CN108882859A - 用于制造承载装置的方法、承载装置、用于检测物理参数的系统和用于检测物理参数的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于制造承载装置的方法、承载装置、以及用于检测至少一个物理参数和/或化学成分的系统和方法。提出了用于制造用于容纳至少一个传感器的承载装置的方法，其中提供具有待涂覆表面的容纳主体。在容纳主体中，提供在该表面的一侧上开放的空间。提供具有密封表面的第二主体。该密封表面定位成使得容纳主体的待涂覆表面至少在容纳主体中的空间的周边中由第二主体密封。在空间中提供可成形或可模制的填充材料，使得填充材料形成与第二主体的密封表面互补成形的表面，以封闭空间。至少使填充材料的接触第二主体的密封表面的部分凝固。将第二主体的密封表面从待涂覆表面以及从由填充材料提供的表面移除。涂覆待涂覆表面，使得提供膜，以密封空间。

Description

用于制造承载装置的方法、承载装置、用于检测物理参数的系 统和用于检测物理参数的方法

本发明涉及用于制造用于容纳至少一个传感器的承载装置的方法、用于容纳至少一个传感器的承载装置、用于检测和/或测量介质的至少一个物理参数和/或化学成分的系统，以及用于检测和/或测量介质的至少一个物理参数和/或化学成分的方法。

将传感器实施到中空空间中或者在中空空间中存在这种装置对流过中空空间的流体产生影响。从外部测量外壳通常被外壳的性质(例如，厚的、刚性的或不透明的壁)阻止。作为说明，在管子或管道内流动的流体的压力的测量通常需要插入线导传感器或将传感器设置在侧壁内的空间中。这些技术的缺点是多方面的。根据流体条件，增加的几何特征可能局部地改变测量压力，使得它不再表示所寻求的量。通常具有电子性质的传感器可能需要复杂的包装以保护其免受流体的影响。另一方面，在处理敏感流体(例如医学或生物学性质的流体，例如血液)的情况下，以传感器的形式包含尖锐边缘或障碍物可能损害流体，使得完全不可能进行合理的测量。

传感器已知能够直接插入中空空间中包含的流体中。传感器可以是无线装置，如US20140296740A1中所述，或者经由导线连接，如US5902248A中所示。此外，已知将传感器定位在主体外部，该主体包围在传感器和流体之间具有传统方式加工的膜的中空空间，如US6367333B1中所示。

传感器插入流体中可能改变测量条件或损害敏感流体。由于已知的制造方法，已知的膜限于厚和/或平面几何结构。

具体的技术问题是将压力传感器包括在人工心脏泵(例如左心室辅助装置)中，其支持或替代患有充血性心力衰竭的患者的心脏功能。在这种装置中，所获得的压力信号可用于监视患者的状态和/或控制左心室辅助装置的泵速。通常，左心室辅助装置设计成具有尽可能光滑且连续的血液接触表面。避免形成小脊和间隙已证明在抑制血液凝固和溶血方面是至关重要。压力传感器难以避免这些特征，因为它们需要某种形式的对血液的生物相容性机械耦合。直接引入流体的传感器不合适。除了压力之外，其他流体性能，像温度或化学成分(例如血液的氧饱和度)，或操作条件，像障碍物的沉降和形成也是令人感兴趣的。上述示例都需要在中空空间的内部和传感器之间的某种形式的物理耦合(例如机械的、热的或光学的)。为了所期望的测量的准确性、灵敏度和稳健性，根据应用，耦合的厚度应最小化，优选地至微米范围(<10μm)或更小。

本发明要解决的问题是提供用于制造用于传感器的承载装置的方法、用于传感器的承载装置、在不损害流体的情况下允许检测物理参数和/或化学成分的系统和方法。

该问题通过以下主题来解决：如权利要求1所述的用于制造承载装置的方法，该承载装置用于容纳至少一个传感器；以及如权利要求8、12和15所述的用于容纳至少一个传感器的承载装置、用于检测和/或测量介质的至少一个物理参数和/或化学成分的系统和用于检测和/或测量介质的至少一个物理参数和/或化学成分的方法。从属权利要求2～7、9～11、13和14要求保护本发明的特定实施例。

根据本发明的第一方面，提出了一种用于制造用于容纳至少一个传感器的承载装置的方法，其中，提供了具有待涂覆表面的容纳主体。在容纳主体中，提供了在该表面的一侧上开放的空间。提供具有密封表面的第二主体。第二主体可以特别是提供密封表面的固体主体或充气或可充气的装置。术语“密封”指在第二主体的密封表面的情况下对液体和糊状材料的不可渗透性。该密封表面定位成使得容纳主体的待涂覆表面至少在容纳主体中的空间的周边中由第二主体密封。因此，第二主体的密封表面的形状适于与容纳主体的待涂覆表面互补。可成形或可模制的填充材料提供在空间中，使得填充材料形成与第二主体的密封表面互补成形的表面，以封闭空间。至少使填充材料的与第二主体的密封表面接触的部分凝固。根据所使用的填充材料，凝固步骤可以隐含在提供填充材料的步骤中。也就是说，如果填充材料是例如可成形材料(例如蜡)，在将填充材料填充到空间中之后，填充材料可以在第二主体的密封表面上提供固体表面而无需另外的凝固步骤。将第二主体的密封表面从待涂覆表面以及从由填充材料提供的表面移除。涂覆待涂覆表面，使得提供膜，以密封空间。在描述的步骤之后，将膜悬置在能够是传感器凹部的空间上。涂料可以特别地通过化学气相沉积(CVD)、原子层沉积(ALD)、浸涂或其他合适的工艺来施加。

在本发明的一个实施例中，在涂覆过程之后至少部分地移除填充材料。特别是，可以将其完全移除。然而，由于传感器可以嵌入填充材料中，因此仅移除填充材料的部分可能就足够了。可替代地，填充材料可以完全保留在容纳主体中的空间中。特别地，通过溶解和/或熔化来移除填充材料，例如通过在高温下浸入去离子水浴中或通过酸或碱溶液溶解。

在本发明的一个实施例中，容纳主体包围内表面将被涂覆的中空空间，特别是中空圆筒。

容纳主体中的空间可以通过连续开口实现。它可以通过钻孔、拉削、电化学加工(ECM)和/或其他技术来制造。

在本发明的另一实施例中，由于容纳主体和第二主体中的至少一个的温度变化以及相应主体的相应膨胀或收缩过程，和/或由于使第二主体或其部分胀大，通过将第二主体的密封表面压靠到待涂覆表面来定位第二主体的密封表面。在包围中空空间的容纳主体的情况下，第二主体可以是芯元件，其横截面基本上具有与容纳主体的中空空间的横截面相同的形状和大小。可以使用不同的热膨胀或收缩过程，以将芯元件定位和互锁在由容纳主体限定的中空空间内，以利用第二主体的密封表面来将其密封。至少在容纳主体中的空间的周边中，芯元件的外表面与容纳主体的内表面形成紧密密封。

在一个实施例中，第二主体的材料具有比容纳主体的材料更高的热膨胀系数(CTE)。将芯元件插入中空空间中。至少将插入的芯加热到(称为互锁温度的)高温，使得由于热膨胀，芯元件在中空空间中互锁。

在另一实施例中，加热芯元件和容纳主体以实现互锁，其中由于不同的热膨胀系数，芯元件在中空空间中互锁。

可替代地，在将芯元件插入中空空间中之前，冷却芯元件或包括芯元件的容纳主体。然后，在再将相应主体再次加热到例如室温期间发生互锁。该实施例的优点在于还能够利用不同的热膨胀系数，并且能够降低对加工公差的要求。此外，能够在不加热到室温以上的情况下实现互锁。

在另一实施例中，芯元件的材料的热膨胀系数低于容纳主体的热膨胀系数。在这种情况下，冷却具有或不具有芯元件的容纳主体以实现互锁。

可替代地，在将芯元件插入中空空间之前，加热容纳主体或容纳主体和芯元件两者。在这种情况下，在冷却相应主体期间发生互锁。

在另一实施例中，在插入第二主体之前加热容纳主体。在这种情况下，当冷却时，通过容纳主体的热收缩实现互锁。

在又一实施例中，第二主体可以是中空的、弹性的、球状的可胀大装置，其通过将压力施加到该装置的内部上和/或通过将流体引入该装置的内部中而胀大，以便密封待涂覆表面。在胀大之前，所述球状装置的尺寸可以显著小于中空空间的尺寸，这使得能够到达由于其几何结构而难以接近的中空空间。此外，互锁变得与温度无关，因此填充材料的材料可以有更多种选择。

然而，本发明不限于所提到的实施例中的仅一个，容纳主体的收缩过程可以与胀大装置的胀大相结合，以便将第二主体的密封表面压靠到待涂覆表面。

在简单的实施例中，第二主体的密封表面可以压靠到待涂覆表面，使得在容纳主体和第二主体之间实现密封效果。

在定位第二主体之前，可以在容纳主体和/或第二主体上实现或施加附加的涂层或试剂，以便于将密封表面定位在待涂覆表面上，在中空圆筒的情况下，以便于插入和移除芯元件。

此外，在涂覆之前，可以将促进粘合的涂层施加到容纳主体上以更好地粘合膜。此外，膜上的涂层和/或沉积物可以增强或实现附加的感测功能或提高结构稳健性。

特别地，填充材料以液体或糊状状态插入容纳主体中的空间中，并且通过冷却或加热和/或硬化而至少部分地(即在待涂覆表面的一侧处)凝固。也就是说，填充材料可以是液体、糊状或粉末状介质，其通过冷却、加热或硬化而至少部分地凝固。特别地，填充材料是热塑性或热固性有机物质或有机物质的热塑性或热固性混合物，例如，冷却到其熔点以下的蜡。所述蜡被布置到容纳主体中的空间中并硬化，同时容纳主体和芯元件仍然互锁，在容纳主体的待涂覆表面中形成与待涂覆表面齐平的蜡表面。

在另一实施例中，填充材料可以是热固性材料，例如固化的合成树脂。可以通过加热、辐射或添加化学品和/或湿气来引发、加速和/或增强固化。

在另一实施例中，通过由于第二主体的温度减小和/或第二主体中的压力减小而导致的第二主体的收缩，将第二主体的密封表面从待涂覆表面以及从由填充材料提供的表面移除。也就是说，通过在提供第二主体的可胀大装置中包含的流体的压力或体积的减小和/或热收缩，来减小第二主体的体积或横截面。

本发明的第二方面描述了一种用于容纳至少一个传感器的承载装置，包括容纳主体，该容纳主体具有在容纳主体中提供的空间，其中，所述空间适于容纳至少一个传感器。所述空间在容纳主体的表面上开放。承载装置还包括膜，该膜至少部分地密封容纳主体的所述表面并封闭表面中的空间的开口。

特别地，利用根据本发明第一方面的方法和/或所描述的实施例中的至少一个来制造承载装置。

一个优点是对悬置在根据本发明的空间上的任意成形的膜的无缝集成。可以是形成中空空间的外壳(例如管子、管道等)的承载装置可以以任何适用的方式利用任何材料制造。

在一个实施例中，膜定位成使其与容纳主体的待涂覆表面齐平。特别地，膜厚度小于10μm。膜能够由任何与传感器的测量原理不冲突的材料制成，并且能够作为保形膜涂覆到待涂覆表面上。例如，如果要测量分析物的压力，则材料的杨氏模量需要足够低以允许膜片的足够偏转，使得压力可以传输到传感器。

在另一实施例中，膜基本上覆盖提供容纳主体的空间的开口的整个表面。也就是说，膜可以完全覆盖提供容纳主体的空间的开口的整个表面。

特别地，膜材料是聚对二甲苯(Parylene)。聚对二甲苯是生物相容的，使得介质可以具有生物学性质(例如血液)。

本发明的第三方面描述了一种用于检测和/或测量介质的(特别是流体的)至少一个物理参数和/或化学成分的系统，包括根据本发明的第二方面或所描述实施例中的至少一个的用于容纳至少一个传感器的承载装置，和定位在承载装置的容纳主体的空间中的至少一个传感器。特别地，传感器固定在开口中。

特别地，当用于检测和/或测量的系统的承载装置的容纳主体提供中空空间时，液体或气体形式的介质可以通过中空空间来传导，并且，可以测量介质的至少一个物理参数和/或化学成分，例如速度或压力。

检测和/或测量化学成分可以包括用于检测或测量化学元素和/或化合物的定性和/或定量方法。也就是说，例如，可以使用定性方法检测物质的存在，或者可以使用定量方法测量血氧浓度。

在一个实施例中，可以将用于检测和/或测量的系统应用到主体上以能够测量例如频率等参数，例如心率。

传感器可以嵌入在容纳主体中的空间中包含的填充材料中。

在另一实施例中，传感器和膜彼此相距一定距离。传感器和膜之间的距离可以至少部分地填充有耦合介质，该耦合介质能够传输物理参数，例如压力、振荡等。膜薄且柔软，使得其恢复力不会显著阻碍传感器的准确度或灵敏度。特别地，可以使用硅油。

可替代地，传感器直接接触膜。

所要求保护的系统可以示例性地用于压力测量。在这种情况下，传感器可以例如实现为压阻式微机电系统压力传感器，其定位到承载装置中的空间中。

本发明的第四方面描述了一种用于检测和/或测量介质的(特别是流体的)至少一个物理参数和/或化学成分的方法，其中，提供根据本发明的一种用于检测和/或测量的系统。另外，提供了介质，该介质的至少一个物理参数和/或化学成分是待检测和/或测量的。将介质相对于用于检测和/或测量的系统定位，使得能够借助于传感器检测和/或测量介质的至少一个物理参数和/或化学成分。随后，检测和/或测量介质的至少一个物理参数和/或化学成分。同样在该方面中，当用于检测和/或测量的系统的承载装置的容纳主体提供中空空间时，液体或气体形式的介质可以通过中空空间来传导，并且，可以测量介质的至少一个物理参数和/或化学成分，例如速度或压力。

在该方面的另一实施例中，可以将用于检测和/或测量的系统应用到主体上，以测量例如振荡频率等参数，例如心率。

本发明的主要优点是制造一种系统，该系统允许无扰动地测量流体性能和操作条件。可能的膜几何结构和性能不限制将其用于单一类型的测量(例如压力)。可以选择膜材料和制造过程，使得可实现生物相容性。

关于左心室辅助装置或血液接触医疗装置中的测量的示例，本发明避免了生理副作用，像血液凝固和溶血；它避免了传感器功能特性的漂移。

本发明不限于本文所描述的替代方案。此外，可以组合本发明的所有描述的实施例和替代方案。

通过以下附图进一步图示和表征本发明，附图示出了可以从中得出进一步的实施例和优点的特定示例。这些图旨在图示本发明，但不限制其范围。

图1a)—d)示出了根据本发明的方法的程序步骤。

图2示出了左心室辅助装置的流入套管的透视图。

图1a)示出了承载装置1的横截面。容纳主体10实现为中空圆筒16，因此至少在所呈现的区域中，承载装置1具有管状横截面。在该示例中，容纳主体10可以是由钢或钛制成的。空间14实现为钻孔形式的连续开口141，其外部分具有比内部分更大的直径。空间14的大小由待插入连续开口141中的传感器40的大小预先确定。

待涂覆表面12位于中空圆筒16的内侧上。也就是说，在该示例中，中空圆筒16的整个内表面将被涂覆。第二主体20定位在中空圆筒16内。它包括在外侧上的密封表面22，其与容纳主体10的待涂覆表面12密封接触。

在该示例中，第二主体由具有比第一主体的材料更高的热膨胀系数的材料制成。在室温下进行对第二主体20的插入。两个主体都制造成使得可以在室温下插入的公差。随后，将包括容纳主体10和第二主体20的整个组件加热到更高的温度，称为互锁温度，以实现第二主体20和容纳主体10的互锁。以使得密封待涂覆表面12的方式实现互锁。

图1b)示出了在容纳主体10的空间14中布置有填充材料30的相同横截面。当温度仍然等于或高于互锁温度时，第二主体20仍然与容纳主体10互锁。

该示例中，填充材料30是具有比互锁温度更高的熔点的蜡。其被填充在空间14内，并通过冷却至低于其熔点的温度但高于互锁温度而凝固。凝固的填充材料30形成与第二主体20的密封表面22互补成形的表面。

图1c)示出了移除了第二主体20并且待涂覆表面12覆盖有膜50的相同横截面。

将包括容纳主体10、第二主体20和凝固的填充材料30的整个组件冷却至低于互锁温度的温度。随后，移除第二主体20。在室温涂覆过程中，将由聚对二甲苯组成的膜50沉积到容纳主体10的待涂覆表面12上。也就是说，在该示例中，中空圆筒16的整个内表面涂覆有厚度小于10μm的聚对二甲苯膜50。

图1d)示出了移除了填充材料30的相同横截面。膜50将容纳主体10的空间14(即连续开口141)与中空圆筒16分开。现在容纳主体10准备好容纳待插入连续开口141中的传感器40。由于膜50覆盖容纳主体10的整个内表面，因此膜50的表面是光滑的。中空圆筒16中没有可能损害或干扰流过所述中空圆筒16的介质60的障碍物。此外，传感器40能够通过薄且透明的聚对二甲苯膜50执行准确且稳健的测量。

图2示出了作为容纳主体的左心室辅助装置的流入套管101。膜50位于形成中空圆筒16的容纳主体10的内表面上。传感器40定位在空间14中。膜50覆盖中空圆筒16，中空圆筒16由左心室辅助装置的流入套管101提供，并将包含传感器40的空间14与流过所述流入套管101的介质60分开。该示例示出了插入的传感器40，其能够通过薄且透明的聚对二甲苯膜50执行准确且稳健的测量。此外，同样在该示例中，膜50覆盖容纳主体10的整个内表面，中空圆筒16中不存在可能损害或干扰流过左心室辅助装置的流入套管101的介质60的障碍物。该示例使得能够测量血压，并且因此允许监视患者的状态并且用于控制左心室辅助装置的泵速。

参考标号列表

1 承载装置

10 容纳主体

12 待涂覆表面

14 空间

16 中空圆筒

20 第二主体

22 密封表面

30 填充材料

40 传感器

50 膜

60 介质

101 左心室辅助装置流入套管

141 连续开口

Claims (15)

1.一种用于制造承载装置(1)的方法，所述承载装置(1)用于容纳至少一个传感器(40)，所述方法包括以下步骤：

-提供容纳主体(10)，该容纳主体(10)具有待涂覆表面(12)和在该表面的一侧上开放的空间(14)，

-提供具有密封表面(22)的第二主体(20)，并且定位第二主体(20)的密封表面(22)，使得容纳主体(10)的待涂覆表面(12)至少在容纳主体中的空间(14)的周边中由第二主体(20)密封，

-在所述空间(14)中提供可成形或可模制的填充材料(30)，使得填充材料(30)形成与第二主体(20)的密封表面(22)互补成形的表面，以封闭所述空间(14)，

-至少使填充材料(30)的与第二主体(20)的密封表面(22)接触的部分凝固，

-将第二主体(20)的密封表面(22)从待涂覆表面(12)以及从由填充材料(30)提供的表面移除，

-涂覆待涂覆表面(12)，使得提供膜(50)以密封所述空间(14)。

2.根据权利要求1所述的用于制造承载装置(1)的方法，其中，在涂覆过程之后，至少部分地移除填充材料(30)。

3.根据权利要求1和2中至少一项所述的用于制造承载装置(1)的方法，其中，容纳主体(10)包围中空空间，特别是中空圆筒(16)。

4.根据权利要求1到3中至少一项所述的用于制造承载装置(1)的方法，其中，容纳主体中的空间(14)由连续开口(141)实现。

5.根据权利要求3和4中至少一项所述的用于制造承载装置(1)的方法，其中，由于容纳主体(10)和第二主体(20)中的至少一个的温度变化以及相应主体的相应膨胀或收缩过程，和/或由于使第二主体(20)或其部分胀大，通过将第二主体(20)的密封表面(22)压靠到待涂覆表面(12)来定位第二主体(20)的密封表面(22)。

6.根据权利要求1到5中至少一项所述的用于制造承载装置(1)的方法，其中，填充材料(30)以液体或糊状状态添加到容纳主体(10)中的空间(14)中，并且通过冷却或加热和/或固化而至少部分地凝固。

7.根据权利要求1到6中至少一项所述的用于制造承载装置(1)的方法，其中，通过由于第二主体(20)的温度减小和/或第二主体(20)中的压力减小而导致的第二主体(20)的收缩，将第二主体(20)的密封表面(22)从待涂覆表面(12)以及从由填充材料(30)提供的表面移除。

8.一种用于容纳至少一个传感器(40)的承载装置(1)，优选地利用根据权利要求1到7中至少一项所述的方法来制造，所述承载装置(1)包括容纳主体(10)，在该容纳主体(10)中提供有空间(14)，其中，所述空间(14)适于容纳至少一个传感器(40)，所述空间在容纳主体(10)的表面(12)上开放，并且其中，承载装置(1)包括膜(50)，所述膜(50)至少部分地密封容纳主体(10)的所述表面(12)并且封闭表面(12)中的空间(14)的开口。

9.根据权利要求8所述的用于容纳至少一个传感器(40)的承载装置(1)，其中，膜厚度小于10微米。

10.根据权利要求8和9中至少一项所述的用于容纳至少一个传感器(40)的承载装置(1)，其中，膜(50)基本上覆盖提供容纳主体(10)的空间(14)的开口的整个表面(12)。

11.根据权利要求8到10中至少一项所述的用于容纳至少一个传感器(40)的承载装置(1)，其中，膜材料是聚对二甲苯。

12.一种用于检测和/或测量介质(60)的至少一个物理参数和/或化学成分的系统，所述介质(60)特别是流体，所述系统包括根据权利要求8到11中至少一项所述的用于容纳至少一个传感器(40)的承载装置(1)，和定位在承载装置(1)的容纳主体(10)的空间(14)中的至少一个传感器(40)。

13.根据权利要求12所述的用于检测和/或测量的系统，其中，传感器(40)嵌入在容纳主体(10)中的空间(14)中包含的填充材料(30)中。

14.根据权利要求12或13之一所述的用于检测和/或测量的系统，其中，

i)传感器(40)和膜(50)彼此相距一定距离，或

ii)传感器(40)直接接触膜(50)。

15.一种用于检测和/或测量介质(60)的至少一个物理参数和/或化学成分的方法，所述介质(60)特别是流体，其中，所述方法至少包括以下步骤：

i)提供根据权利要求12至14中至少一项所述的用于检测和/或测量的系统；

ii)提供介质(60)，该介质的至少一个物理参数和/或化学成分是待检测和/或测量的；

iii)将介质(60)相对于用于检测和/或测量的系统定位，使得能够借助于传感器(40)检测介质(60)的至少一个物理参数和/或化学成分；以及，

iv)检测和/或测量介质(60)的至少一个物理参数和/或化学成分。