MEMS传感器线阵、触诊探头及其制造方法与流程

本发明涉及医疗器械技术领域，具体地涉及一种MEMS传感器线阵、触诊探头及其制造方法。

背景技术：

近年来，中国乳癌具有发病率增速高、死亡率高、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较好，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，他们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，这种产品具有完全无创、灵敏度高、操作方便、结果判读容易等优点，具有很高的市场前景和社会价值。

触诊探头的性能优劣是乳腺触诊成像的关键。触诊探头由纵向和横向排列的若干压力传感器组成线阵，探头试压于乳房表面后，线阵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，对这些压力信号进行计算后，便可以得出肿块的硬度、大小、形状等信息，以辅助临床诊断。

传统的压力传感器线阵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。采用该方案时由于制作工艺的原因，线阵中不同传感器的一致性差、测量结果受温度影响较大、长时间使用后硅胶不能回弹或回弹不足。

目前，基于微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System，简称MEMS)工艺的硅基电容式传感器开始应用在触诊探头中，将该传感器封装到曲面的触诊探头时的封装效果会影响到触诊探头的信号采集效果，因而，如何优化MEMS传感器线阵制作曲面探头时的封装是目前亟需解决的技术问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提出一种MEMS传感器线阵、触诊探头及其制造方法，以使触诊探头具有结构紧凑，工艺简单，可靠性高等优点。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种MEMS传感器线阵，所述MEMS传感器线阵包括连接部和若干MEMS传感器单元，所述连接部和各个所述MEMS传感器单元依次排列；所述若干MEMS传感器单元共用一个上电极；所述连接部的上表面设置有与所述上电极电连接的导电材料，所述连接部的下表面上设置有上电极焊盘，所述连接部具有贯穿所述连接部的上表面和下表面的第一通孔，所述导电材料和所述上电极焊盘通过设置于所述第一通孔的孔壁上的第一连通层电连接。

上述方案中，所述MEMS传感器单元包括依次堆叠设置的上电极、绝缘层、弹性膜层、下电极及基底层，其中：所述下电极位于所述基底层的上表面，所述基底层的下表面上设置有下电极焊盘，所述基底层上设置有贯穿所述基底层的第二通孔，所述下电极和所述下电极焊盘通过设置于所述第二通孔的孔壁上的第二连通层电连接。

上述方案中，所述弹性膜层和所述基底层之间设置有空腔，所述空腔包括互相连通的多个圆形腔体；

所述下电极包括多个相互电连接的圆形下电极电极片，每个所述圆形腔体与一个下电极电极片相对应，所述圆形腔体与对应的下电极电极片在所述基底层上的投影的圆心重合；

或者，所述上电极包括多个相互电连接的圆形上电极电极片，每个所述圆形腔体与一个上电极电极片相对应，所述圆形腔体与对应的上电极电极片在所述基底层上的投影的圆心重合。

上述方案中，所述空腔的高度为1μm；和/或，所述圆形腔体的直径为50μm-100μm；和/或，所述下电极电极片为圆形，所述圆形腔体的直径与所述下电极电极片的直径之比大于110％；和/或，所述下电极的高度为0.5μm；和/或，所述上电极的高度为0.5μm。

上述方案中，所述第二通孔为圆台型通孔，位于所述基底层的上表面的通孔端口的直径为150μm，位于所述基底层的下表面的通孔端口的直径为400μm。

上述方案中，所述基底层的材质为玻璃；和/或，所述弹性膜层的材质为硅。

一种触诊探头，所述触诊探头包括探头基座，电路板、与所述电路板电连接的线缆以及若干上述技术方案中的MEMS传感器线阵，其中：所述电路板设置在所述探头基座上；所述电路板上设置有与所述MEMS传感器线阵的下电极焊盘对应的第一焊点组，以及与所述MEMS传感器线阵的上电极焊盘对应的第二焊点组；所述上电极焊盘与所述下电极焊盘对应连接在所述第一焊点组和所述第二焊点组上。

上述方案中，所述上电极焊盘与所述下电极焊盘与所述电路板通过所述焊盘植球或导电胶连接。

一种MEMS传感器线阵的制造方法，所述MEMS传感器线阵包括连接部和若干MEMS传感器单元的MEMS传感器线阵，所述若干MEMS传感器单元共用一个上电极；所述方法包括：在所述连接部的上表面和设置有上电极焊盘的下表面之间制作第一通孔；在所述连接部的上表面和所述第一通孔上依次沉积绝缘材料和导电材料，所述导电材料和所述上电极焊盘通过形成于所述第一通孔的孔壁上的第一连通层电连接。

上述方案中，所述在所述连接部的上表面和设置有上电极焊盘的下表面之间制作第一通孔之前，所述方法还包括：在基底层上形成设置有贯穿所述基底层的第二通孔；在所述基底层的上表面形成所述MEMS传感器的下电极，所述下电极包括多个相互电连接的下电极电极片；在所述基底层的下表面形成所述MEMS传感器的上电极焊盘和下电极焊盘，所述下电极和所述下电极焊盘通过设置于所述第二通孔的孔壁上的第二连通层电连接。

上述方案中，所述在所述基底层的下表面形成所述MEMS传感器的上电极焊盘和下电极焊盘后，所述方法还包括：在所述基底层上方形成内部具有空腔的弹性膜层，所述空腔包括互相连通的多个圆形腔体，每个圆形腔体与一个下电极电极片相对应，所述圆形腔体与对应的下电极电极片在所述基底层上的投影的圆心重合；在所述弹性膜层和所述基底层上制作贯穿所述弹性膜层与所述基底层的第一通孔；在所述弹性膜层的上表面和所述第一通孔的孔壁上依次沉积绝缘材料；在所述绝缘材料上方沉积导电材料，形成上电极，所述导电材料和所述上电极焊盘通过形成于所述第一通孔的孔壁上的第一连通层电连接。

上述方案中，所述在所述基底层上方形成内部具有空腔的弹性膜层，包括：在在绝缘衬底上的硅片S0I硅片的顶层硅上形成空腔；将所述S0I硅片与基底层键合；去除与基底层键合后的所述在绝缘衬底上的硅片的底硅层和埋氧层。

一种触诊探头的制造方法，所述触诊探头包括探头基座，电路板、与所述电路板电连接的线缆以及若干上述技术方案中的MEMS传感器线阵的制造方法制造的MEMS传感器线阵，所述触诊探头的制造方法包括：制作电路板，所述电路板上设置有与所述MEMS传感器线阵的下电极焊盘对应的第一焊点组，以及与所述MEMS传感器线阵的上电极焊盘对应的第二焊点组；通过导电胶将所述上电极焊盘与所述下电极焊盘对应粘接在所述第一焊点组和所述第二焊点组上；或者，通过回流焊将植球后的所述上电极焊盘与所述下电极焊盘对应焊接在所述第一焊点组和所述第二焊点组上。

本发明提供的MEMS传感器线阵、触诊探头及其制造方法，采用的MEMS传感器线阵包括连接部和若干MEMS传感器单元，连接部的下表面的上电极焊盘与MEMS传感器单元的上电极电连接，这样，位于连接部下表面的上电极焊盘与电路板连接时，无需连接线，可避免连接线断裂引起的探头可靠性下降，以及连接线带来的传感器线阵表面凹凸不平的现象出现，该触诊探头封装结构紧凑，工艺简单，提高了触诊探头的可靠性。

附图说明

图1是本发明实施例一中MEMS传感器线阵的示意图；

图2是本发明实施例一中MEMS传感器线阵的截面图；

图3是本发明实施例一中MEMS传感器单元的截面图；

图4是本发明实施例一的MEMS传感器单元的示意图；

图5是本发明实施例二中的触诊探头的分解图；

图6是本发明实施例三中的MEMS传感器线阵的制造方法的方法流程图；

图7是本发明实施例四中的触诊探头的制造方法的方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

实施例一

如图1和图2所示，本发明实施例提供的MEMS传感器线阵包括连接部110和五个MEMS传感器单元200，连接部110和各个MEMS传感器单元200依次排列；这五个MEMS传感器单元200共用一个上电极130；连接部110的上表面设置有与上电极130电连接的导电材料，连接部的下表面上设置有上电极焊盘111，连接部具有贯穿连接部110的上表面和下表面的第一通孔112，导电材料和上电极焊盘111通过设置于第一通孔112的孔壁上的第一连通层电连接。

在本发明实施例中，一个MEMS传感器线阵包括五个MEMS传感器单元，但是在实际应用中，并不局限于此。这里，MEMS传感器为压力传感器。

如图1和图2所示，连接部200的下表面与MEMS传感器线阵的下表面共面，此时，MEMS传感器线阵的上电极130通过上电极焊盘111引向MEMS传感器线阵的下表面，可以与MEMS传感器线阵的下电极焊接在同一平面电路板上，无需连接线，可避免连接线断裂引起的探头可靠性下降，以及连接线带来的传感器线阵表面凹凸不平的现象出现，该触诊探头封装结构紧凑，工艺简单，提高了触诊探头的可靠性。

如图3和图4所示，MEMS传感器单元包括依次堆叠设置的上电极210、绝缘层220、弹性膜层230、下电极240及基底层250，其中：下电极240位于基底层250的上表面，基底层250的下表面上设置有下电极焊盘260，基底层250上设置有贯穿基底层250的第二通孔270，下电极240和下电极焊盘260通过设置于第二通孔270的孔壁上的第二连通层电连接。

在本发明实施例中，基底层250的材质为玻璃，弹性膜层230的材质为硅。其中，下电极240的高度为0.5μm，上电极210的高度为0.5μm。此外，第二通孔270为圆台型通孔，位于基底层250的上表面的通孔端口的直径为150μm，位于基底层250的下表面的通孔端口的直径为400μm。

如图4所示，弹性膜层230和基底层250之间设置有空腔280；下电极240包括多个相互电连接的圆形下电极电极片，空腔包括互相连通的多个圆形腔体281，每个圆形腔体281与一个下电极电极片相对应，圆形腔体281与对应的下电极电极片在基底层上的投影的圆心重合。如图4所示，圆形腔体281的数量为九个，此时，每个MEMS传感器单元包含的下电极电极片的数量也为九个。

此外，上电极130包括多个相互电连接的圆形上电极电极片，每个圆形腔体281与一个上电极电极片相对应，圆形腔体281与对应的上电极电极片在基底层上的投影的圆心重合。

其中，空腔280的高度为1μm，圆形腔体281的直径为50μm-100μm。圆形腔体281的直径与下电极电极片的直径之比大于110％，圆形腔体281的直径与上电极电极片的直径之比大于110％。

本发明提供的MEMS传感器线阵包括连接部和若干MEMS传感器单元，连接部的下表面的上电极焊盘与MEMS传感器单元的上电极电连接，这样，位于连接部下表面的上电极焊盘与电路板连接时，无需连接线，可避免连接线断裂引起的探头可靠性下降，以及连接线带来的传感器线阵表面凹凸不平的现象出现，该触诊探头封装结构紧凑，工艺简单，提高了触诊探头的可靠性。

实施例二

如图5所示，本发明实施例提供的触诊探头包括探头基座(图中未示出，电路板500、与电路板500电连接的线缆以及若干实施例一中的MEMS传感器线阵，其中：电路板500设置在探头基座上；电路板500上设置有与MEMS传感器线阵的下电极焊盘对应的第一焊点组510，以及与MEMS传感器线阵的上电极焊盘对应的第二焊点组520；上电极焊盘111与下电极焊盘260对应连接在第一焊点组510和第二焊点组520上。

实施例一中的MEMS传感器线阵是在晶圆上一体式制作后划片后形成，多个MEMS传感器线阵平行设置在电路板500上，电路板500为柔性电路板。电路板500的第一焊点组510与上电极引出线512连接，第二焊点组520与下电极引出线522连接。

具体的，上电极焊盘111与下电极焊盘260与电路板可以通过焊盘植球或导电胶连接。

本发明提供的触诊探头采用的MEMS传感器线阵包括连接部和若干MEMS传感器单元，连接部的下表面的上电极焊盘与MEMS传感器单元的上电极130电连接，这样，位于连接部下表面的上电极焊盘与电路板连接时，无需连接线，可避免连接线断裂引起的探头可靠性下降，以及连接线带来的传感器线阵表面凹凸不平的现象出现，该触诊探头封装结构紧凑，工艺简单，提高了触诊探头的可靠性。

实施例三

在本发明实施例中，MEMS传感器线阵包括连接部和若干MEMS传感器单元的MEMS传感器线阵，若干MEMS传感器单元共用一个上电极。如图6所示，本发明实施例提供的MEMS传感器线阵的制造方法包括：

步骤610，在连接部的上表面和设置有上电极焊盘的下表面之间制作第一通孔。

步骤620，在连接部的上表面和第一通孔上依次沉积绝缘材料和导电材料，导电材料和上电极焊盘通过形成于第一通孔的孔壁上的第一连通层电连接。

具体地，在制造MEMS传感器线阵时，执行以下步骤701-711：

步骤701，在玻璃基底层上形成设置有贯穿基底层的第二通孔。第二通孔为上细下粗的圆台型导通孔，位于基底层的上表面的通孔端口的直径为150μm，位于基底层的下表面的通孔端口的直径为400μm。可采用激光打孔技术或喷砂微加工技术制作该导通孔。

步骤702，在基底层的上表面形成MEMS传感器的下电极，下电极包括多个相互电连接的下电极电极片；在基底层的下表面形成MEMS传感器的上电极焊盘和下电极焊盘，下电极和下电极焊盘通过设置于第二通孔的孔壁上的第二连通层电连接。

在以下步骤703至步骤705中，在基底层上方形成内部具有空腔的弹性膜层，具体地：

步骤703，在绝缘衬底上的硅片(Silicon-On-Insulator，简称S0I)硅片的顶层硅上形成空腔。例如，选择厚度为300μm，6寸双面抛光硅片制作弹性膜层，其中顶层硅厚度为10μm，在顶层硅上面制备图形化空腔结构，经过涂胶、光刻、显影和硅刻蚀工艺，形成空腔，腐蚀深度1.5μm。该空腔包括互相连通的多个圆形腔体，圆形腔体的直径为50-100μm。

步骤704，将以上S0I硅片与基底层键合将。该硅片内部具有空腔，空腔的每个圆形腔体与一个下电极电极片相对应，圆形腔体与对应的下电极电极片在基底层上的投影的圆心重合。

步骤705，去除与基底层键合后的所述S0I硅片的底硅层和埋氧层。具体地，可以利用四甲基氢氧化铵溶液去除键合后的S0I硅片的底硅层，利用缓冲氧化物刻蚀液去除S0I硅片的埋氧层。

步骤706，采用激光打孔工艺，在弹性膜层和基底层上制作贯穿弹性膜层与基底层的第一通孔。

步骤707，在弹性膜层的上表面和第一通孔的孔壁上依次沉积绝缘材料，目的是避免上电极与下电极可能的电气接触。该步骤形成了绝缘层。

步骤708，在绝缘层上方沉积导电材料，形成上电极，导电材料和上电极焊盘通过形成于第一通孔的孔壁上的第一连通层电连接。

步骤709，上电极图形化，在绝缘层的上表面沉积金属铝，厚度0.5μm，再通过涂胶、光刻、显影和刻蚀工艺，形成图形化上电极，同时上电极导通孔侧壁形成上电极连通层。上电极通过上电极导通层与上电极焊盘形成电气连接。

步骤710，采用低压力化学气相沉积法低温沉积二氧化硅作为绝缘层，厚度为1μm。该步骤可以避免上电极与外界直接接触。

步骤711，将晶圆切割成线阵，比如5*1的传感器线阵，即五个传感器单元和一个连接部构成一条线阵。

实施例四

本发明实施例中的触诊探头包括探头基座，电路板、与电路板电连接的线缆以及若干按照实施例三中的技术方案中的制造方法制造的MEMS传感器线阵，如图7所示，本发明实施例提供的触诊探头的制造方法包括：

步骤810，制作电路板，电路板上设置有与MEMS传感器线阵的下电极焊盘对应的第一焊点组，以及与MEMS传感器线阵的上电极焊盘对应的第二焊点组.

步骤820，通过导电胶将上电极焊盘与下电极焊盘对应粘接在第一焊点组和第二焊点组上。

其中，步骤820也可以用以下步骤代替：通过回流焊将植球后的上电极焊盘与下电极焊盘对应焊接在第一焊点组和第二焊点组上。

之后，将焊接有MEMS传感器线阵的柔性电路板与曲面背衬粘接，同时将上电极和下电极与线缆建立电气连接。

最后，将触诊探头与采集卡系统、主机连接，组成触诊成像系统。

本发明实施例提供的MEMS传感器线阵、触诊探头的制造方法采用的MEMS传感器线阵包括连接部和若干MEMS传感器单元，连接部的下表面的上电极焊盘与MEMS传感器单元的上电极电连接，这样，位于连接部下表面的上电极焊盘与电路板连接时，无需连接线，可避免连接线断裂引起的探头可靠性下降，以及连接线带来的传感器线阵表面凹凸不平的现象出现，该触诊探头封装结构紧凑，工艺简单，提高了触诊探头的可靠性。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。

技术特征：

1.一种MEMS传感器线阵，其特征在于，所述MEMS传感器线阵包括连接部和若干MEMS传感器单元，所述连接部和各个所述MEMS传感器单元依次排列；

所述若干MEMS传感器单元共用一个上电极；

所述连接部的上表面设置有与所述上电极电连接的导电材料，所述连接部的下表面上设置有上电极焊盘，所述连接部具有贯穿所述连接部的上表面和下表面的第一通孔，所述导电材料和所述上电极焊盘通过设置于所述第一通孔的孔壁上的第一连通层电连接。

2.根据权利要求1所述的MEMS传感器线阵，其特征在于，所述MEMS传感器单元包括依次堆叠设置的上电极、绝缘层、弹性膜层、下电极及基底层，其中：

所述下电极位于所述基底层的上表面，所述基底层的下表面上设置有下电极焊盘，所述基底层上设置有贯穿所述基底层的第二通孔，所述下电极和所述下电极焊盘通过设置于所述第二通孔的孔壁上的第二连通层电连接。

3.根据权利要求2所述的MEMS传感器线阵，其特征在于，所述弹性膜层和所述基底层之间设置有空腔，所述空腔包括互相连通的多个圆形腔体；

4.根据权利要求3所述的MEMS传感器线阵，其特征在于，所述空腔的高度为1μm；和/或，所述圆形腔体的直径为50μm-100μm；和/或，述圆形腔体的直径与所述下电极电极片的直径之比大于110％；和/或，所述下电极的高度为0.5μm；和/或，所述上电极的高度为0.5μm。

5.根据权利要求2至4任一项所述的MEMS传感器线阵，其特征在于，所述第二通孔为圆台型通孔，位于所述基底层的上表面的通孔端口的直径为150μm，位于所述基底层的下表面的通孔端口的直径为400μm。

6.根据权利要求2至4任一项所述的MEMS传感器线阵，其特征在于，所述基底层的材质为玻璃；和/或，所述弹性膜层的材质为硅。

7.一种触诊探头，其特征在于，所述触诊探头包括探头基座，电路板、与所述电路板电连接的线缆以及若干如权利要求1至6任一项所述的MEMS传感器线阵，其中：

所述电路板设置在所述探头基座上；

所述电路板上设置有与所述MEMS传感器线阵的下电极焊盘对应的第一焊点组，以及与所述MEMS传感器线阵的上电极焊盘对应的第二焊点组；

所述上电极焊盘与所述下电极焊盘对应连接在所述第一焊点组和所述第二焊点组上。

8.根据权利要求7所述的触诊探头，其特征在于，所述上电极焊盘与所述下电极焊盘与所述电路板通过所述焊盘植球或导电胶连接。

9.一种MEMS传感器线阵的制造方法，其特征在于，所述MEMS传感器线阵包括连接部和若干MEMS传感器单元的MEMS传感器线阵，所述若干MEMS传感器单元共用一个上电极；所述方法包括：

在所述连接部的上表面和设置有上电极焊盘的下表面之间制作第一通孔；

在所述连接部的上表面和所述第一通孔上依次沉积绝缘材料和导电材料，所述导电材料和所述上电极焊盘通过形成于所述第一通孔的孔壁上的第一连通层电连接。

10.根据权利要求9所述的制造方法，其特征在于，所述在所述连接部的上表面和设置有上电极焊盘的下表面之间制作第一通孔之前，所述方法还包括：

在基底层上形成设置有贯穿所述基底层的第二通孔；

在所述基底层的上表面形成所述MEMS传感器的下电极，所述下电极包括多个相互电连接的下电极电极片；

在所述基底层的下表面形成所述MEMS传感器的上电极焊盘和下电极焊盘，所述下电极和所述下电极焊盘通过设置于所述第二通孔的孔壁上的第二连通层电连接。

11.根据权利要求10所述的制造方法，其特征在于，所述在所述基底层的下表面形成所述MEMS传感器的上电极焊盘和下电极焊盘后，所述方法还包括：

在所述基底层上方形成内部具有空腔的弹性膜层，所述空腔包括互相连通的多个圆形腔体，每个圆形腔体与一个下电极电极片相对应，所述圆形腔体与对应的下电极电极片在所述基底层上的投影的圆心重合；

在所述弹性膜层和所述基底层上制作贯穿所述弹性膜层与所述基底层的第一通孔；

在所述弹性膜层的上表面和所述第一通孔的孔壁上依次沉积绝缘材料；

在所述绝缘材料上方沉积导电材料，形成上电极，所述导电材料和所述上电极焊盘通过形成于所述第一通孔的孔壁上的第一连通层电连接。

12.根据权利要求11所述的制造方法，其特征在于，所述在所述基底层上方形成内部具有空腔的弹性膜层，包括：

在绝缘衬底上的硅片SOI硅片的顶层硅上形成空腔；

将所述SOI硅片与基底层键合；

去除与基底层键合后的所述SOI硅片的底硅层和埋氧层。

13.一种触诊探头的制造方法，其特征在于，所述触诊探头包括探头基座，电路板、与所述电路板电连接的线缆以及若干按照权利要求9至12任一项所述的MEMS传感器线阵的制造方法制造的MEMS传感器线阵，所述触诊探头的制造方法包括：

制作电路板，所述电路板上设置有与所述MEMS传感器线阵的下电极焊盘对应的第一焊点组，以及与所述MEMS传感器线阵的上电极焊盘对应的第二焊点组；

通过导电胶将所述上电极焊盘与所述下电极焊盘对应粘接在所述第一焊点组和所述第二焊点组上；

或者，通过回流焊将植球后的所述上电极焊盘与所述下电极焊盘对应焊接在所述第一焊点组和所述第二焊点组上。

技术总结

本发明提供一种MEMS传感器线阵、触诊探头及其制造方法，MEMS传感器线阵包括连接部和若干MEMS传感器单元，连接部和各个MEMS传感器单元依次排列；若干MEMS传感器单元共用一个上电极；连接部的上表面设置有与上电极电连接的导电材料，连接部的下表面上设置有上电极焊盘，连接部具有贯穿连接部的上表面和下表面的第一通孔，导电材料和上电极焊盘通过设置于第一通孔的孔壁上的第一连通层电连接。采用本发明提供的MEMS传感器线阵、触诊探头及其制造方法，触诊探头封装过程无连接线，可避免连接线断裂引起的探头可靠性下降，以及连接线带来的传感器线阵表面凹凸不平的现象出现，该触诊探头封装结构紧凑，工艺简单，且提高了触诊探头的可靠性。