CN115460976A

CN115460976A - 压力传感器

Info

Publication number: CN115460976A
Application number: CN202180031884.5A
Authority: CN
Inventors: 默罕默德·雷扎·巴赫曼亚尔; 邹龙方
Original assignee: Imperial Institute Of Technology Innovation Co ltd
Current assignee: Imperial Institute Of Technology Innovation Co ltd
Priority date: 2020-03-09
Filing date: 2021-03-09
Publication date: 2022-12-09
Also published as: GB202003380D0; GB2593153A; US20230106499A1; GB2593153B; WO2021181083A1; EP4117509A1

Abstract

一种压力传感设备包括处于梁构造中的细长第一传感器装置，细长第一传感器装置在至少一个纵向端部处由刚性支撑结构支撑并具有可弯曲形变的部分。腔室相邻于第一传感器装置的第一向内面。封套将第一传感器装置和腔室气密密封使传感器与周围环境隔离。传感封套包括柔性膜，柔性膜设置在第一传感器装置的第二向外面上方并与之耦合，并沿着第一传感器装置和腔室的至少一侧或两侧延伸。传感器装置可以是耦合至射频(RF)天线的声表面波装置。

Description

压力传感器

本公开涉及一种压力传感器，传感器被柔性膜密封，柔性膜将环境压力传递到传感器密封腔内的可弯曲形变装置。

颅内压(ICP)是指颅腔内容物对颅腔壁所产生的压力。正常情况下维持颅内压的颅腔内容物包括脑组织(约80％)、静脉血(约3％至4％)、动脉血(约6％至7％)和脑脊液(CSF)(约10％)。颅脑损伤或其他病理问题引起颅腔内容物体积变化均会引起颅内压(ICP)升高。颅内压增高严重时会引起脑疝、脑缺血，甚至威胁生命，需要及时医疗干预。如何持续、准确地测量颅内压并针对性采取医疗措施是目前神经重症患者颅内压管理的重要环节。

颅内压受生理因素与病理因素的影响。正常生理情况下，人体姿势、大脑思维、心血管系统功能、呼吸功能和肾上腺素等的变化会引起颅内压平均值发生变化。病理情况下包括颅内肿瘤、颅内出血、脑水肿、脑积水等则会引起颅内压增高。随着颅内压增加，心脏血液的输出量增加，提高平均动脉压(MAP)以保持稳定的脑灌注压(CPP)。脑灌注压就是平均动脉压与颅内压的压差，用于驱动氧气和代谢物的输送。当颅内压升高超过平均动脉压升高的补偿能力时，脑灌注压降低，随后可能出现脑缺血。当颅内压超过一定范围时，颅腔内脑组织会发生移位引起脑疝，挤压脑干结构，继而导致严重的神经系统损伤，甚至死亡。未经治疗的颅高压死亡率为50％至60％，而幸存者有不同程度的智力、身体和神经残疾。目前，颅内压监测在神经外科疾病领域应用较为广泛，常见的疾病包括创伤性脑损伤(TBI)、蛛网膜下腔出血(SAH)和脑积水。

常规的植入式颅内压监测系统需要导线、光纤或导管穿透皮肤。此类有线系统可能会限制患者的转运和移动，并可能具有较高的感染风险，不利于长期使用。一些商用无线颅内压监测系统虽然能进行长期和连续ICP监测，但是由于电感耦合的无线传输方式需要大的线圈，导致可植入和外部装置的尺寸大，系统的成本高，因此限制其应用。

脑积水可通过脑室腹腔分流手术治疗，即通过分流管将脑脊液引流至身体其他部位(如腹腔)。分流管可由脑室端和腹腔端两部分组成。脑室端的一端插入脑室，另一端连接至压力阀门。通过调节压力阀门可以调整脑脊液从脑室流出的速度。然而，当前分流管存在过度引流或引流不足等问题。因此，“智能分流管”，即与无线可读压力传感器集成的分流管，是提高可靠性、控制、精度和监测的理想选择。

理想的压力传感器应具有以下部分或全部特征：尺寸非常小；无线可读；使用无线供电。

如本公开的图1至图3所示，GB 2571141描述一种可植入心血管压力传感器1，包括刚性外壳2，刚性外壳2被柔性膜密封4形成密封腔，腔内有可压缩流体或真空3。包括压电材料的细长柔顺构件5设置在外壳内，柔性膜4将外部流体压力负载6耦合至细长柔韧构件5，从而引起细长柔韧构件5的弯曲形变。压力传感器1包括在细长柔韧压电材料上的第一声表面波装置10，以用于传感感应细长柔韧性构件5的弯曲形变。膜4包括至少一个柔性特征用来降低膜中的刚度。例如，这种柔性特征可能是膜4的上的波纹用于减少因形变而施加在膜上的应力。如图1和2所示，波纹可能包括朝向膜4的端部/侧面的脊7。脊7可围绕膜4的周边延伸，以在柔性构件5与刚性外壳2之间提供柔性连接。如图3所示，波纹可包括膜4的表面中的脊8(诸如褶皱或弯曲)。这些波纹在传感器的表面可能遵循闭合路径(可能在某些位置弯曲)围绕限定细长柔顺构件5。

本发明的目的是改进压力传感器，诸如如上所述的GB 2571141中的压力传感器。

在本发明的一方面，压力传感设备包括：

细长第一传感器装置，处于梁构造中，在至少一个纵向端部处由刚性支撑结构支撑并具有可弯曲形变部分；

腔室，相邻于第一传感器装置的第一向内面设置；

封套，将所述第一传感器装置和所述腔室气密密封以免受周围环境影响；

封套包括柔性膜，柔性膜设置在第一传感器装置的第二向外面上方并与之耦合，并沿着第一传感器装置和腔室的至少一侧或两侧延伸。

压力传感设备可构造成使得在第二面处施加至柔性膜的向内压力导致设置在第一传感器装置的可弯曲部分上方的柔性膜向内弯曲形变，并导致柔性膜沿着第一传感器装置的所述至少一侧或两侧和腔室向内和/或向外位移。封套的柔性膜可沿着第一传感器装置的纵向轴线的至少一部分包围绕第一传感器装置、腔室和支撑结构。柔性膜可形成套筒，套筒沿着纵向轴线并围绕第一传感器装置、腔室和至少部分支撑结构。支撑结构可包括两个纵向端，纵向端部各自与封闭套筒连接形成气密密封。细长第一传感器装置可在每个纵向端部处由刚性支撑结构支撑，并且可弯曲部分是相对纵向端部之间的中心部分。刚性支撑结构的底座可包括第二传感器装置，第二传感器装置相邻于腔室平行于第一传感器装置。刚性支撑结构还可以是一对间隔件，将底座与第一传感器分离以形成腔室。间隔件可以是导电材料，连接第一传感器装置和第二传感器装置中的至少一个相应导线终端。封套可包括导电材料，导电材料电耦合至间隔件中的一个形成接地面，接地面覆盖第一传感器装置的至少一大部分。纵向端部可各自包括导电帽。每个帽可围绕其圆周接合至套筒的相应端部以形成气密密封。

导电材料间隔件中的第二个可连接至远离封套的延伸天线。天线可包括具有扩展形状记忆构造的弹性材料。天线可限定基本线性轴向部和离轴横向延伸部。材料可弹性弯曲成基本线性的构造，以便经由导管输送设备。

柔性膜包含金属材料，可用直接焊接、熔接或以其他方式直接接合至封套的至少一端的导电端帽。柔性膜可包括金属化聚合物，金属化聚合物接合至封套的至少一个导电端帽，并通过电镀层进行导电性连接。柔性膜可包括玻璃材料做成两端封闭的封套，至少一个导电连接从封套的一端穿出。可能至少有两个导电连接从胶囊装的封套中穿出，并可还包括导电套筒，导电套筒包裹胶囊装的封套，与其中一个导电连接相连，构成接地面。

刚性支撑结构可包括具有沟槽的外壳，第一传感器装置位于沟槽内，并且柔性膜可包括包裹密封外壳以形成封套的聚合物。外壳可包括两个导电部分，两个导电部分由绝缘部分分隔，并且每个导电部分可连接到至第一传感器的相应导电端子。外壳的第一导电部分可基本上长于第二导电部分以形成接地面，并且外壳的第二导电部分可连接至天线。外壳的沟槽可在端部处较窄以支撑第一传感器装置的相应导电端子，并且可在端部之间较宽以便第一传感器的一侧或两侧弯曲形变部分能够自由移动。柔性膜可涂有一层或多层材料以增加封套的气密性。

压力传感设备可并入在脑室腹腔分流管。压力传感设备可集成入脑室腹腔分流管的阀门。阀门可以至少通过细长第一传感器装置的输出进行控制。

现在将通过示例并参考附图来描述本发明的实施例，其中：

图1是如上所述的现有技术的压力传感器的示意截面侧视图；

图2是如上所述的图1的现有技术的压力传感器的示意平面图；

图3是如上所述的现有技术的压力传感器的一部分的示意透视图以及D-D线上的截面端视图；

图4是用于压力传感设备中的压力传感装置的示意透视图；

图5是用图4的压力传感装置部分组装的压力传感设备的示意截面侧视图；

图6a是图5的压力传感设备的外壳的示意透视图，图6b是图5传感的压力传感装置在图6a的外壳内的示意端视图；

图7是组装好的压力传感设备的示意截面侧视图；

图8是图6a的外壳中的表面形变位移的3D模拟图；

图9是图8所示的表面形变位移引起的图6a的外壳的表面冯·米塞斯应力(vonMises stress)3D模拟图；

图10是部分组装的压力传感设备的示意透视图；

图11是图10中的组装好的压力传感设备的示意透视图；

图12是安装有压力传感设备的患者颅骨的示意性截面图；

图13是带有气密密封玻璃封套的压力传感设备的截面侧视图；

图14是具有包围密封封套的接地面套筒的压力传感设备的截面侧视图；

图15a至图15d是各种天线构造的示意性透视图；

图16是图5中的压力传感设备的简化示意性截面图侧视图；

图17是支撑图16中的压力传感设备的外壳的示意透视图；

图18是图17的外壳电耦合天线的示意性透视图；

图19a和图19b是示出图16的压力传感设备在图18的外壳内组装的示意性透视图；并且

图20是密封后的图19b的外壳的示意截面端视图。

在整个本说明书中，与相对方向和定向有关的描述符，诸如“顶部”、“底部”、“水平”、“竖直”、“左侧”、“右侧”、“向上”、“向下”、“前面”、“后面”以及其任何形容词和副词派生词的使用含义是图纸中呈现的设备的定向。然而，这些描述符并不旨在以任何方式限制所描述或要求保护的发明的预期用途。

根据本公开的压力传感器可基于由刚性结构在一个或两个纵向端部处支撑的细长梁，细长梁不受支撑的区域是可以弯曲形变的区域。弯曲形变区域可以是梁的两个刚性支撑之间的中间区域。或在悬臂装置的情况下，弯曲形变区可位于梁的无支撑部分，最优的地方靠近于梁的支撑端，这里的应力最大。基于梁架装置的压力传感器特别有吸引力，因为它们可用于制造适合通过导管或其他输送装置植入人体或动物体内的窄传感器，并且对压力具有高灵敏度。例如，封装适合永久植入人体或动物体内的长期气密性梁传感器具有挑战性。

ICP监测传感器的理想宽度是小于2mm。插入大脑的许多分流器管直径为2mm，虽然2.5mm直径的管可能也会被使用。类似的截面尺寸适合插入脑组织。正常ICP压力约为7mmHg至15mmHg，并且理想的诊断分辨率为1mmHg。如上所述的压力传感器的可变形/可位移膜将空腔密封在基准压力条件下。随着传感器宽度(或通常的膜面积)的减小，膜变形/位移的能力降低。一种解决方案是使膜越来越薄，但这有实际应用的限制。另一种解决方案是使用一种有波纹的柔性部件，如上文结合图1至图3所述，但这可能仍然会限制传感器在获得期望压力灵敏度的同时可制作的更小。

图4示出第一细长传感器装置40和第二细长传感器装置41，它们各自具有相应声表面波(SAW)谐振器42、43。第一传感器装置40制造在薄压电衬底44上，例如石英晶体或氮化铝。衬底44大约50微米的厚度，在压力下导致弯曲形变，因此第一传感器装置40可以用于压力传感谐振器。第二传感器装置41制造在相对较厚的衬底45上，在正常工作范围内，压力引起的弯曲或形变可忽略不计，可以用作参考传感器。

每个传感器装置40、41可有至少两个输入/输出端子30/31，它们经由电导线32、33连接至衬底44、45两端的端子/焊盘46至49，如图所示。电导线32、33和焊盘46至49可通过金属沉积(例如，金或镀金的其他金属)和合适的图案工艺形成。

如图5所示，两个衬底44、45经由金属(例如，金)间隔件50、51以面对面构造接合在一起，以使得谐振器42、43彼此面对面，并且之间形成间隙54或者空腔。在这种构造中，两个谐振器42、43可易于并联电连接，并可通过两个导电间隔件50、51激励。间隔件50、51可纵向延伸以实现外部连接，如下所述。

如图4和图5所示，第一传感器装置40是具有梁构造的细长第一传感器装置的示例，梁结构由刚性支撑结构支撑在每个纵向端部52、53，刚性支撑结构由厚衬底45和间隔件50、51作为示例。第一传感器装置40/衬底44的下面表面55与第二传感器装置41/衬底45的上面表面56之间的间隙54构成腔室58的一部分，当压力施加至衬底44的上表面57时，第一传感器装置41的衬底44可在腔室58中弯曲形变。下面表面55通常可被视为第一传感器装置的内向面或向内面，并且上表面56通常可被视为第二传感器装置的内向面或向内面。

腔室58和第一传感器装置40必须被气密密封，与需要测量压力的外部环境隔离，同时允许外部压力对位于间隔件支撑件50、51之间的衬底44形成的梁架结构施加偏转力。

参考图6a，图5结构的气密封装可使用预成型的壳来实现，例如有合适的壁厚和末端63的预成型管60。例如，ICP压力传感设备中的壁厚可以是10μm至20μm。壳或管60可由合适的材料制成，诸如金属(包括金属合金)、金属化聚合物或玻璃，并且能容纳谐振器42、43。壳60的截面很重要，因为需要将外部环境的压力高效地转移至梁构造的衬底44上。在图6b中示出端截面图。壳60的曲率可优化以便最小化壳变形的阻力。壳60作为柔性膜的示例，柔性膜放置在第一传感器装置40的上表面57上方并与之结合。与图1至图3所示的现有技术示例不同，由壳60的柔性膜包裹第一传感器装置40和腔室58的侧面61、62相当一部分长度，而不是向图3中，仅仅覆盖第一传感器装置40的上表面57，然后延伸至周围的刚性支撑结构上。在这种情况下“侧面”一词旨在涵盖传感器装置和腔室58的纵向延伸侧面61、62。传感器装置的纵向端部70、71(图7)和腔室58可由不同的结构封闭，如下所述。

如图7所示，设备的两端70、71可由一对端帽72、73闭合，这对端帽72和73与相应间隔件50、51的纵向延伸部啮合，并且密封件74形成在端帽72的接口75与壳/管60的端63的内表面64之间，稍后将更详细地描述。

如上所述，使用谐振器42、43的压力传感器设备基于声表面波谐振器谐振频率的变化，谐振频率的变化由衬底44在弯曲形变时产生的应变和应力引起。薄衬底44上的第一谐振器42用做压敏谐振器，环境压力经过壳60传递到薄衬底44，引起弯曲形变。环境压力同时压缩腔室58里在参考压力(例如低于环境压力)条件下密闭在腔内的气体。第二谐振器43位于足够厚的衬底45上，衬底45在压力引发的形变可忽略。

声表面波谐振器可具有很高Q值，并在高频下(例如，在300MHz至2.5GHz的范围内)工作。可通过在压电衬底44、45上沉积薄膜金属电极和声波反射器来制造这些谐振器。它们可被射频(RF)信号激励，使得谐振器获得能量并经由压电效应将其转换为机械振动。在激励信号停止后，谐振器继续以预先设计的谐振频率振荡。如果声表面波谐振器衬底发生弯曲形变，那么衬底中的应力和应变会导致谐振频率偏移。薄衬底44上的第一谐振器42位于基准压力的腔室58的上方，腔室中有气体或真空。壳60外部环境压力的任何变化都会形成与腔室58压差，并在膜60上产生应变/应力，从而导致谐振频率发生与压力成正比的偏移。厚衬底45上的第二谐振器43不会受到压力变化影响，也不会因环境压力变化而改变谐振频率。因此，它的谐振频率可用作参考频率。

谐振器42、43可耦合至天线，并由接近谐振频率的射频脉冲来无线激励。当发射脉冲停止后，储存在谐振器中的部分射频脉冲能量就会以弱衰减射频波的形式辐射回来。接收器检测到此信号，并估算其频率以获得压力。射频收发器可用于激励传感器。在发射模式下，收发器可发送的射频脉冲(例如持续时间为约2μs)来激励谐振器。在每个发射结束时，收发器切换至其接收模式以检测衰减信号。收发器的处理器计算频率并将其转换为压力。

因此，在将谐振器42、43用于传感器装置的情况下，提供这样的射频接口。进一步参考图7，可使用一个端帽(例如，端帽72)来提供接地面。壳60由导电材料形成，端帽72也是如此。这两个组件例如通过焊接或熔接接合在一起，以保持导电的连续性。端帽72还电连接至间隔件50，从而分别连接至第一谐振器46和第二谐振器48的端子。以这种方式，谐振器42、43的输入/输出端子31中的一个连接至围绕封套大部分的接地面。

另一端帽73还可具有电接合至壳60的导电外表面，同时将接地面延伸至装置的端71并提供气密密封。端帽73还可具有电绝缘外表面，它通过电绝缘材料(诸如玻璃、陶瓷或胶水)接合至壳60以提供气密密封。然而，此端帽73还提供导电过孔76，过孔76与间隔件51导电连接，从而分别连接第一谐振器42的端子47和第二谐振器43的端子49。导电过孔76与壳60、端帽72和端帽73的外表面形成的接地面绝源。

导电过孔76可耦合至适当类型的天线77，其示例如下所述。

壳60可通常采用具有扁平圆形截面的柔性管或套筒80的形式，如图8和图9所示。套筒具有第一端部区域81和第二端部区域82，它们在组装好的压力传感设备中与端帽72、73连接并由其支撑。中心区域83通常不受支撑，除非它与可弯曲形变衬底44的上表面57接触或与刚性衬底45的底座或下表面侧接触。中心区域83的侧面84、85的上部至少可自由弯曲，不受刚性衬底45、间隔件50、51和端帽72、73所组成的支撑结构的支撑，也不与之接触。以这种方式，以壳60作为示例的柔性膜不仅可在顶部区域86自由弯曲，还可在侧区域84、85的中心部分自由弯曲。顶部区域86的向内弯曲形变需要拉伸薄膜以实现需要的向平面外移动，在这种情况下，侧壁84/侧区域85也会向内和/或向外弯曲，减少顶部区域86向内偏移的情况，从而减少薄膜顶部区域86中的张力。图8示出总表面位移，图9示出外壳表面的冯·米塞斯应力(von Mises stress)，应力从梁弯曲区域扩展至壳60的84、85侧区域。壳的侧壁区域84/85向内和/或向外弯曲形变的能力可通过以下方式帮助壳60的顶部区域86向内弯曲：(i)减少或消除壳材料的拉伸要求，因为侧区域也可向内弯曲，和/或(ii)使壳能够减少顶部区域向内弯曲所需的侧区域84、85的曲率，例如通过允许侧区域向外凸出。侧区域的各部分的向内和/或向外弯曲的程度和相对位置取决于壳材料的特性，例如弹性和刚度以及壳几何形状。在一般情况下，壳的侧区域84、85的向内和/或向外移动使得壳在顶部区域86发生弯曲形变时的应力整体减小，从而降低顶部区域的弯曲形变阻力并提高压力传感器的灵敏度。

可使用任何合适的方法制造构成柔性膜的壳。例如，金属壳可由例如镍钛合金或其他形状记忆合金拉伸而成，并可具有例如30微米至40微米的厚度。例如，可使用诸如抛光或电解抛光等适当的技术来将此金属壳减薄至10微米与15微米之间的厚度。可在目标区域选择性地实施减薄过程，以获得最佳柔韧性响应。

与图1至图3所示的现有技术构造相比，需要经由膜/壳60是传导到梁构造第一传感器40上使其弯曲的压力减少，为此本发明所描述的压力传感装置的灵敏度得到提高。在图4至图7的装置中，由壳提供的柔性膜在其接触刚性结构处的纵向端部和衬底45的刚性底座的位置牢牢固定，而不是在柔性膜沿着第一传感器装置40和腔室58的侧面延伸的位置固定，从而提供额外的伸缩性。

制造壳并将其连接至组件的其余部分的方法有很多。

在图7的示例中，壳60可以是金属或金属合金套筒，通过例如焊接或熔接密封至两个端帽72、73以形成气密密封，从而气密密封第一传感器装置40和第二传感器装置41以及它们之间的腔室58。套筒60的金属性质以及直接焊接或熔接至端帽的金属或金属化表面为天线提供接地面。

如果壳60由合适的聚合物制成，也可以设计成类似的结构，聚合物的外表面或内表面被金属化以提供接地面并提供更好的长期气密性。例如，合适的金属化层厚度可以是0.2微米至5微米。因为不可能对聚合物进行焊接或熔接，将壳60密封至端帽72、73的方法坑不同。壳可通过合适的粘合剂接合至端帽72、73以形成至少临时密封。壳60与两个端帽72、73之间的接缝可通过电镀或气相沉积覆盖，以确保长期气密性和导电的连续性。可选择合适的粘合剂以防止电镀过程期间的电解质进入。

在另一装置中，壳60可包括薄壁玻璃管以提供气密密封，同时足够薄以能够灵活地实现压力下的弯曲形变。图5中的组件可例如插入至具有合适截面的玻璃管中，以使得金属间隔件50、51分别从各端伸出。气密密封可通过加热各端的玻璃管来完成。这可充分软化/熔化玻璃管，以密封金属间隔件50、51周围从而形成胶囊状包裹，同时使每个间隔件的一部分纵向延伸出胶囊，如图13所示。两个金属间隔件的延伸出气密密封胶囊130的部分131、132形成电接触件。如图13所见，此装置还可包括耦合至接触部131的金属帽133和耦合至接触部132的陶瓷帽134。

同样如图13所示，这些接触件132中的一个可电连接至天线77，类似于图7的装置。另一接触件131可通过金属帽72或133耦合至围绕胶囊延伸的接地面。接地面也可通过将胶囊130的外表面金属化来形成。

接地面通常可以由围绕胶囊的套筒形成。在图14的示例中，套筒140可以是其中插有胶囊(例如胶囊130或壳60)的刚性金属管，并且端帽143的接地面接触件142可焊接、熔接或以其他方式连接至套筒140。套筒140可由与间隔件50、51相同的材料制成。使用相同的导电材料的设备暴露于体内离子液体(诸如活组织)，可以避免两种不同金属材料电连接在一起的化学反应。如果两种不同的金属电连接并置于这种离子介质中，可能形成短路电池，从而导致化学反应以及部件腐蚀。

耦合至接地面接触件142(例如，非天线端)的金属管140的远端144或远端的端帽143(或两者)可构造成具有合适的轮廓，诸如如图14所见的圆形或锥形轮廓，以防止植入期间中的组织损伤，当通过合适的导管/导丝装置引入体内时，远端144可形成压力传感设备的远端。金属套筒140的部分可被去掉或可包含孔145或其他形状孔隙，以便将环境压力传输至胶囊表面。

玻璃胶囊体可以进一步密封在薄聚合物层中，例如硅酮或聚对二甲苯C以进行保护。

图10示出类似于图7中截面图的部分组装的压力传感设备的透视示意图。含有传感器装置40的主体101可以以滑到或以其他方式进入有管形成的壳100。如上所述，端帽103可以焊接或其他方式电连接至壳100的远端104，以形成接地面102。天线77经由端帽105连接。

尽管上述间隔件50、51被描述为由金属制成以便于与端子/焊盘46至49中的每个进行导电连接。值得一提的是，也可使用诸如陶瓷等非导电刚性材料，导电连接第一传感器装置41和/或第二传感器装置40可以通过导电涂层或沿着/穿过间隔件的导电线或过孔来单独实现。这种装置可能很有用，例如，当第一传感器设计成悬臂梁结构时，因为梁的另一端不受支撑，第一和第二输入/输出端子30/31及其相应导电线32/33必须连接到的同一端的接地面和天线。

当将压力传感设备用于颅内植入时，合适的天线连接装置可能特别重要。

天线，诸如图7中的天线77，可由镀金或金包覆的镍钛合金丝用机械插入可以植入传感器制成。如图11和图12所示，天线110从诸如如上所述的压力传感设备112伸出，并且天线110的末端可设计成连续或不连续的环形111或其他横向延伸部分。环形可设计成合适的直径，以使其能够在皮下(即皮肤层121下面)留在颅骨120上。优选方案，天线材料具有超弹性形状记忆特性，使得环形111可被拉长并放置在推进器管中以进行植入。一旦植入器械被插入，环形111就会重新扩展至其预先形成的形状，并坐落在颅骨120上，从而将植入器械定位在期望深度。皮肤121可在天线110、111上方缝合，从而大大降低感染风险，并且压力传感设备可通过与由天线110提供的无线射频接口与合适的收发器(例如安装在患者戴的帽子内)进行通信。

图10和图11的装置例示弹性材料构成的有扩展形状记忆构造的天线，构造包括基本线性的轴向部(诸如轴113)以及离轴横向延伸部分(诸如环形111)。至少环形111的材料能可弹性弯曲成基本线形构造，以便能经由导管植入。天线还可能构造成其它形状。例如，参考图15，天线150可包括径向延伸部151，径向延伸部151耦合至轴113并从轴线横向延伸，轴线支撑围绕轴或装置轴线的连续或不连续环形152，如图15a所示。如图15b所示，天线153可包括直接耦合至天线轴113的不连续环形154。如图15c所示，天线155可包括直接耦合至天线轴113的螺旋部分156。螺旋元件156可用于天线调谐。天线157包括直接耦合至天线轴113的线圈158，并且天线轴可包括形成轴113的部分的线圈159，例如以用于天线调谐，如图15d所示。一般情况下，上述天线设计中的每个示例天线有轴向延伸部分(例如轴113)和离轴横向延伸部分(诸如部分151)或者远离或围绕轴延伸的环形部分，如154、156、158所示。可以这样理解，图11、图12和图15中的天线的各种特征可以不同方式组合。

在另一装置中，刚性支撑结构可包括具有沟槽的外壳，第一传感器装置位于沟槽内。图16是参考图5所描述的压力传感设备160的简化截面侧视图，其中，第一传感器装置40与第二传感器装置41经由金属间隔件50、51在面对面构造中彼此间隔开，以构成其间的腔室58。金属间隔件50、51电连接至第一传感器装置40和第二传感器装置41的声表面波谐振器，以形成外部连接。在这种情况下，金属间隔件50、51在此示例中可被称为“电端子”。

图17示出适合图16中的压力传感设备160使用的外壳170的一个示例。外壳170可由合适的绝缘材料(诸如蓝宝石)、生物相容性陶瓷(例如氧化锆)或硬质生物相容性聚合物制成，并可包括由电绝缘部分174分隔的第一导电部分172和第二导电部分173。这可通过在外壳170的表面涂上一层金属导电层(例如金)然后去除两条黑线175之间所示的区域174中的导电涂层来实现。或者，如果外壳170由陶瓷形成，那么可通过在烧结陶瓷之前选择性地向172和173部分添加导电材料来使外壳170的选定部分172、173导电。

在图17所示的示例中，第一导电部分172基本上长于第二导电部分173，以形成接地面。此外，外壳170的沟槽171在两端176、177处较窄以支撑金属间隔件50、51，并在两者之间较宽以使得可弯曲形变部分能够在第一传感器装置40的一侧或两侧自由移动。理想情况下，第一传感器装置40的侧面与沟槽171的侧面之间的间隙为50μm至100μm)。

图18示出图17中外壳170与天线178的电耦合。在此示例中，天线杆179被插入并集成至外壳170中，使得天线杆末端180导电暴露。这允许天线杆179与第二(较短)导电部分173进行导电连接。以这种方式，金属间隔件50中的一个(以及因此并联连接的声表面波谐振器的一个端子)可导电连接至接地面，并且另一金属间隔件51可电连接至天线杆179。天线杆179与接地面的组合形成电磁辐射结构，使声表面波谐振器能够接收和发射电磁波。

图19a和图19b示出图16的压力传感设备160与图18的外壳170的组装。一旦压力传感设备160放置在外壳170的沟槽171内，第一导电部分172和第二导电部分173就可导电地结合至相应金属间隔件50、51，以将声表面波谐振器连接至接地面和天线178。

如前所述，在第一传感器装置40与第二传感器装置41之间形成的腔室58也必须被气密密封以免受外部环境影响，同时允许外部压力对第一传感器装置40的梁施加弯曲形变力。这可通过(基本上或完全)将图19b的已组装结构181密封在柔性聚合物膜中以形成封套来实现。

图20示出密封后的图19b中的已组装结构181的截面端视图。柔性聚合物膜182优选由弹性体(例如，硅酮或聚氨酯)制成，但可使用其他聚合物代替。如图20所示，柔性聚合物膜182包裹已组装结构181(以及压力传感设备160)的所有侧面。以这种方式，柔性聚合物膜182的变形(通过顶部183上的凹进和其他地方的拉伸或重新构造)使得第一传感器装置40的梁在压力下容易弯曲形变。

封套可预制成壳体，插入有已组装结构181后密封。或者，已组装结构181上的封套可以通过聚合物涂层技术沉积柔性聚合物膜182。例如，已组装结构181可浸涂在聚合物溶液中。在这种情况下，应防止聚合物进入外壳170的沟槽171，否则聚合物可能会限制梁弯曲形变并弱化传感信号。可根据第一传感器装置40侧面与沟槽171侧面之间的间隙调整聚合物溶液的粘度来防止。间隙越大，粘度越低，溶液越容易进入沟槽171。实际上，间隙应尽可能窄，同时允许在全范围内移动。

柔性聚合物膜182可仅沉积在外壳170周围，使天线178的大部分未覆盖，或者它可密封包括天线178在内的整个结构181。此外，一旦沉积柔性聚合物膜182，就可通过在柔性聚合物膜182的顶部沉积一层或多层附加材料以覆盖聚合物中的任何孔口来增加封套的气密性。这可通过使用薄膜涂层技术(例如，使用单原子层沉积ALD或物理气相沉积技术PVD)以沉积一层附加聚合物(例如，聚对二甲苯C)、金属(例如，金)、无机材料(例如，氧化物或氮化物)或这些材料的组合来实现。

足够的压力灵敏度和小宽度的传感器是很具挑战性的，特别是当这种深度植入的传感器需要无线读取时。这特别归因于以下这一事实，从植入物接收到的信号通常很弱并淹没在噪声中。使用所描述的在石英衬底上的声表面波谐振器做成的声表面波压力传感器可测量1mmHg的压力变化。无线操作和小尺寸使其能够安装在导管的尖端中，并与外部装置进行无线通信。由于无需线缆穿过头皮121，因此可消除或大大减少感染、破裂和移位的并发症，从而提高患者的行动性，并有能在脑室或脑组织中进行持续颅内压测量。如果需要，可将压力传感设备作为单独的设备植入。

如所描述的压力传感设备可将分流管从无源装置提升为具有压力测量功能的智能装置，为调整阀门和检测堵塞提供依据。测得的压力也可用作主动阀控制的反馈。正常压力脑积水(NPH)患者可以从装置受益。目前诊断正常压力脑积水的方法基于症状以及MRI和CT扫描。尽管诊断正常压力脑积水的“金标准”是通过植入分流管来改善症状，有或者没有引流能力的颅内压监测装置都可能提高正常压力脑积水的诊断，并确定需要植入永久分流管的患者。如果需要脑室腹腔(VP)分流器，可将常规分流器连接至本文所述压力传感设备。植入器械需很少的操作即可取出。

压力传感装置可开发出高Q值和高工作频率的无电池声表面波传感器，从而能使用轻便和低功耗收发器进行连续监测。其他谐振传感器(诸如基于MEMS的传感器)通常在较低的频率下工作(例如，至少低一个数量级)，Q值低(例如，低两个数量级)。这意味着相应的收发器不能在辐射模式下工作，而是通过感应耦合方式工作。使用此技术的传感器的发射接收装置需要更高的功率，因此，发射接收装置体积大，不太适合作为可穿戴技术使用。

压力传感器的特定封装方法允许使用梁结构的谐振器。这意味着传感器宽度(与其它谐振器传感器封装技术相比)可明显更小，同时保持较高的压力灵敏度。这对于传感器与颅内分流器集成或直接植入大脑尤为重要。

上述特征的组合还允许使用低轮廓传感器天线，不需要大体积的耦合线圈，电感耦合的系统需要大体积的耦合线圈，这对于压力传感设备与分流器的集成尤其有利，因为天线可以是非常细的短导线，以不影响分流器通畅性的方式放置在分流管内。在独立植入器械的情况下，天线的尺寸可与脑组织中期望的传感器深度相匹配，并可很容易地按照上述方法在皮下固定。

整个压力传感设备可构造成外形尺寸适合于放置在可植入大脑中的分流管末端。短的柔性管可插入大脑中，柔性管带有无线无电池压力传感装置。短管连接至长管，长管在皮下延伸至腹部，在那里脑脊髓液被可排出和吸收。这种分流管可能包括阀门装置，以实现控制脑脊髓液从大脑流向腹部的流量。如本文所述的压力传感设备可构造成阀门控制以保持适当的颅内压力，例如在闭环反馈构造中，或当外部应用信号启动时，阀门可在压力传感设备的控制下运行。

可对如上所述的压力传感设备进行各种修改和调整。

尽管壳60提供的柔性膜被示出为围绕第一传感器装置40的第一衬底44和第二传感器装置41的第二衬底45的整个外围以及它们之间的间隙54延伸，但应该理解的是，限定柔性膜的壳可围绕第一衬底的侧面和衬底之间的间隙54延伸，并沿刚性衬底45的侧面固定。尽管由壳提供的柔性膜的最佳性能可通过使膜在至少如上所述的中心区域的装置两侧自由向内和/或向外弯曲来实现，但应该理解的是，仅在一侧自由移动也可能是有利的。

提高聚合物壳60的气密性的其他方法可包括在聚合物层上并入氧化物或氮化物层(例如通过原子层沉积工艺)。多层聚合物、金属、氧化物或氮化物也可能提高气密性。

应该理解的是，在悬臂构造中部署梁传感器可能需要借助于天线和接地面连接的合适装置将连接至传感器输入30/输出31的轨道32、33连接至刚性结构的相同悬臂端。

尽管上述压力传感设备的示例使用其谐振频率可能因装置衬底在压力变化下的弯曲而变化的声波装置，但应该认识到的是，可使用可依据其上形成的衬底的弯曲/位移而提供传感器输出的其他形式的传感装置。例如，可使用电容传感器或压阻传感器。

如本文所述的压力传感装置可容易地形成长度为10mm或更小、宽度/直径为2mm至3mm或更小的胶囊。

尽管在颅内压力监测应用的使用背景下描述了示例，但如本文所述的压力传感设备装置可直接用于、修改和/或适用于其他应用。

其他实施例旨在处于所附权利要求的范围内。

Claims

1.一种压力传感设备，包括：

细长第一传感器装置，处于梁构造中，所述细长第一传感器装置在至少一个纵向端部处由刚性支撑结构支撑并具有可弯曲形变部分；

腔室，相邻于所述第一传感器装置的第一向内面；

封套，将所述第一传感器装置和所述腔室气密密封与周围环境隔离；

所述封套包括柔性膜，所述柔性膜设置在所述第一传感器装置的第二向外面上方并与之耦合，并沿着所述第一传感器装置和所述腔室的至少一侧或两侧延伸。

2.根据权利要求1所述的压力传感设备，施加至第二面上的柔性膜的向内的压力使得附着在第一传感器可弯曲形变部分的柔性膜向内弯曲形变，并导致所述柔性膜沿着第一传感器装置和所述腔室的所述至少一侧或两侧向内和/或向外位移。

3.根据权利要求1所述的压力传感设备，其中，所述封套的所述柔性膜沿着所述第一传感器装置的纵向轴线的至少一部分包围所述绕第一传感器装置、所述腔室和所述支撑结构。

4.根据权利要求3所述的压力传感设备，其中，所述柔性膜形成套筒，所述套筒沿着所述纵向轴线并围绕所述第一传感器装置、所述腔室和所述支撑结构的至少一部分延伸。

5.根据权利要求4所述的压力传感设备，其中，所述支撑结构包括两个纵向端部，所述纵向端部各自封闭所述套筒的相应端部，以形成所述封套的气密密封。

6.根据权利要求1所述的压力传感设备，其中，所述细长第一传感器装置在每个纵向端部处由所述刚性支撑结构支撑，并且所述可弯曲形变部分是相对纵向端部之间的可弯曲形变中心部分。

7.根据权利要求6所述的压力传感设备，其中，所述刚性支撑结构的底座包括第二传感器装置，所述第二传感器装置相邻于所述腔室平行于所述第一传感器装置延伸。

8.根据权利要求7所述的压力传感设备，其中，所述刚性支撑结构还包括将所述底座与所述第一传感器分离以形成所述腔室的一对导电材料构成的间隔件，导电材料耦合至所述第一传感器装置和第二传感器装置的至少一个相应电端子。

9.根据权利要求8所述的压力传感设备，其中，所述封套包括导电材料，所述导电材料电耦合至所述间隔件中的第一间隔件并形成接地面，所述接地面覆盖所述第一传感器装置的至少一大部分。

10.根据权利要求5所述的压力传感设备，其中，所述纵向端部各自包括导电帽，所述导电帽围绕其圆周接合至所述套筒的相应端部以形成气密密封。

11.根据权利要求8所述的压力传感设备，其中，所述间隔件中的第二间隔件的导电材料电连接至远离所述封套延伸的天线。

12.根据权利要求11所述的压力传感设备，其中，所述天线包括弹性材料，所述弹性材料具有基本线性的轴向部和离轴横向延伸部的扩展形状记忆构造，所述材料能够弹性弯曲成基本线性的构造，以便经由导管输送所述设备。

13.根据权利要求1所述的压力传感设备，其中，所述柔性膜包括直接焊接、熔接或以其他方式接合至所述封套的至少一个导电端帽的金属材料。

14.根据权利要求1所述的压力传感设备，其中，所述柔性膜包括金属化聚合物，所述金属化聚合物接合至所述封套的至少一个导电端帽并通过电镀层与之电连续。

15.根据权利要求1所述的压力传感设备，其中，所述柔性膜包括玻璃材料，所述玻璃材料作为封闭端胶囊形成所述封套，至少有一个导电连接从所述封闭端胶囊密封中穿出。

16.根据权利要求15所述的压力传感设备，其中，至少两个导电连接从所述末端封闭的胶囊中穿出，并还包括环绕所述胶囊的导电套筒，所述导电套筒与所述导电接件中的一个电连接，以在所述胶囊周围形成接地面。

17.根据权利要求1所述的压力传感设备，其中，所述刚性支撑结构包括具有沟槽的外壳，所述第一传感器装置位于所述沟槽内，并且所述柔性膜包括密封所述外壳以形成所述封套的聚合物。

18.根据权利要求17所述的压力传感设备，其中，所述外壳包括通过电绝缘部彼此分离的第一与第二导电部分，每个导电部分耦合至所述第一传感器装置的相应电端子。

19.根据权利要求18所述的压力传感设备，其中，所述外壳的所述第一导电部分基本上长于所述第二导电部分以形成接地面，并且所述外壳的所述第二导电部分耦合至天线。

20.根据权利要求18所述的压力传感设备，其中，所述外壳的所述沟槽在所述端部处较窄以支撑所述第一传感器装置的所述相应电端子，并且在所述端部之间较宽以使得所述可弯曲形变部分能够在所述第一传感器装置的一侧或两侧处自由位移。

21.根据权利要求17所述的压力传感设备，其中，所述柔性膜涂有一层或多层材料以增加所述封套的气密性。

22.根据前述权利要求中任一项所述的压力传感设备，集成在颅内分流设备中。

23.根据权利要求22所述的压力传感设备，还包括所述颅内分流设备内的阀门，所述阀门设计成可由所述细长第一传感器装置的输出进行控制。