KR20150016214A - 유전율 차폐 - Google Patents

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KR20150016214A
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폴커 뵈데커
악셀 니메이어
베른하르트 와그너
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바이탈 센서즈 홀딩 컴퍼니 인코포레이티드
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Abstract

유전율-민감 디바이스들을 차폐하기 위한 기술들이 개시된다.

Description

유전율 차폐{PERMITTIVITY SHIELDING}
본 출원은 2012년 3월 16일 출원된 U.S. 특허 출원 제 13/422,216 호를 우선권 주장하며, 상기 제 13/422,216 호는 이에 의해 그 전체가 인용에 의해 본원에 포함된다.
예를 들어, 압력-전달 및 생체 적합 재료와 조합하여, 유전율-민감 디바이스들을 차폐하기 위한 기술들이 개시된다.
도 1은 유전율 차폐를 갖는 생체 적합 센서 디바이스의 제 1 실시예를 도시한다.
도 2는 유전율 차폐를 갖는 생체 적합 센서 디바이스의 제 2 실시예를 도시한다.
도 3은 유전율 차폐를 갖는 생체 적합 센서 디바이스의 제 3 실시예를 도시한다.
도 4는 캐패시티브 압력 센서 어셈블리의 사진이다.
고체 상태 디바이스들의 성능은 디바이스 주위의 유전율의 변화들에 의해 영향을 받을 수 있다. 그런 디바이스로부터의 출력은, 디바이스가 하나의 환경, 예를 들어 대략 1의 비유전율(relative permittivity)을 가지는 공기에서 교정되었고, 그 다음 상이한 환경, 예를 들어 대략 80의 비유전율을 가질 수 있는 액체 수(liquid water)에서 동작되었다면, 왜곡될 수 있다. (물의 비유전율은 온도, 주파수, 염도 등의 함수로서 매우 가변적이다). 변화하는 유전율 환경의 영향은 유전율-민감 디바이스들의 매우 다양한 애플리케이션들에서 중요할 수 있고, 특히 상기 영향은 캐패시티브 압력 센서들의 생체 내 사용시 관찰되었었다.
캐패시티브 압력 센서들은 재교정이 어려운 상황들, 예를 들어 혈압을 측정하기 위하여 생체 내 사용들, 및 타이어 공기 압을 측정하기 위한 자동차 타이어들 내 상황들에서 때때로 사용된다. 그런 환경들에서, 유전율 환경의 변화들을 설명하기 위해 센서를 재교정해야 하는 것을 회피하는 것이 유용할 것이다. 유전율 차폐는 고체 상태 디바이스 상에서의 변화하는 유전율 환경의 영향을 최소화할 수 있어서, 재교정에 대한 필요를 감소시키거나 제거할 수 있다.
그 환경의 유전율의 변화들에 민감한 임의의 디바이스는 유전율 차폐로 잠재적으로 이익을 얻을 수 있다. 반도체 디바이스들, 예를 들어 CMOS 디바이스들은 특정 환경들 하에서 환경의 유전율의 변화들에 민감하다고 알려져 있다. MEMS(microelectromechanical systems)는 또한 환경 유전율의 변화들에 민감할 수 있다. 그런 MEMS는 캐패시티브 압력 센서들을 포함하는, 센서들로서 작동하도록 설계될 수 있고, CMOS 반도체 디바이스 상에 형성될 수 있다.
MEMS 캐패시티브 압력 센서들은 유체의 압력을 측정하기 위한, 예를 들어 혈압을 측정하거나 타이어 내 공기 압을 측정하는 다양한 환경들에서 사용될 수 있다. 혈압을 측정하기 위하여, 캐패시티브 압력 센서는 통상적으로 예를 들어 실리콘 같은 생체 적합 재료 내에 디바이스를 캡슐화함으로써 생체 적합화 될 것이다. 실리콘은 압력을 측정하기 위해 장기간 임플란트(implant)에 필요한 기술적 및 생물학적 요건들을 충족한다. 실리콘은 그의 생체 적합성, 장기간 안정성, 및 그 내부 표면으로부터 그 외부 표면으로의 압력 전달 능력으로 인해 거의 이상적인 재료이다.
그러나 실리콘은 다공성이기 때문에 부분적으로 생체에 적합하다. 실리콘이 유체, 이를 테면 혈액에 노출될 때, 유체 및/또는 증기는 실리콘에 침입할 것이다. 이런 침입은 공기를 추방할 것이거나, 혹은 그 비슷한 유체가 침수 전에 존재하여, 환경들의 유전율이 변화되고, 따라서 캐패시티브 압력 센서 판독들이 매우 변화된다. 그러므로 재교정은 침수 직후 요구된다. 게다가, 침입 프로세스는 폭 넓게 가변하는 시간 양을 취할 수 있어서, 캐패시티브 압력 센서 판독들은 시간들, 날짜들 또는 심지어 주일들에 걸쳐 계속 변화할 수 있다. 그리고 침입 물질의 성분은 시간에 걸쳐 변할 수 있기 때문에(예를 들어 혈액 화학치, 약물들의 농도, 및 다른 건강 상태들이 가변하기 때문에), 유전율에 대한 침입 영향은 예측할 수 없게 가변할 수 있다. 이런 예측 불가능은 센서의 교정이 오랜 시간 기간들에 걸쳐 조심성 있게 모니터링되는 것을 요구한다. 상이한 보호 코팅들, 통상적으로 플라스틱들 또는 다른 비-금속들은 다른 애플리케이션들에서 선호될 수 있지만, 유사하게 다공성인 대안적인 코팅들은 실리콘과 동일한 많은 장점들 및 단점들을 가질 것이다.
도 1은 생체 이식 가능 센서 디바이스의 일 실시예를 도시한다. 이 실시예에서, 생체 이식 가능 센서 디바이스는 외부 표면(2)을 갖는 반도체 디바이스(1)를 포함한다. 센서(3)는 반도체 디바이스(1)의 외부 표면(2) 상에 형성된다. 금속 접착제의 제 1 층(4)은 반도체 디바이스(1)의 외부 표면(2)의 일부에 부착된다. 유전율 차폐층(5)은, 유전율 차폐부와 반도체 디바이스(1) 사이의 접촉을 개선하기 위해 금속 접착제의 제 1 층(4) 위에 놓여 금속 접착제의 제 1 층(4)에 부착된다. 금속 접착제의 제 2 층(6)은 유전율 차폐층(5) 위에 놓여 유전율 차폐층(5)에 부착된다. 생체 적합 최외부 보호층(7)은 유전율 차폐부(5)와 보호층(7) 사이의 접촉을 개선하기 위하여 금속 접착제의 제 2 층(6) 위에 놓여 금속 접착제의 제 2 층(6)에 부착된다. 이들 층들 사이의 강한 부착은 보호층(7)(통상적으로 생물학적 애플리케이션들에서의 실리콘)의 국부적 박리, 임베딩(embedding) 실리콘층의 그 기계적 특성들의 결과적 변화, 및 교정 파라미터들에서의 결과적인 변화들(즉, 압력 전달 함수의 변화)을 방지한다. 비록 도 1이 외부 표면(2)과 직접 접촉하는 금속 접착제의 제 1 층(4)을 도시하지만, 반도체 디바이스의 전자 엘리먼트들이 외부에 적용된 임의의 금속으로부터 전기적으로 절연될 것이라는 것이 이해될 것이다. 통상적으로 유전율 차폐층(5)은 전기적으로 접지에 연결될 것이다. 대안적으로, 유전율 차폐부는 도 1에 도시된 바와 같이, 반도체 디바이스(1)의 단지 하나의 표면에 적용될 수 있거나, 하나보다 많은 면 위에 놓일 수 있거나, 심지어 반도체 디바이스(1)의 모든 면들 위에 놓일 수 있다.
통상적으로, 도 1에 도시된 바와 같이, 최외부 보호층(7)은 반도체 디바이스(1)를 완전히 캡슐화할 것이다. 금속 접착제들(4, 6) 및 유전율 차폐부(5)는 통상적으로 센서(3)가 형성되는 표면의 그 부분을 제외하고 디바이스(1)의 전체 외부 표면(2)을 커버할 것이지만, 대안적으로 센서(3)를 커버할 수 있다. 금속 접착제들(4, 6) 및 유전율 차폐부(5)에 의해 커버되지 않게 센서(3)를 남기는 것은 센서로의 힘의 동역학 전송을 개선할 수 있고, 이는 특히 센서(3)가 캐패시티브 압력 센서인 경우 중요하다.
도 2는 이식 가능, 생체 적합 센서 디바이스의 다른 실시예를 도시한다. 이 실시예에서, 제 1 생체 적합 보호층(14)은 반도체 디바이스(11)의 외부 표면(12)의 일부 위에 놓여 외부 표면(12)의 일부에 부착된다. 다시, 센서(13)는 외부 표면(12) 상에 형성된다. 금속 접착제의 제 1 층(15)은 제 1 생체 적합 보호층(14) 위에 놓여 제 1 생체 적합 보호층(14)에 부착된다. 유전율 차폐층(16)은 금속 접착제의 제 1 층(15) 위에 놓여, 금속 접착제의 제 1 층(15)에 부착된다. 금속 접착제의 제 2 층(17)은 유전율 차폐층(16) 위에 놓여 유전율 차폐층(16)에 부착된다. 제 2 생체 적합, 최외부 보호층(18)은 금속 접착제의 제 2 층(17) 위에 놓여 금속 접착제의 제 2 층(17)에 부착된다. 도 1의 실시예와 마찬가지로, 금속 접착제들(15, 17) 및 유전율 차폐부(16)는 통상적으로 센서(13)가 형성되는 표면의 그 부분을 제외하고 디바이스(11)의 전체 외부 표면(12)을 커버할 것이지만, 대안적으로 센서(13)를 커버할 수 있다.
도 3은 이식 가능, 생체 적합 센서 디바이스의 다른 실시예를 도시하고, 이식 가능, 생체 적합 센서 디바이스는 외부 표면(22)을 갖는 반도체 디바이스(21), 외부 표면상에 형성된 센서(23), 반도체 디바이스(21)의 외부 표면(22)의 일부 위에 놓여 반도체 디바이스(21)의 외부 표면(22)의 일부에 부착되는 제 1 생체 적합 보호층(24), 제 1 생체 적합 보호 및 압력-전달 층(24) 위에 놓여 제 1 생체 적합 보호 및 압력-전달 층(24)에 부착되는 금속 접착제의 제 1 층(25), 금속 접착제의 제 1 층(25) 위에 놓여 금속 접착제의 제 1 층(25)에 부착되는 유전율 차폐층(26), 유전율 차폐층(26) 위에 놓여 유전율 차폐층(26)에 부착되는 금속 접착제의 제 2 층(27), 및 금속 접착제의 제 2 층(27) 위에 놓여 금속 접착제의 제 2 층(27)에 부착되는 제 2 생체 적합, 최외부 보호층(28)을 가진다. 이 실시예는 도 2의 실시예와 유사하지만, 유전율 차폐부(26), 금속 접착제들(25 및 27), 및 최외부 보호 및 압력-전달 층(28)이 각각 내부의 층들을 완전히 캡슐화한다는 점에서 상이하다. 유전율 차폐부(26) 및 금속 접착제들(25 및 27)은 또한 센서(23) 위에 놓인다.
센서는 반도체의 표면상에 형성된 마이크로전자기계적 디바이스일 수 있다. 반도체는 CMOS 디바이스일 수 있다. 센서는 예를 들어 캐패시티브 압력 센서일 수 있다.
금속 접착제의 제 1 및 제 2 층들은 동일한 재료일 수 있다. 상기 재료는 텅스텐과 티타늄의 합금을 포함할 수 있거나, 주로 또는 완전히 텅스텐과 티타늄의 합금으로 이루어질 수 있다. 유전율 차폐층은 전도성 금속 또는 금속 합금을 포함할 수 있다. 유전율 차폐부는 금을 포함할 수 있거나 주로 금으로 이루어질 수 있거나, 또는 완전히 금으로 이루어질 수 있다. 보호층은 실리콘을 포함할 수 있거나, 주로 실리콘으로 이루어질 수 있거나, 완전히 실리콘으로 이루어질 수 있다.
금속 접착제, 또는 유전율 차폐부 어느 하나, 또는 둘 다는 갈바닉 금속화(galvanic metallization), 또는 스퍼터링, 또는 금속 또는 금속 합금의 얇은 층이 정의된, 미리 결정된 기하학적 구조 내에 증착되는 임의의 다른 프로세스에 의해 증착될 수 있다.
유전율 차폐부는 적어도 두 개의 목적들을 서빙한다. 첫째, 전도성(바람직하게 고 전도성) 유전율 차폐부는 센서 근처에서 유전율의 변화들의 센서에 대한 영향을 최소화하는 것을 도울 것이다. 전도성 유전율 차폐부는 부분 패러데이 상자로서 작용할 수 있어서, 유전율 환경의 변화들이 센서 내 또는 센서 주위 전자기장들에 대해 있는 경우의 영향을 감소시킨다. 차폐 효과는 또한 디바이스 내에 구현된 전체 전자 회로를 보호한다.
둘째, 유전율 차폐부는 유체 장벽으로 작용할 수 있어서, 유전율 변경 물질들(예를 들어, 혈액)이 보호층의 적어도 일부에 침투하는 것을 방지한다. 대략 0.2 내지 5 마이크론의 두께는 금속 유전율 차폐층이 물이 침투하는 것을 실질적으로 차폐하게 하기에 충분한 것으로 생각되지만, 보다 크거나 작은 두께는 장벽이 다른 유체들을 침투할 수 없게 하기 위해 요구될 수 있다. 유체들로부터 보호층을 격리함으로써, 유체-침투 불가능 유전율 장벽은 유전율 환경이 유지되고 변경되지 않는, 센서 주위 존을 생성한다. 게다가, 센서 바로 주위 영역뿐 아니라 전체 전자 회로가 변화하는 유전율에 대해 보호되어야 하는 것이 유리할 수 있는데, 그 이유는 변화하는 유전율은 또한 전자 회로에서의 변화들을 유발할 수 있고 그러므로 디바이스의 교정 데이터 변화를 초래할 수 있기 때문이다. 보호층의 유체-없는 존은 당해 유체의 유전율 특성들에 따라, 0.3 내지 2 밀리미터 두께일 수 있다.
유전율 차폐부가 센서 위에 놓이는 실시예들에서, 센서는, 유전율 차폐부가 신뢰성 있고 정확하게 압력을 전달한다면 가장 잘 작동할 것이다. 우수한 압력 전달을 달성하기 위해 유전율 차폐부, 및 연관된 접착제 층들은 유연해야 한다. 보다 얇은 유전율 차폐부는 일반적으로 보다 유연하다. 그러나 아래 설명된 바와 같이, 유전율 차폐부는 또한 유체가 침투 가능하지 않아야 하고, 이는 유체 및 차폐 재료의 특정 조합에 따르는 특정 최소 두께를 요구한다. 금은 여전히 비교적 얇고 유연하면서 잘 작동하고 있는 것으로 발견되었고, 혈액 및 그의 성분들에 대해 비교적 불침투성이다. 금은 또한 고 전기 전도성인 장점을 가진다.
본원에 설명된 유전율 차폐부는 매우 다양한 시스템들, 특히 U.S. 특허 번호 제 7,682,313 호, 제 7,686,768 호에 기술된 이식 가능 압력 모니터들에 적용될 수 있고, 상기 특허들은 이로써 인용에 의해 본원에 포함된다. 그런 이식 가능 압력 모니터의 일 예는 도 4에 도시되고, ASIC는 기판 플랫폼상에 장착되고 와이어들에 의해 안테나 어셈블리에 연결된다. 통상적으로 기판 및 안테나와 연결 와이어들 같은 다른 부속물을 포함하는 전체 디바이스는 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이 캡슐화될 것이다. 그런 모니터들은 좌심방, 우심방, 좌심실, 우심실, 상행 대동맥, 대동맥궁, 하행 흉부 동맥, 복대동맥, 허파동맥, 완두동맥, 우측쇄골하동맥, 좌측쇄골하동맥, 우측총경동맥, 좌측총경동맥, 좌측장골동맥, 우측장골동맥, 우측대퇴동맥, 좌측대퇴동맥, 등 같은 환자 내의 다양한 심혈관 공간들을 모니터링하기 위하여 적소에 임플란트될 수 있다.
상기 기술된 생체내 애플리케이션들에 더하여, 센서들, 특히 캐패시티브 압력 센서들은 매우 다양한 환경들에서 활용될 수 있다. 유전체 차폐부는 유전율 환경이 시간에 걸쳐 변화하고 센서의 성능이 그런 변화들에 민감한 임의의 환경에서 사용될 수 있고 이익일 수 있다. 물론, 비-생물학적 환경들에서 보호층은 생체적으로 적합할 필요가 없지만, 다공성이거나 그렇지 않으면 유전율의 변화들에 민감할 수 있고 그러므로 유전율 차폐부의 부가로부터 이익을 얻을 수 있다.
캐패시티브 압력 감지시, 어떠한 투자율 차폐부도 사용되지 않는 경우에도 변화하는 투자율 환경의 영향을 바로잡는 것은 가능하다. 캐패시티브 압력 센서는 통상적으로 압력의 변화들에 민감한 액티브 캐패시티브 막들로 형성된다. 액티브 캐패시티브 막들로부터의 출력 신호는 감지된 압력을 직접 계산하기 위하여 통상적으로 사용된다. 그러나 그 출력 신호는 부분적으로 영향을 주는 압력과 부분적으로 유전율 환경으로 인할 수 있다. 이 문제를 다루기 위해, 사람은 압력의 변화들에 둔감한 패시브 캐패시티브 막들을 또한 가지도록 캐패시티브 압력 센서를 형성할 수 있다. 패시브 캐패시티브 막들로부터의 신호는 그 다음 유전율의 변화들에만 반응하는 것으로 해석될 수 있다. 유전율로 인한 신호는 그 다음 액티브 캐패시티브 막들로부터의 신호로부터 감산될 수 있고, 압력의 변화들로 인한 신호만을 남긴다. 이런 방식으로, 쌍으로 이루어진 액티브 및 패시브 압력 막들은 변화하는 유전율을 바로잡기 위해 사용될 수 있다.

Claims (20)

  1. 변화하는 유전율에 대해 차폐된 생체 이식 가능 센서 디바이스로서,
    센서가 외부 표면상에 형성된 상기 외부 표면을 갖는 반도체 디바이스;
    상기 반도체 디바이스의 외부 표면의 일부에 부착된 금속 접착제의 제 1 층;
    금속 접착제의 제 1 층 위에 놓여 상기 금속 접착제의 제 1 층에 부착되는 투자율 차폐층;
    상기 투자율 차폐층 위에 놓여 상기 투자율 차폐층에 부착되는 금속 접착제의 제 2 층; 및
    상기 금속 접착제의 제 2 층 위에 놓여 상기 금속 접착제의 제 2 층에 부착되는 생체 적합, 최외부 보호층
    을 포함하는,
    생체 이식 가능 센서 디바이스.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 센서는 MEMS(microelectromechanical system)인,
    생체 이식 가능 센서 디바이스.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 반도체 디바이스는 CMOS 디바이스인,
    생체 이식 가능 센서 디바이스.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 센서는 MEMS인,
    생체 이식 가능 센서 디바이스.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 센서는 캐패시티브 압력 센서인,
    생체 이식 가능 센서 디바이스.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 금속 접착제의 제 1 층 및 상기 금속 접착제의 제 2 층은 텅스텐과 티타늄의 합금인,
    생체 이식 가능 센서 디바이스.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 유전율 차폐층은 금을 포함하는,
    생체 이식 가능 센서 디바이스.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 보호층은 실리콘을 포함하는,
    생체 이식 가능 센서 디바이스.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 금속 접착제의 제 1 층 및 상기 금속 접착제의 제 2 층은 동일한 재료인,
    생체 이식 가능 센서 디바이스.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 금속 접착제의 제 1 및 제 2 층들의 재료는 텅스텐을 포함하는,
    생체 이식 가능 센서 디바이스.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 금속 접착제의 제 1 및 제 2 층들의 재료는 텅스텐과 티타늄의 합금인,
    생체 이식 가능 센서 디바이스.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유전율 차폐층은 고 전도성 금속 또는 금속 합금을 포함하는,
    생체 이식 가능 센서 디바이스.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 유전율 차폐층은 금을 포함하는,
    생체 이식 가능 센서 디바이스.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 유전율 차폐층은 갈바닉적으로 증착되는,
    생체 이식 가능 센서 디바이스.
  15. 제 12 항에 있어서,
    상기 유전율 차폐층은 스퍼터 증착되는,
    생체 이식 가능 센서 디바이스.
  16. 제 1 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 보호층은 실리콘을 포함하는,
    생체 이식 가능 센서 디바이스.
  17. 변화하는 유전율에 대해 차폐된 생체 이식 가능 센서 디바이스로서,
    센서가 외부 표면상에 형성된 상기 외부 표면을 갖는 반도체 디바이스;
    상기 반도체 디바이스의 외부 표면의 일부 위에 놓여 상기 반도체 디바이스의 외부 표면의 일부에 부착되는 제 1 생체 적합 보호층;
    상기 제 1 생체 적합 보호층 위에 놓여 상기 제 1 생체 적합 보호층에 부착되는 금속 접착제의 제 1 층;
    상기 금속 접착제의 제 1 층 위에 놓여 상기 금속 접착제의 제 1 층에 부착되는 유전율 차폐층;
    상기 유전율 차폐층 위에 놓여 상기 유전율 차폐층에 부착되는 금속 접착제의 제 2 층; 및
    상기 금속 접착제의 제 2 층 위에 놓여 상기 금속 접착제의 제 2 층에 부착된 제 2, 최외부 생체 적합 보호층
    을 포함하는,
    생체 이식 가능 센서 디바이스.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 생체 적합 보호층들 둘 다는 실리콘을 포함하는,
    생체 이식 가능 센서 디바이스.
  19. 제 17 항 또는 제 18 항에 있어서,
    상기 투자율 차폐층은 금을 포함하는,
    생체 이식 가능 센서 디바이스.
  20. 제 17 항 내지 제 19 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 금속 접착제의 제 1 및 제 2 층들 둘 다는 텅스텐과 티타늄의 합금을 포함하는,
    생체 이식 가능 센서 디바이스.
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