DD260863A1

DD260863A1 - PRESSURE TRANSDUCER

Info

Publication number: DD260863A1
Application number: DD30422887A
Authority: DD
Inventors: Gerd H Kunze
Original assignee: Messgeraetewerk Zwonitz Veb K
Priority date: 1987-06-29
Filing date: 1987-06-29
Publication date: 1988-10-12
Also published as: DE3821186C2; DE3821186A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Druckmesswandler zum Messen von Differenzdruckwerten in fluessigen Medien, vorzugsweise fuer die intrakorporale Druckmessung in physiologischen Fluessigkeiten des Menschen. Die Anwendung erfolgt insbesondere in der Neurologie (Hirndruckmessung) und der Kardiologie bei Langzeiteinsaetzen. Erfindungsgemaess verfuegt der Druckmesswandler ueber eine piezoresistive Widerstandsstruktur, die in den Membranbereich eines Halbleiterplaettchens mit Gegenkoerper integriert ist. Halbleiterplaettchen und Gegenkoerper sind in einem Umhuellungskoerper aus hochelastischem Material eingebettet, das fest am Gegenkoerper und den Randbereichen des Halbleiterplaettchens haftet, waehrend es im Membranbereich nur lose aufliegt. Der Trennbereich zwischen Membran und hochelastischem Material ist mit Druck beaufschlagbar. Dadurch ist eine Nullpunktskorrektur und Empfindlichkeitskontrolle in vivo moeglich. Fig. 3The invention relates to a pressure transducer for measuring differential pressure values in liquid media, preferably for intracorporeal pressure measurement in physiological fluids of man. The application is particularly in neurology (intracranial pressure measurement) and cardiology in long-term use. According to the invention, the pressure transducer has a piezoresistive resistance structure which is integrated in the membrane region of a semiconductor plate with a counter body. Semiconductor Plaettchen and Gegenkoerper are embedded in a Umhüllungskoerper of highly elastic material, which firmly adheres to the counter body and the edge regions of the semiconductor Plettettchens, while it rests only loosely in the membrane area. The separation area between membrane and highly elastic material can be pressurized. This allows zero-point correction and sensitivity control in vivo. Fig. 3

Description

Explanation of the essence of the invention

Die Aufgabe der Erfindung besteht in einem Miniaturdruckmeßwandler auf der Basis einer in Silizium integrierten druckabhängigen Widerstandsstruktur, die gegen mechanische und chemische Einflüsse dauerhaft geschützt ist, mit der Möglichkeit einer Nullpunkts- und Empfindlichkeitskontrolle in vivo, ohne dabei die Wandlergeometrie wesentlich zu beeinflussen.The object of the invention is a Miniaturdruckmeßwandler based on a built-in silicon pressure-sensitive resistor structure, which is permanently protected against mechanical and chemical influences, with the possibility of Zero point and sensitivity control in vivo, without significantly affecting the transducer geometry.

Erfindungsgemäß verfügt der Druckmeßwandler über ein Halbleiterplättchen aus monokristallinem Silizium mit einem dünnen, flexiblen, als Membran ausgebildeten Mittelteil, in dessen Oberfläche in Brücke geschaltete piezoresistive Widerstände eingearbeitet sind. Das Halbleiterplättchen ist mit einem Gegenkörper aus Silizium verbunden, wobei der Gegenkörper im Bereich der Membran eine Ausnehmung aufweist, so daß er zusammen mit dem Halbleiterplättchen eine Kammer bildet, die mit Druck beaufschlagbar ist. Halbleiterplättchen und Gegenkörper sind in einem Umhüllungskörper aus hochelastischem Material mit geringer Oberflächenrauhigkeit und geringer Stoffaustauschneigung gegenüber dem Meßmedium eingebettet, dessen Schichtdicke die Membranstärke um ein Vielfaches überschreitet. Halbleiterplättchen und Gegenkörper befinden sich in einem Gehäuse, das mindestens eine seitliche Öffnung für den Meßdruck aufweist.According to the invention, the pressure transducer has a semiconductor wafer of monocrystalline silicon with a thin, flexible, designed as a membrane center part, in the surface of which piezoresistive resistors are incorporated in bridge. The semiconductor chip is connected to a counter body made of silicon, wherein the counter body in the region of the membrane has a recess so that it forms a chamber together with the semiconductor chip, which can be acted upon by pressure. Semiconductor wafers and counter-bodies are embedded in a cladding body of highly elastic material with low surface roughness and low Stoffaustauschneigung against the measuring medium whose layer thickness exceeds the membrane thickness by a multiple. Semiconductor chip and counter-body are in a housing having at least one lateral opening for the measuring pressure.

Das hochelastische Material des Umhüllungskörpers haftet fest am Gegenkörper und an den Randbereichen desThe highly elastic material of the wrapping body adheres firmly to the counter body and to the edge areas of the body

Halbleiterpiättchens, während es im Membranbereich nur lose aufliegt. Der Trennbereich zwischen Membran und hochelastischem Material des Umhüllungskörpers ist über einen feinen Kanal mit Druck beaufschlagbar oder/und mit der Kammer zwischen Gegenkörper und Halbleiterplättchen verbunden. Diese Verbindung kann vorteilhafterweise durch eine kleine Öffnung in der Membran realisiert sein. Das lose Aufliegen des hochelastischen Materials im Membranbereich wird vorzugsweise durch das Aufbringen einer die Benetzung verhindernden dünnen Trennschicht bewirkt. Die Trennschicht verhindert während der Herstellung des Wandlers das Zustandekommen einer Klebeverbindung zwischen Membran und Umhüllungskörper, ermöglicht aber gleichzeitig dessen formschlüssiges Aufliegen auf der Membran und damit eine exakte Druckankopplung während des Meßvorganges.Semiconductor slide, while it rests loosely in the membrane area. The separation region between the membrane and the highly elastic material of the covering body can be pressurized via a fine channel and / or connected to the chamber between the counter-body and the semiconductor chip. This connection can advantageously be realized by a small opening in the membrane. The loose resting of the highly elastic material in the membrane region is preferably effected by the application of a wetting-preventing thin separating layer. The release layer prevents the formation of an adhesive bond between the membrane and the cover body during the production of the transducer, but at the same time allows its positive resting on the membrane and thus an exact pressure coupling during the measuring process.

Bei der Injektion von Luft durch den feinen Kanal kommt es zum blasenförmigen Anheben des hochelastischen Materials im Bereich der Membran, wenn der Injektionsdruck größer als der auf den Wandlerkopf wirkende Meßdruck ist. Wird der Injektionsdruckgleichzeitig an die Kammerzwischen Halbleiterplättchen und Gegenkörper angelegt, so wird die Membran durch den Meßdruck nicht mehr durchgewölbt, sie begibt sich in Ruhestellung.In the injection of air through the fine channel, the bubble-like lifting of the highly elastic material in the region of the membrane occurs when the injection pressure is greater than the measuring pressure acting on the transducer head. If the injection pressure is simultaneously applied to the chamber between the semiconductor chip and the counter-body, then the membrane is no longer arched through the measuring pressure, it goes to rest.

Die Brückennullspannung (Ausgangssignal im drucklosen Zustand) kann ermittelt und die gemessenen Druckwerte können entsprechend korrigiert werden.The bridge zero voltage (output signal in the de-pressurized state) can be determined and the measured pressure values can be corrected accordingly.

Wird ein definierter Unterdrücken den Injektionskanal angelegt, so legt sich das hochelastische Material des Umhüllungskörpers auf die Membran auf. Wenn dieser Unterdruck gleichzeitig an der Kammerzwischen Halbleiterplättchen und Membran angelegt wird, so kommt es zu einer Durchbiegung der Membran, die einem positiven Druck entspricht. Das Meßsignal wird um diesen Druckwert verschoben. Mit der Höhe der Druckstufe wird die Empfindlichkeit des Wandlers kontrolliert.If a defined suppression of the injection channel applied, so sets the highly elastic material of the envelope body on the membrane. If this negative pressure is simultaneously applied to the chamber between the semiconductor die and the membrane, the membrane will deflect to a positive pressure. The measuring signal is shifted by this pressure value. The level of the pressure level controls the sensitivity of the transducer.

embodiment

Die Zeichnung zeigt eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Druckmeßwandlers zur Langzeitdruckmessung im menschlichen Körper.The drawing shows a preferred embodiment of the pressure transducer according to the invention for long-term pressure measurement in the human body.

Fig. 1 Längsschnitt durch den Druckmeßwandler, Injektionsdruck kleiner als der Meßdruck Fig. 2 Querschnitt durch den Druckmeßwandler, Injektionsdruck kleiner als der Meßdruck Fig. 3 Längsschnitt durch den relevanten Teil des Druckmeßwandlers, Injektionsdruck größer als der Meßdruck Fig.4 Querschnitt durch den Druckmeßwandler, Injektionsdruck größer als der MeßdruckFig. 1 longitudinal section through the pressure transducer, injection pressure less than the measuring pressure Fig. 2 cross section through the pressure transducer, injection pressure less than the measuring pressure Fig. 3 longitudinal section through the relevant part of the pressure transducer, injection pressure greater than the measuring pressure Fig.4 cross section through the pressure transducer, Injection pressure greater than the measuring pressure

Für den angegebenen Anwendungsfall ist der Druckmeßwandler mit einem mindestens einlumigen Katheter 1 versehen, derzur Einführung und Positionierung des Wandlers zum gewünschten Meßort im menschlichen Körper, der Zuführung desReferenz- und des Injektionsdruckes sowie der Anschlußdrähte 4 dient. Der Katheter 1 sitzt dabei auf einem Stutzen 2 fest auf, der zur Abdichtung eine Epoxydharzfüllung 3 aufweist, in der die Anschlußdrähte 4 vergossen sind.For the specified application, the pressure transducer is provided with an at least single-lumen catheter 1, which serves for insertion and positioning of the transducer to the desired measurement location in the human body, the supply of the reference and the injection pressure and the connecting wires 4. The catheter 1 sits firmly on a socket 2, which has an epoxy resin filling 3 for sealing, in which the connecting wires 4 are potted.

Das rohrförmige Gehäuse 5 aus Edelstahl verfügt über zwei Öffnungen 11. Die Epoxydharzfüllung 3 reicht ein Stück in den rohrförmigen Teil des Gehäuses 5 hinein und verankert dort einseitig das Halbleiterplättchen 7, das aus monokristallinem Silizium mit einem dünnen, als Membran 10 ausgebildeten Mittelteil besteht, in dessen Oberfläche in Brücke geschaltete piezoresistive Widerstände eingearbeitet sind, die mit den Anschlußdrähten 4 elektrisch in Kontakt stehen. Das Halbleiterplättchen 7 ist mit einem Gegenkörper 8 aus Silizium verbunden, der im Bereich der Membran 10 über eine Ausnehmung verfügt, so daß er zusammen mit dem Halbleiterplättchen 7 eine Kammer 12 bildet, die über den Referenzdruckkanal 13 mit dem Referenzdruck bzw. Injektionsdruck beaufschlagbar ist. Das Gehäuse 5 weist eine Epoxydharzspitze 9 auf. Die Öffnungen 11 des Gehäuses 5 sind vollständig mit dem Silikonkautschuk des Umhüllungskörpers 6 ausgefüllt, das fest an den Oberflächen des Gehäuses 5, des Halbleiterpiättchens 7 und des Gegenkörpers 8 haftet. Im Bereich der Membran 10 liegt der Silikonkautschuk nur lose auf dieser auf. Zur vorteilhaften Herstellung des Druckmeßwandlers wird der Membranbereich vor Aufbringen des Umhüllungskörpers 6 mit einer die Benetzung verhindernden dünnen Trennschicht 16 versehen. Dieser Bereich steht über den Injektionskanal 14, ebenso wie der Referenzdruckkanal, mit dem Lumen des Katheters 1 in Verbindung. Wird über eine sich am proximalen Ende des Katheters 1 befindliche Lufteintrittsöffung eine Luftmenge injiziert, so daß der Druck im Katheter 1 größer ist als der Meßdruck, der auf die Gehäuseöffnungen 11 wirkt, so bildet sich über der Membran 10 eine Luftblase 15 aus (Fig. 3, Fig. 4). Damit liegt sowohl auf der Membranoberseite als auch auf der Rückseite (Kammer 12) derselbe Druck an. Die Membran 10 begibt sich unabhängig vom Meßdruck in ihre mechanische Ruhelage. Trotz anliegenden Meßdruckes kann also, ohne den Druckmeßwandler vom Meßort zu entfernen, dessen Nullpunktstabilität überprüft werden. Der Silikonkautschuk des Umhüllungskörpers 6 ist mit einer Schichtdicke aufgebracht, die die Membranstärke um ein Vielfaches überschreitet (Verhältnis ca. 600:1). Damit ergibt sich im Vergleich zu der dünnen Hülle eines Ballons bei Luftinjektion eine kaum spürbare Verformung der Oberfläche des Umhüllungskörpers 6 und damit des Druckmeßwandlers. Bei Messungen z.B. in dünnen Blutgefäßen kommt es somit durch die Injektion von Luft zum Nullpunktsabgleichzu keiner weiterenThe tubular housing 5 made of stainless steel has two openings 11. The Epoxydharzfüllung 3 extends a piece into the tubular part of the housing 5 and anchored there on one side of the semiconductor wafer 7, which consists of monocrystalline silicon with a thin, designed as a membrane 10 middle part in the surface of which is incorporated in bridge piezoresistive resistors, which are in electrical contact with the leads 4. The semiconductor chip 7 is connected to a counter body 8 made of silicon, which has a recess in the region of the membrane 10, so that it forms a chamber 12 together with the semiconductor chip 7, which can be acted upon via the reference pressure channel 13 with the reference pressure or injection pressure. The housing 5 has an epoxy resin tip 9. The openings 11 of the housing 5 are completely filled with the silicone rubber of the wrapping body 6, which firmly adheres to the surfaces of the housing 5, the Halbleiterpiättchens 7 and the counter body 8. In the region of the membrane 10, the silicone rubber is only loosely on this. For advantageous production of the pressure transducer, the diaphragm area is provided with a wetting-preventing thin separating layer 16 before the covering body 6 is applied. This area communicates via the injection channel 14, as well as the reference pressure channel, with the lumen of the catheter 1 in connection. If an air quantity is injected via an air inlet opening located at the proximal end of the catheter 1, so that the pressure in the catheter 1 is greater than the measuring pressure acting on the housing openings 11, an air bubble 15 forms over the membrane 10 (FIG. 3, Fig. 4). This is the same pressure on both the top of the membrane and on the back (chamber 12). The membrane 10 goes independent of the measuring pressure in its mechanical rest position. Despite applied measuring pressure can thus, without removing the pressure transducer from the measuring location, its zero stability are checked. The silicone rubber of the covering body 6 is applied with a layer thickness which exceeds the membrane thickness by a multiple (ratio about 600: 1). This results in comparison to the thin shell of a balloon with air injection, a barely noticeable deformation of the surface of the enclosure body 6 and thus of the pressure transducer. In measurements, e.g. Thus, in thin blood vessels, the injection of air for zeroing does not result in any further

Querschnittsverengung, die die Durchblutung behindern würde. Die dicke Silikonkautschukschicht des Umhüilungskörpers 6 sichert einen hohen Schutz gegen mechanische und chemische Einflüsse. Durch Einbringen einer Öffnung in die Membran 10 kann eine direkte Verbindung zwischen der Kammer 12 und der Luftblase 15 hergestellt werden, die den Druckausgleich zwischen beiden ermöglicht. In diesem Falle kann der Injektionskanal 14 entfallen. Aus der daraus resultierenden Wegverkürzung ergibt sich eine wesentlich geringere Phasenverschiebung zwischen Ober- und Unterseite der Membran 10 bei höherfrequenten Druckschwankungen.Cross-sectional narrowing that would hinder blood circulation. The thick silicone rubber layer of the Umhüilungskörpers 6 ensures high protection against mechanical and chemical influences. By introducing an opening in the membrane 10, a direct connection between the chamber 12 and the air bubble 15 can be made, which allows the pressure equalization between the two. In this case, the injection channel 14 can be omitted. The resulting shortening results in a significantly lower phase shift between the top and bottom of the membrane 10 at higher-frequency pressure fluctuations.

Claims

1. pressure transducer with a semiconductor chip of preferably monocrystalline silicon with a thin, flexible, designed as a diaphragm middle part, in the surface in piezoresistive resistors are incorporated, wherein the semiconductor chip is connected to a counter body made of silicon and the counter body in the region of the membrane Has recess so that it forms a chamber together with the semiconductor wafer, which can be acted upon with pressure, that semiconductor platelet and counter body are embedded in a cladding body of highly elastic material with low surface roughness and low Stoffaustauschneigung against the measuring medium whose layer thickness, the membrane thickness to a Many times exceeds and that the semiconductor chip and counter-body are in a housing having at least one lateral opening for the measuring pressure, characterized in that the highly elastic Materia l of the wrapping body (6) firmly adheres to the counter body (8) and to the edge regions of the semiconductor chip (7), while it rests loosely in the membrane region (10), and that the separation region between the membrane (10) and highly elastic material through a fine channel (14) is acted upon by pressure and / or with the chamber (12) between the counter body (8) and semiconductor chip (7) is connected.

2. Pressure transducer according to claim 1, characterized in that the connection of the chamber (12) between the counter body (8) and semiconductor chip (7) to the separation area between the membrane (10) and highly elastic material of the wrapping body (6) through a small opening in the Membrane (10) is realized.

3. Pressure transducer according to claims 1 and 2, characterized in that the loose resting of the highly elastic material of the wrapping body (6) in the membrane region (10) by applying a wetting preventing thin separating layer (16) is effected.

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Field of application of the invention

The invention relates to a pressure transducer for measuring differential pressure values in liquid media, preferably for intracorporeal pressure measurement in physiological fluids of humans. The application is particularly in neurology (intracranial pressure measurement) and cardiology in long-term use.

Characteristic of the known state of the art

A suitable in principle for the above application pressure transducer is shown in DD-WP 234.559. The pressure is measured on the basis of a silicon-integrated piezoresistive resistance structure, which is embedded to protect against mechanical and chemical influences in a body of highly elastic material whose layer thickness exceeds the thickness of the silicon membrane by a multiple and that at the surfaces of the membrane and the counter body firmly adheres. However, this transducer has no possibility of zero correction during the measurement in the human body. For a long-term use over several weeks, therefore, specimens with a high temporal stability of the zero point from the set of manufactured transducers must be specially selected with elaborate methods. Furthermore, converters have become known that work with miniaturized strain gauges and in which at any time a control and adjustment of the zero point from the outside is possible. For this purpose, a small balloon made of thinnest silicone rubber is stretched over the measuring membrane, which rests on the membrane during the measurement and can be inflated to zero point correction and thus decouples the measuring diaphragm from the measuring pressure. The disadvantage is above all that in the production of a technologically complex adaptation of the balloon must be made to the respective transducer geometry. Furthermore, the life of the balloon is very limited, even small leaks can lead to Meßwertverfälschung and destruction of the transducer. The volume increase which takes place during the inflation of the balloon required for zero correction is disadvantageous, in particular when measuring in thin vessels, since it leads to impairment of the blood circulation. When storing the transducer, a protection of the balloon material from UV light is required, so that the storage must be done in an additional protective cover. Overall, this solution thus results in a restriction of the medical utility values of the transducers.

Object of the invention

The aim of the invention is to provide a converter for the intracorporeal long-term pressure measurement with high reliability and service life, with low technological complexity and without limiting the medical use values.