用于颅内神经监测的集成多模态传感器装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明总体上涉及用于颅内神经监测的集成多模态传感器装置，包括该集成多模 态传感器装置的用于颅内神经监测的多模态传感器系统，和它们的制造方法。
【背景技术】
[0002] 创伤性脑损伤(TBI)是全世界的现象，其对患者和社会产生毁灭性影响。TBI管理 的关键是能够通过在关键时期精确监测颅内压、脑氧合和脑温度控制颅内压（ICP) tJCP的 任何突然增加必须通过过多脑脊液的引流或通过化学疗法被释放。在常规TBI管理中，呈小 型化导管的形式的独立压力传感器、氧传感器和温度传感器广泛地用于重症监护室中。外 部螺栓系统典型地用于将传感器附连到头骨以将植入导管牢固地保持在患者的头部中。定 制数据采集设备然后可以直接通过螺栓系统连接到导管以用于来自传感器的感测数据的 信号处理和实时显示。
[0003] 实际上，使用上述的方法，插入螺栓的尺寸（因此钻孔尺寸)不能小，原因是它必须 容纳3个植入导管，并且该额外空间更易于出血和感染。此外，单独的导管仅仅配置为感测 装置，所以信号调节和处理完全由外部设备进行。
[0004] 所以需要提供一种用于颅内神经监测的传感器装置，其试图克服或至少减轻上述 常规技术的缺陷中的一个或多个。正是基于该背景开发本发明。
【发明内容】
[0005] 根据本发明的第一方面，提供一种用于颅内神经监测的整体集成多模态传感器装 置，所述传感器装置包括：
[0006] 单个衬底；
[0007] 形成于所述单个衬底的第一部分上用于检测温度的温度传感器；
[0008] 形成于所述单个衬底的第二部分上用于检测颅内压的压力传感器；以及
[0009] 形成于所述单个衬底的第三部分上用于检测氧浓度的氧传感器，
[0010] 其中所述温度传感器、所述氧传感器和所述压力传感器的感测部分分别形成于所 述传感器装置的不同层处。
[0011]优选地，所述温度传感器的感测部分形成于所述单个衬底处，所述压力传感器的 感测部分形成于所述传感器装置的内金属层处，并且所述氧传感器的感测部分形成于所述 传感器装置的顶金属层处。
[0012] 优选地，所述温度传感器包括一个或多个晶体管，并且所述温度传感器的感测部 分包括相应的一个或多个晶体管的有源区。
[0013] 优选地，所述晶体管是寄生垂直PNP晶体管。
[0014] 优选地，所述压力传感器包括一个或多个电容MEMS压力传感器，并且所述压力传 感器的感测部分包括相应的一个或多个电容MEMS压力传感器的可移动电极。
[0015] 优选地，所述氧传感器包括氧传感器元件的可切换阵列，并且所述氧传感器的感 测部分包括相应的氧传感器元件的工作电极。
[0016] 优选地，所述氧传感器配置成切换到所述氧传感器元件中的一个以提供满足预定 灵敏度水平的氧水平读数。
[0017] 优选地，所述传感器装置还包括形成于所述单个衬底上用于处理来自所述温度传 感器、所述氧传感器和所述氧传感器的读数的一个或多个专用集成电路。
[0018] 根据本发明的第二方面，提供一种制造用于颅内神经监测的整体集成多模态传感 器装置的方法，所述方法包括：
[0019] 提供单个衬底；
[0020] 在所述单个衬底的第一部分上形成温度传感器以用于检测温度；
[0021] 在所述单个衬底的第二部分上形成压力传感器以用于检测颅内压；以及 [0022]在所述单个衬底的第三部分上形成氧传感器以用于检测氧浓度，
[0023] 其中所述温度传感器、所述氧传感器和所述压力传感器的感测部分分别形成于所 述传感器装置的不同层处。
[0024] 优选地，所述温度传感器的感测部分形成于所述单个衬底处，所述压力传感器的 感测部分形成于所述传感器装置的内金属层处，并且所述氧传感器的感测部分形成于所述 传感器装置的顶金属层处。
[0025] 优选地，所述温度传感器包括一个或多个晶体管，并且所述温度传感器的感测部 分包括相应的一个或多个晶体管的有源区。
[0026]优选地，所述晶体管是寄生垂直PNP晶体管。
[0027] 优选地，所述压力传感器包括一个或多个电容MEMS压力传感器，并且所述压力传 感器的感测部分包括相应的一个或多个电容MEMS压力传感器的可移动电极。
[0028] 优选地，所述氧传感器包括氧传感器元件的可切换阵列，并且所述氧传感器的感 测部分包括相应的氧传感器元件的工作电极。
[0029] 优选地，所述氧传感器配置成切换到所述氧传感器元件中的一个以提供满足预定 灵敏度水平的氧水平读数。
[0030] 优选地，所述方法还包括在所述单个衬底上形成一个或多个专用集成电路以便处 理来自所述温度传感器、所述氧传感器和所述氧传感器的读数。
[0031] 根据本发明的第三方面，提供一种用于颅内神经监测的集成多模态传感器系统， 所述传感器系统包括：
[0032] 挠性导管；
[0033]挠性衬底；
[0034]根据本发明的上述第一方面的整体集成多模态传感器装置，所述整体集成多模态 传感器装置布置在所述挠性衬底上并位于所述挠性导管的感测端部分内；以及 [0035]引导尖端构件，在将所述挠性导管的所述感测端部分插入颅骨中期间，所述引导 尖端构件从所述挠性导管的所述感测端部分延伸以便于所述挠性导管的穿入和定向引导。
[0036] 优选地，所述引导尖端构件具有圆形尖端并且由硅树脂制造。
[0037] 优选地，所述传感器系统还包括外壳，所述外壳在其中包括用于接收来自所述传 感器装置的感测数据的无线通信模块和用于将感测数据无线地传输到一个或多个远程颅 外装置的天线。
[0038]根据本发明的第四方面，提供一种形成用于颅内神经监测的集成多模态传感器系 统的方法，所述方法包括：
[0039]提供挠性导管；
[0040] 提供挠性衬底；
[0041] 将根据本发明的上述第一方面的整体集成多模态传感器装置布置在所述挠性衬 底上并且布置在所述挠性导管的感测端部分内；以及
[0042] 形成引导尖端构件，在将所述挠性导管的所述感测端部分插入颅骨中期间，所述 引导尖端构件从所述挠性导管的所述感测端部分延伸以便于所述挠性导管的穿入和定向 引导。
【附图说明】
[0043]本领域的普通技术人员从以下书面描述、仅仅通过例子并且结合附图将更好地理 解和显而易见本发明的实施例，其中：
[0044] 图IA描绘根据本发明的示例性实施例的用于颅内神经监测的示例性整体集成多 模态传感器装置的示意性俯视图；
[0045] 图IB描绘图IA中所示的示例性传感器装置的示意性横截面图；
[0046] 图2描绘根据本发明的实施例的示例性温度传感器电路的示意图；
[0047] 图3A描绘根据本发明的实施例的一个示例性电容MEMS压力传感器的横截面图； [0048]图3B和3C分别描绘在扫描电子缩微照片（SEM)中捕捉的压力传感器的释放膜的俯 视图和横截面图；
[0049] 图4描绘根据本发明的实施例配置为3电极系统的示例性氧传感器；
[0050] 图5描绘根据本发明的实施例的一体形成于衬底上的示例性ASIC的示意图；
[0051 ]图6A描绘显示在实验中压力传感器相对于施加的压力的输出响应的图形；
[0052]图6B描绘显示压力传感器电容失配校准的测量结果的图形；
[0053]图7A描绘显示在实验中氧传感器相对于溶解氧浓度的输出响应的图形；
[0054]图7B描绘显示从氮饱和状态到空气饱和状态的水性溶液中的氧传感器的测量瞬 时响应的图形；
[0055]图8A描绘示出在实验中温度传感器的线性输出响应的图形；
[0056]图8B描绘示出在实验中在从_5°C到45°C的温度范围内多温度传感器的温度不精 确度的图形；
[0057]图9描绘根据本发明的实施例的制造用于颅内神经监测的整体集成多模态传感器 装置的方法的概图；
[0058]图IOA至IOZ显示根据本发明的实施例的制造集成多模态传感器装置的步骤；
[0059] 图11是根据本发明的实施例制造的示例性完成传感器装置(或传感器芯片）；
[0060] 图12A至12C描绘根据本发明的实施例的包装用于体内应用(集成多模态传感器系 统）的传感器装置；
[0061] 图13描绘正用于活体内应用的传感器系统的例子；
[0062] 图14描绘根据本发明的实施例的制造用于颅内神经监测的传感器系统的方法的 概图；以及
[0063] 图15描绘根据本发明的实施例的使用用于活体内应用的集成多模态传感器系统 进行颅内神经监测的方法的概图。
【具体实施方式】
[0064] 各种生理参数的颅内神经监测在可以导致受试者的头骨内的压力的变化的诸如 创伤性脑损伤(TBI)、脑积水和肿瘤的神经系统疾病中是关键的。本发明的示例性实施例提 供用于颅内神经监测的整体集成多模态传感器装置，其包括用于检测颅内温度的温度传感 器，用于检测颅内压的压力传感器，和用于检测氧浓度的氧传感器。特别地，在示例性实施 例中，温度传感器、压力传感器和氧传感器集成在单个衬底上。这有利地允许单个导管带有 具有颅内温度、颅内压和氧浓度感测能力的传感器装置，因此消除提供多个导管以便获得 多个生理参数的需要。因此，执行颅内神经监测所需的螺栓或钻孔的尺寸可以被最小化，因 此使得不太容易出血和感染。总颅内神经监测过程也大大简化，例如原因是涉及更少的导 管。
[0065] 图IA描绘根据本发明的示例性实施例的用于颅内神经监测的示例性整体集成多 模态传感器装置100的示意性俯视图。图IB描绘示例性传感器装置100的示意性横截面图。 如图所示，传感器装置100包括单个衬底(优选地，硅衬底）11〇,形成于单个衬底110的第一 部分116上用于检测颅内温度的温度传感器114,形成于单个衬底110的第二部分122