DE102011009863B9

DE102011009863B9 - Keramikdurchführung mit Leitungselementen hoher Leitfähigkeit

Info

Publication number: DE102011009863B9
Application number: DE102011009863.1A
Authority: DE
Inventors: Jens Trötzschel
Original assignee: Heraeus Deutschland GmbH and Co KG
Current assignee: Heraeus Deutschland GmbH and Co KG
Priority date: 2011-01-31
Filing date: 2011-01-31
Publication date: 2020-08-13
Anticipated expiration: 2031-02-01
Also published as: US20120203294A1; DE102011009863B4; CN102614586B; DE102011009863A1; CN102614586A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrische Durchführung zum Einsatz in einem Gehäuse einer medizinisch implantierbaren Vorrichtung. Die elektrische Durchführung weist mindestens einen elektrisch isolierenden Grundkörper und mindestens ein elektrisches Leitungselement auf. Das Leitungselement ist eingerichtet, um durch den Grundkörper hindurch mindestens eine elektrisch leitende Verbindung zwischen einem Innenraum des Gehäuses und einem Außenraum herzustellen. Das Leitungselement ist hermetisch gegen den Grundkörper abgedichtet. Das mindestens eine Leitungselement weist mindestens ein Cermet auf.Das mindestens eine Leitungselement weist einen Querschnitt, eine Länge und eine spezifischen Widerstand auf, die mit einem ohmschen Längswiderstand der elektrisch leitenden Verbindung von kleiner gleich 1 Ohm verknüpft ist.Die Erfindung betrifft ferner eine medizinisch implantierbare Vorrichtung sowie eine Verwendung mindestens eines Cermet aufweisenden Leitungselements in einer elektrischen Durchführung für eine medizinisch implantierbare Vorrichtung.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Durchführung zum Einsatz in einem Gehäuse einer medizinisch implantierbaren Vorrichtung. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Durchführung für eine medizinisch implantierbare Vorrichtung.
In der nachveröffentlichten DE 10 2009 035 972 A1 wird eine elektrische Durchführung für eine medizinisch implantierbare Vorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 offenbart. Weiterhin werden eine Verwendung mindestens eines Cermet aufweisenden Leitungselementes in einer elektrischen Durchführung für eine medizinisch implantierbare Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Durchführung für eine medizinisch implantierbare Vorrichtung offenbart.
Aus dem Stand der Technik ist eine Vielzahl von elektrischen Durchführungen für verschiedene Anwendungen bekannt. Als Beispiele sind US 4678868 A , US 7564674 B2 , US 2008/0119906 A1 , US 7145076 B2 , US 7561917 B2 , US 2007/10183118 A1 , US 7260434 B1 , US 7761165 B1 , US7742817 B2 , US 7736191 B1 , US 2006/10259093 A1 , US 7274963 B2 , US 2004/116976 A1 , US7794256 B1 , US 2010/0023086 A1 , US 7502217 B2 , US 7706124 B2 , US 6999818 B2 , EP 1754511 A2 , US 7035076 B1 , EP 1685874 A1 , WO 03/073450 A1 , US 7136273 B2 , US 7765005 B2 , WO 2008/103166 A1 , US 2008/0269831 A1 , US 7174219 B2 , WO 2004/110555 A1 , US 7720538 B2 , WO 2010/091435 A2 , US 2010/0258342 A1 , US 2001/0013756 A1 , US 4315054 A und EP 0877400 A1 zu nennen.
In der DE 697 297 19 T2 wird eine elektrische Durchführung für eine aktive, implantierbare, medizinischen Vorrichtung - auch als implantierbare Vorrichtung oder Therapiegerät bezeichnet - beschrieben. Derartige elektrische Durchführungen dienen dazu, eine elektrische Verbindung zwischen einem hermetisch abgeschlossenen Inneren und einem Äußeren des Therapiegerätes herzustellen. Bekannte implantierbare Therapiegeräte sind Herzschrittmacher oder Defibrillatoren, die üblicherweise ein hermetisch dichtes Metallgehäuse aufweisen, welches auf einer Seite mit einem Anschlusskörper, auch Header oder Kopfteil genannt, versehen ist. Dieser Anschlusskörper weist einen Hohlraum mit mindestens einer Anschlussbuchse auf, die für die Konnektierung von Elektrodenleitungen dient. Die Anschlussbuchse weist dabei elektrische Kontakte auf, um die Elektrodenleitungen elektrisch mit der Steuerelektronik im Inneren des Gehäuses des implantierbaren Therapiegeräts zu verbinden. Eine wesentliche Voraussetzung für solche eine elektrische Durchführung ist die hermetische Dichtigkeit gegenüber einer Umgebung. Folglich müssen in einen elektrisch isolierenden Grundkörper eingebrachte Leitungsdrähte - auch als Durchleitungselementebezeichnet - ,über welche die elektrischen Signale laufen, spaltfrei in den Grundkörper eingebracht werden. Als Nachteil hat es sich dabei herausgestellt, dass die Leitungsdrähte im Allgemeinen aus einem Metall aufgebaut sind und in einen keramischen Grundkörper eingebracht werden. Um eine beständige Verbindung zwischen beiden Elementen sicherzustellen, wird die Innenfläche einer Durchgangsöffnung - auch als Öffnungen bezeichnet - im Grundkörper metallisiert werden, um die Leitungsdrähte einzulöten. Diese Metallisierung in der Durchgangsöffnung hat sich als schwierig aufzubringen herausgestellt. Nur mittels kostenintensiver Verfahren lässt sich eine gleichmäßige Metallisierung der Innenfläche der Bohrung und damit eine hermetisch dichte Verbindung der Leitungsdrähte mit dem Grundkörper durch Löten sicherstellen. Der Lötprozess selbst erfordert weitere Komponenten wie beispielsweise Lot-Ringe Zudem ist der Verbindungsprozess der Leitungsdrähte mit den vorab metallisierten Isolatoren unter Nutzung der Lot-Ringe ein aufwendiger und schwer zu automatisierender Prozess. Insbesondere sieht der Stand der Technik keine Möglichkeit vor, mit vereinfachten Mitteln elektrische Verbindungen herzustellen, die gleichermaßen eine hohe Dichtigkeit und gute elektrische Eigenschaften aufweisen.
In der Druckschrift US 5 769 874 A wird eine aktive, implantierbare, medizinische Vorrichtung sowie ein Batterieabteil für eine aktive, implantierbare, medizinische Vorrichtung beschrieben.
Allgemein besteht die Aufgabe darin, die sich aus dem Stand der Technik ergebenden Nachteile zumindest teilweise zu überwinden.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Verbindung, eine elektrische Durchführung für eine medizinisch implantierbare Vorrichtung zu schaffen, bei der mindestens eines der genannten Nachteile zumindest teilweise vermieden wird.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, eine Durchführung mit verbesserten elektrischen Eigenschaften vorzusehen.
Der Gegenstand der kategoriebildenden Ansprüche leistet einen Beitrag zur Lösung mindestens einer der Aufgaben. Die von diesen Ansprüchen abhängigen Unteransprüche stellen bevorzugte Ausgestaltungen dieser Gegenstände dar.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine elektrische Durchführung zum Einsatz in einem Gehäuse einer medizinisch implantierbaren Vorrichtung vorgeschlagen, mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Weiterhin wird zur Lösung dieser Aufgabe eine medizinisch implantierbare Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 10 vorgeschlagen. In den abhängigen Ansprüchen sind jeweils bevorzugte Weiterbildungen ausgeführt. Merkmale und Details, die in Zusammenhang mit der elektrischen Durchführung oder der medizinisch implantierbaren Vorrichtung beschrieben werden, gelten dabei auch in Zusammenhang mit dem Verfahren und jeweils umgekehrt.
Die Erfindung betrifft eine elektrische Durchführung zum Einsatz in einem Gehäuse einer medizinisch implantierbaren Vorrichtung. Die elektrische Durchführung weist mindestens einen elektrisch isolierenden Grundkörper und mindestens ein elektrisches Leitungselement auf. Das Leitungselement ist eingerichtet, um durch den Grundkörper hindurch mindestens eine elektrisch leitende Verbindung zwischen einem Innenraum des Gehäuses und einem Außenraum herzustellen. Das Leitungselement ist hermetisch gegen den Grundkörper abgedichtet. Das mindestens eine Leitungselement weist mindestens ein Cermet auf. Erfindungsgemäß weist das mindestens eine Leitungselement einen Querschnitt, eine Länge L und eine spezifischen Widerstand rc auf, mit denen ein ohmscher Längswiderstand der elektrisch leitenden Verbindung von R ≤ 1 Ohm vorgesehen wird. R gibt den elektrischen Widerstand des Leitungselements über den gesamten Längsverlauf des Leitungselements wieder.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung beträgt der ohmsche Längswiderstand R der elektrisch leitenden Verbindung R ≤ 2 Ohm, R ≤ 1 Ohm, R ≤ 500 mOhm, R ≤ 200 mOhm oder R ≤ 100 mOhm, insbesondere R ≤ 50 mOhm oder R ≤ 20 mOhm oder R ≤ 10 mOhm und bevorzugt R ≤ 5 mOhm, R ≤ 2 mOhm. Abhängig von dem zu übertragenen Strom und somit abhängig von der Anwendung kann auch ein Bereich von 500 mOhm ... 2 Ohm bevorzugt sein, oder ein Widerstand R nicht mehr als 5 oder 10 Ohm vorgesehen sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung beträgt die Länge L des Leitungselements L ≤ 500 µm, L ≤ 1 mm, L ≤ 2 mm oder L ≤ 3 mm. Bevorzugt ist L ≥ 300 µm oder ≥ 400 µm, und bevorzugt ≥ 500 µm, ≥ 1 mm, ≥ 1,5 mm oder ≥ 2 mm. L gibt die Streckenlänge des Leitungselements über den gesamten Längsverlauf des Leitungselements wieder. Vorzugsweise verläuft das Leitungselement entlang einer Geraden, insbesondere entlang einer Senkrechten zum Gehäuse.
Weiterhin ist vorgesehen, dass der Querschnitt einen Querschnittsflächeninhalt A aufweist und A ≤ 15 mm², A ≤ 10 mm², A ≤ 5 mm², A ≤ 2 mm², A ≤ 1 mm², A ≤ 0,5 mm² oder A ≤ 0,2 mm² beträgt, bevorzugt A ≤ 0,1 mm², A ≤ 0,07 mm² oder A ≤ 0,05 mm². Als weiteres, optionales Merkmal weist der Querschnitt eine polygonale Form oder eine Form mit kontinuierlicher Krümmung auf, insbesondere eine rechteckige, quadratische, ovale oder kreisförmige Form. Besonders bevorzugt sind zumindest annähernd kreisförmige, ovale oder rechteckige Querschnitte. A gibt den Flächeninhalt des Querschnitts des Leitungselements wieder. Vorzugsweise ist der Querschnitt bzw. der Querschnittsflächeninhalt A über den gesamten Längsverlauf des Leitungselements konstant. A kann ferner das Minimum des Querschnittsflächeninhalts über den gesamten Längsverlauf des Leitungselements wiedergeben, wenn der Querschnitt über den Längsverlauf variiert.
Eine Ausführungsform der elektrische Durchführung sieht vor, dass der Cermet ein Verhältnis von Metall- oder Legierungsanteil zu isolierendem Werkstoff aufweist, mit dem ein spezifischer Widerstand des Leitungselements von rc ≤ 1 × 10³ Ohm·mm²/m, rc ≤ 5 × 10² Ohm·mm²/m, oder rc ≤ 1 × 10² Ohm·mm²/m und bevorzugt von rc ≤ 80 Ohm·mm²/m, rc ≤ 50 Ohm·mm²/m, rc ≤ 20 Ohm·mm²/m, rc ≤ 10 Ohm·mm²/m, rc ≤ 1 Ohm·mm²/m, rc ≤ 0,5 Ohm·mm²/m, oder rc ≤ 0,3 Ohm·mm²/m vorgesehen wird. In einer spezifischen Ausführungsform wurde basierend auf einer Versuchsreihe ein Wert R von 20 ... 70 Ohm·mm2/m realisiert, insbesondere ein Wert von ca. 50 Ohm·mm²/m. Der isolierende Werkstoff des Cermets ist vorzugsweise ein keramischer Werkstoff, der als keramische Matrix vorgesehen werden kann. Der Metall- oder Legierungsanteil wird vorzugsweise vorgesehen von einem metallischen Werkstoff, der als metallische Matrix vorgesehen sein kann. Die Größe rc gibt den spezifischen Widerstand des Leitungselements wieder, wobei der Buchstabe c für „conductive“ steht und die Eigenschaft des Materials des Leitungselements.als elektrischer Leiter wiedergibt.
Weiterhin kann die erfindungsgemäße elektrische Durchführung eine Anzahl N von Leitungselementen aufweisen, wobei N 2 2, N ≥ 5, N ≥ 10, N ≥ 20, N ≥ 100, N ≥ 200, N ≥ 500, N ≥ 1000 beträgt. Die Leitungselemente können in einer oder in mehreren Reihen angeordnet sein, vorzugsweise entlang einer oder mehreren Geraden. Insbesondere kann der Abstand von aufeinanderfolgenden Leitungselementen dem Abstand von aufeinanderfolgenden Reihen entsprechen. Bei einer Anordnung in mehreren Reihen enthalten die Reihen vorzugsweise die gleiche Anzahl an Leitungselementen. In einer spezifischen Ausführungsform entspricht die Anzahl der Reihen der Anzahl von Leitungselementen pro Reihe, wobei die Anzahl von Leitungselementen pro Reihe für jede Reihe gleich ist. Die Leitungselemente können gleichartig ausgebildet sein, insbesondere in Hinblick auf Außenmaße, Form und elektrische Eigenschaften. Weiterhin kann die Anzahl der Leitungselemente das Quadrat einer natürlichen Zahl größer eins sein. N ist hierbei eine natürliche Zahl, die die Menge bzw. Anzahl individueller Leitungselemente pro Durchführung angibt.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Leitungselemente einen Abstand a von a ≤ 1 mm, a ≤ 500µm oder a ≤ 300 µm und bevorzugt a ≤ 100 µm oder a s 50 µm aufweisen. Der Abstand entspricht dem Abstand zwischen zwei nächstliegenden Punkten zweier benachbarter Leitungselemente. Mit dem Abstand a sowie mit einem spezifischer Widerstand ri eines elektrisch isolierenden Materials des Grundkörpers von ri ≥ 10¹² Ohm·mm²/m, ri ≥ 10¹³ Ohm·mm²/m, ri ≥ 10¹⁴ Ohm·mm²/m oder ri ≥ 10¹⁵ Ohm·mm²/m und bevorzugt von ri ≥ 10¹⁶ Ohm·mm²/m, ri ≥ 10¹⁷ Ohm·mm²/m, ri ≥ 10¹⁸ Ohm·mm²/m, oder ri ≥ 10¹⁹ Ohm·mm²/m wird ein Isolationswiderstand zwischen zwei der Leitungselemente von Ri ≥ 10⁵, Ri ≥ 10⁶, und bevorzugt von Ri ≥ 10⁸ oder Ri ≥ 10⁹ Ohm vorgesehen. Dieser Isolationswiderstand Ri wird ferner von der Umfangsfläche der Leitungselemente vorgesehen, deren Inhalt dem Inhalt eines Zylindermantels mit der Länge L und einem Durchmesserwert entspricht, wobei der Durchmesserwert der doppelten Quadratwurzel aus dem Quotienten des Querschnittsflächeninhalts A und der Kreiszahl Pi entspricht. Mit anderen Worten entspricht der Durchmesserwert dem Durchmesser des Leitungselements, wenn der Querschnitt des Leitungselements kreisförmig ist. Die Größe a ist hierbei der Abstand zwischen zwei nächstliegenden Punkten zweier nebeneinander angeordneter Leitungselemente. Die Größe ri ist der spezifische elektrische Widerstand des Materials, aus dem der Grundkörper besteht. Ri ist der Isolationswiderstand zwischen zwei nebeneinander angeordneten, individuellen Leitungselementen. Der Buchstabe i steht bei ri und Ri für „Isolator“.
Ferner betrifft eine Ausführungsform eine erfindungsgemäße elektrische Durchführung, wobei das mindestens eine Leitungselement und der Grundkörper eine gemeinsame stoffschlüssige Grenzfläche bilden, die eine Dichtigkeit aufweist, welche eine Helium-Leckrate dv ≤ 10^-7 atm·cm³/sec, dv ≤ 10^-8 atm · cm³/sec, dv ≤ 10^-9 atm·cm³/sec oder dv ≤ 10^-10 atm·cm³/sec und bevorzugt dv ≤ 10^-12 atm·cm³/sec oder dv ≤ 10^-15 atm·cm³/sec vorsieht, wobei sich die Leckrate nach dem Standard MIL-STD-883G, Method 1014, bestimmt. Die Größe dv betrifft die Volumendurchtrittsrate durch die Durchführung hindurch, d.h. von dem Innenraum zum Außenraum oder umgekehrt. Der Buchstabe „d“ steht hierbei für „differentiell“ und der Buchstabe „v“ steht hierbei für „Volumen“. Die Dichtigkeit entspricht insbesondere der Definition der hermetisch dichten Ausgestaltung, wie sie weiter unten beschrieben ist.
Weiterhin ist vorgesehen, dass der Grundkörper und das mindestens eine Leitungselement stoffschlüssig miteinander verbunden sind, insbesondere durch eine stoffschlüssige gesinterte Verbindung. Der Grundkörper und das mindestens eine Leitungselement können ferner über eine elektrisch leitende Lötverbindung oder über eine Glaslotverbindung miteinander stoffschlüssig verbunden sein. Insbesondere kann eine Hartlotverbindung den Grundkörper mit dem mindestens einen Leitungselement stoffschlüssig verbinden.
Schließlich betrifft die Erfindung eine elektrische Durchführung, wobei diese mindestens ein Leitungselement umfasst, das aus dem Grundkörper herausragt, und/oder mindestens ein Leitungselement mit einer Stirnfläche aufweist, die mit einer Oberfläche des Grundkörpers fluchtet. Insbesondere kann ein Ende eines Leitungselements aus dem Grundkörper herausragen oder fluchten, während das entgegengesetzte Ende desselben Leitungselements herausragt oder fluchtet.
Zudem betrifft die Erfindung eine medizinisch implantierbare Vorrichtung, insbesondere Herzschrittmacher oder Defibrillator, die mindestens eine erfindungsgemäße elektrische Durchführung umfasst.
Die erfindungsgemäße elektrische Durchführung ist zum Einsatz in einem Gehäuse einer medizinisch implantierbaren Vorrichtung vorgesehen. Die elektrische Durchführung weist mindestens einen elektrisch isolierenden Grundkörper auf. Ferner weist die elektrische Durchführung mindestens ein elektrisches Leitungselement auf. Das Leitungselement ist eingerichtet, um durch den Grundkörper hindurch mindestens eine elektrisch leitende Verbindung zwischen einem Innenraum des Gehäuses und einem Außenraum herzustellen.
Die derart vorgesehene elektrische Verbindung ist vorzugsweise eine - insbesondere für ein Gleichstromsignal - ohmsche Verbindung mit einem geringen Widerstand, d. h. einem Widerstand R von beispielsweise nicht mehr als 10 Ohm, 1 Ohm, 100 mOhm, 10 mOhm oder 1 mOhm. Das Leitungselement erstreckt sich durch den Grundkörper hindurch, d. h. entlang dessen Längserstreckungsrichtung. Das Leitungselement kann sich entlang einer Geraden erstrecken. Vorzugsweise erstreckt sich das Leitungselement entlang einer Längsachse des Grundkörpers oder parallel hierzu. Das Leitungselement kann einteilig oder mehrteilig ausgeführt sein und kann elektrische Zwischenelemente aufweisen, die einen Abschnitt der elektrisch leitenden Verbindung vorsehen. Das Leitungselement kann eine direkt an den Innenraum angrenzende Anschlussfläche sowie eine direkt an den Außenraum angrenzende Anschlussfläche aufweisen, die zur Kontaktierung des Leitungselements dienen.
Das Leitungselement ist hermetisch gegen den Grundkörper abgedichtet. Somit können Leitungselement und Grundkörper eine gemeinsame Grenzfläche aufweisen. An der Grenzfläche ist eine Dichtung ausgebildet, die die hermetische Abdichtung vorsieht. Die hermetische Abdichtung sieht die Leckrate dv vor.
Das mindestens eine Leitungselement weist mindestens ein Cermet auf. Das Cermet bildet insbesondere eine in Längsrichtung des Leitungselements durchgehende Struktur. Diese Struktur bildet zumindest Abschnitte der elektrisch leitenden Verbindung. Das Cermet weist einen geringen spezifischen Widerstand auf, der vorzugsweise nicht mehr als 10⁶, nicht mehr als 10⁴, nicht mehr als 10³, nicht mehr als 10² und insbesondere bevorzugt nicht mehr als 10 oder 1 Ohm·mm²/m beträgt. Die spezifische Leitfähigkeit entspricht dem Reziproken des vorgenannten spezifischen Widerstands.
Der Grundkörper ist teilweise oder vollständig aus dem isolierenden Werkstoff gebildet. Dieser Werkstoff entspricht dem hier beschriebenen mindestens einen elektrisch isolierenden Material des Grundkörpers. Der spezifischer Widerstand ri betrifft das elektrisch isolierende Materials des Grundkörpers.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die elektrische Durchführung mehrere Leitungselemente umfasst. Ein Anteil der Leitungselemente oder alle Leitungselemente verlaufen parallel zueinander. Ein Anteil oder alle der Leitungselemente der Durchführung sind äquidistant zueinander, vorzugsweise in Form einer Reihe oder in Form von mehreren, äquidistanten Reihen angeordnet. Eine erfindungsgemäße elektrische Durchführung kann mindestens 2, 5, 10, 20, 50, 100, 200, 500 oder 1000 Leitungselemente umfassen. Die Leitungselemente sind vorzugsweise nicht unmittelbar miteinander elektrisch verbunden. Die Leitungselemente bilden jeweils eine individuelle elektrische Verbindung. Die Anzahl der Leitungselemente pro elektrische Durchführung wird mit N bezeichnet.
Die elektrische Durchführung kann ein elektrisch leitendes Halterungselement aufweisen, das sich um die elektrische Durchführung herum erstreckt.
Ferner betrifft die Erfindung eine medizinisch implantierbare Vorrichtung, insbesondere einen Herzschrittmacher oder einen Defibrillator, wobei die medizinisch implantierbare Vorrichtung mindestens eine erfindungsgemäße elektrische Durchführung aufweist.
Ferner wird die Erfindung vorgesehen durch ein Gehäuse zur Verwendung für eine medizinisch implantierbare Vorrichtung, wobei das Gehäuse mindestens eine erfindungsgemäße Durchführung umfasst. Sowohl das Gehäuse als auch die Vorrichtung weisen einen Innenraum auf, wobei das Gehäuse und die Vorrichtung den Innenraum umschließen.
Die Erfindung wird zudem realisiert durch Verwendung mindestens eines Cermet aufweisenden Leitungselements in einer elektrischen Durchführung für eine medizinisch implantierbare Vorrichtung. Das Leitungselement weist den erfindungsgemäßen Längswiderstand R auf.
Schließlich wird die Erfindung realisiert mittels eines Verfahrens zur Herstellung einer elektrischen Durchführung für eine medizinisch implantierbare Vorrichtung. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf:

a. Erstellen mindestens eines Grundkörper-Grünlings für mindestens einen Grundkörper aus einem elektrisch isolierenden Werkstoff;
b. Formen mindestens eines cermethaltigen Leitungselement-Grünlings für mindestens ein Leitungselement;
c. Einbringen des mindestens einen Leitungselement-Grünlings in den Grundkörper-Grünling;
d. Brennen des Isolationselement-Grünlings mit dem mindestens einen Grundkörper-Grünling, um mindestens einen Grundkörper mit mindestens einem Leitungselement mit den hier genannten Eigenschaften zu erhalten.

Die Schritte a. und b. können zeitgleich oder in beliebiger Reihenfolge ausgeführt werden. Ferner kann der Schritt b. vor dem Schritt c. ausgeführt werden, um den Leitungselement-Grünling vor dem Einbringen in den Grundkörper-Grünling zu formen. Alternativ kann der Schritt b. während des Schritts c. ausgeführt werden, wobei während des Einbringens der cermethaltige Leitungselement-Grünling geformt wird.
Insbesondere kann das Verfahren zur Herstellung weitere Brennschritte umfassen, bei denen der Leitungselement-Grünling und/oder der Grundkörper-Grünling, vorgesintert wird, um vorgesinterte Grünlinge zu erhalten. Ferner kann das Verfahren vorsehen, dass ein Halteelement-Grünling, welcher den Grundkörper oder den Grundkörper-Grünling umgibt, ausgebildet oder geformt wird, insbesondere aus elektrisch leitendem oder elektrisch isolierendem Material.
Der Schritt a. kann ein teilweises Sintern des Grundkörper-Grünlings umfassen. In Kombination hiermit oder alternativ hierzu kann der Schritt b. ein teilweises Sintern des Leitungselement-Grünlings umfassen.
Der elektrisch isolierende Werkstoff des Grundkörpers bzw. des Grundkörper-Grünlings umfasst oder besteht im Wesentlichen aus den Materialien, die voranstehend als das mindestens eine Material des Grundkörpers beschrieben sind.
Weitere Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens sehen vor, dass ein Halteelement-Grünling erstellt wird, der insbesondere teilweise gesintert werden kann. Vorzugsweise wird der Halteelement-Grünling teilweise gesintert, nachdem dieser um den vorgesinterten oder nicht vorgesinterten Grundkörper-Grünling herum ausgeformt wurde. Das Halteelement bzw. der Halteelement-Grünling umfasst ein Cermet.
Der elektrisch isolierende Werkstoff ist vorzugsweise ein elektrisch isolierendes Material oder eine Werkstoffzusammensetzung. Die Werkstoffzusammensetzung umfasst mindestens ein Element der Gruppe bestehend aus Aluminiumoxid, Magnesiumoxid, Zirkoniumoxid, Aluminiumtitanat und Piezokeramik.
Die vorgeschlagene elektrische Durchführung ist für den Einsatz in einer medizinisch implantierbaren Vorrichtung eingerichtet, wobei die medizinisch implantierbare Vorrichtung insbesondere als aktive implantierbare medizinische Vorrichtung (AIMD) und besonders bevorzugt als Therapiegerät ausgestaltet sein kann.
Der Begriff einer medizinisch implantierbaren Vorrichtung umfasst grundsätzlich eine beliebige Vorrichtung, welche eingerichtet ist, um mindestens eine medizinische Funktion durchzuführen und welche in ein Körpergewebe eines menschlichen oder tierischen Benutzers einbringbar ist. Die medizinische Funktion kann grundsätzlich eine beliebige Funktion umfassen, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus einer therapeutischen Funktion, einer diagnostischen Funktion und einer chirurgischen Funktion. Insbesondere kann die medizinische Funktion mindestens eine Aktorfunktion aufweisen, bei der mittels mindestens eines Aktors mindestens ein Reiz auf das Körpergewebe ausgeübt wird, insbesondere ein elektrischer Reiz.
Der Begriff einer aktiven implantierbaren medizinischen Vorrichtung - auch als AIMD bezeichnet - umfasst grundsätzlich alle medizinisch implantierbaren Vorrichtungen, die elektrische Signale aus einem hermetisch dichten Gehäuse in einen Teil des Körpergewebes des Benutzers leiten können und/oder aus dem Teil des Körpergewebes des Benutzers empfangen können. So umfasst der Begriff der aktiven implantierbaren medizinischen Vorrichtung insbesondere Herzschrittmacher, Cochlea-Implantate, implantierbare Cardioverter/Defibrillatoren, Nerven-, Hirn-, Organ- oder Muskelstimulatoren sowie implantierbare Überwachungsgeräte, Hörgeräte, Retina-Implantate, Muskel-Stimulatoren, implantierbare Pumpen für Arzneimittel, künstliche Herzen, Knochenwachstumsstimulatoren, Prostata-Implantate, Magen-Implantate, oder dergleichen.
Die medizinisch implantierbare Vorrichtung, insbesondere die aktive implantierbare medizinische Vorrichtung, kann in der Regel insbesondere mindestens ein Gehäuse aufweisen, insbesondere mindestens ein hermetisch abgedichtetes Gehäuse. Das Gehäuse kann vorzugsweise mindestens eine Elektronik umschließen, beispielsweise eine Ansteuer- und/oder Auswerteelektronik der medizinisch-implantierbaren Vorrichtung.
Unter einem Gehäuse einer medizinisch implantierbaren Vorrichtung wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Element verstanden welches mindestens ein Funktionselement der medizinisch implantierbaren Vorrichtung, welches zur Durchführung der mindestens einen medizinischen Funktion eingerichtet ist oder die medizinische Funktion fördert, zumindest teilweise umschließt. Insbesondere weist das Gehäuse mindestens einen Innenraum auf, der das Funktionselement ganz oder teilweise aufnimmt. Insbesondere kann das Gehäuse eingerichtet sein, um einen mechanischen Schutz des Funktionselements gegenüber im Betrieb und/oder bei einer Handhabung auftretenden Belastungen zu bieten und/oder einen Schutz des Funktionselements gegenüber Umwelteinflüssen wie beispielsweise Einflüssen durch eine Körperflüssigkeit. Das Gehäuse kann insbesondere die medizinisch implantierbare Vorrichtung nach außen hin begrenzen und/oder abschließen.
Unter einem Innenraum ist hier ein Bereich der medizinisch implantierbaren Vorrichtung zu verstehen, insbesondere innerhalb des Gehäuses, welcher das Funktionselement ganz oder teilweise aufnehmen kann und welcher in einem implantierten Zustand nicht mit dem Körpergewebe und/oder nicht mit einer Körperflüssigkeit in Kontakt kommt. Der Innenraum kann mindestens einen Hohlraum aufweisen, welcher ganz oder teilweise geschlossen sein kann. Alternativ kann der Innenraum jedoch auch ganz oder teilweise ausgefüllt sein, beispielsweise durch das mindestens eine Funktionselement und/oder durch mindestens ein Füllmaterial, beispielsweise mindestens einen Verguss, beispielsweise durch ein Vergussmaterial in Form eines Epoxidharzes oder eines ähnlichen Materials.
Demgegenüber wird unter einem Außenraum ein Bereich außerhalb des Gehäuses verstanden. Dies kann insbesondere ein Bereich sein, welcher im implantierten Zustand mit dem Körpergewebe und/oder einer Körperflüssigkeit in Kontakt kommen kann. Alternativ oder zusätzlich kann der Außenraum jedoch auch ein Bereich sein oder einen Bereich umfassen, welcher lediglich von außerhalb des Gehäuses zugänglich ist, ohne dabei notwendigerweise in Kontakt mit dem Körpergewebe und/oder der Körperflüssigkeit zu geraden, beispielsweise ein für ein elektrisches Verbindungselement, beispielsweise einen elektrischen Steckverbinder, von außen zugänglicher Bereich eines Verbindungselements der medizinisch implantierbaren Vorrichtung.
Das Gehäuse und/oder insbesondere die elektrische Durchführung können insbesondere hermetisch dicht ausgestaltet sein, so dass beispielsweise der Innenraum hermetisch dicht gegenüber dem Außenraum abgedichtet ist. Die hermetisch dichte Ausgestaltung sieht insbesondere die hier und insbesondere in den Ansprüchen definierte Dichtigkeit vor. Im Rahmen der Erfindung kann der Begriff „hermetisch dicht“ dabei verdeutlichen, dass bei einem bestimmungsgemäßen Gebrauch innerhalb der üblichen Zeiträume (beispielsweise 5-10 Jahre) Feuchtigkeit und/oder Gase nicht oder nur minimal durch das hermetisch dichte Element hindurch dringen können. Eine physikalische Größe, die beispielsweise eine Permeation von Gasen und/oder Feuchtigkeit durch eine Vorrichtung, z.B. durch die elektrische Durchführung und/oder das Gehäuse, beschreiben kann, ist die sogenannte Leckrate, welche beispielsweise durch Lecktests bestimmt werden kann. Entsprechende Lecktests können beispielsweise mit Heliumlecktestern und/oder Massenspektrometern durchgeführt werden und sind im Standard Mil-STD-883G Method 1014 spezifiziert. Die maximal zulässige Helium-Leckrate wird dabei abhängig vom internen Volumen der zu prüfenden Vorrichtung festgelegt. Nach den in MIL-STD-883G, Method 1014, in Absatz 3.1 spezifizierten Methoden, und unter Berücksichtigung der in der Anwendung der vorliegenden Erfindung vorkommenden Volumina und Kavitäten der zu prüfenden Vorrichtungen, können diese maximal zulässigen Helium-Leckraten beispielsweise von 1 × 10^-8 atm*cm³/sec bis 1 × 10^-7 atm*cm³/sec betragen. Im Rahmen der Erfindung kann der Begriff „hermetisch dicht“ insbesondere bedeuten, dass die zu prüfende Vorrichtung (beispielsweise das Gehäuse und/oder die elektrische Durchführung oder das Gehäuse mit der elektrischen Durchführung) eine Helium-Leckrate von weniger als 1 × 10^-7 atm*cm³/sec aufweist. In einer vorteilhaften Ausführung kann die Helium-Leckrate weniger als 1 × 10^-8 atm*cm³/sec, insbesondere weniger als 1 × 10^-9 atm*cm³/sec betragen. Zum Zweck der Standardisierung können die genannten Helium-Leckraten auch in die äquivalente Standard-Luft-Leckrate konvertiert werden. Die Definition für die äquivalente Standard-Luft-Leckrate (Equivalent Standard Air Leak Rate) und die Umrechnung sind im Standard ISO 3530 angegeben.
Elektrische Durchführungen sind Elemente, welche eingerichtet sind, um mindestens einen elektrischen Leitungsweg (d.h. eine elektrisch leitende Verbindung) zu schaffen, der sich zwischen dem Innenraum des Gehäuses zu mindestens einem äußeren Punkt oder Bereich außerhalb des Gehäuses, insbesondere in dem Außenraum, erstreckt. Die elektrischen Durchführungen sind insbesondere Elemente, welche aufgrund ihres spezifischen Widerstands und ihrer Struktur eingerichtet sind, um den mindestens einen elektrischen Leitungsweg zu schaffen. So wird beispielsweise eine elektrische Verbindung mit außerhalb des Gehäuses angeordneten Leitungen, Elektroden und Sensoren ermöglicht.
Bei üblichen medizinischen implantierbaren Vorrichtungen ist in der Regel ein Gehäuse vorgesehen, welches auf einer Seite ein Kopfteil, auch Header oder Anschlusskörper genannt, aufweisen kann, der Anschlussbuchsen für das Anschließen von Zuleitungen, auch Elektrodenleitungen oder Leads genannt, tragen kann. Die Anschlussbuchsen weisen beispielsweise elektrische Kontakte auf, die dazu dienen, die Zuleitungen elektrisch mit einer Steuerelektronik im Inneren des Gehäuses der medizinischen Vorrichtung zu verbinden. Dort, wo die elektrische Verbindung in das Gehäuse der medizinischen Vorrichtung eintritt, ist üblicherweise eine elektrische Durchführung vorgesehen, die hermetisch dichtend in eine entsprechende Gehäuseöffnung eingesetzt ist.
Aufgrund der Einsatzart von medizinisch implantierbaren Vorrichtungen ist deren hermetische Dichtigkeit und Biokompatibilität in der Regel eine der vorrangigsten Anforderungen. Die hier erfindungsgemäß vorgeschlagene medizinisch implantierbare Vorrichtung kann insbesondere in einen Körper eines menschlichen oder tierischen Benutzers, insbesondere eines Patienten, eingesetzt werden. Dadurch ist die medizinisch implantierbare Vorrichtung in der Regel einer Flüssigkeit eines Körpergewebes des Körpers ausgesetzt. Somit ist es in der Regel von Bedeutung, dass weder Körperflüssigkeit in die medizinisch implantierbare Vorrichtung eindringt, noch das Flüssigkeiten aus der medizinisch implantierbaren Vorrichtung austreten. Um dieses sicherzustellen, sollte das Gehäuse der medizinisch implantierbaren Vorrichtung, und somit auch die elektrische Durchführung, eine möglichst vollständige Undurchlässigkeit aufweisen, insbesondere gegenüber Körperflüssigkeiten.
Weiterhin sollte die elektrische Durchführung eine hohe elektrische Isolation zwischen dem mindestens einen Leitungselement und dem Gehäuse und/oder, falls mehrere Leitungselemente vorgesehen sind, zwischen den Leitungselementen sicherstellen. Dabei werden vorzugsweise Isolationswiderstände von mindestens mehreren MOhm, insbesondere mehr als 20 MOhm, erreicht, sowie vorzugsweise geringe Verlustströme, die insbesondere kleiner sein können als 10 pA. Desweiteren liegt, falls mehrere Leitungselemente vorgesehen sind, das Übersprechen - auch als Crosstalk bezeichnet - und die elektromagnetische Kopplung zwischen den einzelnen Leitungselementen vorzugsweise unterhalb medizinisch vorgegebener Schwellen. Diese Isolationswiderstände entsprechen den Isolationswiderstand Ri.
Für die genannten Anwendungen ist die erfindungsgemäß offenbarte elektrische Durchführung besonders geeignet. Weiterhin kann die elektrische Durchführung auch in darüber hinausgehenden Anwendungen genutzt werden, die besondere Anforderungen an die Biokompatibilität, Dichtheit und Stabilität gegenüber Korrosion stellen.
Die erfindungsgemäße elektrische Durchführung kann insbesondere den oben genannten Dichtigkeitsanforderungen und/oder den oben genannten Isolationsanforderungen genügen.
Die elektrische Durchführung weist, wie oben ausgeführt, mindestens einen elektrisch isolierenden Grundkörper auf. Unter einem Grundkörper ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Element zu verstehen, welches in der elektrischen Durchführung einer mechanische Haltefunktion erfüllt, beispielsweise indem der Grundkörper direkt oder direkt das mindestens eine Leitungselement hält oder trägt. Insbesondere kann das mindestens eine Leitungselement vollständig oder teilweise direkt oder indirekt in den Grundkörper eingebettet sein, insbesondere durch eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Grundkörper und dem Leitungselement und besonders bevorzugt durch ein Co-Sintern des Grundkörpers und des Leitungselements. Der Grundkörper kann insbesondere mindestens eine dem Innenraum zuweisende Seite aufweisen und mindestens eine dem Außenraum zuweisende und/oder von dem Außenraum aus zugängliche Seite.
Der Grundkörper ist, wie oben ausgeführt, elektrisch isolierend ausgestaltet. Dies bedeutet, dass der Grundkörper vollständig oder zumindest bereichsweise aus mindestens einem elektrisch isolierenden Material hergestellt ist. Unter einem elektrisch isolierenden Material ist dabei ein Material zu verstehen, welches einen spezifischen Widerstand von mindestens 10⁷ Ohm*m aufweist, insbesondere von mindestens 10⁸ Ohm*m, vorzugsweise von mindestens 10⁹ Ohm*m und besonders bevorzugt von mindestens 10¹¹ Ohm*m. Dieser spezifische Widerstand entspricht vorzugsweise dem spezifischen Widerstand ri des elektrisch isolierenden Materials des Grundkörpers. Insbesondere kann der Grundkörper derart ausgestaltet sein, dass, wie oben ausgeführt, ein Stromfluss zwischen dem Leitungselement und dem Gehäuse und/oder zwischen mehreren Leitungselementen zumindest weit gehend verhindert wird, beispielsweise indem die oben genannten Widerstände zwischen dem Leitungselement und dem Gehäuse realisiert werden. Insbesondere kann der Grundkörper mindestens ein keramisches Material aufweisen.
Unter einem Leitungselement oder elektrischen Leitungselement ist hier allgemein ein Element zu verstehen, welches eingerichtet ist, um eine elektrische Verbindung zwischen mindestens zwei Orten und/oder mindestens zwei Elementen herzustellen. Insbesondere kann das Leitungselement einen oder mehrere elektrische Leiter, beispielsweise metallische Leiter, umfassen. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist, wie oben ausgeführt, das Leitungselement vollständig oder teilweise aus mindestens einem Cermet hergestellt. Zusätzlich können noch ein oder mehrere andere elektrische Leiter vorgesehen sein, beispielsweise metallische Leiter. Das Leitungselement kann beispielsweise in Form eines oder mehrerer Steckerstifte und/oder gekrümmter Leiter ausgestaltet sein. Das Leitungselement kann weiterhin beispielsweise auf einer dem Innenraum zuweisenden Seite des Grundkörpers und/oder der elektrischen Durchführung und/oder auf einer dem Außenraum zuweisenden oder von dem Außenraum aus zugänglichen Seite des Grundkörpers und/oder der elektrischen Durchführung einen oder mehrere Anschlusskontakte aufweisen, beispielsweise einen oder mehrere Steckverbinder, beispielsweise einen oder mehrere Anschlusskontakte, welche aus dem Grundkörper herausragen oder auf andere Weise elektrisch von dem Innenraum aus und/oder dem Außenraum aus kontaktierbar sind.
Das mindestens Leitungselement kann die elektrisch leitende Verbindung zwischen dem Innenraum und dem Außenraum auf verschiedene Weisen herstellen. Beispielsweise kann sich das Leitungselement von mindestens einem auf der dem Innenraum zuweisenden Seite des Grundkörpers angeordneten Abschnitt des Leitungselements zu mindestens einem auf der dem Außenraum zuweisenden oder der von dem Außenraum aus zugänglichen Seite erstrecken. Auch andere Anordnungen sind jedoch grundsätzlich möglich. So kann das Leitungselement beispielsweise auch eine Mehrzahl miteinander elektrisch leitend verbundener Teil-Leitungselemente umfassen. Weiterhin kann sich das Leitungselement in den Innenraum und/oder in den Außenraum hinein erstrecken. Beispielsweise kann das Leitungselement mindestens einen in dem Innenraum angeordneten Bereich und/oder mindestens einen in dem Außenraum angeordneten Bereich aufweisen, wobei die Bereiche beispielsweise miteinander elektrisch verbunden sein können. Verschiedene Ausführungsbeispiele werden unten noch näher erläutert.
Das mindestens eine Leitungselement kann auf einer dem Innenraum zu weisenden Seite des Grundkörpers und/oder der elektrischen Durchführung und/oder auf einer dem Außenraum zuweisenden oder von dem Außenraum aus zugänglichen Seite des Grundkörpers und/oder der elektrischen Durchführung mindestens ein elektrisches Verbindungselement aufweisen und/oder mit einem derartigen elektrischen Verbindungselement verbunden sein. Beispielsweise können, wie oben beschrieben, auf einer oder beiden der genannten Seiten jeweils ein oder mehrere Steckverbinder und/oder eine oder mehrere Kontaktflächen und/oder ein oder mehrere Kontaktfedern und/oder ein oder mehrere andere Arten von elektrischen Verbindungselementen vorgesehen sein. Das mindestens eine optionale Verbindungselement kann beispielsweise Bestandteil des mindestens einen Leitungselements sein und/oder kann elektrisch leitend mit dem mindestens einen Leitungselement verbunden sein. Beispielsweise können ein oder mehrere Leitungselemente der Durchführung mit einem oder mehreren inneren Verbindungselementen und/oder einem oder mehreren äußeren Verbindungselementen kontaktiert werden. Die Materialien der inneren Verbindungselemente sollten dauerhaft mit dem Leitungselement verbindbar sein. Die äußeren Verbindungselemente sollten müssen biokompatibel sein und sollten dauerhaft mit dem mindestens einen Leitungselement verbindbar sein.
Der elektrisch isolierende Grundkörper kann insbesondere das mindestens eine Leitungselement lagern. Das mindestens eine Material des Grundkörpers, d.h. das elektrisch isolierende Material des Grundkörpers sollte, wie oben ausgeführt, vorzugsweise biokompatibel sein und sollte einen ausreichend hohen Isolationswiderstand aufweisen. Für den erfindungsgemäßen Grundkörper hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn dieser ein oder mehrere Materialien aufweist, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Aluminiumoxid (Al₂O₃), Zirkoniumdioxid (ZrO₂), Aluminiumoxid verstärktes Zirkoniumoxid (ZTA), Zirkoniumoxid verstärktes Aluminiumoxid (ZTA - Zirconia Toughened Aluminum - Al₂O₃/ZrO₂), Yttrium verstärktes Zirkoniumoxid (Y-TZP), Aluminiumnitrid (AIN), Magnesiumoxid (MgO), Piezokeramik, Barium(Zr, Ti)oxid, Barium(Ce, Ti)oxid und Natrium-Kalium-Niobat. Die Materialien werden auch als Werkstoffe bezeichnet und können insbesondere als Werkstoffzusammensetzungen vorgesehen sein.
Ein Randkörper, der auch als Halteelement bezeichnet wird, umgreift den Grundkörper und dient als Verbindungselement zu dem Gehäuse der implantierbaren Vorrichtung. Die Materialien des Randkörpers müssen biokompatibel, leicht verarbeitbar, korrosionsbeständig und dauerhaft stoffschlüssig mit dem Grundkörper und dem Gehäuse verbindbar sein. Für den erfindungsgemäßen Randkörper hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn dieser mindestens eines der folgenden Metall und/oder eine Legierung auf Basis mindestens eines der folgenden Metalle aufweist: Platin, Iridium, Niob, Molybdän, Tantal, Wolfram, Titan, Kobalt-Chrom-Legierungen oder Zirkonium. Der Randkörper kann alternativ ein Cermet umfassen, wobei dies ebenso vorteilhaft hinsichtlich Dichtigkeit und Herstellungsverfahren ist.
Bei der vorgeschlagenen elektrischen Durchführung weist das mindestens eine Leitungselement mindestens ein Cermet auf.
Der Grundkörper kann insbesondere ganz oder teilweise aus einem oder mehreren sinterfähigen Materialien hergestellt sein, insbesondere aus einem oder mehreren sinterfähigen Materialien auf Keramik-Basis. Der oder die Leitungselemente können ganz oder teilweise aus einem oder mehreren sinterfähigen Materialien auf Cermet-Basis aufgebaut sein. Daneben kann das mindestens eine Leitungselement jedoch auch, wie oben ausgeführt, einen oder mehrere weitere Leiter aufweisen, beispielsweise einen oder mehrere metallische Leiter.
Im Rahmen der Erfindung wird als „Cermet“ ein Verbundwerkstoff aus einem oder mehreren keramischen Werkstoffen in mindestens einer metallischen Matrix oder ein Verbundwerkstoff aus einem oder mehreren metallischen Werkstoffen in mindestens einer keramischen Matrix bezeichnet. Zur Herstellung eines Cermets kann beispielsweise ein Gemisch aus mindestens einem keramischen Pulver und mindestens einem metallischen Pulver verwendet werden, welches beispielsweise mit mindestens mit einem Bindemittel und ggf. mindestens einem Lösungsmittel versetzt werden kann. Das bzw. die keramischen Pulver des Cermets weisen vorzugsweise eine mittlere Korngröße von weniger als 10 µm, bevorzugt weniger als 5 µm, besonders bevorzugt weniger als 3 µm auf. Das bzw. die metallischen Pulver des Cermets weisen vorzugsweise eine mittlere Korngröße von weniger als 15 µm, bevorzugt weniger als 10 µm, besonders bevorzugt weniger als 5 µm auf. Zur Herstellung eines Grundkörpers kann beispielsweise mindestens ein keramisches Pulver verwendet werden, welches beispielsweise mit mindestens einem Bindemittel und gegebenenfalls mindestens einem Lösungsmittel versetzt werden kann. Das bzw. die keramischen Pulver weist dabei vorzugsweise eine mittlere Korngröße von weniger als 10 µm (1 µm entsprechen 1 × 10^-6 m), bevorzugt weniger als 5 µm, besonders bevorzugt weniger als 3 µm auf. Als mittlere Korngröße wird dabei insbesondere der Medianwert oder d50-Wert der Korngrößenverteilung angesehen. Der d50-Wert beschreibt jenen Wert, bei dem 50 Prozent der Körner des keramischen Pulvers und/oder des metallischen Pulvers feiner sind und die anderen 50% grober sind als der d50-Wert.
Unter einem Sintern oder einem Sinterprozess wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung allgemein ein Verfahren zur Herstellung von Werkstoffen oder Werkstücken verstanden, bei welchem pulverförmigen, insbesondere feinkörnige, keramische und/oder metallische Stoffe erhitzt werden und dadurch verbunden werden. Dieser Prozess kann ohne äußeren Druck auf den zu erhitzenden Stoff erfolgen oder kann insbesondere unter erhöhtem Druck auf den zu erhitzenden Stoff erfolgen, beispielsweise unter einem Druck von mindestens 2 bar, vorzugsweise höheren Drucken, beispielsweise Drucken von mindestens 10 bar, insbesondere mindestens 100 bar oder sogar mindestens 1000 bar. Der Prozess kann insbesondere vollständig oder teilweise bei Temperaturen unterhalb der Schmelztemperatur der pulverförmigen Werkstoffe erfolgen, beispielsweise bei Temperaturen von 700°C bis 1400 °C. Der Prozess kann insbesondere vollständig oder teilweise in einem Werkzeug und/oder einer Form durchgeführt werden, so dass mit dem Sinterprozesses eine Formgebung verbunden werden kann. Neben den pulverförmigen Werkstoffen kann ein Ausgangsmaterial für den Sinterprozess mindestens einen weiteren Werkstoff umfassen, beispielsweise einen oder mehrere Binder und/oder ein oder mehrere Lösungsmittel. Der Sinterprozess kann in einem Schritt oder auch in mehreren Schritten erfolgen, wobei dem Sinterprozess beispielsweise weitere Schritte vorgelagert sein können, beispielsweise ein oder mehrere Formgebungsschritte und/oder ein oder mehrere Entbinderungsschritte.
Bei der Herstellung des mindestens einen Leitungselements und/oder optional bei der Herstellung des mindestens einen Grundkörpers kann insbesondere ein Verfahren eingesetzt werden, bei welchem zunächst mindestens ein Grünling hergestellt wird, aus diesem Grünling anschließend mindestens ein Braunling und aus dem Braunling anschließend durch mindestens einen Sinterschritt des Braunlings das fertige Werkstück. Dabei können für das Leitungselement und den Grundkörper getrennte Grünlinge und/oder getrennte Braunlinge hergestellt werden, welche anschließend verbunden werden können. Alternativ können jedoch auch für den Grundkörper und das Leitungselement ein oder mehrere gemeinsame Grünlinge und/oder Braunlinge erstellt werden. Wiederum alternativ können zunächst getrennte Grünlinge erstellt werden, diese Grünlinge dann verbunden werden und aus dem verbundenen Grünling anschließend ein gemeinsamer Braunling erstellt werden. Unter einem Grünling ist allgemein ein Vor-Formkörper eines Werkstücks zu verstehen, welcher das Ausgangsmaterial, beispielsweise das mindestens eine keramische und/oder metallische Pulver umfasst, sowie weiterhin gegebenenfalls ein oder mehrere Bindermaterialien und/oder ein oder mehrere Lösungsmittel. Unter einem Braunling ist ein Vor-Formkörper zu verstehen, welcher aus dem Grünling durch mindestens einen Entbinderungsschritt entsteht, beispielsweise mindestens einen thermischen und/oder chemischen Entbinderungsschritt, wobei in dem Entbinderungsschritt das mindestens eine Bindermaterial und/oder das mindestens eine Lösungsmittel zumindest teilweise aus dem Vor-Formkörper entfernt wird.
Der Sinterprozess, insbesondere für ein Cermet, jedoch auch beispielsweise für den Grundkörper, kann vergleichbar zu einem üblicherweise für homogene Pulvern verwendeten Sinterprozess ablaufen. Beispielsweise kann unter hoher Temperatur und ggf. hohem Druck das Material beim Sintervorgang verdichtet werden, so dass das Cermet nahezu dicht ist, oder eine höchstens geschlossene Porosität aufweist. Cermets zeichnen sich in der Regel durch eine besonders hohe Härte und Verschleißfestigkeit aus. Gegenüber Sinterhartmetallen hat ein Cermet enthaltendes Durchleitungselement in der Regel eine höhere Thermoschock- und Oxidationsbeständigkeit und in der Regel einen an einen umgebenden Isolator angepassten thermischen Ausdehnungskoeffizienten.
Für die erfindungsgemäße Durchführung kann die mindestens eine keramische Komponente des Cermets insbesondere mindestens eines der folgenden Materialien aufweisen: Aluminiumoxid (Al₂O₃), Zirkoniumdioxid (ZrO₂), Aluminiumoxid verstärktes Zirkoniumoxid (ZTA), Zirkoniumoxid verstärktes Aluminiumoxid (ZTA - Zirconia Toughened Aluminum - Al₂O₃/ZrO₂), Yttrium verstärktes Zirkoniumoxid (Y-TZP), Aluminiumnitrid (AIN), Magnesiumoxid (MgO), Piezokeramik, Barium(Zr, Ti)oxid, Barium(CE, Ti)oxid, oder Natrium-Kalium-Niobat.
Für die erfindungsgemäße Durchführung kann die mindestens eine metallische Komponente des Cermets insbesondere mindestens eines der folgenden Metalle und/oder eine Legierung auf Basis mindestens eines der folgenden Metalle aufweisen: Platin, Iridium, Niob, Molybdän, Tantal, Wolfram, Titan, Kobalt oder Zirkonium. Eine elektrisch leitfähige Verbindung stellt sich im Cermet in der Regel dann ein, wenn der Metallgehalt über der sogenannten Perkolationsschwelle liegt, bei der die Metallpartikel im gesinterten Cermet mindestens punktuell miteinander verbunden sind, so dass eine elektrische Leitung ermöglicht wird. Dazu sollte der Metallgehalt erfahrungsgemäß, abhängig von der Materialauswahl, 25 Volumen-% und mehr betragen, vorzugsweise 32 Volumen-%, insbesondere mehr als 38 Volumen-%.
Im Sinne der Erfindung werden die Begriffe „ein Cermet aufweisend“ und „cermethaltig“ synonym verwendet. Folglich bezeichnen beide Begriffe eine Eigenschaft eines Elements, bei welcher das Element cermethaltig ist. Von diesem Sinn auch umfasst ist die Ausführungsvariante, dass Element, beispielsweise das Leitungselement, aus einem Cermet besteht, also vollständig aus einem Cermet aufgebaut ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform können sowohl das mindestens eine Leitungselement als auch der Grundkörper einen oder mehrere Bestandteile aufweisen, welche in einem Sinterverfahren hergestellt oder herstellbar sind, oder das mindestens eine Leitungselement und der Grundkörper können beide in einem Sinterverfahren hergestellt oder herstellbar sein. Insbesondere können der Grundkörper und das Leitungselement in einem Co-Sinterverfahren, also einem Verfahren einer gleichzeitigen Sinterung dieser Elemente, hergestellt oder herstellbar sein. Beispielsweise können das Leitungselement und der Grundkörper jeweils ein oder mehrere keramische Bestandteile aufweisen, die im Rahmen mindestens eines Sinterverfahrens hergestellt und vorzugsweise verdichtet werden.
Beispielsweise kann ein Grundkörper-Grünling hergestellt werden aus einer isolierenden Werkstoffzusammensetzung. Dies kann beispielsweise durch ein Pressen der Werkstoffzusammensetzung in einer Form geschehen. Dazu handelt es sich vorteilhafterweise bei der isolierenden Werkstoffzusammensetzung um eine Pulvermasse, welche mindestens einen minimalen Zusammenhalt der Pulverpartikel aufweist. Die Herstellung eines Grünlings erfolgt dabei beispielsweise durch Verpressen von Pulvermassen, oder durch Formung durch plastische Formgebung oder durch Gießen und anschließende Trocknung.
Solche Verfahrensschritte können auch genutzt werden, um mindestens einen cermethaltigen Leitungselement-Grünling zu formen. Dabei kann beispielsweise vorgesehen sein, dass jenes Pulver, welches zu dem Leitungselement-Grünling verpresst wird, cermethaltig ist oder aus einem Cermet besteht oder mindestens ein Ausgangsmaterial für ein Cermet aufweist. Im Anschluss können die beiden Grünlinge - der Grundkörper-Grünling und der Leitungselement-Grünling - zusammengeführt werden. Die Herstellung des Leitungselement-Grünlings und des Grundkörper-Grünlings kann auch gleichzeitig erfolgen, z.B.: durch Mehrkomponentenspritzguss, Ko-Extrusion etc., so dass eine nachfolgende Verbindung nicht mehr notwendig ist.
Beim Sintern der Grünlinge werden diese vorzugsweise einer Wärmebehandlung unterzogen, welche unterhalb der Schmelztemperatur der Pulverpartikel des Grünlings liegt. So kommt es in der Regel zu einer Verdichtung des Materials und damit einhergehend zu einer deutlichen Verringerung der Porosität und des Volumens der Grünlinge. Eine Besonderheit des Verfahrens besteht folglich darin, dass vorzugsweise der Grundkörper und das Leitungselement zusammen gesintert werden können. Es bedarf dementsprechend vorzugsweise im Anschluss keiner Verbindung der beiden Elemente mehr.
Durch das Sintern wird das Leitungselement mit dem Grundkörper vorzugsweise kraftschlüssig und/oder formschlüssig und/oder stoffschlüssig verbunden. Dadurch wird vorzugsweise eine hermetische Integration des Leitungselementes in dem Grundkörper erzielt. Es bedarf vorzugsweise keines anschließenden Verlötens oder Verschweißens des Leitungselements in dem Grundkörper mehr. Vielmehr wird durch das bevorzugte gemeinsame Sintern und die bevorzugte Nutzung eines cermethaltigen Grünlings eine hermetisch dichtende Verbindung zwischen dem Grundkörper und dem Leitungselement erreicht.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass das Sintern ein nur teilweises Sintern des mindestens einen optionalen Grundkörper-Grünlings umfasst, wobei dieses teilweises Sintern beispielsweise den oben beschriebenen Entbinderungsschritt bewirken und/oder umfassen kann. Im Rahmen dieses nur teilweisen Sinterns wird der Grünling vorzugsweise wärmebehandelt. Dabei findet in der Regel schon eine Schrumpfung des Volumens des Grünlings statt. Allerdings erreicht das Volumen des Grünlings in der Regel nicht dessen Endstadium. Vielmehr bedarf es in der Regel noch einer weiteren Wärmebehandlung - ein endgültiges Sintern - bei dem der oder die Grünlinge auf ihre endgültige Größe geschrumpft werden. Im Rahmen dieser Ausführungsvariante wird der Grünling vorzugsweise nur teilweise gesintert, um schon eine gewisse Festigkeit zu erreichen, damit der Grünling leichter zu handhaben ist.
Das Ausgangsmaterial, welches zur Herstellung mindestens eines Grünlings des Leitungselements und/oder mindestens eines Grünlings des Grundkörpers verwendet wird, kann insbesondere ein trockenes Pulver sein oder ein trockenes Pulver umfassen, wobei das trockene Pulver trocken zu einem Grünling gepresst wird und eine ausreichende Adhäsion aufweist, um seine gepresste Grünlings-Form beizubehalten. Optional können jedoch zusätzlich zu dem mindestens einen Pulver ein oder mehrere weitere Komponenten in dem Ausgangsmaterial umfasst sein, beispielsweise, wie oben ausgeführt, ein oder mehrere Binder und/oder ein oder mehrere Lösungsmittel. Derartige Binder und/oder Lösungsmittel, beispielsweise organische und/oder anorganische Binder und/oder Lösungsmittel, sind dem Fachmann grundsätzlich bekannt und sind beispielsweise kommerziell erhältlich. Beispielsweise kann das Ausgangsmaterial einen oder mehrere Schlicker umfassen oder ein Schlicker sein. Ein Schlicker ist im Rahmen der Erfindung eine Suspension von Partikeln eines Pulvers aus einem oder mehreren Materialien in einem flüssigen Bindemittel, und ggf. in einem wasserbasierten oder organischen Bindemittel. Ein Schlicker weist eine hohe Viskosität auf und ist auf einfache Weise ohne hohen Druck zu einem Grünling formbar, etwa durch Gießen oder Spritzgießen oder durch plastische Formgebung.
Der Sinterprozess, der im Allgemeinen unterhalb der Schmelztemperatur der verwendeten Keramik-, Cermet- oder Metall-Materialien, in Einzelfällen aber auch knapp oberhalb der Schmelztemperatur der niederschmelzenden Komponente eines Mehrkomponenten-Gemischs, meist der Metall-Komponente, ausgeführt wird, führt bei Grünlingen aus Schlickern dazu, dass das Bindemittel langsam aus dem Schlicker hinaus diffundiert. Eine zu schnelle Erwärmung führt zu einer schnellen Volumenzunahme des Bindemittels durch Übergang in die gasförmige Phase und zu einer Zerstörung des Grünlings oder zur Bildung von unerwünschten Fehlstellen im Werkstück.
Als Bindemittel - auch als Binder bezeichnet können beispielsweise thermoplastische oder duroplastische Polymere, Wachse, thermogelisierende Substanzen oder oberflächenaktive Substanzen verwendet werden. Dabei können diese allein oder als Bindergemische mehrerer solcher Komponenten eingesetzt werden. Falls einzelne Elemente oder alle Elemente der Durchführung (Grundkörper-Grünling, Leitungselement-Grünling, Durchführungs-Rohlings) im Rahmen eines Extrudierverfahrens erstellt werden, sollte die Zusammensetzung des Binders so sein, dass der durch die Düse extrudierte Strang der Elemente soweit formstabil ist, dass die durch die Düse vorgegebene Form ohne weiteres eingehalten werden kann. Geeignete Binder, auch als Bindemittel bezeichnet, sind dem Fachmann bekannt.
Im Gegensatz zur Erfindung, gemäß der ein Leitungselement mindestens ein Cermet aufweist, handelt es sich im Stand der Technik bei dem Leitungselement um einen metallischen Draht oder ein andere metallisches Werkstück. Ein erfindungsgemäß mit einem Cermet ausgestaltetes Leitungselement kann leicht mit dem Grundkörper verbunden werden, da der Cermet und das Isolationselement Keramiken sind bzw. einen keramischen Werkstoff umfassen. Der Grundkörper kann auch als Isolationselement bezeichnet werden, um insbesondere die elektrische Funktion anzusprechen; hierbei sind die Begriffe austauschbar. Es können sowohl von dem Leitungselement als auch von dem Grundkörper Grünlinge erstellt werden, die im Anschluss einem Sinterprozess unterworfen werden. Die sich so ergebende elektrische Durchführung ist nicht nur besonders biokompatibel und beständig, sondern weist auch eine gute hermetische Dichtigkeit auf. Zwischen dem Leitungselement und dem Grundkörper ergeben sich keinerlei Risse oder noch zu lötende Verbindungsstellen. Vielmehr ergibt sich beim Sintern eine Verbindung des Grundkörpers und des Leitungselements. In einer besonders bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung ist deshalb vorgesehen, dass das mindestens eine Leitungselement aus einem Cermet besteht. In dieser Ausführungsvariante weist das Leitungselement nicht nur Bestandteile aus Cermet auf, sondern ist vollständig aus einem Cermet aufgebaut.
Cermets zeichnen sich allgemein in der Regel durch eine besonders hohe Härte und Verschleißfestigkeit aus. Die „Cermets“ und/oder „cermethaltigen“ Stoffe können insbesondere hartmetallverwandte Schneidstoffe sein oder umfassen, die jedoch ohne den Hartstoff Wolframkarbid auskommen können und beispielsweise pulvermetallurgisch hergestellt werden können. Ein Sinterprozess für Cermets und/oder das cermethaltige Leitungselement kann insbesondere wie bei homogenen Pulvern ablaufen, nur dass in der Regel bei gleicher Presskraft das Metall stärker verdichtet wird als die Keramik. Gegenüber Sinterhartmetallen hat das cermethaltige Leitungselement in der Regel eine höhere Thermoschock- und Oxidationsbeständigkeit. Die keramischen Komponenten können, wie oben ausgeführt, beispielsweise Aluminiumoxid (Al₂O₃) und/oder Zirkoniumdioxid (ZrO₂) sein, während als metallische Komponenten insbesondere Niob, Molybdän, Titan, Kobalt, Zirkonium, Chrom in Frage kommen.
Um die elektrische Durchführung in dem Gehäuse eines Herzschrittmachers zu integrieren, kann die elektrische Durchführung ein Halteelement aufweisen. Dieses Halteelement ist kranzartig um den Grundkörper angeordnet. Als kranzartig wird insbesondere eine Hülsenform mit eine sich radial nach außen erstreckender Wulst bezeichnet. Das Halteelement umschließt den Grundkörper, vorzugsweise vollumfänglich. Das Halteelement dient zur kraft- und/oder formschlüssigen Verbindung mit dem Gehäuse. Dabei muss eine fluiddichte Verbindung zwischen dem Halteelement und dem Gehäuse entstehen. In einer besonders vorteilhaften Ausführungsweise weist die elektrische Durchführung ein Halteelement auf, das ein Cermet aufweist. Das cermethaltige Halteelement kann einfach, dauerhaft und mit hermetischer Dichtigkeit mit dem Gehäuse der medizinisch implantierbaren Vorrichtung verbunden werden. In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Halteelement nicht nur ein Cermet aufweist, sondern aus einem Cermet besteht. Weiterhin ist es denkbar, dass das Leitungselement und das Halteelement materialeinheitlich sind. Bei dieser Variante werden für das Leitungselement und das Halteelement dieselben Materialien verwendet. Insbesondere handelt es sich dabei um ein beständiges, leitfähiges und biokompatibles Cermet. Da sowohl das Halteelement als auch das Leitungselement noch mit metallischen Komponenten verbunden werden, müssen beide entsprechende Voraussetzungen für ein Verschweißen oder Verlöten aufweisen. Falls ein Cermet gefunden ist, welches die oben genannten Voraussetzungen aufweist, kann man jenes sowohl für das Halteelement als auch für das Leitungselement nutzen, um so eine besonders preiswerte elektrische Durchführung zu erhalten.
Der Grundkörper kann in elektrischer Hinsicht auch als Isolationselement betrachtet werden, das elektrisch isolierend ist. Der Grundkörper ist aus einem elektrisch isolierenden Werkstoff gebildet, vorzugsweise aus einer elektrisch isolierenden Werkstoffzusammensetzung. Der Grundkörper ist eingerichtet, das Leitungselement von dem Halteelement oder - (falls kein Halteelement vorgesehen ist - von dem Gehäuse bzw. von den sonstigen Gegenständen der medizinisch implantierbaren Vorrichtung elektrisch zu isolieren. Elektrische Signale, die durch den Leitungsdraht laufen, sollen nicht durch einen Kontakt mit dem Gehäuse der implantierbaren Vorrichtung abgeschwächt oder kurzgeschlossen werden. Zusätzlich muss der Grundkörper eine biokompatible Zusammensetzung aufweisen, um medizinisch implantiert zu werden. Deshalb ist es bevorzugt, wenn der Grundkörper aus einem glaskeramischen oder glasartigen Material besteht. Als besonders bevorzugt hat es sich herausgestellt, wenn die isolierende Werkstoffzusammensetzung des Grundkörpers mindestens eine aus der Gruppe Aluminiumoxid (Al₂O₃), Magnesiumoxid (MgO), Zirkoniumoxid (ZrO₂), Aluminiumtitanat (Al₂TiO₅) und Piezokeramiken ist. Dabei weist Aluminiumoxid einen hohen elektrischen Widerstand und niedrige dielektrische Verluste auf. Zusätzlich werden diese Eigenschaften ergänzt durch die hohe thermische Beständigkeit, sowie die gute Biokompatibilität.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Durchführung zeichnet sich dadurch aus, dass das Halteelement mindestens einen Flansch aufweist, wobei insbesondere der Flansch metallisch leitend ist. Der Flansch dient dazu, die elektrische Führung gegenüber einem Gehäuse der implantierbaren Vorrichtung abzudichten. Durch das Halteelement wird die elektrische Durchführung in der implantierbaren Vorrichtung gehalten. In der hier beschriebenen Ausführungsvariante weist das Halteelement an einer Außenseite mindestens einen Flansch auf. Diese Flansche bilden ein Lager, in welches die Deckel der medizinisch implantierbaren Vorrichtung eingreifen können, vorzugsweise dichtend eingreifen können. Folglich kann das Halteelement mit den angeschlossenen Flanschen einen U- oder H-förmigen Querschnitt aufweisen. Durch die Integration mindestens eines Flansches in das Halteelement ist eine sichere, stoßfeste und dauerhafte Integration der elektrischen Durchführung in der implantierbaren Vorrichtung sichergestellt. Zusätzlich können die Flansche derart ausgestaltet sein, dass die Deckel der implantierbaren Vorrichtung clipartig kraft- und/oder formschlüssig mit dem Halteelement verbunden werden.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen elektrischen Durchführung zeichnet sich dadurch aus, dass der mindestens eine Flansch ein Cermet aufweist. Im Rahmen dieser Ausführungsvariante weist sowohl das Halteelement als auch der Flansch ein Cermet auf. Vorteilhafterweise sind Flansch und Halteelement materialeinheitlich. Durch die Ausgestaltung des Flansches als Cermet lässt sich dieser einfach und preiswert im Rahmen des hier beschriebenen Verfahrens als Teil des Halteelements zusammen mit dem Grundkörper und dem Leitungselement sintern.
Die Erfindung umfasst ferner eine Verwendung mindestens eines Cermet aufweisenden Leitungselementes in einer elektrischen Durchführung für eine medizinisch implantierbare Vorrichtung. Merkmale und Details, die in Zusammenhang mit der elektrischen Durchführung und/oder dem Verfahren beschrieben wurden, gelten dabei selbstverständlich auch in Zusammenhang mit der Verwendung eines cermethaltigen Leitungselements.
Teil der Erfindung ist ebenfalls eine medizinisch implantierbare Vorrichtung, insbesondere ein Herzschrittmacher oder Defibrillator mit einer elektrischen Durchführung nach mindestens einem der vorherig beschriebenen Ansprüche. Merkmale und Details, die in Zusammenhang mit der elektrischen Durchführung und/oder dem Verfahren beschrieben wurden, gelten dabei selbstverständlich auch in Zusammenhang mit der medizinisch implantierbare Vorrichtung.
Merkmale und Eigenschaften, die in Zusammenhang mit der elektrischen Durchführung beschrieben werden, gelten auch für das erfindungsgemäße Verfahren und umgekehrt.
Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, dass sowohl der Grundkörper, als auch das Leitüngselement keramische Bestandteile aufweisen, die im Rahmen eines Sinterverfahrens bearbeitet werden. Im Rahmen des Schrittes a) wird ein Grundkörper-Grünling aus einer isolierenden Werkstoffzusammensetzung erstellt. Dieses kann dadurch geschehen, dass die Werkstoffzusammensetzung in einer Form zusammengepresst wird. Dazu handelt es sich vorteilhafterweise bei der isolierenden Werkstoffzusammensetzung um eine Pulvermasse, welche mindestens einen minimalen Zusammenhalt der Pulverpartikel aufweist. Üblicherweise wird dies dadurch realisiert, dass eine Korngröße der Pulverpartikel 0,5 mm nicht überschreitet, wobei vorzugsweise eine mittlere Korngröße von weniger als 10 µm verwendet wird. Vorzugsweise werden Korngrößen verwendet, wie sie oben beschrieben sind. Die Herstellung eines Grünlings erfolgt dabei entweder durch Verpressen von Pulvermassen, oder durch Formung und anschließende Trocknung. Solche Verfahrensschritte werden auch genutzt, um den cermethaltigen Leitungselement-Grünling zu formen. Dabei ist vorgesehen, dass jenes Pulver, welches zu dem Leitungselement-Grünling verpresst wird, cermethaltig ist oder aus einem Cermet besteht. Die Grünlinge - insbesondere der Grundkörper-Grünling und der Leitungselement-Grünling - werden vorzugsweise im Anschluss hieran zusammengeführt. Nach diesem als Schritt c) bezeichneten Schritt erfolgt ein Brennen der beiden Grünlinge - auch als Sintern bezeichnet. Im Rahmen des Sinterns bzw. Brennens werden dabei die Grünlinge einer Wärmebehandlung unterzogen, welche unterhalb der Schmelztemperatur der Pulverpartikel des Grünlings liegt. Es kommt zu einer deutlichen Verringerung der Porosität und des Volumens der Grünlinge. Die erfindungsgemäße Besonderheit des Verfahrens besteht folglich darin, dass der Grundkörper und das Leitungselement zusammen gebrannt werden und das Leitungselement mit mindestens einer leitenden Fläche erzeugt wird. Es bedarf im Anschluss keiner Verbindung der beiden Elemente mehr und insbesondere muss keine leitende Fläche in einem weiteren Schritt erzeugt werden. Durch den Brennvorgang wird das Leitungselement mit dem Grundkörper kraft- und/oder form- und/oder stoffschlüssig verbunden. Dadurch ist eine hermetische Integration des Leitungselementes in dem Grundkörper erzielt. Es bedarf keines anschließenden Verlötens oder Verschweißens des Leitungselements in dem Grundkörper mehr. Vielmehr wird durch das gemeinsame Brennen und die Nutzung eines cermethaltigen Grünlings, d.h. des Leitungselement-Grünlings, eine hermetisch dichtende Verbindung zwischen dem Grundkörper und dem Leitungselement erreicht.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass der Schritt a) ein teilweises Sintern des Grundkörper-Grünlings umfasst. Im Rahmen dieses nur teilweisen Sinterns wird der Grünling des Isolationselements wärmebehandelt. Dabei findet schon eine Schrumpfung des Volumens des Isolationselement-Grünlings statt. Allerdings erreicht das Volumen des Grünlings nicht sein Endstadium. Vielmehr bedarf es noch einer weiteren Wärmebehandlung im Rahmen des Schrittes d), bei dem der Grundkörper-Grünling mit dem Leitungselement-Grünling auf ihre endgültige Größe geschrumpft wird. Im Rahmen dieser Ausführungsvariante wird der Grünling nur partiell wärmebehandelt, um schon eine gewisse Oberflächenhärte zu erreichen, damit der Grünling des Grundkörpers leichter zu handhaben ist. Dieses bietet sich insbesondere bei isolierenden Werkstoffzusammensetzungen an, welche nur unter gewissen Schwierigkeiten in eine Grünlingsform zu pressen sind.
Insbesondere wird eine Komponente der erfindungsgemäßen Durchführung als Grünling bezeichnet, wenn nicht alle Sinterschritte ausgeführt werden. Daher wird auch ein vorgesinterter oder angesinterter oder wärmebehandelter Grünling als Grünling bezeichnet, sofern nicht alle Wärmebehandlungs- oder Sinterschritte angeschlossen sind.
Eine weitere Ausführungsvariante zeichnet sich dadurch aus, dass auch der Leitungselement-Grünling im Schritt b) schon teilweise gesintert wird. Wie oben bei dem Grundkörper-Grünling beschrieben, kann auch der Leitungselement-Grünling angesintert werden, um schon eine gewisse Oberflächenstabilität zu erreichen. Es ist dabei zu beachten, dass in dieser Ausführungsvariante auch das endgültige, vollständige Sintern erst in Schritt d) geschieht. Folglich erreicht der Leitungselement-Grünling seine Endgröße auch erst im Schritt d).
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass mindestens ein cermethaltiger Halteelement-Grünling für ein Halteelement erzeugt wird. Der Leitungselement-Grünling wird in den Grundkörper-Grünling eingebracht. Der Grundkörper-Grünling wird in den Halteelement-Grünling eingebracht. Der Grundkörper-Grünling wird mit dem mindestens einen Leiterelement-Grünling und dem Halteelement-Grünling gebrannt. Es ergibt sich ein Grundkörper mit einem Leitungselement und einem Halteelement.
Die Besonderheit dieses Verfahrensschrittes besteht darin, dass neben dem Leitungselement-Grünling und dem Grundkörper-Grünling auch der Halteelement-Grünling in einem Schritt gesintert wird. Alle drei Grünlinge werden erstellt, dann zusammengefügt und im Anschluss als Einheit gebrannt bzw. gesintert. In einer besonderen Ausführungsvariante kann das Erzeugen des mindestens einen cermethaltigen Halteelement-Grünlings ein teilweises Sintern umfassen. Dabei ist auch wieder vorgesehen, dass der Einfassungs-Grünling teilweise angesintert wird, um eine erhöhte Oberflächenstabilität zu erreichen. Der Grundkörper-Grünling kann hierbei dielektrische Schicht oder einen piezoelektrischen Körper für die Filterstruktur ausbilden oder eine Aufnahme für ein frequenzselektives Bauteil.
Im Folgenden ist ein spezifisches Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Durchführung dargestellt.
Im ersten Schritt wird eine Cermet-Masse aus Platin (Pt) und Aluminiumoxid (Al₂O₃) mit 10% Zirkoniumdioxid (ZrO₂) hergestellt. Dabei werden folgende Ausgangsstoffe eingesetzt:

- 40 vol.% Pt-Pulver mit einer mittleren Korngröße von 10 µm und
- 60 vol.% Al₂O₃/ZrO₂-Pulver mit einem relativen Gehalt von 10% ZrO₂ und einer mittleren Korngröße von 1 µm.

Die beiden Komponenten wurden gemischt, mit Wasser sowie einem Binder versetzt und durch einen Knetprozess homogenisiert. Analog zum ersten Schritt wird in einem zweiten Schritt eine Keramikmasse aus einem Pulver mit einem Al₂O₃-Gehalt von 90% und einem ZrO₂-Gehalt von 10% hergestellt. Die mittleren Korngröße betrug etwa 1 µm. Das Keramikpulver wurde ebenfalls mit Wasser sowie einem Binder versetzt und homogenisiert. In einem dritten Schritt wurde die in Schritt zwei hergestellte Keramikmasse aus Aluminiumoxid mit einem Gehalt von 10% Zirkoniumdioxid in eine Form eines Grundkörpers gebracht. In eine Öffnung in dem Grünling des Grundkörpers wurde ein Cermet-Körper als Grünling eingebracht, der aus der in dem ersten Schritt hergestellten Cermet-Masse, enthaltend ein Gemenge aus Platinpulver und Aluminiumoxid mit einem Gehalt von 10% Zirkoniumdioxid, gefertigt wurde. Anschließend wurde die Keramikmasse in der Form verdichtet. Danach wurde die Cermet- und die Keramikkomponente bei 500°C entbindert und bei 1650°C fertiggesintert.
Weitere Maßnahmen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen. In der Zeichnungen ist die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels dargestellt.
Die 1 zeigt eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen elektrischen Durchführung in Schnittdarstellung.
Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen
Die 1 zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektrischen Durchführung 10 in Schnittdarstellung. Die in 1 dargestellte elektrische Durchführung 10 wird von einem optionalen Halteelement 20 radial umschlossen, das mit gestrichelten Linien dargestellt ist. Das optionale Halteelement 20 ist aus einem leitenden Werkstoff hergestellt, insbesondere aus einem Cermet, und weist eine umlaufende Wulst auf, um das Einsetzen in ein Gehäuse (nicht dargestellt) zu vereinfachen. Alternativ kann das Halteelement 20 auch aus Metall oder aus einer Metalllegierung vorgesehen sein.
Die elektrische Durchführung 10 weist ein Leitungselement 30 und einen Grundkörper 40 auf, wobei der Grundkörper elektrisch isolierend ist und das Leitungselement elektrisch leitend ist. Das Leitungselement 30 erstreckt sich vollständig durch den Grundkörper 40 hindurch und bietet somit eine elektrisch leitende Verbindung zwischen einem Innenraum und einem Außenraum. In 1 ist der Außenraum oberhalb der elektrischen Durchführung 10 angeordnet und der Innenraum ist unterhalb der elektrischen Durchführung 10 angeordnet. Vorzugsweise schließen sich Innenraum und/oder Außenraum unmittelbar an die in den Figuren dargestellte Durchführung 10 an.
Das Leitungselement 30 erstreckt sich entlang einer Geraden. Diese entspricht der Längsachse der Durchführung 10. Der Querschnitt des Leitungselements 30 ist kreisförmig. Es ergibt sich eine Kreiszylinderform, wobei die Stirnseiten 32 und 34 der Kreiszylinderform der Kontaktierung dienen und der Abschnitt des Zylindermantels, der von dem Grundkörper 40 umgeben ist, bildet zusammen mit dem sich daran anschließenden Grundkörper eine Grenzfläche 50. Ein Abschnitt des Leitungselements 30 steht aus dem Grundkörper 40 heraus und ist nicht von dem Grundkörper umgeben. Dieser Abschnitt des Leitungselements ragt in den Raum hinein, der sich unterhalb der Durchführung 10 unmittelbar an den Grundkörper anschließt.
Stirnflächen 32 und 34 des Leitungselements 30 grenzen unmittelbar an den Raum an, der sich an der Oberseite bzw. an der Unterseite der Durchführung anschließt. Die Stirnseiten des Leitungselements 30 können einer Seite der Durchführung 10 abschließen, und können aus einer der Seiten der Durchführung 10 herausragen. Die Stirnseite 32 des Leitungselements 30 schließt plan mit der Oberseite der Durchführung 10 ab und fluchtet somit mit der Oberseite. Die Stirnseite 34 des Leitungselements ist eine Stirnseite eines Endes des Leitungselements 30, das aus dem Grundelement herausragt. Eines der Enden des Leitungselements 30 ragt somit aus dem Grundkörper hinaus und bildet eine Stirnfläche 34, die gegenüber dem Grundkörper nach außen versetzt ist. Dies ermöglicht - abhängig von der Kontaktierungsstruktur - eine vereinfachte Kontaktierung.
Der Grundkörper 40 umgibt das Leitungselement 30 vollumfänglich. Der Grundkörper 40 und das Leitungselement 30 kontaktieren sich unmittelbar, wobei die sich ergebende Grenzfläche 50 gleichermaßen den Konturverlauf des Inneren des Grundkörpers 40 und den umfänglichen Konturverlauf des Leitungselements 30 wiedergibt. An der Grenzfläche 50 sind der Grundkörper 40 und das Leitungselement 30 stoffschlüssig, insbesondere durch gemeinsames Sintern, miteinander verbunden.
Bezugszeichenliste

10: elektrische Durchführung
20: Halteelement
30: Leitungselement
32, 34: obere, untere Stirnfläche des Leitungselements
40: Grundkörper
50: Grenzfläche

Claims

Elektrische Durchführung (10) zum Einsatz in einem Gehäuse einer medizinisch implantierbaren Vorrichtung, wobei die elektrische Durchführung (10) mindestens einen elektrisch isolierenden Grundkörper (40) und mindestens ein elektrisches Leitungselement (30) aufweist, wobei das Leitungselement (30) eingerichtet ist, um durch den Grundkörper (30) hindurch mindestens eine elektrisch leitende Verbindung zwischen einem Innenraum des Gehäuses und einem Außenraum herzustellen, wobei das Leitungselement (30) hermetisch gegen den Grundkörper (40) abgedichtet ist, und wobei das mindestens eine Leitungselement (30) mindestens ein Cermet aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Leitungselement (30) einen Querschnitt, eine Länge L und einenspezifischen Widerstand rc aufweist, mit denen ein ohmscher Längswiderstand der elektrisch leitenden Verbindung von R ≤ 2 Ohm vorgesehen wird.
Elektrische Durchführung (10) nach Anspruch 1, wobei R ≤ 2 Ohm, R ≤ 1 Ohm, R ≤ 500 mOhm, R ≤ 200 mOhm oder R ≤ 100 mOhm, insbesondere R ≤ 50 mOhm, R ≤ 20 mOhm oder R ≤ 10 mOhm und bevorzugt R ≤ 5 mOhm oder R ≤ 2 mOhm ist.
Elektrische Durchführung (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei L ≤ 500 µm, L ≤ 1 mm, L ≤2 mm oder L<= 3 mm ist.
Elektrische Durchführung (10) nach einem der Ansprüche 1-3, wobei der Querschnitt einen Querschnittsflächeninhalt A aufweist und A ≤ 15 mm², A ≤ 10 mm², A ≤ 5 mm², A ≤ 2 mm², A ≤ 1 mm², A ≤ 0,5 mm² oder A ≤ 0,2 mm² ist, und bevorzugt A ≤ 0,1 mm², A ≤ 0,07 mm², oder A ≤ 0,05 mm² ist, und wobei der Querschnitt eine polygonale Form oder eine Form mit kontinuierlicher Krümmung aufweist, insbesondere eine rechteckige, quadratische, ovale oder kreisförmige Form.
Elektrische Durchführung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Cermet ein Verhältnis von Metall- oder Legierungsanteil zu isolierendem Werkstoff aufweist, mit dem ein spezifischer Widerstand des Leitungselements von rc ≤ 1 × 10³ Ohm·mm²/m, rc ≤ 5 × 10² Ohm·mm²/m, oder rc ≤ 1 × 10² Ohm·mm²/m und bevorzugt von rc ≤ 80 Ohm·mm²/m, rc ≤ 50 Ohm·mm²/m, rc ≤ 20 Ohm·mm²/m, rc ≤ 10 Ohm·mm²/m, rc ≤ 1 Ohm·mm²/m, rc ≤ 0,5 Ohm·mm²/m oder rc ≤ 0,3 Ohm·mm²/m vorgesehen wird.
Elektrische Durchführung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Durchführung eine Anzahl N von Leitungselementen aufweist, wobei N ≥ 2, N ≥ 5, N ≤ 10, N ≥ 20, N ≥ 100, N ≥ 200, N ≥ 500, N ≥ 1000 beträgt.
Elektrische Durchführung nach Anspruch 6, wobei die Leitungselemente einen Abstand a von a<= 1 mm, a<= 500 µm oder a<= 300 µm und bevorzugt a<= 100 µm oder a<= 50 µm aufweisen, und wobei mit dem Abstand a sowie mit einem spezifischen Widerstand ri eineselektrisch isolierenden Materials des Grundkörpers (30) von ri ≥ 10¹² Ohm·mm²/m, ri ≥ 10¹³ Ohm· mm²/m, ri ≥ 10¹⁴ Ohm·mm²/m oder ri ≥ 10¹⁵ Ohm·mm²/m und bevorzugt von ri ≥ 10¹⁶ Ohm·mm²/m, ri ≥ 10¹⁷ Ohm·mm²/m, ri ≥ 10¹⁸ Ohm·mm²/m, und besonders bevorzugt von ri ≥ 10¹⁹ Ohm·mm²/m ein Isolationswiderstand zwischen zwei der Leitungselemente von Ri ≥ 10⁵, Ri ≥ 10⁶, und bevorzugt von Ri ≥ 10⁸ oder Ri ≥ 10⁹ Ohm vorgesehen wird.
Elektrische Durchführung nach einem der vorangehenden Ansprüchen, wobei das mindestens eine Leitungselement und der Grundkörper eine gemeinsame stoffschlüssige Grenzfläche bilden, die eine Dichtigkeit aufweist, welche eine Helium-Leckrate dv ≤ 10^-7 atm·cm³/sec, dv ≤ 10^-8 atm·cm³/sec, dv ≤ 10^-9 atm·cm³/sec oder dv ≤ 10^-10 atm·cm³/sec und bevorzugt dv ≤ 10^-12 atm·cm³/sec oder dv ≤ 10^-15 atm·cm³/sec vorsieht, wobei sich die Leckrate nach dem Standard MIL-STD-883G, Method 1014, bestimmt.
Elektrische Durchführung nach einem der vorangehenden Ansprüchen, wobei die Durchführung mindestens ein Leitungselement umfasst, das aus dem Grundkörper herausragt, und/oder mindestens ein Leitungselement mit einer Stirnfläche aufweist, die mit einer Oberfläche des Grundkörpers fluchtet.
Medizinisch implantierbare Vorrichtung, insbesondere Herzschrittmacher oder Defibrillator, mit mindestens einer elektrischen Durchführung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.