将植入体内的电路的壳体及其制造方法

专利名称：将植入体内的电路的壳体及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种电路壳体，更具体地说，涉及一种被设计成将用于植入体内的电路(即，可植入电路)的壳体。
背景描述已经存在许多要求电路免受电路运行环境影响的应用。例如，人体可植入的葡萄糖传感器电路必须被放置在适当的壳体内封装，以便使传感器免受人体的影响，并且也使人体免受传感器的影响。美国专利申请No.6,330,464公开了这种传感器，将该篇专利的公开内容引入于此，以供参考。
装入可植入电路的壳体至少应该具有某些如下特性(1)使传感器的电子电路免受周围体内化学和物理环境影响的能力，(2)使邻近于传感器的组织免受任何不良反应影响的能力，这些不良反应可能是因电路内部的接触(或者浸出)造成的——另外，相邻组织以外，包装不许任何可检测出的有效性浸入一般人体环境；(3)允许电路和外部读取器之间进行功率和信号的无线电子通信的能力；(4)允许传感器进行光学作用所需的光的波长自由通行的能力；(5)支持形成化学识别“前端”所需的表面化学的能力；(6)所述壳体应被大量制造；(7)所述壳体必须是无毒的并且是“生物适应的”；并且(8)提供足够高的可靠性以符合医疗产品的规范。

发明内容
本发明提供了一种满足上述许多标准的壳体。在一方面中，本发明提供了一种装入在完全封闭的聚合物壳体内的电路。优选的是，所述壳体用有机聚合物制成，诸如PMMA。在某些实施例中，所述电路首先被封装在玻璃壳体内，然后盖玻璃壳体自身被封装在第二壳体内，所述第二壳体诸如是由有机聚合物制造的壳体。在其它实施例中，所述电路首先被装入在环氧树脂块料内，然后把包含所述电路的环氧树脂块料封装在壳体内。
在另一方面中，本发明提供了一种用于把电路封装在聚合物壳体内的方法。在一个实施例中，所述方法可以包括如下步骤(a)把电路放置在模具中；(b)把一种制剂注入模具中以便使所述制剂完全包裹所述电路，其中所述制剂包括单体；并且(c)聚合所述单体。在步骤(b)，所有制剂不必一次注入。例如，在某些实施例中，向模具注入所述制剂，直到所述模具半满，然后延迟一段时间后，再向模具注入另外的制剂。在某些实施例中，所述单体可以是MMA单体。所述制剂还可以包括预先聚合的PMMA。
在另一个实施例中，所述方法可以包括如下步骤把电路插入到聚合物壳体中；把光学环氧树脂注入到所述聚合物壳体中，以便填充电路和壳体内壁之间的空间(在某些实施例中，所述注入是从底部向上开始的，以便挤出夹带的空气)；盖住壳体的开口端；把包含光学环氧树脂和电路的壳体放置到压力容器中，并且增加容器内的压力和温度；让光学环氧树脂固化；并且把壳体从压力容器中移走。
在另一个实施例中，所述方法可以包括如下步骤把电路插入到玻璃壳体中；把光学环氧树脂注入到玻璃壳体中，以便填充电路和壳体内壁之间的空间；把光学环氧树脂注入到聚合物壳体中；把聚合物壳体插入包含电路的玻璃壳体中；盖住玻璃壳体的开口端；并且盖住聚合物壳体的开口端。
下面参考附图详细说明本发明的上述和其它特征和优势以及本发明优选实施例的结构和操作。


所述附图被结合在此并形成本说明书的一部分，其有助于说明本发明的各种实施例，连同描述一起进一步用来解释本发明的原理，以便使本领域熟练技术人员能够制造并使用本发明。在所述附图中，相同的附图标记表示同样的或者功能上类似的元件。另外，附图标记最左侧的数字表示附图标记首次出现的附图。
图1说明了根据本发明的电路组件的一个实施例。
图2是说明依照一个实施例的用于在聚合物壳体内封装电路的过程的流程图。
图3是依照本发明的实施例的电路组件的横截面视图。
图4是说明依照另一实施例用于在聚合物壳体内封装电路的过程的流程图。
图5是依照本发明的实施例的电路组件的剖视图。
图6是依照本发明另一实施例的电路组件的横截面视图。
图7说明了依照本发明另一实施例的电路组件。
图8是依照本发明另一实施例的电路组件的剖视图。
图9是说明依照另一实施例用于在聚合物壳体内封装电路的过程的流程图。
图10A和10B说明了利用不同量的环氧树脂涂覆的电路。
具体实施例方式
图1说明了根据本发明的电路组件100的一个实施例。如图1所示，本发明提供了一种组件，所述组件包括装在全封闭式的壳体102内的电路101。优选的是，如图1所示，壳体102是胶囊形状的，但是也可以使用其它形状。电路101可以是具有印刷电路板110和附连至所述电路板110的一个或多个电气及光学部件112的电子电路。电路101可以包括常规的传感器，诸如是美国专利No.6,304,766中描述的传感器。壳体102可以是由PMMA制成的壳体，其是甲基丙烯酸甲酯(MMA)单体的聚合物，或者由其它有机聚合物制成。
图2是说明依照一个实施例用于创建电路组件100的过程200的流程图。过程200可以在步骤202开始，其中把聚合引发剂添加到模具中。在步骤204，把包含单体的外壳制剂注入所述模具中(例如，填充模具一半)。在步骤206，把电路101放置在模具中。在步骤208，把更多的外壳制剂注入模具，以便使电路完全浸于外壳制剂中。在一个实施例中，所述外壳制剂包括单体。在一个实施例中，所述外壳制剂由或者主要由MMA单体组成。依照此方式，人们可以把电路101封装在聚合物壳体中。
在某些情况下，例如，所述制剂包括MMA单体并且电路101相对较大的情况下，电路101在聚合过程期间(即，在步骤206期间)可能会严重损坏。这种损坏的原因通常是收缩的结果，这种收缩在MMA聚合期间会自然出现。在MMA的洁净溶液内包含的单体之间加入结合剂的过程中，随着反应进行，分子间的空间在聚合物内被减小。这是众所周知的现象，即便并非都这样，这也是大部分聚合物反应的表现。在来自洁净单体溶液的PMMA的聚合期间出现的净体积收缩大约是14％。
在一些情况下，当使用PMMA作为电路壳体时，这种收缩会产生一种特殊的问题，这是因为随着封装反应的进行并且粘性随着收缩的出现同时增加，通常采用导电环氧树脂安装在电路板110上的电子部件112在聚合过程期间受到来自电路板110的拉力。
随着封装反应的进行，用于将部件112保持就位的导电环氧树脂的相对强度不具有足够的机械强度来经受因PMMA收缩产生的拉力和应力，其中所述导电环氧树脂主要并且最大限度地为其电导和固化属性被配制。因此，从MMA单体外壳制剂封装电路的某些努力因不可修复的机械损坏而生成无作用的电路。
为了解决此问题，本发明的一方面提供了一种方法，借此，可以在不损坏所封装的电路101的情况下来进行聚合反应。因为较大分子量(大约高至1百万+mw)的预先聚合的PMMA可以溶于MMA单体，并且因为收缩是自离散单体的结合形成的直接后果，所以一种可行的方案在于配制外壳制剂以便包括一部分MMA单体和一部分在MMA单体内溶解的预先聚合的PMMA。
净收缩与做出反应，以便在总量范围内成为聚合物的单体量成比例。如果总体外壳制剂量按照如下方式分配，例如包括约70％的预先聚合的PMMA以及约30％的未反应MMA单体(其中已经溶解了70％的PMMA)，然后将出现的收缩度与总量内的单体成分成正比例下降。实际上，100％MMA单体的外壳制剂的收缩量约为总量的14％。通过把制剂降低至只有30％的MMA，将可预期大约0.3×14＝4.3％的收缩量。实际上，自该改进测量到大约4％的收缩。
因此，在封装期间，通过为封装过程具体重新配制MMA/PMMA，将收缩从例如14％减少到4％，改变固体含量百分数的结果在系统压力方面提供了改进。在MMA中，60-80％PMMA的制剂比例是最好的，不过由于当前的实际限制是不需要的。尽管这样，也期待较高比例值，以便成比例地减少收缩，并且还可能进一步减少收缩。实际上，随着溶液粘度在这些更高比例级别上变得非常高，使得高固体含量溶液极其难于处理、运输等。
然而在某些情况中，即使4％的收缩(在14％上，这是很大的进步)，某些百分比(约40-50％)的电路101也经不起封装4％的收缩。幸存的电路势必具有大量的导电环氧树脂来稍微增加表面安装部分的机械强度。然而，导电环氧树脂不是足够强的，并且在优良制造标准以外增加每一连接使用的数量往往会产生其它的问题。另一重要考虑在于电线结合的电路。这些“线岔头发(frog hair)”的金线的直径通常为25微米，其大约是通常的人类头发直径的1/3至1/4。相对于固定板部件的较小移动量可以扯开这些电线的附连。
因此，在某些应用中，合乎需要的是，用机械方式加强电路110，以便让它经得起因PMMA封装固化反应产生的剩余收缩。
用机械方式加强电路101以便让它经得起因PMMA(70/30)封装固化反应产生的剩余4％收缩的一种方式是利用预先施加的环氧树脂层来加固电路。例如，把电子部件组装到电路板并且清除所述组件后，在所述电路上方施加环氧树脂，其中所述环氧树脂即可不足填充又可过量填充附连至所述电路板的部件。意外的是，人们发现当所施加的环氧树脂依照这种方式覆盖所述部件时，此方案十分适用，由此产生相对“平滑”的表面布局，但是这不是所要求的。在图10A中说明了这种“平滑”表面布局。对比来看，图10B示出了“非平滑”环氧涂层。如图10A所示，环氧涂层的表面1002是平滑的或者基本上是平滑的。
虽然所述环氧树脂足以加强电路101来抵抗收缩聚合物产生的损害，但是由剩余4％收缩引起的合成应力表现为最终封装内环氧树脂和PMMA的相邻表面之间的不层合。如上所述，人们发现，如果用于平滑所述表面的环氧树脂预涂层的量和施加无法使PMMA获得表面布局内的“啮合”，那么很少会出现不层合。然后，来自4％的剩余收缩的应力被吸收为PMMA封装主体自身内的内应力。这种应力可以依照常规的方式通过在最终操作中退火来去除。
在某些实施例中，用于加固电路110的某些或者所有环氧树脂可以包括阻光颜料(诸如黑色或者特定波长)，其防止电路周围不想要的光传播及散射，由此提高了系统的光学信号于噪声的比例。
在某些实施例中，为了延长电路101的寿命，期望的是，防止已经渗透壳体102的分子水蒸气凝结成液态水。如果液态水无法形成于水蒸气，那么无法使潜在的离子污染物变成溶剂化物，这种污染物会导致电路故障。
防止水蒸气凝结的一种方式是防止封装聚合物中形成热量诱发的气泡。MMA单体是极易挥发的。而且，MMA至PMMA的聚合反应是放热的。从室温开始的典型反应而产生的放热通常将随着反应进行而把温度增加至一个点，在该点，剩余未反应的单体将沸腾并且在固化聚合物内产生各种大小的气泡。为了防止壳体内微小热诱发气泡和空隙的可能性(壳体内水蒸气会凝结)，在聚合反应期间，可以使用超压。更具体地说，在优选的实施例中，把包含PMMA/MMA的模具置于压力反应器内，然后将其加压至超出MMA单体处于聚合温度的蒸气压力的压力。这种加压过程既可防止气泡，又可提供与下层环氧树脂涂层非常紧密的机械表面结合，其一旦形成就不会分层。清理壳体，并且没有气泡或者空隙缺陷，以便防止水凝结，并且作为重要的副产品，提供了没有气泡缺陷的出色的光学清晰度。
现在参考图3，图3是依照一个实施例的电路组件100沿线A的横截面视图。如图3所示，电路101可以被完全封装在一块环氧树脂302(或者“环氧树脂块料302”)内，该环氧树脂块料302被装入在壳体102内。
图4是说明依照另一实施例的用于创建电路组件100的过程400的流程图。过程400可以在步骤402开始，其中壳体500(例如，套管500或者管子或者具有开口端的其它壳体)(参见图5)以及用于堵塞壳体开口的塞子504被创建。例如，可以用聚合物棒条来机械加工圆柱套管500和塞子504，所述聚合物棒条诸如是PMMA或者其它有机聚合物棒条。如图5所示，套管500可以具有邻近于套管500开口端594的凹槽592。如果套管500和塞子504是由PMMA制成的，那么PMMA套管和塞子可以在大约80℃进行长达约四个小时的退火(步骤403)。
在步骤404，在电路101的上方施加环氧树脂，以便使电路被部分或者完全地封装在环氧树脂块料502内，由此形成组件503。在步骤406，组件503、套管500和塞子504被清理。例如，组件503、套管500和塞子504可以通过在其表面上利用IPA擦净棉签来得以清理。在步骤408，制备光学环氧树脂。可以使用来自美国Billerica，MA的Epoxy Technology公司的EPO-TEK 301-2环氧树脂以及其它环氧树脂作为光学环氧树脂。
在步骤410，封装在环氧树脂块料内的电路(即，组件503)被置于套管500中。在步骤412，把已制备的光学环氧树脂注入(即，导入)到套管500中。优选的是，在步骤412期间在光学环氧树脂中没有形成气泡。在步骤414，把塞子504置于套管500的开口端中，由此密封套管的开口端。
图6是依照一个实施例的执行步骤414之后电路组件100沿线A的横截面视图。在图6中所示的实施例中，电路101完全被封装在环氧树脂块料502内。用于容纳电路101的环氧树脂块料502被置于套管500内，所述套管500可以是圆柱套管。当套管500是圆柱套管并且当电路101被完全封装环氧树脂块料内时，更适宜的是，使环氧树脂块料502的右上角和左下角之间的距离等于或稍微小于套管502的内径。也就是说，在某些实施例中，更适宜的是w＝sqrt((d*d)-(h*h))，其中w是组件503的宽度，h是组件503的高度，而d是套管500的内径。在组件503不具有统一宽度或者具有圆形横截面的实施例中，那么所述组件的最大宽度可以等于或者稍微小于所述内径。如图6中所示那样，光学环氧树脂(例如，折射率(RI)匹配环氧树脂)填充组件503和套管500之间的空间。
返回参考图4，在步骤416，把新的组件(即，包含环氧树脂和组件503的密封套管)置于压力容器中。在步骤418，使用氮或者其它惰性气体把容器内的压力增加到约125磅/英寸2。在步骤420，以预定温度(例如，40℃)把光学环氧树脂固化一定时间(例如，20个小时)。在已经过去预定量的时间之后，把所述组件从压力容器中移走，然后进行最后的机械加工(步骤422)。
如上所述的方法能够让PMMA壳体在封装前、在没有在电路101上施加任何附加应力的情况下进行退火。
图7说明了本发明的可替代电路组件700。电路组件700与电路组件100相似之处在于组件700包括容纳在壳体102内的电路101。然而，在组件700中，电路101也被容纳在玻璃壳体702(例如，管子或者其它形状的壳体)内，该玻璃壳体702被容纳在壳体102内。在某些实施例中，玻璃壳体702在一端是闭合的，而在相对一端是开口的。所述开口端可以通过玻璃球704或者其它适当的塞子塞住。图8是示出依照一个实施例的组件700的各部件的剖视图。在某些实施例中，玻璃壳体702可以根据阻红外线(IR)玻璃构造而成。
图9是说明依照一个实施例的用于制造组件700的过程900的流程图。过程900可以在步骤902开始，其中创建诸如是套管500和塞子504的套管和塞子。
在步骤904，所述套管和塞子被退火。所述套管和塞子可以在80℃进行长达约四个小时的退火。在步骤906，清理各部件(例如，套管500、塞子504、玻璃壳体702、玻璃球704、环氧树脂块料502等)。例如，套管500和塞子504可以在超声波清洗槽中利用IPA来清理，然后进行漂洗步骤，并且玻璃壳体702和玻璃球704也可以利用KOH/酒精溶液进行超声清理，然后利用水来漂洗。
在步骤908，把粘结剂施加到玻璃壳体702和玻璃球704。所使用的粘结剂可以是三甲氧基[2-(7-oxabicyclo[4.1.0]hept-3-yl)ethyl]硅烷，其可以从Sigma-Aldrich公司(目录号为413321)购买到。
在步骤910，制备一批光学环氧树脂。在步骤912，把涂覆有环氧树脂的电路板插入玻璃壳体中。在步骤914，把已制备的一些环氧树脂注入玻璃壳体702中。
在步骤916，把已制备的一些环氧树脂注入套管500中。在步骤918，把容纳电路的玻璃壳体702插入套管的开口端中。在步骤920，把玻璃球704插入玻璃壳体702的开口端中，由此密封玻璃壳体的开口端。在步骤922，使用塞子504来密封套管的开口端。
在步骤924，把容纳玻璃壳体702(容纳电路101)的已密封套管置于压力容器中，在所述压力容器中，使用惰性气体把压力增加到约125磅/英寸2，并且把温度增加到40℃。在约20个小时之后，逐渐减小压力，并且把所述组件从压力容器中移走，然后进行最后的机械加工(步骤926)。
虽然作为一系列步骤说明了上述过程，但是本领域技术人员应该理解的是，至少某些步骤不必依照所示顺序来执行，并且此外，某些步骤可以被省略并且可以添加其他的步骤。
上面已经描述了本发明的各种实施例/变化，但是应该理解的是，它们仅仅是以举例方式来呈现，而非限制性的。由此，本发明的广度和范围不应该受到任何上述示例性实施例的限制，而是仅仅根据如下的权利要求书及其等效物来限定。
权利要求
1.一种生物适应的、人体可植入的设备，包括全封闭式的壳体；以及封装在环氧树脂块料内的电路，其中把包含所述电路的所述环氧树脂块料放置在所述壳体内。
2.如权利要求1所述的设备，其中所述壳体是聚合物壳体，并且所述聚合物是有机聚合物。
3.如权利要求2所述的设备，其中所述聚合物壳体包括PMMA。
4.如权利要求2所述的设备，其中所述聚合物壳体由PMMA组成。
5.如权利要求2所述的设备，其中所述聚合物壳体主要由PMMA组成。
6.如权利要求1所述的设备，其中至少部分所述电路由包括阻光颜料的环氧树脂覆盖。
7.如权利要求6所述的设备，其中所述电路包括衬底以及附连至所述衬底的多个部件。
8.如权利要求1所述的设备，还包括玻璃管，其中包含所述电路的环氧树脂块料位于所述玻璃管内，并且所述玻璃管被装在所述壳体内。
9.如权利要求8所述的设备，其中使用玻璃球来密封所述玻璃管的开口端。
10.如权利要求8所述的设备，其中光学环氧树脂填充所述玻璃管和所述壳体内壁之间的空间。
11.如权利要求8所述的设备，其中光学环氧树脂填充所述电路和所述玻璃管内壁之间的空间。
12.如权利要求1所述的设备，其中所述壳体在形状上基本上是圆柱形的，并且具有内径。
13.如权利要求12所述的设备，其中所述聚合物壳体的内径等于或者约等于(w2+h2)的平方根，其中w是环氧树脂块料的宽度，而h是环氧树脂块料的高度。
14.如权利要求1所述的设备，其中所述壳体不包括任何玻璃。
15.一种生物适应的、人体可植入的设备，包括全封闭式的壳体；装在所述壳体内的玻璃壳体，所述玻璃壳体包括具有开口端的玻璃管和密封所述玻璃管的所述开口端的玻璃球；以及放置在所述玻璃壳体内的电路。
16.如权利要求15所述的设备，其中所述壳体是聚合物壳体，并且所述聚合物是有机聚合物。
17.如权利要求16所述的设备，其中所述聚合物壳体包括PMMA。
18.如权利要求16所述的设备，其中所述聚合物壳体由PMMA组成。
19.如权利要求16所述的设备，其中所述聚合物壳体主要由PMMA组成。
20.如权利要求15所述的设备，其中至少部分电路由包括阻光颜料的环氧树脂覆盖。
21.如权利要求20所述的设备，其中所述电路包括衬底以及附连至所述衬底的多个部件。
22.如权利要求15所述的设备，还包括光学环氧树脂，其中所述光学环氧树脂填充所述玻璃壳体和所述壳体内壁之间的空间。
23.如权利要求15所述的设备，其中光学环氧树脂填充所述电路和所述玻璃壳体内壁之间的空间。
24.一种用于在聚合物壳体内完全封装电路的方法，包括把所述电路放置在模具中；把制剂注入所述模具以便使制剂完全围绕所述电路，其中所述制剂包括单体；并且聚合所述单体。
25.如权利要求24所述的方法，还包括如下步骤在把所述电路置于所述模具中之前，利用环氧树脂覆盖所述电路，其中使用足够量的环氧树脂来覆盖所述电路，以使得到的表面布局基本上平滑。
26.如权利要求24所述的方法，其中所述聚合步骤是在压力容器中执行的，其中使用惰性气体把压力增加到至少约125磅/英寸2。
27.如权利要求24所述的方法，其中所述制剂包括MMA单体。
28.如权利要求27所述的方法，其中所述制剂还包括预先聚合的PMMA。
29.如权利要求28所述的方法，其中所述制剂包括体积比为60％和80％之间的预先聚合的PMMA。
30.如权利要求24所述的方法，其中所述制剂主要由MMA单体组成。
31.如权利要求24所述的方法，其中所述制剂由MMA单体组成。
32.一种用于在壳体内完全装入电路的方法，包括把所述电路插入到所述壳体中；把光学环氧树脂注入到所述壳体中；把包含所述光学环氧树脂和所述电路的所述壳体置于压力容器中；增加所述容器内的压力；增加所述容器内的温度；使所述光学环氧树脂固化；把所述壳体从所述压力容器中移去；并且盖住所述壳体的开口端。
33.如权利要求32所述的方法，其中所述壳体包括PMMA。
34.如权利要求32所述的方法，其中所述壳体主要由PMMA组成。
35.如权利要求32所述的方法，还包括如下步骤在把所述电路装于所述壳体之前，把所述电路封装在环氧树脂块料内。
36.如权利要求32所述的方法，其中把所述压力增加到至少约125磅/英寸2。
37.如权利要求32所述的方法，其中把所述温度增加到至少约40摄氏度。
38.如权利要求32所述的方法，其中在把所述光学环氧树脂注入所述壳体之后，把所述电路插入到所述壳体中。
39.如权利要求32所述的方法，其中在把所述光学环氧树脂注入所述壳体以前，把所述电路插入到所述壳体中。
40.一种用于在壳体内完全封装电路的方法，包括把所述电路插入到玻璃壳体中；把光学环氧树脂注入到所述玻璃壳体中；把光学环氧树脂注入到第二壳体中；把包含所述电路的所述玻璃壳体插入所述第二壳体中；盖住所述玻璃壳体的开口端；并且盖住所述第二壳体的开口端。
41.如权利要求40所述的方法，其中所述第二壳体包括PMMA。
42.如权利要求40所述的方法，其中所述第二壳体主要由PMMA组成。
43.如权利要求40所述的方法，还包括如下步骤在把所述电路置于玻璃壳体之前，把所述电路封装在环氧树脂块料内。
44.如权利要求40所述的方法，其中在把所述光学环氧树脂注入所述玻璃壳体之后，把所述电路插入到所述玻璃壳体中。
45.如权利要求40所述的方法，其中在把所述光学环氧树脂注入所述玻璃壳体以前，把所述电路插入到所述玻璃壳体中。
46.如权利要求40所述的方法，其中盖住所述玻璃壳体开口端的步骤包括把玻璃球至少部分插入到所述玻璃壳体的所述开口端中的步骤。
47.如权利要求40所述的方法，还包括如下步骤在把所述玻璃壳体插入所述第二壳体之前，固化所述玻璃壳体中包含的光学环氧树脂。
48.如权利要求47所述的方法，其中固化所述光学环氧树脂的步骤包括如下步骤把包含所述光学环氧树脂和所述电路的玻璃壳体置于压力容器中，并且增加所述容器内的温度和压力。
49.如权利要求40所述的方法，还包括如下步骤在把所述玻璃壳体插入到所述第二壳体中之后，固化所述玻璃壳体中包含的光学环氧树脂。
全文摘要
本发明提供了一种包括封装在壳体内的电路的生物适应电路组件。在某些实施例中，所述壳体是PMMA壳体，并且在把电路装入壳体内以前，所述电路被封装在环氧树脂块料内。
文档编号A61B5/07GK1943288SQ200580011394
公开日2007年4月4日 申请日期2005年4月7日 优先权日2004年4月16日
发明者小阿瑟·E·科尔文, 卡丽·R·洛伦茨, 凯西·J·奥康纳, 史蒂文·J·沃尔特斯 申请人:医药及科学传感器公司