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Die Erfindung bezieht sich auf eine Dünnschicht-Vielfachsonde und/oder-geber, insbesondere zur
Registrierung bzw. Beeinflussung von Zellaktivitäten, mit einem Substrat, auf diesem angeordneten
Leiterbahnen, welche zu Sonden- bzw. Geberflächen führen und einer darüber angeordneten Isolier- schicht.
Von besonderem Interesse sind solche Sonden bzw. Geber in der Humanmedizin, um elektrische
Zellaktivitäten extrazellulär zu registrieren, um stoffwechselbedingte Grössen wie Sauerstoffpartialdruck, PH-Wert usw. zu ermitteln oder aber auch um die Gewebedurchblutung, die Gewebetemperatur od. dgl. zu bestimmen bzw. zu beeinflussen.
Schwierigkeiten bei der Herstellung aber auch im Betrieb solcher Dünnschicht-Sonden hat die elektrische Isolierung bereitet. Es sind zwar eine Reihe von Verfahren und Werkstoffe bekannt, die zufriedenstellende Ergebnisse liefern, jedoch sind stets in diesen Isolierschichten sich nach aussen öffnende Poren vorhanden, die sich dann im Bereich der Sonde mit Gewebsflüssigkeit füllen, wodurch die effektive Leitfähigkeit der Isolierschicht stark erhöht wird.
Es ist zwar bekannt diese Poren durch eine Nachbehandlung mit bis knapp unter den Siedepunkt erhitztem, gewebeverträglichem, hochschmelzendem Paraffin oder Wachs abzudecken. Dies erfolgt durch Eintauchen der Sonde in das erhitzte Paraffin oder Wachs, wobei von Nachteil ist, dass das überschüssige Wachs bzw. Paraffin nach dem Eintauchen durch Lösungsmittel entfernt werden muss. Ein masshaltiges Abtragen von Wachsschichten auf diesem Wege ist schwierig, wenn nicht überhaupt unmöglich. Ausserdem ist die Wachs-bzw. Paraffinschicht mechanisch nur wenig widerstandsfähig.
Aufgabe der Erfindung ist es demnach diese Nachteile zu beseitigen, insbesondere die Isolierung der Sonden der eingangs genannten Art zu verbessern.
Bei einer Dünnschicht-Vielfachsonde und/oder-geber, insbesondere zur Registrierung bzw.
Beeinflussung von Zellaktivitäten, der eingangs genannten Art wird dies gemäss der Erfindung dadurch erreicht, dass die Isolierschicht auf das Substrat mit den Leiterbahnen aufgedampft ist und vorzugsweise eine Dicke von 0, 1 bis 5 pm besitzt und dass auf der Isolierschicht eine Schicht eines elektrolytisch oder thermisch oxydierbaren Metalls angeordnet ist.
Vorzugsweise ist das anodisch oder thermisch oxydierte Metall aus der Gruppe Ta, Ti, Nb, V, W, Al ausgewählt. Das Substrat kann in an sich bekannter Weise steif sein, wobei dann die Isolierschicht bevorzugt aus wenigstens einem der folgenden Stoffe besteht : SiO-SiO , SiO , SigN , MgF , od. dgl. Als Isolierschichtstoffe kommen alle jene in Frage, welche eine derart dichte Schichtstruktur gewährleisten, dass insbesondere die im Gewebe am häufigsten vorkommenden Ionen, wie z. B. Na-, K und CI--Ionen, durch die Isolierschicht praktisch nicht hindurchtreten können.
Besitzt das Substrat Nadelform, so ist es von besonderem Vorteil, wenn die Isolation des Substratmetalls aus einem Oxyd des Substratmetalls und gegebenenfalls noch zusätzlich aus wenigstens einem der folgenden Stoffe besteht : SiO-SiOg, SiO , SigN , MgF od. dgl. Auch hier können für diese zusätzlich gewählten Stoffe alle jene Verwendung finden, die eine ionenundurchlässige Schichtstruktur gewährleisten, wie dies oben bereits erwähnt wurde.
Nachstehend ist die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. In diesen zeigt Fig. 1 in Draufsicht schematisch eine Ausführungsform einer erfindungsgemässen Sonde, die Fig. 2, 3 und 4 jeweils Schnitte längs Linie II-II, III-III und IV-IV der Fig. 1 und Fig. 5 in auseinandergezogener Darstellung einen Teil einer besonders zweckmässig ausgestalteten erfindungsgemässen Sonde.
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die Erfindung auf die hier dargestellte Kombination nicht beschränkt ist. Vielmehr sind beliebige Kombinationen obiger Elemente aber auch Sonden möglich, welche lediglich ein einziges dieser Elemente oder ausschliesslich Elemente einer Art tragen.
Die Herstellung der nachstehend beschriebenen erfindungsgemässen Sonde erfolgt verfahrenstechnologisch nach den Methoden der Dünnschichttechnologie.
Den nachstehenden Ausführungen sei zunächst zugrunde gelegt, dass es sich bei dem Trägermaterial der Sonde, dem Substrat, um ein steifes Material, also ein solches mit geringer Elastizität handelt. Das Substrat --10-- besteht somit bei dieser Ausführungsform aus Glas, Keramik (z. B. Bariumtitanat), versteiften Kunststoffen oder isolierten Metallen. Die Metallisolation kann aus einem Oxyd des Substrat-
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metalls und/oder aus wenigstens einem der folgenden Stoffe bestehen : SiO-SiO , SiO , SigN , MgF od. dgl. Derart beschaffene Substrate erlauben eine Formgebung der Sonde, welche deren Einbringen in das Gewebe erleichtert gleichzeitig aber auch gezielte und saubere Gewebedurchtrennungen vorzunehmen gestattet.
Die Zuleitungen--11 bis 19--können aus allen leitenden, aufdampfbaren Stoffen hergestellt werden.
Insbesondere haben sich alle anodisch oder thermisch oxydierbaren Metalle bewährt. Vor allem hat sich Cr aber auch Al bewährt, die auf den obigen Substratmaterialien ausgezeichnet haften. Auch Cu kommt in
Frage, ebenso wie alle Edelmetalle.
Für die Sonden- bzw. Geberfläche --2-- bildet die Zuleitung gleichzeitig auch die Grundschicht ; gemäss Fig. 2 ist auf das Zuleitungsende eine die Sonden- bzw. Geberfläche --2-- bildende Beschichtung aus einem Edelmetall aufgebracht. Die Dicke der Edelmetallschicht kann zwischen 0, 002 und 0, 1 pm liegen.
Au hat den Vorteil, dass es ausserordentlich gut vom Gewebe vertragen wird, was gerade bei dauer-im- plantierten Sonden wichtig ist. Allerdings begünstigt Gold, beispielsweise im Vergleich zu AgCl, die
Verzerrung der erfassten Signale.
Für die Registrierung extrazellulärer elektrischer Zellaktivitäten eignen sich bei kurzzeitigem Einsatz besonders Ag/AgCl-Schichten, die eine verzerrungsfreie Registrierung gewährleisten. Die Sonden- bzw.
Geberfläche erhält man in diesem Fall durch elektrolytisches Versilbern der Enden der aufgedampften
Zuleitungen und anschliessende elektrolytische Chlorierung. Für Dauerimplantate können die Registrier- flächen elektrolytisch vergoldet werden-man erreicht dadurch zusätzlich eine Vergrösserung der
Oberfläche und somit eine Herabsetzung der Elektrodenimpedanz, was für die verzerrungsfreie
Registrierung und damit für die nachgeschaltete Elektronik (Impedanzwandler) von Bedeutung ist. Es können aber auch andere Edelmetalle, wie Pt, verwendet werden.
Die Registrierung stoffwechselbedingter Grössen wie p02 oder PH-Wert erfolgt nach der bekannten Methode der polarographischen Analyse, nach welcher zwischen einer polarisierbaren und einer unpolarisierbaren Elektrode entsprechend dem zu analysierenden Material eine bestimmte Spannung angelegt wird. Der an der polarisierbaren Elektrode oxydierte oder reduzierte Stoff verursacht einen
Stromfluss, der seiner Konzentration proportional ist. Für die p02 Messung werden vorwiegend Au- oder
Pt-Elektroden verwendet, für die PH-Wert Messung Pd- und auch Pt-Elektroden. Der Vorteil hiebei besteht darin, dass unmittelbar neben der Messelektrode (Messfläche) die unpolarisierbare Referenzelektrode aus Ag/AgCl aufgebracht werden kann. Bei der in Fig. l gezeigten Sonde kann z.
B. die Sondenfläche - die Messelektrode und die Sondenfläche --8-- die Refernzelektrode sein. Bei geeigneter nachfolgender Elektronik kann mit ein und derselben Elektrode sowohl die elektrische Aktivität als auch die Partialdruckmessung durchgeführt werden.
Der CO-Partialdruck kann ebenfalls auf diese Weise gemessen werden, allerdings ist das Überziehen der Sondenflächen mit speziellen C02 durchlässigen Membranen notwendig.
Die Durchblutungsmessung wird nach der bekannten Auswaschmethode durchgeführt, wobei zur Atemluft Wasserstoff beigefügt wird. Dadurch erhöht sich der Wasserstoffgehalt im Gewebe. Mit der polarographischen Methode kann man dann über die Geschwindigkeit, mit der der Wasserstoffgehalt im Gewebe abnimmt auf die Durchblutung schliessen. Die Durchblutungsmessung kann aber auch mit Thermoelementen in der Art erfolgen, dass die Gewebetemperatur lokal kurzzeitig erhöht und dann mit Thermoelementen der durch die Durchblutung verursachte Temperaturabbau im Gewebe gemessen wird.
Fig. 3 zeigt im Teil-Querschnitt die Ausbildung der Sonden- bzw. Geberflächen als Widerstandsthermometer. Hiebei ist die Anordnung so getroffen, dass die beiden Zuleitungen --12 und 13-- über eine hochohmige Metallbahn --20-- miteinander verbunden sind.
Fig. 4 zeigt im Teilquerschnitt die Ausbildung der an den Enden zweier Zuleitungen vorgesehenen Sonden-bzw. Geberflächen als Thermoelement. Die beiden einander überlappenden Enden sind in Fig. 4 mit --21 und 22-- bezeichnet.
Da die Temperaturmessung bei dem hier interessierenden Anwendungsgebiet der Medizin nur in sehr engen Bereichen erfolgt, etwa zwischen 20 und 40 C, ist eine Linearität der Anzeige praktisch bei jeder für Thermoelemente in Frage kommender Werkstoffkombination gewährleistet. Thermoelemente können daher sowohl aus Cr (Schicht 21) und Au (Schicht 22) als auch aus Ni (Schicht 21) und NiCr (Schicht 22) bestehen. Besonders interessant in diesem Zusammenhang sind oxydische Thermoelemente.
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Neben der Möglichkeit der Temperaturmessung bieten die vorstehend beschriebenen Temperaturfühler dadurch die Möglichkeit einer lokalen Erwärmung - bei Verwendung eines Thermoelementes auch die einer Abkühlung- des Gewebes bzw. einer Koagulation (Gewebezerstörung) indem durch die Temperaturfühler entsprechend Strom geschickt wird.
Die Isolierung der Zuleitungen, Thermoelemente und Widerstandsthermometer erfolgt im Falle eines steifen Substrates durch Aufdampfen von z. B. MgFg, SiO , SigN und/oder durch teilweise anodische bzw. thermische Oxydation des Leiterbahnmetalls. Als besonders geeignet haben sich auch reaktiv aufgedampfte (gesputterte) SiO-Si02-Schichten erwiesen, die zwecks Oberflächenpassivierung mit einer SiN-Schicht überzogen sind. Diese Isolierschicht ist in den Fig. 2 bis 4 mit --23-- bezeichnet.
Vorstehend wurde vorausgesetzt, dass das Trägermaterial der Sonde steif ist. Die Erfindung ist in der gleichen Weise auch auf flexible Trägermaterialien, wie z. B. dünne Polyesterfolien, anwendbar.
Findet ein solches Material Verwendung, so haben sich als Materialien für die Isolierschicht aufgesputterte Polymeren, insbesondere Polyester, bewährt. Besonders zweckmässig in diesem Fall ist es jedoch die Leiterbahnen aus einem der Metalle Ta, Ti, Nb, V, W, Al herzustellen und die Isolierschicht durch teilweise Oxydation des Leiterbahnmaterials zu bilden. Naturgemäss können diese Isoliermaterialien auch zusammen mit steifen Trägermaterialien verwendet werden, ohne dass der Rahmen der Erfindung verlassen wird. Durch die Verwendung eines biegsamen Trägermaterials werden Sonden erhalten, die zum
Teil oder zur Gänze z. B. um Organe, Gewebeteile, Nervenstränge usw. herumgewickelt werden können.
Die Dicke der Isolierschicht --23-- liegt üblicherweise in einem Bereich zwischen 0, 1 und 5 pm.
Auf der Isolierschicht-23-wird nunmehr als weitere Isolierschicht --24-- das Oxyd eines anodisch oder thermisch oxydierbaren Metalls reaktiv aufgedampft. Von diesen Metallen sind in diesem Zusammen- hang insbesondere Ta, Ti, Nb, V, W, Al interessant, oder es wird das Metall aufgedampft und dieses elektrolytisch, insbesondere anodisch, oxydiert.
Durch diese Isolationsschicht werden die Oberflächenporen bzw. in die Schicht --23-- hineinragende
Kanäle ausgefüllt und die Isolierschicht --23-- mit einer durchgehend geschlossenen glatten isolierenden
Oberfläche versehen. Wird reines Metall aufgedampft, so füllen sich die Kanäle der Isolierschicht --23-mit demselben, was naturgemäss den Isolationswiderstand herabsetzt, jedoch können durch Anlegen einer entsprechenden hohen Spannung zwischen der Schicht --24-- und den Leiterbahnen --11 bis 19-- diese Kanäle "ausgebrannt" und dadurch der, etwa der Gesamtdicke der Schicht --23-- entsprechende
Isolationswiderstand wieder hergestellt werden.
Die durchschnittliche Dicke der Schicht --24-- liegt zweckmässig in einem Bereich zwischen 0, 02 und 2 pm, vorzugsweise beträgt sie etwa 0, 8 pm und ist zweckmässig längs der gesamten Sondenfläche gleich gross. Gegebenenfalls kann die Dicke jedoch über Widerstandsthermometer und Thermoelementen geringer gewählt werden.
Oxydschichten aus den thermisch oder elektrolytisch oxydierbaren Metallen zeigen im Elektrolyten ein ausgesprochenes Diodenverhalten, welches durch Aufbringen einer weiteren Isolierschicht --30-- aus z. B.
SiO-SiO, Si02, Si3N4, bzw. MgF2 oder einer Kombination derselben beseitigt werden kann.
Naturgemäss erfolgt eine Aufbringung von Isolierschichten auf die eigentlichen Sonden-bzw.
Geberflächen --2-- nicht. Es entstehen daher bei der Aufbringung der vorstehend beschriebenen Isolierschichten über diesen Sonden- bzw. Geberflächen --2-- Lücken, die dadurch geschlossen werden können, dass auf die aufgedampfte Edelmetallschicht-2-- eine weitere Edelmetallschicht-25-, u. zw. elektrolytisch, vorzugsweise anodisch, aufgebracht wird.
Dieser zweifache Beschichtungsvorgang bei der Herstellung der Sonden-bzw. Geberflächen in jeweils anderer Technik ist von Nachteil. Die Herstellung einer einzigen Schicht in der erforderlichen Gesamtdicke auf elektrolytischem Wege ist jedoch bei den üblicherweise für die Leiterbahnen verwendeten Materialien wie AI, Cr, Cu od. dgl. deshalb nicht möglich, weil diese (bei Raumtemperatur) sofort thermisch oxydieren ; diese Oxydschicht macht eine elektrolytische Behandlung praktisch unmöglich.
Es hat sich nun gezeigt, dass dann, wenn im Vakuum nach dem Aufdampfen von Leiterbahnen aus Al, Cr, Cu od. dgl. TiO in einer Menge verdampft wird, die nicht zur Ausbildung einer zusammenhängen TiO-Schicht auf dem AI, Cr, Cu od. dgl. ausreicht, die solcherart hergestellten Schichten ohne weiteres auf elektrolytischem Wege weiter beschichtet werden können. Offensichtlich ist dies darauf zurückzuführen, dass sich auf der AI, Cr, Cu od. dgl. Schicht Ti-Inseln bilden, welche das Anwachsen einer Edelmetallschicht auf elektrolytischem Wege ermöglichen. Es kann in diesem Fall dann so vorgegangen
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werden, dass nur eine Edelmetallschicht über die Schicht --25-- auf dem Grundschichtmaterial --13-- elektrolytisch in der erforderlichen Enddicke deponiert wird.
Nach Fertigstellung der Sonde kann diese unter Freilassung der Sonden- und Geberflächen mit einer Schicht aus einem zellneutralen Material z. B. einem Polymeren wie Polyester od. dgl. umhüllt werden. In Fig. 4 ist eine solche Schicht --31-- strichliert angedeutet. Diese Technologievariante findet vor allem dann Anwendung, wenn das Substrat selbst nicht zellneutral ist.
Fig. 5 zeigt eine erfindungsgemässe Sondenkonstruktion, welche es erlaubt, Sonden beliebiger Länge in Photolacktechnik auszubilden. Sehr lange aus einem Stück bestehende Sonden herzustellen, scheiterte an den dann überdimensional grossen, für den phototechnischen Herstellungsprozess erforderlichen Vorlagen. Sehr lange Sonden hat man daher bisher z. B. durch mehrere ineinanderschiebbare isolierte Metallrohre aufgebaut.
Fig. 5 zeigt einen andern Weg, nämlich den einer erfindungsgemässen mehrlagigen Sonde, wobei jede Lage aus mehreren Abschnitten einer Länge zusammengesetzt ist, welche eine Herstellung mit vertretbarem und möglichen phototechnischen Aufwand erlaubt.
Die Sonde --50-- gemäss Fig.5 besteht insgesamt aus fünf Lagen, wobei jedoch nur die Mittellage - und die zur einen Seite der Mittellage befindlichen Lagen 53--dargestellt sind. Mit--52 und 53-- identische und hier nicht gezeigte Lagen sind zur andern Seite der Mittellage --51-- vorgesehen ; die einzelnen Lagen, von welchen in Fig. 5 jeweils nur die vorderen Enden dargestellt sind, werden miteinander wenigstens längs der Lagenränder verklebt. Die Lage --51-- besteht aus Abschnitten - -60, 61, 62....-, die Lage --52-- aus den Abschnitten --70, 71, 72....-und die Lage --53-aus den Abschnitten--80, 81,....-.
Die Anzahl der Abschnitte richtet sich nach der insgesamt erforderlichen Gesamtlänge der Sonde und dem pro Abschnitt vertretbaren und möglichen phototechnischen Aufwand.
- -63, 64, 65-- sind die auf der einen Oberfläche der Mittellage --51-- vorgesehenen Zuleitungen zu Sonden- bzw. Geberflächen --66, 67, 68--. Die andere Oberfläche der Sonde ist in der gleichen Weise mit Zuleitungen und Sonden- bzw. Geberflächen ausgebildet, welche jedoch nicht dargestellt sind. An den
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--69, 69'-- der Abschnitte --60,Geberflächen --76, 77, 78-- enden.
Die Stossstellen --79, 79'-- der Leiterbahnen --73, 74, 75-- werden durch an der Unterseite der nächsten Lage --53-- angeordnete Brücken --100, 101,102 bzw. 100', 101'-- und 102'-- überbrückt. Die Lage --53-- ist eine Abschlusslage, die ihrerseits keine Leiterbahnen trägt. Die Stossstellen der Abschnitte der einen Lage sind gegenüber jenen der andern Lage so versetzt, dass eine einwandfreie Anordnung die Brücke und somit eine Überbrückung der Leiterbahnen gewährleistet ist.
Durch die vorstehend beschriebene Mehrlagigkeit der Sonde wird aber neben der Beherrschung der Sondenlänge auch eine erhöhte Anzahl an Mess- bzw. Geberstellen am Sondenkopf erreicht.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Dünnschicht-Vielfachsonde und/oder-geber, insbesondere zur Registrierung bzw. Beeinflussung von Zellaktivitäten, mit einem Substrat, auf diesem angeordneten Leiterbahnen, welche zu Sonden- bzw.
Geberflächen führen und einer darüber angeordneten Isolierschicht, dadurch gekenn- zeichnet, dass die Isolierschicht auf das Substrat mit den Leiterbahnen aufgedampft ist und vorzugsweise eine Dicke von 0, 1 bis 5 pm besitzt und dass auf der Isolierschicht eine Schicht eines elektrolytisch oder thermisch oxydierbaren Metalls angeordnet ist.