JP2015516826A - 誘電率遮蔽 - Google Patents

Abstract

誘電率感受性装置を遮蔽するための技法が開示される。

Description

関連出願の引用
本願は、その内容全体を引用して本明細書に援用する2012年3月16日付けで提出された米国特許出願第13/422,216号の優先権を主張する。

例えば、圧力移動および生体適合材料(pressure-transferring and biocompatible material)と組み合わせた誘電率感受性(permittivity-sensitive)装置を遮蔽するための技法を開示する。

図1は、誘電率遮蔽物を備えた生体移植可能なセンサ装置の第1実施形態を示す。 図2は、誘電率遮蔽物を備えた生体移植可能なセンサ装置の第2実施形態を示す。 図3は、誘電率遮蔽物を備えた生体移植可能なセンサ装置の第3実施形態を示す。 図4は、容量型圧力センサアッセンブリの写真である。

固体デバイスの性能は、当該デバイスの環境の誘電率変化によって影響を受けることがある。こうしたデバイスが、例えば比誘電率が概ね1である空気など1つの環境のみで較正され、例えば比誘電率が概ね80である水などの異なる環境で動作された場合、そのデバイスからの出力は誤解を招く場合がある。(水の比誘電率は、温度、振動数、塩分等の作用によって極めて変わりやすいものである。)変動する誘電率環境の影響は誘電率感受性装置の多種多様な用途において重要となることがあり、特に、これは容量型圧力センサの生体内使用で認められてきた。

容量型圧力センサは、例えば血圧測定のための生体内使用やタイヤの空気圧測定のための自動車タイヤ内部など、再較正が困難な環境で使用されることがある。こうした状況では、誘電率環境の変化に対応するためにセンサを再較正する必要性を回避することが有用である。誘電率遮蔽は、変化する誘電率環境の固体デバイスに対する影響を最小化し、再較正の必要性を減少または無くすことができる。

その環境の誘電率変化に敏感な装置であればどんな装置でも誘電率遮蔽により利益を受ける可能性がある。例えばCMOSデバイスのような半導体デバイスは、一定の条件下では環境誘電率の変化に敏感であることが知られている。微小電子機械システム(MEMS)も環境誘電率の変化に敏感となることがある。こうしたMEMSは、容量型圧力センサを含むセンサとして機能するよう設計でき、また、CMOS半導体デバイス上に形成できる。

MEMS容量型圧力センサは、例えば血圧測定またはタイヤ内部の空気圧測定など、流体の圧力を測定するための様々な状況で使用可能である。血圧を測定するため、この容量型圧力センサは典型的には、例えばシリコンなどの生体適合性材料内にこのデバイスをカプセル化することで生物適合性とされる。シリコンは、圧力測定を目的とした長期移植のために必要な技術的かつ生物学的要件を満足する。シリコンはその生体適合性、長期的安定性、および圧力をその内表面から外表面へ移動させる能力によってほぼ理想的な材料である。

しかし、シリコンが生体適合性を備えているのは、部分的にはそれが多孔質だからである。シリコンが血液などの流体に曝されると、流体および/または蒸気がシリコン内部に浸透する。この浸透が空気または浸水前に存在していた流体を排除し、この環境の誘電率を変化させることによって容量型圧力センサの示度を大きく変化させてしまう。従って、再較正は液浸の直後に行う必要がある。さらに、浸透の過程に要する時間は大きく変動するため、容量型圧力センサの示度は数時間、数日、そして数週間にもわたって変化し続けることがある。そして浸透する物質の組成は経時的に変化しうるため(例えば、血液化学、薬物の濃度、および他の健康条件が変化するため)、浸透が誘電率に与える効果も予測不能に変化することがある。この不確定性により、センサの較正を長期間にわたって油断なく監視する必要がある。他の用途では、典型的にはプラスチックまたは他の非金属など幾つかの異なる保護被膜が好適となることがあるが、同様に多孔質の代替的な被覆は、シリコンと同じ多くの利点および欠点を備えている。

図1は、生体移植可能なセンサ装置の一実施形態を示す。本実施形態では、この生体移植可能センサ装置は、外面2を備えた半導体デバイス1を含んでいる。センサ3は、半導体デバイス1の外面2上に形成されている。第1の金属性接着剤層4は、半導体デバイス1の外面2の一部に接着されている。誘電率遮蔽物層5が第1の金属性接着剤層4の上を覆いかつそれに接着されていて、誘電率遮蔽物5と半導体デバイス1との間の接触を向上させている。第2の金属性接着剤層6が、誘電率遮蔽物層5の上を覆いかつそれに接着されている。生体適合性最外側保護層7が、誘電率遮蔽物5と保護層7との間の接触を向上するため、第2の金属性接着剤層6の上を覆いかつそれに接着されている。これら層間の強い接着は、保護層7(生物学的用途では典型的にはシリコン)の局所的層間剥離と、その結果生じる埋め込みシリコン層の力学的性質の変化と、その結果として起きる較正パラメータの変化(例えば、圧力移動作用の変化)を防ぐ。図1は、第1の金属性接着剤層4が外面2に直接的に接触していることを示しているが、この半導体デバイスの電子素子は、外部に取り付けられた金属からは電気的に絶縁されていることは理解されるはずである。典型的には、誘電率遮蔽物層5は電気的に接地される。代替的には、この誘電率遮蔽物は、図1に示したように半導体デバイス1の一面のみに接着されていてもよいし、半導体デバイス1の二面以上またはすべての面上に設けられていてもよい。

典型的には、図1に示したように、最外側保護層7は半導体デバイス1を完全にカプセル化する。金属性接着剤4、6および誘電率遮蔽物層5は、センサ3が形成されている表面部分を除いて典型的にはデバイス1の外面2全体を覆っているが、代替的にはセンサ3を覆っていてもよい。センサ3を金属性接着剤4、6および誘電率遮蔽物層5により覆われていない状態にすることによって、力のセンサへの動力学的伝達を向上させることができるが、これはセンサ3が容量型圧力センサである場合は特に重要である。

図2は、移植可能な生体適合性センサ装置の別の実施形態を示す。この実施形態では、第1の生体適合性保護層14は、半導体デバイス11の外面12の一部の上を覆いかつそれに接着されている。この場合でも、センサ13は外面12上に形成されている。第1の金属性接着剤層15は、第1の生体適合性保護層14の上を覆いかつそれに接着されている。誘電率遮蔽物層16が、第1の金属性接着剤層15の上を覆いかつそれに接着されている第2の金属性接着剤層17が、誘電率遮蔽物層16の上を覆いかつそれに接着されている第2の生体適合性最外側保護層18が、第2の金属性接着剤層17の上を覆いかつそれに接着されている図1の実施形態と同様に、金属性接着剤15、17および誘電率遮蔽物層16は、センサ13が形成されている表面部分を除いて典型的にはデバイス11の外面12全体を覆っているが、代替的にはセンサ13を覆っていてもよい。

図3は、移植可能な生体適合性センサ装置の別の実施形態を示し、このセンサ装置は、外面22を備えた半導体デバイス21と、その上に形成されたセンサ23と、半導体デバイス21の外面22の一部の上を覆いかつそれに接着された第1の生体適合性保護層24と、第1の生体適合性保護・圧力移動層24の上を覆いかつそれに接着された第1の金属性接着剤層25と、第1の金属性接着剤層25の上を覆いかつそれに接着された誘電率遮蔽物層26と、誘電率遮蔽物層26の上を覆いかつそれに接着された第2の金属性接着剤層27と、第2の金属性接着剤層27の上を覆いかつそれに接着された第2の生体適合性最外側保護層28とを具備している。本実施形態は図2の実施形態に似ているが、誘電率遮蔽物26と、金属性接着剤25および27と、最外側の保護・圧力移動層24のそれぞれが内部の層を完全にカプセル化している点で異なる。誘電率遮蔽物26ならびに金属性接着剤25および27もセンサ23の上を覆っている。

このセンサは、半導体の表面に形成された微小電子機械デバイスでよい。この半導体はCMOSデバイスでよい。このセンサは、例えば、容量型圧力センサとすることができる。

第1および第2の金属性接着剤層は同じ材料としてもよい。この材料は、タングステンとチタンの合金を含んでもよいし、実質的にまたは完全にタングステンとチタンの合金のみからなるものとしてもよい。誘電率遮蔽物層は、導電性金属または合金を含むことができる。この誘電率遮蔽物は金を含んでもよいし、実質的にまたは完全に金のみからなるものとしてもよい。保護層はシリコンを含んでもよいし、実質的にまたは完全にシリコンのみからなるものとしてもよい。

この金属性接着剤もしくは誘電率遮蔽物またはそれら両方は、ガルヴァーニ金属被覆(galvanic metallization)またはスパッタリングにより、あるいは金属または合金の薄い層を決められた所定の配置で付着する他の処理により付着すればよい。

誘電率遮蔽物には少なくとも2つの用途がある。一つ目として、導電性の(好ましくは高導電性の)誘電率遮蔽物は、センサの近傍における誘電率の変化がセンサに及ぼす影響を最小限とする助けとなる。この導電性の誘電率遮蔽物は部分ファラデー遮蔽として作用し、誘電率環境の変化がセンサ内またはセンサ周囲の電磁場に及ぼす影響を減少させうる。この遮蔽効果は、デバイス内に実装された電子回路全体も保護する。

二番目に、この誘電率遮蔽物は流体バリアとして作用し、誘電率を変化させる物質(例えば血液)が保護層の少なくとも一部に浸透するのを防止できる。概ね0.2〜5マイクロメートルの厚みであれば金属性の誘電率遮蔽物層を実質的に不透水性とするのに十分と考えられるが、このバリアを他の流体に対して不浸透性とするには厚みをより大きくまたは小さくする必要があることもある。保護層を流体から分離することで、流体不浸透性誘電率バリアは、誘電性環境が維持され変化しない領域をセンサ周りに形成する。さらに、誘電率の変化は電子回路内の変化の原因となることがあり、従ってデバイスの較正データの変化をもたらすことがあるので、センサを直接取り囲む領域だけでなく、電子回路全体が誘電率の変化から保護されていると有利である。対象となる流体の誘電率特性によっては、保護層のうち流体が存在しない領域は0.3〜2ミリメートルの厚みとすることができる。

誘電率遮蔽物がセンサの上を覆う実施形態では、誘電率遮蔽物が確実かつ正確に圧力を移動させる場合にセンサが最も良好に機能する。良好な圧力移動を実現するためには、誘電率遮蔽物および関連付けられた接着剤層は柔軟性を備えている必要がある。誘電率遮蔽物は薄くなれば一般により柔軟となる。しかし、後述するように、誘電率遮蔽物は流体不浸透性とすべきであり、これには流体と遮蔽物材料との組合せに依存する一定の最小厚みが必要となる。金は、比較的薄く柔軟であっても血液およびその構成成分に対して比較的不浸透性なので、好適に動作することが知られている。また、金は導電性が高いため有利である。

本明細書で記載された誘電率遮蔽物は多種多様なシステムに適用でき、特に、引用して本明細書に援用する米国特許第7,682,313号および第7,686,768号に記載された移植可能な圧力モニタに適用可能である。そうした移植可能な圧力モニタの一例が図4に示されており、これは基板プラットフォーム上に搭載されかつアンテナアッセンブリに電線で接続されたASICを備えている。典型的には、基板とアンテナおよび接続線などの他の付属物とを含むデバイス全体は、図1〜3に示したようにカプセル化される。こうしたモニタは、左心房、右心房、左心室、右心室、上行大動脈、大動脈弓、下行胸大動脈、腹大動脈、肺動脈、腕頭動脈、右鎖骨下動脈、左鎖骨下動脈、右頸動脈、左頸動脈、左腸骨動脈、右腸骨動脈、右大腿動脈、左大腿動脈等の、患者体内の様々な心血管腔を監視するため適所に移植できる。

上述の生体内での適用に加え、センサ、特に容量型圧力センサは多種多様な状況で使用可能である。誘電率遮蔽物は、誘電率環境が経時的に変化しかつセンサの性能がそうした変化に影響を受けやすい任意の状況において使用でき、有用となることがある。もちろん、非生物学的な状況では、保護層は生体適合性である必要はないが、この場合でも多孔質であったりそれ以外の様態で誘電率の変化に影響を受けたりすることがあり、誘電率遮蔽物の付加によって利益をえることができる。

容量型圧力感知において、誘電率遮蔽物が使用されない場合でも誘電率が変化する環境の影響を補正することは可能である。容量型圧力センサは、圧力変化に影響を受けやすい能動容量性メンブレン(active capacitive membranes)を用いて典型的には形成される。能動容量性メンブレンからの出力信号は、典型的には感知された圧力を直接計算するために使用される。しかしその出力信号は、部分的には衝突圧力により、部分的には誘電率環境によるものかもしれない。この問題に対処するため、容量型圧力センサは、圧力変化に影響を受けない受動容量性メンブレンも備えるように作製すればよい。すると、これら受動容量性メンブレンからの信号は、誘電率の変化のみに応答するものとして解釈できる。従って、誘電率による信号を能動容量性メンブレンからの信号から減算すればよく、圧力変化による信号のみが得られる。こうすることで、対となった能動および受動圧力メンブレンを用いて変動する誘電率を補正できる。

Claims (20)

1. 変化する誘電率に対して遮蔽された生体移植可能なセンサ装置であって、
   センサがその上に形成された外面を備えた半導体デバイスと、
   前記半導体デバイスの前記外面の一部に接着された第1の金属性接着剤層と、
   前記第1の金属性接着剤層の上を覆いかつそれに接着された誘電率遮蔽物層と、
   前記誘電率遮蔽物層の上を覆いかつそれに接着された第2の金属性接着剤層と、
   前記第2の金属性接着剤層の上を覆いかつそれに接着された生体適合性最外側保護層とを含む、センサ装置。
2. 前記センサが微小電子機械システムである、請求項1に記載の装置。
3. 前記半導体デバイスがCMOSデバイスである、請求項1に記載の装置。
4. 前記センサが微小電子機械システムである、請求項3に記載の装置。
5. 前記センサが容量型圧力センサである、請求項4に記載の装置。
6. 前記第1の金属性接着剤層および前記第2の金属性接着剤層がタングステンとチタンの合金である、請求項5に記載の装置。
7. 前記誘電率遮蔽物層が金を含む、請求項6に記載の装置。
8. 前記保護層がシリコンを含む、請求項7に記載の装置。
9. 前記第1の金属性接着剤層および前記第2の金属性接着剤層が同じ材料である、請求項1〜8のいずれかに記載の装置。
10. 前記第1および第2の金属性接着剤層の材料がタングステンを含む、請求項9に記載の装置。
11. 前記第1および第2の金属性接着剤層の材料がタングステンとチタンの合金である、請求項10に記載の装置。
12. 前記誘電率遮蔽物層が高導電性の金属または合金を含む、請求項1〜11のいずれかに記載の装置。
13. 前記誘電率遮蔽物層が金を含む、請求項12に記載の装置。
14. 前記誘電率遮蔽物層がガルヴァーニ付着されている、請求項12に記載の装置。
15. 前記誘電率遮蔽物層がスパッタ付着されている、請求項12に記載の装置。
16. 前記保護層がシリコンを含む、請求項1〜15のいずれかに記載の装置。
17. 変化する誘電率に対して遮蔽された生体移植可能なセンサ装置であって、
    センサがその上に形成された外面を備えた半導体デバイスと、
    前記半導体デバイスの前記外面の一部の上を覆いかつそれに接着された第1の生体適合性保護層と、
    前記第1の生体適合性保護層の上を覆いかつそれに接着されている第1の金属性接着剤層と、
    前記第1の金属性接着剤層の上を覆いかつそれに接着された誘電率遮蔽物層と、
    前記誘電率遮蔽物層の上を覆いかつそれに接着された第2の金属性接着剤層と、
    前記第2の金属性接着剤層の上を覆いかつそれに接着された第2の最外側の生体適合性保護層とを含む、センサ装置。
18. 前記第1および第2の生体適合性保護層がそれぞれシリコンを含む、請求項17に記載の装置。
19. 前記誘電率遮蔽物層が金を含む、請求項17または18に記載の装置。
20. 前記第1および第2の金属性接着剤層がタングステンとチタンの合金を含む、請求項17〜19のいずれかに記載の装置。