组件，包括上述芯片，还包括柔性电路板、柔性电缆以及控制模块，所述芯片封装在柔性电路板上、构成监测部件，所述监测部件通过所述柔性电缆与所述控制模块连接；所述控制模块包括主控电路、电源模块、无线通讯模块以及天线。
19.进一步地，所述传感器组件还包括采样管，所述芯片封装在所述采样管中。
20.本发明的有益效果如下：本发明提供了一种mems呼吸监测传感芯片及其制备方法，呼吸气流的流动改变芯片表面的温度分布，位于芯片表面的四个量热元件通过测量温度场的改变获得呼吸气流的流量、速度和方向；该芯片可置于特定的气流通道中，则平均温度差及相应位置决定气流的正向和反向；量热传感器由微加工的热堆构成，从而可以实现无源监测；位于芯片中心的热导元件监测气流的热导变化情况，从而获得对呼吸气流中的二氧化碳含量。该芯片具有体积小、无源、灵敏度高等优点，方便加工和使用，同时还可以与其他组件共同构成可随身佩戴的传感器组件，从而对呼吸情况进行近距离实时监测。
附图说明
21.图1为实施例1所述的mems呼吸监测传感芯片的结构示意图；
22.图2为实施例1所述的mems呼吸监测传感芯片的纵向剖视图；
23.图3为实施例3所述的呼吸监测传感器组件的结构示意图；
24.图4为实施例3所述的呼吸监测传感器组件在使用状态下的封装方式示意图。
25.其中：100-芯片；101-基体；112、114、116、118-呼吸流量及流向感测元件；122、124、126、128-隔热腔；131、132、134、155、156-信号连接线；150-二氧化碳感测元件；200-监测部件；210-柔性电路板；300-柔性电缆；400-控制模块；410-主控电路；420-无线通讯模块；422-天线；430-电源模块；510-方形采样管；520-圆形采样管。
具体实施方式
26.下面结合附图和以下实施例对本发明作进一步详细说明。
27.实施例1
28.如图1所示，本发明实施例提供了一种mems呼吸监测传感芯片，包括基体101和设在基体101上的多个感测元件，感测元件包括至少两个量热元件作为呼吸流量及流向感测元件、以及至少一个热导元件作为二氧化碳感测元件，呼吸流量及流向感测元件由热堆或
热电偶构成，二氧化碳感测元件由温度系数较大的金属(如镍、铂等)制成；呼吸流量及流向感测元件在基体上对称分布，根据传感芯片的表面温度场在呼吸气流下的变化情况获得呼吸气流的流量和方向；二氧化碳感测元件一部分覆盖有惰性涂层(钝化层)、另一部分裸露在空气中，根据两部分的热导变化情况获得呼吸气流中的二氧化碳含量；多个感测元件分别通过预设的信号路径将采集到的信号传输至接收终端。
29.该芯片在工作时，呼吸气流流经基体101表面、改变各个位置的温度分布，由热堆或热电偶构成的量热元件分别感测其所处位置的温度场变化，根据各组间的差分可确定气流的流向，而各组间幅度变化的平均值与流量相关联，根据事先参比标准流量装置所获得的参比数值进行计算、即可得到实际的测量数据。如需对气流中的二氧化碳进行监测，则启动热导元件，通过其上覆盖有钝化层的部分和裸露的部分之间的信号差可消除环境和其他效应造成的误差、从而达到最佳灵敏度，气体的热导与气体组分直接相关，根据事先参比气体进行标定、即可获得当前气流的二氧化碳浓度值。
30.实际制作时，量热元件采用热电偶金属进行制作，其中可以掺杂多晶硅，热电偶金属优选为镍或铂。铂是一种稳定的金属，具有出色的温度系数，可以提供所需的灵敏度，而掺杂的多晶硅可以使用标准的兼容金属氧化物半导体工艺制造，与热电偶金属合用可以确保芯片输出的稳定性和可靠性。
31.热导元件有热堆或热电偶制成，通过这一设计，使得在非供电状态下，量热元件可以感应到呼吸气流的温度变化，从而将相应的温度控制信号传输至外部接收终端，进而对呼吸情况进行监测。这一形式可以实现昔年内部的自动环形，能有效省电节能，无需外接电源。热导元件工作时本身有微功耗电流通过，从而形成微加热器，可同时为量热元件提供参比温度即热场，进一步提高量热元件的灵敏度。这一设置可以减少零部件的使用数量，从而缩小芯片的尺寸，有利于对芯片进行微型化改进。
32.具体实施时，一种优选的实施方式是，将基体101设置为正方形，呼吸流量及流向感测元件共有四个(112、114、116、118)、分别设在基体的四角，二氧化碳感测单元150共有两个、设在基体101中部并对称设在两侧，即，每个二氧化碳感测单元150的上下游位置分别设有一个呼吸流量及流向感测元件。通过这一设计，使得该芯片能够感知相反方向的气流，从而满足不同方向的流速测量需求。
33.如图2所示，在一些具体的实施例中，可以将基体1制作成从下到上依次包括绝缘层160、芯片层180和钝化层170的结构，将感测元件设在芯片层180上，钝化层170与芯片层180在蚀刻处相融合；绝缘层160可作为隔热层，并能提供必要的机械强度来削弱甚至消除测量过程中对芯片表面施加的压力，从而有效降低芯片在使用过程中受到的损害。
34.实际制作时，可以通过在制造过程中改变绝缘层160的厚度来调节其抗压强度。具体地，绝缘层160可由氮化硅等材料制成，其中心变形d＝(α*p*b4)/(e*t3)，其中，α是在对其施加均匀均匀压力p的条件下的恒定值，b是绝缘层的边长，t为绝缘层的厚度，e是材料(氧化硅等)的杨氏模量。因此，可以根据d/b的偏差计算出应用中的精度要求，可以为首选的芯片确定绝缘层160的厚度。
35.在一些具体的实施例中，基体1底部与感测元件相对的位置还设有多个隔热腔，优选为5个，其中122、124、126、128分别对应呼吸流量及流向感测单元112、114、116、118，125设在基体1底部中心、且两端分别对应两个二氧化碳感测单元150。
36.实际制作时，可以采用离子深蚀刻法或湿法蚀刻(借助氢氧化钾或氢氧化四甲铵等化学试剂)在基体1底部挖槽、制造隔热腔，可以在感测元件与呼吸气流之间建立热隔离，从而确保各感测元件工作的灵敏度。
37.在一些具体的实施例中，芯片层180上还设有分别与多个感测元件导通的多组信号线，优选为6组，其中131、132、133、134分别与呼吸流量及流向感测单元112、114、116、118接通，155、156分别与两个二氧化碳感测单元150接通。
38.实际制作时，信号线由金或铝通过电子束蒸发或物理气相沉积等方法制成，金属中也可以掺杂导电多晶硅，最优选的材料为金。信号线的厚度在100～300nm内为佳，在这一范围内使优化材料的稳定性和芯片的灵敏度达到最佳，其中以200nm为最优选择。
39.实施例2
40.本实施例2提供了一种制备实施例1中mems呼吸监测传感芯片的制备方法，具体包括如下步骤：
41.在基体的上下表面沉积氮化硅，对芯片表面进行钝化处理，以提高芯片的耐腐蚀性；
42.将感测元件沉积至基体的上表面，并与预定的信号路径连接，从而实现感测元件与相应的控制模块之间的信号传递；
43.在基体上表面的全部区域进行表面钝化，构建覆盖基体上表面以及感测元件的钝化层；
44.在基体下表面开设多个与感测元件相对应的空槽，形成隔热腔；
45.完成微加工过程后，进行切割和分离，从而得到芯片。
46.在上述过程中，在基体表面沉积氮化硅，并在布设好感测元件和信号路径后再次对基体表面进行钝化处理，通过两轮钝化处理可以进一步提高芯片的耐腐蚀性；通过开设隔热腔可以为量热元件提供其与呼吸气流介质的热隔离，从而可确保量热元件的灵敏度。
47.通过上述方法获得的mems呼吸监测传感芯片，无需有源器件即可实现呼吸监测的功能，同时还具备优异的耐腐蚀性能和测量灵敏度，有效缩小了芯片的体积、提高了芯片使用时的灵活性和便携性。
48.实施例3
49.如图3所示，本实施例3提供了一种呼吸监测传感器组件，包括实施例1中的芯片100，还包括柔性电路板210、柔性电缆300以及控制模块400，芯片100封装在柔性电路板210上、构成监测部件200，监测部件200通过所述柔性电缆210与控制模块400连接；控制模块400具体包括主控电路410、电源模块430、无线通讯模块420(优选为蓝牙模块)以及天线422，但不限于上述部分。
50.如图4所示，实际使用时，可以将上述组件封装在采样管510(方形)或520(圆形)中，并贴附在需要进行呼吸监测的患者的上唇部或呼吸面罩内、使采样管的进气口对准鼻腔，从而可以对患者的呼吸情况进行近距离实时采集和监测，并可有效提高检测精度。
51.以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。