JP5734652B2 - 圧力センサ、圧力センサを有するセンサプローブ、センサプローブを有する医療装置、及びセンサプローブを製造する方法 - Google Patents

Description

本発明は圧力センサに関する。本発明は、圧力センサを有するセンサプローブ、センサプローブを有する医療装置、及びセンサプローブを製造する方法にも関する。

半導体集積回路を有する圧力センサが従来技術で知られている。米国特許公報 US 6,221,023は、センサに印加された圧力を検出する人体内部用のカテーテルの末端部に取り付けられる圧力センサを開示している。当該センサは、印加された圧力に従って変形するチップと、チップの変形に従って検出信号を発する、当該チップに取り付けられた圧電素子又は応力ゲージと、を含んでいる。圧力は、発された信号に基づいて検出される。当該センサは、チップに対して遠位に取り付けられた、この事例ではカテーテルの末端部に取り付けられた、圧力伝送要素も含む。センサチップは、応力ゲージが一体化して形成された、ディスク状の検知プレートを有する。ワイヤが、可撓性のあるベースの側に取り付けられた分離基板上にあるパッドへの電気的な接続のために、当該応力ゲージに接続されている。圧力伝送要素は、カテーテルの末端部に印加された圧力を検知プレートへと伝送し、圧力に応じて検知プレートを傾ける。応力ゲージは、傾きの程度及び傾きの方向に応じた検出信号を発する。既知の圧力センサの欠点は、末端部で直接的な機械的接触をした圧力のみが検出されることができる点である。

米国特許公報US 7,207,227は、直接的な機械的接触を必要とすることなく圧力を検出するための圧力センサを開示しており、空所又は凹部が半導体基板に設けられ、圧力によって変形することができる隔膜又は膜が、当該空所を覆っている。既知の半導体圧力センサの欠点は、集積回路内に別個の膜を設けるために、複雑な製造プロセスを必要とすることである。

本発明の目的は、より複雑ではない製造プロセスをもつ半導体圧力センサを供することである。本発明は独立請求項によって規定されている。好都合な複数の実施例が、従属請求項によって規定されている。

本発明の目的は、圧力に応答して変形可能な可撓性のある膜を有し、当該膜が空所を覆い、可撓性のある膜の変形に応じて信号を生成する応力ゲージを有する、本発明による圧力センサによって実現される可撓性のある膜とは、可撓性のあるモノリシックICの箔である。この態様にて本発明は、半導体集積回路と、可撓性のある箔との両方である可撓性のある膜を提供し、これにより、別個の可撓性のある膜の製造を回避し、したがって、可撓性のある膜を集積回路の一部として製造するプロセス・ステップを含まないので、結果として、より複雑ではない製造プロセスとなる。応力ゲージによって得られた可撓性のある箔の応力は、可撓性のある箔の曲率及び形状に関する情報を与える。更にまた本発明は、可撓性がある膜を集積回路内に埋め込むために必要とされる、標準的ではないICの製造ステップが最早必要とされないので、標準的で単純なIC（集積回路）の、大量生産プロセスのアプリケーションを可能にする。

本発明によるセンサの実施例では、空所は更なる圧力を空所内に印加するためのガスチャンネルに接続されている。当該ガスチャンネル内では、圧力制御装置が応力ゲージからの信号に基づいて、印加された更なる圧力を制御する。可撓性のある箔によって封止された空所内で、排気部又は吸気部として機能するガスチャンネルを介して、更なる圧力を印加することによって、更なる圧力は、少なくとも部分的に、可撓性のある箔の対抗側にある、空所の外側の圧力を補正するものでもよい。空所の外側の圧力から生じた可撓性のある箔の変形は、応力ゲージによって測定され、当該応力ゲージによって生成された信号が、空所内部の更なる圧力を制御するために、圧力制御装置によって使用される。この態様にて圧力センサが供され、可撓性のある集積回路の箔の変形が圧力制御装置によって制御され、可撓性のある箔の変形が、この態様で最小化されることができ、これにより可撓性のある集積回路の寿命を改善する。

本発明によるセンサの実施例では、圧力センサは、ホィートストン・ブリッジ構成された、少なくとも4個の応力ゲージを有する。例えば供給電圧及び温度変化などの環境因子の変動の影響が最小化されるので、これは圧力検出の精度を増す。応力ゲージの適切な設置によって、ホィートストン・ブリッジは、最大の応答性をもつよう最適化される。

本発明によるセンサの更なる実施例では、圧力センサは、可撓性のある箔上に分散配置された複数の応力ゲージを有する。応力ゲージが、可撓性のある集積回路の箔の全エリア上に分散されるので、可撓性のある箔の変形量の決定の精度、及び、これ故、圧力検出の精度が増す。何故ならば、複数の応力ゲージが、当該応力ゲージが置かれた可撓性のある箔の位置での可撓性のある箔の変形情報を与えるからである。この態様にて、可撓性のある箔のエリア上の検出圧力の分布が測定される。更にまた、この態様にて、可撓性のある箔上の張力の場所と、圧縮応力の場所との間の改善された区別が、提供されることができる。

本発明によるセンサの別の実施例では、応力ゲージは、可撓性のある箔と一体化されたポリシリコンを有する。ポリシリコン要素の形成を含む、標準的なIC製造工程のステップが、集積回路の箔内にある応力ゲージを一体化するために、この態様で都合よく適用され、圧力センサの製造を更に簡単にする。更にまた結果として、一体化された圧力センサの更なる小型化にもなる。

本発明によるセンサの実施例では、可撓性のある箔は、パリレンの担体を有する。正確に共形で、薄く、連続した、均一な付着コーティングとしてパリレンを蒸着することは、保護コーティングとしてのアプリケーションを可能にする。パリレンがコーティングされた素子は安定で、応答特性において殆ど変化を示すことはなく、及び、本体から電気的及び化学的に分離されるので、薄いパリレン・フィルムは実質的に、どのような生医学的基質にも蒸着されることができるという別の長所があり、これは、圧力センサが医療アプリケーションで用いられることを可能にする。更にまた、パリレンは、無数の産業アプリケーション、航空宇宙アプリケーション、化学アプリケーション、自動車のアプリケーション、コンスーマ・アプリケーション、医薬アプリケーション、及び防衛アプリケーションで使用されることができる。

本発明によるセンサの実施例では、可撓性のある箔は、温度センサ及び／又は流量センサを更に有する。これは、圧力センサの機能を好都合に増大させる。温度及び／又は流量の測定は、より多くの環境の情報を与え、これ故結果として、環境因子の圧力への影響を考慮することによって、圧力のより正確な決定ができる。

本発明によるセンサの別の実施例では、可撓性のある箔はアンテナを更に有する。これは、センサの無線動作モード、及び/又は可撓性のある箔への効率の良いエネルギ伝達を、好都合にも供する。

本発明によるセンサの別の実施例では、可撓性のある箔は、信号処理回路を更に有する。この態様にて、センサプローブの更なる小型化が、可撓性のある箔上での追加された機能の一体化によって実現される。信号処理は、例えば増幅、A/D変換、及び/又はデータの多重化を含むことができる。

本発明の目的は、本発明による圧力センサを有し、体腔内部の圧力を測定するためのセンサプローブによっても達成される。この態様にて、例えば体腔内部の血圧が、カテーテルの末端部に圧力センサを例えば取り付けることによって測定されることができる。センサ及びセンサプローブの小型化に起因して、体腔内部の圧力が、到着するのが困難な場所でも測定されることができる。例えば動脈瘤に関して、改善されたリスク評価が、動脈瘤嚢内部の血液の圧力及び血液の流量の決定によって成されることができる。

本発明の目的は、本発明によるセンサプローブを有する医療装置によっても達成される。

本発明の目的は、圧力センサを有するセンサプローブを製造する方法によっても達成され、当該方法は、
− 凹部を有する末端部をもつセンサプローブを設けるステップと、
− 可撓性のあるモノリシックICの箔をセンサプローブ上に取り付け、これにより凹部を閉じ、空所を形成するステップと、を含む。

当該方法は、圧力センサを備えたセンサプローブの単純な製造を供する。何故ならば、可撓性のあるモノリシックICの箔をセンサプローブ上に取り付ける一回のプロセスによって、可撓性のある膜及び電子回路の両方が、例えば可撓性のある膜の偏移を測定するために、センサプローブに取り付けられるからである。単一のプロセス・ステップでカテーテルに取り付けられた、可撓性のある集積回路の箔は一つよりも多くの機能をもち、当該箔は、空所内部の圧力とは異なる、空所の外側の圧力に応じて偏移する、可撓性のある膜として機能し、及び、電子回路、例えば偏移量を測定するための応力ゲージを有する集積回路としても機能する。オプションで、当該集積回路は、他の電子回路、センサ、及び/又は信号処理手段をもってもよい。

本発明による圧力センサを備えたセンサプローブを製造する方法の実施例では、当該センサプローブは、更なる圧力を空所に印加するためのガスチャンネルを、更に具備している。更なる圧力を印加するための、吸気部又は排気部として機能するガスチャンネルを介して、更なる圧力を可撓性のある膜によって封止された空所の内部に印加することによって、更なる圧力は、センサプローブの末端部近くの環境である、空所の外側に存在する圧力を補正する。この態様にて、可撓性のある集積回路の変形が、印加された更なる圧力によって制御、例えば、最小化される可能性があり、これによって可撓性のある集積回路、従ってセンサプローブの寿命を改善する。

本発明のこれらの態様及び他の態様は、図を参照して更に解明され、説明されることであろう。

本発明の一実施例による圧力センサの概観的な断面図を示す。 可撓性のある箔の変形を例示している、本発明の一実施例による圧力センサの概観的な断面図を示す。 本発明の一実施例による圧力センサを有するセンサプローブの末端部の概観的な断面図を示す。 シリコン窒化物層上に応力ゲージが形成されたケイ素板を示す。 誘電層、接触空孔、及び相互接続層が、更に形成される。 ICの担体用のポリイミド層と、分離層用の二酸化シリコン層とが順に蒸着される。 ガラス基板が更に取り付けられ、ケイ素基板が除去される。 ガラス基板と接着層とが取り外される。 分離層が取り除かれ、凹部をもつ基板が取り付けられる。 空所を備えた圧力センサが完成する。

発明を実施する形態

これらの図は、一定の比率で描画されてはいない。概して、図中において、同一の構成要素は、同一の参照番号によって示されている。

図1は、本発明による圧力センサの実施例の概観的な断面図を示す。本実施例では、可撓性のあるモノリシックICの箔10は、例えばポリイミドの保護層12によって保護された、例えば窒化シリコンを有する誘電層13上に供された、応力ゲージ21を有する。当該応力ゲージ21は、可撓性のある集積回路の箔10の応力を測定する。本発明は、図1に例示された3個の応力ゲージ21に限定されるのではなく、1個の応力ゲージ21のみを使用することも可能であり、一方、本発明による圧力センサの別の実施例では、複数の応力ゲージ21が可撓性のある箔10の全てのエリアに分散されており、これらのゲージは、好都合にも、可撓性のある箔10の偏移のより正確な測度を与える。可撓性のある箔10は、凹部22をもつ基板1に取り付けられている。可撓性のある箔10を基板1上に取り付けた後、凹部22は当該可撓性のある箔10によって覆われ、封止される。この結果、凹部22は空所2を形成する。空所2の外部の圧力が空所2の内部の圧力と異なる場合、この圧力差の結果、可撓性のある箔10は変形するか、又は偏移することであろう。応力ゲージ21は、この圧力差の結果として、可撓性のある箔10の応力を検出し、測定する。この、可撓性のある箔10が変形すると、応力ゲージ21は、可撓性のあるモノリシックICの箔10内に有る例えば信号処理回路によって、可撓性のある箔10の変形量の測度へと換算された信号を生成する。

可撓性のある箔10は集積回路であり、総じて、変形可能である。当該集積回路（図１では示されていない）は、周知の半導体IC（集積回路）技術によって製造されることができる、いかなる電子回路も有することができる。例えば金属酸化物半導体トランジスタ、コンデンサ、及び抵抗器は、組み合わされて、増幅器、メモリ、マイクロプロセッサ、A/D変換回路、及び/又はデータ多重化回路のような電子回路を形成する集積回路の一部である。更にまた、応力ゲージ21と電子回路とを電気的に接続している電気配線が、標準的な集積回路技術を用いて製造され、可撓性のある箔10に一体化される。これに加え、可撓性のある箔10は、例えば、無線のRFリンクを使用可能にするための磁気ループ受信アンテナ（図示せず）を具備してもよい。更にまた、例えば温度センサ及び/又は流量センサなどの他のセンサが、他の物性の測定のために、可撓性のある箔10に一体化されてもよい。可撓性のある集積回路の箔10は、複雑な一体化された電子回路を有す集積回路と、偏移又は変形することができる可撓性のある膜との両方である。

図2は本発明による圧力センサの実施例の概観的な断面であり、可撓性のある箔10が変形している様子が例示されている。この例では、空所2の外部の圧力が空所2の内部の圧力よりも高く、可撓性のある箔10は空所2へと偏移している。可撓性のある箔10は、当該可撓性のある箔10が圧縮応力を加えられる領域と、可撓性のある箔10が引っ張りの応力状態である領域とをもつ。可撓性のある箔のエリア上にある個々の応力ゲージの適切な配置及び分布によって、応力ゲージ21の応答性が最適化される。この例では、応力ゲージ21aは圧縮応力を受け、応力ゲージ21bは引張り応力を受けている。応答性の更なる最適化が、ホィートストン・ブリッジ構成（図示せず）で応力ゲージ21を配置することによって達成され、これにより、例えば、温度及び供給電圧の変動からの影響を最小化する。

図3は、本発明の一実施例による圧力センサを有するセンサプローブ41の末端部の断面図を示す。当該センサプローブ41は、例えば、本発明による圧力センサと共に体腔内部での血圧の測定を可能にするカテーテルである。本実施例では、空所2は、センサプローブ41の空所2の内部の圧力を調整するための吸気口又は排気口として使われることができるチャネル42に接続されている。例えば、空所2の内部の圧力は、この事例では体腔内部の血圧である空所2の外部の圧力に実質的に等しいように、圧力値がセットされている。この状態では、可撓性のある箔10は最小限の変形を呈し、これは可撓性のある箔10の寿命を延長する。別の実施例では、応力ゲージ21によって生成された信号が、空所2の内部の圧力を調整するために使われる。例えば、応力ゲージ21の信号は、当該応力ゲージ21によって生成された信号に基づいて空所2の内部の圧力を制御する圧力制御装置（図示せず）に入力される。この帰還回路は、この例では、可撓性のある箔10の最小の変形を提供する。更にまた、他のセンサが、体腔内部の他の物性の測定のために、可撓性のある箔10に一体化されてもよい。例えば、圧力センサを流量センサと組み合わせることは、動脈瘤の挙動の正確な特徴描写を可能にする。可撓性のある箔10と一体化されてもよい他のセンサの例は、互いに組み合わされるかどうかは別にして、絶対温度を測定するためのセンサ、及び血液の酸素レベルを測定するためのセンサである。明らかに、この場合、可撓性のある箔10は生物学的に適合性のあるコーティングによって封止されることを必要とする。パリレンがこの目的に使われることができ、パリレンは、例えば、カテーテル及びペースメーカの生物学的に適合性のあるコーティングとして広く受け入れられている材料である。可撓性のある箔10へ電気的接触をする際のどのような問題も防止するために、可撓性のある箔10は、好ましくは無線モードで操作される。これは、困難で信頼できない電気的な接触の必要性を取り除く。好都合な構成では、可撓性のある箔10は、一方の側に、磁気ループ受信アンテナ及び送信ループアンテナを具備している。この態様にて、受信アンテナ及び送信アンテナは、互いに非常に近接して位置しており、効率の良いエネルギ伝達及びRFリンクを可能にする。このRFリンクが、双方向通信のために用いられてもよい。

可撓性のある箔10は、当該可撓性のある箔10がICプロセスで製造され、この後、例えばポリイミドで作られた可撓性のある担体へと転送される、モノリシックICの箔である。米国特許公報 US 6762510は、斯様な可撓性のある箔10を製造する方法を開示している。ICプロセスが、異なるデバイス及び回路を可撓性のある箔10上に一体化するために、好都合に用いられることができる。図4a乃至図4gは、本発明の一実施例による圧力センサを製造する方法を例示している。

図4aに示されているように、ケイ素基板31は、例えば100 nmの厚さを有する、上部シリコン窒化物層13を具備している。この後、ポリシリコンが窒化層13の上に蒸着され、特定の抵抗値を得るためにドーピングされ、標準的な写真平板技術を使用してパターン化され、結果としてポリシリコンの応力ゲージ21になる。この後、図4bに図示するように、例えば200 nmの厚さを有する、例えばLPCVD TEOS（低圧化学蒸着によるオルトケイ酸・テトラエチル（Tetraethyl Orthosilicate））の誘電層14が蒸着される。接触空孔が標準的な写真平板技術を用いて誘電層14に形成され、相互接続層15が標準的な金属被覆と写真平板技術とを使用して形成され、これにより、相互接続層15を介してポリシリコンの応力ゲージ21への電気的な接続を形成する。次に、図4cに示されるように、5μm乃至10μmの厚さを有するポリイミド層12が蒸着され、硬化ステップが後続する。この後、本例では厚さ0.5μmの PECVD（プラズマ強化化学蒸着）による二酸化シリコン層を有する分離層17が蒸着される。当該ポリイミド層12は、集積回路用の可撓性のある担体として機能する。この後、ガラス基板19が、接着層18と共に分離層17に取り付けられる。当該分離層17は、接着層18及びポリイミド基板19の混合を防ぐために使われる。次に、図4dに示されるように、基板31が研削及び湿式エッチングによって除去され、この間、ガラス基板19は集積回路の残りの部分に対する一時的な担体として機能している。ここで、図4eに示されるように、ガラス基板19及び接着層18が、酸化物の分離層17から取り外される。最後に、分離層17が、標準的なエッチング技術によって取り除かれ、結果として、図4fに示されるように、凹部22上にある基板1に取り付けられた可撓性のある集積回路の箔10を生じる。結果が図4gに示され、可撓性のある箔10による凹部2の封止が、空所2を形成した。

代替的には、ポリイミド層12の代わりに、生体親和性がある材料であるパリレンも、可撓性のある担体として使われることができる。

要約すると、本発明は圧力に応じて変形可能で、空所を覆う、可撓性のある膜を有する圧力センサに関する。当該センサは、可撓性のある膜の変形に応じた信号を生成する応力ゲージを有し、当該可撓性のある膜は、可撓性のあるモノリシックICの箔である。

上述の実施例が本発明を限定するよりはむしろ、本発明を例示している点に留意する必要があり、当業者は、添付の請求項の範囲から逸脱することなく、多くの代替実施例を考え出すことが可能であろうことに留意する必要がある。請求項において、括弧の間に置かれたいかなる引用符号も、請求項を限定するものとして解釈されてはならない。単語「有する」は、請求項に羅列された要素又はステップ以外のものの存在を除外することはない。要素に先行する単語「a」又は「an」は、斯様な要素の複数の存在を除外することはない。

Claims (10)

1. 体腔内部の圧力を測定するためのセンサプローブであって、
   空所を有する基板と、
   体腔内部の圧力に応じて変形可能であり、前記空所をカバーする、可撓性のある膜と、
   を有する圧力センサを有し、当該センサは、体腔内部の圧力により生じる前記可撓性のある膜の変形に応じた信号を生成する応力ゲージを有し、前記可撓性のある膜が、可撓性のあるモノリシックICの箔であり、前記空所が、前記空所に更なる圧力を印加するための、前記センサプローブに設けられたガスチャンネルに接続され、圧力制御装置が、前記応力ゲージからの信号に基づいて、前記空所の外側の体腔内部の圧力により生じる前記可撓性のある膜の変形を最小にするように、前記空所に印加される前記更なる圧力を制御する、センサプローブ。
2. ホィートストン・ブリッジ構成された、少なくとも4個の前記応力ゲージを有する、請求項１に記載のセンサプローブ。
3. 複数の前記応力ゲージが、前記可撓性のある箔上に分布されている、請求項１又は２に記載のセンサプローブ。
4. 前記応力ゲージが、前記可撓性のある箔に一体化されたポリシリコンを有する、請求項１乃至３のいずれか１項に記載のセンサプローブ。
5. 前記可撓性のある箔が、パリレンの担体を有する、請求項１乃至４のいずれか１項に記載のセンサプローブ。
6. 前記可撓性のある箔が、温度センサ及び/又は流量センサを更に有する、請求項１乃至５のいずれか１項に記載のセンサプローブ。
7. 前記可撓性のある箔が、アンテナを更に有する、請求項１乃至６のいずれか１項に記載のセンサプローブ。
8. 前記可撓性のある箔が、信号処理回路を更に有する、請求項１乃至７のいずれか１項に記載のセンサプローブ。
9. 請求項１乃至８のいずれか１項に記載のセンサプローブを有する、医療装置。
10. 体腔内部の圧力を測定するための圧力センサを有するセンサプローブを製造する方法であって、
    − 凹部を有する末端部をもつセンサプローブを設けるステップと、
    − 前記センサプローブ上に可撓性のあるモノリシックICの箔を取り付け、これにより前記凹部を閉じ、空所を形成するステップであって、前記可撓性のある箔が、体腔内部の圧力により生じる前記可撓性のある箔の変形に応じた信号を生成する応力ゲージを備える、ステップと、
    を含み、前記センサプローブが、前記空所に更なる圧力を印加するための、前記センサプローブに設けられたガスチャンネルを更に具備し、前記空所が、前記ガスチャンネルに接続され、圧力制御装置が、前記応力ゲージからの信号に基づいて、前記空所の外側の体腔内部の圧力により生じる前記可撓性のある膜の変形を最小にするように、前記空所に印加される前記更なる圧力を制御する、方法。

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