ДАТЧИК ДЛЯ СНЯТИЯ ЭЛЕКТРОКАРДИОГРАММЫ С ВЫСОКИМ ВХОДНЫМ СОПРОТИВЛЕНИЕМ

Областью применения предполагаемой модели является медицина и смежная с ней область микроэлектроники, занимающаяся разработкой и изготовлением медицинских датчиков, а именно - в качестве устройства для снятия электрокардиограммы.
Известен датчик для снятия электрокардиограммы с высоким входным сопротивлением, состоящий из обкладки конденсатора, рабочая сторона которой покрыта диэлектриком, печатной платы с операционным усилителем, подключенным одним из входов к обкладке конденсатора, выводами питания и выхода (см., например, патент США US 008264247 B2, класс G01R 27/26, G01R 19/00 от 11 сентября 2012 г.).
В качестве обкладки конденсатора используется проводящая пластина, изолированная с рабочей стороны и по бокам. Основным недостатком данного датчика является сложность экранирования входного сигнала от наводок окружающей среды, что ухудшает точность снятия электрокардиограмм.
Наиболее близким к предлагаемому является датчик для снятия электрокардиограммы с высоким входным сопротивлением, состоящий из обкладки конденсатора, рабочая сторона которой покрыта диэлектриком, печатной платы с операционным усилителем, подключенным одним из входов к обкладке конденсатора, средства экранирования, выводами питания и выхода (см., например, спецификацию «PS25201A/B EPIC Ultra High Impedance Electrophysiological Sensor» Plessey Semiconductors LTD).
Данный датчик наиболее широко используется в стационарных и мобильных устройствах, например, в смартфонах. В качестве обкладки конденсатора используется металлическая пластина, изолированная с рабочей стороны слоем диэлектрика, например, нитридом кремния, а с боковых сторон пластиком корпуса. С обратной стороны металлическая пластина покрыта никелем и присоединена к печатной плате электропроводящим клеем. В качестве средства экранирования используется проводящий слой на обратной стороне двусторонней печатной платы. На рабочей стороне печатной платы размещены металлическая разводка, микросхема усилителя, элементы согласования (резисторы и конденсаторы) и выводы питания и выхода.
Недостатком данного датчика является большая толщина готового изделия и сложность его изготовления, что затрудняет использование данных датчиков в мобильных устройствах. Толщина устройства около 4 мм, так как в качестве обкладки конденсатора используется металлическая пластина, в качестве основания печатной платы - стеклотекстолит, и, кроме того, на толщину устройства влияют толщина микросхемы усилителя и элементов согласования.
Результатом предлагаемой полезной модели является упрощение конструкции датчика за счет интеграции его элементов и расширение области применения за счет уменьшения толщины датчика.
Указанная цель достигается тем, что в предлагаемом датчике для снятия электрокардиограммы с высоким входным сопротивлением, состоящий из обкладки конденсатора, рабочая сторона которой покрыта диэлектриком, печатной платы с операционным усилителем, подключенным одним из входов к обкладке конденсатора, средства экранирования, выводами питания и выхода, обкладка конденсатора выполнена из плоскопараллельной кремниевой печатной платы, легированной мышьяком до предела растворимости, на рабочую сторону которой нанесен диэлектрик, а на обратной стороне кремниевой печатной платы выполнены средство экранирования в виде проводящего изолированного экрана и металлизация печатной платы, к которой подсоединены обкладка конденсатора, операционный усилитель, выводы питания и выхода.
Кремний выбран в качестве обкладки конденсатора, потому что обе стороны кремния можно обрабатывать по технологии производства микросхем, т.е. групповым способом до нескольких десятков тысяч штук одновременно. Легирование кремния мышьяком выбрано для того, чтобы получить минимальное сопротивление за счет повышенной растворимости мышьяка в кремнии из-за совпадения размеров атомов мышьяка и кремния.
Обратная сторона кремниевой печатной платы покрыта диэлектриком, например, оксидом кремния, со сформированным в нем контактным окном для подключения входа операционного усилителя, и экраном в виде слоя алюминия, покрывающим большую часть поверхности обратной стороны.
Сущность предлагаемой полезной модели поясняется рисунком. Конструкция предлагаемого датчика для снятия электрокардиограммы с высоким входным сопротивлением изображена на фиг.1 (разрез).
Позициями на фиг.1 обозначены:
1 - изолирующий пластиковый корпус;
2 - кремниевая печатная плата;
3 - слой диэлектрика конденсатора;
4 - слой изолирующего диэлектрика;
5 - алюминиевый экран;
6 - слой межслойного диэлектрика;
7 - алюминиевая металлизация;
8 - защитный диэлектрик;
9 - контактные площадки;
10 - операционный усилитель;
11 - внутренний упор корпуса;
12 - клей;
13 - вывод.
Ниже описаны порядок изготовления и конструкция датчика для снятия электрокардиограммы с высоким входным сопротивлением на кристаллах кремния (кремниевых печатных платах) размером 10×10 мм и толщиной 0,4 мм.
Предлагаемый датчик для снятия электрокардиограммы можно изготовить следующим образом: на кремниевой монокристаллической пластине диаметром 100 мм ориентации (111), легированной мышьяком до удельного сопротивления 0,003 Ом⋅см, с обратной стороны выращивают слой термического оксида кремния 4 (см. фиг.1), толщиной 0,6 мкм; вытравливают отверстия для контактных окон к легированной мышьяком подложке и формируют в слое окисла дорожки разделения пластины на отдельные квадратные кристаллы кремниевых печатных плат с шагом 10 мм; затем методом магнетронного напыления наносят алюминиевый экран 5, толщиной 1 мкм, далее наращивают слой межслойного диэлектрика (оксид кремния) 6, полученный в плазме при пониженном давлении и температуре 450°С, толщиной 0,6 мкм, вытравливают отверстия для контактных окон к слою алюминия; затем методом магнетронного напыления наносят слой алюминиевой металлизации 7, толщиной 1 мкм, формируют методом фотолитографии металлизацию; далее наращивают слой защитного диэлектрика (оксид кремния) 8, полученный в плазме при пониженном давлении, толщиной 0,6 мкм, и вытравливают отверстия для формирования контактных площадок; далее последовательно наносят методом электроннолучевого распыления слой титана, толщиной 0,05 мкм, слой никеля, толщиной 0,4-0,5 мкм, слой золота, толщиной 0,7 мкм, и формируют методом фотолитографии контактные площадки 9; с рабочей стороны кремниевой пластины удаляют остатки окисла и методом магнетронного напыления наносят слой диэлектрика конденсатора (оксид титана) 3, толщиной 0,6 мкм; проверяют правильность изготовления металлизации визуально и методом электрического тестирования металлических дорожек; дефектные кристаллы отмечают магнитной краской; пластину разделяют на кристаллы кремниевых печатных плат 2 и удаляют бракованные кристаллы; проводят сборку электрической схемы: методом поверхностного монтажа устанавливают операционный усилитель 10, элементы согласования, выводы питания и выхода 13 на кремниевую плату; методом наклейки (клеем 12) монтируют собранный на кремниевой печатной плате датчик в изолирующий пластиковый корпус 1 с внутренними упорами 11, причем стенки корпуса закрывают торцы кремниевой печатной платы датчика.
Таким образом, печатная плата датчика выполнена на обратной стороне кремниевой обкладки конденсатора, что существенно уменьшает общую толщину изделия и упрощает конструкцию и сборку изделия. Толщина сборки датчика на кремниевой печатной плате составляет ≈ 0,95 мм, а в корпусе не более 1,4 мм.