基于微流体技术的变电容式眼压传感器及其系统的制作方法

本发明涉及医疗器械领域，尤其涉及一种基于微流体技术的变电容式眼压传感器及其系统。

背景技术：

眼内压力(intraocularpressure，iop)即眼压是眼球内容物对眼球壁施加的均衡压力，是判断眼睛健康的重要指标之一。传统的监测眼压方法无法对眼压进行连续的监测，难以真正反映出眼压地真实变化情况，限制了对由眼压引起的眼疾病的进一步研究和探索。目前国内外均缺少有效的无创连续监测眼内压波动变化的方法和手段，绝大多数依旧停留在传统眼内压单次测量的水平上。因此，研究眼内压无创连续监测关键技术、建立非侵入无线连续眼内压监测系统有极其重要的医学意义和社会意义。

目前一些单位和研究机构提出了一些利用集成在角膜接触镜上的电特性敏感穿戴式眼压传感器。随着眼压的增加，膨胀的角膜将带动附着的柔性隐形眼镜共同变形，从而导致内部传感元件变形，进而导致其电学特性发生变化。根据所用传感元件的不同，目前所研制的眼压传感器主要分为电阻式眼压传感器、电容式眼压传感器和电感式眼压传感器。电阻式眼压传感器是基于惠斯通电桥原理设计的电阻应变传感器，电桥的电阻会随着角膜的形变而变化，通过精密放大电路读取因电桥变化引起的电压波动。国外很早就开展了电阻式眼压传感器的研究，瑞士sensimed公司于2009年研制出一种电阻式眼压监测传感器。该传感器设计了两个环形铂-钛电阻应变仪，与另外两个阻值固定的温度补偿铂-钛电阻构成惠斯通电桥。嵌入隐形眼镜的集成电路芯片与天线可以配合外部读取设备实现对于数据的无线读取。目前sensimed公司已经将该设备商业化，并以sensimedtriggerfish智能隐形眼镜的形式销售。但是在临床试验过程中，由于读取芯片的刚性较大，容易引起角膜肿胀等症状，存在一定的安全隐患。

电容式眼压传感器与电感式眼压传感器都是基于lc谐振回路的检测原理，当传感器的电感或电容值随着角膜形变而发生变化时，回路的谐振频率也会发生变化，利用矢量网络分析仪可以检测出谐振频率的变化，进而间接地读取出眼压的变化。香港大学的guo-zhenchen等人研制出了一种电容式的眼压传感器，该设备经过离体猪眼测试，能够准确地追踪眼压的变化。一年后，该团队又研制出了一种电感式的眼压传感器，能够准确地追踪眼压的变化，但是灵敏度要比电容式的差。该两种方法都不需要结合读取ic，只需要读取线圈结合矢量网络分析仪就可以读取，操作简单且成本低，能够提高舒适性。

但是，现有的电容式眼压传感器大多是通过改变平行板电容之间的间距或者正对面积来改变传感器的电容值，这种变化非常微弱，导致传感器灵敏度较低。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种基于微流体技术的变电容式眼压传感器及其系统，以期至少部分地解决上述提及的技术问题中的至少之一。

为实现上述目的，本发明的技术方案包括：

作为本发明的一个方面，提供一种基于微流体技术的变电容式眼压传感器，包括：

角膜接触镜，包括两膜层及由所述两膜层形成的一内部空间；

可变电容元件，内置于所述角膜接触镜的内部空间；所述可变电容元件的电极板间距为微流体间隙；

螺旋电感，内置于所述角膜接触镜的内部空间，与所述可变电容元件连接形成rlc回路；

其中，所述角膜接触镜的内部空间还包括一填充有流体的微流体储液腔室；当所述角膜接触镜受压力影响引起形变时，微流体储液腔室中的流体注入到微流体间隙或者从微流体间隙抽离，改变可变电容元件的电容值，引起谐振频率的变化，实现眼压检测。

作为本发明的另一个方面，还提供一种基于微流体技术的变电容式眼压传感系统，包括：如上所述的变电容式眼压传感器、读取线圈和检测设备；

其中，所述可变电容元件和螺旋电感构成的rlc回路，通过外部读取线圈和检测设备检测回路谐振频率的变化，进而检测出眼压的变化；

作为优选，检测设备包括矢量网络分析仪或者阻抗分析仪。

基于上述技术方案，本发明相较于现有技术，至少具有以下有益效果的其中之一或其中一部分：

(1)与传统的变容式眼压传感器相比，本发明利用流体在压力变化下流动引起可变电容元件的电容变化，且基于微流体技术，将微流体储液腔室以及可变电容元件的微流体间隙均小型化，具有比仅由几何形变形成的可变电容具有更大的变化幅度，具有高的灵敏度；

(2)本发明实现了眼压检测系统的眼内单元的无源化，避免了有源器件不可避免的复杂的绝缘封装等工艺过程，降低了工艺难度；

(3)本发明利用的是外部读取线圈结合矢量网络分析仪来读取传感器电容的变化，所以整体测量系统非常简单；

(4)本发明中的金属板是圆环状的，中间为圆形透明区域，不会遮挡瞳孔，所以在佩戴时也不会影响患者的视力；

(5)本发明的检测设备为矢量网络分析仪或者阻抗分析仪，是便携式的，并且可实现连续检测；

(6)本发明的电容式眼压传感器是通过改变介电质常数来改变电容值的，灵敏度会提高；

(7)本发明中的可变电容元件由于两层金属板的正对面积大、板间距小，因而获得了较大的电容值，降低了回路的谐振频率，提高了传感器的安全性能。

附图说明

图1是本发明实施例基于微流体技术的变电容式眼压传感器的立体图；

图2是本发明实施例基于微流体技术的变电容式眼压传感器剖面示意图；

图3是本发明实施例基于微流体技术的变电容式眼压传感器局部剖面示意图；

图4是本发明实施例基于微流体技术的变电容式眼压传感系统示意图。

以上附图中，附图标记含义如下：

1、变电容式眼压传感器；10、角膜接触镜；101、微流体储液腔室；102、腔室支撑层；20、可变电容元件；201、支撑绝缘层；202、微流体间隙；30、螺旋电感；2、读取线圈；3、射频传输电缆；4、矢量网络分析仪；5、计算机。

具体实施方式

本发明提出的基于微流体技术的变电容式眼压传感器结构简单，微流体储液腔室的形变灵敏，并且液体由于同时受压力和自身重力的作用会使得两层电极板之间的液体回流到微流体储液腔室更加彻底，提高了眼压循环监测地准确性。此外，本发明提出的结构的可变电容值要远大于现有技术中的传感器电容值，这使得回路的谐振频率大大降低，减少了高频辐射对人体的危害。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

作为本发明的一个方面，提供一种基于微流体技术的变电容式眼压传感器，包括：

角膜接触镜，包括两膜层及由两膜层形成的一内部空间；

可变电容元件，内置于角膜接触镜的内部空间；可变电容元件的电极板间距为微流体间隙；

螺旋电感，内置于角膜接触镜的内部空间，与可变电容元件连接形成rlc回路；

其中，角膜接触镜的内部空间还包括一填充有流体的微流体储液腔室；当角膜接触镜受压力影响引起形变时，微流体储液腔室中的流体注入到微流体间隙或者从微流体间隙抽离，改变可变电容元件的电容值，引起谐振频率的变化，实现眼压检测。

在本发明的实施例中，可变电容元件包括两层电极板、支撑绝缘层；其中，

两层电极板，呈圆环形，平行间隔设置；

支撑绝缘层，呈圆环形，设置于两层电极板之间，使两层电极板形成平行板电容；

其中，两层电极板之间形成微流体间隙。

在本发明的实施例中，电极板包括金材料或者铜材料；支撑绝缘层为绝缘材料；

支撑绝缘层包括聚己二酸/对苯二甲酸丁二酯材料、聚二甲基硅氧烷材料或者聚对苯二甲酸乙二醇酯材料。

在本发明的实施例中，电极板的尺寸：内半径为2mm，外半径为6mm，厚度为10μm；支撑绝缘层的尺寸：内半径4mm，外半径为6mm，厚度为30μm～80μm。

其中，电极板和支撑绝缘层的内半径和外半径，并不局限于此，只要一方面能够实现半圆环的内孔能够透过瞳孔，不遮挡视线；另一方面使两层电极板的正对面积大即可。

其中，支撑绝缘层的厚度决定可变电容元件的微流体间隙，需要板间距离小，适宜为30μm～80μm，优选为50μm。

在本发明的优选实施例中，电极板的尺寸：内半径为2mm，外半径为6mm，厚度为10μm；支撑绝缘层的尺寸：内半径4mm，外半径为6mm，厚度为50μm。

在本发明的实施例中，螺旋电感与两层电极板的其中之一相连接；

螺旋电感包括金或者铜材料；

螺旋电感的厚度为10μm。

在本发明的实施例中，角膜接触镜设置为透明柔性；

角膜接触镜的材质包括聚二甲基硅氧烷、硅氧烷甲基丙烯酸酯、氟硅丙烯酸酯或聚甲基丙烯酸酯。

在本发明的实施例中，变电容式眼压传感器还包括腔室支撑层，腔室支撑层设置于角膜接触镜的一膜层与可变电容元件之间，用于与角膜接触镜的膜层围绕形成微流体储液腔室；

其中，腔室支撑层包括聚对二甲苯(parylene)、su-8光致抗蚀剂或者聚酰亚胺材料。

在本发明的实施例中，腔室支撑层的内半径为4mm，外半径为6mm，高度为80μm～120μm。

其中，腔室支撑层的内半径和外半径，并不局限于此，只要能够实现半圆环的内孔能够透过瞳孔，不遮挡视线即可。

其中，腔室支撑层的厚度决定微流体腔室的厚度，适宜为80μm～120μm，优选为100μm。

在本发明的优选实施例中，腔室支撑层的内半径为4mm，外半径为6mm，高度为100μm。

在本发明的实施例中，微流体储液腔室内填充的流体选取纯水或者甘油；

对微流体储液腔室内壁进行疏水化处理。

在本发明的实施例中，角膜接触镜直径为14mm，封装后的厚度不超过500μm。

作为本发明的另一个方面，还提供一种变电容式眼压传感系统，包括如上述的变电容式眼压传感器、读取线圈和检测设备；

其中，可变电容元件和螺旋电感构成的rlc回路，通过外部读取线圈和检测设备检测回路谐振频率的变化，进而检测出眼压的变化；

在本发明的实施例中，检测设备可以为矢量网络分析仪或者阻抗分析仪。

下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步说明，但需要注意的是，下述的实施例仅用于说明本发明的技术方案，但本发明并不限于此。

根据本发明的一个实施例，提供一种基于微流体技术的变电容式眼压传感器，图1为本发明实施例基于微流体技术的变电容式眼压传感器的立体图；图2是本发明基于微流体技术的变电容式眼压传感器内部结构的示意图，图3是本发明实施例基于微流体技术的变电容式眼压传感器局部剖面示意图；如图1、图2和图3所示，变电容式眼压传感器1包括：

储满液体的微流体储液腔室101，用于为可变电容元件20提供液态介电质，改变可变电容元件20的电容值；

角膜接触镜10，用于为微流体储液腔室101提供衬底材料，同时还将整个传感器器件封装起来，呈一个球冠状与眼球紧密贴合；

角膜接触镜10用于跟随眼压的形变，引起微流体储液腔室101体积的形变而将液体介电质输送到可变电容元件20中的微流体间隙202中，进而引起可变电容元件20的电容值发生变化；

螺旋电感30，用于与可变电容元件20连接形成rlc回路检测眼压的变化。

其中，角膜接触镜10直接佩戴在眼角膜上，由透明柔性材料制备，且其材料为以下其中一种：聚二甲基硅氧烷、硅氧烷甲基丙烯酸酯、氟硅丙烯酸酯或聚甲基丙烯酸酯，但是并不局限于此，也可以是其他常用的角膜接触镜材料，只要透明柔性，佩戴舒适即可。

其中，如图2和图3所示，本发明的角膜接触镜10是由两片角膜接触镜材料构成，第一片需要作为微流体储液腔室101的衬底，另一片需要将整个器件的上表面封装在里面，可以考虑采用热塑工艺结合自己加工的模具将两片角膜接触镜材料封装在一起，并形成球冠状。

其中，微流体储液腔室101以底层角膜接触镜材料为衬底，选取聚对二甲苯(parylene)、su-8光致抗蚀剂或者聚酰亚胺(pi)材料通过光刻或者等离子体刻蚀等工艺来制备圆环型储液腔室的壁，即腔室支撑层102；腔室支撑层102的内半径为4mm，外半径为6mm，高度为100μm。

其中，微流体储液腔室101内的液态微流体需要选取介电常数高且对人眼无害的液体，如甘油或者纯水等。

其中，可变电容元件20由两层圆环形的金属板和中间圆环形的支撑绝缘层201构成一个平行板电容；两层圆环形金属板由金材料或者铜材料经过电镀工艺制备，内半径为2mm，外半径为6mm，厚度为10μm；中间圆环形支撑绝缘层201材料选取ecoflex材料、pdms或者pet材料中的一种来制备，内直径为4mm，外直径为6mm，厚度为50μm。

其中，螺旋电感30由金材料或者铜材料通过电镀制备，且与可变电容元件20的底层金属板相连接，内半径为6.2mm，外半径为6.4mm，厚度为10μm。

其中，可变电容元件20与螺旋电感30构成rlc回路，根据回路谐振频率的变化就可以检测眼压的变化。

其中，微流体储液腔室101需要进行疏水化处理，例如在微流体储液腔室101内壁上气相淀积一层5μm厚的parylene或者对微流体储液腔室101内壁表面进行硅烷化处理。

其中，角膜接触镜10直径为14mm，封装后的厚度不超过500μm。

基于微流体技术的变电容式眼压传感系统如图4所示，包括变电容式眼压传感器1、读取线圈2、射频传输电缆3、矢量网络分析仪4和计算机5。测量时，首先将变电容式眼压传感器1器件放置在被使用者角膜上，即眼球表面，然后将读取线圈2通过射频传输电缆3与矢量网络分析仪4连接起来，再将读取线圈2近距离平行放置在装有变电容式眼压传感器1的眼睛外部，眼压升高导致微流体储液腔室101中的甘油进入可变电容元件20中的微流体间隙202中，从而引起可变电容元件20的介电质材料由空气变为介电质常数很高的液体介电质，导致可变电容元件20的电容值大幅度地改变；矢量网络分析仪4通过射频传输电缆3与读取线圈2相连接来检测变电容式眼压传感器1谐振频率的变化。就可以在矢量网络分析仪4上读取rlc回路的谐振频率，将矢量网络分析仪4与计算机5连接，同时通过计算机5来记录、储存和分析数据，实时连续地监测眼压的变化。

可变电容元件20是通过改变介电质常数来改变电容值，具有很高的灵敏度，可以检测到眼压的微小波动，并通过矢量网络分析仪4得出检测结果。

综上所述，本发明针对眼压变化会导致角膜形变，进而引起角膜接触镜上电学元件的形变，并且在角、巩膜交界处形变最大这一特点，提出了集成在角膜接触镜上利用微流体技术改变电容介电质的电容传感器。眼压的升降变化会造成眼球，特别是角膜曲率的大小变化，继而引起贴附在其上的角膜接触镜的曲率变化，集成在角膜接触镜上的微流体储液腔室将因此发生形变，这种变化会导致微流体储液腔室内的液体进入可变电容元件的微流体间隙，进而引起电容值的大幅度改变。可变电容元件与螺旋电感连接构成rlc回路，矢量网络分析仪通过外部读取线圈可以检测传感器回路谐振频率的变化，进而可以检测到眼压的微小波动。这种方式实现了一次戴角膜接触镜即可长期监测，大大提升了佩戴舒适度；实现了眼压检测系统的眼内单元的无源化，避免了有源器件不可避免的复杂的绝缘封装等工艺过程；可变电容器较高的电容值降低了检测的谐振频率，增加了器件的安全性；通过改变电容介电质的方法，大幅度地提高了电容传感器的电容变化量，进而提高了传感器的灵敏度。

可以理解的是，在此提供的检测算法、分析和显示不与任何特定计算机、虚拟系统或者其它设备固有相关。各种通用系统也可以与基于在此的启示一起使用。此外，本发明也不针对任何特定编程语言。应当明白，可以利用各种编程语言实现在此描述的本发明的内容，并且上面对特定语言所做的描述是为了披露本发明的最佳实施方式。

本发明可以借助于包括有若干不同元件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。本发明的各个部件实施例可以以硬件实现，或者以在一个或者多个处理器上运行的软件模块实现，或者以它们的组合实现。本领域的技术人员应当理解，可以在实践中使用微处理器或者数字信号处理器(dsp)来实现根据本发明实施例的相关设备中的一些或者全部部件的一些或者全部功能。本发明还可以实现为用于执行这里所描述的方法的一部分或者全部的设备或者装置程序(例如，计算机程序和计算机程序产品)。这样的实现本发明的程序可以存储在计算机可读介质上，或者可以具有一个或者多个信号的形式。这样的信号可以从因特网网站上下载得到，或者在载体信号上提供，或者以任何其他形式提供。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。