MEMS鏡片式眼壓傳感器設(shè)計

胡勝新， 徐德輝， 熊 斌， 王躍林

(1.中國科學(xué)院 上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所 微系統(tǒng)技術(shù)重點實驗室， 上海 200050；2.上?？萍即髮W(xué) 信息學(xué)院，上海 200031)

設(shè)計與制造

MEMS鏡片式眼壓傳感器設(shè)計

胡勝新1,2， 徐德輝1， 熊 斌1， 王躍林1

(1.中國科學(xué)院 上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所 微系統(tǒng)技術(shù)重點實驗室， 上海 200050；2.上海科技大學(xué) 信息學(xué)院，上海 200031)

眼壓(IOP)24 h的波動參數(shù)是眼科的一個重要的基礎(chǔ)指標，目前傳統(tǒng)的單個時間點的眼壓測量無法有效地實現(xiàn)眼壓的持續(xù)檢測?；谘蹓捍笮∨c眼角膜曲率的相關(guān)性，結(jié)合微機電系統(tǒng)(MEMS)微加工工藝和壓模工藝，設(shè)計了一種基于電感的鏡片式眼壓傳感器，在體外豬眼的實驗結(jié)果證明了此傳感器在眼壓一定范圍內(nèi)(12～27 mmHg)可以準確地反映眼壓波動情況。

眼壓； 傳感器； 持續(xù)監(jiān)測; 微機電系統(tǒng)(MEMS); 壓模； 鏡片式

0 引 言

24 h持續(xù)的眼壓(intraocular pressure,IOP)檢測對于診斷和治療青光眼具有重要意義。在全球范圍內(nèi)青光眼是致盲的主要誘因之一，僅次于白內(nèi)障[1]。據(jù)統(tǒng)計，在2010年，全球青光眼患者超過6 500萬人[2]。眼壓正常的波動范圍是10～21 mmHg，當(dāng)眼壓波動超出正常范圍8 mmHg定義為異常，眼壓異常是診斷青光眼的主要依據(jù)之一。目前，醫(yī)院想要獲得24 h病人眼壓數(shù)據(jù)，一般通過值班醫(yī)生每隔4 h用眼壓計測量眼壓。這種方法不僅增加醫(yī)生工作量和影響病人休息，而且費用不菲。

針對眼壓的持續(xù)監(jiān)測，最近幾年不斷出現(xiàn)植入式和接觸式的眼壓傳感器。植入式傳感器由于需要植入到眼球內(nèi)，不僅需要額外的外科手術(shù)，還面臨二次取出的風(fēng)險。接觸式傳感器內(nèi)置到柔性鏡片里通過感應(yīng)角膜曲率變化反映眼壓，非常適合青光眼的前期診斷和治療。Leonardi M等人在2004年提出了接觸式基于應(yīng)變的柔性鏡片眼壓傳感器[3]，通過內(nèi)置在柔性鏡片里的應(yīng)變材料感應(yīng)由眼壓變化導(dǎo)致的角膜曲率改變，數(shù)據(jù)采集通過微帶連接線傳輸?shù)酵獠孔x出電路。2009年，團隊進一步改進了設(shè)計，通過增加數(shù)據(jù)處理芯片和天線，實現(xiàn)了一種無線傳輸?shù)难蹓簜鞲衅鱗4]。由于其應(yīng)變材料鉑鈦具有較大的剛度，另外角膜局部應(yīng)變在傳遞到應(yīng)變材料之前已經(jīng)被柔性鏡片有所衰減，導(dǎo)致鉑鈦感應(yīng)到的應(yīng)變量和靈敏度很小，靈敏度在μV/mmHg量級。而且柔性鏡片里內(nèi)置芯片導(dǎo)致了其厚度達到了583 μm，遠遠超過一般商業(yè)隱形鏡片厚度50～100 μm，也造成佩戴的不適。 Vladimir L等人在2011年設(shè)計出了用非金屬的有機納米復(fù)合材料替代鉑鈦以增加靈敏度[5]，但是芯片的植入鏡片依然會導(dǎo)致鏡片過厚。

本文設(shè)計了一種基于電感的鏡片式眼壓傳感器，為了實現(xiàn)無線傳輸，其中用于感應(yīng)角膜曲率變化的電感與內(nèi)部定值電容形成LC電路，角膜曲率變化會傳遞到柔性鏡片，改變電感值，進而改變LC電路諧振頻率點，諧振頻率點通過外部讀出線圈與電感耦合得到。

1 眼壓傳感器設(shè)計與測試

1.1 傳感器的設(shè)計分析

一個由可形變的電感線圈L與一個固定電容C構(gòu)成的諧振電路，內(nèi)嵌在柔性鏡片里(圖1)，其中電容的下極板是電感線圈與電容上極板交疊部分構(gòu)成，柔性鏡片通過放置在角膜上來感應(yīng)其曲率的變化(圖2)。當(dāng)眼壓由p→p+Δp時，鏡片曲率由r→r+Δr，α1,α2分別是鏡片曲率為r和r+Δr時的電感與鏡片中心軸的夾角，v1和v2分別是鏡片曲率為r和r+Δr時的電感到鏡片中心軸的弧度。

圖1 鏡片式眼壓傳感器的示意圖

圖2 柔性鏡片隨著眼壓升高導(dǎo)致曲率改變

不考慮鏡片受到的切向形變，則鏡片的弧長不變，即有

v1=v2

(1)

因為v1=rα1，v2=(r+Δr)α2，所以

rα1=(r+Δr)α2

(2)

式中davg1和davg2分別為鏡片曲率為r和r+Δr環(huán)形電感線圈的直徑，則有

davg1=2rsinα1

(3)

davg2=2(r+Δr)sinα2

(4)

環(huán)形電感線圈的電感值Ls可以通過平面螺旋線圈的模型計算[6,7]

(5)

對于本文設(shè)計的兩匝電感線圈， 假設(shè)davg1和davg2分別為鏡片曲率為r和r+Δr時電感線圈內(nèi)圈和外圈直徑的均值，Ls1和Ls2分別為鏡片曲率為r和r+Δr時電感線圈的電感值，則電感的變化率為

(6)

因為Δr?r，式(6)近似得到

(7)

人的角膜曲率的均值在約8mm，眼壓波動范圍在5～45mmHg之間，HjortdalJ等人在1995年發(fā)現(xiàn)眼壓每變化1mmHg會導(dǎo)致角膜曲率變化約3μm[8]，所以,角膜曲率變化在8～8.15mm區(qū)間內(nèi)。眼壓變化值ΔIOP與曲率變化值Δr關(guān)系為

ΔIOP=cΔr

(8)

式中 系數(shù)c是與角膜厚度等因素有關(guān)。

將電感設(shè)計參數(shù)帶入式(5)，通過Matlab軟件仿真可以得到角膜曲率半徑在8～8.15mm區(qū)間內(nèi)，電感與曲率具有很好的線性度，見圖3。

圖3 傳感器的電感線圈的電感值與柔性鏡片的曲率變化關(guān)系

對于一個由電感L和電容C組成的諧振電路，其諧振頻率f為

(9)

(10)

由式(10)可知，諧振頻率與眼壓是線性關(guān)系，因此，可以通過測量諧振頻率推算眼壓的大小。

1.2 測試電路

傳感器相應(yīng)的測試電路和傳感器的電氣模型見圖4，一個電感線圈與傳感器內(nèi)部的電感線圈進行耦合，通過網(wǎng)絡(luò)分析儀得到外部讀出線圈兩端的等效阻抗Z1為

(11)

(12)

Re(Z1)最大值對應(yīng)的頻率點fmax有

(13)

當(dāng)Q0?1

fmax≈f0

(14)

因此,當(dāng)傳感器的品質(zhì)因數(shù)遠遠大于1時, 可以通過測量外部讀出線圈的阻抗實部最大值所對應(yīng)的頻率點，來獲取傳感器的諧振頻率點。

圖4 傳感器的測試原理圖和電感線圈示意圖

傳感器電感線圈參數(shù)為：電感線圈的內(nèi)圈直徑r1為5mm，電感線圈的外圈直徑r2為6mm，電容下梯形極板上底d3為0.6mm，電容下梯形極板下底d2為0.8mm，電容下梯形極板高d1為1.2mm，電感值約為～105nH，電容值為1.6pF，諧振頻率為398MHz。

1.3 傳感器的加工

傳感器的電感線圈設(shè)計尺寸如圖4(b)，傳感器的電容上極板尺寸為長寬為1.2mm和3mm的長方形。傳感器LC電路的加工流程見圖5，是MEMS的標準表面工藝[10,11]。

圖5 傳感器LC電路加工流程

從硅片上剝離的LC電路見圖6(a)。金屬銅對角膜是有害的，由于聚酰亞胺具有很好耐酸耐堿和防水特性，包裹在LC電路上起到保護角膜的作用。其中電容上極板與電感線圈之間的1μm厚的聚酰亞胺作為電容的介質(zhì)層。然后通過壓模工藝，將LC電路嵌入醫(yī)用級別的硅膠(NuSil MED—6033,silicone elastomer)中,高溫固化后，脫模得到曲率為約8.0 mm，厚度為0.2 mm的鏡片式眼壓傳感器，如圖6(b)。

圖6 傳感器的LC電路和鏡片式眼壓傳感器

1.4 摘除的豬眼實驗測試

豬眼的尺寸是非常接近人眼[12]，傳感器在摘除的豬眼上的測試平臺如圖7。其中通過針管(15 G)向豬眼的前房注入鹽水(見圖8)，來改變其眼壓大小。第一次眼壓值通過手持眼壓計(芬蘭icare，TONOLAB型)讀出，而后改變的眼壓值在第一次眼壓基礎(chǔ)上，通過滴定管水柱液面高度差換算得到。讀出線圈與眼壓傳感器耦合，通過網(wǎng)分儀(安捷倫E5061B)測得外部讀出線圈兩端的阻抗值，從而得到眼壓傳感器的諧振頻率點。

圖7 豬眼測試平臺示意圖和實物圖

從豬眼摘除的實驗室到測試實驗室要花費一定的時間，豬眼的眼壓由于房水的滲出會變得很低，角膜也會凹陷變形，無法很好地貼合眼壓傳感器，因此，實驗開始時，通過調(diào)整滴定管的水柱液面，觀察到角膜形狀恢復(fù)正常時停止注鹽水，此時手持眼壓計測量的眼壓為12 mmHg。通過改變水柱高度，測得了眼壓在12～27 mmHg之間的頻率響應(yīng)，見圖9。實驗結(jié)果表明，眼壓與傳感器的諧振頻率有較好的線性度(R=0.987)和很好的靈敏度0.1 MHz/mmHg。

圖8 豬眼前房注鹽水來控制眼壓

圖9 豬眼的眼壓與傳感器諧振頻率的關(guān)系

2 結(jié)束語

本文設(shè)計了一種基于電感的鏡片式眼壓傳感器，柔性鏡片中硅膠材料良好的生物兼容性和傳感器數(shù)據(jù)無限傳輸方式，保證了其佩戴的舒適性。通過摘除的豬眼實驗，在12～27 mmHg眼壓范圍內(nèi)，驗證了其具有較好的線性度(R=0.987)和很好的靈敏度0.1 MHz/mmHg。

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Design of MEMS-based contact lens intraocular pressure sensor

HU Sheng-xin1,2, XU De-hui1, XIONG Bin1, WANG Yue-lin1

(1.Key Laboratory of Science and Technology on Microsystem,Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology,Chinese Academy of Sciences,Shanghai 200050,China；2.School of Information Science and Technology,Shanghai Technology University,Shanghai 200031,China)

Fluctuation parameters of intraocular pressure(IOP)is a key parameter in ophtalmology, current traditional single-time point measurement of IOP is unable to effectively realize continuous monitoring.An inductance-based soft contact lens IOP sensor is designed,combined with micro-electro-mechanical system(MEMS)fabrication technology and molding transfer technology.Results in vitro test on cannulated porcine eyes shows that the sensor can accurately reflect the IOP fluctuations during certain range of 12～27 mmHg.

intraocular pressure(IOP); sensor; continuous monitoring; MEMS; molding transfer; contact lens

10.13873/J.1000—9787(2017)03—0076—04

2016—03—28

TN 305

A

1000—9787(2017)03—0076—04

胡勝新(1989-)，男，碩士研究生，研究方向為微電子學(xué)與固體電子學(xué)。