專利名稱：具有形成在壓電聚合物層上的交叉指型層的一次性無線壓力傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
實施例總體上涉及感測裝置和應(yīng)用。實施例還涉及壓力傳感器裝 置、系統(tǒng)及其方法。實施例此外還涉及基于壓電聚合物膜材料的一
次性(disposable)感測裝置。實施例還涉及用于基于導(dǎo)管內(nèi)流體 來感測體壓的醫(yī)學(xué)裝置。
背景技術(shù)：
多種傳感器用于檢測各種狀態(tài)，例如壓力和溫度。對于任何暴露 在可變壓力狀態(tài)下的裝置而言，檢測壓力和/或溫度的能力是一種優(yōu) 點，這些裝置通常會受到這些狀態(tài)的不利影響。這類裝置的實例是 導(dǎo)液管，導(dǎo)液管當(dāng)然可能會遭受溫度和壓力的變化。已經(jīng)提出許多 不同技術(shù)來感測導(dǎo)液管中的壓力和/或溫度，以及將該信息傳送給操 作者，從而他/她可以獲知與導(dǎo)液管及諸如在其中流動的血液之類的 任何流體相關(guān)聯(lián)的壓力和溫度狀態(tài)。
一種廣泛用于感測壓力和溫度的應(yīng)用中的傳感器是表面聲波 (SAW)傳感器，它由基座上的傳感元件以及作為蓋子的一部分的壓 力變換傳感器隔膜構(gòu)成。為了讓SAW傳感器能夠正常工作，通常在 所有壓力水平和溫度下將該傳感器隔膜設(shè)置成緊密接觸該傳感元件。
目前的SAW傳感器設(shè)計，尤其是適于專用壓力和溫度感測應(yīng)用的 那些設(shè)計，存在的問題之一是，傳統(tǒng)SAW感測系統(tǒng)不能滿足低壓應(yīng) 用(例如，0至500 mmHg)的要求，同時不能高效和低成本地滿足 該要求。這類系統(tǒng)固有地價格昂貴、笨重，并且通常不能可靠地、 準(zhǔn)確地感測空氣壓力和溫度。越來越需要降低在壓力和/或溫度感測 應(yīng)用中使用的SAW傳感器設(shè)計(尤其是無線壓力傳感器)的成本。
為了降低成本以及提高效率，需要采用更少的部件、更廉價的材 料以及更少的制造步驟。為了實現(xiàn)這些目標(biāo)，人們確信應(yīng)當(dāng)要采用 由聚合物基板制成的一次性SAW壓力傳感器，以及采用低成本的制
造步驟。到目前為止，仍然不能完全實現(xiàn)這些部件。
在醫(yī)學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域，能夠檢測壓力和/或溫度是至關(guān)重要的?？梢?采用多種技術(shù)來測量例如導(dǎo)液管的導(dǎo)管內(nèi)的壓力?？赡苡糜谶@種測 量的最普通的裝置是機械式壓力計，其可以通過導(dǎo)管的一個壁耦合 于該導(dǎo)管內(nèi)的流體壓力。在該壓力計內(nèi)，指針在與導(dǎo)管內(nèi)的壓力成 比例的范圍內(nèi)偏轉(zhuǎn)。在一些情況下，可以采用標(biāo)準(zhǔn)壓力計來替換變 換器，該變換器將壓力轉(zhuǎn)換成隨后被監(jiān)控的電信號。壓力傳感器的 一個重要醫(yī)學(xué)應(yīng)用涉及檢測病人的血壓和/或煩內(nèi)壓。
監(jiān)測血壓的一種典型方法是測量液壓式耦接到病人靜脈的靜脈
管內(nèi)的流體壓力。將導(dǎo)液管插入病人的靜脈，并且將塑料管或?qū)Ч?耦接到該導(dǎo)液管?？梢越?jīng)該塑料管或?qū)Ч軐Ⅺ}溶液點滴注入，以便 保持相對于病人靜脈內(nèi)的壓力的壓力平衡。該鹽流體用作液壓流 體，以便使得該塑料管內(nèi)的壓力對應(yīng)于病人靜脈內(nèi)的壓力。因此， 通過測量該塑料管內(nèi)的流體壓力，可以獲知病人的血壓。
多種傳統(tǒng)SAW感測裝置能夠測量血壓。這些裝置通常是由陶乾材 料(例如PZT)、石英型壓電材料或者鈮酸鋰制成的。這些裝置不利 于醫(yī)學(xué)應(yīng)用，因為這些裝置采用的上述材料本身會自諧振、具有極 低的壓電耦合系數(shù)、進行微機械加工昂貴且困難，并且因此大大降 低了為醫(yī)學(xué)應(yīng)用制造低成本壓力傳感器的可能性。
傳統(tǒng)的基于石英的SAW壓力傳感器也是昂貴的而難以在醫(yī)學(xué)應(yīng) 用中實施，從而使其廣泛應(yīng)用受到限制。微機械加工石英跟微機械 加工硅沒有什么兩樣。因此，人們相信要解決上述問題，需要一種 一次性低成本傳感器封裝系統(tǒng)，尤其是適用于醫(yī)學(xué)應(yīng)用的傳感器封 裝系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
下面的概述被提供用于促進對這里公開的實施例所特有的新型 特征中的一些的理解，并且不旨在成為全面說明?？梢酝ㄟ^將整個 說明書、權(quán)利要求、附圖以及摘要作為整體來獲得對這里所討論的 實施例的各個方面的全面理解。
因此，本發(fā)明的一個方面提供改進的感測裝置和應(yīng)用。 本發(fā)明的另一個方面提供改進的壓力傳感器裝置、系統(tǒng)及其方
法。
本發(fā)明的另一個方面提供改進的一次性無線壓力傳感器。
本發(fā)明的另一個方面提供基于交叉指型變換器(IDT)和聚合物 壓電材料的壓力傳感器系統(tǒng)。
本發(fā)明的前述方面和其他目的和優(yōu)點現(xiàn)在可根據(jù)這里所描述的 來實現(xiàn)。公開了一次性傳感器系統(tǒng)和方法。大體上說，提供了一種 介電聚合物基板并且在該介電聚合物基板上形成微帶 (microstrip)天線。壓電聚合物層(例如，聚偏1,1-二氟乙烯 (PVDF)壓電膜)和微帶天線可以被形成為性質(zhì)上是柔性的，這使 它們適合于共形環(huán)繞式設(shè)計和應(yīng)用。此外，交叉指型(IDT)層可以 構(gòu)造在PVDF壓電層上，從而允許壓電聚合物層和IDT層檢測壓力數(shù) 據(jù)以及將該數(shù)據(jù)經(jīng)天線傳送到接收器。
可以在壓電聚合物基板和壓電聚合物層之間形成第一接合層。另 外，可以在IDT層和壓電聚合物層之間形成第二接合層。還可以在 IDT層上方構(gòu)造保護覆蓋層。IDT層可以被形成作為多個IDT指狀電 極，所述指狀電極可以由銅構(gòu)成。此外，聚合物基板可以包括在其 中心形成的間隙，使得該間隙被填充了包括低熱導(dǎo)率且生物相容的 材料的凝膠。聚合物基板通常由低熱導(dǎo)率的介電基板材料制成。


在下面的附圖中，類似的附圖標(biāo)記在所有附圖中表示相同或者功 能類似的元件，這些附圖被并入且構(gòu)成說明書的一部分，這些附圖 進一步示出了本發(fā)明，并且連同本發(fā)明的詳細(xì)描述一起用于說明本 發(fā)明的原理。
圖1示出可以根據(jù)優(yōu)選實施例實施的一次性無線壓力傳感器系 統(tǒng)的側(cè)視圖2示出根據(jù)優(yōu)選實施例的、圖1所示一次性無線壓力傳感器系 統(tǒng)的頂視圖3示出可以根據(jù)替換實施例實施的醫(yī)學(xué)壓力感測系統(tǒng)的示意 圖；以及
圖4示出可以根據(jù)優(yōu)選實施例實施的微帶天線的示意圖。
具體實施例方式
這些非限制性實例中所述的具體值和結(jié)構(gòu)可以進行改變，采用這 些值和結(jié)構(gòu)僅僅是為了清楚闡述本發(fā)明的至少一個實施例，而不是 旨在限制本發(fā)明的范圍。
圖1示出可以根據(jù)優(yōu)選實施例實施的一次性無線壓力傳感器系
統(tǒng)100的側(cè)視圖。圖2示出根據(jù)優(yōu)選實施例的、圖1所示的一次性 無線壓力傳感器系統(tǒng)100的頂視圖。注意到，在圖1和2中，采用 相同的附圖標(biāo)記表示相同或相似的部分。系統(tǒng)100通常包括介電聚 合物基板102。
在介電聚合物基板102上可以形成微帶天線104。此外，在該介 電聚合物基板上方可以形成壓電聚合物層106，同時在壓電聚合物層 106上構(gòu)造交叉指型(IDT)層108，從而使得壓電聚合物層106和 IDT層108可以檢測壓力數(shù)據(jù)，以及利用天線104將該數(shù)據(jù)傳送到接 收器。壓電聚合物層106可以被構(gòu)造成厚度在10-20微米范圍內(nèi)的 薄片，這根據(jù)設(shè)計需要而定。
此外，可以在介電聚合物基板102和壓電聚合物層106之間形 成第一接合層114。可以在IDT層108和壓電聚合物層106之間形成 第二接合層112。第一和第二接合層114和112用作粘接劑。用于接 合層114、 112的粘接劑材料可以是例如氰基丙烯酸酯或類似材料。 層114、 112的粘接劑或接合層厚度可以在大約10至20微米的范圍 內(nèi)，這當(dāng)然取決于設(shè)計需要。
保護覆蓋層110可以形成在IDT層上方。保護覆蓋層110可以 被形成為保護塑料片，以便整體地確保系統(tǒng)100的機械和化學(xué)保護。 IDT層108可以被構(gòu)造成包括IDT指狀電極116，其在圖2中示出。 每個IDT指狀電極116可以由銅制成。銅IDT厚度可以例如在大約 25微米至125微米的范圍內(nèi)，這根據(jù)設(shè)計需要而定。注意，為了提 供其更低的頻率能力、更寬的線寬以及更大的裝置尺寸，IDT指狀電 極可以印制在壓電聚合物層106上，或者可以被電鍍或蝕刻形成其 大片的IDT指狀電極。
介電聚合物基板102還可以被構(gòu)造成包括間隙120，該間隙被填 充有由低熱導(dǎo)率且生物相容的材料形成的凝膠122。壓電聚合物層 106可以被構(gòu)造成聚偏l，l-二氟乙烯(PVDF)壓電膜，而介電聚合
物基板102可以由低熱導(dǎo)率介電基板材料制成。人們相信，采用根
傳感器效率，尤其i在醫(yī)學(xué)壓力感測應(yīng)用。中。 、 9
系統(tǒng)IOO特別有用的一個實例是醫(yī)學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域，例如血壓感測。 PVDF壓電膜因此形成在生物相容的低熱導(dǎo)率介電聚合物基板102 上。PVDF壓電膜隨溫度和壓力而改變。利用低熱導(dǎo)率基板，例如， 由血液引起的熱電變化可以被最小化。天線104可以印制在介電聚 合物基板上。因此，根據(jù)這里所述的優(yōu)選實施例，可以設(shè)置多個收 發(fā)器，其包括壓電聚合物片材，和傳統(tǒng)壓力感測裝置相比，其更廉 價以及更易于工作。
圖3示出可以根據(jù)替換實施例實施的醫(yī)學(xué)壓力感測系統(tǒng)300的 示意圖。注意，在圖l-3中，采用相同的附圖標(biāo)記表示相同或相似 的部分或部件。因此，圖1的傳感器或系統(tǒng)100還在圖3中被示為 處于相對于導(dǎo)管301的位置，該導(dǎo)管可以被實施為例如導(dǎo)液管，流 體303流過其中，如箭頭302和304所示。流體303可以是例如血 液。系統(tǒng)或傳感器100因此可以傳送數(shù)據(jù)到發(fā)送器/接收器304以及 從發(fā)送器/接收器304接收數(shù)據(jù)，所述發(fā)送器/接收器包括天線306。 這種數(shù)據(jù)的無線傳送在圖3中用箭頭308示出。系統(tǒng)300因此可以 用于測量導(dǎo)管301內(nèi)的身體的流體壓力。
圖4示出可以根據(jù)優(yōu)選實施例實施的微帶天線400的示意圖。微 帶天線400通常包括位于地平面402上方的介電基板404。通常在基 板404上或內(nèi)設(shè)置輻射塊(patch) 406。注意，圖4的微帶天線400 類似于圖1的微帶天線104。例如，微帶天線104可以形成在圖1所 示的介電聚合物基板102上。因此，圖1的基板102類似于圖4的 基板404。
因為介電聚合物基板，例如基板404，可以是柔性的，所以微帶 天線400的結(jié)構(gòu)適用于共形的環(huán)繞式設(shè)計和應(yīng)用。相比于傳統(tǒng)微波 天線，例如天線400的微帶天線提供了多個優(yōu)點，例如重量輕、體 積小、以及輪廓結(jié)構(gòu)薄，其可以被制作成共形的；低制造成本；以 及易于變型以批量生產(chǎn)。利用簡單的饋送結(jié)構(gòu)，線性和圓偏振也是 可以的。此外，可以容易地構(gòu)造雙頻和雙偏振天線；因為，不需要 腔背襯，以及這些裝置可以容易地與微波電路集成。
這里所述的實施例和實例僅用于最佳地闡述本發(fā)明及其實際應(yīng) 用，從而使得本領(lǐng)域技術(shù)人員可以制造和使用本發(fā)明。然而，本領(lǐng) 域技術(shù)人員將會理解，前述描述和實例都僅用于闡述和示例的目 的。本發(fā)明的其他改變和變型對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言是顯而易見 的，并且所附權(quán)利要求旨在覆蓋這些改變和變型。
所述的描述不用于排他性限制本發(fā)明的范圍。在上述教導(dǎo)之下， 可以進行多種變型和改變，而不脫離下面的權(quán)利要求的范圍?？梢?預(yù)想到，本發(fā)明的使用涉及具有不同特性的部件。因此，本發(fā)明的 范圍僅由其所附的權(quán)利要求來限定，所述權(quán)利要求給出了對所有方 面的等價物的全面認(rèn)識。
權(quán)利要求
1.一種一次性傳感器系統(tǒng)，包括介電聚合物基板以及在所述介電聚合物基板上形成的天線；在所述介電聚合物基板上方形成的壓電聚合物層；以及在所述介電聚合物基板上形成的交叉指型(IDT)層，由此允許所述壓電聚合物層和所述IDT層檢測壓力數(shù)據(jù)以及利用所述天線將所述數(shù)據(jù)傳送到接收器。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，還包括在所述介電聚合物基板和所述壓電聚合物層之間形成的接合層。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，還包括在所述IDT層和所述壓電聚合物層之間形成的接合層。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，還包括在所述IDT層上方形成 的保護覆蓋層。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述IDT層包括多個IDT 指狀電極。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其中所述多個IDT指狀電極中 的每個所述IDT指狀電極包括銅。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述介電聚合物基板包括 在其中心形成的間隙，其中所述間隙被填充有包括低熱導(dǎo)率且生物 相容的材料的凝膠。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述壓電聚合物層包括聚 偏l，l-二氟乙烯(PVDF)壓電膜。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述介電聚合物基板包括 低熱導(dǎo)率的介電基板材料。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述天線被印制在所述介 電聚合物基板上。
11. 一種一次性傳感器系統(tǒng)，包括介電聚合物基板以及在所述介電聚合物基板上形成的天線，其中 所述介電聚合物基板包括低熱導(dǎo)率的介電基板材料；在所述介電聚合物基板上方形成的壓電聚合物層，所述介電聚合 物基板包括在其中心形成的間隙，其中所述間隙被填充有包括低熱導(dǎo)率且生物相容的材料的凝膠，以及其中所述壓電聚合物層包括聚偏l，l-二氟乙烯(PVDF)壓電膜；在所述介電聚合物基板上形成的交叉指型(IDT)層，其中所述 IDT層包括多個IDT指狀電極；在所述IDT層上方形成的保護覆蓋層；在所述壓電聚合物基板和所述壓電聚合物層之間形成的第一接 合層；在所述IDT層和所述壓電聚合物層之間形成的第二接合層，由此 允許所述壓電聚合物層和所述IDT層檢測壓力數(shù)據(jù)以及利用所述天 線將所述數(shù)據(jù)傳送到接收器。
12. —種一次性傳感器方法，包括以下步驟 在介電聚合物基板上形成天線；在所述介電聚合物基板上方構(gòu)造壓電聚合物層；以及 在所述壓電聚合物層上設(shè)置交叉指型(IDT)層，由此允許所述壓電聚合物層和所述IDT層檢測壓力數(shù)據(jù)以及利用所述天線將所述數(shù)據(jù)傳送到接收器。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，還包括在所述介電聚合物基 板和所述壓電聚合物層之間形成接合層的步驟。
14. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，還包括在所述IDT層和所述 壓電聚合物層之間形成接合層的步驟。
15. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，還包括在所述IDT層上方形 成保護覆蓋層的步驟。
16. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，還包括構(gòu)造所述IDT層以包 括多個包含銅的IDT指狀電極的步驟。
17. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，還包括以下步驟 從所述介電聚合物基板中心形成間隙；以及 將所述間隙填充包括低熱導(dǎo)率且生物相容的材料的凝膠。
18. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，還包括構(gòu)造所述壓電聚合物 層為聚偏l，l-二氟乙烯(PVDF)壓電膜的步驟。
19. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，還包括由低熱導(dǎo)率的介電基 板材料構(gòu)造所述介電聚合物基板的步驟。
20. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中在所述介電聚合物基板 上形成所述天線的步驟還包括將所述天線印制在所述介電聚合物基 板上的步驟。
全文摘要
大體上說，提供了一種介電聚合物基板以及在該介電聚合物基板上形成的天線?？梢栽谠摻殡娋酆衔锘迳戏叫纬蓧弘娋酆衔飳?例如，聚偏1，1-二氟乙烯(PVDF)壓電膜)。此外，在該PVDF壓電層上可以構(gòu)造交叉指型(IDT)層，從而使得所述壓電聚合物層和所述IDT層可以檢測壓力數(shù)據(jù)以及將該數(shù)據(jù)經(jīng)所述天線傳送到接收器。
文檔編號A61B5/0215GK101115982SQ200580046847
公開日2008年1月30日 申請日期2005年11月21日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月22日
發(fā)明者J·D·庫克, J·Z·劉, P·P·迪勞爾 申請人:霍尼韋爾國際公司