壓力感應(yīng)植入物的制作方法
【專利說明】壓力感應(yīng)植入物
[0001]相關(guān)串請的交叉引用
[0002]本申請要求于2013年3月15日提交的、名稱為“壓力感應(yīng)植入物”的美國臨時專利申請N0.61/786，793的權(quán)益。本申請是于2013年12月27日提交的美國專利申請N0.14/129，725、名稱為“具有側(cè)壁的可植入式傳感器外殼”的部分繼續(xù)申請，其要求于2012年6月29日提交的國際專利申請N0.PCT/US/2012/044998、名稱為“具有薄側(cè)壁的可植入式傳感器外殼”的權(quán)益，其要求于2011年6月30日提交的臨時專利申請N0.61/502，982、名稱為“具有薄側(cè)壁的可植入式傳感器外殼”的權(quán)益，其中每一個均通過引用方式將其內(nèi)容并入本文中。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003]本發(fā)明涉及植入物封裝，并且更具體而言，涉及用于最優(yōu)化無線通信的可植入式傳感器外殼。
【背景技術(shù)】
[0004]可植入式無線傳感器用在協(xié)助一些疾病的診斷和治療中。無線傳感器閱讀器的示例在名稱都為“無線傳感器閱讀器”的美國專利申請N0.12/737，306和美國專利N0.8, 154, 389B2中描述了，其內(nèi)容通過引用方式并入本文本中。用于無線傳感器的遞送系統(tǒng)在PCT專利申請N0.PCT/US2011/45583、名稱為“壓力傳感器、定中心錨、遞送系統(tǒng)和方法”中被描述，其內(nèi)容通過引用方式并入本文本中。具體說，存在一些應(yīng)用，在其中測量來自于深入患者身體的血管內(nèi)的壓力在臨床上是重要的。例如，測量心臟內(nèi)的肺動脈的壓力有助于使充血性心力衰竭的治療最優(yōu)化。在這種類型的應(yīng)用中，傳感器可以需要被植入皮膚表面之下10至20cm。
[0005]使用射頻(RF)能量以用于通信和/或提供電力的可植入式無線傳感器被發(fā)現(xiàn)特別用在醫(yī)療應(yīng)用中。然而，在設(shè)計這種可植入式傳感器中存在一些權(quán)衡和設(shè)計約束、比如尺寸、成本以及可制造性。
[0006]這些可植入式無線傳感器的成功商業(yè)化的關(guān)鍵挑戰(zhàn)是在植入尺寸和“鏈路距離”之間的設(shè)計權(quán)衡，其中“鏈路距離”是植入物與和植入物進(jìn)行通信的外部裝置之間的物理距離。從醫(yī)療角度看，期望的是植入物盡可能的小以允許從小切口基于導(dǎo)管的遞送、在期望位置處的植入以及伴隨植入物的血栓癥的低風(fēng)險。然而，從無線通信角度看，植入物越小，鏈路距離越短。這個距離限制是由可以針對給定總體植入物尺寸而實現(xiàn)的天線的尺寸來主要驅(qū)動。更大的天線比更小的天線能夠更好地吸收RF能量并且傳遞RF能量。例如，在通過電感耦合的無線通信情形中，典型的植入物天線具有導(dǎo)線的線圈的形式。線圈的“軸線”是正交于卷繞的平面進(jìn)行延伸的直線，即軸線垂直于導(dǎo)線的長度。當(dāng)由線圈圍繞的面積增加時，通過線圈的磁通量的量總體上增加并且更多的RF能量被遞送到植入物或者從植入物接收。通過植入物天線的通量的增加可以導(dǎo)致鏈路距離的增加。因此，為了實現(xiàn)針對給定植入物尺寸的最大鏈路距離，植入物天線應(yīng)該具有最大尺寸。
[0007]雖然天線尺寸是重要的，但其他植入物體系結(jié)構(gòu)可以受益于使其他內(nèi)部組件的尺寸最大化。例如，包含能量存儲裝置(比如電池)的植入物利用更大的電池來享受更長的電池壽命。在另一示例中，藥物涂層植入物可以保持更大量的藥物。其他示例對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言是顯而易見的。
[0008]此外，最優(yōu)化可植入式傳感器可以被最好地設(shè)計為具有特定裝置或閱讀器裝置的功能。
[0009]無線發(fā)射機(jī)和閱讀器裝置、比如美國專利申請N0.13/423，693、名稱為“無線傳感器閱讀器”的無線閱讀器，其內(nèi)容通過引用方式并入本文本中，也許需要特定可植入式傳感器來提供閱讀器/傳感器系統(tǒng)的最優(yōu)化功能性。這種系統(tǒng)的最優(yōu)化可植入式傳感器可以構(gòu)造為將壓力轉(zhuǎn)換為共振頻率。傳感器可以為不具有內(nèi)部電源的被動傳感器、比如具有LC諧振回路電路的傳感器。傳感器可以使其總尺寸最小化而同時使線圈面積最大化，如在PCT專利N0.PCT/US2012/044998的、名稱為“具有薄側(cè)壁的可植入式傳感器外殼”中描述的那樣，其內(nèi)容通過引用方式并入本文本中。傳感器可以具有高的RF品質(zhì)(Q因數(shù))，其可以由精選材料選擇和裝置設(shè)計最大化。傳感器可以不受溫度變化的影響，包括制造過程期間以及在空氣和活體之間的過渡的溫度變化。傳感器可以具有高靈敏度以及在電節(jié)點與包圍的體液或組織之間的良好電絕緣。傳感器可以隨時間高度穩(wěn)定、具有良好的機(jī)械性能、包括生物相容材料以及使鐵氧體材料的使用最小化。
[0010]對于LC類型無線MEMS傳感器而言，克服這些挑戰(zhàn)需要設(shè)計這樣一種小的傳感器，其在低的操作頻率處具有高的共振品質(zhì)因數(shù)(Q)(人體使無線數(shù)據(jù)信號衰減，其中，大體上更多的信號衰減發(fā)生在高于50MHz的更高頻率處)。由于用于商業(yè)使用的規(guī)章性政策和許可頻帶的存在使額外挑戰(zhàn)出現(xiàn)。利用當(dāng)前技術(shù)，在嚴(yán)格受控的操作范圍內(nèi)，可靠地制造在低的操作頻率處具有高品質(zhì)因數(shù)的精確的超小型可植入無線壓力傳感器是困難的。為了獲取高的共振Q，LC電路中需要具有高Q的電容器和電感器。使用具有大的橫截面積導(dǎo)體的線圈的多匝是改善電感器的Q的因數(shù)中的一個。高Q電容器大體上由被具有低介電損的介電材料分隔開的緊密的低電阻導(dǎo)體形成。
[0011]雖然超小型傳感器需要具有高Q的電感器以確保在傳感器和外部裝置之間的適當(dāng)距離處的可靠的無線信號通信，但高Q電感器將限制放置在總體傳感器尺寸上。在已知的LC傳感器中，高Q電感器的放置和設(shè)計限制了電容式傳感器的位置和尺寸。在已知的可植入式壓力傳感器中，電容式傳感器的有效電容面積(即電容隨壓力變換而變化之處的面積)由大的實面積電極來實現(xiàn)。已知的電容式傳感器必須完全駐留在由電感器限定的面積之外。例如，圖1A顯示了具有位于電感器螺旋線圈14之外的電容器12的傳感器10。圖1B顯示了具有在電感器螺旋線圈14中心內(nèi)的電容器12的傳感器10。然而，在沒有顯著地減少LC傳感器的品質(zhì)因數(shù)下，電容器12不能覆蓋電感器螺旋線圈14，如在圖1C中所示的。此外，電容器12靠近電感器螺旋線圈14的內(nèi)匝的布置還可能顯著地減少LC傳感器的品質(zhì)因數(shù)。此外，在電感器的平面上的或靠近電感器的電容器電極的布置可能減少LC的品質(zhì)因數(shù)。因此在已知的傳感器中，電容器被放置成鄰接電感器，這增加了傳感器的尺寸，或者被放置在在螺旋電感器的內(nèi)匝和電容器板的邊緣之間具有顯著空間的螺旋電感器的中央?yún)^(qū)域內(nèi)，這限制了電容器的尺寸和/或電感器的尺寸。
[0012]已知的無線壓力傳感器還通過具有不帶有高Q的電容式傳感器來限制。在已知可植入式壓力傳感器中，電容式傳感器由大的實面積電極來實現(xiàn)。這種電容設(shè)計不是最優(yōu)化的并且導(dǎo)致用于高頻交流電的低的品質(zhì)因數(shù)電容。當(dāng)電極經(jīng)歷高頻交流電時，由于在電容器電極中渦電流的存在，當(dāng)不定位成遠(yuǎn)離電感器時，電容器的大的實面積電極會導(dǎo)致LC電路的品質(zhì)因數(shù)減少。
[0013]在已知傳感器中還存在多種挑戰(zhàn)以實現(xiàn)以下傳感器，其操作在用于無線信號傳輸?shù)恼J(rèn)可的頻率范圍內(nèi)并且同時經(jīng)歷通過人體的最小信號衰減。為了在低頻處操作傳感器，經(jīng)歷低的信號衰減需要大的電容值和大的電感值。電容和電感均由尺寸來限制。大電感可以由導(dǎo)體的大的螺旋匝數(shù)來獲得。大電容可以由被小的間隙分隔開的大面積電容器電極來獲得。如果電容器電極的尺寸由電感器的尺寸和傳感器的尺寸來限制，則電極必須被一起更緊密地間隔開以獲得高電容。可控地制造具有在實際制造公差范圍內(nèi)的小間隙的電極是具有挑戰(zhàn)性的并且可能導(dǎo)致電極之間的更低嘩電壓、電極的靜摩擦、受限的壓力操作范圍以及低產(chǎn)率或高成本。
[0014]在制造MEME傳感器期間，尺寸公差可以隨晶圓空間地變化并且可以額外地從一個晶圓變化到另一個晶圓。組件尺寸中的變化影響合成裝置的特性。在一些情形中，嚴(yán)格地將傳感器的電容控制在經(jīng)濟(jì)的生產(chǎn)環(huán)境中是困難的。利用已知的LC傳感器，由于通常電容器和電感器都被密封以隔絕環(huán)境，因此在制造裝置之后被動傳感器的操作范圍不能被修改。這種設(shè)計需要在更大操作范圍內(nèi)來操作裝置以解決制造公差并且這些范圍也許不被規(guī)章部門許可用于商業(yè)使用。在制造之后用于調(diào)諧傳感器的操作范圍的其他當(dāng)前方法需要進(jìn)行芯片校準(zhǔn)努力，這可以增加傳感器的尺寸和/或傳感器的功率消耗，并且減少傳感器的使用。利用當(dāng)前技術(shù)，制造可以在低頻處在指定操作范圍內(nèi)操作的小型傳感器是困難的。在制造之后調(diào)諧傳感器的操作范圍的能力可以增加裝置產(chǎn)率以使得產(chǎn)生在可允許規(guī)章領(lǐng)域范圍內(nèi)的無線傳感器是經(jīng)濟(jì)可行的。
[0015]可植入式無線傳感器的商業(yè)化的另一種挑戰(zhàn)是需要保護(hù)敏感傳感器電子設(shè)備免于身體潛在的腐蝕性流體或破壞性流體。對于一些植入物應(yīng)用而言，傳感器也許需要記錄超過7年至10年時段內(nèi)的精確測量結(jié)果。在這個時段內(nèi)的植入物的電學(xué)性能、化學(xué)性能、機(jī)械性能中的小變化都可以導(dǎo)致不精確的測量結(jié)果。為了防止不精確的測量結(jié)果，密閉性外殼也許被需要以保護(hù)傳感器的敏感電子設(shè)備阻礙來自于身體環(huán)境的流體和氣體傳送。
[0016]用于植入物的密閉性外殼典型地由金屬、玻璃或其他陶瓷構(gòu)造而成。金屬是可延展的和可加工的并且能夠構(gòu)造為薄壁的密閉性外殼，比如起搏器的鈦外殼。不幸的是，在密閉性外殼中的金屬的使用也許負(fù)面地影響傳感器與外部裝置進(jìn)行無線通信的能力，尤其是在當(dāng)在低的射頻處的通信被期望的時候。雖然陶瓷和玻璃與無線RF通信是兼容的，但將陶瓷加工成薄壁的密閉性外殼是困難的。陶瓷的脆性阻礙陶瓷材料構(gòu)造為薄壁的密閉性外殼。
[0017]現(xiàn)有技術(shù)中陶瓷加工可以產(chǎn)生大約0.5mm-0.7mm厚度的壁。對其長度、寬度和高度尺寸是典型地以毫米計的植入物而言，這可以表示在用于諸如天線等組件的可用內(nèi)部容積的顯著減少。
[0018]現(xiàn)有技術(shù)中已知的密閉性外殼、具體說是那些由陶瓷和/或玻璃材料制成的密閉性外殼不適于有效地使用有限的空間?，F(xiàn)有技術(shù)中已知的非金屬密閉性外殼典型地通過平面工藝技術(shù)來制造，比如低溫共燒陶瓷工藝、激光加工、超聲加工、放電加工(EDM)或者微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)制造技術(shù)。這些技術(shù)能夠利用特征分辨率的嚴(yán)格控制來制造加工陶瓷和玻璃。然而，利用這些技術(shù)制作的植入物封裝的側(cè)壁經(jīng)常需要劃片機(jī)或激光來使植入物封裝從剩余基板分隔開。由于制造的約束和機(jī)械強(qiáng)度的需要，由這些方法制作的植入物封裝側(cè)壁典型地是0.3mm-0.5mm厚?？蛇x制造方法，比如陶瓷的模制或加工，典型地被限制以最小化0.3mm-0.5mm厚的側(cè)壁。
[0019]圖1顯示了現(xiàn)有技術(shù)中的密閉性植入物封裝10的示例。植入物封裝10包括限制可用于內(nèi)部組件(在這個情形中為植入物天線14)的空間的厚壁12。例如，具有0.5_側(cè)壁厚的4mm寬度的植入物僅僅具有可用于植入物天線的最大3mm的寬度。圖1D顯示了天線14，其通過在封裝頂部處的開口被放置到植入物封裝中。為了完成植入物封裝，頂層16連接到或結(jié)合到植入物封裝并且如圖2A所示的那樣進(jìn)行密封。對于現(xiàn)有技術(shù)中已知的壓力感應(yīng)植入物封裝，頂層典型地為電容式壓力傳感器本身、直接是感應(yīng)電子電路的一部分的薄膜、或者是通過不可壓縮流體或凝膠將壓力從環(huán)境傳輸?shù)街踩胛锓庋b的內(nèi)部的薄膜?，F(xiàn)有技術(shù)中已知的制造技術(shù)能夠常規(guī)地將膜加工至0.025-0.1mm厚度。圖1D至圖2的體系結(jié)構(gòu)的一些變型存在于現(xiàn)有技術(shù)中，包括在半個殼體中蝕刻凹陷以在線圈的頂部創(chuàng)建薄壁并且隨后將兩個半個殼體豎直結(jié)合的方法。這在圖2中已經(jīng)被描述了，其中，上部半個殼體999具有蝕刻到殼體中的凹陷以創(chuàng)建薄膜。
[0020]其他現(xiàn)有技術(shù)示例了在圖1D和圖2中示出的類