CN101815933A - 压力传感器、包括压力传感器的传感器探头、包括传感器探头的医疗设备、以及制造传感器探头的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种包括响应压力而可变形的柔性膜的压力传感器，该压力传感器覆盖腔(2)并且包括用于产生与柔性膜的变形相对应的信号的应变仪(21)，其中柔性膜是柔性单片集成电路箔(10)。按照这种方式，半导体集成电路本身用作柔性膜，这导致不太复杂的制造处理。

Description

压力传感器、包括压力传感器的传感器探头、包括传感器探头的医疗设备、以及制造传感器探头的方法
技术领域
本发明涉及一种压力传感器。本发明还涉及一种包括压力传感器的传感器探头、包括传感器探头的医疗设备、以及制造传感器探头的方法。
背景技术
包括半导体集成电路的压力传感器在本技术领域是众所周知的。US 6,221,023公开了一种安装在体内导管的远端上的、用于对施加在传感器上的压力进行检测的压力传感器。该传感器包括根据施加到此的压力而变形的芯片以及安装在该芯片上的、根据该芯片的变形而发出检测信号的压电元件或应变仪。根据所发出的信号对压力进行检测。该传感器还包括远离芯片安装的压力传递元件(在这种情况下，该压力传递元件安装在导管的远端)。该传感器芯片包括类似盘片的感测板，在该感测板上集成地形成了应变仪。线缆连接到应变仪用于与附装在柔性基底一侧的独立衬底上的衬垫电连接。压力传递元件将施加到导管远端的压力传递到感测板并且根据该压力而使感测板倾斜。应变仪根据倾斜的度数和方向发出检测信号。已知压力传感器的缺点在于仅可检测到通过直接机械接触而到远端的压力。
US 7207227公开了一种无需直接机械接触来对压力进行检测的压力传感器，其中在半导体衬底中提供了腔或凹槽，并且通过压力而变形的隔膜或薄膜覆盖该腔。已知半导体压力传感器的缺点是它需要复杂制造处理以提供集成电路内的独立薄膜。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有较不复杂的制造处理的半导体压力传感器。本发明由独立权利要求定义。有利实施例由从属权利要求定义。
该目的通过根据本发明的压力传感器来实现，该压力传感器包括响应压力而可变形的柔性膜，该压力传感器覆盖腔，并且该压力传感器包括应变仪，该应变仪产生与柔性膜的变形相对应的信号，其中该柔性膜是柔性单片集成电路箔。按照这种方式，本发明提供了即是半导体集成电路又是柔性箔的柔性膜，从而避免柔性膜的独立制造并且因此导致较不复杂的制造处理，因为它不包括制造作为集成电路一部分的柔性膜的处理步骤。通过应变仪所获得的柔性箔的应力给出了与柔性箔的弯曲和形状有关的信息。此外，本发明允许有标准和简单的IC(集成电路)大量生产处理的应用，这是因为不再需要用于将柔性膜嵌入在集成电路中所需的非标准IC制造步骤。
在根据本发明的传感器的实施例中，腔与用于在该腔中施加进一步压力的气通道相连，在该气通道中，压力控制设备根据来自应变仪的信号对进一步压力进行控制。通过经由用作出口或进口的气通道而在被柔性箔所密封的腔内施加进一步压力，该进一步压力可以至少部分地对存在于腔外(处于柔性箔的相对侧)的压力进行补偿。应变仪对由腔外的压力所引起的柔性箔的变形进行测量并且压力控制设备使用应变仪所产生的信号以对腔内的进一步压力进行控制。按照这种方式，提供了其中压力控制设备对柔性集成电路箔的变形进行控制并且按照这种方式可使柔性箔的变形最小化的压力传感器，从而提高了柔性集成电路的使用寿命。
在根据本发明的传感器的实施例中，压力传感器包括至少四个以惠斯通桥配置的应变仪。这可提高压力检测的精确度，这是因为可使诸如例如电源电压和温度变化这样的环境参数的变化的影响最小化。通过适当地放置应变仪，将惠斯通桥最优化为最大化响应性。
在根据本发明的传感器的进一步实施例中，压力传感器包括分布在柔性箔上的多个应变仪。因为应变仪分布在柔性集成电路箔的整个区域上，因此可提高确定柔性箔的变形的精确度并且因此可提高压力检测的精确度，因为多个应变仪给出了应变仪所处的柔性箔位置上的柔性箔的变形的信息。按照这种方式，测量所检测到的压力在柔性箔的区域上的分布。此外，按照这种方式，可提供柔性箔上的张拉应变与压缩应变的位置之间的改进差别。
在根据本发明的传感器的另一实施例中，应变仪包括集成在柔性箔上的多晶硅。按照这种方式，包括形成多晶硅单元的标准IC制造处理步骤可有利地应用于将应变仪集成到集成电路箔中，这使压力传感器的制造进一步简单化。此外，它导致集成的压力传感器进一步小型化。
在根据本发明的传感器的实施例中，柔性箔包括聚对二甲苯载体。使聚对二甲苯沉积为真正保角的、薄的、连续的、均匀的粘附涂层的能力允许其应用为保护涂层。另一个优点是因为聚对二甲苯涂层的设备很稳定、呈现出响应特性几乎没有变化、并且与身体电且化学地绝缘，因此薄的聚对二甲苯膜可沉积在实际上任何生物衬底上，这可允许压力传感器用在医疗应用中。此外，聚对二甲苯可应用在无数工业、航空航天、化工、汽车、消费品、医药、以及国防应用中。
在根据本发明的传感器的实施例中，柔性箔进一步包括温度传感器和/或流量传感器。这有利地提高了压力传感器的功能。对温度和/或流量的测量给出了更多的环境信息并且因此通过考虑到环境参数对压力的影响而导致对压力的更精确确定。
在根据本发明的传感器的另一实施例中，柔性箔进一步包括天线。这有利地提供了传感器的无线操作模式和/或提供了到柔性箔的有效能量传递。
在根据本发明的传感器的另一实施例中，柔性箔进一步包括信号处理电路。按照这种方式，通过将附加功能集成到柔性箔上可实现使传感器探头进一步小型化。例如，信号处理可包括放大、模数转换和/或数据多路复用。
该目的还通过包括根据本发明的压力传感器的、用于对体腔之内的压力进行测量的传感器探头实现。按照这种方式，例如，例如通过将压力传感器安装在导管的远端上可对体腔之内的血压进行测量。由于传感器和传感器探头的小型化，因此在难以到达的位置中也可对体腔内的压力进行测量。例如，通过确定囊状动脉瘤内的血压和血流量，还可提高对与动脉瘤相关的风险的评估。
该目的还可以通过包括根据本发明的传感器探头的医疗设备实现。
该目的还可以通过制造包括压力传感器的传感器探头的方法来实现，该方法包括步骤：
-提供传感器探头，该传感器探头具有包括凹槽的远端；
-将柔性单片集成电路箔安装在传感器探头上，从而封闭凹槽并且形成腔。
该方法提供了对具有压力传感器的传感器探头的简单制造，因为通过将柔性单片集成电路箔安装在传感器探头上的单个处理步骤，可将例如用于对柔性膜的弯曲进行测量的柔性膜和电子电路二者安装在传感器探头上。以单个处理步骤安装在导管上的柔性集成电路箔具有不止一个功能：它用作响应于与腔内压力不同的腔外压力而弯曲的柔性膜，并且它还是包括例如用于对弯曲量进行测量的应变仪这样的电子电路的集成电路。可选地，该集成电路可具有其它电子电路、传感器、和/或信号处理装置。
在根据本发明的制造具有压力传感器的传感器探头的方法的实施例中，传感器探头进一步具有用于在腔中施加进一步压力的气通道。通过用作用于施加进一步压力的出口或入口的气通道来在被柔性箔密封的腔内施加该进一步压力，该进一步压力对存在于腔外的压力，即就是传感器探头远端附近的环境的压力进行补偿。按照这种方式，通过施加的进一步压力控制柔性集成电路的变形并且例如使柔性集成电路的变形最小化，从而提高柔性集成电路的使用寿命，并且因此提高传感器探头的使用寿命。
附图说明
参考附图对本发明的这些及其他方面做进一步说明和描述，在附图中：
图1是根据本发明实施例的压力传感器的示意性截面视图；
图2是用于对柔性箔的变形进行说明的根据本发明实施例的压力传感器的示意性截面视图；
图3是包括根据本发明实施例的压力传感器的传感器探头的远端的示意性截面视图；以及
图4a-4g是用于对制造根据本发明的压力传感器的实施例的方法进行说明的示意性截面视图。
附图不是按比例绘制的。通常，在附图中由相同参考数字表示相同部件。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的压力传感器的实施例的示意性截面视图。在该实施例中，柔性单片集成电路箔10包括应变仪21，该应变仪21被例如聚亚胺的保护层12保护并且在包括例如氮化硅的介质层13上提供。该应变仪21对柔性集成电路箔21中的应变进行测量。本发明并不局限于如图1中所说明的三个应变仪21，而是还可仅使用一个应变仪21，然而在根据本发明的压力传感器的另一实施例中，多个应变仪21分布在柔性箔10的整个区域上，这有利地给出了对柔性箔10的弯曲的更精确测量。柔性箔10安装在具有凹槽22的衬底1上。在将柔性箔10安装在衬底1上之后，柔性箔10覆盖住并且密封凹槽22，并且凹槽22现在形成了腔2。在腔2外的压力与腔2内的压力不同的情况下，由于这个压差而使柔性箔10变形或弯曲。应变仪21对由于这个压差所引起的柔性箔10的应变进行检测和测量。当柔性箔10变形时，应变仪21产生下述信号，该信号例如通过包含在柔性单片集成电路箔10中的信号处理电路而被译为对柔性箔10的变形的定量测量。
柔性箔10是集成电路并且总的来说是可变形的。该集成电路可包括图1中未示出的、可利用熟知的半导体IC(集成电路)技术所制造的任何电子电路。例如，金属氧化物半导体晶体管、电容、电阻可以是该集成电路的一部分，其组合起来形成了像放大器、存储器、微处理器、模数转换电路和/或数据复用电路之类的电子电路。此外，利用标准IC技术制造用于使应变仪21和电子电路电连接的电线并且将该电线集成到柔性箔10中。另外，柔性箔10可以具有用于例如使能无线RF链路的磁环接收器天线(未示出)。此外，可以将诸如例如温度传感器和/或流量传感器这样的其它传感器集成到柔性箔10上以对其它物理属性进行测量。柔性集成电路箔10既是包括集成电子电路的复杂性的集成电路并且又是能弯曲或变形的柔性膜。
图2是用于说明柔性箔10的变形的根据本发明的压力传感器的实施例的示意性截面视图。在该示例中，腔2外的压力高于腔2内的压力并且柔性箔10弯曲到腔2之内。柔性箔10具有柔性箔10压缩应变的区域以及柔性箔10拉伸应变的区域。通过将各个应变仪适当地放置并分布在柔性箔的区域上，优化应变仪21的响应性。在该示例中，应变仪21a受到压缩应变并且应变仪21b受到拉伸应变。通过将应变仪21放置成惠斯通桥配置(未示出)可实现使响应性进一步优化，从而使例如温度和电源电压变化的影响最小化。
图3示出了包括根据本发明实施例的压力传感器的传感器探头41的远端的截面视图。传感器探头41例如是导管，该导管与根据本发明的压力传感器一起使得能够对体腔之内的血压进行测量。在该实施例中，腔2与通道42相连，该通道42可用作用于对传感器探头41的腔2之内的压力进行调节的出口或入口。例如，将腔2内的压力设置为这样的值以便它基本上等于腔2外的压力(在这种情况下基本上等于体腔之内的血压)。在这个状况下，柔性箔10呈现出最小变形，这可延长柔性箔10的使用寿命。在另一实施例中，由应变仪21所产生的信号用于对腔2内的压力进行调节。例如，将应变仪21的信号输入到用于根据应变仪21所产生的信号来对腔2内的压力进行控制的压力控制设备(未示出)。在该示例中，反馈电路用于使柔性箔10的变形最小化。此外，可以将其它传感器集成到柔性箔10上以对体腔之内的其它物理属性进行测量。例如，将压力传感器与流量传感器组合在一起使得能够精确地表征动脉瘤特性。可以集成在柔性箔10上(无论是否彼此相组合)的其它传感器的示例是用于对绝对温度进行测量的传感器以及用于对血的含氧量进行测量的传感器。显而易见地，在这种情况下必须用生物相容性涂层来密封柔性箔10。聚对二甲苯可以用于该目的，聚对二甲苯是例如在导管和起搏器中广泛当作生物相容性涂层的材料。为了防止在与柔性箔10电接触的过程中的任何问题，柔性箔10最好是以无线模式进行操作。这消除了对困难的且不可靠的电接触的需要。在方便的配置中，柔性箔10在具有磁环接收器天线和发射器环形天线的一侧上。按照这种方式，接收器和传送器天线彼此非常接近定位，这允许进行有效的能量传输和RF链路。该RF链路还可用于双向通信。
柔性箔10是单片集成电路箔，其中柔性箔10是利用IC处理制造的并且随后将其转印到例如聚亚胺的柔性载体。US6762510公开了制造这种柔性箔10的方法。IC处理可有利地用于将不同设备和电路集成到柔性箔10上。图4a-4g说明了制造根据本发明实施例的压力传感器的方法。
如图4a所示，硅衬底31具有其厚度为例如100nm的顶部氮化硅层13。随后使多晶硅沉积在氮化物层13上、使其掺杂以实现特定电阻率、并且利用标准光刻技术使其成图案化，这最终形成了多晶硅应变仪21。此后，如图4b所说明的，沉积介质层14，例如沉积厚度为例如200nm的LPCVDTEOS(低气压化学气相沉积四乙基原硅酸酯)。利用标准光刻技术在介质层14中形成了接触孔，并且利用标准金属化法和光刻技术形成互连层15，从而形成通过互连层15与多晶硅应变仪21的电连接。因此，如图4c所示的，沉积厚度为5-10um的聚亚胺层12，继之以是固化步骤并且沉积分隔层17，该分隔层在这种情况下包括0.5um厚度的PECVD(等离子增强的化学汽相沉积)二氧化硅层。聚亚胺层12用作集成电路的柔性载体。此后，利用粘合层18将玻璃衬底19粘附到分隔层17上。分隔层17用于防止粘合层18与聚亚胺衬底19的混合。此后如图4d所示，利用研磨和湿蚀刻除去衬底31，同时使玻璃衬底19用作集成电路的剩余物的临时载体。如图4e所示，现在使玻璃衬底19和粘合层18与分隔氧化层17分离。最终，如图4f所示的，通过标准蚀刻技术除去分隔层17，这结果形成了随后安装在凹槽22上的衬底1上的柔性集成电路箔10。结果如图4g所示，其中由柔性箔10密封凹槽2而形成了腔2。
或者，代替聚亚胺层12，聚对二甲苯也可用作即就是生物相容材料的柔性载体。
总起来说，本发明涉及一种包括可响应压力而变形的柔性膜的压力传感器，该压力传感器覆盖住腔并且包括产生与柔性膜的变形相对应的信号的应变仪，其中柔性膜是柔性单片集成电路箔。
应该注意的是，上述实施例对本发明进行说明而不是对本发明作出限制，并且本领域普通技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出许多替换实施例。在权利要求中，不应认为置于括号内的任何参考符号是对权利要求作出限制。词″包括″不排除在权利要求中所列出的那些之外的其它单元或步骤的存在。单元之前的词″一″或″一个″不排除存在多个这种单元。

Claims (13)

1.一种包括响应压力而可变形的柔性膜的压力传感器，该压力传感器覆盖腔(2)并且包括应变仪(21)，该应变仪(21)产生与该柔性膜的变形相对应的信号，其中该柔性膜是柔性单片集成电路箔(10)。
2.根据权利要求1所述的压力传感器，其中所述腔(2)与用于在所述腔(2)中施加进一步压力的气通道(42)相连，并且其中压力控制设备根据来自该应变仪(21)的信号对该进一步压力进行控制。
3.根据权利要求1所述的压力传感器，其中所述压力传感器包括至少四个以惠斯通桥配置的应变仪(21)。
4.根据权利要求1或者3所述的压力传感器，其中所述压力传感器包括分布在所述柔性箔(10)上的多个应变仪(21)。
5.根据权利要求1所述的压力传感器，其中所述应变仪(21)包括集成在所述柔性箔(10)上的多晶硅。
6.根据权利要求1所述的压力传感器，其中所述柔性箔(10)包括聚对二甲苯载体。
7.根据权利要求1所述的压力传感器，其中所述柔性箔(10)进一步包括温度传感器和/或流量传感器。
8.根据权利要求1所述的压力传感器，其中所述柔性箔(10)进一步包括天线。
9.根据权利要求1所述的压力传感器，其中所述柔性箔(10)进一步包括信号处理电路。
10.一种用于对体腔之内的压力进行测量的传感器探头(41)，该传感器探头包括如先前权利要求任何一个所述的压力传感器。
11.一种包括如权利要求11所述的传感器探头(41)的医疗设备。
12.一种用于制造包括压力传感器的传感器探头(41)的方法，该方法包括步骤：
-提供下述传感器探头(41)，该传感器探头具有包括凹槽(22)的远端；
-将柔性单片集成电路箔(10)安装在该传感器探头(41)上，从而封闭所述凹槽(22)并且形成腔(2)。
13.根据权利要求12所述的方法，其中该传感器探头(41)进一步具有用于在所述腔(2)中施加进一步压力的气通道(42)。
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