MEMS镜片式眼压传感器设计

胡胜新， 徐德辉， 熊 斌， 王跃林

(1.中国科学院 上海微系统与信息技术研究所 微系统技术重点实验室， 上海 200050；2.上海科技大学 信息学院，上海 200031)

设计与制造

MEMS镜片式眼压传感器设计

胡胜新1,2， 徐德辉1， 熊 斌1， 王跃林1

(1.中国科学院 上海微系统与信息技术研究所 微系统技术重点实验室， 上海 200050；2.上海科技大学 信息学院，上海 200031)

眼压(IOP)24 h的波动参数是眼科的一个重要的基础指标，目前传统的单个时间点的眼压测量无法有效地实现眼压的持续检测。基于眼压大小与眼角膜曲率的相关性，结合微机电系统(MEMS)微加工工艺和压模工艺，设计了一种基于电感的镜片式眼压传感器，在体外猪眼的实验结果证明了此传感器在眼压一定范围内(12～27 mmHg)可以准确地反映眼压波动情况。

眼压； 传感器； 持续监测; 微机电系统(MEMS); 压模； 镜片式

0 引 言

24 h持续的眼压(intraocular pressure,IOP)检测对于诊断和治疗青光眼具有重要意义。在全球范围内青光眼是致盲的主要诱因之一，仅次于白内障[1]。据统计，在2010年，全球青光眼患者超过6 500万人[2]。眼压正常的波动范围是10～21 mmHg，当眼压波动超出正常范围8 mmHg定义为异常，眼压异常是诊断青光眼的主要依据之一。目前，医院想要获得24 h病人眼压数据，一般通过值班医生每隔4 h用眼压计测量眼压。这种方法不仅增加医生工作量和影响病人休息，而且费用不菲。

针对眼压的持续监测，最近几年不断出现植入式和接触式的眼压传感器。植入式传感器由于需要植入到眼球内，不仅需要额外的外科手术，还面临二次取出的风险。接触式传感器内置到柔性镜片里通过感应角膜曲率变化反映眼压，非常适合青光眼的前期诊断和治疗。Leonardi M等人在2004年提出了接触式基于应变的柔性镜片眼压传感器[3]，通过内置在柔性镜片里的应变材料感应由眼压变化导致的角膜曲率改变，数据采集通过微带连接线传输到外部读出电路。2009年，团队进一步改进了设计，通过增加数据处理芯片和天线，实现了一种无线传输的眼压传感器[4]。由于其应变材料铂钛具有较大的刚度，另外角膜局部应变在传递到应变材料之前已经被柔性镜片有所衰减，导致铂钛感应到的应变量和灵敏度很小，灵敏度在μV/mmHg量级。而且柔性镜片里内置芯片导致了其厚度达到了583 μm，远远超过一般商业隐形镜片厚度50～100 μm，也造成佩戴的不适。 Vladimir L等人在2011年设计出了用非金属的有机纳米复合材料替代铂钛以增加灵敏度[5]，但是芯片的植入镜片依然会导致镜片过厚。

本文设计了一种基于电感的镜片式眼压传感器，为了实现无线传输，其中用于感应角膜曲率变化的电感与内部定值电容形成LC电路，角膜曲率变化会传递到柔性镜片，改变电感值，进而改变LC电路谐振频率点，谐振频率点通过外部读出线圈与电感耦合得到。

1 眼压传感器设计与测试

1.1 传感器的设计分析

一个由可形变的电感线圈L与一个固定电容C构成的谐振电路，内嵌在柔性镜片里(图1)，其中电容的下极板是电感线圈与电容上极板交叠部分构成，柔性镜片通过放置在角膜上来感应其曲率的变化(图2)。当眼压由p→p+Δp时，镜片曲率由r→r+Δr，α1,α2分别是镜片曲率为r和r+Δr时的电感与镜片中心轴的夹角，v1和v2分别是镜片曲率为r和r+Δr时的电感到镜片中心轴的弧度。

图1 镜片式眼压传感器的示意图

图2 柔性镜片随着眼压升高导致曲率改变

不考虑镜片受到的切向形变，则镜片的弧长不变，即有

v1=v2

(1)

因为v1=rα1，v2=(r+Δr)α2，所以

rα1=(r+Δr)α2

(2)

式中davg1和davg2分别为镜片曲率为r和r+Δr环形电感线圈的直径，则有

davg1=2rsinα1

(3)

davg2=2(r+Δr)sinα2

(4)

环形电感线圈的电感值Ls可以通过平面螺旋线圈的模型计算[6,7]

(5)

对于本文设计的两匝电感线圈， 假设davg1和davg2分别为镜片曲率为r和r+Δr时电感线圈内圈和外圈直径的均值，Ls1和Ls2分别为镜片曲率为r和r+Δr时电感线圈的电感值，则电感的变化率为

(6)

因为Δr≪r，式(6)近似得到

(7)

人的角膜曲率的均值在约8mm，眼压波动范围在5～45mmHg之间，HjortdalJ等人在1995年发现眼压每变化1mmHg会导致角膜曲率变化约3μm[8]，所以,角膜曲率变化在8～8.15mm区间内。眼压变化值ΔIOP与曲率变化值Δr关系为

ΔIOP=cΔr

(8)

式中 系数c是与角膜厚度等因素有关。

将电感设计参数带入式(5)，通过Matlab软件仿真可以得到角膜曲率半径在8～8.15mm区间内，电感与曲率具有很好的线性度，见图3。

图3 传感器的电感线圈的电感值与柔性镜片的曲率变化关系

对于一个由电感L和电容C组成的谐振电路，其谐振频率f为

(9)

(10)

由式(10)可知，谐振频率与眼压是线性关系，因此，可以通过测量谐振频率推算眼压的大小。

1.2 测试电路

传感器相应的测试电路和传感器的电气模型见图4，一个电感线圈与传感器内部的电感线圈进行耦合，通过网络分析仪得到外部读出线圈两端的等效阻抗Z1为

(11)

(12)

Re(Z1)最大值对应的频率点fmax有

(13)

当Q0≫1

fmax≈f0

(14)

因此,当传感器的品质因数远远大于1时, 可以通过测量外部读出线圈的阻抗实部最大值所对应的频率点，来获取传感器的谐振频率点。

图4 传感器的测试原理图和电感线圈示意图

传感器电感线圈参数为：电感线圈的内圈直径r1为5mm，电感线圈的外圈直径r2为6mm，电容下梯形极板上底d3为0.6mm，电容下梯形极板下底d2为0.8mm，电容下梯形极板高d1为1.2mm，电感值约为～105nH，电容值为1.6pF，谐振频率为398MHz。

1.3 传感器的加工

传感器的电感线圈设计尺寸如图4(b)，传感器的电容上极板尺寸为长宽为1.2mm和3mm的长方形。传感器LC电路的加工流程见图5，是MEMS的标准表面工艺[10,11]。

图5 传感器LC电路加工流程

从硅片上剥离的LC电路见图6(a)。金属铜对角膜是有害的，由于聚酰亚胺具有很好耐酸耐碱和防水特性，包裹在LC电路上起到保护角膜的作用。其中电容上极板与电感线圈之间的1μm厚的聚酰亚胺作为电容的介质层。然后通过压模工艺，将LC电路嵌入医用级别的硅胶(NuSil MED—6033,silicone elastomer)中,高温固化后，脱模得到曲率为约8.0 mm，厚度为0.2 mm的镜片式眼压传感器，如图6(b)。

图6 传感器的LC电路和镜片式眼压传感器

1.4 摘除的猪眼实验测试

猪眼的尺寸是非常接近人眼[12]，传感器在摘除的猪眼上的测试平台如图7。其中通过针管(15 G)向猪眼的前房注入盐水(见图8)，来改变其眼压大小。第一次眼压值通过手持眼压计(芬兰icare，TONOLAB型)读出，而后改变的眼压值在第一次眼压基础上，通过滴定管水柱液面高度差换算得到。读出线圈与眼压传感器耦合，通过网分仪(安捷伦E5061B)测得外部读出线圈两端的阻抗值，从而得到眼压传感器的谐振频率点。

图7 猪眼测试平台示意图和实物图

从猪眼摘除的实验室到测试实验室要花费一定的时间，猪眼的眼压由于房水的渗出会变得很低，角膜也会凹陷变形，无法很好地贴合眼压传感器，因此，实验开始时，通过调整滴定管的水柱液面，观察到角膜形状恢复正常时停止注盐水，此时手持眼压计测量的眼压为12 mmHg。通过改变水柱高度，测得了眼压在12～27 mmHg之间的频率响应，见图9。实验结果表明，眼压与传感器的谐振频率有较好的线性度(R=0.987)和很好的灵敏度0.1 MHz/mmHg。

图8 猪眼前房注盐水来控制眼压

图9 猪眼的眼压与传感器谐振频率的关系

2 结束语

本文设计了一种基于电感的镜片式眼压传感器，柔性镜片中硅胶材料良好的生物兼容性和传感器数据无限传输方式，保证了其佩戴的舒适性。通过摘除的猪眼实验，在12～27 mmHg眼压范围内，验证了其具有较好的线性度(R=0.987)和很好的灵敏度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

胡胜新(1989-)，男，硕士研究生，研究方向为微电子学与固体电子学。