DE102017208625B3 - CONNECTOR ELEMENTS, SOCKET ELEMENT AND IMPLANTABLE ELECTRICAL CONNECTOR AND MANUFACTURING METHOD - Google Patents
CONNECTOR ELEMENTS, SOCKET ELEMENT AND IMPLANTABLE ELECTRICAL CONNECTOR AND MANUFACTURING METHOD Download PDFInfo
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Steckerelement und ein Buchsenelement zum elektrischen Kontaktieren des Steckerelements, insbesondere für den Einsatz bei implantierbaren Komponenten. Die vorliegende Erfindung bezieht sich weiterhin auf entsprechende Herstellungsverfahren zum Herstellen des Steckerelements und des Buchsenelements sowie auf einen implantierbaren miniaturisierten elektrischen Verbinder. Ein Steckerelement umfasst einen elektrisch isolierenden Steckergrundkörper (110), mindestens einen Kontaktstift (106), der an einer Kontaktfläche (112) des Steckergrundkörpers (110) so angeordnet ist, dass der Kontaktstift (106) mit einem Buchsenkontakt (108) verbindbar ist, und ein Anschlusselement (120), das mit dem Kontaktstift (106) elektrisch leitend verbunden ist. Der Kontaktstift (106) weist einen säulenförmigen Vorsprung (114), der an dem elektrisch isolierenden Steckergrundkörper (110) angeformt ist, eine im Inneren des Vorsprungs (114) verlaufende Leiterbahn (118), die mit dem Anschlusselement (120) verbunden ist, und eine an einer Außenfläche des Vorsprungs (114) angeordnete Kontaktschicht (116), die mit der Leiterbahn (118) verbunden und mit dem Buchsenkontakt (108) verbindbar ist, auf. The present invention relates to a plug element and a socket element for electrically contacting the plug element, in particular for use in implantable components. The present invention further relates to corresponding manufacturing methods for manufacturing the male member and the female member and to an implantable miniaturized electrical connector. A plug element comprises an electrically insulating connector base body (110), at least one contact pin (106) which is arranged on a contact surface (112) of the connector base body (110) such that the contact pin (106) is connectable to a socket contact (108), and a connection element (120), which is electrically conductively connected to the contact pin (106). The contact pin (106) has a columnar projection (114) which is integrally formed on the electrically insulating connector base body (110), a conductor track (118) running inside the projection (114), which is connected to the connection element (120), and a contact layer (116) disposed on an outer surface of the protrusion (114) and connected to the trace (118) and connectable to the female contact (108).
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Steckerelement und ein Buchsenelement zum elektrischen Kontaktieren des Steckerelements, insbesondere für den Einsatz bei implantierbaren Komponenten. Die vorliegende Erfindung bezieht sich weiterhin auf entsprechende Herstellungsverfahren zum Herstellen des Steckerelements und des Buchsenelements sowie auf einen implantierbaren miniaturisierten elektrischen Verbinder.The present invention relates to a plug element and a socket element for electrically contacting the plug element, in particular for use in implantable components. The present invention further relates to corresponding manufacturing methods for manufacturing the male member and the female member and to an implantable miniaturized electrical connector.
Implantierbare Verbinder spielen eine wichtige Rolle auf dem Gebiet der aktiven implantierbaren medizinischen Geräte (Active Implantable Medical Devices, AIMD). Solche Geräte umfassen üblicherweise eine Elektronikkomponente, welche die Batterie und die Steuerelektronik für das Implantat beinhaltet, und eine Zuleitung, meist ein Kabel mit einer Elektrode an dessen Ende. Um die Implantation zu erleichtern und darüber hinaus den Austausch von fehlerhaften, verbesserungsbedürftigen oder verbrauchten Teilen zu ermöglichen, wie beispielsweise die Batterien eines Herzschrittmachers, sind diese beiden Komponenten üblicherweise mittels eines elektrischen Verbinders miteinander verbunden. Wie beispielsweise in dem Artikel R. G. Hauser, B. J. Maron, „Lessons from the Failure and Recall of an Implantable Cardioverter-Defibrillator“, Circulation
Für Anwendungsgebiete wie Schrittmacher, Gehirnstimulatoren, Rückenmarkstimulatoren oder Nervenstimulatoren werden bereits seit einigen Jahren implantierbare Verbinder eingesetzt. Solche konventionellen Verbinder sind beispielsweise in dem Artikel P. E. K. Donaldson, „The Craggs Connector; a Termination for Copper Cable“ Med Biol Eng Comput, vol. 23, pp. 195-196, 1985, der Dissertation von M. Schuettler, „Dreidimensionale Formgebung planarer Mikroelektroden für die Neuroprothetik zur optimierten Ableitung und Stimulation am peripheren Nerven,“ Dissertation at the University of Saarland, 2002. Kapitel 10.3. und dem Datenblatt der Firma Bal Seal Engineering Inc, „SYGNUS Implantable Contact System- Integrated seal/contact system for active medical implantables, TMB-10-APG-2.5C-09/12,“ http://www.balseal.com/sites/default/files/SYGNUS- TMB10_091712.pdf (17.06.2015) beschrieben. Weitere herkömmliche implantierbare Verbinder sind in den Artikeln von M. Cocco, P. Dario, M. Torot, P. Pastacaldi, R. Sacchetti, „An Implantable Neural Connector Incorporating Microfabricated Components“, Journal of Micromechanical Microengineering 3, pp. 2 19-221, 1993 und J. E. Letechipia, P. H. Peckham, M. Gazdik, Die Patentschrift
Die Patentschrift
Die Patentschrift
Die bekannten Verbinder haben aber eine Vielzahl von Nachteilen. So kann beispielsweise keiner der herkömmlichen Verbinder in komplexen Systemen mit einer großen Anzahl von elektrischen Kanälen auf engstem Raum eingesetzt werden, weil die Abstände zwischen den einzelnen Kontakten zu groß sind. Obwohl es beispielsweise für Retina-Implantate Elektrodensysteme mit 232 Kanälen gibt, existieren keine entsprechend miniaturisierten implantierbaren Verbinder.However, the known connectors have a variety of disadvantages. For example, none of the conventional connectors in complex systems with a large number of electrical channels can be used in a confined space, because the distances between the individual contacts are too large. For example, although there are 232 channel electrode systems for retinal implants, there are no correspondingly miniaturized implantable connectors.
Weiterhin muss bei bekannten Verbindern häufig von außen nach dem Zusammenstecken des Stecker- und Buchsenteils eine Klebermasse zugegeben werden, um die erforderliche Isolation nach außen zu erreichen. Darüber hinaus werden oftmals zu hohe Steckkräfte benötigt, so dass der Verbinder leicht beschädigt werden kann.Furthermore, in known connectors often from the outside after the mating of the male and female part an adhesive mass must be added to the required isolation to the outside to reach. In addition, often too high insertion forces are required, so that the connector can be easily damaged.
Implantierbare Verbinder müssen eine Vielzahl von Anforderungen erfüllen. Zum einen müssen sie den allgemeinen Anforderungen genügen, die an jede Art von elektrischer Verbindung gestellt wird: niedriger Kontaktwiderstand, elektrische Isolation zwischen den einzelnen Kontakten und der Umgebung, Ausfallsicherheit sowie mechanische Stabilität. Darüber hinaus müssen implantierbare Verbinder biokompatibel sein und auch in einer feuchten, aggressiven Umgebung biostabil sein. Ein implantierbarer Verbinder muss weiterhin gegen jede Art von Flüssigkeit und Elektrolyt im Körper isoliert sein und den Reinigungs- und Desinfektionsprozeduren vor und während der Implantation standhalten.Implantable connectors must meet a variety of requirements. On the one hand, they must meet the general requirements of every type of electrical connection: low contact resistance, electrical insulation between the individual contacts and the environment, reliability and mechanical stability. In addition, implantable connectors must be biocompatible and biostable in a wet, aggressive environment. An implantable connector must continue to be isolated from any type of fluid and electrolyte in the body and to withstand the cleaning and disinfecting procedures before and during implantation.
Die Aufgabe, die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegt, besteht daher darin, verbesserte Stecker- und Buchsenelemente für einen implantierbaren elektrischen Verbinder anzugeben, welche die Nachteile der bekannten Lösungen überwinden und dabei effizient und kostengünstig herstellbar sind.The object on which the present invention is based, therefore, is to provide improved plug and socket elements for an implantable electrical connector, which overcome the disadvantages of the known solutions and are thereby produced efficiently and inexpensively.
Weiterhin ist es die Aufgabe der Erfindung, zugehörige Herstellungsverfahren und eine elektrische Verbinderanordnung anzugeben.Furthermore, it is the object of the invention to provide related manufacturing methods and an electrical connector assembly.
Diese Aufgaben werden durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand mehrerer abhängiger Patentansprüche.These objects are achieved by the subject matter of the independent claims. Advantageous developments of the present invention are the subject of several dependent claims.
Die vorliegende Erfindung basiert auf der Idee, ein Steckerelement mit einem vorzugsweise laserstrukturierten Grundkörper aus beispielsweise einem HTCC (high temperature cofired ceramic)-Material herzustellen, das mit einem elastischen Buchsenelement zusammengesteckt werden kann.The present invention is based on the idea of producing a plug element with a preferably laser-structured main body of, for example, a HTCC (high-temperature cofired ceramic) material, which can be plugged together with an elastic bush element.
Insbesondere weist ein Steckerelement gemäß der vorliegenden Erfindung einen elektrisch isolierenden Steckergrundkörper, mindestens einen Kontaktstift, der an einer Kontaktfläche des Steckergrundkörpers so angeordnet ist, dass der Kontaktstift mit einem Buchsenkontakt verbindbar ist, und ein Anschlusselement, das mit dem Kontaktstift elektrisch leitend verbunden ist, auf. Der mindestens eine Kontaktstift weist einen säulenförmigen Vorsprung, der an dem elektrisch isolierenden Steckergrundkörper angeformt ist, eine im Inneren des Vorsprungs verlaufende Leiterbahn, die mit dem Anschlusselement verbunden ist, und eine an einer Außenfläche des Steckergrundkörpers angeordnete Kontaktschicht, die mit der Leiterbahn verbunden und mit dem Buchsenkontakt verbindbar ist, auf.In particular, a plug element according to the present invention comprises an electrically insulating plug main body, at least one contact pin, which is arranged on a contact surface of the plug main body so that the contact pin is connectable to a female contact, and a connection element, which is electrically conductively connected to the contact pin on , The at least one contact pin has a columnar projection which is integrally formed on the electrically insulating connector base body, a conductor extending in the interior of the projection which is connected to the connection element, and a contact layer arranged on an outer surface of the connector base body which is connected to the conductor path and with can be connected to the socket contact.
Dadurch kann auf einfache Weise ein formstabiler Kontaktstift erzeugt werden, der insbesondere auch dazu geeignet ist, mit sehr geringer Größe und engen Abständen Kontaktarrays zu bilden. Der Kontaktstift selbst ist aus einem isolierenden Material hergestellt, so dass die erforderlichen Kriechstrom- und Isolationsabstände auch für engere Kontaktstiftraster eingehalten werden können.As a result, a dimensionally stable contact pin can be generated in a simple manner, which is in particular also suitable for forming contact arrays with a very small size and close distances. The contact pin itself is made of an insulating material, so that the required creepage and insulation distances can be maintained even for tighter contact pin grid.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der Steckergrundkörper aus einem Keramikmaterial hergestellt. Keramik ist mechanisch belastbar und biostabil.According to an advantageous embodiment of the present invention, the connector body is made of a ceramic material. Ceramic is mechanically resilient and biostable.
Beispielsweise kann ein sogenannter keramischer Grünkörper, z. B. eine mehrschichtige, glashaltige Aluminiumoxid-Grünfolie, strukturiert und dann durch Wärmeeinwirkung verfestigt werden (sog. Cofiring-Prozess). Die Bearbeitung derartiger Grünkörper kann in vorteilhafter Weise mittels einer Laserstrukturierung erfolgen. Dadurch können sehr feine Strukturen mit geringen Toleranzen hergestellt werden. Selbstverständlich können auch Schneide- und Stanzverfahren eingesetzt werden. Weiterhin können durch Aufeinanderlaminieren einer Vielzahl von Grünfolienschichten annähernd beliebige Schichtdicken hergestellt werden. Durch den Sinterprozess verfestigen sich die Grünfolien zu dem endgültigen keramischen Material, während die organischen Füllstoffe, die für die Flexibilität der Grünfolie verantwortlich sind, entweichen. Berücksichtigt werden muss dabei, dass, abhängig von dem verwendeten System, mit dem Sinterprozess eine deutliche Volumenschrumpfung des Materials einhergeht.For example, a so-called ceramic green body, for. As a multi-layer, glass-containing alumina green sheet, structured and then solidified by heat (so-called. Cofiring process). The processing of such green bodies can be carried out in an advantageous manner by means of laser structuring. As a result, very fine structures can be produced with low tolerances. Of course, cutting and punching methods can also be used. Furthermore, by laminating a plurality of green film layers approximately any desired layer thicknesses can be produced. Through the sintering process, the green sheets solidify to the final ceramic material, while the organic fillers responsible for the flexibility of the green sheet escape. It must be taken into account that, depending on the system used, the sintering process involves a significant volume shrinkage of the material.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung ist weiterhin mindestens eine elastische Isolierlage so an der Kontaktfläche des Steckergrundkörpers angeordnet, dass die Isolierlage den Kontaktstift umgibt. Diese Isolierlage hat den Vorteil, dass sie die Kontakte zum einen untereinander elektrisch isoliert, zum anderen eine Abdichtung gegen äußere Einflüsse ermöglicht, wenn das Steckerelement und das Buchsenelement zusammengesteckt sind. Die elastische Isolierlage kann beispielsweise aus einem Silikonmaterial, zum Beispiel auf der Basis von Polydimethylsiloxan (PDMS), hergestellt sein. Aufgrund ihrer Elastizität bildet diese Isolierlage ein Dichtungselement zwischen den beiden Teilen des elektrischen Verbinders aus. Zusätzliche Kleberschichten sind nicht mehr nötig. Dadurch wird der Herstellungsprozess vereinfacht und gleichzeitig die Lösbarkeit der Verbindung zwischen dem Steckerelement und dem Buchsenelement sichergestellt.According to an advantageous development of the present invention, furthermore, at least one elastic insulating layer is arranged on the contact surface of the connector base body such that the insulating layer surrounds the contact pin. This insulating layer has the advantage that it electrically isolates the contacts with each other, on the other hand enables a seal against external influences when the male member and the female member are plugged together. The elastic insulating layer can be made, for example, from a silicone material, for example based on polydimethylsiloxane (PDMS). Due to its elasticity, this insulating layer forms a sealing element between the two parts of the electrical connector out. Additional adhesive layers are no longer necessary. As a result, the manufacturing process is simplified while ensuring the solubility of the connection between the male member and the female member.
In vorteilhafter Weise ist das Anschlusselement mit einer Vielzahl von Elektrodenformen und Gerätezuleitungen verbindbar, beispielsweise mit isoliertem Draht oder einem flexiblen Flachleiter mit einer isolierenden Umhüllung aus Polyimid (PI) oder Polydimethylsiloxan (PDMS). Dies kann dadurch erreicht werden, dass das mindestens eine Anschlusselement auf der der Kontaktfläche gegenüberliegenden Rückseite des Grundkörpers angeordnet wird.Advantageously, the connection element can be connected to a multiplicity of electrode shapes and device feed lines, for example with insulated wire or a flexible flat conductor with an insulating sheath of polyimide (PI) or polydimethylsiloxane (PDMS). This can be achieved by arranging the at least one connection element on the rear side of the base body opposite the contact surface.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Kontaktschicht aus Gold, Platin oder einer Legierung daraus hergestellt. Die Vorteile solcher Edelmetalle beziehungsweise Edelmetalllegierungen sind u. a. ihre Korrosionsbeständigkeit, hohe elektrische Leitfähigkeit und gute Verarbeitbarkeit. Selbstverständlich können die Steckerelemente gemäß der vorliegenden Erfindung auch mit anderen Metallen oder elektrisch leitfähigen Materialien hergestellt werden.According to an advantageous embodiment of the present invention, the contact layer is made of gold, platinum or an alloy thereof. The advantages of such precious metals or precious metal alloys are u. a. their corrosion resistance, high electrical conductivity and good processability. Of course, the connector elements according to the present invention can also be made with other metals or electrically conductive materials.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich weiterhin auf ein Buchsenelement zum elektrischen Kontaktieren eines Steckerelements. Das Buchsenelement weist einen elektrisch isolierenden Buchsengrundkörper und mindestens ein Buchsenkontaktelement, das mit einem Kontaktstift des Steckerelements verbindbar ist, auf. Der elektrisch isolierende Buchsengrundkörper hat eine Vertiefung, wobei ein Buchsenkontaktelement so an der Vertiefung angeordnet ist, dass das Buchsenkontaktelement beim Zusammenstecken von Steckerelement und Buchsenelement durch den Kontaktstift in die Vertiefung hinein auslenkbar ist. Ein solches federelastisches Kontaktelement hat den Vorteil, dass ein gleichmäßiger mechanischer und elektrischer Kontakt zwischen dem Buchsenkontaktelement und einem zugehörigen Kontaktstift sichergestellt werden kann, ohne zusätzliche federnde Verriegelungsvorrichtungen vorsehen zu müssen. Dadurch kann auch der Abstand zwischen den einzelnen Kontaktelementen in einem Array gering gehalten werden.The present invention further relates to a female member for electrically contacting a male member. The socket element has an electrically insulating bushing base body and at least one socket contact element which can be connected to a contact pin of the plug element. The electrically insulating bushing main body has a recess, wherein a socket contact element is arranged on the recess, that the socket contact element during mating plug element and socket element by the contact pin is deflected into the recess inside. Such a resilient contact element has the advantage that a uniform mechanical and electrical contact between the socket contact element and an associated contact pin can be ensured without having to provide additional resilient locking devices. As a result, the distance between the individual contact elements in an array can be kept low.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der Buchsengrundkörper wenigstens teilweise aus einem Keramikmaterial oder aus einem Silikonmaterial, beispielsweise Polydimethylsiloxan (PDMS), hergestellt. Die Verwendung eines Silikonmaterials hat den Vorteil, dass der Grundkörper des Buchsenelements elastisch ist und dichtend an ein biegesteifes Steckerelement angelegt werden kann. Dadurch kann eine genügende Isolation der Steckverbindung nach außen auch in aggressiver und feuchter Umgebung sichergestellt werden.According to an advantageous embodiment of the present invention, the socket main body is at least partially made of a ceramic material or of a silicone material, for example polydimethylsiloxane (PDMS). The use of a silicone material has the advantage that the base body of the sleeve element is elastic and can be applied sealingly against a rigid plug element. As a result, a sufficient insulation of the connector can be ensured to the outside in an aggressive and humid environment.
Auf besonders einfache Art und Weise kann das federnde Buchsenkontaktelement durch mindestens eine freitragende, elektrisch leitfähige Kontaktfahne gebildet werden. Beispielsweise kann ein symmetrisch um die Vertiefung herum angeordneter Ring von einer Vielzahl von kreissegmentförmigen Kontaktfahnen vorgesehen sein. Selbstverständlich können auch andersartig geformte Fahnen oder Zungen vorgesehen sein, die sich durch den eingesteckten Kontaktstift in die Vertiefung hinein auslenken lassen.In a particularly simple manner, the resilient socket contact element can be formed by at least one self-supporting, electrically conductive contact lug. For example, a ring arranged symmetrically around the depression may be provided by a plurality of circular segment-shaped contact lugs. Of course, differently shaped flags or tongues can be provided, which can be deflected by the inserted pin into the recess.
Weiterhin weist das Buchsenelement mindestens eine elastische Isolierlage auf, die so an dem Buchsengrundkörper angeordnet ist, dass die Isolierlage die Vertiefung umgibt und das Buchsenkontaktelement freigelegt ist. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass alle weiteren elektrisch leitfähigen Bahnen geschützt sind und die einzelnen Buchsenkontaktelemente elektrisch voneinander getrennt sind.Furthermore, the socket element has at least one elastic insulating layer, which is arranged on the socket base body such that the insulating layer surrounds the recess and the socket contact element is exposed. In this way it can be ensured that all further electrically conductive tracks are protected and the individual socket contact elements are electrically separated from each other.
Die vorliegende Erfindung stellt außerdem Herstellungsverfahren für die erfindungsgemäßen Steckerelemente und Buchsenelemente bereit.The present invention also provides manufacturing methods for the male and female elements of the invention.
Ein Verfahren zum Herstellen eines Steckerelements umfasst die folgenden Schritte:
- Herstellen eines elektrisch isolierenden Steckergrundkörpers mit mindestens einem daran angeformten säulenförmigen Vorsprung, wobei der Vorsprung mit einem durch ihn hindurchgehenden Kanal versehen wird;
- Aufbringen einer elektrisch leitfähigen Beschichtung zum Ausbilden eines Kontaktstifts, wobei die elektrisch leitfähige Beschichtung die äußere Oberfläche des mindestens einen säulenförmigen Vorsprungs wenigstens teilweise bedeckt und der Kanal wenigstens teilweise mit der leitfähigen Beschichtung gefüllt ist;
- Anbringen eines Anschlusselements, das mit dem Kontaktstift elektrisch leitend verbunden ist.
- Producing an electrically insulating connector base body having at least one columnar projection formed thereon, wherein the projection is provided with a channel passing therethrough;
- Applying an electrically conductive coating to form a contact pin, wherein the electrically conductive coating at least partially covers the outer surface of the at least one columnar protrusion and the channel is at least partially filled with the conductive coating;
- Attaching a connection element which is electrically conductively connected to the contact pin.
Ein solches Herstellungsverfahren ist mit den etablierten Methoden der Aufbau- und Verbindungstechnik kompatibel und erlaubt auf einfache Weise die Herstellung eines Verbinders, der implantierbar und auch für große Mengen elektrischer Kanäle geeignet ist. Such a manufacturing method is compatible with the established methods of packaging and assembly technology and allows in a simple way the production of a connector that is implantable and also suitable for large quantities of electrical channels.
Der Steckergrundkörper wird auf besonders effiziente Weise hergestellt, indem ein keramischer Grünkörper strukturiert und anschließend gesintert wird. Wie bereits erwähnt, hat das keramische Material den Vorteil, dass es biokompatibel und stabil ist. Neben den bereits erwähnten HTCC-Grünkörpern können auch LTCC (Low temperature cofired ceramic)-Grünkörper verwendet werden. Das keramische Material kann außerdem glasgefüllt sein. Die dreidimensionale Strukturierung dieser Grünkörper, die erforderlich ist, um die säulenförmigen Vorsprünge für die Kontaktstifte und die durch die Vorsprünge hindurch führenden elektrischen Leiter zu erzeugen, erfolgt vorzugsweise mittels einer dreidimensionalen Laserbearbeitung des Grünkörpers (auch Grünling genannt).The plug base body is produced in a particularly efficient manner by structuring a ceramic green body and then sintering it. As already mentioned, the ceramic material has the advantage that it is biocompatible and stable. In addition to the already mentioned HTCC green bodies, LTCC (low temperature cofired ceramic) green bodies can also be used. The ceramic material may also be glass filled. The three-dimensional structuring of these green bodies, which is required to produce the columnar projections for the contact pins and the electrical conductors passing through the projections, preferably takes place by means of a three-dimensional laser machining of the green body (also called green body).
Allgemein besteht zwischen den einzelnen Bestandteilen eines Grünlings nur geringe Haftung. Die keramische Bindung und damit die hohe Festigkeit erhält man erst durch das Brennen bei hohen Temperaturen. Der Brand ermöglicht das Sintern und lässt somit erst den eigentlichen keramischen Werkstoff entstehen. Durch die Vorgänge beim Brand findet eine Verfestigung und Verdichtung strukturierten Grundkörpers statt, die sich auch in einer Abnahme der Porosität äußert. Dieser Prozess bewirkt insgesamt eine Volumenabnahme, die so genannte Brennschwindung. Diese kann für verschiedene keramische Werkstoffe sehr unterschiedlich sein und muss bei der geometrischen Auslegung entsprechend berücksichtigt werden.Generally, there is little adhesion between the individual components of a green body. The ceramic bond and thus the high strength is obtained only by firing at high temperatures. The fire allows sintering and thus only the actual ceramic material is created. As a result of the processes during firing, a solidification and densification of structured basic body takes place, which is also expressed in a decrease in porosity. This process causes a total volume decrease, the so-called burning shrinkage. This can be very different for different ceramic materials and must be taken into account in the geometric design accordingly.
Der gesinterte keramische Grundkörper wird anschließend mit den benötigten elektrischen Verbindungen versehen, wobei der Schritt des Aufbringens einer elektrisch leitfähigen Beschichtung vorzugsweise die folgenden Teilschritte umfasst:
- Anordnen des elektrisch isolierenden Steckergrundkörpers in einer Maskenstruktur, so dass der mindestens eine säulenförmige Vorsprung in einer zugehörigen Maskenausnehmung aufgenommen ist, wobei zwischen der äußeren Oberfläche des säulenförmigen Vorsprungs und der inneren Wandung der Maskenausnehmung ein Freiraum verbleibt,
- Verteilen einer elektrisch leitfähigen Siebdruckpaste, so dass der Freiraum zwischen der äußeren Oberfläche des mindestens einen säulenförmigen Vorsprungs und der inneren Wandung der Maskenausnehmung sowie der Kanal des mindestens einen säulenförmigen Vorsprungs mit der Siebdruckpaste gefüllt sind,
- Aushärten der elektrisch leitfähigen Siebdruckpaste.
- Arranging the electrically insulating plug base body in a mask structure so that the at least one columnar projection is accommodated in an associated mask recess, wherein a clearance remains between the outer surface of the columnar projection and the inner wall of the mask recess,
- Distributing an electrically conductive screen printing paste such that the space between the outer surface of the at least one columnar projection and the inner wall of the mask recess and the channel of the at least one columnar projection are filled with the screen printing paste,
- Curing the electrically conductive screen printing paste.
Mithilfe eines solchen Maskenprozesses und unter Verwendung von Siebdruckpasten kann auf besonders kostengünstige Art und Weise die Beschichtung der dreidimensionalen Säulenstrukturen sowohl innen wie auch außen erfolgen. Selbstverständlich können aber auch andere Metallisierungsverfahren Anwendung finden, wie beispielsweise Sputtern, Gasphasenabscheidung oder stromlose Galvanisierung. Insbesondere ein Sputtern der Metallisierung führt zu hochwertigen Schichten. Alternativ kann der säulenförmige Vorsprung auch mittels eines Sputter- oder Aufdampfprozesses unter Zuhilfenahme derselben Maskierung metallisiert werden.With the aid of such a mask process and using screen-printing pastes, the coating of the three-dimensional column structures can take place both inside and outside in a particularly cost-effective manner. Of course, however, other metallization can find application, such as sputtering, vapor deposition or electroless plating. In particular, sputtering of the metallization leads to high-quality layers. Alternatively, the columnar projection can also be metallized by means of a sputtering or vapor deposition process with the aid of the same masking.
In einem nächsten Schritt kann eine elastische Isolierlage strukturiert und so an dem Steckergrundkörper angebracht werden, dass die Isolierlage den mindestens einen Kontaktstift umgibt. Auf diese Weise kann eine noch bessere elektrische Isolation der Kontaktstifte zueinander sowie eine flüssigkeitsdichte Kapselung der zusammengesteckten Kontakte nach außen erreicht werden.In a next step, an elastic insulating layer can be structured and attached to the connector body such that the insulating layer surrounds the at least one contact pin. In this way, an even better electrical insulation of the pins to one another and a liquid-tight encapsulation of the mated contacts can be achieved to the outside.
Die Isolierlage wird vorzugsweise aus einer Silikonkautschukfolie hergestellt, wobei entsprechende Ausnehmungen für die Kontaktstifte mittels einer Laserbearbeitung der Folie hergestellt werden. Damit die Silikonfolie sicher auf dem Keramikmaterial des Grundkörpers haftet, kann die Oberfläche des Steckergrundkörpers, an der die Isolierlage angebracht wird, durch eine Plasmabehandlung aktiviert werden. In vorteilhafter Weise sind weitere Kleber oder Haftvermittler dann entbehrlich.The insulating layer is preferably made of a silicone rubber film, wherein corresponding recesses for the contact pins are produced by means of a laser processing of the film. So that the silicone film securely adheres to the ceramic material of the base body, the surface of the connector base body to which the insulating layer is attached, be activated by a plasma treatment. Advantageously, further adhesives or adhesion promoters are then dispensable.
Ein Verfahren zum Herstellen eines Buchsenelements gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst die folgenden Schritte:
- Herstellen eines elektrisch isolierenden Buchsengrundkörpers mit mindestens einer Vertiefung,
- Herstellen einer elektrisch isolierenden Kontaktfolie, die mindestens ein freigelegtes Buchsenkontaktelement trägt,
- Verbinden des Buchsengrundkörpers mit der Kontaktfolie, wobei das Buchsenkontaktelement so an der Vertiefung angeordnet ist, dass das Buchsenkontaktelement beim Zusammenstecken eines Steckerelements mit dem Buchsenelement durch den Kontaktstift in die Vertiefung hinein auslenkbar ist, und wobei weiterhin mindestens eine elastische Isolierlage so an dem Buchsengrundkörper angeordnet wird, dass die Isolierlage die Vertiefung umgibt und das Buchsenkontaktelement freigelegt ist.
- Producing an electrically insulating socket main body having at least one recess,
- Producing an electrically insulating contact foil which carries at least one exposed socket contact element,
- Connecting the socket base body with the contact foil, wherein the socket contact element is arranged on the recess, that the socket contact element during mating of a plug element with the socket element by the contact pin is deflected into the recess, and further wherein at least one elastic insulating layer is arranged on the socket main body in that the insulating layer surrounds the recess and the socket contact element is exposed.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann auf besonders einfache Weise ein Buchsenelement hergestellt werden, das für einen implantierbaren elektrischen Verbinder geeignet ist. Die Vertiefungen sind vorzugsweise als Blindlöcher ausgeführt, so dass eine optimale elektrische Isolation und Abdichtung erreicht werden kann.The method according to the invention makes it possible in a particularly simple manner to produce a socket element which is suitable for an implantable electrical connector. The recesses are preferably designed as blind holes, so that an optimal electrical insulation and sealing can be achieved.
Dabei kann der Buchsengrundkörper, ebenso wie oben bezüglich des Steckerelements beschrieben, aus einem HTCC- oder LTCC-Grünling hergestellt werden, wobei die Vertiefungen mittels eines Laserbearbeitungsverfahrens eingebracht werden. Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass der Buchsengrundkörper zum Teil oder auch zur Gänze aus einem flexiblen Material wie beispielsweise Silikonkautschuk hergestellt wird.In this case, the socket main body, as described above with respect to the connector element, can be made of a HTCC or LTCC green compact, wherein the recesses are introduced by means of a laser processing method. Alternatively, it can also be provided that the bushing body is made partly or wholly from a flexible material such as silicone rubber.
Damit das Buchsenkontaktelement mit externen Komponenten verbunden werden kann, ist in vorteilhafter Weise ein Anschlusselement vorgesehen und es wird mindestens eine elektrisch leitende Verbindung ausgebildet, die sich von dem Buchsenkontaktelement durch wenigstens einen Teil des Buchsengrundkörpers hindurch zu dem Anschlusselement erstreckt. Eine solche elektrisch leitende Verbindung kann besonders effizient hergestellt werden, wenn zunächst ein Kanal in dem Buchsengrundkörper ausgebildet wird, dann eine elektrisch leitfähige Siebdruckpaste verteilt wird, so dass der Kanal mit der Siebdruckpaste wenigstens teilweise gefüllt ist, und schließlich die elektrisch leitfähige Siebdruckpaste ausgehärtet wird. Eventuell fehlende Kontaktierungen können durch einen Sputter- oder Aufdampfprozess überbrückt werden.So that the socket contact element can be connected to external components, a connection element is advantageously provided, and at least one electrically conductive connection is formed, which extends from the socket contact element through at least part of the socket main body to the connection element. Such an electrically conductive connection can be produced particularly efficiently if first a channel is formed in the socket main body, then an electrically conductive screen printing paste is distributed, so that the channel is at least partially filled with the screen printing paste, and finally the electrically conductive screen printing paste is cured. Any missing contacts can be bridged by a sputtering or vapor deposition process.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Kontaktfolie mindestens zwei Lagen eines Silikonmaterials umfasst, zwischen denen eine strukturierte Metallisierungslage angeordnet ist, wobei das mindestens eine Buchsenkontaktelement durch Laserstrukturierung der Metallisierungslage hergestellt wird. Damit die Kontaktfolie ohne weitere Kleber und Haftvermittler auf dem Buchsengrundkörper haftet, kann die Oberfläche des Buchsengrundkörpers, an der die Kontaktfolie angebracht wird, durch eine Plasmabehandlung aktiviert werden.According to an advantageous embodiment of the present invention, it is provided that the contact foil comprises at least two layers of a silicone material, between which a structured metallization layer is arranged, wherein the at least one socket contact element is produced by laser structuring of the metallization layer. In order for the contact film to adhere to the socket main body without further adhesives and adhesion promoters, the surface of the socket main body to which the contact film is applied can be activated by a plasma treatment.
Die Prinzipien der vorliegenden Erfindung erlauben das Bereitstellen eines implantierbaren elektrischen Verbinders, der ein Steckerelement, ein Buchsenelement und eine mit dem Steckerelement verbundene Anschlusseinheit zum Anschließen einer Elektrodenanordnung oder einer elektronischen Komponente aufweist. Die Anschlusseinheit kann beispielsweise die Verbindung zu einem oder mehreren isolierten Drähten oder zu einem flexiblen Flachleiter mit einer isolierenden Umhüllung aus Polyimid (PI) oder Polydimethylsiloxan (PDMS) herstellen.The principles of the present invention allow for the provision of an implantable electrical connector having a male member, a female member and a terminal unit connected to the male member for connecting an electrode assembly or an electronic component. For example, the termination unit can connect to one or more insulated wires or to a flexible flat conductor with a polyimide (PI) or polydimethylsiloxane (PDMS) insulating sheath.
Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung wird diese anhand der in den nachfolgenden Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Dabei werden gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen und gleichen Bauteilbezeichnungen versehen. Weiterhin können auch einige Merkmale oder Merkmalskombinationen aus den gezeigten und beschriebenen unterschiedlichen Ausführungsformen für sich eigenständige, erfinderische oder erfindungsgemäße Lösungen darstellen. Es zeigen:
-
1 eine schematische Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen elektrischen Verbinderanordnung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel vor dem Zusammenstecken; -
2 eine schematische Schnittdarstellung der Verbinderanordnung aus1 im zusammengesteckten Zustand; -
3 ein Layout einer Metallschicht mit einem Buchsenkontaktelement; -
4 eine schematische Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen elektrischen Verbinderanordnung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel vor dem Zusammenstecken; -
5 eine schematische Schnittdarstellung der Verbinderanordnung aus3 im zusammengesteckten Zustand; -
6 eine schematische Schnittdarstellung des Steckerelements aus1 mit angebrachter Lötverbindung; -
7 eine schematische Schnittdarstellung des Buchsenelements aus2 mit angebrachter Lötverbindung; -
8 eine schematische Schnittdarstellung eines Steckerelements mit einer Anschlusseinheit gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; -
9 eine schematische Schnittdarstellung eines Steckerelements mit einer Anschlusseinheit gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; -
10 eine schematische Schnittdarstellung eines Steckerelements mit einer Anschlusseinheit gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
-
1 a schematic sectional view of an electrical connector assembly according to a first embodiment according to the invention before mating; -
2 a schematic sectional view of the connector assembly1 in the assembled state; -
3 a layout of a metal layer with a female contact element; -
4 a schematic sectional view of an electrical connector assembly according to a second embodiment of the invention before mating; -
5 a schematic sectional view of the connector assembly3 in the assembled state; -
6 a schematic sectional view of the plug element1 with attached solder joint; -
7 a schematic sectional view of the socket element2 with attached solder joint; -
8th a schematic sectional view of a plug element with a connection unit according to an advantageous embodiment of the present invention; -
9 a schematic sectional view of a plug element with a connection unit according to a further advantageous embodiment of the present invention; -
10 a schematic sectional view of a plug element with a connection unit according to a further advantageous embodiment of the present invention.
Mit Bezug auf die
Die Verbinderanordnung
Gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist das Steckerelement
Damit der Kontaktstift
Eine Leiterbahn
Weiterhin weist das Steckerelement
Zum Herstellen der elektrischen Verbindung wird das Steckerelement
Das Buchsenelement
An der Vertiefung
Gemäß der gezeigten Ausführungsform ist das Buchsenkontaktelement
Der fast vollständig zusammengesteckte Zustand der Verbinderanordnung
Die
Das zugehörige Buchsenelement
Weiterhin ist gemäß der zweiten Ausführungsform eine Durchkontaktierung
Bei diesem Verfahren wird ein flexibler Kontaktträger mit metallisierten Durchkontaktierungen („Vias“) versehen und so über den Gegenkontaktpads eines Gegenkontaktträgers positioniert, dass die Gegenkontaktpads durch die Vias hindurch zugänglich sind. Dann wird mittels eines Bondgeräts, beispielsweise eines konventionellen Thermosonicdrahtbonders (Ultraschall mit Temperaturunterstützung), jeweils eine Bondkugel aus Gold durch die Vias hindurch auf das darunterliegende Gegenkontaktpad gebondet und abgerissen. Der dünnere flexible Kontaktträger wird somit gleichsam auf dem biegesteifen Gegenkontaktträger aufgenietet und gleichzeitig die elektrische Verbindung zwischen den Vias und den darunterliegenden Gegenkontaktpads hergestellt. Alternativ können anstelle von Bondkugeln aus Gold auch Tropfen von geeignetem Lot durch die Vias hindurch auf das darunterliegende Gegenkontaktpad eingebracht werden. Eine detaillierte Beschreibung der Microflexverbindungen, die für die Verbindung zwischen einem flexiblen Kontaktträger und einem zugehörigen biegesteifen Gegenkontaktträger eingesetzt werden, ist beispielsweise der Veröffentlichung Stieglitz, T., Beutel, H., Meyer, J. U.: „Microflex“- A new assembling technique for interconnects, J. Intelligent Material Systems and Structures
Eine elastische Isolierlage
Gemäß der zweiten Ausführungsform hat die Vertiefung
Alternativ zu der Microflexverbindung kann auch eine Lötverbindung zu einem Leiterdraht vorgesehen sein. Diese Ausführungsform ist in den
Die
Nachfolgend werden mit erneutem Bezug auf die
Für das Steckerelement
Anschließend wird der so gebildete Grundkörper
Zum Aufbringen der Metallisierung, also der Kontaktschicht
Die leitfähige Beschichtung des Anschlusselements
Schließlich wird die elastische Isolierlage
Das Buchsenelement
Wie in
Eine etwas modifizierte Ausgestaltung des Buchsenelements
Eine Leitpaste, beispielsweise eine Goldleitpaste, wird, entsprechend wie bei der Herstellung des Steckerelements
In einem davon unabhängigen Arbeitsschritt wird eine Metallfolie
Anschließend wird die elastische Isolierlage
Zusammenfassend stellt die vorliegende Erfindung ein Steckerelement bereit, das vorzugsweise laserstrukturierte HTCC-Materialien als isolierendes Grundmaterial verwendet. Durch die Verwendung von HTCC-Material mit einer planaren Silikonkautschuk- und Metallfolie zum Herstellen eines Buchsenelements mit einem Array von Buchsenkontakten, die federnde Kontaktelemente haben, kann ein verbesserter elektrischer Kontakt zwischen dem Kontaktstift und dem Buchsenkontakt erreicht werden. Es werden planar gefertigte Silikonschichten verwendet um eine gute Isolation und Abdichtung gegen das Eindringen von Feuchtigkeit zu erzielen. Die mechanische Stabilität des Verbinders wird durch das keramische Material gewährleistet, während die davon getrennten weichen und mechanisch nachgiebigen Strukturen des Buchsenelements ein leichtes Einstecken des Kontaktstifts ermöglichen, ohne die Gesamtstruktur des Verbinders verformen zu müssen.In summary, the present invention provides a male member that preferably uses laser-structured HTCC materials as the insulating base material. By using HTCC material with a planar silicone rubber and metal foil to make a female member having an array of female contacts having resilient contact elements, improved electrical contact between the contact pin and the female contact can be achieved. Planar silicone layers are used to provide good insulation and moisture impermeability. The mechanical stability of the connector is ensured by the ceramic material, while the separated soft and mechanically resilient structures of the socket member allow easy insertion of the contact pin, without having to deform the overall structure of the connector.
Das Zusammenstecken erfolgt in einer Richtung entlang der Längsachse des Kontaktstifts, während die Kräfte für den mechanischen und elektrischen Kontakt im Betrieb quer zur Längsachse des Kontaktstifts einwirken. Dadurch ist der Kontaktwiderstand unabhängig von der Steckkraft.The mating takes place in a direction along the longitudinal axis of the contact pin, while the forces for mechanical and electrical contact during operation act transversely to the longitudinal axis of the contact pin. As a result, the contact resistance is independent of the insertion force.
Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung ist die modulare Herstellbarkeit der Elektroden und Elektronikkomponenten, wie bei einem Herzschrittmacher. Daher können beschädigte Einzelkomponenten ausgetauscht werden. Mit der erfindungsgemäßen Verbinderanordnung können miniaturisierte Kontaktarrays mit einem stabilisierenden mechanischen Träger verbunden werden, der gleichzeitig einen Verbinder zu einer elektronischen Komponente, einem Kabel, oder einem zusätzlichen Verlängerungskabel darstellt. Beispielsweise kann ein unterschiedliches Elektrodenarray mit einem dünnen filmbasierten flachen Verlängerungskabel kombiniert werden, das jeweils zu demselben Typ von implantierbarem Verbinder kompatibel ist.An essential advantage of the solution according to the invention is the modular producibility of the electrodes and electronic components, as in the case of a cardiac pacemaker. Therefore, damaged individual components can be replaced. With the connector assembly according to the invention, miniaturized contact arrays can be connected to a stabilizing mechanical support which simultaneously constitutes a connector to an electronic component, a cable, or an additional extension cable. For example, a different electrode array may be combined with a thin film-based flat extension cable, each compatible with the same type of implantable connector.
Die Verwendung biokompatibler Materialien erhöht die Akzeptanz und reduziert Hürden für die Zulassung. Schließlich ermöglicht die Verwendung von Laserbearbeitung zum Herstellen der Keramikkörper eine einfache Modifikation des Designs, ohne zusätzliche Werkzeuge anschaffen zu müssen.The use of biocompatible materials increases acceptance and reduces barriers to approval. Finally, the use of laser machining to make the ceramic bodies allows a simple modification of the design without having to purchase additional tools.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
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