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US9463329B2 Shielded three-terminal flat-through EMI/energy dissipating filter with co-fired hermetically sealed feedthrough

US9463329B2 Shielded three-terminal flat-through EMI/energy dissipating filter with co-fired hermetically sealed feedthrough

摘要

  • 问题:植入导线拾取 MRI RF 能量后，能量可进入 AIMD 电子学；若在壳体端反射回导线，还可能集中于远端电极-组织界面。传统 flat-through 电容在约 100 MHz 以上会因端间寄生耦合而衰减退化，且薄电极限制载流能力。
  • 方案:active electrode plate 176 夹在接地 shield plates 194/194’ 之间，形成三端 flat-through 电容并抑制端间 RF 绕行；滤波基板在导线通路中组合并联 LC bandstop 与对壳体的串联 LC trap，将 MRI 频率能量阻断并分流至 AIMD 外壳。
  • 效果:专利曲线报告复合滤波相对传统 feedthrough capacitor 在 64 MHz 与 128 MHz 增加 10–20 dB 以上衰减；另提出 64 MHz 处超过 40 dB 的设计目标。证据限于频域曲线与电路机理。
  • 形态:32 项权利要求；授权独立项围绕屏蔽 flat-through filter 与纯铂填充共烧气密馈通的组合，MRI 优化的 capacitor/bandstop/LC trap/多元低通网络见从属权利要求 14。

原理与方案

标注:引号内英文 = 专利 raw 原文;[推导] = 由专利参数与电路模型推出的结论,非专利原文;[推断] = 按 RF/工艺常识的判断,专利未述;[待确认] = 专利未给、需另行定夺的输入或判断。

失效机理

MRI RF 场沿植入导线建立感应电流。专利从 AIMD 端描述其落点：RF 能量沿馈通进入壳内会干扰敏感电子学；若导线在壳体端缺少合适端接，能量可反射回导线并增加远端电极-组织界面致热。其危害链为 RF 场耦合导线 → RF 电流到达馈通端 → 壳内干扰或反射 → 远端界面热沉积；本件的作用位置是壳体馈通端。

传统 flat-through capacitor 174 的 active plate 175 暴露在两端电路之间。RF 可借杂散电容、天线作用或互感绕过电容极板，在约 100 MHz 以上出现 cross-coupling，超过 1 GHz 时更严重，故衰减在自谐振后下降(FIG. 9–12)。其 MLCC 薄膜电极又必须承载全部治疗与感知电流，电阻与电流容量受陶瓷共烧工艺限制；ICD 的高压脉冲可超过 20 A。

解决机理

active electrode plate 176 与上下接地 shield plates 194/194’ 的重叠面积形成对地 flat-through capacitance。RF 下容抗随频率升高而下降，导线上的高频电流由 active plate 分流到 ferrule 120 与 AIMD housing 116；这是 feedthrough capacitor 在壳体边界作高频旁路的通用机理[1]。ground plates 同时延续壳体电磁屏蔽，包围 active plate 并阻止 RF 从滤波器体内或边缘跨接到器件侧；wrap-around metallization 108/208、共面 edge shield 224 与 stitching vias 230 是该屏蔽边界的不同实现[2]。

频率选择支路有两种对偶作用。并联 LC bandstop 串入 active electrode 176，在谐振频率呈高阻抗，阻断导线电流[3]；串联 LC trap 接在 active electrode 与 ground 194/194’ 之间，谐振时呈低阻抗，把同一频率短接到壳体[4]。FIG. 77 把输入端对地电容、串联 bandstop 与对地 trap 依次组合，并将二者均调到 64 MHz：bandstop 拒流，漏过能量再由 trap 分流。[推导] 两级的有效性由实际损耗、寄生参数及级间阻抗共同决定。

trap 把 MRI RF 能量送入导电外壳，使外壳作为大面积 energy-dissipating surface 承担涡流耗散[5]。专利称该路径使能量“cannot reflect back and cause overheating”，将壳体端分流与远端电极致热联系起来(FIG. 76)。这一路径作用于导线的 IPG 端边界；其对远端温升的净效应取决于导线长度、组织阻抗与滤波器位置。[推断]

【关键图占位｜库主定稿时补】FIG. 77 — 输入对地电容、串联并联-LC bandstop 与对地串联-LC trap 组成同频三级 MRI RF 滤波。

工程实现

filter 190 由 hybrid substrate 192 与 hermetic feedthrough 组成。至少一片 active electrode plate 176 位于 first/second shield plates 194 之间；active plate 接纯铂填充 via 486，shield plates 经 metallization、gold braze 124 与 ferrule 120 接 AIMD housing 116。active plate 承载治疗/感知电流，shield plates 只承载被旁路的 RF 电流与屏蔽电流。独立权利要求 1、29、32 均要求该三端屏蔽结构与至少 96% alumina substrate、substantially pure platinum fill、气密界面的组合。

【关键图占位｜库主定稿时补】FIG. 13 — 四极 hermetic terminal assembly 将 shielded flat-through filter 190 安装于纯铂填充馈通与 ferrule 120 上。

ground plate 194 与 active plate 176 交替叠置，电容由 调节：介电常数 、有效重叠面积 与层数增加可提高 capacitance，介质厚度 增加则提高耐压而降低 capacitance。active plate 加厚并扩大横截面可降低串联电阻；专利报告板内 DC resistance 一般不高于 20 mΩ，电极/trace 厚度可为传统 capacitor electrode 的 4–50 倍，并主张可承载 30 A 以上脉冲。

【关键图占位｜库主定稿时补】FIG. 19 — 多片 active electrode plate 176 逐层夹在 grounded shield plates 194 之间，形成多通道 flat-through capacitance 与 RF 屏蔽。

active plate 可蚀刻 Wheeler spiral 或 meander inductor 158，兼作串联电感并增加 ECA(FIG. 52–53、60、63–65)；MLCC 142、chip/toroidal inductor 156、diode array 与 RFID 可表贴或嵌入 rigid-flex substrate。MRI 支路的电感应采用 non-ferromagnetic 结构；铁氧体磁芯在 下饱和会使电感下降[6]。专利允许低频滤波用 ferrite toroid 在 MRI 中暂时饱和，但 64/128 MHz 防护须由不饱和的 trap、bandstop 与 flat-through capacitance 承担。

共烧馈通以绿态高纯 alumina 488 和 platinum paste 486 同时烧结，使 Pt 与 alumina 形成 tortuous、mutually conformal interface 491(FIG. 20–24)。counterbore 495 可减少 Pt 用量并保留连接面积；wire-bond cap 492、BGA/solder bump 216 或 conductive adhesive 128 连接 filter via。多点 ground attachment 降低 RF 接地电感，连接间留缝则保留 helium leak-test 路径(FIG. 43–47、79–88)。

FIG. 53 将 Wheeler inductor 158、flat-through capacitance 与 MLCC 142 集总成 L-section，但专利明示该图只是“relatively low frequency model”，高频应按 distributed transmission line 处理。FIG. 76 又指出 trap 会受邻近并联 capacitance 影响，需对完整网络建模并可用 bandstop 隔离。[推导] 64/128 MHz 的阻抗、相位与级间相互作用应由 distributed network 与实际寄生参数求解。

该结构位于 IPG hermetic feedthrough。对双侧皮层/DBS 多通道导线，[推断] 每个 active conductor 可占一片独立 electrode plate，通道数可由单极扩展到 ；可行性取决于壳体馈通区面积、每通道 LC 公差、多点 RF ground inductance 与脉冲载流要求。其作用落在 IPG 端边界反射及电子学暴露，远端电极附近仍需独立的限流或耗散结构。

取舍与专利谱系

  • capacitance vs 耐压/体积:减薄 dielectric 或增加 ECA 可降低 RF 容抗，但介质击穿裕量、层数与基板面积随之受限；把多路 active electrodes 放在同一平面可减薄基板并降低成本，却减少每路 ECA。
  • 高频性能 vs 接地实现:shield plates 必须以多点低阻抗路径接 ferrule/housing；连接电感或边缘间隙会恢复 RF leakage。stitching vias 提高屏蔽截止频率与抗分层能力，但增加制造步骤与布线约束。
  • Q/带宽 vs 元件应力:bandstop/trap 可串入电阻调 Q 与 3-dB bandwidth；带宽增大伴随谐振峰值阻抗降低或分流支路耗散上升。[推导]
  • MRI 防护 vs 日常低频滤波:ferrite toroid 可用大电感改善 58 kHz 等低频 EMI，但在 MRI 中会饱和；设计因此把 MRI 防护交给 non-ferromagnetic 谐振支路，离开扫描仪后才恢复低频滤波。

FIG. 74 的并联 LC bandstop 延续 Greatbatch 早期 tank filter[7]。另一 Greatbatch 多层自谐振线圈专利仍采用串联高阻 bandstop，但把分立 L/C 改为绕组的电感与寄生电容[8]。本件的贡献在于把该选频支路、宽带 flat-through bypass、屏蔽层与共烧 hermetic feedthrough 集成到同一 hybrid substrate。

效果与证据

  • ① FIG. 59，三类电容频响对比:专利比较 equal-capacitance 的 conventional feedthrough capacitor 与 MLCC；shielded flat-through 的 capacitance 值较小。文字报告 flat-through 单独的 3-dB 起效点约 1000 MHz，并称其与 MLCC 并联后形成 composite curve。证据等级为来源未定的频域图。
  • ② FIG. 67，加入电感后的复合频响:专利报告 flat-through/L-section 的 3-dB point 约 40 MHz、理想斜率由 20 dB/decade 增至 40 dB/decade；composite curve 相对 prior-art feedthrough capacitor 在 64 MHz 与 128 MHz 改善“10 to over 20 dB”。证据等级为来源未定的频域曲线，数值适用范围限于图示网络。
  • ③ FIG. 70、72、75，64 MHz 设计目标:1.5 T 场景要求 non-ferrite inductor、MLCC 与 flat-through capacitance 在 64 MHz 提供“over 40 dB attenuation”。证据等级为设计要求；3 T 场景给出 128 MHz 调谐方向。
  • ④ FIG. 76–77，MRI 选频拓扑:FIG. 76 描述 64 MHz trap 向 housing 短路，并提出 64/128 MHz 各用一只 trap；FIG. 77 以 64 MHz bandstop 与 trap 同调，声称很少或没有 RF 能量进入器件侧点 。证据等级为电路机理论证。
  • ⑤ 电气与气密结构指标:active plate 的 DC resistance、载流与 alumina-Pt 气密指标适用于不同结构条件，与 FIG. 59/67 的频域衰减分开陈述。

严谨性缺口:

  • 无导线电流、SAR、phantom 温升、动物或临床数据；防止远端过热只由壳体端 RF 分流与防反射推得，未闭合到远端温度。
  • FIG. 59/67 未说明实测、仿真或理想计算，亦无样品数、端口阻抗、测量不确定度及对照器件型号。
  • 64/128 MHz 支路无 L、C、ESR、Q、3-dB bandwidth、寄生参数、器件尺寸或装配公差，不能判断能否在多通道 DBS 馈通空间内实现并维持调谐。
  • 集总模型在高频失效的边界已由专利承认，但未提供 distributed model、SPICE/FEM/全波模型或仿真边界；trap 与 flat-through/MLCC 并联 capacitance 的相互作用未量化。
  • 外壳耗散只称产生很小温升，未给 housing 材料、面积、涡流损耗或壳体温升；能量从导线转移到外壳后的热安全仍未验证。
  • 30 A、≤20 mΩ 与电极厚度倍数均缺样品、脉宽和测试方法；共烧 hermetic feedthrough 的气密性不能替代 MRI RF/热学验证。

关联

  1. feedthrough-capacitor——馈通电容在导体穿越壳体处把高频 EMI 旁路至壳体。
  2. electromagnetic-shielding——导电屏蔽层对 RF 场的反射、吸收与边界连续性。
  3. parallel-lc-resonance——并联 LC 谐振时呈高阻抗，串入通路形成 bandstop。
  4. series-lc-resonance——串联 LC 谐振时呈低阻抗，可作对地 trap。
  5. energy-dissipating-surface——把导线 RF 能量转移至 AIMD 外壳大表面耗散。
  6. ferromagnetic-core-saturation——铁磁芯在 下饱和导致电感下降。
  7. US7363090B2_Greatbatch——Greatbatch 分立并联 LC tank bandstop 的早期实现。
  8. US9468750B2_Greatbatch——Greatbatch 多层螺旋自谐振 bandstop 的后续工程实现。