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Journal of Sensor Technology and Application
Vol.04 No.03(2016), Article ID:17992,8 pages
10.12677/JSTA.2016.43012

Fabrication and Characteristics Research of the Cantilever Beam Pulse Sensor Based on MEMS Technology

Sen Li, Jing Chen, Dandan Li, Xiaofeng Zhao*

Key Laboratory of Electronics Engineering, College of Heilongjiang Province, Heilongjiang University, Harbin Heilongjiang

Received: Jun. 26th, 2016; accepted: Jul. 9th, 2016; published: Jul. 15th, 2016

Copyright © 2016 by authors and Hans Publishers Inc.

This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY).

http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

ABSTRACT

This paper presents the cantilever beam pulse sensor, and the structure consists of the silicon cantilever beam and Wheatstone bridge that contains cantilever beam roots four piezoresistors. Based on the piezoresistive effect, when the cantilever top was touched by pulse force, the elastic deformation of the cantilever beam occurred, which induced the change of the piezoresistive value and the bridge output voltage, and finally the measurement of the pulse was realized. Based on the sensor chip fabrication and packaging on the <100> orientations silicon substrate, when supply voltage VDD = 5.0 V, the cantilever beam output voltage is 111 mV under the 100 mg external force, the sensor sensitivity is 0.54 mV/mg, and the accuracy rating is 5.90% F.S. Experimental results show that the cantilever beam structure enables accomplish pulse measurement and possesses high sensitivity.

Keywords:Pulse Sensor, Cantilever Beam, MEMS Technology, Wheatstone Bridge

基于MEMS技术悬臂梁式脉搏传感器制作 与特性研究

李森，陈静，李丹丹，赵晓锋*

黑龙江省普通高等学校电子工程重点实验室，黑龙江大学，黑龙江 哈尔滨

收稿日期：2016年6月26日；录用日期：2016年7月9日；发布日期：2016年7月15日

摘 要

本文给出悬臂梁式脉搏传感器，该结构由硅悬臂梁和悬臂梁根部四个压敏电阻构成的惠斯通电桥结构组成。基于压阻效应，当悬臂梁顶端受到脉搏力F作用时，悬臂梁发生弹性形变，引起四个扩散压敏电阻阻值发生变化，桥路输出电压变化，实现对脉搏力F的测量。基于MEMS技术在<100>晶向单晶硅衬底实现传感器芯片制作和封装，当工作电压VDD = 5.0 V时，外力F = 100 mg作用下悬臂梁输出电压为111 mV，传感器灵敏度为0.54 mV/mg，准确度为5.90% F.S.。实验结果表明，该悬臂梁结构可实现脉搏力F测量且灵敏度较高。

关键词 :脉搏传感器，悬臂梁，MEMS技术，惠斯通电桥

1. 引言

脉诊是中医的诊法之一，中医可以通过摸脉来判断患者身体状况及预测疾病的发生。随着科学技术发展，脉搏传感器的研究和使用成为中医脉诊的重点。目前脉搏传感器种类繁多且性能各异，根据工作原理可以分为四种：一种是通过感受脉动压力的变化而描述脉搏图，即压力传感器；另一种是通过感受脉管容积的变化来描述脉象，即光电传感器；第三种是声传感器，即利用声学原理来拾取由脉搏引起的振动；第四种是超声多普勒检测技术 [1] 。2009年，张珣、周杰提出了一种新型的光电脉搏传感器即采用激光二极管来代替普通的发光二极管来改善光源质量，这样能最大地减小外界对脉搏信号的干扰，提高脉搏信号测量精度 [2] 。2013年，C. Hlenschi等人发表了基于磁弹性效应的脉搏传感器。磁弹性效应脉搏传感器在受到脉搏力作用下磁场会发生变化，进而检测到内部脉力，它可以检测心脏附近的血压波和皮肤表面脉搏信号 [3] 。2016年，Yong-Jun An等人提出了基于谐振器阵列射频脉搏传感器，脉搏系统的检测基于谐振器频率的改变，且是一种非接触性测量装置，可以手腕上多个点进行检测 [4] 。

通过总结脉搏传感器研究现状 [5] - [7] ，可以采用新颖的脉搏传感器结构、寻找应变系数更大的材料，来进一步提高脉搏传感器的灵敏度。本文基于压阻效应，采用MEMS技术研究设计、制作悬臂梁式脉搏传感器，该结构可以实现脉搏的测量且具有较高灵敏度，且该结构易于集成化。

2. 悬臂梁式脉搏传感器基本结构和工作原理

2.1. 悬臂梁式脉搏传感器基本结构

图1给出悬臂梁式脉搏传感器基本结构，该结构由悬臂梁、悬臂梁顶端质量块和悬臂梁根部四个扩散电阻(R1、R2、R3、R4)组成，四个压敏电阻构成惠斯通电桥。悬臂梁的长度L、宽度b和厚度t分别为2600 μm、440 μm和40 μm，芯片厚度H为500 μm，芯片面积为4.0 × 4.0 mm2，当外加力F作用到悬臂梁顶端，悬臂梁结构发生弹性形变，基于压阻效应，悬臂梁根部惠斯通电桥结构输出电压Vout发生改变可实现外力F测量。

2.2. 悬臂梁式脉搏传感器工作原理

图2给出悬臂梁式脉搏传感器工作原理示意图。当外力F作用到悬臂梁顶端，悬臂梁结构发生弹性形变。基于压阻效应，悬臂梁根部惠斯通电桥输出电压Vout发生改变，实现外力F测量。当外加力F = 0 N，即无外加力时，电桥变化如图2(a)，理论上悬臂梁没有发生弹性形变，不会产生应力和应变。即电阻R1、R2、R3和R4阻值相等，R1 = R2 = R3 = R4 = R，此时桥路输出电压为：

(1)

当外加力F ≠ 0 N时，电桥变化如图2(b)，悬臂梁发生弹性形变，产生应力和应变，该应力和应变使薄膜电阻的电阻率发生变化，惠斯通电桥的桥路失衡，产生输出电压：

(2)

3. 悬臂梁式脉搏传感器制作工艺

本文采用MEMS技术在n型<100>晶向双面抛光高阻单晶硅片上制作悬臂梁式脉搏传感器 [8] - [12] 。图3给出悬臂梁式脉搏传感器制作工艺流程，主要制作工艺步骤如下：(1) 清洗<100>晶向双面抛光高阻单晶硅片；(2) 在单晶硅衬底上采用热生长法双面生长SiO2层；(3) 一次光刻，形成p+区窗口，采用离子注入工艺形成p+区；(4) 二次光刻，形成p-区窗口，采用离子注入工艺形成p-区；(5) 生长一层SiO2；

Figure 1. Basic structure schematic diagram of cantilever beam pulse sensor

图1. 悬臂梁式脉搏传感器基本结构示意图

(a) (b)

Figure 2. Operating principle of cantilever beam pulse sensor: (a) applied force F = 0 N; (b) applied force F ≠ 0 N

图2. 悬臂梁式脉搏传感器工作原理示意图：(a) 外加力F = 0 N时；(b) 外加力F ≠ 0 N时

Figure 3. Fabrication process of cantilever beam pulse sensor based on MEMS technology

图3. 基于MEMS技术悬臂梁式脉搏传感器制作工艺流程

(6) 三次光刻，形成引线孔；(7) 在单晶硅上表面蒸镀铝；(8) 四次光刻，反刻铝，形成铝引线和铝电极；(9) 在单晶硅上表面生长SiO2层作为钝化层；(10) 五次光刻，刻蚀SiO2，形成铝电极窗口；(11) 六次光刻，单晶硅背面ICP刻蚀，形成C型硅杯并刻蚀悬臂梁；(12) 七次光刻，单晶硅正面ICP刻蚀，释放悬臂梁。

该传感器基于压阻效应，可以实现脉搏频率的测量。图4(a)为脉搏传感器悬臂梁正面和背面照片。从图中可以看出脉搏传感器由悬臂梁、悬臂梁顶端质量块、悬臂梁根部扩散电阻组成，关于传感器的结构前文已详细说明，此处不再描述。

4. 悬臂梁式脉搏传感器静态特性

本文采用台阶仪力加载装置(NanoMap 500LS)、数字万用表(Agilent 34401A)和恒压源(RIGOL DP83)对悬臂梁式脉搏传感器进行静态特性测试 [13] 。图5(a)给出了在工作电压分别为1.0 V、3.0 V和5.0 V时根据最小二乘法得出的悬臂梁式脉搏传感器输入–输出实验曲线与拟合直线，由图可得实验曲线和拟合直线基本一致，表明该传感器的线性度良好。图5(b)为脉搏传感器的重复性特性曲线，工作电压分别为1.0 V、3.0 V和5.0 V。图5(c)为脉搏传感器的迟滞性特性曲线，工作电压分别为1.0 V、3.0 V、5.0 V。实验结果给出，当VDD = 5.0 V时，脉搏传感器满量程输出111 mV，灵敏度为0.54 mV/mg，线性度为4.28% F.S.，重复性为2.18% F.S.，迟滞性为2.39% F.S.，准确度为5.90% F.S.。

5. 悬臂梁式脉搏传感器信号处理电路

5.1. 信号处理电路总设计方案

本文设计的脉搏信号处理电路如图6所示，由脉搏传感器信号采集部分和脉搏信号处理电路构成。基于悬臂梁式脉搏传感器特性，采用差分放大电路芯片完成输出电压信号Vout放大；通过ADC0809处理，将电压信号转换为相应数字信号送到MCU；通过软件编程对固定时间内脉搏波的高脉冲进行计数；通过程序计算得出脉搏频率并在液晶显示屏上显示出来，实现脉搏信号的测量。

5.2. 脉搏频率的计算

通常把单位时间内脉搏信号所产生的脉冲个数或交变次数称为脉搏信号的频率f。本文采用控制变量

(a) (b)

Figure 4. Photograph of the cantilever beam pulse chips: (a) Front of the sensor chip; (b) Back of the sensor chip

图4. 悬臂梁式脉搏传感器芯片照片：(a) 传感器芯片正面；(b) 传感器芯片背面

(a) (b)(c)

Figure 5. The static characteristics of cantilever beam pulse sensor: (a) The input and output curves between experimental and fitting beeline; (b) Repeatability curve; (c) Hysteresis curve

图5. 悬臂梁式脉搏传感器静态特性：(a) 输入–输出实验曲线与拟合直线；(b) 重复性曲线；(c) 迟滞性曲线

Figure 6. The principle diagram of the pulse signal processing circuit

图6. 脉搏信号处理电路原理图

法计算f，通过采用MCU内部的定时器T0为A/D提供时钟信号，采用MCU内部定时器T1产生周期为1 s的精确时间，硬件电路上有三个按键开关，开关ON为计时启动开关；开关OFF为计时结束开关；开关RESET为重置开关。当按下开关ON时，计时开始，类似于秒表计时从01开始到59又自动重置为01。硬件电路通电后，就会对高脉冲进行计数n，同时按下开关ON计时开始，随后按下开关OFF计时结束，MCU通过公式(3)进行计算，并在显示器上显示每分钟脉搏跳动的次数f。

(3)

式中f为每分钟脉搏跳动的次数，n为计时期间高脉冲的个数，Δt为计时时间(单位：s)。

5.3. 脉搏信号处理电路软件设计与调试

脉搏信号处理电路的软件设计主要为单片机程序设计，系统程序流程如图7所示。单片机程序包括单片机对模拟电压的采集、ADC0809的模数转换和LCD的显示；LCD用来显示秒表计时、高脉冲次数、高脉冲的电压(Vout)和脉搏频率。本文采用集成开发环境进行单片机软件程序的设计 [14] - [16] ，编译成功的程序生成相应的HEX文件，使用USB-ISP下载器可将HEX文件下载到单片机中运行，其程序主要包括AD执行程序和1602液晶显示程序。AD执行程序包括AD初始化，设定采集通道、参考电压、中断方式、使能AD转化等操作。1602液晶显示程序包括1602初始化，写数据、写命令等操作。

5.4. 脉搏信号处理电路

图8给出了脉搏信号处理电路，主要包括放大电路、A/D转换电路、单片机及LCD显示电路。此系统还未接入传感器，采用惠斯通电桥代替传感器。人体脉搏波形大致可以看成正弦波，通过对固定时间内正弦波峰值出现次数的计数，计数数值与固定时间再乘以60即为每分钟脉搏跳动的次数。通过编程，

Figure 7. The program flow chart

图7. 系统程序流程图

(a) (b)

Figure 8. The figure of the pulse signal processing circuit: (a) Time start; (b) Time end

图8. 脉搏信号处理电路：(a) 计时开始；(b) 计时结束

在1602液晶上显示出如下字符。通过按键ON，图8(a)中计时开始，第一行显示高脉冲次数及放大后的电压，第二行显示计时时间(单位为秒)；通过按键OFF，图8(b)计时结束，第二行显示脉搏频率。

6. 结论

本文采用MEMS技术实现悬臂梁式脉搏传感器芯片制作和封装，通过传感器特性测试，实验结果给出，该传感器具有较高的灵敏度、较好的重复性和迟滞性，在此基础上设计给出脉搏传感器信号处理电路，实现了脉搏频率的检测，具有一定的应用前景和市场价值。

基金项目

国家级大学生创新训练项目(201510212978)。

文章引用

李森,陈静,李丹丹,赵晓锋. 基于MEMS技术悬臂梁式脉搏传感器制作与特性研究
Fabrication and Characteristics Research of the Cantilever Beam Pulse Sensor Based on MEMS Technology[J]. 传感器技术与应用, 2016, 04(03): 101-108. http://dx.doi.org/10.12677/JSTA.2016.43012

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