KR20150135194A - 접촉력 센서 및 그 제조 방법 - Google Patents

접촉력 센서 및 그 제조 방법 Download PDF

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Abstract

감도 및 정밀도가 높은 접촉력 센서 및 그 접촉력 센서 제조 방법을 제공한다. 접촉력 센서(5)는 실리콘 반도체 재료를 가공함으로써 만들어진다. 접촉력 센서(5)는 베이스부(611)와 이 베이스부(611)와 직교하는 방향으로 형성된 접촉력 전달부(612)를 갖는 센서 구성체(6)를 구비하고 있다. 센서 구성체(6)의 베이스부(611)에 형성되며, 상기 접촉력 전달부(612)의 변위를 전기 신호로 변환하는 응력 전기 변환 소자(7)를 구비하고 있다.

Description

접촉력 센서 및 그 제조 방법{CONTACT FORCE SENSOR AND PRODUCTION METHOD FOR SAME}
본 발명은 어플리케이션 카테터 등에 사용되는 접촉력 센서 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
심방의 부정맥 등의 치료를 위해, 경피적으로 심장 내의 표적 부위에 카테터(catheter)를 삽입하고, 카테터의 선단부에 설치되어 있는 전극에 고주파 전류를 흘려 이상한 부위를 선택적으로 소작(燒灼)하는 어브레이션(abration) 치료가 알려져 있다.
어브레이션 치료는 부정맥을 발생시키는 심장 내의 이상한 전기 신호의 전도 경로를 소작함으로써 전도 경로를 차단하고, 부정맥을 근치적(根治的)으로 치료하는 것이다.
이 어브레이션 치료에는 심장 내의 이상한 전기 신호의 전도 경로를 소작하기 위해 선단부에 고주파 통전이 가능한 전극이 설치된 어브레이션 카테터가 사용된다(예를 들면, 특허 문헌 1 참조).
이러한 어브레이션 카테터를 사용하는 어브레이션 치료를 함에 있어서는, 심장의 내벽의 이상한 부위에 어브레이션 카테터의 전극을 접촉시켜 고주파 전류를 흘려 소작한다.
그러나, 심장의 내벽의 이상한 부위에 대한 전극의 접촉력이 충분하지 않은 경우에는 이상한 전기의 전도 경로를 소작하기가 부족하고, 또한 접촉력이 과도한 경우에는 심장의 내벽이 관통하여 합병증으로서 심장 눌림증(cardiac tamponade)을 일으킬 가능성이 있다.
따라서, 선단부에 전극의 접촉력을 감지하는 접촉력 센서가 설치된 카테터가 제안된 바 있다(특허 문헌 2 참조).
특허 문헌 1 : 일본 특허 공개 2011-507605호 공보 특허 문헌 2 : 일본 특허 공개 2011-147783호 공보
그러나, 상기 접촉력 센서가 설치된 카테터에 있어서는, 그 접촉력 센서는 금속의 센서 구성체로 만들어져 있으며, 이 센서 구성체에 왜곡 게이지가 접착제에 의해 붙여져 있다. 따라서, 왜곡 게이지에 접촉력이 직접적으로 가해지기가 어려워 접촉력 센서의 감도 및 정밀도가 낮다는 과제가 발생한다.
본 발명은 상기 과제를 감안하여 이루어진 것으로서, 감도 및 정밀도가 높은 접촉력 센서 및 그 접촉력 센서 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
청구항 1에 기재된 접촉력 센서는, 반도체 재료를 가공함으로써 만들어지는 접촉력 센서로서, 베이스부와, 이 베이스부와 직교하는 방향으로 형성된 접촉력 전달부를 갖는 센서 구성체와, 상기 베이스부에 형성되며, 상기 접촉력 전달부의 변위를 전기 신호로 변환하는 응력 전기 변환 소자(stress-electricity conversion element)를 구비하는 것을 특징으로 한다.
접촉력 센서는, 베이스부에 일체적으로 형성된 압전 저항 소자 등의 응력 전기 변환 소자를 가지고 있다. 따라서, 감도 및 정밀도가 높아 유용한 접촉력 센서를 제공할 수 있다.
청구항 2에 기재된 접촉력 센서는, 청구항 1에 기재된 접촉력 센서에 있어서, 상기 센서 구성체의 베이스부는 링형상부와 이 링형상부의 내측으로부터 중앙부 쪽으로 뻗어나오는 복수 개의 암부를 구비하며, 상기 접촉력 전달부는 상기 링형상부의 중앙부에 상기 복수 개의 암부와 연결되어 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
청구항 3에 기재된 접촉력 센서는, 청구항 2에 기재된 접촉력 센서에 있어서, 상기 복수 개의 암부에는 각각 적어도 하나의 상기 응력 전기 변환 소자가 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 3차원적으로 접촉력을 감지할 수 있다.
청구항 4에 기재된 접촉력 센서는, 청구항 3에 기재된 접촉력 센서에 있어서, 상기 센서 구성체의 베이스부에는 복수 개의 응력 전기 변환 소자를 공통으로 접속하는 배선 패턴이 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 리드선을 적게 하여 배선 관계를 간소화하는 것이 가능해진다.
청구항 5에 기재된 접촉력 센서는, 청구항 1에 기재된 접촉력 센서에 있어서, 상기 베이스부와 접촉력 전달부 사이에는 절연층이 개재되어 있는 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 베이스부와 접촉력 전달부 간의 절연성을 확보하는 것이 가능해진다.
청구항 6에 기재된 접촉력 센서는, 청구항 5에 기재된 접촉력 센서에 있어서, 상기 반도체 재료는 SOI 기판인 것을 특징으로 한다.
SOI 기판은 일반적으로는 실리콘 웨이퍼 위에 절연층의 실리콘 산화막이 형성된 기판이다.
청구항 7에 기재된 접촉력 센서는, 청구항 1에 기재된 접촉력 센서에 있어서, 상기 베이스부에는 결합 부재가 결합되어 있으며, 응력 전기 변환 소자에 접속된 리드선의 접속부는 베이스부와 결합 부재 사이에 끼여 있는 것을 특징으로 한다.
이러한 발명에 따르면, 리드선의 접속부의 접합 강도를 향상시키는 것이 가능해진다.
청구항 8에 기재된 접촉력 센서는, 청구항 7에 기재된 접촉력 센서에 있어서, 상기 결합 부재에는 응력 전기 변환 소자가 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
결합 부재에는 응력 전기 변환 소자가 형성되어 있으므로, 결합 부재는 센서 구성체의 일부를 구성하고 있다. 따라서, 베이스부가 형성된 센서 구성체를 제1 센서 구성체로 하면, 결합 부재는 제2 구성체가 되는 관계에 있다.
청구항 9에 기재된 접촉력 센서는, 청구항 8에 기재된 접촉력 센서에 있어서, 상기 응력 전기 변환 소자는 브리지 접속되어 브리지 회로(bridge circuit)가 구성되어 있는 것을 특징으로 한다.
청구항 10에 기재된 접촉력 센서 제조 방법은, MEMS 기술에 의해 접촉력 센서를 제조하는 방법으로서, 베이스부와 이 베이스부와 직교하는 방향으로 형성된 접촉력 전달부를 형성하는 공정과, 베이스부에 상기 접촉력 전달부의 변위를 전기 신호로 변환하는 응력 전기 변환 소자를 형성하는 공정을 구비하는 것을 특징으로 한다.
청구항 11에 기재된 접촉력 센서 제조 방법은, 청구항 10에 기재된 접촉력 센서 제조 방법에 있어서, 접촉력 센서를 구성하는 재료로서 SOI 기판이 사용되는 것을 특징으로 한다.
청구항 12에 기재된 접촉력 센서 제조 방법은, 청구항 10에 기재된 접촉력 센서 제조 방법에 있어서, 펄스 히팅법에 의해 상기 응력 전기 변환 소자에 리드선을 접속하는 공정을 구비하는 것을 특징으로 한다.
이러한 발명에 따르면, 좁은 영역에 확실하게 리드선을 접속하는 것이 가능해진다.
본 발명에 따르면, 감도 및 정밀도가 높은 접촉력 센서 및 그 접촉력 센서 제조 방법을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 형태에 따른 접촉력 센서를 적용한 카테터를 도시한 평면도이다.
도 2는 상기 카테터의 선단부의 개략적인 단면도이다.
도 3은 상기 접촉력 센서로부터 도출되는 리드선의 배선 상태를 도시한 평면도이다.
도 4는 상기 접촉력 센서를 도시한 사시도이다.
도 5는 상기 접촉력 센서를 도시한 분해 사시도이다.
도 6은 상기 접촉력 센서에 있어서 응력 전기 변환 소자의 배치 상태를 도시한 평면도이다.
도 7은 상기 응력 전기 변환 소자의 접속 상태를 도시한 브리지 회로도이다.
도 8은 상기 접촉력 센서의 제조 공정의 개요를 도시한 단면도이다.
이하, 본 발명의 실시 형태에 따른 접촉력 센서에 대해 도 1 내지 도 8을 참조하여 설명한다. 도 1은 접촉력 센서를 적용한 카테터를 도시한 평면도이고, 도 2는 카테터의 선단부를 개략적으로 설명하기 위한 단면도이다. 도 3은 접촉력 센서로부터 도출되는 리드선의 배선 상태를 도시한 평면도이고, 도 4는 접촉력 센서를 도시한 사시도이고, 도 5는 접촉력 센서를 도시한 분해 사시도이다. 또한, 도 6은 접촉력 센서에 있어서 응력 전기 변환 소자(압전 저항 소자)의 배치 상태를 도시한 평면도이고, 도 7은 응력 전기 변환 소자의 접속 상태를 도시한 브리지 회로도이고, 도 8은 접촉력 센서의 제조 공정의 개요를 도시한 단면도로서, 도 5에 있어서 X-X선을 따른 단면을 도시하고 있다. 또한, 각 도면에서는 각 부재를 인식 가능한 크기로 하기 위해 각 부재의 축척을 적당히 변경하였다.
도 1에 도시된 바와 같이, 카테터(1)는 어브레이션 카테터로서, 제어 핸들(2)와 이 제어 핸들(2)의 일단측으로부터 도출된 샤프트(3)를 구비하고 있다. 또한, 제어 핸들(2)에는 편향 부재(21)가 설치되어 있으며, 샤프트(3)의 선단부(31)에는 선단 전극(4)이 설치되어 있다. 나아가, 샤프트(3)의 선단부(31)의 샤프트(3) 내에는 접촉력 센서(5)가 배열되어 설치되어 있다.
제어 핸들(2)에 설치된 편향 부재(21)는 샤프트(3)의 선단부(31)를 편향 이동 조작하기 위한 부재로서, 샤프트(3) 내에 배열되어 설치된 도시하지 않은 조작 와이어를 잡아당김으로써 샤프트(3)의 선단부(31)를 두 방향으로 편향 이동시키는 것이다.
제어 핸들(2)의 뒷부분으로부터는 고주파 발생 장치나 컨트롤러에 접속되는 케이블(32)이나 유체 소스에 접속되는 관주(灌注) 튜브(33)가 도출(導出)되어 있다. 고주파 발생 장치는 선단 전극(4)에 접속되어 있어 선단 전극(4)에 고주파 에너지를 공급하는 것이다. 또한, 컨트롤러는 전기적인 출력 신호나 입력 신호를 제어하며, 선단 전극(4)으로의 고주파 통전의 상태를 제어하거나 접촉력 센서(5)로부터의 출력 신호를 수신하여 접촉력을 측정하는 기능을 가지고 있다.
도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이, 샤프트(3)는 길이가 긴 형태로서 관강(管腔)(34)이 형성되어 있어 적당한 강성(剛性)과 가요성(可撓性)을 가지고 있다. 또한, 관강(34) 내에는 중공 형태의 리드선 삽입 통과 튜브(35, 36)가 길이 방향을 따라 배열되어 설치되어 있다.
샤프트(3)를 구성하는 재료에는, 예를 들어, 폴리우레탄, 폴리올레핀, 폴리아미드, 폴리에테르폴리아미드 등의 합성 수지를 사용할 수 있다.
또한, 샤프트(3)의 외경 치수는 8프렌치(French: F, Fr) 이하이며, 길이 치수는 90mm 내지 110mm로 형성되어 있다.
도 2에 도시한 바와 같이 선단 전극(4)은 포탄형으로 형성되어 있어 샤프트(3)의 선단부(31)에 고정되어 있다. 또한, 전극(4)은 후단측에 원통형의 오목부(41)를 가지고 있다. 이 오목부(41)에는 접촉력 센서(5)가 연결된다. 나아가, 전극(4)의 후단측에는 전극 리드선(42)이 접속되어 있다. 이 전극 리드선(42)은 리드선 삽입 통과 튜브(36)를 삽입 통과시켜 고주파 발생 장치에 접속된다. 즉, 전극(4)은 고주파 발생 장치에 전기적으로 접속되며, 전극(4)에는 고주파 발생 장치로부터 고주파 에너지가 공급되게 되어 있다.
전극(4)의 외경 치수는 샤프트(3)의 외경 치수와 대략 동등한 것이 바람직하며, 8프렌치 이하로 형성되어 있다. 또한, 전극(4)을 구성하는 재료로는, 예를 들면, 백금, 금, 스테인리스, 티타늄 합금 등의 열전도성이 양호한 금속 재료를 사용할 수 있다.
또한, 전극(4)에는 관주 튜브(33)로부터 이송되는 생리 식염수 등의 유체를 외부로 송출하기 위한 도시하지 않은 유로가 형성되어 있다.
다음, 도 2 내지 도 6을 참조하여 접촉력 센서(5)에 대해 상세하게 설명한다. 또한, 도 3은 접촉력 센서로부터 도출되는 리드선의 배선 상태를 도시하기 위해, 도 2의 전극(4) 및 샤프트(3)를 제거하고 평면적으로 나타내었다.
접촉력 센서(5)는, 후술하는 바와 같이 반도체 가공 프로세스를 이용하는 MEMS(Micro Electro Mechanical System) 기술에 의해 실리콘 반도체 재료로 만들어져 있다. 접촉력 센서(5)는 센서 구성체(6)와 이 센서 구성체(6)에 형성된 응력 전기 변환 소자(7)를 구비하고 있다.
도 4 및 도 5에 도시한 바와 같이, 센서 구성체(6)는 본 실시 형태에 있어서는 제1 센서 구성체(61) 및 제2 센서 구성체(62)에 의해 구성되어 있다.
제1 센서 구성체(61)는 베이스부(611)와 접촉력 전달부(612)를 구비하고 있다. 베이스부(611)는 링형상부(611a)와 이 링형상부(611a)의 내측의 벽으로부터 중앙부 쪽으로 뻗어나오는 복수 개, 구체적으로는 3개의 암부(611b)를 구비하고 있다.
또한, 링형상부(611a)의 중앙부에는 상기 암부(611b)와 연결되며, 베이스부(611)와 직교하는 방향으로 뻗어나오는(延出) 대략 원통형의 접촉력 전달부(612)가 형성되어 있다. 바꾸어말하면, 상기 복수 개의 암부(611b)는 접촉력 전달부(612)의 외주벽으로부터 링형상부(611a)의 내측의 벽 쪽으로 반경 방향으로 방사형으로 형성되어 있다.
제1 센서 구성체(61)의 배면(背面)측의 베이스부(611)에는, 도 6에 도시한 바와 같이 응력 전기 변환 소자(7)가 형성되어 있다. 도 6은 제1 센서 구성체(61)의 배면(후면)측을 평면적으로 나타냈으며, 설명상 응력 전기 변환 소자(7)를 실선으로 도시했으나, 실제로는 응력 전기 변환 소자(7)는 베이스부(611)에 일체적으로 내장되도록 형성되어 있다.
응력 전기 변환 소자(7)는, 왜곡이 인가되면 그 변위에 의해 전기 저항이 변화하는 왜곡 게이지의 기능을 갖는 압전 저항 소자로서, 이 압전 저항 소자(S1-a, S1-b), (S2-a, S2-b), (S3-a, S3-b)가 암부(611b)의 일면측, 구체적으로는 배면측으로서 각 암부(611b)의 중심측과 외주측에 배치되어 있다. 즉, 압전 저항 소자(S1-a, S1-b), (S2-a, S2-b), (S3-a, S3-b)는 각 암부(611b)에 한 쌍씩 배치되어 있다. 압전 저항 소자(S1-a, S1-b), (S2-a, S2-b), (S3-a, S3-b)의 양단에는 전극부(71)가 형성되어 있으며, 이 전극부(71)가 전원측과 전기적으로 접속되게 되어 있다.
보다 상세하게는, 베이스부(611)의 배면측의 중앙부에는 링 형상의 내측 배선 패턴(72)이 형성되어 있으며, 링형상부(611a)에는 마찬가지로 링 형상의 외측 배선 패턴(73)이 형성되어 있다. 이들 배선 패턴(72, 73)은, 예를 들면, 니켈 또는 금에 주석 도금한 재료로 형성되어 있다.
압전 저항 소자(S1-a, S1-b)를 대표적인 예로서 설명하면, 중심측에 배치된 압전 저항 소자(S1-a)의 일측의 전극(71a)은 내측 배선 패턴(72) 위에 배치되어 이 배선 패턴(72)에 접속되고, 타측의 전극(71b)은 암부(611b) 위에 배치되고, 이 전극(71b)에는 리드선(74)이 접속되어 있다.
또한, 외주측에 배치된 압전 저항 소자(S1-b)의 일측의 전극(71a)은 암부(611b) 위에 배치되고, 이 전극(71a)에는 리드선(75)이 접속되며, 타측의 전극(71b)은 외측 배선 패턴(73) 위에 배치되어 이 배선 패턴(73)에 접속되어 있다. 또한, 이 외주측에 배치된 압전 저항 소자(S1-b)의 일측의 전극(71a)은 압전 저항 소자(S1-b)와는 전기적으로 접속되지 않는 절연된 전극인데, 후술하는 바와 같이 제1 센서 구성체(61)와 제2 센서 구성체(62)가 결합된 경우에, 예를 들면, 제2 센서 구성체(62) 측에 형성된 압전 저항 소자(S4-b)와 그 전극을 통해 접속된다.
압전 저항 소자(S2-a, S2-b), (S3-a, S3-b)는 상기 압전 저항 소자(S1-a, S1-b)와 동일하게 배치되고 접속되어 있다. 나아가, 내측 배선 패턴(72) 및 외측 배선 패턴(73)에는 전원측으로 도출되는 리드선(76, 77)이 접속되어 있다. 이 리드선(76)은, 예를 들면, 중심측에 배치된 압전 저항 소자(S1-a)의 일측의 전극(71a)에 접속할 수 있다. 또한, 리드선(77)은 외주측에 배치된 압전 저항 소자(S1-b)의 타측의 전극(71b)에 접속할 수 있다.
이상과 같은 리드선(74, 75)의 전극(71b, 71a)에 대한 접속 및 리드선(76, 77)의 배선 패턴(72, 73)에 대한 접속은 소위 펄스 히팅법에 의해 솔더링되어 접합되어 수행되고 있다. 이 펄스 히팅법은 툴(히터 칩)에 펄스 전류를 흘림으로써 발생한 줄(jule) 열로 솔더링하는 방법으로서, 솔더링할 부위를 국부적, 순간적으로 가열함으로써 접합할 수 있다. 따라서, 좁은 영역에 확실하게 리드선(74, 75, 76, 77)을 접속하는 것이 가능해진다.
이러한 압전 저항 소자(S1-a, S1-b), (S2-a, S2-b), (S3-a, S3-b)의 배선 관계에 따르면, 압전 저항 소자(S1-a, S1-b), (S2-a, S2-b), (S3-a, S3-b)는 내측 배선 패턴(72) 및 외측 배선 패턴(73)에 공통적으로 접속되므로, 리드선을 적게 하여 배선 관계를 간소화하는 것이 가능해진다.
도 5에 도시한 바와 같이, 제2 센서 구성체(62)는 상기 제1 센서 구성체(61)의 배면측에 결합되는 결합 부재이다. 제2 센서 구성체(62)는 결합면부(621)와 원통형의 외주벽(622)을 구비하고 있다.
결합면부(621)는 제1 센서 구성체(61)의 배면측의 형상에 적합한 형상으로 형성되어 있어, 중앙부에 링형상부(621a)를 가지며, 이 링형상부(621a)의 외주벽으로부터 원통형의 외주벽(622)의 내주벽 쪽으로 반경 방향으로 방사형으로 복수 개의 암부(621b)가 형성되어 있다.
또한, 결합면부(621)에는, 상세한 설명은 생략하지만, 제1 센서 구성체(61)와 동일하게, 응력 전기 변환 소자(7)인 압전 저항 소자(S4-a, S4-b), (S5-a, S5-b), (S6-a, S6-b)가 암부(621b)에 형성되고, 링 형상의 내측 배선 패턴(78) 및 외측 배선 패턴(79)이 형성되어 있다. 나아가, 이들 압전 저항 소자(S4-a, S4-b), (S5-a, S5-b), (S6-a, S6-b)에는, 도시하지 않은 리드선이 제1 센서 구성체(61)와 동일하게 접속되어 있다.
이와 같이 구성된 제1 센서 구성체(61)와 제2 센서 구성체(62)는 제1 센서 구성체(61)의 배면측의 베이스부(611)와 제2 센서 구성체(62)의 결합면부(621)가 서로 대향하여 적합하도록 결합되어 센서 구성체(6)를 구성하게 된다. 구체적으로는, 센서 구성체(61)와 제2 센서 구성체(62) 상호의 암부(611b)와 암부(621b)가 서로 대향하도록 배치되고, 베이스부(611)에 배치된 압전 저항 소자(S1-a, S1-b), (S2-a, S2-b), (S3-a, S3-b)의 각 전극(71)과 결합면부(621)에 배치된 압전 저항 소자(S4-a, S4-b), (S5-a, S5-b), (S6-a, S6-b)의 각 전극(71)이 서로 솔더링되어 접합된다.
도 4에 바와 같이, 제1 센서 구성체(61)와 제2 센서 구성체(62)가 결합된 상태에 있어서는, 제1 센서 구성체(61)에 형성된 압전 저항 소자(S1-a, S1-b), (S2-a, S2-b), (S3-a, S3-b)와 제2 센서 구성체(62)에 형성된 압전 저항 소자(S4-a, S4-b), (S5-a, S5-b), (S6-a, S6-b)가 서로 대향하게 된다. 예를 들면, 압전 저항 소자 S1-a와 S4-a가 대향하고, 압전 저항 소자 S1-b와 S4-b가 대향한다.
또한, 제1 센서 구성체(61)의 전극(71b, 71a)과 리드선(74, 75) 간의 접속부 및 제2 센서 구성체(62)의 전극(71b, 71a)과 리드선 간의 접속부는 제1 센서 구성체(61)의 베이스부(611)와 제2 센서 구성체(62)의 결합면부(621) 사이에 끼인 상태가 된다. 따라서, 전극과 리드선 간의 접속부의 접합 강도를 향상시키는 것이 가능해진다.
다시 도 2 및 도 3을 참조하여 접촉력 센서(5)의 샤프트(3)의 관강(34) 내에의 배열 설치 상태에 대해 설명한다. 도 2에 도시한 바와 같이, 접촉력 센서(5)는 샤프트(3)의 내벽에 장착된다. 이 장착 상태에 있어서는, 선단 전극(4)의 오목부(41)에 접촉력 센서(5)의 접촉력 전달부(612)의 선단측 일부가 끼워져 결합되어 연결된다.
도 3를 부가하여 도시한 바와 같이, 접촉력 센서(5)의 제1 센서 구성체(61)의 베이스부(611)와 제2 센서 구성체(62)의 결합면부(621) 간의 이음매로부터 도출되는 리드선(74, 75)은 리드선 삽입 통과 튜브(35)를 삽입 통과함과 아울러 제어 핸들(2)을 경유하여 컨트롤러에 접속된다. 나아가, 샤프트(3)의 관강(34) 내에는 관주 튜브(33)로부터 이송되는 유체가 흐르는 도시 생략한 유통 튜브가 배열되어 설치되어 있다.
계속해서, 도 7을 참조하여 응력 전기 변환 소자(압전 저항 소자)(7)의 접속 상태에 대해 설명한다. 제1 센서 구성체(61)와 제2 센서 구성체(62) 간의 솔더링에 의한 결합에 의해 각 압전 저항 소자(S1-a, S1-b), (S2-a, S2-b), (S3-a, S3-b) 및 압전 저항 소자(S4-a, S4-b), (S5-a, S5-b), (S6-a, S6-b)는 브리지 회로를 구성하여 접속된다.
구체적으로는, 각 한 쌍의 압전 저항 소자 S1-a와 S1-b, S2-a와 S2-b, S3-a와S3-b, S4-a와 S4-b, S5-a와 S5-b, S6-a와 S6-b를 접속한 각 직렬 회로가 전원측에 대해 병렬로 접속되어 있다. 또한, 각 직렬 회로의 압전 저항 소자의 접속 중간부에는 출력 단자(A, B, C, D, E, F)가 접속되어 있다. 이 출력 단자(A, B, C, D, E, F)에는 압전 저항 소자에 왜곡이 인가됨에 따라 출력 전압이 출력된다.
다음, 도 8을 참조하여 접촉력 센서(5)의 제조 공정의 개요에 대해 그 일례를 설명한다. 접촉력 센서(5)는 MEMS 기술에 의해 실리콘 반도체 재료로 만들어진다. 본 실시 형태에 있어서는 제1 센서 구성체(61) 및 압전 저항 소자(7)를 만드는 경우를 개시하였다.
먼저, 제작에는 SOI(silicon on insulator) 기판(10)이 사용된다(도 8(a)). 이 SOI 기판(10)은 실리콘 웨이퍼(11) 위에 절연층(12)의 실리콘 산화막이 형성되고, 추가로 그 위에 실리콘막(13)이 적층된 것이다.
포토리소그래피 공정이나 식각 공정 등의 전공정을 거쳐 압전 저항 소자(7)를 형성한다(도 8(b)). 이 압전 저항 소자(7)를 형성함에 있어서는, 이온 주입법이 적용되어 실리콘막(13)에 붕소(boron)를 주입하여 형성한다. 또한, 열확산법에 의해 실리콘막(13)에 붕소를 확산시켜 형성하도록 할 수도 있다.
이어서, 실리콘막(13) 위에 절연층(14)을 형성한다(도 8(c)). 예를 들면, 실리콘막(13) 위에 플라즈마 CVD법을 적용하여 실리콘 산화막의 절연층(14)을 형성한다.
계속해서, 포토리소그래피 공정이나 식각 공정을 거쳐 압전 저항 소자(7)를 접속하도록 알루미늄이나 알루미늄 합금 등의 금속 재료를 스퍼터법에 의해 성막(M)한다. 그 후, 내측 배선 패턴(72) 및 외측 배선 패턴(73)을 전극(71)을 포함시켜 압전 저항 소자(7)에 접속하도록 형성한다(도 8(d)). 내측 배선 패턴(72), 외측 배선 패턴(73) 및 전극(71)은, 예를 들면, 니켈 또는 금 등의 금속 재료를 스퍼터법에 의해 성막하고 패터닝하여, 그 위에 주석 도금을 실시하여 형성된다. 또한, 주석 도금을 생략할 수도 있다. 나아가, 금속 재료의 성막(M) 위에는 실리콘 질화막을 적층하여 절연층을 형성하는 것이 바람직하다.
다음, 접촉력 전달부(612)를 형성하기 위해 실리콘 웨이퍼(11)의 도시 상, 하면측을 예를 들면, DRIE(Deep Reactive Ion Etching)에 의해 식각함과 아울러, 불필요한 실리콘 산화막의 절연층(12)을 식각에 의해 제거한다. 그 후, 도시를 생략하는 포토레지스트를 박리액에 의해 박리하여, 소정의 제1 센서 구성체(61)의 형태로 형성한다(도 8(e)). 이 경우, 접촉력 전달부(612)와 베이스부(611) 사이에는 절연층(12)이 개재되도록 잔류되므로 접촉력 전달부(612)와 베이스부(611) 간의 절연성을 확보하는 것이 가능해진다.
이상의 공정에 의해 제1 센서 구성체(61) 및 압전 저항 소자(7)가 만들어진다. 따라서, 압전 저항 소자(7)는 제1 센서 구성체(61)의 베이스부(611)에 일체적으로 내장되도록 형성된다.
또한, 상세한 설명은 생략하는데, 제2 센서 구성체(62)도 상기 제1 센서 구성체(61)와 동일한 공정에 의해 만들 수 있다.
다음, 상기 카테터(1)를 이용한 어브레이션 치료의 방법에 대해 설명한다. 어브레이션 치료에서는 미리 매핑에 의해 심장의 이상한 부위를 특정해 두고, 그 후 심장의 내벽 조직의 이상한 부위를 소작하여 응고 괴사시킨다.
카테터(1)에 의한 이상한 부위의 소작을 함에 있어서는, 카테터(1)를 주로 다리 가랑이에 있는 대퇴 정맥 또는 대퇴 동맥으로부터 삽입 통과시켜 카테터(1)의 선단을 ?트겐 촬영으로 투시하면서 심장 안까지 도달시킨다. 그리고, 제어 핸들(2)을 조작하여 심장의 내벽 조직의 이상한 부위에 카테터(1)의 선단 전극(4)을 접촉시켜 선단 전극(4)과 환자의 등 속에 위치하는 대극판(對極板) 사이에 예를 들면, 13.56MHz의 고주파 전류를 고주파 발생 장치로부터 흘려 이상한 부위를 소작한다.
이 경우, 카테터(1)에는 접촉력 센서(5)가 설치되어 있으므로, 심장의 내벽 조직에 접촉하는 선단 전극(4)의 접촉력(응력)을 검출할 수 있다. 구체적으로는, 접촉력 센서(5)에 형성된 응력 전기 변환 소자(압전 저항 소자)(7)는 미소한 왜곡에 반응하고, 왜곡이 인가됨으로써 전기 저항이 변화한다.
선단 전극(4)에 접촉력이 가해지면, 그 접촉력은 센서 구성체(6)에 전달된다. 먼저, 제1 센서 구성체(61)의 접촉력 전달부(612)에 전달되고, 이 접촉력 전달부(612)로부터 베이스부(611)의 암부(611b)에 전달된다. 또한, 동시에 제2 센서 구성체(62)의 결합면부(621)의 암부(621b)에 전달된다.
따라서, 암부(611b) 및 암부(621b)에 형성된 응력 전기 변환 소자(압전 저항 소자)(7)에 접촉력이 직접적으로 가해져, 응력 전기 변환 소자(압전 저항 소자)(7)는 3차원적으로 압축/신장의 왜곡을 감지한다.
예를 들면, 접촉력 전달부(612)를 통해 압전 저항 소자(S1-a, S1-b)와 (S4-a, S4-b)가 형성된 암부(611b)와 암부(621b)에 어느 임의의 방향으로부터 응력이 가해진 경우, 압전 저항 소자(S1-a)가 압축되어 저항값이 감소할 때, 압전 저항 소자(S1-b)는 신장되어 저항값이 증가한다. 한편, 압전 저항 소자(S4-a)는 신장되어 저항값이 증가하고, 압전 저항 소자(S4-b)는 압축되어 저항값이 감소한다.
따라서, 도 7에 도시한 출력 단자(A)와 출력 단자(D) 간의 출력 전압에 의한 차동 출력(差動出力)을 컨트롤러로 감지하여 접촉력을 측정할 수 있다.
이와 같이 출력 단자(A)와 출력 단자(D) 간의 출력 전압에 의한 차동 출력, 출력 단자(B)와 출력 단자(E) 간의 출력 전압에 의한 차동 출력, 출력 단자(C)와 출력 단자(F) 간의 출력 전압에 의한 차동 출력에 의해 3차원적인 접촉력의 검출이 가능해진다.
이상과 같은 본 실시 형태에 따르면, 센서 구성체(6)에 응력 전기 변환 소자(압전 저항 소자)(7)가 일체적으로 내장되도록 형성되어 있으므로, 접촉력이 응력 전기 변환 소자(압전 저항 소자)(7)에 직접적으로 가해져 선단 전극(4)의 접촉력을 감도 및 정밀도 높게 검출할 수 있고, 적정한 접촉력을 적용하여 어브레이션 치료를 수행할 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 실시 형태의 구성에 한정되지 않고, 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위에서 다양한 변형이 가능하다. 또한, 상기 실시 형태는 일례로서 제시한 것이며, 발명의 범위를 한정하는 것은 의도하지 않았다.
예를 들면, 상기 실시 형태에 있어서는 센서 구성체를 제1 센서 구성체 및 제2 센서 구성체에 의해 구성했으나, 제2 센서 구성체를 설치하지 않고 제1 센서 구성체에 의해서만 구성할 수도 있다.
또한, 센서 구성체를 제1 센서 구성체 및 제2 센서 구성체에 의해 구성하는 경우, 쌍방의 센서 구성체에 응력 전기 변환 소자를 형성하는 것이 바람직한데, 제1 센서 구성체에 응력 전기 변환 소자를 형성하고, 제2 센서 구성체에는 응력 전기 변환 소자를 형성하지 않는 구성으로 할 수도 있다. 이 경우, 제2 센서 구성체는 결합 부재로서 기능하고, 제1 센서 구성체의 전극과 리드선 간의 접속부를 끼워 접속부의 접합 강도를 높이는 효과를 이룬다.
1 …카테터
2 …제어 핸들
3 …샤프트
4 …선단 전극
5 …접촉력 센서
6 …센서 구성체
7 …응력 전기 변환 소자(압전 저항 소자)
10 …SOI 기판
12 …절연층
61 …제1 센서 구성체
611 …베이스부
611a …링형상부
611b …암부
612 …접촉력 전달부
62 …제2 센서 구성체(결합 부재)
621 …결합면부
621a …링형상부
621b …암부
622 …외주벽
71 …전극부
72, 73 …배선 패턴
74, 75, 76, 77 …리드선
S1-a~S6-b …압전 저항 소자

Claims (12)

  1. 반도체 재료를 가공함으로써 만들어지는 접촉력 센서로서,
    베이스부와 이 베이스부와 직교하는 방향으로 형성된 접촉력 전달부를 갖는 센서 구성체와,
    상기 베이스부에 형성되며, 상기 접촉력 전달부의 변위를 전기 신호로 변환하는 응력 전기 변환 소자를 구비하는 것을 특징으로 하는 접촉력 센서.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 센서 구성체의 베이스부는, 링형상부와 이 링형상부의 내측으로부터 중앙부 쪽으로 뻗어나오는 복수 개의 암부를 구비하며, 상기 접촉력 전달부는 상기 링형상부의 중앙부에 상기 복수 개의 암부와 연결되어 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 접촉력 센서.
  3. 청구항 2에 있어서, 상기 복수 개의 암부에는, 각각 적어도 하나의 상기 응력 전기 변환 소자가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 접촉력 센서.
  4. 청구항 3에 있어서, 상기 센서 구성체의 베이스부에는, 복수 개의 응력 전기 변환 소자를 공통으로 접속하는 배선 패턴이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 접촉력 센서.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 베이스부와 접촉력 전달부 사이에는, 절연층이 개재되어 있는 것을 특징으로 하는 접촉력 센서.
  6. 청구항 5에 있어서, 상기 반도체 재료는, SOI 기판인 것을 특징으로 하는 접촉력 센서.
  7. 청구항 1에 있어서, 상기 베이스부에는, 결합 부재가 결합되어 있으며, 응력 전기 변환 소자에 접속된 리드선의 접속부는, 베이스부와 결합 부재 사이에 끼여 있는 것을 특징으로 하는 접촉력 센서.
  8. 청구항 7에 있어서, 상기 결합 부재에는, 응력 전기 변환 소자가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 접촉력 센서.
  9. 청구항 8에 있어서, 상기 응력 전기 변환 소자는, 브리지 접속되어 브리지 회로가 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 접촉력 센서.
  10. MEMS 기술에 의해 접촉력 센서를 제조하는 방법으로서,
    베이스부와 이 베이스부와 직교하는 방향으로 형성된 접촉력 전달부를 형성하는 공정과,
    베이스부에 상기 접촉력 전달부의 변위를 전기 신호로 변환하는 응력 전기 변환 소자를 형성하는 공정을 구비하는 것을 특징으로 하는 접촉력 센서 제조 방법.
  11. 청구항 10에 기재된 접촉력 센서 제조 방법에 있어서, 접촉력 센서를 구성하는 재료로서 SOI 기판이 사용되는 것을 특징으로 하는 접촉력 센서 제조 방법.
  12. 청구항 10에 기재된 접촉력 센서 제조 방법에 있어서,
    펄스 히팅법에 의해 상기 응력 전기 변환 소자에 리드선을 접속하는 공정을 구비하는 것을 특징으로 하는 접촉력 센서 제조 방법.
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