CN101115982A - 具有形成在压电聚合物层上的交叉指型层的一次性无线压力传感器 - Google Patents
具有形成在压电聚合物层上的交叉指型层的一次性无线压力传感器 Download PDFInfo
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Abstract
大体上说，提供了一种介电聚合物基板以及在该介电聚合物基板上形成的天线。可以在该介电聚合物基板上方形成压电聚合物层(例如，聚偏1，1－二氟乙烯(PVDF)压电膜)。此外，在该PVDF压电层上可以构造交叉指型(IDT)层，从而使得所述压电聚合物层和所述IDT层可以检测压力数据以及将该数据经所述天线传送到接收器。
Description
技术领域
实施例总体上涉及感测装置和应用。实施例还涉及压力传感器装置、系统及其方法。实施例此外还涉及基于压电聚合物膜材料的一次性(disposable)感测装置。实施例还涉及用于基于导管内流体来感测体压的医学装置。
背景技术
多种传感器用于检测各种状态，例如压力和温度。对于任何暴露在可变压力状态下的装置而言，检测压力和/或温度的能力是一种优点，这些装置通常会受到这些状态的不利影响。这类装置的实例是导液管，导液管当然可能会遭受温度和压力的变化。已经提出许多不同技术来感测导液管中的压力和/或温度，以及将该信息传送给操作者，从而他/她可以获知与导液管及诸如在其中流动的血液之类的任何流体相关联的压力和温度状态。
一种广泛用于感测压力和温度的应用中的传感器是表面声波(SAW)传感器，它由基座上的传感元件以及作为盖子的一部分的压力变换传感器隔膜构成。为了让SAW传感器能够正常工作，通常在所有压力水平和温度下将该传感器隔膜设置成紧密接触该传感元件。
目前的SAW传感器设计，尤其是适于专用压力和温度感测应用的那些设计，存在的问题之一是，传统SAW感测系统不能满足低压应用(例如，0至500mmHg)的要求，同时不能高效和低成本地满足该要求。这类系统固有地价格昂贵、笨重，并且通常不能可靠地、准确地感测空气压力和温度。越来越需要降低在压力和/或温度感测应用中使用的SAW传感器设计(尤其是无线压力传感器)的成本。
为了降低成本以及提高效率，需要采用更少的部件、更廉价的材料以及更少的制造步骤。为了实现这些目标，人们确信应当要采用由聚合物基板制成的一次性SAW压力传感器，以及采用低成本的制造步骤。到目前为止，仍然不能完全实现这些部件。
在医学应用领域，能够检测压力和/或温度是至关重要的。可以采用多种技术来测量例如导液管的导管内的压力。可能用于这种测量的最普通的装置是机械式压力计，其可以通过导管的一个壁耦合于该导管内的流体压力。在该压力计内，指针在与导管内的压力成比例的范围内偏转。在一些情况下，可以采用标准压力计来替换变换器，该变换器将压力转换成随后被监控的电信号。压力传感器的一个重要医学应用涉及检测病人的血压和/或颅内压。
监测血压的一种典型方法是测量液压式耦接到病人静脉的静脉管内的流体压力。将导液管插入病人的静脉，并且将塑料管或导管耦接到该导液管。可以经该塑料管或导管将盐溶液点滴注入，以便保持相对于病人静脉内的压力的压力平衡。该盐流体用作液压流体，以便使得该塑料管内的压力对应于病人静脉内的压力。因此，通过测量该塑料管内的流体压力，可以获知病人的血压。
多种传统SAW感测装置能够测量血压。这些装置通常是由陶瓷材料(例如PZT)、石英型压电材料或者铌酸锂制成的。这些装置不利于医学应用，因为这些装置采用的上述材料本身会自谐振、具有极低的压电耦合系数、进行微机械加工昂贵且困难，并且因此大大降低了为医学应用制造低成本压力传感器的可能性。
传统的基于石英的SAW压力传感器也是昂贵的而难以在医学应用中实施，从而使其广泛应用受到限制。微机械加工石英跟微机械加工硅没有什么两样。因此，人们相信要解决上述问题，需要一种一次性低成本传感器封装系统，尤其是适用于医学应用的传感器封装系统。
发明内容
下面的概述被提供用于促进对这里公开的实施例所特有的新型特征中的一些的理解，并且不旨在成为全面说明。可以通过将整个说明书、权利要求、附图以及摘要作为整体来获得对这里所讨论的实施例的各个方面的全面理解。
因此，本发明的一个方面提供改进的感测装置和应用。
本发明的另一个方面提供改进的压力传感器装置、系统及其方法。
本发明的另一个方面提供改进的一次性无线压力传感器。
本发明的另一个方面提供基于交叉指型变换器(IDT)和聚合物压电材料的压力传感器系统。
本发明的前述方面和其他目的和优点现在可根据这里所描述的来实现。公开了一次性传感器系统和方法。大体上说，提供了一种介电聚合物基板并且在该介电聚合物基板上形成微带(microstrip)天线。压电聚合物层(例如，聚偏1，1-二氟乙烯(PVDF)压电膜)和微带天线可以被形成为性质上是柔性的，这使它们适合于共形环绕式设计和应用。此外，交叉指型(IDT)层可以构造在PVDF压电层上，从而允许压电聚合物层和IDT层检测压力数据以及将该数据经天线传送到接收器。
可以在压电聚合物基板和压电聚合物层之间形成第一接合层。另外，可以在IDT层和压电聚合物层之间形成第二接合层。还可以在IDT层上方构造保护覆盖层。IDT层可以被形成作为多个IDT指状电极，所述指状电极可以由铜构成。此外，聚合物基板可以包括在其中心形成的间隙，使得该间隙被填充了包括低热导率且生物相容的材料的凝胶。聚合物基板通常由低热导率的介电基板材料制成。
附图说明
在下面的附图中，类似的附图标记在所有附图中表示相同或者功能类似的元件，这些附图被并入且构成说明书的一部分，这些附图进一步示出了本发明，并且连同本发明的详细描述一起用于说明本发明的原理。
图1示出可以根据优选实施例实施的一次性无线压力传感器系统的侧视图；
图2示出根据优选实施例的、图1所示一次性无线压力传感器系统的顶视图；
图3示出可以根据替换实施例实施的医学压力感测系统的示意图；以及
图4示出可以根据优选实施例实施的微带天线的示意图。
具体实施方式
这些非限制性实例中所述的具体值和结构可以进行改变，采用这些值和结构仅仅是为了清楚阐述本发明的至少一个实施例，而不是旨在限制本发明的范围。
图1示出可以根据优选实施例实施的一次性无线压力传感器系统100的侧视图。图2示出根据优选实施例的、图1所示的一次性无线压力传感器系统100的顶视图。注意到，在图1和2中，采用相同的附图标记表示相同或相似的部分。系统100通常包括介电聚合物基板102。
在介电聚合物基板102上可以形成微带天线104。此外，在该介电聚合物基板上方可以形成压电聚合物层106，同时在压电聚合物层106上构造交叉指型(IDT)层108，从而使得压电聚合物层106和IDT层108可以检测压力数据，以及利用天线104将该数据传送到接收器。压电聚合物层106可以被构造成厚度在10-20微米范围内的薄片，这根据设计需要而定。
此外，可以在介电聚合物基板102和压电聚合物层106之间形成第一接合层114。可以在IDT层108和压电聚合物层106之间形成第二接合层112。第一和第二接合层114和112用作粘接剂。用于接合层114、112的粘接剂材料可以是例如氰基丙烯酸酯或类似材料。层114、112的粘接剂或接合层厚度可以在大约10至20微米的范围内，这当然取决于设计需要。
保护覆盖层110可以形成在IDT层上方。保护覆盖层110可以被形成为保护塑料片，以便整体地确保系统100的机械和化学保护。IDT层108可以被构造成包括I DT指状电极116，其在图2中示出。每个IDT指状电极116可以由铜制成。铜IDT厚度可以例如在大约25微米至125微米的范围内，这根据设计需要而定。注意，为了提供其更低的频率能力、更宽的线宽以及更大的装置尺寸，IDT指状电极可以印制在压电聚合物层106上，或者可以被电镀或蚀刻形成其大片的IDT指状电极。
介电聚合物基板102还可以被构造成包括间隙120，该间隙被填充有由低热导率且生物相容的材料形成的凝胶122。压电聚合物层106可以被构造成聚偏1，1-二氟乙烯(PVDF)压电膜，而介电聚合物基板102可以由低热导率介电基板材料制成。人们相信，采用根据这里描述的优选实施例的PVDF压电膜可以大大降低成本以及增大传感器效率，尤其是在医学压力感测应用中。
系统100特别有用的一个实例是医学应用领域，例如血压感测。PVDF压电膜因此形成在生物相容的低热导率介电聚合物基板102上。PVDF压电膜随温度和压力而改变。利用低热导率基板，例如，由血液引起的热电变化可以被最小化。天线104可以印制在介电聚合物基板上。因此，根据这里所述的优选实施例，可以设置多个收发器，其包括压电聚合物片材，和传统压力感测装置相比，其更廉价以及更易于工作。
图3示出可以根据替换实施例实施的医学压力感测系统300的示意图。注意，在图1-3中，采用相同的附图标记表示相同或相似的部分或部件。因此，图1的传感器或系统100还在图3中被示为处于相对于导管301的位置，该导管可以被实施为例如导液管，流体303流过其中，如箭头302和304所示。流体303可以是例如血液。系统或传感器100因此可以传送数据到发送器/接收器304以及从发送器/接收器304接收数据，所述发送器/接收器包括天线306。这种数据的无线传送在图3中用箭头308示出。系统300因此可以用于测量导管301内的身体的流体压力。
图4示出可以根据优选实施例实施的微带天线400的示意图。微带天线400通常包括位于地平面402上方的介电基板404。通常在基板404上或内设置辐射块(patch)406。注意，图4的微带天线400类似于图1的微带天线104。例如，微带天线104可以形成在图1所示的介电聚合物基板102上。因此，图1的基板102类似于图4的基板404。
因为介电聚合物基板，例如基板404，可以是柔性的，所以微带天线400的结构适用于共形的环绕式设计和应用。相比于传统微波天线，例如天线400的微带天线提供了多个优点，例如重量轻、体积小、以及轮廓结构薄，其可以被制作成共形的；低制造成本；以及易于变型以批量生产。利用简单的馈送结构，线性和圆偏振也是可以的。此外，可以容易地构造双频和双偏振天线；因为，不需要腔背衬，以及这些装置可以容易地与微波电路集成。
这里所述的实施例和实例仅用于最佳地阐述本发明及其实际应用，从而使得本领域技术人员可以制造和使用本发明。然而，本领域技术人员将会理解，前述描述和实例都仅用于阐述和示例的目的。本发明的其他改变和变型对于本领域技术人员而言是显而易见的，并且所附权利要求旨在覆盖这些改变和变型。
所述的描述不用于排他性限制本发明的范围。在上述教导之下，可以进行多种变型和改变，而不脱离下面的权利要求的范围。可以预想到，本发明的使用涉及具有不同特性的部件。因此，本发明的范围仅由其所附的权利要求来限定，所述权利要求给出了对所有方面的等价物的全面认识。
Claims (20)
1.一种一次性传感器系统，包括：
介电聚合物基板以及在所述介电聚合物基板上形成的天线；
在所述介电聚合物基板上方形成的压电聚合物层；以及
在所述介电聚合物基板上形成的交叉指型(IDT)层，由此允许所述压电聚合物层和所述IDT层检测压力数据以及利用所述天线将所述数据传送到接收器。
2.根据权利要求1所述的系统，还包括：
在所述介电聚合物基板和所述压电聚合物层之间形成的接合层。
3.根据权利要求1所述的系统，还包括：
在所述IDT层和所述压电聚合物层之间形成的接合层。
4.根据权利要求1所述的系统，还包括在所述IDT层上方形成的保护覆盖层。
5.根据权利要求1所述的系统，其中所述IDT层包括多个IDT指状电极。
6.根据权利要求5所述的系统，其中所述多个IDT指状电极中的每个所述IDT指状电极包括铜。
7.根据权利要求1所述的系统，其中所述介电聚合物基板包括在其中心形成的间隙，其中所述间隙被填充有包括低热导率且生物相容的材料的凝胶。
8.根据权利要求1所述的系统，其中所述压电聚合物层包括聚偏1，1-二氟乙烯(PVDF)压电膜。
9.根据权利要求1所述的系统，其中所述介电聚合物基板包括低热导率的介电基板材料。
10.根据权利要求1所述的系统，其中所述天线被印制在所述介电聚合物基板上。
11.一种一次性传感器系统，包括：
介电聚合物基板以及在所述介电聚合物基板上形成的天线，其中所述介电聚合物基板包括低热导率的介电基板材料；
在所述介电聚合物基板上方形成的压电聚合物层，所述介电聚合物基板包括在其中心形成的间隙，其中所述间隙被填充有包括低热导率且生物相容的材料的凝胶，以及其中所述压电聚合物层包括聚偏1，1-二氟乙烯(PVDF)压电膜；
在所述介电聚合物基板上形成的交叉指型(IDT)层，其中所述IDT层包括多个IDT指状电极；
在所述IDT层上方形成的保护覆盖层；
在所述压电聚合物基板和所述压电聚合物层之间形成的第一接合层；
在所述IDT层和所述压电聚合物层之间形成的第二接合层，由此允许所述压电聚合物层和所述IDT层检测压力数据以及利用所述天线将所述数据传送到接收器。
12.一种一次性传感器方法，包括以下步骤：
在介电聚合物基板上形成天线；
在所述介电聚合物基板上方构造压电聚合物层；以及
在所述压电聚合物层上设置交叉指型(IDT)层，由此允许所述压电聚合物层和所述IDT层检测压力数据以及利用所述天线将所述数据传送到接收器。
13.根据权利要求12所述的方法，还包括在所述介电聚合物基板和所述压电聚合物层之间形成接合层的步骤。
14.根据权利要求12所述的方法，还包括在所述IDT层和所述压电聚合物层之间形成接合层的步骤。
15.根据权利要求12所述的方法，还包括在所述IDT层上方形成保护覆盖层的步骤。
16.根据权利要求12所述的方法，还包括构造所述IDT层以包括多个包含铜的IDT指状电极的步骤。
17.根据权利要求12所述的方法，还包括以下步骤：
从所述介电聚合物基板中心形成间隙；以及
将所述间隙填充包括低热导率且生物相容的材料的凝胶。
18.根据权利要求12所述的方法，还包括构造所述压电聚合物层为聚偏1，1-二氟乙烯(PVDF)压电膜的步骤。
19.根据权利要求12所述的方法，还包括由低热导率的介电基板材料构造所述介电聚合物基板的步骤。
20.根据权利要求12所述的方法，其中在所述介电聚合物基板上形成所述天线的步骤还包括将所述天线印制在所述介电聚合物基板上的步骤。
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