实现压力传感器的低漂移：一种采用派瑞林（Parylene）封装的PDMS技术，并整合人工智能实现温度补偿

《Sensors and Actuators A: Physical》：Achieving Low Drift in Pressure Sensors: A Parylene-Caulked PDMS Encapsulation Method with AI-Integrated for Temperature Compensation

　　

张玉彪|王博|黄玉宁|张东志|杨兴

中国石油大学（华东）控制科学与工程学院深油深气国家重点实验室，青岛市266580

摘要

聚二甲基硅氧烷（PDMS）因其生物相容性和灵活性而常用于封装可植入式压力传感器。然而，其高渗透性允许水分在生理环境中进入，导致电子元件故障和由膨胀引起的应力，进而导致严重的信号偏移。在本研究中，提出了一种使用派瑞林（Parylene）封固的PDMS复合材料封装策略。利用气相沉积技术，派瑞林-C深入渗透并密封PDMS的表面层，形成密集的物理屏障，显著提高了长期的不透水性，而不会增加结构的刚性。实验结果表明，经过派瑞林封固处理后，传感器的精度保持在0.5毫米汞柱以内。在37°C的生理盐水中浸泡30天后，基线偏移仅为0.1毫米汞柱，验证了该方法在苛刻条件下的长期稳定性。此外，为了减轻温度引起的误差，应用了优化后的BP神经网络进行非线性补偿，将温度偏移减少到大约0.1毫米汞柱。本研究为开发高精度、高可靠性、长期使用的可植入式压力传感器提供了有效的技术途径。

引言

可植入式MEMS压阻式压力传感器对于生物医学监测至关重要，但容易受到信号偏移的影响，这可能会影响临床准确性[1]、[2]、[3]。因此，高质量的封装对于长期稳定性和生物相容性至关重要[4]、[5]、[6]。聚二甲基硅氧烷（PDMS）由于其灵活性、化学稳定性和易于加工而广泛用于封装[7]、[8]、[9]。PDMS的低杨氏模量显著降低了封装应力[10]、[11]，从而保证了传感器的灵敏度和准确性。另一方面，作为一种聚合物，其相对较大的自由体积和较低的链间堆积密度使得水分子能够更容易渗透和扩散。水分进入封装层会直接导致内部传感元件失效。此外，水分吸收会导致PDMS膨胀[12]、[13]，从而在传感结构上产生内部应力，这会导致严重的信号偏移，并严重限制传感器的长期准确性[14]、[15]、[16]。

现有的研究主要通过使用高密度封装材料或增加封装层的厚度来提高可植入式传感器的防水性能。李等人采用原子层沉积（ALD）技术制备了PI/(HfO₂/Al₂O₃/HfO₂)/PI多层复合封装结构。该结构在60°C的磷酸盐缓冲盐水中测试1215天后仍保持稳定，显示出优异的不透水性[17]。阿尔伯特·金（Albert Kim）等人将传感器封装在一个长3厘米、直径5毫米的充有不可压缩流体的聚氨酯气球中[18]。在100天的体外浸泡测试中，最大偏移仅为1.3毫米汞柱，显示出低的零偏移。

然而，增加材料密度或厚度往往会提高封装件的刚性和应力，严重削弱传感器的灵敏度。此外，热膨胀系数（CTE）不匹配和吸收引起的膨胀会产生复杂的非线性效应[19]。

本研究提出了一种使用超薄派瑞林封固PDMS表面层的复合封装方法，有效阻止了水分渗透并抑制了由吸收引起的膨胀应力，而没有增加结构的刚性。该方法通过有限元仿真（FEM）模拟和系统实验得到了验证，这些实验评估了长期稳定性以及派瑞林厚度对精度的影响。此外，还实现了基于BP神经网络的温度补偿，为提高可植入式压力传感器的稳定性提供了可靠的解决方案。

部分片段

封装制备

为了评估派瑞林封固的PDMS封装的防水性能改进效果，准备了两组传感器：一组是PDMS对照组，另一组是使用不同厚度的派瑞林封固的PDMS实验组，以评估其对长期稳定性和精度的影响。

派瑞林有多种类型，包括Parylene-N、C、D和HT。其中，Parylene-C对水分子和腐蚀性气体的渗透性极低，是最常用的类型。

有限元分析（FEA）

MEMS压阻式压力传感器通过检测硅膜在压力作用下的变形引起的电阻变化来工作。施加的压力会产生应力，从而改变压阻器的电阻，通过惠斯通电桥将其转换为电压信号。因此，封装膜的稳定机械性能对传感器性能至关重要。

本研究采用有限元方法（FEM）对

基于BP神经网络的传感器温度补偿模型

反向传播神经网络（BPNN）是一种成熟的多层前馈网络。由于其强大的非线性映射能力，广泛应用于高精度函数逼近[37]、[38]，如传感器温度补偿。然而，传统的BP网络由于固有的算法限制，面临局部最优解和泛化能力差的问题。因此，在实际应用中通常需要结合全局优化算法来精细化初始参数。

结论

本研究提出了一种使用派瑞林封固的PDMS复合材料封装方法，以减轻由PDMS微孔渗透引起的传感器基线漂移和故障。系统的FEA分析和实验验证表明，这种结构有效阻断了水分路径，抑制了由吸收引起的膨胀应力，同时保持了机械灵敏度。实验结果显示，传感器的精度保持在0.5毫米汞柱以内，在盐水中浸泡30天后，基线偏移降低到了0.1毫米汞柱。

CRediT作者贡献声明

张玉彪：撰写 – 审阅与编辑，撰写 – 原稿撰写，验证，方法论，数据分析，概念构思。黄玉宁：方法论，研究，数据分析。王博：验证，数据分析，概念构思。杨兴：验证，监督，资源调度，项目管理，研究，资金筹集。张东志：监督，项目管理，方法论，研究。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文报道的工作。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（52075291）的支持。

注释

作者声明他们没有利益冲突。

张玉彪于2024年获得中国石油大学（华东）的自动化学士学位。目前，他是中国石油大学（华东）的研究生，研究方向包括微纳材料与先进传感器、生物医学MEMS和仪器。