DD289197A5 - Piezoresistiver sensor zur epiduralen messung des hirndruckes - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen piezoresistiven Sensor zur epiduralen Messung des Hirndruckes. Erfindungsgemaesz enthaelt ein nur in der Naehe seiner Randbereiche lokal abgeduennter Siliziumchip ueber den groeszten Teil seiner Oberflaeche monolithisch eine starre Platte und ist mit einem Gegenkoerper fest verbunden. Vier piezoresistive Widerstaende sind in der Naehe der starren Platte angeordnet. Siliziumchip mit Gegenkoerper sind am stirnseitigen Ende eines rohrfoermigen Gehaeuses montiert, wobei durch Einfuegen eines hochelastischen Materials die Stirnflaeche des Gehaeuses eine plane Flaeche bildet. Durch die direkte Wirkung des epiduralen Hirndrucks auf die starre Platte erfolgt eine Mittelung dieser lokal unterschiedlichen Flaechenkraefte. UEber die piezoresistiven Widerstaende wird ein druckproportionales Ausgangssignal mit geringen thermischen und zeitlichen Fehlerkennwerten erzielt. Fig. 1{Hirndruckmessung; Flaechenkraftmessung; Hirndruck, epiduraler; Hirndrucksensor; Drucksensor; Sensor, piezoresistiver; Siliziumchip; Platte, starre}

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur epiduralon Messung dos Hirndrucks für biomedizinische Anwendungen.

Charakteristik der bekannten Standes der Technik

Physikalisch gesehen stellt die epidurale Hirndruckmessung die Messung einer Flächenkraft dar, die sich aus der Überlagerung des Schädelinnendruckes und der elastischen Spannkraft der Dura ergibt/1/. Der für diese Messung verwendete Wandler muß eine bestimmte Mindestgröße aufweisen, um eine Mittelung der Flächenkräfte über einen bestimmten Bereich der Dura zu erzielen, da diese von Ort zu Ort sehr verschieden sein können. Aus diesem Grund verfügen übliche Sensoren zur epiduralen Hirndruckmessung über eine große, auslenkbare Koppelmembran, die an die Dura des Patienten angelegt und durch den Hirndruck ausgelenkt wird. Dadurch erhöht sich der Druck in dem von einer Koppelflüssigkeit gefüllten Volumen, das von der Κορμolmembran, der Gehäusewandung und einem mechanoelektrischen Druckwandlersystem umgrenzt wird. Durch das mechanoelektrische Druckwandlersystem wird ein elektrisches druckproportionales Ausgangssignal erzeugt. Dazu werden üblicherweise Resonatoren in Form von Topfkreisen/2/, /3/ oder piezoresistive Elemente/4/, /5/ verwendet. Auf Grund des relativ geringen Herstellungsaufwandes, insbesondere durch die Nutzung mikroelektronischer und mikromecharischer Verfahren zur Fertigung piezoresistiver Elemente auf Siliziumbasis, weisen dabei piezonsistive Drucksensoren Vorteile auf. Bei piezoresistiven Hirndrucksensoren trägt üblicherweise ein Gehäuse die Koppelmembran und den Drucksensorchip auf Siliziumbasis, der eine lokal abgedünnte Druckmembran enthält, auf der sich die piezoresistiven Elemente, im allgemeinen Widerstände, befinden. Das Volumen zwischen Koppel- und Druckmembran ist zur Druckübertragung mit einer ir.kompressiblen Koppelflüssigkeit gefüllt/5/. Die Koppelmembran kann dabei ebenfalls aus einem lokal abgedünnten Halbleitersubstrat bestehen/6/.

Unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten von Koppelmembran, Koppelflüssigkeit und Druckmembran; Glasblasen, die während der Füllung mit der Koppelflüssigkeit im Volumen zwischen Koppel- und Druckn;embran verbleiben sowie ggf. elastische Eigenschaften der Verbindungsstellen zwischen Gehäuse und Koppelmembran bzw. Drucksensorchip und Diuckmembran führen zu relativ großen Fehlerken:iwerten des Drucksensors, insbesondere zu thermischen und zeitlichen Driften. Durch die daraus resultierenden hohen konstruktiven Anforderungen und die große Zahl der konstruktiven Elemente ist zur Herstellung dieser Hirndrucksensoren ein hoher technologischer Aufwand erforderlich. LIt.:

/1/ J.ZIERSKI u.a.: Druckmessungen über korrespondierenden Punkten der harten Hirnhaut bzw. des Hirnes, Biomedizinisciie Technik 25 (1980) 9, S.205-210 /2/ DE-OS 3.000.907 /3/ DE-OS 3.126.093 /4/ OD-WP 157.996 /5/ DD-WP 157.997 /6/ DD-WP 230.079

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung besteht in der Verringerung der insbesondere nichtreproduzierbaren Fehler von piezoresistiven Sensoren zur epiduralen Hirndruckmessung sowie in der Senkung des technologischen Herstellungsaufwandos.

Darstellunq des Wesens der Erfindung

Aufgabe der Erfindung Ist es, einen konstruktiv vereinfachten Sensor zur Messung des epiduralen Hirndruckes zu schaffen, bei dem die infolge des Hirndruckes über die Dura auf den Sensor wirkende Flächenkraft ohne Verfälschung durch thermische oder zeitliche Veränderungen der Wandlerkennwerte auf das sensitive Element übertragen wird.

Erfindungsgernäß verfügt der Sensor über ein rohrförmiges Gehäuse und ein elastisch verformbares Bauteil in Form eines lokal abgedünnten Siliziumchips mit integrierten piezoresistiven Widerständen, wobei der Siliziumchip auf der den lokal abgedünnten Bereichen entgegengesetzten Seite mit einem Gegsnkörper fest verbunden ist. Dabei ist der Siliziumchip nur in der Nähe seiner Randbereiche lokal abgedünnt und enthält ansonsten über den größten Teil seiner Oberfläche monolithisch eine starre Platte. Der Gegenkörper weist eine lokale Vertiafung auf, die sich lateral über die starre Platte und den elastisch beweglichen Bereich des Siliziumchips erstreckt. Das rohrförmige Gehäuse besitzt im Innern seines stirnseitigen Endes einen stufenförmigen Absatz, in der der Gegenkörper befestigt ist. Auf der lokal abgedünnten Seite des Siüziumchips, mindestens jedoch in dessen lokal abgedünnten Randbareichen, und zwischen Gehäuse und Siliziumchip mit Gegenkörper befindet sich eine Schicht aus hochelastischem Material derart, daß diese Schicht und die Stirnfläche des Gehäuses eine plane Fläche bilden. Vorzugsweise enthält der Siliziumchip vier piezoresistive Widerstände, von denen zwei Widerstände Längswiderstände und zwei Widerstände Querwiderstände sind, wobei sich diese Widerstände in der Nähe der starren Platte befinden. Vorzugsweise ist jeder der vier Widerstände an jeweils einer Seite der starren Platte angeordnet.

Die Flächenkräfte der Dura wirken infolge des Hirndruckes auf die starre Platte des in seinen Randbereichen lokal abgedünnten Siliziumchips und verursachen deren Auslenkung. Die Auslenkung der starren Platte wird durch die lokale Vertiefung im Gegenkörper ermöglicht, wobei diese gleichzeitig als Anschlag und damit als Schutz vor Überlastung und Zerstörung dienen kann. Die in den abgedünnten Bereichen des Siliziumchips induzierten mechanischen Spannungen werden durch die piezoresistiven Widerstände in ein elektrisches Ausgangssignal umgeformt.

Durch die feste Verbindung des Siüziumchips mit dem Gegenkörper und des Gegenkörpers mit dem Gehäuse sind Kriech- und Hysteresefehler des Sensors sehr klein. Durch die direkte Wirkung des epiduralen Hirndrucks auf dia starre Platte erfolgt eine Mittelung dieser lokal unterschiedlichen Flächenkräfte, wobei thermische Fehler durch die Beschränkung auf ein funktionelles Konstruktionselement gering sind. Die Schicht aus hochelastischem Material, die insbssondere die lokal abgedünnten Randbereiche des Siliziumchips füllt, ermöglicht ein planes Anliegen des gesamten stirnseitigen Sensorteiles. Der Einfluß von Meßfehlern infolge einer nichtplanen Positionierung des Sensors auf der Dura kann dadurch vermindert werden, daß die vier piezoresistiven Widerstände in den jeweils vier entgegengesetzten Richtungen zur starren Platte angeordnet sind.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. Dabei zeigen

Fig. 1: einen Querschnitt des erfindungsgemäß ausgelegten Hirndrucksensors, Fig. 2: eine Draufsicht auf die Stirnseite des erfindungsgemäßen Hirndrucksensors, Fig. 3: eine Draufsicht auf die Widerstandsseite des Siliziumchips, Fig. 4: die elektrische Schaltung der piezoreöistiven Widerstände.

Gemäß Fig. 1 enthält der piezoresistive S.insor zur epiduralen Hirndruckmessung einen Siliziumchip 1, der monolithisch lokal abgedünnte Bereiche 2 und eine starre Platte 3 aufweist. Der Siliziumchip 1 ist auf der den lokal abgedünnten Bereichen 2 entgegengesetzten Seite mit einem Gegenkörper 4 fest verbunden. Der Gegenkörper 4 besteht dabei vorzugsweise aus einem Werkstoff, dessen thermischer Ausdehnungskoeffizient dem von Silizium engepaßt ist, beispielsweise aus Silizium oder Glas. Die feste Verbindung zwischen Siliziumchip 1 und Gegenkörper 4 kann durch übliche Verbindungsverfahren wie Kleben, Glaslöten, anodisches Bonden, elektrisches Löten, Diffusionsschweißen, Silizium-Silizium-Direktbondverfahren realisiert sein. Der Gegenkörper 4 enthält ein Loch 5, durch das der Referenzdruck, im allgemeinen der Luftdruck, auf den Siiiziumchip 1 wirken kann, und eine lokale Vertiefung 6 im Bereich der lokal abgedünnten Bereiche 2 und der starren Platte 3, die deren Auslenkung ermöglicht. Die Vertiefung 6 kann gleichzeitig als Anschlag für die starre Platte 3 bei Überlastung des Sensors dienen. Der Gegenkörper 4 kann außerdem eine Ausnehmung 7 enthalten, durch die die Bonddrähte 8 zur Kontaktierung des Siliziumchips 1 in das Innere des Sensors geführt v/erden. Diese Ausnehmung 7 ist nicht erforderlich, wenn der Siliziumchip 1 im Bereich der Kontaktflächen für die Bonddrähte 8 größere laterale Abmessungen als der Gegenkörper 4 besitzt.

Der Wandlerkern 9, bestehend aus dem Siliziumchip 1 und dem Gegenkörper 4, ist mit dem Gehäuse 10 fest verbunden. Dabei liegt der Wandlerkern 9 mit der Seite des Gegenkörpers 4 auf einem stufenförmigen Absatz 12 im Durchgangsloch 11 des Gehäuses 10 auf. Die feste Auflage erfolgt dabei an mindestens drei Punkten des stufenförmigen Absatzes 12, beispielsweise flächig auf dem größten Teil des Umfanges des Gegenkörpers 4. Zur Durchführung der Bonddrähte 8 zwischen Wandlerkern 9 und Gehäuse 10 kann der Absatz 12 eine Einsenkung 22 enthalten.

Das Gehäuse 10 des Hirndrucksensors besteht vorzugsweise aus einem biokompatiblen Werkstoff, z.B. Titan, und ist an seiner Stirnseite günstigerweise zylindrisch.

Der Raum zwischen dem Gehäuse 10 und dem Wandlerkern 9 sowie die Einsenkung 22 zur Durchführung der Bonddrähte 8 in das Innere des Gehäuses 10 ist mit einem Dichtwerkstoff 13 abgedichtet, der vorzugsweise biokompatibel ist und hochelastische Materialeigenschaften aufweist, um die Wirkung mechanischer Störspannungen auf den Siliziumchip 1 gering zu halten.

Auf der lokal abgedünnten Seite des Siliziumchips 1 befindet sich eine Deckschicht 14 aus einem hochelastischen Material, so daß die Stirnfläche 15 des Sensors eine plane Fläche bildet. Die Deckschicht 14 füllt dabei mindestens die lokal abgedünnten Bereiche 2 des Siliziumchips 1 aus, kann aber auch die starre Platte 2 bedecken, wenn die Dicke der starren Platte 3 kleiner als die Dicke des Chiprandes 16 ist, oder sich über die gesamte Stirnfläche 15 des Sensors erstrecken. Sowohl die hochelastische Deckschicht 14 als auch der Dichtwerkstoff 13 können beispielsweise aus Silikonkautschuk bestehen.

Die Kontaktierung des Siliziumchips 1 erfolgt über Bondinseln 21 und Bonddrähte 8, die zu einem Adapter 17 führen, der sich im Durchgangsloch 11 des Gehäuses 10 befindet. Die Bonddrähte 8 sind über Kontaktflächen 18 mit Anschlußdrähten 19 elektrisch leitend verbunden. Über die Anschlußdrähte 19 erfolgt die elektrische Speisung des Siliziumchips 1 (U₀ bzw. I₀) sowie die Messung des druckproportionalen elektrischen Ausgangssignals U₀ (Fig.4). Als Adapter 17 kann auch der Gegenkörper 4 dienen, wenn auf ihm die Kontaktflächen 18 aufgebracht werden.

Gemäß Fig. 2 ist die starre Platte 3 quadratisch ausgeführt. Parallel zu den Rändern der starren Platte 3 verlaufen die lokal abgedünnten Bereiche 2, die mittels anisotropem naßchemischem Siliziumätzen erzeugt werden. Dazu besteht der Siliziumchip 1 aus (lOO)-Silizium, wobei die Kanten der starren Platte 3 und der lokal abgedünnten Bereiche 2 kristallographisch in (110)-Richtung orientiert sind. In den lokal abgedünnton Bereichen 2 sind vier piezoresistive Widerstände 20 integriert, wovon entsprechend Fig.3 jeweils zwei Längswiderstände 20a und zwei Querwiderstände 20b sind. Die piezoresistiven Widerstände 20 befinden sich in der Nähe der starren Platte 3, da bei einer solchen Anordnung die auftretenden Linearitätsfehler minimale Werte annehmen. Die vier piezoresistiven Widerstände 20 sind gemäß Fig. 4 so zu einer Wheatstone-Vollbrücke zusammengeschaltet, daß die Längswiderstände 20a und die Querwiderstände 20b sich in jeweils gegenüberliegenden Brückenzweigen befinden.

Die Widerstände 20 der Brückenschaltung sind mit den Bondinseln 21 elektrisch leitend verbunden.

Zur Verringerung des Einflusses einer nichtplanen Positionierung der Stirnfläche 15 des Sensors und damit der starren Platte 3 zur Dura während der Hirndruckmessung sind jeder der vier piezoresistiven Widerstände 20 an jeweils einer Seite der starren Platte 3 angeordnet.

Für einen Nenndruckbereich von 1OkPa wurden beispielsweise für den in den Fig. 1 bis 4 dargestellten Hirndrucksensor gute Ergebnisse für folgende Abmessungen erzielt:

- Außendurchmesser des Gehäuses 10: 7,5 mm

- größte diagonale Lateralabmessung des Siliziumchips 1: 6 mm

- Dicke des Siliziumchios 1: 0,35 mm

- Kantenlänge der starren Platte 3: 1,5mm

- Breite der lokal abgedünnten Bereiche 2: 0,5 mm

- Dicke der lokal abgedünnten Bereiche 2: 0,01mm

- Länge der piezoresistiven Widerstände 20: 0,1mm

- Breite der piezoresistiven Widerstände 20: 0,02 mm

- Abstand der piezoresistiven Widerstände 20 b bzw. der Enden der piozoresistiven Widerstände 20 a von der starren Platte 3: 0,03 mm

Damit werden Empfindlichkeiten des Hirndrucksensors U_a (10kPa):U_o von ca. 1 % bei Linearitätsfehlern von kleiner als 1 % erreicht.

Claims (3)

1. Piezoresistiver Sensor zur spiduralen Messung des Hirndrucks, der über ein rohrförmiges Gehäuse verfügt und ein elastisch verformbares Bauteil in Form eines lokal abgedünnten Siliziumchips mit integrierten piezoresistiven Widerständen aufweist, wobei der Siliziumchip auf der den lokal abgedünnten Bereichen entgegengesetzten Seite mit einem Gegenkörper fest verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Siliziumchip nur in der Nähe seiner Randbereiche lokal abgedünnt ist und ansonsten über den größten Teil seiner Oberfläche monolithisch eine starre Platte enthält, daß der Gegenkörper eine lokale Vertiefung aufweist, die sich lateral über die starre Platte und den elastisch beweglichen Bereich des Siliziumchips erstreckt, daß das rohrförmige Gehäuse im Innern seines stirnseitigen Endes einen stufenförmigen Absatz besitzt, in der der Gegenkörper befestigt ist, und daß sich auf der lokal abgedünnten Seite des Siliziumchips, mindestens jedoch in dessen lokal abgedünnten Randbereichen, und zwischen Gehäuse und Siliziumchip mit Gegenkörper eine Schicht aus einem hochelastischen Material befindet und daß diese Schicht und die Stirnfläche des Gehäuses eine plane Fläche bilden.

2. Piezoresistiver Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Siliziumchip vier piezoresistive Widerstände enthält, von denen zwei Widerstände Längswiderstände und zwei Widerstände Querwiderstände sind und diese Widerstände in der Nähe der starren Platte angeordnet sind.

3. Piezoresistiver Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der vier Widerstände an jeweils einer Seite der starren Platte angeordnet ist.

Hierzu 3 Seiten Zeichnungen