CN103229034B - 微型压力传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于测量在导管（300）中输送的流体的压力的装置（100），包括：a.第一电极；b.第二电极；c.与上述两个电极接触的导电或半导电纳米粒子集合体;d.测量装置，其提供与纳米粒子集合体的电特性成比例的信息，电特性在第一和第二电极之间测量，所述电特性对集合体的纳米粒子之间的距离灵敏；e.纳米粒子集合体与柔性衬底（130）机械接合，并且与在导管中输送的流体机械接触，从而使所述集合体的纳米粒子之间的距离按照流体压力的变化而改变。

Description

微型压力传感器

本发明涉及一种微型压力传感器。本发明对于测量在导管中输送的流体的压力特别有用，对于测量导管中压力的空间分布、轴向分布或者周向分布尤其有用。

对于在导管中输送的流体的压力的相对或绝对的测量，尤其是压力的空间分布或时间分布的测量，允许确定与流体的流动状态有关的许多参数，以及可以确定在导管中输送的流体的固有特性，例如流体的粘度或它的瞬时流量。

当被输送的流体是人类或动物的体液（例如血液或尿液）时，了解这样的参数尤为有用。例如，当用血管搭桥术使在仪表化导管中的流体进行体外循环时，测量流体的压力或该压力的空间分布允许在不进行流体采样的情况下收集关于该流体的特性和循环状态的信息。根据另一个应用例子，特别有利的是，压力和压力空间或时间分布的测量可以在体内导管例如血管上实现。

现有技术中已知的非侵入性压力测量装置由检测对象组成，通过测定计测量检测对象的形变，其被称作应力，检测对象应与导管机械地耦合以便导管在导管输送的流体的压力作用下的形变传递给检测对象。国际专利申请WO2006122750描述了这样的压力传感器，压力传感器适于被植入体内导管，例如血管。获得导管和传感器的检测对象之间的机械耦合的需要会局部地改变导管的机械响应，甚至改变导管的形状，并且可能对流体的流动状态造成影响。因此，这样的传感器不能在短距离上测量压力的周向或轴向分布。

为了解决现有技术的不足，本发明提出了一种测量在导管中输送的流体的压力的装置，其特征在于，包括：

a.第一电极；

b.第二电极；

c.与上述两个电极接触的导电或半导电纳米粒子集合体；

d.测量装置，其提供与纳米粒子集合体的电特性成比例的信息，电特性是在第一和第二电极之间测量的，所述电特性对集合体的纳米粒子之间的距离灵敏；

e.纳米粒子集合体与柔性衬底机械接合，并且与被输送的流体机械接触，从而使所述集合体的纳米粒子之间的距离按照述流体压力的变化而改变。

因此，纳米粒子的使用允许实现灵敏度高同时体积小的传感器，这样的传感器适用于许多测量情形。实际上，纳米粒子集合体被布置于柔性衬底上并适合被用作为检测对象，可以直接测量施加于其上的力不受与放置装置的支撑物的刚性的影响，或者纳米粒子集合体可以被添加在检测对象上以测量检测对象的形变，这两种实施例可以结合起来。

从下面描述的有利的实施例将给出使用纳米粒子的其它优点，这些实施例可以单独考虑，或者以技术上可行的任意组合来考虑。

本文中，动词“连接”和术语“接触”表示两个元件之间功能上的联系，尤其是术语“机械接触”表示两个元件之间的力的传递，这种传递要么是直接的，要么力的传递还通过其它元件。

有利的是，本发明的目标装置包括用于将柔性衬底机械地连接到输送流体的导管的壁上的部件，柔性衬底上布置有纳米粒子集合体。本实施例对于可能以临时方式将本发明的目标装置添加到导管（例如体内导管）上的情况尤其有利。

有利的是，柔性衬底适于被连接到导管，以使纳米粒子集合体处在所述柔性衬底和导管的壁之间的界面处。这种结构尤其允许将纳米粒子集合体作为压力传感器检测对象，柔性衬底对于流体的流动状态只有很小的影响。

根据本发明的目标装置的实施例，在柔性衬底和导管之间机械连接的部件包括环，可以通过接合部打开环以将导管插入到环中，在柔性衬底上形成环的接合部。该实施例使得能够提出夹接形式的测量装置，夹的分支为易于操作的刚性结构，由于接合部的柔韧性，分支的刚性不影响导管的响应，这允许可以对在导管中输送的流体的压力变化，尤其是时间上的变化进行精细测量。

有利的是，纳米粒子由金构成，柔性衬底由生物可吸收材料构成。因此，本发明的目标装置可以布置在体内导管上，并且会自然消除。

根据本发明的目标装置的特定实施例，纳米粒子集合体的测得的电特性是集合体的电容。因此，对电特性变化的测量，由此对导管输送的流体的压力的测量可以尤其通过谐振电路以非接触和远程方式实现，而无需通过线连接将装置连接到电路。本实施例对于在将本发明的目标装置用于在体内导管中输送的流体的压力的测量时尤其有利。

本发明还涉及一种用于输送流体的仪表化导管，其包括根据上述任何一个实施例的装置。

根据本发明的目标导管的实施例，测量装置被连接到导管的壁上，所述导管构成检测对象。该实施例尤其适于测量在体外回路中循环的流体的压力。仪表化导管可以被容易地放入回路中。

根据与前面实施例相符合的另一实施例，压力测量装置被连接到导管的内壁与被输送的流体接触。这种实施例对于将压力测量装置的纳米粒子集合体直接被用作检测对象的情况尤其有利。在这种情况下，仪表化导管可以提供关于流动中压力分布的相当精确的信息，并且能推断出在流体流动状态下关于流体特性的信息。

将在本发明的优选但绝非限定性的实施例框架下和附图1至6中更确切地描述本发明，在附图中：

-图1表示构成根据本发明的目标装置的一个实施例的一部分的基本传感器的俯视透视图；

-图2的截面图示出根据本发明的目标装置的一个实施例的基本传感器的工作原理，基本传感器对大致平行于纳米粒子层堆积方向的外力灵敏，图2A中基本传感器不受外力作用，图2B的情况下基本传感器受到机械外力作用；

-图3的端部截面图示出在导管上应用本发明的目标装置的两个变型，图3A中装置在导管内壁上，图3B中装置在导管外壁上；

-图4的俯视透视图示出被称为连续型的基本传感器的运转；

-图5是使用图4所示的连续型基本传感器的端部截面的示例示图，为实现根据本发明实施例的装置，在图5A中连续型基本传感器安装在导管的内部，在图5B中安装在导管的外部；

-图6按照端部截面图表示使用带有接合部区域的环的本发明的目标装置的实施例；以及

-图7是根据本发明实施例的仪表化导管的实施例的端部透视图。

根据一个实施例，在图1中本发明的目标测量装置包括基本传感器（100），基本传感器（100）包括第一电极（101）和第二电极（102），以及通过电绝缘的配位体（未标出）结合的导电或半导电纳米粒子集合体（110）。根据该实施例，所述集合体包括沿堆积方向（Z）堆积的至少两层纳米粒子（110）。两个电极（101，102）与纳米粒子集合体电接触。测量部件（120）可以测量纳米粒子集合体的电特性，例如它的电阻。两个电极和纳米粒子集合体组成的整体被布置于衬底（130）上，并且有利的是被绝缘薄膜（未标出）覆盖。对于相同的形变，这种基本传感器至少有传统的称为惠斯登的桥接压阻式应变计100倍灵敏。纳米粒子（110）的大小可介于2·10^-9米或几纳米之间，并且可能达到50微米，以使基本传感器的厚度相当小，根据纳米粒子的大小和堆积层的数量，传感器厚度至多为0.2毫米的程度，但可减小到0.02微米（10^-6米）。

图2A是无外力时的截面图，基本传感器的集合体的纳米粒子按密集的堆排列。在图2B中，当机械外力（200）作用于纳米粒子集合体时，集合体的所有或部分纳米粒子（110）之间的距离被改变，这改变了所述集合体的电特性。因此测量对距离灵敏的电特性可以确定机械外力的强度。机械外力可以是施加于本发明的目标装置的力，压力或形变，其可以直接给目标装置，也可以通过检测对象施加。衬底（130）被称为柔性的，这是因为当集合体直接受外力作用时衬底并不阻止纳米粒子之间距离的改变。

在图3中，根据本发明的目标装置的实施例，目标装置包括一个或多个基本传感器（100），每个基本传感器包括纳米粒子集合体，基本传感器分布在导管（300）的周缘上，导管内部输送流体。每一个基本传感器根据图2所示的原理工作，也就是说，基本传感器对与集合体的纳米粒子的堆积方向大致平行的施加的机械外力灵敏。

在图3A中，根据一个实施例，基本传感器（100）被布置于导管（300）的内部，与被输送的流体接触。因此，每一个传感器直接测量施加在自身所处位置处的压力。基本传感器（100）厚度很小，其存在不妨碍流体的流动。

在图3B中，根据另一实施例，基本传感器（100）被布置于导管（300）的外部，在所述导管的壁和衬底（130）之间，衬底的形状与导管的形状大致相似。基本传感器的高灵敏度允许使用刚性基本上与壁的刚性相等的衬底（130），并且衬底的存在不会显著地改变导管中流体的流动状态。

柔性衬底（130）还允许将基本传感器连接到导管（300）的壁上，传感器被布置在导管的内部或外部。根据第一实施例，柔性衬底本质上是弹性的，与导管（300）的连接通过夹接方式实现，通过衬底的膨胀使衬底与导管（300）的外部相连，或者收缩以使衬底与导管（300）的内部相连。此外，柔性衬底表现出足够小的刚性以便缠绕在导管周围。在后一种情况中，粘贴可实现完好的连接。

在图4中，根据基本传感器的另一实施例，所述连续型基本传感器（400）包括布置于衬底（130）上的与纳米粒子集合体接触的多个第一电极（401）和第二电极（402）。当纳米粒子集合体受到外力系统（410,410’）的外力时，测量纳米粒子集合体的电特性的变化，并根据这两组之间可能的不同电极（401,402）组合执行一系列使电极两两关联的测量，能够确定电特性关于集合体整个表面的变化曲线（451,452），随后，根据电特性的变化，推断出关于外力系统（410,410’）的信息。

在图5中，连续型基本传感器（400）可以设置在导管（300）的内部，如图5A所示，或者在导管的外部，如图5B所示，以获得被输送的流体的压力图。在图5A中，根据一个实施例，连续型基本传感器（400）被直接布置在导管内壁上，所述导管由柔性材料构成，起衬底的作用。可以通过毛细管对流沉积技术或缓冲软光刻技术（des techniques delithographie douce par tampoonage）实现这样的布置。根据实施例，可以在适于形成导管的圆坯件上平放实现这样的布置，所述圆坯件随后被卷起来并被接合以实现所述导管。另外，传感器可以通过软光刻或毛细管对流沉积布置在已经卷起的导管壁上，其被卷起是为了使导管的内壁暴露在外面。

在图5B中，根据另一实施例，连续型基本传感器（400）被布置在与导管形状相似的衬底（130）上，然后被布置成与导管（300）的外壁接触。该实施例对于将传感器布置在不能打开的导管（例如，诸如血管的体内导管）上尤其有用。这样的传感器也可以通过夹接布置在体内导管上，对导管无创伤。连续型基本传感器（400）的高灵敏度允许使用柔软和薄的衬底（130），这种衬底不妨碍流动，并且可以留在体内而不会引起不适。

对于这样的体内应用，有利的是衬底可以由生物可吸收材料组成，例如，乳酸聚合物或其它生物可吸收聚合物。纳米粒子有利地由金构成，并以容易由有机体清除的胶态的形式布置。这种类型的纳米粒子，加上无毒的配位体和生物可吸收的衬底，传感器（100，400）的整体在达到规定时间后很容易被有机体清除。这样的传感器也可以被布置在体内导管上来实现确定时间段内的测量，测量时不会引起患者不适，并且传感器可以自然地消除而无需手术取出。

在图6中，根据一种实施方式的变型，本发明的目标装置包括检测对象（630），检测对象（630）适于以夹接方式布置在导管（300）上。这种检测对象（630）包括可形变的接合部区域（631），它被用作包括纳米粒子集合体的基本传感器（600）的衬底。检测对象实际上是接合部，即特别柔软的区域，基本传感器（600）测量该区域的形变。对于这种类型的应用，需要单层纳米粒子，传感器（600）因此可以非常薄。接合部区域（631）外的传感器的刚性能够使操作容易，例如，对导管（尤其是体内导管）的多个点连续地进行测量。置于接合部（631）上的基本传感器在操作中被保护而不会劣化。

在图2到图6中，为了便于表示，没有示出基本传感器与测量部件（120）之间的线连接。这些连接至少部分地可以通过光刻技术或尤其使用导电性油墨的微米或纳米印刷技术将连接置于衬底上而在衬底上实现。

根据特定实施例，所测量的纳米粒子集合体的电特性是该集合体的电容。每对被电绝缘的配位体分隔开的导电纳米粒子构成一个纳米电容器，纳米电容器的电容尤其是所述纳米粒子之间距离的函数。电极（101,102）之间电容的变化通过集合体的纳米粒子之间的所有电容的串联/并联确定。这种配置提供了通过现有技术中熟知的射频领域的协议进行远程读取测量的可能性。因此，与传感器的任何有线连接不是必需的，这对于所述传感器在体内应用的情况尤其有利，利用这个特点，并结合装置的生物可吸收的能力，就可以在体内导管上植入与本发明实施例相符的一个或多个装置，以便在不引起患者不适情况下实现测量以及在给定时段内对测量的监测。

在图7中，本发明还涉及一种其上装配有多个基本传感器的仪表化导管（700）。这些基本传感器可以安装在导管（710）的内壁上或导管的外壁上。基本传感器（710，720，730）可以是上面所述的本发明的目标测量装置的实施例中的任何一种。以举例说明而非限制性的方式，所述仪表化导管（700）可以在其内侧包括对压力灵敏的一个或多个直接基本传感器（710）。其可以在外壁上包括对导管的纵向形变灵敏的一个或多个一个或多个基本传感器（730），以及对仪表化导管（700）的径向或周向形变灵敏的一个或多个基本传感器。根据所述实施例，基本传感器（710，720，730）适合导管的特点并被结合以便提供关于流体流动状态或流体特性的精确的筛选过的信息。因此，仪表化导管可以插入回路中来提供信息。仪表化导管（700）有利地由生物可吸收材料构成，它与包含纳米粒子和合适配位体的基本传感器（710，720，730）相结合，可以将仪表化导管插入到体内的循环回路中，而且其会被自然清除。

上面的描述清楚地表明，通过它们的不同特点和优点，本发明达到了预定目标。特别地，它可以测量导管上尤其是体内流体循环导管上的压力的空间分布和时间分布。本发明的目标传感器不需要在导管上钻孔来测量导管的内部压力，从而避免了任何在压力测量时连续输送的流体渗出的风险。

Claims (9)

1.一种用于测量在导管(300，700)中输送的流体的压力的装置(100，600，710，720，730)，包括：

a.第一电极(101)；

b.第二电极(102)；

c.与所述两个电极接触的导电或半导电纳米粒子(110)集合体；

d.测量装置(120)，其提供与所述纳米粒子集合体的电特性成比例的信息，所述电特性是在所述第一电极(101)和所述第二电极(102)之间测量的，所述电特性对集合体的纳米粒子(110)之间的距离灵敏；

e.其特征在于，所述纳米粒子(110)集合体与柔性衬底(130)机械接合，并且与在所述导管中输送的流体机械接触，从而使所述集合体的纳米粒子之间的距离按照流体压力的变化而改变。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，包括用于将所述柔性衬底(130)机械地连接到输送流体的所述导管(300)的壁上的部件(630)，所述柔性衬底(130)上布置有所述纳米粒子集合体。

3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述柔性衬底(130)适于被连接在所述导管(300)上，使得所述纳米粒子集合体处在所述柔性衬底(130)和所述导管(300)的壁之间的界面处。

4.如权利要求2所述的装置，其特征在于，在所述柔性衬底和所述导管之间机械连接的所述部件包括环(630)，通过接合部(631)打开所述环以将所述导管(300)插入所述环中，所述柔性衬底(130)形成所述环的接合部的一部分。

5.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述纳米粒子(110)由金构成，所述柔性衬底(130)由生物可吸收材料构成。

6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述电特性是所述纳米粒子集合体的电容。

7.一种用于输送流体的仪表化导管(700)，其特征在于，包括如权利要求1所述的用于测量在导管中输送的流体的压力的装置。

8.如权利要求7所述的导管，其特征在于，所述用于测量在导管中输送的流体的压力的装置(710，720，730)与所述导管的壁连接，所述导管形成检测对象。

9.如权利要求7所述的导管，其特征在于，所述用于测量在导管中输送的流体的压力的装置(710)连接至所述导管的内壁与被输送的流体接触。