JP5894197B2 - 小型高感度圧力センサー - Google Patents

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Description

本出願は、2011年3月9日に仮出願された61/450,959に基づく優先権を主張するものである。
本発明は、圧力センサーに関するものであり、特に、小型高感度圧力センサーに関するものである。
発明の背景
低侵襲的処理をするための圧力センサーを使用する際に、より小さなセンサーが要求されている。例えば、冠状動脈の血流予備量比(FFR)を評価するための、ガイドワイヤーを装備した圧力センサー(Pressure Guidewire)では、高い忠実度の圧力測定が行われると共に、最も小型の圧力センサーが要求されるというように、厳しいものとなっている。
この数年で、ファブリ・ペロー空洞共振器を用いた光ファイバー圧力センサーが増加している。ファブリ・ペローセンサーは、マイクロマシニング技術(微小電気機械技術=MEMS)を用いて製作され、小口径からなり、低コストで製作される。特に、ファブリ・ペロー型圧力センサーは、静電容量型圧力センサーに非常に似ており、ダイヤフラムの変形を測定することで、圧力を測定するようになっている。
従って、ファブリ・ペロー型圧力センサーは、様々な装置に対して最も将来性があるものと考えられ、これらの中では、カテーテル及びガイドワイヤーの先端圧力測定におけるニーズに最も適している。例えば、米国特許番号4,678,904及び7,689,071に記載された圧力センサーのように、様々な方法及び構成が提案されている。
ファブリ・ペロー又はその他の従来の圧力センサーは、適切な分解能、安定性及び正確性を満足しないようになるまで小さくなると、感度も同時に悪くなる。
圧力センサーのダイヤフラムが小さくなると、圧力に対するダイヤフラムの変形も小さくなることは、当業者において周知である。ダイヤフラムを薄くすることで、このような圧力に対するダイヤフラムの変形の減少を補償できる。しかし、この方法は、下記の通り制限される。
図1は、圧力を測定するための従来のファブリ・ペローセンサー1の構成を示す。双方向光ファイバー2は、光信号をファブリ・ペロー圧力チップ(Fabry-Perot pressure tip)(符号なし)に導く。圧力チップは、ガラス基板4からなる。一つの第1の部分的反射鏡5が、ガラス基板4の上面に形成された窪み空洞3内に取り付けられている。ダイヤフラム7は、ガラス基板4に接着又は溶接され、ダイヤフラム7の内面が第2の鏡6となる。双方の鏡5,6は、ファブリ・ペロー空洞共振器を構成する窪み空洞3の深さの距離だけ離れている。第2の鏡6は、印加圧力に応じて、第1の鏡5に向かって湾曲し、FP空洞の長さを変える。FP空洞の長さが、圧力の一義的な関数となる。
図2は、印加圧力によって変形した一般的なダイヤフラム7の形状を示す。圧力が増加すると、ダイヤフラムの増分偏差は減少する。即ち、ダイヤフラムの偏差は、印加圧力に対して非線形関数である。図3は、異なるダイヤフラム厚を有する同じ圧力センサーの一般的な反応を示す図である。ダイヤフラム厚が減少すると(SiエッチなしからSiエッチ4まで)、最低圧力領域(真空付近)では、感度が非常に増加するが、最高圧力領域(この場合、大気圧付近)で稼働するときには、感度が飽和状態になる。そして、バイアス圧力における絶対圧力センサーの感度の向上が制限される。
上記の感度制限に加えて、ダイヤフラム厚が減少すると、ダイヤフラム内の内部応力が増加し、ダイヤフラム破損が生じる。ダイヤフラム破損の危険性は、システムがバイアス圧(例えば、大気圧)で稼働することで、明らかに増加する。カテーテル先端圧力センシングを有する医療装置において、関心圧力は、大気圧(一般的には、760mmHg)が中心となる。ダイヤフラム厚を減少することで、0mmHga付近での感度は向上するが、760mmHga付近での感度の向上は制限される。
上記の結果の通り、現在の静電容量型の圧力センサーの構成と同様に、現在のファブリ・ペローセンサーを小型化するときの最大の障害は、圧力に対する十分な感度が不足することである。そして、正確性、分解能及び信頼性が不十分なものになるのに対し、他の不必要な寄生効果(例えば、水分漂流(moisture drift)及び熱的効果)が圧力に対して増幅するように思われる。
従って、小型センサーにおける高感度を有するセンサーの構成が必要となっている。
バイアス圧力のまわりの感度が最適化された小型光ファイバー圧力センサーの構成について説明する。
一実施形態において、圧力センサーは、基板と、基板に取り付けられたダイヤフラムと、を備えたファブリ・ペロー(FP)センサーである。ダイヤフラムは、中心を有すると共に、第1の材料を有する第1の層と、第2の材料を有する第2の層と、を備える。第2の層は、ドット(dot)を形成する。ドットは、第1の層に取り付けられると共に、ダイヤフラムの中心に配置される。第2の材料は、内部プレストレスを有し、内部プレストレスを解放することで、ダイヤフラムの中心が基板から離れて上反りになる。
ドットを有する実施形態において、第1の層は、基板に取り付けるために用いられる内面と、内面に対向する外面と、を備え、第2の層は、外面に取り付けられ、第2の材料は、圧縮でプレストレスされる。第2の層の内部圧縮応力が解放して、ダイヤフラムを外側に移動する。その結果として生じるダイヤフラムの形状によって、センサーの圧力感度を上昇させる効果がある。
ドットを有し、第2の材料が圧縮でプレストレスされる実施形態において、第1の材料は、シリコンを有する。
ドットを有し、第2の材料が圧縮でプレストレスされる実施形態において、第2の材料は、第1の層のシリコン材料に設けられたSiOを有する。
ドットを有し、第2の材料が圧縮でプレストレスされる実施形態において、第2の材料は、第1の層のシリコン材料に設けられたクロム、アルミニウム、チタン、鉄、金、酸化チタン、酸化タンタル、酸化シリコン、酸化ジルコニウム、酸化アルミニウム及び窒化ケイ素のいずれかを有する。
ドットを有する実施形態において、第1の層は、基板に取り付けるために用いられる内面を備え、第2の層は、内面に取り付けられ、第2の材料は、引張でプレストレスされる。
ドットを有し、第2の材料が引張でプレストレスされる実施形態において、第1の材料は、シリコンを有する。
ドットを有し、第2の材料が引張でプレストレスされる実施形態において、第2の材料は、第1の層のシリコン材料に設けられたクロムを有する。
ドットを有し、第2の材料が引張でプレストレスされる実施形態において、第2の材料は、第1の層のシリコン材料に設けられたクロム、アルミニウム、チタン、鉄、金、酸化チタン、酸化タンタル、酸化シリコン、酸化ジルコニウム、酸化アルミニウム及び窒化ケイ素のいずれかを有する。
他の実施形態において、圧力センサーは、基板と、基板に取り付けられたダイヤフラムと、を備えるファブリ・ペロー(FP)センサーである。ダイヤフラムは、中心を有すると共に、第1の材料を有する第1の層と、第2の材料を有する第2の層と、を備える。第2の層は、リングを形成する。リングは、第1の層に取り付けられると共に、ダイヤフラムの中心に配置される。第2の材料は、内部プレストレスを備え、内部プレストレスを解放することで、ダイヤフラムの中心のまわりの周辺部が基板から離れて上反りになる。
リングを有する実施形態において、第1の層は、基板に取り付けるために用いられる内面と、内面に対向する外面と、を備え、第2の層は、外面に取り付けられ、第2の材料は、引張でプレストレスされる。
リングを有し、第2の材料が引張でプレストレスされる実施形態において、第1の材料は、シリコンを有する。
リングを有し、第2の材料が引張でプレストレスされる実施形態において、第2の材料は、第1の層のシリコン材料に設けられたクロムを有する。
リングを有し、第2の材料が引張でプレストレスされる実施形態において、第2の材料は、第1の層のシリコン材料に設けられたクロム、アルミニウム、チタン、鉄、金、酸化チタン、酸化タンタル、酸化シリコン、酸化ジルコニウム、酸化アルミニウム及び窒化ケイ素のいずれかを有する。
リングを有する実施形態において、第1の層は、基板に取り付けるために用いられる内面を備え、第2の層は、内面に取り付けられ、第2の材料は、圧縮でプレストレスされる。
リングを有し、第2の材料が引張でプレストレスされる実施形態において、第1の材料は、シリコンを有する。
リングを有し、第2の材料が引張でプレストレスされる実施形態において、第2の材料は、第1の層のシリコン材料に設けられたSiOを有する。
リングを有し、第2の材料が引張でプレストレスされる実施形態において、第2の材料は、第1の層のシリコン材料に設けられたクロム、アルミニウム、チタン、鉄、金、酸化チタン、酸化タンタル、酸化シリコン、酸化ジルコニウム、酸化アルミニウム及び窒化ケイ素のいずれかを有する。
ダイヤフラム上に取り付けられ、成長され、又は、その他で設けられた内部プレストレス材料を加えることで、小型のファブリ・ペロー又は静電容量型の圧力センサーの感度が増加し、さらに、このような内部プレストレス材料の解放下で、バイアス圧力での感度が増加するように、ダイヤフラムの形状変化を生じさせる。
図1は、従来のファブリ・ペロー圧力センサーを示す概略断面図である。
図2は、外部圧力を印加することによって変形された従来の圧力センサーダイヤフラムを示す概略断面図である。
図3は、様々なダイヤフラム厚における印加圧力に対する従来の圧力センサーの反応を説明するグラフ図である。
図4は、ダイヤフラムの圧力バイアスのために外側に取り付けられ中央に配置されたプレストレス・ドット・ダイヤフラムを示す断面図である。
図5は、シリコン・オン・インスレーター基板を示す断面図である。
図6は、シリコン・オン・インスレーター(SOI)ハンドルから取り外されたSiO及びシリコン具の層によって引き起こされる変形を示す断面図である。
図7は、シリコン具及びSiOの層の双方からなるダイヤフラムを有する圧力センサーを示す断面図である。
図8は、外面にあるシリコン具の層及び中央SiOドットからなるダイヤフラムを有する圧力センサーを示す断面図である。
図9は、様々なSiOドット厚(厚いダイヤフラム)に対する圧力センサー反応曲線を説明するグラフ図である。
図10は、様々なSiOドット厚(薄いダイヤフラム)に対する圧力センサー反応曲線を説明するグラフ図である。
図11は、760mmHgにおける様々なSiOドット厚に対する2つの異なるセンサーの圧力感度を説明するグラフ図である。
図12は、ダイヤフラムの圧力バイアスのために内側に取り付けられ中央に配置されたプレストレス・ドット・ダイヤフラムを示す断面図である。
図13は、シリコンと、ダイヤフラムのバイアスのために外面の周辺部に配置された内部引張応力を有するリングと、からなるダイヤフラムを有する圧力センサーを示す断面図である。
図14は、シリコンと、ダイヤフラムのバイアスのために内面の周辺部に配置された内部圧縮応力を有するリングと、からなるダイヤフラムを有する圧力センサーを示す断面図である。
実施形態に関する以下の説明において、添付図面を参照して、本発明を説明する。なお、開示された本発明の範囲から逸脱することなく、他の実施形態でもよいことは理解できる。
図1に示す圧力センサーに対して、印加圧力は、ダイヤフラム7の変形を測定することで得られる。このようなセンサーの感度は、印加圧力に対するダイヤフラムの変形によって得られる。ダイヤフラムが大きく変形するほど、感度は良くなる。
バイアス圧力範囲(真空からオフセットされた圧力範囲)で稼働する絶対圧力センサーの感度は、ダイヤフラムを薄くすることで向上すると言われている。しかし、図3では、所定のダイヤフラム厚さに対して、ダイヤフラムを薄くしても、感度が向上しないことを示している。ダイヤフラムが薄くなると、低圧での感度は増加するが、例えば、760mmHgのような高圧では、それ以上、感度は向上しない。所定のバイアス圧力範囲で稼働する所定の圧力センサーダイヤフラムの直径に対しては、超えることができない最高感度がある。
このような圧力センサーの感度を増加する方法の一つとして、バイアス圧力が存在しない箇所にダイヤフラムを再配置することがある。この目的を達成する方法の一つとして、バイアス圧力での差圧がなくなるように、バイアス圧力(カテーテル先端装置に対する大気圧(atmospheric pressure for catheter tip applications))と同じ圧力で、センサーの内部空洞をガスで充填することがある。しかし、真空にする代わりに、ガスで内部空洞を充填すると、センサーは温度に対して非常に敏感になる。例えば、大気圧では、圧力センサーの内部空洞でのガス圧力は、20度から37度に温度上昇すると、44mmHg増加する。
図4に示す実施形態では、ダイヤフラムの外面に引張応力を生じさせることで、ダイヤフラムが上方の最適位置に移動するように、ダイヤフラムが元の位置の近くに再配置されるように構成されている。展伸材の薄層22(内部圧縮応力を解放するこのような層を有することで提供される)をダイヤフラム21の外面の中心に配置することで、この目的を達成できる。
図5〜図8は、このような高圧力感度を有する圧力センサーを製作する方法を示す図である。図5に示す通り、ファブリ・ペロー(Fabry-Perot)圧力センサーのダイヤフラムは、シリコン・オン・インスレーター(SOI)を用いて製作できる。SOIは、ハンドル33からなり、シリコンの厚い部分である。センサーが完成すると、ハンドル33は、通常、解放(released)、即ち、取り除かれる(removed)。シリコン具31は、ダイヤフラムを構成するSOIの一部である。これは、二酸化ケイ素(SiO)の層32によってハンドルから分離される。二酸化ケイ素にわたるシリコンを選択的にエッチングするための化学薬品があるので、SiO層32によって簡単にダイヤフラムをハンドルから取り外すことができる。
SOI基板の製作工程は、かなり高い温度でSiO層32を熱成長させる。SiO層32が成長する温度、及びSiOとシリコン具31との間の熱膨張係数(室温で、それぞれ0.5×10−6及び2.7×10−6)を考慮すると、室温で、SiO層32は大きな圧縮応力を受けることが明らかである。同様に、シリコン具31は、反対の応力(引張応力)を受ける。
図6に示す通り、シリコン具41及びSiO層42は、ハンドルから取り外されると、残りの層がたわむことがわかる。この挙動はバイメタルと同様であって、複合材料は、層の応力を緩和するために湾曲する。SiO層42は圧縮応力下で伸長しようとする一方、シリコン具41は引張応力下で収縮しようとする。
ファブリ・ペロー圧力センサー(図7)を製作するためにSOIを使用するとき、SOI全体は、陽極接合でガラス基板51に接合され、先ず、ファブリ・ペロー空洞52が、表面にエッチングされる。SOIがガラス基板に接合された後、当業者に良く知られる研磨及びエッチング工程によって、ハンドルが取り外される。センサーには、シリコン具層53及びSiO層54からなるダイヤフラムが残される。図6に示すダイヤフラムのバイメタル作業の結果、ダイヤフラムが上方へ移動することがわかるが、これは外部からのバイアス圧力を考慮していない。たわんだダイヤフラムの外面における応力は、純粋な引張応力ではない。ダイヤフラムの中央部57は圧縮されており、端部55は引っ張られている。SiO層54及びシリコン具層53に対する内部応力の緩和によって、中央部57は外側へ移動するが、端部55は内側へ移動する。これら二つの力は、大部分で互いに釣り合っている。最終的に、ダイヤフラムは元の位置へ戻らない。
ダイヤフラムを内側へ移動するSiO層54の端部55を取り除き、ダイヤフラムを外側へ引っ張る中央部57のみを残すことで、上記の釣り合いの影響を減少できる。図8は、最適位置へ戻したダイヤフラムを有する同一の圧力センサーを示す図である。中央のSiOドット部(dot portion)61は、シリコンダイヤフラム62の外面にわたって無傷で残されるのに対し、端部は、当業者に良く知られる選択的エッチング(preferential etching)によって取り除かれる。
様々なパラメーターを適用することで、最適な設計がなされることがわかる。図9及び図10は、1)同一のダイヤフラム直径で、2)異なるダイヤフラム厚(図9のセンサーは、より厚い方のダイヤフラムである)で、及び3)SiOドット厚が様々な、二つの圧力センサーの感度を示す図であり、
図11は、760mmHgにおける図9及び図10の反応曲線の傾斜を示す。ドットがないとき、760mmHgにおける圧力センサー(薄いダイヤフラムと厚いダイヤフラムの双方)の感度は、双方とも、1.36nm/mmHgと測定される。従って、ダイヤフラムを薄くしても感度を向上することはできない。一方、薄いダイヤフラム及び最適SiOドット厚を有するセンサーにおける最高感度は、9.7nm/mmHgまで上昇するのに対し、厚いダイヤフラムを有するセンサーでは3.2nm/mmHgとなる。これは、ドットのない1.36nm/mmHgの感度より優れている。
最高感度は、圧力範囲の制限領域で生じる。SiOドットは、SiOドットのないセンサーのセンサー反応曲線をより高圧側にスライドする作用を有している。即ち、センサー反応曲線が、より大きな圧力側にバイアスされる。SiOドットがないとき、センサー反応は0mmHgで変曲点を有しており、ダイヤフラムは平坦である。負圧(圧力が内部空洞の内側でより高い状態)におけるセンサー反応は対称となる。図9及び図10では、より高圧側にシフトした全体の反応曲線であって、SiOドットの厚さが増加すると、変曲点がより高圧側に移動する。このようなプレストレス・ドット(pre-stress dot)の存在によって、最高感度を実際のバイアス圧力(actual bias pressure)に相当する点にもたらす圧力センサーに対して、バイアス(bias)を生じさせる。
ダイヤフラムをバイアスすることで、圧力センサーの感度を向上できることがわかる。圧縮でプレストレスされたドットをダイヤフラムの外面の中央に付加することで、ダイヤフラムがバイアスされる。このような内部圧縮応力を解放することで、ダイヤフラムは外側に湾曲して感度が向上する。同様に、引張でプレストレスされたドットをダイヤフラムの外面の中央に付加することで、ダイヤフラムをバイアスできる。
図12は、FPセンサー70を示す図であり、ダイヤフラムが上方の最適位置に移動するように、ダイヤフラムの内面に圧縮応力を生じさせることで、ダイヤフラムはその平坦位置付近に再配置される。材料の薄層72が、内部引張応力を生じると共に、ダイヤフラム71の内面の中心に配置されることで、この目的が達成される。このような内部引張応力を生じさせるために付着又は成長される関心材料として、例えば、クロム、アルミニウム、チタン、鉄、金、酸化チタン、酸化タンタル、酸化シリコン、酸化ジルコニウム、酸化アルミニウム及び窒化ケイ素がある。
同様の構成として、ダイヤフラムの周辺端部55に付着又は成長した、リング形状の材料のプレストレス層を有するものも含む。図13に示す通り、内部引張応力を有する層75がダイヤフラムの外面76の周辺部に付着又は成長することで、同様の結果が生じる一方で、図14の通り、内部圧縮応力を有する層80がダイヤフラムの内面81の周辺部に付着又は成長することで、同様の結果が生じる。
ウエハーを製作する間にシリコン・オン・インスレーター(SOI)ウエハーの層のSiO内に発生する圧縮応力を用いて、本発明の実施形態が実証される。しかし、付着、成長又は他の工程の後に、他の付着又は成長された材料の薄層に内部応力を生じさせることによっても、同じ目的を達成できることがわかる。例えば、クロム、アルミニウム、チタン、鉄、金、酸化チタン、酸化タンタル、酸化シリコン、酸化ジルコニウム、酸化アルミニウム及び窒化ケイ素が、内部応力と共に付着される材料の一つである。
特定の実施形態に基づいて上記の通り本発明を説明したが、本発明の思想の範囲から逸脱することなく実施できる。

Claims (14)

  1. 基板と、
    前記基板に取り付けられたダイヤフラムと、を備え、
    前記ダイヤフラムは、中心を有すると共に、
    第1の材料を有する第1の層と、
    第2の材料を有する第2の層と、を備え、前記第2の層は、ドットを形成し、前記ドットは、前記第1の層に取り付けられると共に、前記ダイヤフラムの中心に配置され、前記第2の材料は、内部プレストレスを備え、前記ダイヤフラムの前記ドットが形成された中心において、前記内部プレストレスが解放された状態で前記基板から離れて上反りになっている
    ことを特徴とするファブリ・ペロー(FP)センサー。
  2. 前記第1の層は、前記基板に取り付けるために用いられる内面と、前記内面に対向する外面と、を備え、前記第2の層は、前記外面に取り付けられ、前記第2の材料は、圧縮でプレストレスされることを特徴とする請求項1に記載のFPセンサー。
  3. 前記第1の材料は、シリコンを有することを特徴とする請求項2に記載のFPセンサー。
  4. 前記第2の材料は、前記第1の層のシリコン材料に設けられたクロム、アルミニウム、チタン、鉄、金、酸化チタン、酸化タンタル、酸化シリコン、酸化ジルコニウム、酸化アルミニウム及び窒化ケイ素のいずれかを有することを特徴とする請求項3に記載のFPセンサー。
  5. 前記第1の層は、前記基板に取り付けるために用いられる内面を備え、前記第2の層は、前記内面に取り付けられ、前記第2の材料は、引張でプレストレスされることを特徴とする請求項1に記載のFPセンサー。
  6. 前記第1の材料は、シリコンを有することを特徴とする請求項に記載のFPセンサー。
  7. 前記第2の材料は、前記第1の層のシリコン材料に設けられたクロム、アルミニウム、チタン、鉄、金、酸化チタン、酸化タンタル、酸化シリコン、酸化ジルコニウム、酸化アルミニウム及び窒化ケイ素のいずれかを有することを特徴とする請求項に記載のFPセンサー。
  8. 基板と、
    前記基板に取り付けられたダイヤフラムと、を備え、
    前記ダイヤフラムは、中心を有すると共に、
    第1の材料を有する第1の層と、
    第2の材料を有する第2の層と、を備え、前記第2の層は、リングを形成し、前記リングは、前記第1の層に取り付けられると共に、前記ダイヤフラムの中心に配置され、前記第2の材料は、内部プレストレスを備え、前記ダイヤフラムの中心のまわりの前記リングが形成された周辺部において、前記内部プレストレスが解放された状態で前記基板から離れて上反りになっている
    ことを特徴とするファブリ・ペロー(FP)センサー。
  9. 前記第1の層は、前記基板に取り付けるために用いられる内面と、前記内面に対向する外面と、を備え、前記第2の層は、前記外面に取り付けられ、前記第2の材料は、引張でプレストレスされることを特徴とする請求項に記載のFPセンサー。
  10. 前記第1の材料は、シリコンを有することを特徴とする請求項に記載のFPセンサー。
  11. 前記第2の材料は、前記第1の層のシリコン材料に設けられたクロム、アルミニウム、チタン、鉄、金、酸化チタン、酸化タンタル、酸化シリコン、酸化ジルコニウム、酸化アルミニウム及び窒化ケイ素のいずれかを有することを特徴とする請求項10に記載のFPセンサー。
  12. 前記第1の層は、前記基板に取り付けるために用いられる内面を備え、前記第2の層は、前記内面に取り付けられ、前記第2の材料は、圧縮でプレストレスされることを特徴とする請求項に記載のFPセンサー。
  13. 前記第1の材料は、シリコンを有することを特徴とする請求項12に記載のFPセンサー。
  14. 前記第2の材料は、前記第1の層のシリコン材料に設けられたクロム、アルミニウム、チタン、鉄、金、酸化チタン、酸化タンタル、酸化シリコン、酸化ジルコニウム、酸化アルミニウム及び窒化ケイ素のいずれかを有することを特徴とする請求項13に記載のFPセンサー。
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