CN102470248B - 用于可植入医疗设备的共烧的电馈通件 - Google Patents
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Abstract
提供了可植入医疗设备(IMD)的共烧的电馈通件，该馈通件具有屏蔽的射频(RF)导电路径。该馈通件包括由一个或多个介电材料层得到的整体结构、以及延伸穿过该整体结构的，用于通信RF信号进入和出来IMD的导电路径。形成内屏蔽而延伸穿过介电材料层中的至少一个，从而围绕所述导电路径(如，以共轴关系)，且所述内屏蔽使RF导电路径屏蔽于不理想的信号。RF导电路径的这个屏蔽避免破坏性的EMI信号通过该RF导电路径进入IMD。在一些实施例中，含有内嵌的阻抗匹配元件的整体结构被电连接至所述馈通件中的至少一个导电路径，以执行该导电路径与其他电路的阻抗匹配和/或过滤。
Description
技术领域
本发明一般涉及可植入医疗设备(IMD)，更具体地，本发明涉及适用于在IMD中部署的共烧的电馈通件。
背景
已开发了各种设备用于向人体进行植入以提供各种类型的健康相关的治疗、诊断和/或监测。这样的设备的示例，一般被称为可植入医疗设备(IMD)，包括心脏起搏器、心律转变器/去纤颤器、心肌刺激器、心脏事件监测器、包括神经、肌肉和深度脑刺激器的各种生理刺激器、各种神经监测器和传感器、以及药物传递系统，这里仅示例了一些。IMD一般包括包含于密封罩或外壳(常常称作“罐”)内的功能性组件。经常使用电馈通件或互连件来将包含在气密封外壳中的组件连接至位于外壳外部的组件，诸如天线或电医疗引线。在一些IMD中，连接器顶盖或连接器块附连至该外壳，并且连接器顶盖促成使用一个或更多个伸长的电医疗引线的相互连接。
在IMD的密封电子电路与外部程序设计器、监视器、或其他外部医疗设备(“EMD”)之间提供通信链接以供从EMD到IMD的命令的下行链路遥感传输并允许从IMD到EMD的存储信息和/或传感出的生理参数的上行链路遥感传输是普遍的。传统地，IMD与EMD之间的通信链接是通过IMD遥感天线和收发机与EMD遥感天线和收发机之间的编码射频(“RF”)传输来实现的。
概要
提供了用于可植入医疗设备(IMD)的共烧的(co-fired)电馈通件，其具有用于将RF信号通信到IMD且将RF信号从IMD通信出来的屏蔽的RF导电路径。馈通件包括由一个或多个介电材料层得到的整体馈通结构、以及延伸穿过该整体馈通结构的用于通信RF信号的导电路径。内屏蔽被形成为延伸穿过所述介电材料层中的至少一个，从而围绕所述导电路径的至少一部分(如，以共轴关系)，其中所述内屏蔽用于使RF导电路径屏蔽于不理想的信号。RF导电路径的这个屏蔽避免破坏性的EMI信号或其他不想要的信号通过该RF导电路径进入IMD。在一些实施例中，含有内嵌的阻抗匹配元件的整体结构被电连接至所述馈通件中的至少一个导电路径，以执行所述导电路径(多个)与连接至该导电路径(多个)的其他电路的阻抗匹配。
附图
以上提到的本公开的各个特征和对象可结合附图参照以下说明而更容易理解，其中相同的附图标记表示相同的元件，其中：
图1示出根据本公开的一个或更多个实施例的植入人体中的可植入医疗设备。
图2是示出根据本公开的一个或更多个实施例的示例可植入医疗设备的示意框图说明。
图3A是示出根据本公开的一个或更多个实施例形成的用于可植入医疗设备的馈通结构的截面侧视图。
图3B是示出根据本公开的一个或更多个实施例形成的图3A的馈通结构的截面俯视图。
图4是示出根据本公开的一个或更多个实施例形成的、用于可植入医疗设备的、电连接至附加组件的馈通结构的截面侧视图。
图5是示出根据本公开的一个或更多个实施例形成的、用于可植入医疗设备的、通过连接点的球栅阵列电连接至附加组件的馈通结构的截面侧视图。
图6是示出根据本公开的一个或更多个实施例形成的、用于可植入医疗设备的、通过连接点的球栅阵列电连接至中间结构的馈通结构的截面侧视图。
图7是示出根据本公开的一个或更多个实施例形成的图5或6的馈通结构的俯视图。
图8是示出根据本公开的一个或更多个实施例的、用于可植入医疗设备电连接至中间结构的馈通结构的截面侧视图。
图9是图8中所示的中间结构的堆叠的中间层的解构(deconstructed)的俯视图。
图10A至10D示出含有根据本公开的一个或多个实施例形成的内嵌阻抗匹配组件的中间结构的各种低通滤波电路等效图。
图10E至10H示出含有根据本公开的一个或多个实施例形成的内嵌阻抗匹配组件的中间结构的各种高通滤波电路等效图。
图10I-10K示出含有根据本公开的一个或多个实施例形成的内嵌阻抗组件的中间结构的各种带阻和带通滤波电路等效图。
具体描述
以下详细说明书仅仅是说明性的，并不旨在限制本发明或本发明的应用和使用。并且，没有意图被前述技术领域、背景、概述或以下详细说明中展现的任何表示或隐含的理论所约束。
以下描述涉及被“连接”或“耦合”在一起的组件或部件。如本文中所使用的，除非另有明确表述，“连接”是指一个元件/特征直接或间接地连接到另一组件/部件，并且不一定是机械地。类似地，除非另有明确表述，“耦合”是指一个组件/特征直接或间接地耦合到另一元件/部件，并且不一定是机械地。因此，尽管附图可能描绘了示例的元件排列，在实际实施例中可有附加的中间元件、设备、部件或组件(假设IMD的功能性不被不利地影响)。
在一个或多个实施例中，提供了从IMD的多个介电层中导出的共烧的电馈通结构。为了简洁起见，此处可能并不详细描述与RF天线设计、IMD遥感、RF数据传输、信令、IMD操作、IMD引线的连接器以及系统的其它功能性方面(以及这些系统的个体操作组件)的传统技术和方面。此外，这包含的各图中所示的连接线旨在表示各种要素之间的示例功能关系和/或物理耦合。应当注意，在实践性实施例中可提供很多替代或附加功能关系或物理连接。
图1是人体12内植入的IMD10的立体图，其中可实现本发明的一个或多个实施例。IMD10包括密封外壳14(或“罐”)和用于将IMD10耦合至人体12内布置的电子引线和其他生理传感器(例如，连接至心脏20的部分的起搏和感测引线18，用于以本领域公知的方式将起搏脉冲传递到患者的心脏20并感应心脏20的情况)的连接器顶盖或块模块16。例如，这些引线可在顶盖块16的末端进入并物理地电连接到位于顶盖块16内的导电插座、接线端、或其他导电部件。IMD10可适配为被皮下植入患者的身体从而它变成被包在身体组织和体液内，该身体组织和体液包括血清层、皮下脂肪层、和/或肌肉层。可理解的是图1中所示的具体配置仅为说明目的，且IMD10可包括任何类型的医疗设备。
外壳14可包括多个功能元件、组件和特征，包括(但不限于)：电池；高压输出电容；集成电路(“IC”)设备；处理器；存储器元件；治疗模块或电路；RF模块或电路；以及天线匹配电路。在制造过程期间，在位于外壳14内的组件与诸如位于顶盖块16内位于外壳14外部的元件之间建立电连接。例如，外壳14和顶盖块16被配置为具有IC连接器板、端子、馈通件、和用于在外壳14内的内部组件和外壳14外的外部组件之间建立电连接的其他特征。
图2是IMD10以及若干个与其相关联的功能性元件的简化示意表示。IMD10一般包括密封外壳14以及与外壳14耦合的顶盖块16、包含在外壳14内的治疗模块22、以及包含在外壳内的RF模块24。实践中，IMD10还会包括为支持本领域公知的IMD10的功能性所必须的数个常规组件和特征。本文将不对这些常规元件作出描述。
治疗模块22可包括任意数目的组件，包括但不限制于：电子设备、IC、微处理器、控制器、存储器、电源、以及类似组件。简言之，治疗模块22配置为提供与IMD10相关联的期望功能性，例如，除颤脉冲、起搏刺激、患者检测，等等。在这点上，治疗模块22可耦合至一个或更多个传感或治疗引线18。实践中，治疗引线18的连接端被插入顶盖块16，在此处它们建立与耦合到治疗模块22的导电元件的电接触。治疗引线18可被插入在顶盖块16内形成的适当配置的引线孔。馈通26结构在外壳14和连接器头16之间桥接过渡。治疗引线18从顶盖块16延伸出，以用于在患者体内路由并放置。
RF模块24可包括任意数目的组件，包括但不限制于：电子设备、IC、放大器、信号生成器、接收机和发射机(或收发机)、调制器、微处理器、控制器、存储器、电源、以及类似组件。RF模块24还可包括匹配电路，或者匹配电路可置于RF模块24和天线28之间。匹配电路可包括任意数目的组件，包括但不限制于：诸如电容器、电阻器或电感器的电子元件；滤波器；平衡－不平衡变换器；调谐元件；变容二极管；限幅二极管；或类似组件，这些组件适当地配置为提供天线28和RF模块24之间的阻抗匹配，由此提高天线28的效率。简言之，RF模块24支持用于IMD10的RF遥测通信，包括但不限制于：生成RF发射能量；向天线28提供RF发射信号；处理由天线28收到的RF遥感信号，等等。实践中，RF模块24可被设计为将用于外壳14的导电材料利用为RF接地平面(对于一些应用)，并且RF模块24可根据IMD10的预期应用、围绕植入位置的环境的电子特性、期望工作频率范围、期望RF天线范围、以及其他实际考虑而被设计。
天线28耦合到RF模块24以促成IMD10与EMD(未示出)之间的RF遥感。一般而言，天线28被适当配置以用于RF操作(例如，UHF或VHF操作，401-406MHz用于MICS/MEDS带，和/或900MHz/2.4GHz、和/或其他ISM带，等等)。在图2中所示的示例实施例中，天线28位于外壳14外部以允许长距离遥测。在一个或更多个实施例中，天线28经由馈通件26中的RF馈通耦合到RF模块24，馈通件26将外壳14与顶盖块16桥接。天线28可包括耦合至馈通件26中的RF馈通的连接端。因此，馈通件26包括用于RF遥测信号的RF馈通信号路径，还包括用于传感及治疗信号通信入和通信出传感器/引线的信号/治疗馈通信号路径。
传统的IMD一般要求使用将位于外壳14外部的天线28连接至位于内部的RF模块24的未过滤的RF馈通，因为RF馈通一般在不将遥测信号自身过滤掉的情况下不能被过滤。这个未过滤的RF馈通一般为破坏性的电磁干扰(EMI)信号进入IMD外壳内部并负面地影响其中含有的电路操作而提供开路路径。例如，由于这样的破坏性EMI信号进入外壳14并干扰IMD的操作的可能性，病人一般被排除了获得MRI。
屏蔽的RF馈通
在一个或多个实施例中，提供了共烧的电子馈通结构100，其具有RF导电路径(“RF馈通102”)，该路径由内屏蔽104所围绕，用于防止不想要的或不理想的信号通过RF馈通102，如图3A和3B分别所示的截面侧视图和俯视图中所示。馈通结构100基本对应于图2的桥接外壳14和顶盖块16且进一步用作耦合天线28至RF模块24的馈通件26。在一个或多个实施例中，将RF馈通102置于具有基本圆形截面形状的屏蔽104中央处。然而，可将RF馈通102和屏蔽104形成为具有其他不同的截面形状。在一个或多个实施例中，然后将RF模块24连接至RF馈通102内端，诸如通过连接到衬底板。RF馈通102的外端作为天线28的连接点、或作为接收天线28的连接端的内连接插座、接线端、或特征的连接点。
在一个或多个实施例中，通过经由耦合元件106形成电连接到金属箍108而将屏蔽104接地，其中在组装过程中将金属箍108焊接至或其他方式连接至外壳14，这是为了将共烧的电馈通结构100固定至外壳14。由于外壳14用作电接地，以此方式将屏蔽104接地以截取并传送不想要的或不理想的信号到电气接地，并防止它们流过RF馈通102。以此方式，从RF馈通102流过的高频(短波)RF能量将不会被噪声、电不平衡、EMI或者其他不想要或不理想的信号所降低。这样的不想要的信号的这个屏蔽防止它们负面地影响外壳14内的硬件和软件组件操作。
馈通结构100经由耦合元件106耦合至金属箍108。在一个实施例中，耦合元件106包括铜焊材料或等效的有回弹力的粘结材料。铜焊材料包括金(Au)铜焊或其他合适的铜焊材料。可选地，在铜焊材料的施加之前，施加薄膜金属润湿层到馈通结构100的表面。薄膜润湿层的施加在例如，授权给Kraska的美国专利No.4,678,868和授权给Wolf等的美国专利No.6,031,710中有更详细的描述，这些公开通过引用其相关部分并入此处。在另一个实施例中，耦合元件106是通过在将馈通结构100嵌入金属箍108之后所施加的扩散结合过程而形成的扩散键。即便暴露在极端温度下，扩散结合的接点仍然是柔韧的、坚固的且可靠的。尽管当所接合的材料具有不匹配的热膨胀系数，扩散结合的接点保持其可靠性。附加地，扩散键实现固相处理，这经由所接合的组件无宏观形变的原子迁移而实现。用于将馈通结构扩散结合到金属箍的一个这样的技术在名为“Implantable Co-Fired Electrical Feedthroughs(可植入的共烧的电馈通件)”的美国专利公开No.2007/0236861中由更详细的描述，其内容通过引用全体并入此处。
在一个或多个实施例中，馈通结构100包括陶瓷材料110或其他绝缘材料，它们支承RF馈通102并使RF馈通102与内屏蔽104和金属箍108电绝缘。在一些实施例中，使用共烧的陶瓷材料作为陶瓷材料110，其能使屏蔽直接地在馈通结构100中并通过馈通结构100而完成。
在一个或多个实施例中，馈通结构100进一步包括用于在外部传感器/引线和位于外壳14内的内部组件(如，治疗模块22等)之间提供电互连件的信号/治疗馈通112。由于可能要过滤跨信号/治疗馈通112通信的传感和治疗信号(如，使用如图4中所示的安装在表面的电容139来过滤掉EMI和其他不想要的信号)，无需围绕信号/治疗馈通112放置屏蔽来排除不想要的信号。然而，可理解的是在一些实施例中，也可形成附加屏蔽104(未示出)来以与形成为围绕RF馈通102的屏蔽104类似方式贯穿馈通结构100地围绕信号/治疗馈通112。
在一个或多个实施例中，从具有形成在其中的一组通孔结构116(即，形成在层114中的具有设置在其中的导电材料的孔)的多层114(如，诸如陶瓷印刷电路基板等之类的陶瓷材料层110)中导出馈通结构100。导电材料包括至少一种导电金属或合金。示例导电金属包括过渡金属(如，贵金属)、稀土金属(如，锕类金属和镧系金属)、碱金属、碱土金属和稀有金属。贵金属包括铜(Cu)、银(Ag)、金(Au)、铂(Pt)、钯(Pd)、铌(Nb)和铱(Ir)。示例合金包括铂-金、铂-铱、铂、钯、金-钯或其混合物、钨-Mo。导电材料可以是胶状(如，难熔金属胶、金属合金胶等)、粉末的形式或其他合适形式。一个或多个导电夹层(或导电元件)118分别被设置在层114之间或与层114相邻处，且进一步在相对的通孔结构116之间或相邻处。在一些实施例中，可由与设置在通孔结构116中的导电材料相同的导电材料形成夹层118。在其他实施例中，可由与设置在通孔结构116中的导电材料不同的导电材料形成夹层118。
在一个或多个实施例中，通孔结构116结合夹层118可被布置成形成RF馈通102通过馈通结构100的导电的蜿蜒路径。在一个或多个实施例中，相比基本线性的形状，可利用通孔116的蜿蜒的或错排的形状来增加对流体进入(fluidingress)的阻力。然而，可理解的是在一些实施例中，可对RF馈通102和信号/治疗馈通112的至少一部分或全部路径使用基本线性的几何形状(即，通孔116和夹层116是轴向对齐的)。为了进一步增强馈通结构100对流体进入的阻力，一个或多个夹层118结构可邻接一个或多个相邻通孔116，或任选地，完全地或全部地覆盖通孔116的端部。另外，夹层118可具有与通孔16的部分相接触的类似或不同的表面积，这取决于馈通结构100的特定区域是否需要增加电通信和/或阻却流体流入，并在容纳在稠化之前对齐相邻层的制造可变性。
以类似的方式，在多层114中形成一组通孔结构120和夹层122来形成完整地围绕形成于多层114中的RF馈通102的内屏蔽104。在一个或多个实施例中，如图3B中所示，通孔120可被形成为：多个通孔120的图案，这些通孔形成在相应层114中，位于彼此间隔的、围绕延伸穿过同一个相应层114的相应通孔116的位置处，这样，层114中的多个通孔120的图案和间隔被选择为，通过防止具有特定波长的不想要或不理想的信号通过多个通孔120之间到达通孔116，来用作围绕着通孔116的屏蔽。在一个或多个实施例中，类似地成形每一个夹层122为被形成在围绕相应夹层118的、彼此之间间隔的位置处的多个夹层112，以提供夹层118的类似屏蔽。
在一些实施例中，每一个通孔结构120可选地可通过在相应层114中形成导电材料环而形成，这样来包围着形成在同一层114中的RF馈通102的通孔116。进一步，每一个夹层122可被形成为位于层114之间或相邻于层114的导电材料环，来包围着形成为位于同样的相应层114之间或相邻于层114的RF馈通102的夹层118。通孔120和夹层122的组合形成内屏蔽104的导电路径。在一个或多个实施例中，可形成通孔120和夹层122的组合来拥有延伸穿过馈通结构100的内屏蔽104的管状蜿蜒路径，如图3A中所示。在一些实施例中，通孔120和夹层122的组合可对内屏蔽104的路径的至少一部分或所有而拥有基本线性的形状。可用与被用于形成RF馈通102的通孔116和夹层118的同样的导电材料而制成通孔120和夹层122，或者，可选地，可由与之不同的导电材料制成。
在一个或多个实施例中，每一层114包括形成在其中的通孔116以及形成在同一层114中的通孔120，这样通孔120完全地围绕着分别地形成在同一层114中的通孔116。进一步，每一个夹层122被设置在相应层114之间或相邻于相应层114，且进一步位于相对的通孔结构120之间或相邻于通孔结构120，这样，屏蔽104的每一层完全地围绕着RF馈通102的相应夹层118。在一个或多个实施例中，屏蔽104的通孔120和夹层122被形成为拥有基本圆形或圆柱形状，以完全地贯通馈通结构100而围绕相应的通孔116和夹层118，如图3A和3B所示。可理解的是，通孔120和夹层122可被形成为拥有其他可能形状，只要它们贯通馈通结构100而围绕通孔116和夹层118的相应部分以产生将馈通件102屏蔽于不想要的信号的理想效果即可。
在一个或多个实施例中，通过以与如上所述为RF馈通102形成通孔结构116和夹层118的同样的方式来形成一组通孔结构124和夹层126来形成信号/治疗馈通112。
在组装之后，在诸如带式炉之类的加热器室中在高位温度烧结或共烧馈通结构100。带式炉商业地从位于纳什维尔，N.H的Centorr获得。LTCC烧结温度从约850摄氏度(℃)到约1150℃变化。HTCC烧结温度从约1100摄氏度(℃)到约1700℃变化。可应用LTCC和HTCC过程中的至少一个或全部到馈通结构100。在共烧过程中，馈通结构100可在室中少于一天。在馈通结构100被充分地冷却之后，将馈通结构100附着至金属箍108。使用用于形成陶瓷馈通结构的LTCC和HTCC步骤在名为“Multi-Path Mono-Polar Co-FiredHermetic Electrical Feedthroughs and Methods of Fabrication Therefor(多通道、单极的共烧的密封电馈通件以及其制造方法)”的美国专利No.7,164,572，和名为“Implantable Co-Fired Electrical Feedthroughs(可植入的共烧的电馈通件)”的美国专利公开No.2007/0236861中有描述，两者的内容通过参考全体并入此。
在一个或更多个实施例中，可使用任何本领域公知的层沉积技术来形成用于形成天线结构100的各个层，包括但不限于沉积、喷涂、筛除(screening)、浸渍、电镀，等等。在一些实施例中，分子束外延(MBE)、原子层沉积(ALD)或者其他薄膜、真空沉积过程可用于将各个层沉积，将这些层彼此相叠地建立，从而ALD允许带有高或低介电常数的薄的材料被用于形成各层，藉此达到尺寸的减小和总的馈通结构100的小型化同时还仍然提高馈通结构100的性能。
使用共烧的陶瓷材料来形成馈通结构100的层114允许内屏蔽104轻易地贯通馈通结构100而形成来完整地围绕RF馈通102。这导致通过馈通结构100的共轴的经屏蔽的RF信号路径，其防止不想要的或不理想的信号通过未经过滤的RF馈通102进入外壳14。
在一个或多个实施例中，馈通结构100提供天线28和RF模块24或外壳14中的其他内部电路之间通过RF馈通102的电连接。现在参考图4，RF馈通120的内端130通过到经屏蔽的RF连接件134(如，线缆或柔性电线连接件)的电连接132而电连接至RF模块24。电连接132可包括衬底板、导电材料、线连接或其他类型的电连接。RF馈通102的外端136用作天线28的连接点或用作连接至天线28的其他组件的连接点。在一个或多个实施例中，接地的屏蔽104被进一步通过电连接138而连接至经屏蔽的RF连接件134中的相应接地的连接。提供电通信到通孔116、120、124或到夹层118、122、126的结合板可被置于馈通结构100的外部(如，位于RF馈通102的内端130或外端136)。除了提供用于连接远程电路的可能较大的结合表面之外，结合板使互连过程变得简单，且增加了馈通结构100对于流体(诸如体液)进入的阻力。结合板可形成为具有与通孔116、120、124或夹层118、122、126的形状和/或尺寸相类似或不同的形状和/或尺寸。
在一个或多个实施例中，馈通结构100的内屏蔽104连接至外壳14上的相应组件(如，通过图5中所示的经屏蔽的RF连接件134)或通过连接点142的阵列连接至位于馈通结构100和外壳14之间的另一个中间结构140(如图6中所示)。通过这样的连接点142，内屏蔽104被粘合、连接、结合、焊接或者以其他方式被一起(如，通过焊接或者其他粘合材料，诸如导电聚合物)连接至屏蔽的RF连接件134、中间结构140或者另一个合适的结构，此处连接点142进一步提供屏蔽104和连接的组件(如，图6中所示的中间结构140)之间的电连接。在一些实施例中，连接点142可包括球形导电组件(即，导电球142)的球栅阵列。
RF馈通102的内端130电连接至连接点132。在一些实施例中，连接点132可以与连接点142的材料类似的形状和导电材料制成，而在其他实施例中，连接点132可以与连接点142不同的形状和/或材料制成。还可使用类似的连接点144来将信号/治疗馈通112连接至中间结构140中或位于信号/治疗通信路径中其他合适组件中的合适的连接。
连接点142应该被制成以及以其他方式成为彼此间隔来延续围绕RF馈通102的经屏蔽的共轴结构，这样连接点142继续用作围绕着连接至RF馈通102的连接点132的屏蔽。例如，如图7中所示为馈通结构100的俯视图，连接点142彼此间隔且附着在屏蔽104的相应部分上，以防止不想要的或不理想的具有特定波长的信号穿过连接点142间而通过连接点132进入RF信号路径。在一个或多个实施例中，连接点142被设置以小于被通信穿过RF信号路径的RF辐射的距离彼此间隔，这样连接点142表现为且用作像是完全经屏蔽的互连。因此，在馈通结构100与另一个组件的连接中，连接点142用作维持由屏蔽104围绕RF馈通102而设置的共轴屏蔽。
在一个或多个实施例中，可变地选择连接点142的形状、间隔和/或配置来提供理想的功能特性。例如，可相关于馈通结构100的具体特性阻抗来选择连接点142的形状、间隔和/或配置，其中馈通结构100中所使用的材料的介电常数的改变，以及周围环境的介电常数变化可指示连接点142的设计配置。这样，连接点142的形状、间隔和/或配置可以与间隔开的通孔120的形状、间隔和/或配置一样或不同，适合于所使用的具体材料和周围环境。进一步，可类似地可变地选择相关于连接点132的连接点142的形状、间隔和/或配置来提供理想的功能特性，从而维持馈通结构100的特性阻抗。在任何事件中，所选择的连接点142的形状、间隔和/或配置用于提供围绕连接点132的共轴屏蔽，以防止具有特定波长的不想要的或不理想的信号穿过连接点142之间且通过连接点132而进入RF信号路径。
阻抗匹配的馈通
在一个或多个实施例中，可将馈通结构100进一步连接至中间结构140来执行馈通件(即，信号/治疗馈通112、RF馈通102或者馈通结构100中馈通路径的附加类型)中至少一个的阻抗匹配。传统的馈通结构没有与引线、与外壳14中的组件、或与相关联的互连，进行阻抗匹配，其中这些组件之间的不匹配可导致能量被反射且被削弱，并一般导致通过馈通结构的无效的能量传输。为了防止这样的不匹配，可使用中间结构104来执行馈通结构100与连接至馈通结构100的电路的其他部分之间的阻抗匹配来增加电传输效率以及来改善信号质量。在一些实施例中，中间结构140可包括衬底，诸如印制线路板(PWB)或HTCC衬底，其具有表面，该表面上安装了连接至信号路径(如，RF馈通102或信号/治疗馈通112)的组件(如，电容、电感或其他电路元件)来执行馈通结构100与其他所连接的组件之间的阻抗匹配。在一些实施例中，中间结构140可包括具有内嵌组件的衬底，所述内嵌组件诸如由以与馈通结构100类似方式制成的共烧陶瓷材料层制成的共烧的复合板，且还包括内嵌的电容和电感来实现理想的阻抗匹配。通过将这些阻抗匹配组件内嵌在中间结构140中，可实现显著的尺寸/体积节省以最小化中间结构140对其中实现中间结构140的IMD10上的影响。
在阻抗匹配组件被内嵌在衬底中的一个或多个实施例中，由LTCC材料的多个层150来制成中间结构140，如图8中所示。LTCC材料提供了嵌入无源组件以在空间和功能上定制(tailor)电介质常数、电感或电容的能力来最优化封装效率和/或性能。在一个或多个实施例中，可由高介电陶瓷粉末，诸如在美国专利No.6,107,227和6,391,082(其内容通过引用全部并入此)中所描述的粉末填充复合物来制成LTCC陶瓷层150。在多个LTCC层150中形成一组通孔结构152和夹层154，其中通孔152和夹层154的组合形成穿过馈通结构100的相应信号路径的中间结构140的导电路径。在一个或多个实施例中，可形成通孔152和夹层154的组合来拥有延伸穿过中间结构140的蜿蜒路径，如图8中所示。在一些实施例中，通孔152和夹层154的组合可对穿过中间结构140的路径的至少一部分或所有而拥有基本线性的几何形状。可用与被用于形成RF馈通102的通孔116和夹层118的同样的导电材料而制成通孔152和夹层154，或者，可选地，可由与之不同适于有效处理陶瓷的导电材料制成。LTCC层150、通孔152、夹层154和任何内嵌的无源组件可被共烧在一起而将中间结构140形成为整体结构。然后可如上所述地通过连接点132、142和/或144而将中间结构140和馈通结构100结合在一起。
由于LTCC材料一般具有高的且非生物相容的介电常数，通过至少馈通结构100，将中间结构140和与围绕IMD10的人体环境的可能接触分开或隔离开。因此，馈通结构100优选地由具有合适介电值的，基本是生物相容的材料制成，用于生物相容，诸如HTCC材料。可使用HTCC材料用作用于形成馈通结构100的陶瓷层114。然后使用本领域技术人员已知的方法来将LTCC中间结构和HTCC馈通结构连接在一起。用于连接IMD中所用的LTCC结构和HTCC结构的各种方法在，例如，在2008年12月31日申请的、名为“High DielectricSubstrate Antenna for Implantable Miniaturized Wireless Communications andMethod for Forming the Same(用于可植入小型化无线通信的高介电衬底天线以及制造其的方法)”的美国专利申请系列No.12/347,379中有所描述，该专利的内容通过参考全体并入此处。在一些实施例中，可将中间结构140和馈通结构100形成为结合了HTCC(对于馈通结构100)和LTCC(对于中间结构140)技术的单个整体的结构，其中中间结构140和馈通结构100被共烧在一起成为单个整体结构。
进一步参考图8，在一个或多个实施例中，可形成相应相邻夹层154之间的区域156，用作中间结构140中内嵌的电容。在一些实施例中，区域156可包括相应相邻夹层154之间形成的腔体。在一些实施例中，可用在相应相邻夹层154之间提供理想的电容特性的介电材料来填满相应相邻夹层154之间的区域156。在将该材料一起共烧为所形成的中间结构140之前，在相应的LTCC层150中形成区域156。
在一个或多个实施例中，可选择通孔152和夹层154的图案和/或配置，以使通孔152和夹层154的配置用作中间结构140之间的内嵌电感。可通过将夹层154相对于彼此设置为理想的配置并将夹层154和通孔152连接在一起而形成中间结构140中内嵌的电感，这样通孔152和夹层154的组合的设置形成中间结构140中内嵌的电感的或垂直或水平的线圈。例如，可将位于头三层150中的夹层154a、154b、以及154c位于中间结构140形成为基本呈c形但相对彼此旋转，如图9中所示。夹层154a、154b、以及154c的每一个的端部可被通过相应通孔152连接来形成延伸穿过中间结构140用作内嵌电感的导电材料的垂直线圈。可理解的是各通孔152和夹层154可选地可被配置为提供理想的内嵌特性的其他配置。
可选择地将各LTCC层150、通孔152、夹层154和区域156形成为提供在通过中间结构140的一个或多个信号路径中的内嵌电容和电感的组合，为通过馈通结构100到电路其他部分的一个或多个信号路径实现理想的阻抗匹配，从而增加馈通结构100的电转换效率并改进信号质量。
在一个或多个实施例中，除了或附加于在中间结构140中形成区域156作为内嵌于中间结构140的内嵌电容之外，可在将材料一起共烧为所形成的中间结构140之前，在通过中间结构140的一个或多个信号路径中的至少一个LTCC层150上沉积电容材料。例如，电容材料可包括丝网印刷电容胶。可沉积具有理想形状、图案、和或厚度的电容材料来提供理想的公差、电容、电阻或其他特性。在一个或多个实施例中，可在将材料共烧在一起之前，在通过中间结构140的一个或多个信号路径中的至少一个LTCC层150上沉积材料，来提供其他内嵌特性，诸如理想的电阻、电感等。在LTCC结构中沉积材料来将有源和无源组件结合到LTCC结构中的一个方式在名为“Enhance The Design Of LTCCRF Modules(增强LTCC RF模块的设计)”、由Lawrence Williams教授和SeanKim发表在Microwaves&RF,90-96&120页,2003年9月的文章中有描述，这篇文章的内容通过引用整体并入此。
可选择性地将各LTCC层150、通孔152、夹层154和区域156设置为提供对行进穿过中间结构140和馈通结构100的信号的低通、高通或带阻滤波。例如，参考图10A-10D中所示的中间结构140的相应电路等效图，为可被设置为多极低通滤波器来提供更尖锐、更清晰地定义的曲线(即，Butterworth、Chebyszev、Elliptical等，或滚降相对频率)的四种不同类型的低通滤波器拓扑而示出使用电感的多个不同的可能的滤波馈通拓扑结构。可进一步将各代表性的过滤电路级联来执行相比图中所示的过滤器更高阶的过滤器来实现甚至更多的衰减。可使用图10A-10D中所示的低通滤波馈通拓扑结构来过滤低频信号并阻却在暴露给高阶EMI过程中存在于IMD10的引线上的高频RF干扰。
参看图10E-10H中示出的代表性的中间结构140的电路等效图，为可被用于通过高频信号并过滤低频信号的四种不同类型的高通滤波器拓扑而示出使用电感的多个不同的可能的滤波馈通拓扑结构(如，阻却64MHz、或128MHz的MRI频率的UHF遥测馈通)。
还可选择性地将各LTCC层150、通孔152、夹层154和区域156设置为提供“带阻”滤波器(如，使用串联的L-C电路，以及在分流配置中连接的串联的L-C电路)，其可在特定不理想的问题频率处提供极高的阻却，或可选地提供“带通”滤波器。参看图10I-10K中示出的代表性的中间结构140的电路等效图，为可被用于提供带阻滤波(图10I)或带通滤波(图10J&10K)的不同类型的滤波器拓扑而示出使用电感的多个不同的可能的滤波馈通拓扑结构。在一些实施例中，可减去图10I-10K中的输入或输出LC，或者可增加进一步的电路来提供更复杂的滤波器。
根据一个或多个实施例，使用共烧技术以形成馈通结构100和/或中间结构140允许制造低成本、小型化、气密的，适宜于在组织中植入和/或直接或间接与不同体液接触的馈通结构100和/或中间结构140。进一步，通过使用共烧技术来形成这样的机构，可实现组件小型化的优势来极大地减小馈通结构100和/或中间结构140的尺寸，同时提供内嵌的组件功能，藉此减少体积、增加器件密度和功能，且提供内嵌的功能，所有这些均实现在气密的整体结构中。
Claims (4)
1.一种用于植入性医疗设备(“IMD”)的电互连馈通件，包括：
由一个或多个介电材料层得到的整体馈通结构；
延伸穿过所述整体馈通结构的，用于通信RF信号的导电路径，且所述导电路径包括形成在所述一个或多个介电材料层的每一个中的至少一个通孔容纳孔，其中每一个通孔容纳孔耦合其中形成所述孔的相应层的主平面侧且横向地彼此偏移，这样所述导电路径包括延伸穿过所述整体馈通结构的基本蜿蜒形状；设置在所述每一个通孔容纳孔中，且至少部分地填充所述每一个通孔容纳孔的导电金属材料；以及形成在两个相邻的介电材料层之间的导电材料的互连，用于连接形成在相邻的介电材料层中的通孔容纳孔；以及
内屏蔽，形成为延伸穿过多个所述介电材料层中，从而围绕用于通信RF信号的所述导电路径，其中所述内屏蔽包括形成在所述一个或多个介电材料层的每一个中的多个导电金属材料的通孔，其形成为围绕着形成在同一个相应介电材料层中的导电路径的部分，其中形成在每个介电材料层中的多个导电金属材料的通孔的每一个耦合其中形成所述通孔的相应层的主平面侧且横向地彼此偏移，这样所述导电路径包括延伸穿过所述整体馈通结构的基本蜿蜒形状；以及形成在两个相邻的介电材料层之间的导电材料的互连，用于连接形成在相邻的介电材料层中的导电金属材料的连接通孔。
2.如权利要求1所述的电互连馈通件，其特征在于，所述导电路径和内屏蔽被形成为拥有延伸穿过所述整体馈通结构的基本共轴的关系。
3.如权利要求1所述的电互连馈通件，其特征在于，所述导电路径是用于将RF信号通信入和通信出所述IMD的射频(RF)导电路径。
4.如权利要求1所述的电互连馈通件，其特征在于，所述内屏蔽进一步包括：
形成在所述一个或多个介电材料层的每一个中的导电金属材料的圆环，其形成为围绕着形成在同一个相应介电材料层中的导电路径的部分，其中每一个导电金属材料的环耦合其中形成导电金属材料环的相应层的主平面侧；以及
形成在两个相邻的介电材料层之间的导电材料的互连，用于连接形成在相邻的介电材料层中的导电金属材料的连接环。
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