眼內壓（IOP）是指眼球內部的液體壓力，主要由前房和后房中房水生成與流出之間的平衡決定。維持正常眼內壓對眼部結構和視覺功能至關重要。異常的眼內壓，尤其是眼內壓升高，是青光眼的主要危險因素，而青光眼是全球致盲的主要原因之一。因此，持續監測眼內壓對于降低持續性眼內壓升高引發的進行性視神經損傷風險至關重要。傳統的眼內壓評估方法存在重大局限性，它們通常僅能在日間臨床就診時提供單點眼內壓測量值。因此，它們無法捕捉全天24小時內發生的、具有臨床意義的眼內壓波動。
據麥姆斯咨詢介紹，美國南佛羅里達大學的研究團隊設計并實現了一種無線MEMS電容式壓力傳感器，可用于眼內壓的持續監測。該傳感器將變間隙電容器與固定螺旋電感集成，構成無源LC諧振電路。眼壓引起的電容變化會使諧振頻率發生偏移，通過與外部讀出單元的互感耦合即可檢測壓力變化。該傳感器的設計壓力范圍為0–50 mmHg，既覆蓋了正常眼內壓范圍，也涵蓋了青光眼監測所需的更寬異常眼內壓范圍。相關研究成果已經以“Wirelessly Interrogated, Implantable Capacitive MEMS Sensors for Continuous Intraocular Pressure Monitoring”，為題發表于Sensors期刊。
眼內壓傳感器設計
該眼內壓傳感器由一個固定的螺旋電感和一個可變電容器組成，二者共同構成一個無源LC諧振回路。該電容器包含兩塊平行極板：一塊固定的底部電極，以及一塊可移動、對壓力敏感的膜片，該膜片充當頂部電極。當受到眼內壓作用時，膜片會發生偏轉，改變電極之間的間隙，從而改變電容。LC諧振回路中由壓力引起的變化會表現為諧振頻率和相位響應的偏移，可通過外部讀出電路和矢量網絡分析儀（VNA）進行無線測量。
圖1 帶感應耦合讀出電路的眼內壓傳感器等效電路模型
隨著施加壓力的變化，電容會相應改變，導致諧振頻率發生偏移。這種頻率偏移可通過帶有外部讀取線圈的感應遙測技術實現無線壓力傳感。通過磁耦合，外部線圈激發可植入眼內壓傳感器的LC諧振器，并支持無線讀取。
MEMS薄膜電容器設計
研究人員利用CoventorWare對MEMS薄膜電容器進行了設計與分析。這項仿真研究首先對候選結構材料和薄膜幾何結構展開評估，在有限元（FEM）仿真中考量了鎳、銅和硅三種材料。最終選定鎳作為MEMS薄膜電容器的結構材料，原因在于其具備生物相容性且無磁性，可避免對附近的精密電子器件造成干擾。在MEMS電容器的設計過程中，研究人員通過參數化方法探究了薄膜尺寸、厚度以及間隙間距的多種組合情況。最終確定采用500 μm × 500 μm、厚度約2 μm的鎳膜作為壓力敏感結構，并將電容器間隙優化至2.5 μm。
眼內壓傳感器的制備
下圖展示了MEMS電容式壓力傳感器完整的制備工藝流程。該工藝首先對拋光硅襯底進行熱氧化處理，以形成1.5 μm的絕緣膜，將表面微加工結構與下方的硅基底分隔開。隨后，通過濺射和剝離工藝定義200 nm的鉻/釕金屬疊層，作為電容器下電極。接著，在該下電極上整體沉積120 nm的二氧化鉿層作為介電保護層，以避免短路。涂覆2.5 μm厚的光刻膠層作為犧牲層，再利用鈦/銅籽層進行鎳電沉積，同時制備螺旋電感和2 μm厚的電容器上電極。
圖2 眼內壓傳感器的分步制備工藝
在鎳電鍍工藝中，選用氨基磺酸鎳鍍液來制備低殘余應變、高延展性的沉積膜。加入硼酸以將pH值維持在3.5至4.5之間，抑制點蝕和形貌不規則現象。電鍍完成后，通過濕法蝕刻選擇性去除籽層。
圖3 眼內壓傳感器的形貌圖
在最終的MEMS釋放工藝中，首先對晶圓進行切割。隨后，將切割后的芯片浸入30%過氧化氫（H?O?）與29%氫氧化銨（NH?OH）按1:1體積比混合的溶液中，浸泡兩分鐘，以選擇性去除場區的鈦/銅籽層。接著，使用AZ400T剝離劑或1165去除劑溶解犧牲性光刻膠，實現眼內壓傳感器的釋放。最后，在完成的結構上沉積一層保形?聚對二甲苯C型聚合物薄膜，為電容式換能器形成密封封裝。
眼內壓傳感器的性能驗證
該研究采用水囊測試法在受控條件下對MEMS眼內壓傳感器進行了性能表征。如下圖所示，向水囊中泵入水以產生可控壓力，以此模擬眼內壓，進而在0–50 mmHg的目標眼內壓范圍內開展加壓測試。該壓力會使眼內壓傳感器的上膜片發生形變，引起電容變化，進而導致LC傳感器的諧振頻率發生偏移。
圖4 眼內壓傳感器水囊測試裝置示意圖
此外，研究人員還通過一套定制的水下壓力加載控制裝置對微型化無線電容式眼內壓傳感器進行了性能表征。如下圖所示，該裝置由注射泵、壓力表、眼內壓傳感器、外部讀取線圈以及Keysight PXI M9372A矢量網絡分析儀組成。在浸沒狀態下，傳感器浸沒于液體中，注射泵施加可控液體壓力以模擬眼內壓。矢量網絡分析儀則通過諧振頻率偏移和相位變化來測量傳感器的相應響應。
圖5 定制化眼內壓傳感器水下測試裝置示意圖
為模擬眼內環境，研究人員向玻璃容器中注入液體以構建可控壓力環境，實現了0–70 mmHg壓力范圍內的特性表征。定制裝置中的壓力通過注射泵逐步升高，使傳感器的頂部膜片發生偏轉。這種形變會改變膜片電容，并引發相應的諧振頻率偏移。得益于讀出電路的設計，利用射頻技術可精準測量諧振響應的幅度和相位。結果顯示，隨著壓力增大，諧振頻率明顯降低，這與膜片在壓力作用下偏轉導致傳感器電容預期升高的規律一致。
結論
該研究展示了一種MEMS電容式眼內壓傳感器的設計、建模、制備與表征，該傳感器可用于持續無線監測眼內壓。通過多物理場仿真和電路分析，對可植入眼內壓傳感器及外部檢測電路進行了系統化設計與優化。研究開發了一套完整的微加工與密封封裝工藝，實現了適用于眼部環境運行的微創可植入傳感器的批量制備。外部讀取線圈以及矢量網絡分析儀或阻抗分析儀可實現無線檢測。所開發的無電池、可植入眼內壓傳感器未來有望整合進美國食品藥品監督管理局（FDA）批準的微創青光眼手術設備。
論文鏈接：
https://doi.org/10.3390/s26092806
