CN112353484B - 一种柔性微传感器系统、可延展柔性器件及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种柔性微传感器系统、可延展柔性器件及制备方法，微传感器系统包括：设置于冷冻消融球囊表面的电极点，用于原位标测患者心电信号和两点间阻抗值以反映组织消融程度；设置于冷冻消融球囊表面的温度传感器，用以测量冷冻消融球囊和组织接触位置的温度；应变传感器，用于测量冷冻消融球囊整体的膨胀程度，以消除温度传感器在冷冻消融球囊表面上由于应变产生的电阻值。本发明基于冷冻消融球囊表面的可靠的、易加工、多功能微传感器系统，且具有柔性和可延展性，该系统结构对植入医疗器件领域具有非常重要的意义。

Description

一种柔性微传感器系统、可延展柔性器件及制备方法
技术领域
本发明涉及MEMS器件设计和加工领域，具体地，涉及一种用于冷冻消融球囊表面的可延展柔性微传感器系统、以及可延展柔性器件及器件的制备方法。
背景技术
心律失常可突然发作而致猝死，亦可持续累及心脏而致其衰竭。心房颤动(atrialfibrillation,AF)是最常见的心律失常之一，根据《中国心血管报告2017》，心动过速的比率逐年增长，治疗心房颤动的导管消融手术量自2010年后持续迅猛增长，年增长率13.5％～17.5％。治疗心律失常主要有药物治疗、电复律、外壳迷宫手术和房颤消融术几种手段，其中房颤消融术由于治疗有效、复发率低等原因被广泛应用，而冷冻消融由于产生消融效率高、炎症少、疼痛小等优点近年被广泛推广。
目前市场上推出过的冷冻消融导管已经有两代产品，但是他们的结构都只是双层的冷冻消融球囊配有可抽拉的标测电极，中间设有热电偶以推算组织温度。首先，该冷冻消融导管不可以原位标测，标测电极和消融位置仍然存在相对较大的距离；其次，由于热电偶位于冷冻消融球囊内，需通过理论和经验推算初消融点温度，所以该方法不能准确的反馈出消融位置的组织温度，不能确定组织消融的完成度；最后，目前的冷冻消融球囊除热电偶外，没有配有其他任何手段用以检测或者反馈冷冻消融手术过程中的组织冷冻消融完成度。
例如：经检索发现，申请号为201480066683.9的中国专利，公开了一种用来监测肺静脉消融和阻塞的远端球囊阻抗和温度记录。冷冻消融装置，该装置包括：耦接至该装置的远端部分的球囊；在该球囊远端并且邻近该球囊的第一电极；与该球囊流体连通的冷冻剂源；以及包括处理器的控制台，该处理器被编程为：从该第一电极记录第一组阻抗测量值；从该第一电极记录第二组阻抗测量值；使用该第一组阻抗测量值确定第一阻抗斜率；使用该第二组阻抗测量值确定第二阻抗斜率；比较该第一阻抗斜率与第一参考斜率；比较该第二阻抗斜率与第二参考斜率；基于该第一阻抗斜率与该第一参考斜率的比较和该第二阻抗斜率与该第二参考斜率的比较，来确定该冷冻消融装置是否正在肺静脉口中产生永久损伤。该专利通过球囊两端两个圆环电极测量阻抗，通过阻抗曲率判断球囊是否完全阻塞；在电极处设置热电偶以测量温度，其存在无法原位标测，标测电极和消融位置仍然存在相对较大的距离。
基于以上观点，一种基于冷冻消融球囊的、辅助冷冻消融手术的可延展柔性多功能传感器及其加工工艺急需被设计及制造，该结构对介入式医疗和冷冻消融手术领域具有非常重要的意义。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种柔性微传感器系统、可延展柔性器件及制备方法。
本发明第一个方面为提供一种用于冷冻消融球囊表面的可延展柔性微传感器系统，包括：
设置于冷冻消融球囊表面的电极点，用于原位标测患者心电信号和两点间阻抗值以反映组织消融程度；
设置于所述冷冻消融球囊表面的温度传感器，用以测量所述冷冻消融球囊和组织接触位置的温度；
应变传感器，用于测量所述冷冻消融球囊整体的膨胀程度，以消除所述温度传感器在所述冷冻消融球囊表面上由于应变产生的电阻值。
优选地，所述电极点分布于所述冷冻消融球囊表面不同径向和周向位置，在所述冷冻消融球囊表面选取沿径向较远两个电极点间测量阻抗值，由于在组织和电解质中，随温度下降阻抗值会有明显上升的规律，所以阻抗值上升能有效地反馈冷冻过程中的温度范围和组织冷冻消融程度。
优选地，所述温度传感器分布于冷冻消融球囊表面不同径向和周向位置，确保所述温度传感器与组织贴合，能够准确测量出与所述冷冻消融球囊接触位置的实时温度。
本发明第二方面为提供一种可延展柔性器件，包括上述用于冷冻消融球囊表面的可延展柔性微传感器系统。
优选地，可延展柔性器件，包括：
位于结构底层的可延展基底层；
底部绝缘层，所述底部绝缘层设置于所述可延展基底层上；
微传感器功能层，所述微传感器功能层设置于所述底部绝缘层上，所述微传感器功能层包括传感器引线、电极点敏感单元、温度传感器敏感单元和应变传感器敏感单元；
顶部绝缘层，所述顶部绝缘层设置于所述微传感器功能层上，且所述电极点裸露于所述顶部绝缘层的上表面；
所述底部绝缘层、所述微传感器功能层和所述顶部绝缘层均为蜿蜒状结构，以增强其延展性。
优选地，所述顶部绝缘层的上表面设有粘附层，通过所述粘附层使所述器件贴附于所述冷冻消融球囊表面。
本发明第三个方面为提供一种所述的可延展柔性器件的制备方法，包括：
在衬底上溅射牺牲层；
在所述牺牲层上旋涂可延展基底层；
在可延展基底层上沉积底部绝缘层；
在所述底部绝缘层上溅射并图形化传感器引线，以及图形化温度传感器敏感单元和应变传感器敏感单元，形成蜿蜒状的微传感器功能层；
在所述微传感器功能层上沉积顶部绝缘层；
在所述顶部绝缘层上制掩模并图形化；
利用掩模刻蚀图形化所述底部绝缘层、所述顶部绝缘层，形成蜿蜒状的底部绝缘层、顶部绝缘层，并使电极点裸露于所述顶部绝缘层的上表面；
释放器件。
与现有技术相比，本发明具有如下至少一种有益效果：
本发明上述柔性微传感器系统，通过在冷冻消融球囊表面贴附不同的传感器，在冷冻消融过程中，可以原位标测心电信号同时原位测量温度；利用电极和温度传感器，可以通过电极阻抗和温度反馈冷冻消融的效果；同时通过设置应变传感器可测量冷冻消融球囊整体的膨胀程度，以消除温度传感器在冷冻消融球囊表面上由于应变产生的电阻值，从而辅助温度传感器测量以消除温度传感器上由于形变导致的误差。
本发明上述可延展柔性器件，具有可延展性且该器件通过面加工工艺完成，工艺简单且成本低。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1是本发明一优选实施例的可延展柔性器件的整体结构示意图；
图2是本发明一优选实施例的可延展柔性器件的制作工艺流程图；
图中标记分别表示为：1为顶部绝缘层、2为微传感器功能层、3为底部绝缘层、4为可延展基底层、5为电极点、6为温度传感器、7为应变传感器。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
本实施例提供一种用于冷冻消融球囊表面的可延展柔性微传感器系统，包括：电极点、温度传感器和应变传感器。
其中，电极点设置于冷冻消融球囊表面，用于原位标测患者心电信号和两点间阻抗值，通过两电极点间阻抗-温度变化可以辅助判断消融完成度，以反映组织消融程度。
温度传感器设置于冷冻消融球囊表面，用以测量冷冻消融球囊和组织接触位置的温度，可以辅助判断消融点处冷冻损伤程度(即组织消融的完成度)。
应变传感器用于测量冷冻消融球囊整体的膨胀程度，以消除温度传感器在冷冻消融球囊表面上由于应变产生的电阻值。从而辅助温度传感器测量以消除温度传感器上由于形变导致的误差。
上述实施例中温度传感器通过金属传感器的电阻随温度变化阻值具有规律的变化，通过测量阻值可以有效反应出组织表面温度。上述微传感器系统为可延展柔性系统，基于电阻的应变材料阻值随表面材料拉伸阻值发生有规律的变化，所以通过应变传感器测量球囊的膨胀程度，以消除温度传感器在球囊表面上由于应变产生的电阻值，以准确测量组织温度。上述实施例提供一种基于冷冻消融球囊表面的可靠地、易加工、多功能微传感器系统，具有柔性和可延展性，该系统对植入医疗器件领域具有非常重要的意义。
在其他部分优选实施例中，电极点分布于冷冻消融球囊表面不同径向和周向位置，以一具体可延展柔性微传感器系统为例，在径向不同直径设置三组电极点，同一直径沿周向设置两个电极点以适用于不同直径的肺静脉口。为了保证被冷冻的环状肺静脉口组织在两个电极点之间，在冷冻消融球囊表面选取沿径向较远两点间测量阻抗值，由于在组织和电解质中，随温度下降阻抗值会有明显上升的规律，所以阻抗值上升可以有效地反馈冷冻过程中的温度范围和组织冷冻消融程度。
在其他部分优选实施例中，温度传感器分布于冷冻消融球囊表面不同径向和周向位置。以一具体可延展柔性微传感器系统为例，温度传感器布置于球囊接触肺静脉口半侧球囊。两组温度传感器具体位置设置于肺静脉平均直径正负2毫米内，且一组温度传感器为位于同一直径位置圆周沿周向呈180度布置两个温度传感器，根据患者的不同和医生操作方式的不同，即使冷冻消融球囊和血管组织接触位置不同，都能保证有温度传感器与组织贴合，能够准确测量组织与冷冻消融球囊接触位置的实时温度。
基于上述用于冷冻消融球囊表面的可延展柔性微传感器系统的部件组成及功能，另一实施例提供一种可延展柔性器件，将上述电极点、温度传感器和应变传感器集成于同一可延伸柔性器件，并能实现上述系统各组成部件的功能。
在其他部分优选实施例中，参照图1所示，为可延展柔性器件的整体结构示意图，图中包括：可延展基底层4、底部绝缘层3、微传感器功能层2及顶部绝缘层1。
其中，可延展基底层4位于器件结构底层；
底部绝缘层3设置于可延展基底层4上；
微传感器功能层2设置于底部绝缘层3上，微传感器功能层2包括传感器引线、电极点敏感单元、温度传感器敏感单元和应变传感器敏感单元；
顶部绝缘层1设置于微传感器功能层2上，通过图形化手段使电极点5裸露于顶部绝缘层1的上表面，以测量消融点的心电信号和组织阻抗。
底部绝缘层3、微传感器功能层2和顶部绝缘层1均为弯曲形结构，以增强其延展性。
在具体实施时，上述微传感器功能层2的结构包括但不仅限于单层结构，可以有多层金属层，中间设有绝缘层以防止各金属层信号串扰。
上述可延展柔性器件可采用以下方法制备：
在衬底上溅射牺牲层；
在牺牲层上旋涂可延展基底层；
在可延展基底层上沉积底部绝缘层；
在底部绝缘层上溅射并图形化传感器引线，以及先溅射再图形化温度传感器敏感单元和应变传感器敏感单元，形成蜿蜒状的微传感器功能层；
在微传感器功能层上沉积顶部绝缘层；
在顶部绝缘层上制掩模并图形化；
利用掩模刻蚀图形化底部绝缘层、顶部绝缘层，形成蜿蜒状的底部绝缘层、顶部绝缘层，并使电极点裸露于顶部绝缘层的上表面；
最后，释放器件。
在其他部分优选实施例中，顶部绝缘层的上表面设有粘附层，通过粘附层使器件贴附于冷冻消融球囊表面。粘附层可以采用具有可延展性能的粘合剂制备。随冷冻消融球囊内部压力值的变化导致的球囊膨胀和收缩，在极限状态下所有微传感器(温度传感器、应变传感器和电极点)仍保证其有效功能。
以制备一种柔性的MEMS双电层电容压力传感器为应用例，进一步阐明上述可延展柔性器件的制备方法，参照图2所示，制作工艺流程如下：
S1：采用PVD(气相沉积)方法在玻璃或者硅片衬底溅射Al牺牲层；
S2：在Al牺牲层上旋涂PDMS并烘干，形成可延展基底4；
S3：采用CVD(化学气相沉积)方法在可延展基底4上沉积第一层Parylene薄膜，作为大延展结构的底部绝缘层3；
S4：在底部绝缘层3上溅射Cr/Au层；
S5：在Cr/Au层上光刻图形化光刻胶，并以光刻胶为掩模，湿法刻蚀Au，形成传感器引线和电极点5；
S6：采用lift-off(金属剥离工艺)工艺，在底部绝缘层3上图形化Pt(铂)作为温度传感器敏感单元；
S7：在底部绝缘层3上采用硬掩模的方法图形化基于碳纳米管的混合材料，作为应变传感器敏感单元，Au、Pt、混合材料共同构成微传感器功能层2；
S8：采用CVD(化学气相沉积)方法在微传感器功能层2上沉积第二层Parylene薄膜，作为可延展结构的顶部绝缘层1；
S9：对底部绝缘层3、顶部绝缘层1进行光刻显影，该光刻胶作为后续工艺中RIE刻蚀的掩膜；
S10：RIE刻蚀，用于图形化底部绝缘层3和顶部绝缘层1，同时暴露出电极点5以及后端连接处；
S11：丙酮溶解牺牲层光刻胶；
S12：使用硬掩膜在后端连接电极处表面刷涂导电银浆；
S13：连接导电银浆和软排线并烘干；
S14：使用环氧树脂密封连接处；
S15：采用可延展硅胶将微传感器系统粘贴到冷冻消融球囊表面。
在一种用于冷冻消融球囊表面的可延展柔性微传感器系统的应用例中，采用3％的琼脂代替人体组织，用信号发生器在琼脂内发射信号以模拟心电信号，冷冻消融球囊内通液氮对琼脂模拟组织进行降温。
将微传感器系统贴附在冷冻消融球囊表面后将冷冻消融球囊抵在琼脂结构表面，电极点可以有效采集到信号发生器发射的信号；取两个电极点测量阻抗值，随着温度从290K降低到240K的过程中，阻抗值上升15倍；基于铂的温度传感器电阻随温度变化呈线性变化，温度降低电阻变化；应变传感器采用1000Hz条件下测量电阻，有效反馈应变变化。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质。

Claims (6)

1.一种用于冷冻消融球囊表面的可延展柔性微传感器系统，其特征在于，包括：
设置于冷冻消融球囊表面的电极点，用于原位标测患者心电信号和两点间阻抗值以反映组织消融程度；
设置于所述冷冻消融球囊表面的温度传感器，用以测量所述冷冻消融球囊和组织接触位置的温度；
应变传感器，用于测量所述冷冻消融球囊整体的膨胀程度，以消除所述温度传感器在所述冷冻消融球囊表面上由于应变产生的电阻值；
所述电极点分布于所述冷冻消融球囊表面不同径向和周向位置，在所述冷冻消融球囊表面选取沿径向不同的两个电极点，所述两个电极点间测量阻抗值在组织和电解质中随温度下降而上升，通过所述阻抗值上升对反馈冷冻过程中的温度范围和组织冷冻消融程度进行反馈。
2.根据权利要求1所述的一种用于冷冻消融球囊表面的可延展柔性微传感器系统，其特征在于，所述温度传感器分布于冷冻消融球囊表面不同径向和周向位置，所述温度传感器与组织贴合，通过所述温度传感器测量与所述冷冻消融球囊接触位置的实时温度。
3.一种可延展柔性器件，其特征在于，包括上述权利要求1-2任一项所述用于冷冻消融球囊表面的可延展柔性微传感器系统。
4.根据权利要求3所述的可延展柔性器件，其特征在于，包括：
位于结构底层的可延展基底层；
底部绝缘层，所述底部绝缘层设置于所述可延展基底层上；
微传感器功能层，所述微传感器功能层设置于所述底部绝缘层上，所述微传感器功能层包括传感器引线、电极点敏感单元、温度传感器敏感单元和应变传感器敏感单元；
顶部绝缘层，所述顶部绝缘层设置于所述微传感器功能层上，且所述电极点裸露于所述顶部绝缘层的上表面；
所述底部绝缘层、所述微传感器功能层和所述顶部绝缘层均为蜿蜒状结构，以增强其延展性。
5.根据权利要求4所述的可延展柔性器件，其特征在于，所述顶部绝缘层的上表面设有粘附层，通过所述粘附层使所述器件贴附于所述冷冻消融球囊表面。
6.一种权利要求3-5任一项所述的可延展柔性器件的制备方法，其特征在于，包括：
在衬底上溅射牺牲层；
在所述牺牲层上旋涂可延展基底层；
在可延展基底层上沉积底部绝缘层；
在所述底部绝缘层上溅射并图形化传感器引线，以及图形化温度传感器敏感单元和应变传感器敏感单元，形成蜿蜒状的微传感器功能层；
在所述微传感器功能层上沉积顶部绝缘层；
在所述顶部绝缘层上制掩模并图形化；
利用掩模刻蚀图形化所述底部绝缘层、所述顶部绝缘层，形成蜿蜒状的底部绝缘层、顶部绝缘层，并使电极点裸露于所述顶部绝缘层的上表面；
释放器件。
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