JP5138246B2 - 圧力センサ - Google Patents

Description

本発明は、一般的には圧力センサに関し、特に生体内の圧力の血管内測定用の挿入ユニットの遠位端または遠位端近くに圧力センサが載置されたセンサ挿入組立体に関し、特異にセンサ要素の性質に関するものである。当業者が理解しているように、圧力センサは生体の本体内に挿入されるように適合された任意の装置、例えばカニューレ、心臓刺激用電極リード線、またはカテーテルに自然に配置することができる。

例えば冠状血管内の生理学的圧力を測定し記録する必要から非常に狭い血管、例えば冠状血管に接近可能にする小型装置の開発が誘発された。典型的には、非常に小さいサイズのセンサがガイドワイヤに載置され、このワイヤが例えば代替動脈内に挿入され所望の即定点、例えば冠状血管に案内される。圧力センサを上述の測定のタイプに適したガイドワイヤ上に圧力センサを一体化するには問題がある。第一の、もっとも重要な問題はセンサを十分に小さくすることである。また、電気的接続およびリード線の数を最小限にして可撓性の十分なガイドワイヤを得て、これを冠状血管を通してそれほどの困難がなく所望の位置に案内できるようにするべきである。

センサをガイドワイヤの遠位端に載置したセンサ・ガイドワイヤ組立体は知られている。特許文献１（米国再発行特許第３５、６４８号明細書、この特許は本出願人に譲渡された）には、そのようなセンサ・ガイドワイヤ組立体が開示されており、このセンサ・ガイドワイヤ組立体ではセンサ・ガイドはセンサ要素、電子ユニット、前記センサ要素と前記電子ユニットを接続する信号伝送ケーブル、前記ケーブルと前記センサ要素を配置した可撓性管、中実金属ワイヤ（コアワイヤ）、および前記中実ワイヤの遠位端に取り付けられたコイルを備える。このセンサ要素は感圧装置、例えば膜にホートストン橋型の配置で接続されたピエゾ抵抗要素を載置したものを備える。

圧電性は力学的圧力を加えることによる電荷の生成をいう。この現象は可逆的である。適切な電界を圧電材料に印加すると機械的応力が生じる。圧電音波センサは振動電界を印加して力学的な波を生じ、この力学的な波が基板を伝搬し、次いで電界に戻されて測定される。

音波センサおよび装置用に使用できる圧電材料中、もっとも普通なものは水晶（ＳｉＯ₂）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ₃）およびより少ないがニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ₃）である。それぞれ特有の利点および欠点を有し、それらとしては価格、温度依存性、減衰および伝搬速度が挙げられる。商業的に可能性のある他の材料としては、ヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、ランガサイト（ＬＧＳ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、チタン酸鉛ジルコニウム（ＰＺＴ）、およびポリビニリデンフルオライド（ＰＶｄＦ）が挙げられる。

これらセンサはホトリソグラフィー法により作製されることが多い。製造は圧電基板を慎重に研磨洗浄することにより開始する。金属、通常アルミニウムを基板上に均一に堆積する。この装置にホトレジストをスピンコートし焼成して硬化する。次いで、これを、最終的装置上で金属化されるべき領域に対応する不透明領域を有するマスクを介してＵＶ光で露光する。露光された領域は化学変化を起こし、それらを現像液で除去可能にする。最終的に、残存するホトレジストを除去する。装置上に残存する金属のパターンはインターディジタル・トランスデューサまたはＩＤＴと呼ばれる。このＩＤＴの長さ、幅、位置および厚さを変えることにより、センサの性能を最大にすることができる。

そのかわりに、圧電材料が圧電膜の形であるならば、慣用の薄膜技術を用いてことができ、基板、例えばシリコン基板から出発して、この上に１つ以上の膜および電極領域を配置する。圧電膜に加えて、インピーダンス整合膜、絶縁膜等を配置することができる。これは詳細な説明においてさらに説明する。

音波装置は圧電基板中または上の波の伝搬のモードにより説明される。音波は主として速度と移動方向により区別され、材料と境界条件によって、多くの組合せが可能である。各センサのＩＤＴは基板を移動して音波を発生するのに必要な電界を提供する。この波は基板を通って伝搬し、そこで反対側のＩＤＴにおいて変換されて電界に戻る。横波またはシアー波は波の進行方向と直交する粒子移動をし、分極させることができるので、粒子移動は感知表面に対して並行であるかまたは直交する。シアー水平波動は感知表面に並行に分極した横移動を示し、シアー垂直波動は感知表面に直交する横移動を示す。

基板を通る波の伝播はバルク波と呼ばれる。もっとも普通に用いられるバルク音波（ＢＡＷ）装置は厚さシアー・モード（ＴＳＭ）共振器およびシアー水平音響プレート・モード（ＳＨ−ＡＰＭ）センサである。

波が基板の表面を伝搬する場合は、この波は表面波として知られる。もっとも広く用いられている表面波装置は表面音波センサおよびシアー水平表面音波（ＳＨ−ＳＡＷ）センサ（表面横波（ＳＴＷ）センサとしても知られる）である。

すべての音波装置は多くの異なる物理パラメータの擾乱に感受性を有する。音波が伝搬する経路の特性に変化があると出力が変化する。

音波センサは、例えば、温度、圧力および／またはガス感知装置および車両のタイヤを監視するタイヤ圧力および温度を測定するために使用されるシステムのような多数の感知用途に使用されている。表面波センサの例としては、音波センサのような装置が挙げられ、化学薬品のような物質の存在を検知するのに使用することができる。音波装置は、例えば表面音波（ＳＡＷ）またはバルク音波（ＢＡＷ）を使用し、センサとして動作するものであり、固有のＱ係数が高いことから生じる、表面負荷に対する高い感受性および低いノイズのため、感受性の高い検知機作を提供することができる。

上述のように、音波装置は、典型的には、圧電材料上に置かれた串上インターディジタル・トランスデューサ（ＩＤＴ）を用いるホトリソグラフィー技術を使用して作製される。表面音波装置は遅延線または共鳴器構造のいずれかを有することができる。表面音波化学／生物センサの選択性は一般に圧電材料上に置かれる選択的コーティングにより決定される。選択的コーティングへの測定すべき種の吸収および／または吸着はＳＡＷ／ＢＡＷ装置に質量負荷、弾性および／または粘弾性硬化を引き起こすことがある。種の吸収および／または吸着による音響性質の変化は遅延線表面音波装置に対する遅延時間シフトまたは共鳴器（ＢＡＷ／ＳＡＷ）音波装置に対する周波数シフトとして解釈することができる。

上述のセンサのための応用領域の一例は、小型の受動無線圧電式高性能タイヤセンサに関する特許文献２（米国特許第６、９５８、５６５号明細書）に見出される。

上述のセンサのタイプの応用領域の別の例は、人間または動物の体に移植してその種々のパラメータ、例えば圧力を監視することができる表面またはバルク音波装置に関する特許文献３（国際公開第２００５／０５８１６６号パンフレット）に見出される。この装置は、測定すべき圧力にさらされた圧電基板の表面にわたって設けた一対のインターディジタル・トランスデューサを備える。この装置はトランスデューサの一つに供給された無線信号により問い合わせされ他のトランスデューサによる反射の後に検出される。パラメータは供給され受信された信号の比較により測定される。

米国再発行特許第３５、６４８号明細書 米国特許第６、９５８、５６５号明細書 国際公開第２００５／０５８１６６号パンフレット

本発明の目的は、改善された圧力センサ、特にインビボ測定用、特に生体内の圧力の血管内測定用のセンサ・挿入組立体を達成することにある。

上述の目的は、独立請求項に記載の本発明によって達成される。

好適な実施形態は従属請求項に記載されている。

従って、本発明は、凹部を圧力感受性膜で覆って空洞を形成した凹部を設けた基板本体を有するセンサ・チップを含む圧力センサに関するものである。圧電要素、好ましくは圧電膜の形をしたものが前記圧力感受性膜に結合して配置され、エネルギー供給ユニットが配置されてエネルギーを圧電要素に印加し、前記圧電要素は、膜における圧力を示す音波が圧力感受性膜の変位に関連した音波の測定された性質に従って前記要素に生じるように、出力信号を生成するように配置される。

本発明によれば、改善された圧力センサ、特にインビボ測定用、特に生体内の圧力の血管内測定に適したセンサ・挿入組立体が提供される。

本発明を添付の図面を参照して詳細に説明する。該当する場合は、同じ符号は全ての図において同じものまたは均等のものを示すのに用いられる。

図６は本発明による生体において圧力の血管内測定用のセンサ・挿入組立体２の概略図であり、このセンサ・挿入組立体は挿入ユニット４とセンサ・チップ６を備える。

好適な一実施形態によると、本発明は一般に圧力のインビボ測定、例えば血管内測定を実施するための圧力センサに関するが、頭蓋内圧力を測定するような他のインビボ測定にも関する。

第２の好適な実施形態によると、センサ・挿入組立体は、例えば上述の米国再発行特許第３５、６４８号明細書（この特許の開示内容は引用によりここにすべて導入される）に開示されている種類のコアワイヤを含むガイドワイヤ組立体を備える。

図１は本発明の第１の実施形態によるセンサ・チップ６を示す概略図である。センサ・チップ６は基板本体８を含み、基板本体８は圧力感受性膜１０で覆って空洞１２を形成した凹部を備える。

圧電要素１４は圧力感受性膜と結合して配置され、エネルギー供給ユニット１６（図７参照）が圧電要素に該圧電要素に音波が発生すようにエネルギーを印加するように適合されている。次いで、圧電要素は、圧力感受性膜の変位に関連した音波の測定された特性に従う、膜における圧力を示す出力信号を発生する。

第１の実施形態では、図１に示すように、圧電要素は圧力感受性膜である弾力性の圧電膜の形をしている。

図２ａは本発明の第２の実施形態によるセンサ・チップの概略図であり、圧力感受性膜は基板本体に取り付けられ、圧電膜は圧力感受性膜上に取り付けられている。

図２ｂは本発明の第３の実施形態によるセンサ・チップの概略図であり、圧電膜は基板本体に取り付けられ、圧力感受性膜は圧電膜上に取り付けられる。

上述の第１、第２および第３の実施形態では、エネルギーは好ましくは１対のインターディジタル・トランスデューサ（ＩＤＴ）２０および２２（図５参照）を介して圧電膜に印加され、圧電膜から得られる。これらは図５に示されている。ここに、図５は本発明によるセンサ・チップの概略上面図である。これらＩＤＴは圧電膜の基板本体に面する側に、または圧電膜の反対側のいずれかに配置される。本発明者はこれらＩＤＴを圧電膜の基板本体に面する側に配置することにより有利なインピーダンス性能を得ることができることを見出した。

代替案として、前記ＩＤＴの一方を圧電膜の一方の側に配置し、他方を反対側に配置する。

上述の第２および第３の実施形態では、圧電膜は好ましくは凹部全体を覆っているが、代替案としては、圧電膜は凹部の一部のみを覆う。

本発明の第４の実施形態によると、圧電要素は前記圧力感受性膜上に配置された圧電ビーム１４’である。この実施形態はセンサ・チップの概略断面図である図３に示す。この実施形態では、圧電ビームは封入され、圧電膜の変位に従って最大信号振幅が期待される位置（例えばこれは凹部の境界に近くてもよい）に配置される。網１つの圧電ビームを設けて参照圧力を得るのに使用してもよく、その場合は、このビームを信号が期待されないか、非常に低い位置に配置される。代替案として、圧電ビーム１４’を凹部に、すなわち圧力感受性膜の下に配置してもよい。

一般に図４ａに示される本発明の第５の実施形態によると、凹部を覆う圧力感受性膜は絶縁膜１５により基板本体から電気的に絶縁されている。好ましくは圧電結晶１４’’の形の圧電要素は圧力感受性膜と基板本体に、圧電膜上の圧力に従う共鳴周波数を有する共鳴回路である容量性圧力センサが形成されるように接続される。形成された電気容量（キャパシタンス）は図中では圧電膜と基板本体との間のコンデンサ（点線）により示した。

図４ｂでは、第５の実施形態の変形例が示され、圧電膜１４’’’の形の圧電要素が空洞１２内に配置され、絶縁膜１５により圧力感受性膜１０から分離される。先の実施形態のいくつかにおけるように、エネルギーが圧電膜から一対のインターディジタル・トランスデューサ（図示しない）を介して印加され、かつ得られるのが好ましい。従って、この変形例は圧電要素を空洞内に配置するか、または容量性圧力センサの参照空洞に物理的に接続するという一般的概念の範囲に入る。 圧電膜にエネルギーを印加するのに用いられる電極の１つはさらに圧力感受性膜と接続するのにも用いることができる。代替案として、圧電膜および圧力感受性膜と接続するのに用いられる電極はそれぞれ空洞外で相互に接続することができる。

すべての実施形態に適用可能であるが、圧電要素に供給されるエネルギーは、外部エネルギー発生装置（図示しない）に接続した電気ケーブルに接続したエネルギー供給ユニットにより供給される。代替案として、エネルギー供給ユニットは外部エネルギー発生装置に対する無線接続のためのアンテナに接続されている。さらなる代替案としては、エネルギー供給手段は、センサ・チップに接続して配置された小型バッテリー手段（図示しない）に接続することができる。

生成された出力信号は処理ユニット１８（図７参照）に無線送信するか、または電気ケーブルを介して処理ユニットに送信することができる。処理ユニットは圧力センサと同じ基板上に配置されているのが好ましい。これは製造の観点から特に有利であるが、高い信号対雑音比を達成するためにも有利である。別の代替案は、処理ユニットをセンサ・チップに近いコアワイヤの遠位端に配置された別部品として配置することである。さらなる代替案は、処理ユニットを外部ユニット２４に配置することである（図６）。

次いで、処理ユニットは出力信号の性質に基づいて圧力を決定する。出力信号の性質はバルク音波（ＢＡＷ）を前記圧電要素を介して測定するか、前記圧電要素上の表面音波（ＳＡＷ）を測定するか、または前記圧電要素のラム波を測定するかにより導くことができる。これら測定された性質は音波の遅延または音波の共鳴周波数の変化を含む。

上述の実施形態では、空洞は真空にし、生成された圧力信号が絶対圧力を表すようにするのが好ましい。空洞を真空にしない場合は、参照圧力を圧力センサにより決定された圧力に対する参照値として使用する必要がある。

圧力感受性膜はシリコン（Ｓｉ）から作製するのが好ましく、圧電膜はＰＺＴ、ＺｎＯ、ＢａＴｉＯ₃またはＡＮＩのいずれかから作製される。圧電膜は厚さが１００μｍ未満、好ましくは０．１〜２０μｍの範囲内である。

センサ・チップは厚さが０．０５〜２ｍｍの間であるのが好ましく、長さが１０ｍｍ未満であり、幅が２ｍｍ未満であるのが好ましい。

本発明による圧力センサは別体の自立性装置、すなわちいかなる挿入手段にも配置されていないものであることもでき、次いで医療用途、例えば頭蓋内測定を行うこと、および非医療用途、例えばタイヤおよび危険な環境における圧力測定を行うことの両方において使用することができる。医療および非医療用途の両方において、圧力センサはエネルギー手段、例えば小型バッテリーまたは充電式コンデンサを備えていなければならず、また通信手段、例えばテレメトリー・コイルを備えていなければならない。

別の実施形態によると、前記組立体は温度補償手段を含み、測定に影響する温度の変動を補償する。

別の実施形態によると、前記組立体は、さらに、生体の体温を測定するように適合された温度測定手段を備える。この実施形態は、本発明の別の実施形態によるセンサ・チップの上面図である図８に示される。センサ・チップ６は凹部１２を備え、凹部１２は可撓性膜（図示しない）と圧電要素１４により覆われているのが好ましく、ここでは、凹部の一部の上方のストリップの形である。センサ・チップ６はさらに追加の、ストリップの形の圧電要素１４’’’’を備える。エネルギーはＩＤＴ２０を介して追加の圧電要素１４’’’’に印加され、周囲温度にしたがって変動する出力信号がＩＤＴ２２において得られる。ＩＤＴ２０を介して圧力センサに印加されたエネルギーは第１の共鳴周波数ｆ１をもつことができ、ＩＤＴ２２を介して温度センサに印加されたエネルギーは第２の共鳴周波数ｆ２を持つことができ、それぞれの出力信号の周波数は測定された圧力と温度に従ってそれぞれ変動する。

本発明は上述の好適な実施形態に限定されない。種々の代替案、変更および均等物を用いることができる。従って、上述の実施形態は本発明の範囲を限定するものではなく、本発明の範囲は特許請求の範囲によって定義される。

本発明の第１の実施形態によるセンサ・チップの概略断面図である。 本発明の第２の実施形態によるセンサ・チップの概略断面図である。 本発明の第３の実施形態によるセンサ・チップの概略断面図である。 本発明の第４の実施形態によるセンサ・チップの概略断面図である。 本発明の第５の実施形態によるセンサ・チップの一変形例の概略断面図である。 本発明の第５の実施形態によるセンサ・チップの別の変形例の概略断面図である。 本発明のセンサ・チップの概略上面図である。 本発明のセンサ・挿入組立体の概略図である。 本発明の動作を説明する概略ブロック図である。 本発明の別の実施形態によるセンサ・チップの概略上面図である。

符号の説明

２ センサ・挿入組立体
４ 挿入ユニット
６ センサ・チップ
８ 基板本体
１０ 圧力感受性膜
１２ 空洞（凹部）
１４ 圧電要素
１４’ 圧電ビーム
１４’’’ 圧電膜
１４’’’’ 圧電要素
１６ エネルギー供給ユニット
１５ 絶縁膜
１８ 処理ユニット
２０、２２ インターディジタル・トランスデューサ（ＩＤＴ）
２４ 外部ユニット
ｆ１ 第１の共鳴周波数
ｆ２ 第２の共鳴周波数

Claims (26)

1. 生体における血管内での圧力の測定用の圧力センサ・挿入組立体であって、該圧力センサ・挿入組立体は、ガイドワイヤ組立体であって、該ガイドワイヤ組立体のコアワイヤである挿入手段を備え、圧力センサが前記コアワイヤの遠位端領域に配置されており、前記圧力センサは、長さが５ｍｍ未満であり、幅および厚さがそれぞれ０．５ｍｍ未満であるセンサ・チップを有し、該センサ・チップは、凹部を設けた基板本体を有し、前記凹部が圧力感受性膜で覆われて、閉じられた空洞が形成されており、圧電要素が、前記基板本体から離れて、前記圧力感受性膜と結合されて配置され、前記圧電要素は、音波が前記圧電要素中に発生するように、エネルギー供給手段からエネルギーを受けるように構成され、前記圧電要素は、前記圧力感受性膜の変位に関係する音波の、測定される性質に応じた、前記圧力感受性膜の所の圧力を示す出力信号を生成するように構成されている、圧力センサ・挿入組立体において、
   前記圧電要素は、前記圧力感受性膜上の層として構成された弾力性のある圧電膜の形態であり、前記エネルギーは、前記圧電膜の、前記基板本体に面する側に配置されている１対のインターディジタル・トランスデューサ（ＩＤＴ）を介して前記圧電膜に対して印加され、かつ受領されることを特徴とする圧力センサ・挿入組立体。
2. 前記圧力感受性膜は前記基板本体に取り付けられ、前記圧電膜は前記圧力感受性膜上に取り付けられていることを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ・挿入組立体。
3. 前記圧力感受性膜はシリコン（Ｓｉ）製であることを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ・挿入組立体。
4. 前記ＩＤＴの一方は前記圧電膜の一方の側に配置され、他方は他方の側に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ・挿入組立体。
5. 前記圧電要素および前記圧力感受性膜は同じ基板本体上に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ・挿入組立体。
6. 圧力信号が前記圧電要素を介してバルク音波（ＢＡＷ）の性質を測定することにより導かれることを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ・挿入組立体。
7. 圧力信号が前記圧電要素上の表面音波（ＳＡＷ）の性質を測定することにより導かれることを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ・挿入組立体。
8. 圧力信号が前記圧電要素のラム波の性質を測定することにより導かれることを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ・挿入組立体。
9. 前記測定される性質は音波の遅延を含むことを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ・挿入組立体。
10. 前記測定される性質は音波の共鳴周波数の変化を含むことを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ・挿入組立体。
11. 前記空洞は真空にされ、生成される圧力信号は、絶対圧力を表すことを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ・挿入組立体。
12. 前記圧電膜はＰＺＴ、ＺｎＯ、ＢａＴｉＯ₃またはＡＮＩのいずれかから作製されることを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ・挿入組立体。
13. 前記圧電膜は厚さが１００μｍ未満であることを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ・挿入組立体。
14. 前記圧電膜は厚さが０．５〜１００μｍであることを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ・挿入組立体。
15. 前記圧電膜は厚さが約１μｍであることを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ・挿入組立体。
16. 前記センサは生体の圧力のインビボ測定用に適合されていることを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ・挿入組立体。
17. 前記エネルギー供給手段は外部エネルギー発生器に接続された電気ケーブルに接続されていることを特徴とする請求項１〜１６のいずれか一項に記載の圧力センサ・挿入組立体。
18. 前記エネルギー供給手段は外部エネルギー発生器に無線接続するためのアンテナに接続されていることを特徴とする請求項１〜１６のいずれか一項に記載の圧力センサ・挿入組立体。
19. 前記エネルギー供給手段は前記センサ・チップに接続されて配置された小型バッテリー手段に接続されていることを特徴とする請求項１〜１６のいずれか一項に記載の圧力センサ・挿入組立体。
20. 生成される出力信号は前記出力信号の性質に基づいて圧力を決定する処理ユニットに印加されることを特徴とする請求項１〜１６のいずれか一項に記載の圧力センサ・挿入組立体。
21. 前記処理ユニットは前記基板本体に配置されていることを特徴とする請求項２０に記載の圧力センサ・挿入組立体。
22. 生成される出力信号は前記処理ユニットに無線送信されることを特徴とする請求項２０に記載の圧力センサ・挿入組立体。
23. 生成される圧力信号は電気ケーブルを介して前記処理ユニットに送信されることを特徴とする請求項２０に記載の圧力センサ・挿入組立体。
24. 前記組立体は前記測定に影響する温度変動を補償する温度補償手段を備えることを特徴とする請求項２０に記載の圧力センサ・挿入組立体。
25. 前記組立体はさらに生体における温度を測定するように適合された温度測定手段を備えることを特徴とする請求項２０に記載の圧力センサ・挿入組立体。
26. 前記センサ・チップ（６）はさらに温度測定手段であるストリップの形の追加の圧電要素（１４’’’）を備え、エネルギーが前記追加の圧電要素（１４’’’’）に前記ＩＤＴ（２０）を介して印加され、周囲温度に従って変動する出力信号が前記ＩＤＴ（２２）において得られることを特徴とする請求項２５に記載の圧力センサ・挿入組立体。

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