DE3821186A1 - Druckmesswandler - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Druckmeßwandler zum Messen von Differenzdruckwerten in flüssigen Medien, vorzugsweise für die intrakorporale Druckmessung in physiologischen Flüssigkeiten des Menschen. Die Anwendung erfolgt insbesondere in der Neuro­ logie (Hirndruckmessung) und der Kardiologie bei Langzeitein­ sätzen.

Ein prinzipiell für das oben genannte Anwendungsgebiet geeig­ neter Druckmeßwandler ist im DD-WP 2 34 559 dargestellt. Die Druckmessung erfolgt auf der Basis einer in Silizium integrier­ ten piezoresistiven Widerstandsstruktur, die zum Schutz gegen mechanische und chemische Einflüsse in einem Körper aus hoch­ elastischem Material eingebettet ist, dessen Schichtdicke die Stärke der Siliziummembran um ein Vielfaches überschreitet und das an den Oberflächen der Membran und des Gegenkörpers fest haftet. Dieser Wandler verfügt jedoch über keine Möglichkeit einer Nullpunktskorrektur während der Messung im menschlichen Körper. Für einen Langzeiteinsatz über mehrere Wochen müssen daher mit aufwendigen Verfahren Exemplare mit hoher zeitlicher Stabilität des Nullpunktes aus der Menge der gefertigten Wand­ ler speziell ausgesucht werden.

Weiterhin sind Wandler bekannt geworden, die mit miniaturisier­ ten Dehnungsmeßstreifen arbeiten und bei denen jederzeit eine Kontrolle und Nachstellung des Nullpunktes von außen möglich ist. Zu diesem Zweck ist über der Meßmembran ein kleiner Ballon aus dünnstem Silikongummi gespannt, der während der Messung auf der Membran aufliegt und zur Nullpunktskorrektur aufgebläht werden kann und damit die Meßmembran vom Meßdruck abkoppelt. Nachteilig ist vor allem, daß bei der Herstellung eine technologisch aufwendige Anpassung des Ballons an die jeweilige Wandlergeometrie erfolgen muß. Weiterhin ist die Lebensdauer des Ballons stark begrenzt, bereits geringe Lecks können zur Meßwertverfälschung und Zerstörung des Wandlers führen. Die bei der zur Nullpunktskorrektur erforderlichen Aufblähung des Ballons erfolgende Volumenvergrößerung ist insbesondere bei der Messung in dünnen Gefäßen von Nachteil, da sie zur Behinderung der Durchblutung führt. Bei der Lage­ rung der Wandler macht sich ein Schutz des Ballonmaterials vor UV-Licht erforderlich, so daß die Aufbewahrung in einer zusätzlichen Schutzhülle erfolgen muß. Insgesamt gesehen er­ gibt sich somit durch diese Lösung eine Einschränkung der medizinischen Gebrauchswerte der Wandler.

Ziel der Erfindung ist es, einen Wandler für die intrakor­ porale Langzeit-Druckmessung mit hoher Zuverlässigkeit und Lebensdauer, bei geringem technologischen Aufwand und ohne Einschränkung der medizinischen Gebrauchswerte zu schaffen.

Die Aufgabe der Erfindung besteht in einem Miniaturdruckmeß­ wandler auf der Basis einer in Silizium integrierten druckab­ hängigen Widerstandsstruktur, die gegen mechanische und che­ mische Einflüsse dauerhaft geschützt ist, mit der Möglichkeit einer Nullpunkts- und Empfindlichkeitskontrolle in vivo, ohne dabei die Wandlergeometrie wesentlich zu beeinflussen.

Erfindungsgemäß verfügt der Druckmeßwandler über ein Halb­ leiterplättchen aus monokristallinem Silizium mit einem dünnen, flexiblen, als Membran ausgebildeten Mittelteil, in dessen Oberfläche in Brücke geschaltete piezoresistive Wider­ stände eingearbeitet sind. Das Halbleiterplättchen ist mit einem Gegenkörper aus Silizium verbunden, wobei der Gegen­ körper im Bereich der Membran eine Ausnehmung aufweist, so daß er zusammen mit dem Halbleiterplättchen eine Kammer bil­ det, die mit Druck beaufschlagbar ist. Halbleiterplättchen und Gegenkörper sind in einem Umhüllungskörper aus hochelasti­ schem Material mit geringer Oberflächenrahigkeit und geringer Stoffaustauschneigung gegenüber dem Meßmedium eingebettet, dessen Schichtdicke die Membranstärke um ein Vielfaches über­ schreitet. Halbleiterplättchen und Gegenkörper befinden sich in einem Gehäuse, das mindestens eine seitliche Öffnung für den Meßdruck aufweist.

Das hochelastische Material des Umhüllungskörpers haftet fest am Gegenkörper und an den Randbereichen des Halbleiterplätt­ chens, während es im Membranbereich nur lose aufliegt. Der Trennbereich zwischen Membran und hochelastischem Material des Umhüllungskörpers ist über einen feinen Kanal mit Druck beaufschlagbar oder/und mit der Kammer zwischen Gegenkörper und Halbleiterplättchen verbunden. Diese Verbindung kann vorteilhafterweise durch eine kleine Öffnung in der Membran realisiert sein. Das lose Aufliegen des hochelastischen Ma­ terials im Membranbereich wird vorzugsweise durch das Auf­ bringen einer die Benetzung verhindernden dünnen Trennschicht bewirkt. Die Trennschicht verhindert während der Herstellung des Wandlers das Zustandekommen einer Klebeverbindung zwi­ schen Membran und Umhüllungskörper, ermöglicht aber gleich­ zeitig dessen formschlüssiges Aufliegen auf der Membran und damit eine exakte Druckankopplung während des Meßvorganges. Bei der Injektion von Luft durch den feinen Kanal kommt es zum blasenförmigen Anheben des hochelastischen Materials im Bereich der Membran, wenn der Injektionsdruck größer als der auf den Wandlerkopf wirkende Meßdruck ist. Wird der Injektions­ druck gleichzeitig an die Kammer zwischen Halbleiterplättchen und Gegenkörper angelegt, so wird die Membran durch den Meß­ druck nicht mehr durchgewölbt, sie begibt sich in Ruhestel­ lung. Die Brückennullpunktsspannung (Ausgangssignal im druck­ losen Zustand) kann ermittelt und die gemessenen Druckwerte können entsprechend korrigiert werden.

Wird ein definierter Unterdruck an den Injektionskanal angelegt, so legt sich das hochelastische Material des Umhüllungskörpers auf die Membran auf. Wenn dieser Unterdruck gleichzeitig an der Kammer zwischen Halbleiterplättchen und Membran angelegt wird, so kommt es zu einer Durchbiegung der Membran, die einem positiven Druck entspricht. Das Meßsignal wird um diesen Druck­ wert verschoben. Mit der Höhe der Druckstufe wird die Empfind­ lichkeit des Wandlers kontrolliert.

Die Zeichnung zeigt eine bevorzugte Ausführungsform des er­ findungsgemäßen Druckmeßwandlers zur Langzeitdruckmessung im menschlichen Körper.

Fig. 1 Längsschnitt durch den Druckmeßwandler, Injektions­ druck kleiner als der Meßdruck,

Fig. 2 Querschnitt durch den Druckmeßwandler, Injektions­ druck kleiner als der Meßdruck,

Fig. 3 Längsschnitt durch den relevanten Teil des Druckmeß­ wandlers, Injektionsdruck größer als der Meßdruck,

Fig. 4 Querschnitt durch den Druckmeßwandler, Injektions­ druck größer als der Meßdruck.

Für den angegebenen Anwendungsfall ist der Druckmeßwandler mit einem mindestens einlumigen Katheter 1 versehen, der zur Ein­ führung und Positionierung des Wandlers zum gewünschten Meß­ ort im menschlichen Körper, der Zuführung des Referenz- und des Injektionsdruckes sowie der Anschlußdrähte 4 dient. Der Katheter 1 sitzt dabei auf einem Stutzen 2 fest auf, der zur Abdichtung eine Epoxydharzfüllung 3 aufweist, in der die Anschluß­ drähte 4 vergossen sind. Das rohrförmige Gehäuse 5 aus Edel­ stahl verfügt über zwei Öffnungen 11. Die Epoxydharzfüllung 3 reicht ein Stück in den rohrförmigen Teil des Gehäuses 5 hinein und verankert dort einseitig das Halbleiterplättchen 7, das aus monokristallinem Silizium mit einem dünnen, als Membran 10 ausgebildeten Mittelteil besteht, in dessen Oberfläche in Brücke geschaltete piezoresistive Widerstände eingearbeitet sind, die mit den Anschlußdrähten 4 elektrisch in Kontakt stehen. Das Halbleiterplättchen 7 ist mit einem Gegenkörper 8 aus Silizium verbunden, der im Bereich der Membran 10 über eine Ausnehmung verfügt, so daß er zusammen mit dem Halb­ leiterplättchen 7 eine Kammer 12 bildet, die über den Refe­ renzdruckkanal 13 mit dem Referenzdruck bzw. Injektionsdruck beaufschlagbar ist. Das Gehäuse 5 weist eine Epoxydharzspitze 9 auf. Die Öffnungen 11 des Gehäuses 5 sind vollständig mit dem Silikonkautschuk des Umhüllungskörpers 6 ausgefüllt, das fest an den Oberflächen des Gehäuses 5, des Halbleiterplättchens 7 und des Gegenkörpers 8 haftet. Im Bereich der Membran 10 liegt der Silikonkautschuk nur lose auf dieser auf.

Zur vorteilhaften Herstellung des Druckmeßwandlers wird der Membranbereich vor Aufbringen des Umhüllungskörpers 6 mit einer die Benetzung verhindernden dünnen Trennschicht 16 ver­ sehen. Dieser Bereich steht über den Injektionskanal 14, eben­ so wie der Referenzdruckkanal, mit dem Lumen des Katheters 1 in Verbindung. Wird über eine sich am proximalen Ende des Ka­ theters 1 befindliche Lufteintrittsöffnung eine Luftmenge injiziert, so daß der Druck im Katheter 1 größer ist als der Meßdruck, der auf die Gehäuseöffnungen 11 wirkt, so bildet sich über der Membran 10 eine Luftblase 15 aus (Fig. 3, Fig. 4). Damit liegt sowohl auf der Membranoberseite als auch auf der Rückseite (Kammer 12) derselbe Druck an. Die Membran 10 be­ gibt sich unabhängig vom Meßdruck in ihre mechanische Ruhe­ lage. Trotz anliegenden Meßdruckes kann also, ohne den Druckmeß­ wandler vom Meßort zu entfernen, dessen Nullpunktstabilität überprüft werden. Der Silikonkautschuk des Umhüllungskörpers 6 ist mit einer Schichtdicke aufgebracht, die die Membranstärke um ein Vielfaches überschreitet (Verhältnis ca. 600:1). Damit ergibt sich im Vergleich zu der dünnen Hülle eines Ballons bei Luftinjektion eine kaum spürbare Verformung der Oberfläche des Umhüllungskörpers 6 und damit des Druckmeßwandlers. Bei Mes­ sungen z. B. in dünnen Blutgefäßen kommt es somit durch die Injektion von Luft zum Nullpunktsabgleich zu keiner weiteren Querschnittsverengung, die die Durchblutung behindern würde. Die dicke Silikonkautschukschicht des Umhüllungskörpers 6 sichert einen hohen Schutz gegen mechanische und chemische Einflüsse. Durch Einbringen einer Öffnung in die Membran 10 kann eine direkte Verbindung zwischen der Kammer 12 und der Luftblase 15 hergestellt werden, die den Druckausgleich zwi­ schen beiden ermöglicht. In diesem Falle kann der Injektions­ kanal 14 entfallen. Aus der daraus resultierenden Wegverkürzung ergibt sich eine wesentlich geringere Phasenverschiebung zwi­ schen Ober- und Unterseite der Membran 10 bei höherfrequenten Druckschwankungen.

Verwendete Bezugszeichen

 1 Katheter
 2 Stutzen
 3 Epoxydharzfüllung
 4 Anschlußdrähte
 5 Gehäuse
 6 Umhüllungskörper
 7 Halbleiterplättchen
 8 Gegenkörper
 9 Epoxydharzspitze
10 Membran
11 Gehäuseöffnungen
12 Kammer
13 Referenzdruckkanal
14 Injektionskanal
15 Luftblase
16 Trennschicht

Claims (3)

1. Druckmeßwandler mit einem Halbleiterplättchen aus vorzugs­ weise monokristallinem Silizium mit einem dünnen, flexiblen, als Membran ausgebildeten Mittelteil, in dessen Oberfläche in Brücke geschaltete piezoresistive Widerstände eingearbeitet sind, wobei das Halbleiterplättchen mit einem Gegenkörper aus Silizium verbunden ist und der Gegenkörper im Bereich der Mem­ bran eine Ausnehmung aufweist, so daß er zusammen mit dem Halb­ leiterplättchen eine Kammer bildet, die mit dem Druck beauf­ schlagbar ist, daß Halbleiterplättchen und Gegenkörper in einem Umhüllungskörper aus hochelastischem Material mit ge­ ringer Oberflächenrauhigkeit und geringer Stoffaustauschnei­ gung gegenüber dem Meßmedium eingebettet sind, dessen Schicht­ dicke die Membranstärke um ein Vielfaches überschreitet und daß sich Halbleiter-plättchen und Gegenkörper in einem Ge­ häuse befinden, das mindestens eine seitliche Öffnung für den Meßdruck aufweist, gekennzeichnet dadurch, daß das hochelasti­ sche Material des Umhüllungskörpers (6) am Gegenkörper (8) und an den Randbereichen des Halbleiterplättchens (7) fest haftet, während es im Membranbereich (10) nur lose aufliegt, und daß der Trennbereich zwischen Membran (10) und hochelastischem Material durch einen feinen Kanal (14) mit Druck beaufschlag­ bar ist oder/und mit der Kammer (12) zwischen Gegenkörper (8) und Halbleiterplättchen (7) verbunden ist.

2. Druckmeßwandler nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Verbindung von der Kammer (12) zwischen Gegenkörper (8) und Halbleiterplättchen (7) zum Trennbereich zwischen Membran (10) und hochelastischem Material des Umhüllungskörpers (6) durch eine kleine Öffnung in der Membran (10) realisiert ist.

3.Druckmeßwandler nach den Ansprüchen 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß das lose Aufliegen des hochelastischen Materials des Umhüllungskörpers (6) im Membranbereich (10) durch Aufbringen einer die Benetzung verhindernden dünnen Trennschicht (16) be­ wirkt wird.