NL8502543A

NL8502543A - Langwerpig drukgevoelig element, vervaardigd uit halfgeleidermateriaal.

Info

Publication number: NL8502543A
Application number: NL8502543A
Authority: NL
Original assignee: Sentron V O F
Priority date: 1985-09-17
Filing date: 1985-09-17
Publication date: 1987-04-16
Also published as: EP0215528A1; EP0215528B1; JPS62176430A; CA1252556A; US4722348A; DE3673104D1

Description

VO 7410 Uitvinders: - Hendrikus Cornells Geert Ligtenberg - Jozef Gerhardus Maria Leuveld

Titel: Langwerpig drukgevoelig element, vervaardigd uit halfgeleidermateriaal.

De uitvinding heeft betrekking op een langwerpig drukgevoelig element, vervaardigd uit halfgeleidermateriaal materiaal, dat aan een zijde een uitsparing bevat tot een diepte waarbij een dunne, onder een daarop uit te 5 oefenen druk vervormbaar membraan resteert; ter plaatse van het membraan voorzien is in middelen met, met de mate van vervorming van het membraan onder afgifte van elektrische signalen registrerende, eigenschappen; en op de middelen een stroomgeleidende bedrading is aangesloten 10 ter verbinding daarvan met een op de elektrische signalen reagerend registratie-orgaan.

Als onderdeel van een druksensor is een dergelijk drukgevoelig element bekend uit de Nederlandse octrooiaanvrage 8302952. Het bekende drukgevoelige element 15 is gekoppeld aan een drager terwijl de druksensor als geheel aangebracht is binnen een huis, bijvoorbeeld een katheter of een holle naald. Op het membraan zijn vier piëzoweerstanden gevormd, die opgenomen zijn in een elektrische schakeling volgens de brug van Wheatstone. 20 De piëzoweerstanden zijn, achtereenvolgens bezien, afwisselend evenwijdig aan en loodrecht op de zijden van het membraan georiënteerd terwijl de elektrische schakeling via een stroomgeleidende bedrading verder op de omgeving buiten de katheter is aangesloten.

25 Door middel van de katheter of holle naald kan de druksensor. bij bijvoorbeeld de mens in een bloedbaan worden gebracht en kan aldus in vivo de bloeddruk worden gemeten. Hiertoe wordt het bloed tot het onder druk vervormbare deel van het gevoelige element, 30 dat wil zeggen tot het membraan, toegelaten via een in de wand van de katheter aangebrachte opening. Daarbij SïCl 54 3 - 'i.

-2- is het onder druk vervormbare membraan van het drukgevoelige element opgesteld tegenover de opening in de wand, hetzij met de zijde van het drukgevoelige element dat het membraan bevat, gekeerd naar de opening, hetzij met de zijde 5 die de uitsparing bevat.

Onder invloed van de optredende vervorming van het membraan zal over de takken van de brug van Wheatstone een potentiaalverschil ontstaan waarvan de grootte een maat is voor de uitgeoefende druk.

10 Om een katheter in de bloedbaan te kunnen brengen is de diameter van de katheter kritisch en is het wenselijk een zo klein mogelijke diameter te realiseren. Deze wens werkt begrijpelijkerwijze door op de binnen de katheter aan te brengen organen. Hieruit volgt dat het een voordeel 15 betekent indien, bijvoorbeeld door een speciale constructie-wijze, de in de katheter onder te brengen organen smaller zouden kunnen worden uitgevoerd en daardoor toepassing van een smallere katheter, in het algemeen een smallere behuizing voor de organen, mogelijk zou maken.

20 De uitvinding nu beoogt in overeenstemming met het voorgaande een drukgevoelig element van de in de aanhef vermelde soort te verschaffen die zonder nadeel voor de werking ervan in dwarsrichting kleiner kan worden uitgevoerd.

25 Volgens de uitvinding is het tot het drukgevoelige element behorende vervormbare membraan langwerpig met lengte 1, breedte b en dikte d uitgevoerd en zijn aan de van de uitsparing afgekeerde zijde van het halfgeleidermateriaal twee sleuven met een met de lengte van het membraan overeen-30 komende lengte en met een breedte c aangebracht waarbij, in dwarsrichting gezien, de sleuven de corresponderende langszijden van het membraan naar weerskanten overlappen onder achterlating van een verdikt langsmiddendeel van het membraan met de dikte d.

33 0 2 54 3 y -3-

In verband met de eigenschappen van silicium is het doelmatig het drukgevoelige element volgens de uitvinding uit silidummateriaal te vervaardigen en uitsparingen daarin door etsen aan te brengen zoals op zichzelf bekend 5 is. Het aanbrengen van sleuven aan de tegenzijde van de in het halfgeleidermateriaal aangebrachte uitsparing, welke sleuven in breedterichting de langszijden van het membraan naar beide kanten overlappen, heeft tot effect dat de dwarsverbinding van het membraan met 1G het halfgeleidermateriaal aanmerkelijk flexibeler wordt. Hierdoor blijft de dwarsvervorming van het membraan bij blootstelling daarvan aan druk sterk ten achter bij de vervorming in langsrichting en is nagenoeg verwaarloosbaar zodat het membraan zich gedraagt als een vrije 15 balk met ingeklemde kopeinden. In extreme vorm verkrijgt men dit effect door de sleufbodems langs de langskanten van het membraan geheel te doorsnijden. Om echter in dit geval een drukverschil over het membraan te kunnen handhaven, wordt het halfgeleidermateriaal aan 20 die zijde, waar de sleuven zich bevinden, weer afgedekt door op het oppervlak ervan een dunne, hechtende materiaal* laag aan te brengen, bij voorheeld een laag uit een polymeer-materiaal. Uit fabricage-oogpunt betekent dit echter wel een extra bewerking.

25 Tengevolge van de sleuven wordt het werkzame deel van het membraan versmald tot het verdikte langsmidden-deel ervan.

Een optimaal en reproduceerbaar effect bij blootstelling van het membraan aan druk is uiteraard eerder 30 te verwachten als het linker en rechter deel van het drukgevoelige element ten opzichte van het langsmiddenvlak ervan symmetrisch zijn, waarbij de sleuven, elk met breedte c, de langskanten van het membraan naar elke kant overlappen over een breedte 1/2 c.

85025*3 -4-

Volgens een nadere uitwerking van het drukgevoelige element volgens de uitvinding, waarbij ter plaatse van het membraan vier piëzoweerstanden geschakeld zijn volgens de brug van Wheatstone, zijn de vier piëzoweerstanden 5 aangebracht in het verdikte langsmiddendeel van het membraan en alle gericht evenwijdig aan de lange zijden van het verdikte langsmiddendeel van het membraan. Beschouwd in rondgaande richting worden de vier piëzoweerstanden bij drukvervorming van het langwerpige membraan volgens 10 de uitvinding achtereenvolgens op compressie en trek belast. Deze evenwijdige oriëntatie van de piëzoweerstanden heeft het voordeel een eventueel nog verder door te voeren versmalling van het verdikte langsmiddendeel van het membraan niet tegen te werken zonder dat dit 15 ten koste hoeft te gaan van de signaleringsmogelijkheid.

In het algemeen kan worden gesteld, dat het terugdringen van de dwarsverbindingskrachten en daardoor van de verschuiving van de invloed van de dwarsvervorming op het totale vervormingsbeeld van het membraan naar de langsvervorming, 20 zoals gerealiseerd in het drukgevoelige element volgens de uitvinding, op optimale wijze de beoogde combinatie van eigenschappen van het drukgevoelige element laat bereiken: bevorderen van de mogelijkheid tot versmalling van het membraan met gelijktijdig de mogelijkheid om hem 25 te verlengen waardoor invloeden van de versmalling op de meetgevoeligheid kunnen worden gecompenseerd terwijl de zo veroorzaakte ontwikkelingsmogelijkheid tot een langer produkt in overeenstemming is met de algemene doelstelling om organen in katheters en naalden van kleinere 30 diameter onder te kunnen brengen.

Het drukgevoelige element volgens de uitvinding kan op elke bekende wijze met andere organen tot grotere samenstellen worden gecombineerd. Zo is het mogelijk 85 0 2 54 3 -5- het drukgevoelige element op elke in de eerdervermelde Nederlandse octrooiaanvrage 8302952 geopenbaarde wijze te verbinden met een drager en het samenstel bijvoorbeeld in een katheter of naald onder te brengen en te bevestigen.

5 In dit kader is het drukgevoelige element volgens de uitvinding volgens een voorkeursuitvoeringsvorm via een hechte verbinding gekoppeld met een stijve drager uit Pyrexglas. De hechte verbinding kan bijvoorbeeld worden gerealiseerd door toepassing van het principe 10 van de zogenaamde "anodic bonding".

De uitvinding wordt aan de hand van de tekening, die een aantal uitvoeringsvoorbeelden van het drukgevoelige element weergeeft, nader toegelicht. In de tekening toont 15 figuur 1 perspectivisch in bovenaanzicht een drukgevoelig element; figuur 2 een doorsnede volgens de lijn II-II van het drukgevoelige element in figuur 1; figuur 3 een dwarsdoorsnede van een drukgevoelig 20 element waarbij de bodems van de sleuven langs de langs-kanten van het membraan volledig zijn doorsneden; figuur 4a een dwarsdoorsnede, genomen over het membraan, van een bekend drukgevoelig element, en figuur 4b een dwarsdoorsnede van een praktisch 25 gerealiseerd drukgevoelig element volgens de uitvinding waarbij de voor de praktijk belangrijkste maten zijn aangegeven.

In de tekening stelt 1 het langwerpige drukgevoelige element met lengte 1, breedte b en dikte d voor waarin 30 een uitsparing 2 is aangebracht. Aan de - in de tekening -bovenzijde van het drukgevoelige element bevinden zich de sleuven 3, 4 elk met breedte c. Door 5 is het verdikte langsmiddendeel van het membraan aangegeven, dat na aanbrengen van de sleuven resteert en bij het drukgevoelige

•3' 0 2 5 ·: T

-6- element volgens de uitvinding het feitelijke drukgevoelige membraan is.

In figuur 2 is door 8 aangegeven hoe het drukgevoelige element 1 van een drager kan zijn voorzien, 5 bijvoorbeeld een drager uit Pyrex-glas.

In de uitvoeringsvorm volgens .figuur 3 zijn langs de langskanten van membraan 5 de bodems van de sleuven 3 en 4 geheel doorsneden onder vorming van spleten 7.

Het drukgevoelige element is aan de bovenzijde bekleed 10 met een goed hechtende polymeerlaag 6.

In de figuren 4 en 5 zijn de belangrijkste maten van het bekende drukgevoelige element (figuur 4) en het drukgevoelige element volgens de uitvinding (figuur 5) aangegeven.

15 Het membraan 51 van het bekende drukgevoelige element is gebruikelijkerwijze vierkant uitgevoerd met zijde p van 50QJLl. De breedtemaat u is van belang voor het bezit van voldoende oppervlak ter verkrijging van voldoende hechtkracht in geval het drukgevoelige element 20 wordt verbonden met een drager. De totale breedte v van het bekende drukgevoelige element bedraagt normaliter 1,2 mm.

Het in figuur 5 getoonde drukgevoelige element volgens de uitvinding is bedoeld te worden gecombineerd 25 met een drager 8 zoals getoond in figuur 2. Dit betekent dat de taak van de breedtemaat u voor het verschaffen van voldoende hechtoppervlak voor de drager uit figuur 4 is overgenomen door de breedtemaat q in figuur 5.

De breedte s van het membraan van het drukgevoelige 30 element volgens de uitvinding kan lOOyli bedragen en kan verder t 50; r 25jU. ·, en q 100y&. bedragen.

De totale breedte w bedraagt derhalve 100+(2x50) + (2x25)+(2x100)= 450yCc hetgeen een aanmerkelijke versmalling betekent ten opzichte van breedtemaat v = 1,2 mm van

V V .r: i V

-7- het bekende drukgevoelige element in figuur 4.

Proefondervindelijk is door meting een vergelijking gemaakt van de gevoeligheid van een bekend drukgevoelig element met een totale breedte van 1,2 mm en een drukgevoelig 5 element volgens de uitvinding waarvan de totale breedte was teruggebracht tot 0,7 mm. Van het bekende drukgevoelige element bleek de gevoeligheid S = 15jüC/JVj Hg te bedragen. De eenheid^"|/"* heeft hierbij betrekking op het potentiaalverschil gemeten over de takken van 10 de brug van Wheatstone; de eenheidVop de excitatiespanning Ybrug van de brug van Wheatstone en de eenheid mm Hg op het drukverschil Ca, p over het membraan.

Uiteraard kunnen aan het drukgevoelige element zoals in het voorgaande is beschreven en in de tekening 15 is getoond wijzigingen worden aangebracht zonder dat daarbij het kader van de uitvinding wordt verlaten.

!"· Λ A ai 1 »· J -s, J ^

Claims

2. Drukgevoelig element volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de bodems van de sleuven langs de langszijden van het membraan geheel zijl doorsneden en het drukgevoelige element aan de zijde 25 van de sleuven over het gehele oppervlak daarvan met een op het oppervlak hechtende materiaallaag is bekleed.
3. Drukgevoelig element volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat de op het blok hechtende materiaallaag gevormd is uit een polymeermateriaal.
4. Drukgevoelig element volgens conclusies 1-3, 33 0 2 5 4 3 -9- m e t het kenmerk, dat bij een breedte c van de sleuven de naar beide kanten van de langszijden van het membraan overlappende gedeelte van de sleuven elk ongeveer 1/2 c bedraagt.
5. Drukgevoelig element volgens conclusie 1 waarbij ter plaatse van het membraan vier piëzoresistoren geschakeld zijn volgens de brug van Wheatstone, m e t h e t kenmerk, dat de vier piëzoresistoren aangebracht zijn in het verdikte langsmiddendeel van het membraan 10 en alle gericht zijn evenwijdig aan de lange zijden van het verdikte langsmiddendeel van het membraan.
6. Drukgevoelig element volgens conclusies 1-5, met het kenmerk, dat het element via een 14 hechte verbinding is gekoppeld met een stijve drager uit Pyrexglas. S S " 0 Λ & 3 - 10- VEREENIGDE OCTROOIBUREAUX S-GRAVENHAGE (HOLLAND) Verbeteringen van errata in de beschrijving behorende bij octrooiaanvrage no. 8502543, voorgesteld door aanvrager d.d. 13 november 1985. -o-o-o-o-o-o-o-o- In de tekening figuur 1 en figuur 2 wijzigen als aangegeven in bijgevoegde witdruk; bladzijde 5, regel 22: "4a" wijzigen in "4" ; bladzijde 5, regel 24: "4b" wijzigen in "5"; bladzijde 5, regel 29: de zinsnede "met lengte 1, breedte b en dikte d" schrappen; bladzijde 6, regel 29: "het membraan" wijzigen in "het verdikte langsmiddendeel van het membraan"; bladzijde 7, regel 8: "bedragen." wijzigen in "bedragen en van het drukgevoelige element volgens de uitvinding S = 5/uV/v/mm Kg."; bladzijde 9, regel 6: "piëzoresistoren" wijzigen in "piëzoweerstanden"; bladzijde 9, regel 8: "piëzoresistoren" wijzigen in "piëzoweerstanden". 8 *3 π ? & % ® w V .4. J 545