一种柔性传感器阵列、触诊探头及其制备方法与流程

本发明属于医疗仪器领域，尤其涉及一种基于柔性传感器阵列构建的触诊探头及其实现方法。

背景技术：

中国乳癌具有发病率增速高、死亡率高、治疗难度高、发病年龄早的趋势，但相比其它肿瘤，乳癌的早诊早治效果更好，如原位癌近100％可治愈。乳癌的主要检查方法有临床触诊、钼靶x线、超声、核磁、乳管镜等，这些方法均存在一定的局限性。乳腺触诊成像技术于上世纪90年代被提出，其相应的医疗器械产品于2003年面世，这种产品具有灵敏度高、操作方便、结果判读容易以及完全属于无创的特点。因此，乳腺触诊成像是一种很有市场前景和社会价值的技术。

触诊探头的质量好坏是乳腺触诊成像的关键，探头由纵横若干个压力传感器组成阵列，探头试压于乳房表面后，阵列中的压力传感器会因其对应组织的弹性模量不同而输出不同的压力信号，仪器对压力信号进行计算，得出肿块的硬度、大小、形状等信息，辅助临床诊断。

传统的压力传感器阵列结构主要由上下极板以及其中的弹性硅胶组成，所述硅胶为电容的绝缘电介质，利用硅胶的弹性性质使得传感器对外力做出极距变化的相应，导致电容发生变化。这种方式具有如下不足：因为制作工艺的原因，阵列中不同传感器的一致性差、对温度较为敏感、长时间使用后硅胶不能回弹或回弹不足。

通过对现有技术的研究，发现基于mems工艺的硅基电容式传感器可解决上述问题。通过检索发现，现有技术中已经有不少基于mems工艺的硅基电容式传感器阵列相关的技术方案公开，但对于如何采用mems阵列制作曲面探头，如何解决该场景下的封装问题则公开信息较少。上述方案的基本策略都是：首先制作传感器线阵，然后基于对线阵的合理封装，制作曲面传感器阵列，这些解决思路相对简单易行，但也存在如下不足：线阵之间的缝隙如何填平以保证整个探头的端面平整是一个很难解决的问题，另一方面线阵单独粘接在柔性板上也很难保证粘接高度完全一致，这将进一步增加探头端面平整度的难度；而且逐条粘接线阵一方面降低生产效率，另一方面也会降低可靠性。

由此，有必要研究如何更高效地制备高可靠性的曲面触诊探头。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明提出一种基于mems圆片工艺的曲面触诊探头及其制备方法，具体技术方案如下：

一种柔性传感器阵列的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

选择第一硅片，所述第一硅片的第一表面上包括二氧化硅层；

刻蚀所述二氧化硅层，形成空腔阵列；

刻蚀所述空腔阵列的间隙，形成纵横交叉的深沟槽，所述深沟槽的深度超过所述二氧化硅层的厚度；

在所述深沟槽中填充弹性绝缘材料；

选择soi硅片，所述soi硅片包括上硅片、绝缘层、下硅片，将所述soi硅片的下硅片表面与所述第一硅片的第一表面进行键合；

去除所述soi硅片的上硅片与绝缘层；

在所述soi硅片的下硅片表面制作第一电极图形；

依据所述第一电极图形图形化所述soi硅片的下硅片，图形化的所述下硅片具有与所述第一电极具有相同的图形；

减薄所述第一硅片的与第一表面相对的第二表面，直至露出所述弹性绝缘材料；

在所述第一硅片的第二表面上制备第二电极，所述第二电极对应于所述空腔阵列形成第二电极阵列；

切割所述第一硅片得到传感器阵列。

本发明还提出另一种柔性传感器阵列的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

选择第一硅片，所述第一硅片的第一表面上包括二氧化硅层；

刻蚀所述二氧化硅层，形成空腔阵列；

选择soi硅片，所述soi硅片包括上硅片、绝缘层、下硅片，将所述soi硅片的下硅片表面与所述第一硅片的第一表面进行键合；

去除所述soi硅片的上硅片与绝缘层；

在所述soi硅片的下硅片表面沉积导电材料层；

刻蚀所述soi硅片的下硅片，形成纵横交叉的深沟槽，所述深沟槽间隔所述空腔阵列，所述导电材料层被同步刻蚀为第一电极图形；

在所述深沟槽中填充弹性绝缘材料；

减薄所述第一硅片的与第一表面相对的第二表面，直至露出所述弹性绝缘材料；

在所述第一硅片的第二表面上制备第二电极，所述第二电极对应于所述空腔阵列形成第二电极阵列；

切割所述第一硅片得到传感器阵列。

优选地，所述空腔的深度不超过所述二氧化硅层的厚度。

优选地，其中所述弹性绝缘材料包括pdms。

优选地，所述深沟槽的深度超过所述下硅片和所述二氧化硅层的厚度之和。

优选地，还包括在所述导电材料层表面覆盖所述弹性绝缘材料。

本发明还提出一种曲面触诊探头的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

制作柔性传感器阵列，其中所述制作柔性传感器阵列依据本发明所提出的方法制作；

制作柔性电路板，所述柔性电路板上设置有电极焊盘；

将所述柔性传感器阵列封装至所述柔性电路板，建立所述柔性传感器阵列与所述柔性电路板的导电连接；

将所述柔性电路板粘接至曲面背衬；

对所述柔性传感器阵列进行表面绝缘和屏蔽处理。

优选地，所述柔性电路板上的电极焊盘包括第一电极焊盘阵列和第二电极焊盘阵列，分别与所述柔性传感器阵列的第一电极、第二电极导电连接。

优选地，还包括建立所述电极焊盘与采集线缆的电气连接的步骤。

优选地，还包括对所述柔性传感器阵列进行表面平整处理的步骤。

优选地，还包括与采集卡、主机连接的步骤。

优选地，所述曲面触诊探头为球面触诊探头。

本发明的有益效果是：本发明提出了一种基于柔性绝缘材料隔离的传感器面阵及其制备方法，基于该制备方法所获得的传感器面阵由于经柔性绝缘材料隔离，因此可以弯曲，从而可以制备出曲面触诊探头或者球面触诊探头。

【附图说明】

图1为本发明实施例中传感器阵列的爆炸示意图；

图2为本发明实施例中传感器阵列的下电极示意图；

图3为本发明实施例中传感器阵列的平面示意图；

图4为本发明实施例中柔性电路板电极焊盘示意图；

图5为本发明实施例中曲面探头示意图；

图6为本发明实施例1的柔性传感器制备方法示意图；

图7为本发明实施例3的柔性传感器制备方法示意图。

【具体实施方式】

下面通过具体实施方式结合附图1至附图7对本发明作进一步详细说明，以便能够更好地理解本发明的方案以及其各方面的优点。在以下的实施例中，提供以下具体实施方式的目的是便于对本申请公开内容更清楚透彻的理解，而不是对本发明的限制。其中上、下、左、右等指示方位的字词仅是针对所示结构在对应附图中位置而言。

参见图1-5，本发明提出一种柔性传感器阵列单元，该传感器阵列结构包括上电极1、弹性膜(硅)2、空腔阵列3、第一二氧化硅层4、弹性绝缘间隔层5、基底层7，参见图1：

其中，第一二氧化硅层4与第二二氧化硅层6为同一层材料，仅仅是第一二氧化硅层4位于传感器阵列单元，经蚀刻形成了阵列区域，可以在其上制备空腔阵列3。

第二二氧化硅层6位于基底层7上面，将第二二氧化硅层6刻蚀出器件区域，在第一二氧化硅层4中形成有空腔阵列3，空腔深度小于二氧化硅层厚度，二氧化硅层多出的厚度部分做电容式传感器单元的绝缘层。弹性绝缘间隔层5位于基底层7和第一二氧化硅层4横向和纵向的槽内，一方面起到绝缘的作用，另一方面可以保证基底层和二氧化硅层绕单一轴向方向弯曲一定的角度。弹性绝缘间隔层5分别与二氧化硅层6及基底层7共平面，它们之间紧密连接在一起。二氧化硅层6上面为弹性模层2，弹性膜材质为硅，弹性膜层2和二氧化硅层6通过直接键合等类似工艺贴合在一起，弹性膜2为条状结构。弹性膜2上方为上电极层1，上电极层1和弹性膜层2通过蒸发、磁控溅射等工艺紧密贴合在一起，上电极1和弹性膜2一样为条状结构，弹性膜2和上电极1条状结构可以通过图形化蚀刻工艺形成。上述条状结构构成传感器面阵的一列，图1示为三列(当然叫一行也行，即图示为三行，四列)。每个功能单元由若干个空腔组成，如下示意图显示的是四个，每个空腔及其对应的上电极区域和下电极区域构建成一个电容式传感器结构单元，若干个结构单元构建成一个传感器功能单元，可以将一个功能单元由若干个结构单元并联而成，下图图示为四个结构单元构建为一个功能单元。

参见图2，每个功能单元、即空腔阵列3单元的下电极8是相互孤立的，共有3行4列共12个下电极8。

传感器阵列至少由两行两列共四个传感器功能单元构建，但是优选12行16列，次选5行8列，所述行列的定义可以交换，即16行12列依然是优选方案等同于12行16列。每个功能单元的尺寸优选2mm*2mm，功能单元，每个功能单元的空腔数目优选8*8，即64个空腔构成一个功能单元空腔部分。空腔深度优选0.5微米，二氧化硅层厚度优选0.8微米。空腔直径优选100微米。弹性膜厚度优选2微米，上电极和下电极厚度优选0.1微米。

由上述传感器面阵直接制作曲面探头，其中探头的引线逻辑如下：

由每行的上电极9互联在一起，每列的下电极10连接在一起，行列交点即为面阵的一个压力传感器功能单元。如图3所示：共有64个压力传感器功能单元。

与mems压力传感器面阵配套的柔性电路板如图4所示，图4中柔性电路板11上形成四行五列的电极焊盘，其中下电极焊盘13每行连在一起。孤立的下电极通过连在一起的下电极焊盘13互联在一起，下电极和下电极焊盘直接可采用导电胶或类似导电物质粘黏在一起。面阵本身就互联在一起的上电极依次通过对应的上电极焊盘12与柔性电路板11连在一起。条状上电极12彼此之间的与上电极同方向的弹性绝缘部分可使得传感器面阵很方便的在弧面被衬上定型。

更进一步，与传感器面阵良好连接的柔性电路板11与弧面被衬粘接为一体，在传感器面阵中包括传感器功能单元14以及弹性绝缘部分15。再分别将上电极引出线和下电极引出线和探头线缆按顺序逐次连接，如图5所示。于传感器面阵端面一次进行绝缘层，屏蔽层，平整层的制作，即可得到基于柔性传感器阵列构建的触诊探头。上述提到的绝缘层，屏蔽层，平整层可选用本领域的惯用技术。

临床进行乳腺触诊成像检查的过程为，将触诊探头端面涂抹耦合剂再按压于乳房表面，缓慢施压，然后滑动进行全乳扫描，以进行是否存在肿块的初筛。当发现有肿块存在时，需要对该肿块进行图像采集。采集方式为，继续缓慢对探头施加压力直至图像非常清晰，然后需要向各个方向摆动探头，目的是从不同角度观察肿块的形状、活动度等特性。目前的触诊探头往往采用单一轴向弧面的柱面结构，该结构容许操作者较方便的进行一个特定方向的摆动，但其他方向摆动时会因为探头端面外形的缘故受到影响。如果探头端面制作成球面造型，可以解决以上问题。但如何制作具有球面传感器阵列端面的探头成为本领域急需解决的技术问题。

基于本技术方案，可以解决该问题，柔性传感器面阵具有横向和纵向的贯穿整个面阵的弹性绝缘部分，它的存在可使得传感器面阵绕任意方向做小幅度的弯曲，本实施例是将柔性传感器阵列绕曲在球面柔性电路板和球面被衬上。柔性传感器面阵中，下电极彼此孤立互不相连，上电极同样彼此孤立互不相连。球面柔性电路板上具有彼此孤立的下电极焊盘，制作球面探头时，孤立下电极与对应的下电极焊盘依次建立电气连接，可采用导电胶等惯用方式进行连接；上电极彼此互联在一起。所述球面探头具有共用上电极，所有下电极分立的特点。很容易想到的是，利用此方案可以进行球面超声探头等装置的制作。

实施例1

本发明提出一种柔性传感器阵列的制备方法，具体包括如下步骤：

s100：选择合适的第一衬底硅片16；该衬底硅片例如为6寸的厚度为500μm，通过热氧化或者沉积的方式形成一层厚度约1μm左右的二氧化硅层17。也可以直接选择带有1μm厚度二氧化硅层的硅片，上述硅片为重掺杂硅片，具有较高的导电率,如图6a/6b所示。

s101:图形化二氧化硅层，形成直径为50-100μm、深度0.5μm的空腔阵列18；具体地，在该图形化过程中，可以包括清洗、前烘、涂胶、后烘、光刻、显影和二氧化硅刻蚀、去胶等工艺，如图6c所示。

s102:刻蚀形成间隔空腔阵列的槽；为了将空腔阵列间隔开，可在该空腔阵列之间刻蚀形成横向和纵向布置的深槽19，比如槽宽0.5mm、槽深250深槽为横向和纵向两个方向布置，槽宽0.5mm，槽深250μm。槽的刻蚀可采用湿法刻蚀或干法刻蚀，或采用控制好一定深度的机械划片工艺实现，或采用深度可控的激光等方式,如图6d所示。

s103:在上述槽19中填充弹性绝缘材料20；该弹性绝缘材料例如为耐高温的弹性绝缘材料，比如pdms物质，可确保弹性绝缘材料与周边硅材料建立良好的粘结作用。填充时可采用点胶机对横向和纵向的槽进行填充，填充的高度应略小于槽的深度，目的是不影响后续工艺中的硅硅直接键合，如图6e所示。

s104:选择soi硅片21并与第一衬底硅片进行键合；该soi硅片21覆盖第一衬底硅片上形成空腔阵列的面进行硅硅键合，如图6f所示。

s105:soi硅片背面减薄；具体地，比如利用tmah溶液去除键合后soi硅片21的键合表面相对的背面的硅层,如图6g，进一步地利用boe溶液去除soi硅片的埋氧层，如图6h所示。

s106:在减薄后的soi硅片表面沉积导电材料22并图形化；例如沉积厚度为0.1μm的金属al,进一步通过涂胶、光刻、显影和刻蚀工艺，形成图形化上电极，如图6i/6j所示。

在该步骤中，图形化的上电极可为条状结构，及几个阵列单元具有连续的上电极；也可以将上电极图形化为分立的上电极单元，即每个阵列单元的上电极是孤立的。

s107:图形化soi硅片剩余部分：图形化后的soi硅片具有与上电极相同的图形，即将没有上电极保留的区域的soi硅片去除。目的是，避免传感器面阵绕曲时soi硅片可能随弹性绝缘材料弯曲而产生断裂现象而影响面阵的可靠性，如图6k所示。

s108：对第一衬底硅片进行减薄；采用减薄工艺对第一衬底硅片做减薄处理，减薄至漏出弹性绝缘材料为止，为了弹性绝缘材料绝缘效果的可靠，优选地，将第一衬底硅片减薄至硅面略低于弹性绝缘材料部分，如图6l所示。

s109：制备下电极，该下电极例如对应覆盖于空腔阵列区域，可以通过掩膜板的镂空区域限定磁控溅射的区域范围，从而形成孤立的下电极阵列23，如图6n所示；当然还可以先形成电极层、如图6m，然后再图形化形成下电极如图6n。

s110:传感器面阵切割，将晶圆切割成面阵，比如4*3的传感器面阵，因为面阵存在条状的弹性绝缘材料，所以面阵可以绕单一轴向方向绕曲一定的角度，从而为制作曲面探头做准备。当然了，如果不进行绕曲，就可以制作平面探头。

如果上电极单元也是对应于空腔阵列的分立电极，则也可以制备球面探头。

实施例2

本发明提出一种曲面探头的制备方法，在完成柔性传感器面阵的制备之后，进一步包括以下步骤：

s111:制作柔性电路板，电路板上焊盘位置与传感器线阵上下电极焊盘位置一致。

s112:传感器线阵封装，柔性电路板下焊盘位置涂抹导电胶，然后将传感器面阵置于相应位置，使得传感器面阵的下电极均与柔性电路板上相应焊盘建立稳定的电气连接。也可以采用传感器焊盘植球后，通过回流焊的方式进行传感器线阵和柔性电路板的连接。上电极可采用局部涂抹导电胶的方式与柔性电路板进行连接。

s113:将焊接传感器的柔性电路板与曲面背衬粘接，同时将上下电极与采集线缆建立电气连接。于传感器面阵端面一次进行绝缘层，屏蔽层，平整层的制作，即可得到基于柔性传感器阵列构建的触诊探头。

s114:触诊探头可与采集卡系统、主机连接，执行触诊成像操作。

实施例3：

参见图7所示，本发明还提出另一种柔性传感器阵列的制备方法，具体包括如下步骤：

s200：选择合适的第一衬底硅片16；该衬底硅片例如为6寸的厚度为500μm，通过热氧化或者沉积的方式形成一层厚度约1μm左右的二氧化硅层17。也可以直接选择带有1μm厚度二氧化硅层的硅片，上述硅片为重掺杂硅片，具有较高的导电率，参见图7a/7b。

s201:图形化二氧化硅层，形成直径为50-100μm、深度0.5μm的空腔18阵列；具体地，在该图形化过程中，可以包括清洗、前烘、涂胶、后烘、光刻、显影和二氧化硅刻蚀、去胶等工艺，参见图7c。

s203:选择soi硅片21并与第一衬底硅片16进行键合；该soi硅片21覆盖第一衬底硅片上形成空腔18阵列的面进行硅硅键合；该soi硅片包括上硅片、绝缘层、下硅片，将soi硅片的下硅片表面与所述第一硅片16的第一表面进行键合，参见图7d。

s204:soi硅片21背面减薄；具体地，比如利用tmah溶液去除键合后soi硅片的键合表面相对的背面的硅层、即上硅片，进一步地利用boe溶液去除soi硅片的绝缘层，参见图7e/7f。

s205:在减薄后的soi硅片表面沉积导电材料22；例如沉积厚度为0.1μm的金属al，参见图7g。

s206:在形成了表面电极的soi下硅片表面刻蚀形成间隔空腔阵列的槽19；为了将空腔阵列间隔开，可在该空腔阵列之间刻蚀形成横向和纵向布置的深槽，比如槽宽0.5mm、槽深250深槽为横向和纵向两个方向布置，即，槽宽0.5mm，槽深250μm。槽的刻蚀可采用湿法刻蚀或干法刻蚀，或采用控制好一定深度的机械划片工艺实现，或采用深度可控的激光等方式。

在本实施例中，将表面上电极和空腔阵列单元之间的纵横交错的深槽按照同样的图形进行刻蚀，因此形成了对应于空腔阵列单元的孤立上电极。

s207:在上述槽中填充弹性绝缘材料20；该弹性绝缘材料例如为耐高温的弹性绝缘材料，比如pdms物质，可确保弹性绝缘材料与周边硅材料建立良好的粘结作用。可采用喷涂或旋涂的方式进行横向和纵向的槽进行填充，同时，在上电极上也形成一层pdms层，参见图7i。

s208:对第一衬底硅片16进行背面减薄，比如采用cmp工艺对第一衬底硅做减薄处理，减薄至漏出弹性绝缘材料，为了弹性绝缘材料绝缘效果的可靠，减薄目标应为硅面略低于弹性绝缘部分，参见图7j。

s209:制备下电极23，该下电极例如对应覆盖于空腔阵列区域，可以通过掩膜板的镂空区域限定磁控溅射的区域范围，从而形成孤立的下电极阵列，参见图7k/7l。

s210:传感器面阵切割，将晶圆切割成面阵，比如4*4的传感器面阵，因为面阵存在横向和纵向两个方向的条状的弹性绝缘材料，所以面阵可以绕球面方向绕曲一定的角度，从而为制作球面探头做准备。当然了，如果不进行绕曲，就可以制作平面探头。也可以绕单一轴向绕曲，从而制作弧面探头。也可以绕任意方向和角度绕曲，从而制备具有复杂表面形状的探头，用于特殊场景的触诊检查。

实施例4：

本发明提出一种球面探头的制备方法，与实施2制作曲面探头的方法类似，但是使用实施例3提出的传感器矩阵，实施例3所制得的传感器矩阵由于上下电极均为孤立矩阵电极，易于弯折。比如：配以合适的柔性电路板，可以将面阵的下电极进行横向电气连接之后。再于传感器的正面铺设柔性电路板，可以将面阵的上电极进行纵向电气连接。

依据本发明所提出的传感器阵列制备方法及其根据该传感器阵列所制备的曲面探头或者球面探头，具有如下显著优点：

1、探头封装过程无bonding线，可避免产生以下两种不良后果：1)bonding线断裂引起的探头可靠性下降，2)传感器线阵上端涂覆硅胶保护膜时不用担心bonding线的存在使其外表面凹坑不平。

2、探头结构紧凑，所采用的工艺均为本领域常见的成熟工艺，制作工艺简单，可靠性高。

3、无需首先制作线阵和传感器单元，可以直接将面阵贴敷于置于曲面背衬的柔性电路板上，从而减小探头制作的工艺步骤，提高探头生产效率和可靠性

4、基于本技术方案也可以使得柔性传感器阵列绕任意方向和角度绕曲，从而制备具有复杂表面形状的探头，用于特殊场景的触诊检查。比如说，用于经颈部复杂表面对甲状腺进行触诊检查。在比如说，制作成与乳房外表面近似的外形，可嵌入至胸罩的内表面进而一次性对乳腺进行触诊的全面检查。进一步，可以想到，将柔性传感器阵列贴服于气囊或者液囊上，传感器阵列可以随着气囊的改变而改变，而气囊又可以随着被检查的表面而自适应的变化。因此，可以说，本技术方案的提出，将使得触诊成像的临床应用范围增大。

以上所述的仅是本发明的实施方式，在此应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出改进，但这些均属于本发明的保护范围。