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Die
Erfindung betrifft einen Sensor zur Erfassung von elektrischen Biopotentialen
durch Aufsetzen auf die Haut eines menschlichen oder tierischen Körpers
nach Anspruch 1.
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Die
Erfassung von elektrischen Biopotentialen über auf der
Haut aufgesetzte Oberflächenelektroden zur Ermittlung elektrischer
Aktivität im Körper ist seit langem bekannt. Dabei
stellt die Haut eine mechanische und elektrische Barriere zwischen
der Ionenleitung im Inneren des Körpers und der Elektronenleitung
der Oberflächenelektrode dar. Um eine hochauflösende
Erfassung von elektrischen Biosignalen zu ermöglichen,
wie sie beispielsweise für Elektromyogramme, Elektroenzephalogramme
oder Elektrokardiogramme benötigt werden, ist es notwendig,
den Hautwiderstand zu verringern oder zu umgehen.
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Der
elektrische Widerstand der Haut wird hauptsächlich durch
die äußere Hautschicht, das Stratum Corneum, das
hauptsächlich aus toten Hautzellen besteht, gebildet. Die
toten Hautzellen der äußeren Hautschicht sind
weitestgehend ausgetrocknet und stellen eine Fluidbarriere dar,
die auch elektrisch isolierend wirkt. Das Stratum Corneum besitzt
beim Menschen eine Dicke zwischen 8 μm und 20 μm
und variiert stark an der Körperoberfläche. Die
Nerven und Blutbahnen liegen erst in einer darunterliegenden Schicht,
die eine Dicke von 50 μm–100 μm aufweist.
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Zur Überwindung
der elektrischen Barriere ist es bekannt, Leitgele in Verbindung
mit der Oberflächenelektrode zu verwenden, um den Übergang zwischen
Haut und Elektrode zu verbessern. Dabei werden elektrolytische Leitgele
verwendet, die durch Diffusion von Ionen in die äußere
Hautschicht die elektrische Barriere überwinden können.
Derartige Leitgele können jedoch bei Langzeitanwendungen ein
unangenehmes Jucken auf der Haut durch Hautirritationen und sogar
Entzündungen hervorrufen. Ferner muss das Leitgel, falls
es nicht bereits in der Elektrode integriert ist, separat vor dem
Einsatz der Elektrode auf der Haut appliziert werden.
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Anstelle
der Leitgele können auch leitfähige Klebstoffe
verwendet werden, die gleichzeitig die Elektrode auf der Hautoberfläche
befestigen können. Derartige Leitgele oder Haftvermittler
trocknen jedoch im Laufe der Zeit aus, so dass der elektrische Übergang
zwischen Haut und Elektrode verschlechtert wird.
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Ferner
sind Trockenelektroden bekannt, die ohne Leitgel auskommen. Die
Signalqualität bei derartigen Trockenelektroden ist allerdings
durch Transpiration beeinflussbar. Ferner werden derartige Trockenelektroden
häufig mit Hilfe von Klebestreifen befestigt, die sich
durch Transpiration oder Bewegung der Haut lösen können,
so dass eine Langzeitmessung nahezu unmöglich ist.
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Zusätzlich
lässt sich der Hautwiderstand durch die Vorbehandlung der
Haut reduzieren, indem die toten Hautzellen zumindest teilweise
entfernt werden. Diese Methode ist allerdings zeitaufwendig und
kann für den Patienten unangenehm sein. Ferner haben Untersuchungen
ergeben, dass die betroffene Hautpartie nach einigen Tagen ausheilt
und somit Langzeitmessungen beeinflusst werden.
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Ferner
ist bekannt, die Signalgüte durch Filterung von unerwünschten
Signalanteilen sowie einer Vorverstärkung zu verbessern.
Derartige Verfahren sind beispielsweise aus
US 4,213,467 A und
US 2006/0153386 A1 bekannt.
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Aus
EP 1 164 928 A1 ist
ein Verfahren zur Herstellung einer medizinischen Elektrode bekannt, die
aus einem Wafer mit abstehenden Spitzen gefertigt werden.
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Zum
Aufsetzen auf die Haut wird die Elektrode über ein Klebeband
befestigt, so dass die Spitzen das Stratum Corneum durchbohren.
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Bei
derartigen Elektroden besteht jedoch die Gefahr, dass die Spitzen
bei dem Aufsetzen auf die Haut abbrechen. Auch ist die Befestigung
der Elektrode über Klebestreifen aufwendig und kann zu
Irritationen auf der Haut durch die Klebestreifen führen. Wie
bereits zwar ausgeführt worden ist, können Klebestreifen
bei Langzeitmessungen keine zuverlässige Fixierung der
Elektroden gewährleisten.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt in der Bereitstellung eines
Sensors zur Erfassung einer großen Anzahl von elektrischen
Biosignalen ohne die langwierige Vorbereitung der Haut und ohne Anwendung
von Leitgelen bereitzustellen, wobei der Sensor mechanisch stabil
auf der Hautoberfläche applizierbar sein soll.
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Eine
weitere Aufgabe liegt darin, eine Langzeiterfassung von Biosignalen
zu ermöglichen, ohne dass es zu Hautirritationen durch
beispielsweise ein Adhesiv kommen kann, oder das die Kontaktierung durch
Transpiration oder Bewegung der Hautoberfläche gelöst
wird.
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Die
Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1.
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Die
Erfindung sieht in vorteilhafter Weise vor, dass ein Sensor zur
Erfassung von elektrischen Biopotentialen zum Aufsetzen auf die
Haut eines menschlichen oder tierischen Körpers ein Substrat mit
einer Vielzahl von Nadeln aufweist, die von einer Hauptfläche
des Substrats abstehen, wobei die Nadeln eine Länge aufweisen,
die ein Durchdringen einer äußeren Hautschicht
beim Aufsetzen auf die Haut ermöglichen, um eine angrenzende
Hautschicht elektrisch zu kontaktieren. Das Substrat mit den Nadeln
bildet dabei mindestens eine Elektrode des Sensors.
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Der
Sensor weist ferner eine Anschlussvorrichtung zur Übermittelung
von von dem Sensor erfassten Signalen auf, wobei die Anschlussvorrichtung
mit den Nadeln elektrisch verbunden ist. Eine Hülle ummantelt
das Substrat zumindest teilweise und erstreckt sich zumindest teilweise über
die erste Hauptfläche des Substrats, wobei die Nadeln die
Hülle durchdringen und aus der Hülle herausragen.
Dabei ist das Substrat derart in der Hülle flexibel gelagert,
dass ein auf dem Sensor bzw. das Substrat ausgeübter Anpressdruck
gleichmäßiger auf der Haut verteilbar ist, als
bei einem herkömmlichen Sensor.
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Durch
das Vorsehen einer Hülle, die das Substrat ummantelt, wobei
die Nadeln die Hülle durchdringen und aus der Hülle
herausragen, gibt die Hülle den Nadeln eine zusätzliche
mechanische Stabilität, so dass die Gefahr, dass die Nadeln
abbrechen können, verringert wird. Darüber hinaus
ermöglicht die Hülle in vorteilhafter Weise, dass
der Sensor auf der Haut eines menschlichen oder tierischen Körpers
befestigt wird, indem die Hülle mit einer Befestigungsvorrichtung
verbunden wird. Der auf den Sensor bzw. das Substrat ausgeübte
Anpressdruck kann durch eine flexible Hülle ausgeglichen
werden, so dass der Anpressdruck gleichmäßig auf
der Haut verteilbar ist. Dadurch kann gewährleistet werden,
dass die Nadeln gleichmäßig in die Haut eindringen.
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Vorzugsweise
besteht die Hülle aus einem flexiblen Kunststoff, beispielsweise
Silikon. Der flexible Kunststoff kann in vorteilhafter Weise das
Substrat aufnehmen und aufgrund der Flexibilität den Anpressdruck
verteilen bzw. abfedern. Darüber hinaus ist insbesondere
Silikon für den Einsatz im medizinischen Bereich besonders
geeignet und einfach zu verarbeiten.
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Durch
die Verwendung von flexiblem Kunststoff kann der Sensor mehrere
unterschiedliche aktive Teile umfassen, so dass durch den Kunststoff
die Nadeln elektrisch voneinander isoliert sind, wobei verhindert
werden kann, dass benachbarte Nadeln beispielsweise durch Transpiration
elektrisch miteinander kontaktiert werden.
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Vorzugsweise
ist vorgesehen, dass die Hülle ein Gussteil und das Substrat
in die Hülle eingegossen ist. Auf diese Weise lässt
sich die Hülle auf eine einfache Art und Weise herstellen
und gewährleistet, dass die Nadeln die Hülle durchdringen
und aus der Hülle herausragen, ohne dass die Nadeln bei
dem Herstellungsprozess mechanisch belastet werden.
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Vorzugsweise
ist vorgesehen, dass die Nadeln eine Länge zwischen 5 μm
und 1000 μm, vorzugsweise zwischen 5 μm und 200 μm,
aufweisen. Als Länge der Nadel im Rahmen dieser Erfindung wird
die aus der Hülle des Substrats herausragende freie Länge
der Nadeln verstanden. Bei einer Länge von 5 μm
bis 1000 μm wird gewährleistet, dass je nach Körper
und Stelle des Körpers, auf die der Sensor auf die Haut
aufgesetzt werden soll, die Länge der Nadeln ausreichend
ist, um die äußere Hautschicht zu durchdringen,
ohne jedoch darunter liegende Nerven zu reizen. Dadurch ist ein
Aufsetzen des Sensors auf die Haut möglich, ohne dass Schmerzen
bei dem Patienten erzeugt werden.
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In
einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen,
dass ein Substrat ein Halbleitersubstrat, vorzugsweise ein Silizium-Substrat,
ist. Derartige Substrate lassen sich auf eine besonders vorteilhafte
Weise dazu nutzen, um herausragende Strukturen wie die erfindungsgemäßen
Nadeln herzustellen. Dabei wird das Halbleitersubstrat zur Herstellung
der abstehenden Nadeln vorzugsweise geätzt.
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Es
ist vorgesehen, dass das Substrat und/oder die Nadeln zumindest
teilweise mit einer leitenden Beschichtung, vorzugsweise einer Silber/Silber-Chlorid-Beschichtung
(Ag/AgCl-Doppelschicht), beschichtet sind. Eine derartige Beschichtung
hat sich als besonders vorteilhaft für die Beschichtung von
Elektroden und somit für Sensoren zur Erfassung von elektrischen
Biopotentialen herausgestellt.
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In
einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen,
dass das Substrat an einer Trägerplatte befestigt ist,
wobei die Trägerplatte vorzugsweise ein Keramik-Substrat
ist. Die Trägerplatte erhöht die Stabilität
des Sensors, wobei ferner das Substrat mit den abstehenden Nadeln
mechanisch stabilisiert wird bzw. von geringerer Dicke vorgesehen
sein kann, da durch die Trägerplatte die mechanische Belastung
des Substrats verringert wird. Das Trägersubstrat ermöglicht
ferner auf vorteilhafte Weise die Anordnung der Anschlussvorrichtung.
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Vorzugsweise
ist vorgesehen, dass die Nadeln an dem dem Substrat zugewandeten
Ende jeweils einen Durchmesser zwischen 40 μm und 1000 μm,
vorzugsweise zwischen 40 μm und 100 μm, besitzen.
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Die
Nadeln können sich über ihre Länge zum von
dem Substrat abgewandten Ende hin verjüngen oder an dem
von dem Substrat abgewandten Ende spitz zulaufen. Auf diese Weise
ist ein Durchdringen der äußeren Hautschicht bei
einem Aufsetzen des Sensors auf die Haut in vorteilhafter Weise
möglich.
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In
einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen,
dass das Substrat und die Nadeln zumindest teilweise aus einem dotierten Halbleitermaterial,
vorzugsweise aus dotiertem Silizium, bestehen. Durch die Dotierung
des Halbleitermaterials ist es möglich, dem Substrat und/oder
den Nadeln eine gute elektrische Leitfähigkeit zu verleihen, so
dass in vorteilhafter Weise möglich ist, die zu erfassenden
Signale aufzunehmen und an die Anschlussvorrichtung weiterzuleiten,
ohne dass eine leitfähige Beschichtung vorgesehen sein
muss.
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Es
kann vorgesehen sein, dass das Substrat wenigstens einen Bereich
aus einem dotierten Halbleitermaterial und wenigstens einen Bereich
aus einem undotierten Halbleitermaterial aufweist. Dabei kann das
undotierte Halbleitermaterial zwei Bereiche aus dotiertem Halbleitermaterial
elektrisch isolieren. Auf diese Weise ist es möglich, dass
ein Sensor zwei oder mehrere Elektroden besitzt, die unterschiedliche
Signale aufnehmen können oder es kann die örtliche
Auflösung der Messung erhöht werden. Die erfindungsgemäße
Ausführungsform hat aber den Vorteil, dass die mehreren
Elektroden aus einem Substrat gefertigt werden können,
da der undotierte Bereich des Halbleitermaterials die dotierten
Bereiche des Halbleitermaterials elektrisch isolieren kann.
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In
einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen,
dass das Substrat und/oder die Nadeln wenigstens zwei unterschiedlich dotierte
Bereiche aufweisen. Durch eine unterschiedliche Dotierung des Substrats
und/oder der Nadeln ist es möglich, mehrere Elektroden
mit unterschiedlichen Eigenschaften auf einem Substrat und in einem Sensor
zu schaffen. Durch eine un terschiedliche Dotierung des Substrats
und/oder der Nadeln können beispielsweise Bereiche mit
unterschiedlichen elektrischen Leitfähigkeiten erzeugt
werden.
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Bei
einer Ausführungsform mit unterschiedlich dotierten Bereichen
ist es vorteilhaft, wenn die Anschlussvorrichtung die dotierten
Bereiche jeweils einzeln elektrisch kontaktiert. Auf diese Weise
ist es möglich, unterschiedliche Signalkomponenten, die von
den unterschiedlich dotierten Bereichen des Substrats und der Nadeln
aufgenommen werden, getrennt voneinander an eine Auswertevorrichtung
zu übermitteln.
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In
einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel ist vorgesehen,
dass die Hülle mit einem flexiblen Gewebe, einem Textil
und/oder einer flexiblen Struktur verbunden ist, wobei vorzugsweise das
flexible Gewebe das Textil und/oder die textile Struktur in die
Hülle eingegossen ist. Die Verbindung der Hülle
mit einem flexiblen Gewebe, einem Textil und/oder einer flexiblen
Struktur ermöglicht in vorteilhafter Weise die Integration
des Sensors in größere Strukturen, wie beispielsweise
Gurte, Manschetten oder Kleidung.
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Dadurch
ist es möglich, den Sensor auf eine besonders einfache
Art und Weise auf der Haut zu befestigen, wobei die Haut durch das
Vorsehen derartiger Strukturen nur im geringen Maße belastet wird,
da ein Aufkleben des Sensors auf die Haut nicht notwendig ist. Auch
ist es möglich, den Sensor über eine längere
Zeit auf der Haut zu befestigen, indem beispielsweise der Sensor
in ein Kleidungsstück, wie beispielsweise eine Manschette,
integriert ist.
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Erfindungsgemäß ist
vorgesehen, dass die Nadeln einen runden, rechteckigen, kreisförmigen und/oder
sternförmigen Querschnitt haben. In Abhängigkeit
von dem Verwendungszweck kann eine unterschiedlich geformte Querschnittsform
der Nadeln vorteilhaft sein. Selbstverständlich ist es
möglich, dass an einem Sensor Nadeln mit unterschiedlicher
Querschnittsform angeordnet sind. So kann beispielsweise vorgesehen
sein, dass im inneren Bereich eines Sensors Nadeln mit einem runden
Querschnitt vorgesehen sind und in einem äußeren
Bereich Nadeln mit einem sternförmigen Querschnitt.
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Bei
einer Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein,
dass die Anschlussvorrichtung eine Elektronik aufweist, die die
aufgenommenen Signale vor der Übermittlung verarbeitet.
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Die
Erfindung umfasst ferner einen medizinischen Apparat mit einem erfindungsgemäßen
Sensor. Auch umfasst die Erfindung einen Liner für eine Prothese,
eine Manschette oder einen Gurt mit mindestens einem erfindungsgemäßen
Sensor.
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Im
Folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die nachfolgenden
Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine
schematische Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels
eines erfindungsgemäßen Sensors,
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2 eine
schematische Schnittdarstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels
eines erfindungsgemäßen Sensors,
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3 eine
schematische Ansicht von unten eines dritten Ausführungsbeispiels
eines erfindungsgemäßen Sensors,
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4 eine
schematische Schnittdarstellung des in 3 gezeigten
erfindungsgemäßen Sensors,
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5 eine
schematische Schnittdarstellung eines vierten Ausführungsbeispiels
eines erfindungsgemäßen Sensors und
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6a–6d eine
schematische Darstellung von unterschiedlichen Querschnittsformen
von Nadeln eines erfindungsgemäßen Sensors.
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In 1 ist
ein erfindungsgemäßer Sensor 1 zur Erfassung
von elektrischen Biopotentialen durch Aufsetzen auf die Haut eines
menschlichen oder tierischen Körpers schematisch im Schnitt
dargestellt. Der Sensor 1 weist ein Substrat 3 mit
einer Vielzahl von Nadeln 5 auf, die von einer ersten Hauptfläche 7 des
Substrats 3 abstehen. Die Nadeln 5 sind als Array
angeordnet.
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Das
Substrat 3 ist auf einer Trägerplatte 25 angeordnet.
Die Trägerplatte 25 kann dem Substrat 3 eine
hohe Stabilität verleihen, so dass das Substrat relativ
dünn ausgestaltet sein kann. Auf der von dem Substrat abgewandten
Seite der Trägerplatte 25 ist eine Anschlussvorrichtung 9 angeordnet,
die über eine oder mehrere Leitungen 10 den Sensor 1 mit
einem medizinischen Gerät verbinden kann. Die Trägerplatte
ermöglicht ferner eine vorteilhafte Anordnung der Anschlussvorrichtung 9.
Das Substrat 3, die Trägerplatte 25 und
die Anschlussvorrichtung 9 sind in eine Hülle 15 eingefasst,
wobei die Nadeln 5 die Hülle 15 durchdringen
und aus der Hülle 15 herausragen.
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Die
an der Trägerplatte 25 angeordnete Anschlussvorrichtung 9 ist
elektrisch mit den Nadeln 5 verbunden, um die von den Nadeln
erfassten Signale aufzunehmen, vor Ort zu verarbeiten oder an ein oder
mehrere entfernt angeordnete medizinische Geräte zu übermitteln.
Zur Verarbeitung der Signale vor Ort kann die Anschlussvorrichtung
eine Elektronik aufweisen, wobei die Hülle 15 die
Elektronik in vorteilhafter Weise gegenüber Einwirkungen
von außen schützt.
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Die
elektrische Verbindung zwischen der Anschlussvorrichtung 9 und
den Nadeln 5 erfolgt dabei über eine elektrisch
leitende Beschichtung 11, die auf der ersten Hauptfläche 7,
den Nadeln 5 und/oder der zweiten Hauptfläche 8 des
Substrats 3 sowie der Trägerplatte 25 aufgebracht
ist. Die elektrisch leitende Beschichtung 11 kann beispielsweise
eine Silber/Silber-Chlorid-Schicht (Ag-AgCl-Doppelschicht) sein. Dabei
umfasst die elektrisch leitende Beschichtung jeweils die Kanten
des Substrates und/oder der Trägerplatte zur Herstellung
einer elektrischen Verbindung zwischen Anschlussvorrichtung 9 und
Substrat 3. In einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel erfolgt
die elektrische Ver bindung zwischen der Anschlussvorrichtung und
dem Substrat über eine Durchkontaktierung in der Trägerplatte,
welche mit einer elektrisch leitenden Beschichtung ausgekleidet ist.
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Die
Hülle 15 besteht aus einem flexiblen Material,
beispielsweise einem flexiblen Kunststoff, vorzugsweise Silikon,
und nimmt das Substrat 3 und die Trägerplatte 25 flexibel
auf. Die Trägerplatte kann beispielsweise aus einem Keramiksubstrat
bestehen.
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Die
Nadeln 5 weisen eine Länge auf, die beim Aufsetzen
des Sensors 1 auf die Haut eines menschlichen oder tierischen
Körpers ein Durchdringen einer äußeren
Hautschicht der Haut ermöglichen, um eine darunter liegende
angrenzende Hautschicht elektrisch zu kontaktieren. Dabei ist die
Länge der Nadeln 5 so gewählt, dass jede
Nadel 5 nicht oder nur im geringen Maße in die
unter der äußeren Hautschicht liegende angrenzende
Hautschicht eindringt, so dass in dieser Hautschicht liegende Nerven nicht
gereizt werden. Dabei empfindet der Patient bei dem Aufsetzen des
Sensors auf die Haut keinen Schmerz. Eine Länge zwischen
5 μm und 200 μm hat sich als ideal erwiesen, wobei
je nach Anwendungsfall die Nadeln auch länger sein können.
Als Länge der Nadeln im Rahmen der Erfindung ist dabei
der aus der Hülle 15 herausragende Teil der Nadeln 5 zu verstehen.
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Die
Nadeln 5 besitzen an der Basis vorzugsweise einen Durchmesser
zwischen 40 μm und 100 μm.
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In
dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel weisen
die Nadeln 5 auf dem von dem Substrat 3 abgewandten
Ende eine Spitze auf, die ein Durchdringen der äußeren
Hautschicht beim Aufsetzen auf die Haut in vorteilhafter Weise ermöglichen.
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Die
Hülle 15 kann als Gussteil ausgeführt sein,
so dass das Substrat 3 die Trägerplatte 25 und die
Anschlussvorrichtung 9 in die Hülle eingegossen sind.
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Bei
dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist
ferner vorgesehen, dass ein flexibles Gewebe 17 mit der
Hülle 15 verbunden ist. Dabei ist das flexible
Gewebe 17 ebenfalls in die Hülle eingegossen,
was eine Herstellung auf einfache Art und Weise ermöglicht.
Durch das flexible Gewebe 17 ist es möglich, den
erfindungsgemäßen Sensor 1 in eine Struktur,
beispielsweise einen Gurt, eine Manschette oder einen Liner für
eine Prothese zu integrieren. Dadurch ist es möglich, in
vorteilhafter Weise den Sensor an dem Körper eines Patienten
zu befestigen. Auch ist es möglich, mehrere erfindungsgemäße
Sensoren in ein flexibles Gehäuse zu integrieren und mit
einer Elektronik zu verbinden. Dadurch können beispielsweise
mit einem Kleidungsstück oder Gurt mehrere Elektroden auf
der Haut appliziert werden.
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Erfindungsgemäß können
das Substrat 3 und die Nadeln 5 aus einem Halbleitermaterial,
vorzugsweise aus Silizium, bestehen, wobei die Nadeln 5 vorzugsweise
durch Ätzen aus einem Silizium-Wafer herausgearbeitet sind.
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In 2 ist
ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Sensors 1 beschrieben. Der in 2 dargestellte
Sensor 1 weist wiederum ein Substrat 3 auf, von
dem von einer Hauptfläche 7 Nadeln 5 abstehen.
An der zweiten Hauptfläche 8 des Substrats 3 ist
eine Anschlussvorrichtung 9 angeordnet, die über
eine elektrisch leitende Beschichtung 11 mit den ebenfalls
eine elektrisch leitende Beschichtung 11 aufweisenden Nadeln 5 verbunden
ist. Die elektrische Verbindung zwischen der elektrisch leitfähigen
Beschichtung 11 auf der ersten Hauptfläche 7 und
der elektrisch leitfähigen Beschichtung 11 auf
der zweiten Hauptfläche 8 wird gebildet, indem die
elektrisch leitfähige Beschichtung 11 die seitlichen
Stirnkanten des Substrats 3 umfasst. Die Nadeln 5 sind
in dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel
derart ausgeführt, dass sie sich über ihre Länge
zum von den Substrat 3 angewandten Ende hin verjüngen
und eine Spitze bilden.
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Der
Sensor 1 weist wiederum eine Hülle 15 auf,
wobei die Nadeln 5 die Hülle 15 durchdringen und
aus der Hülle 15 herausragen. Die Hülle 15 ist mit
einem flexiblen Gewebe 17 verbunden, das in die Hülle 15 eingegossen
ist. Über eine Leitung 10 kann der Sensor mit
einem medizinischen Gerät zur Auswertung der erfassten
Signale verbunden werden.
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In 3 ist
ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Sensors in einer schematischen Ansicht von unten dargestellt.
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Der
Sensor 1 weist ein Substrat 3 auf, das in drei
Bereiche aufgeteilt ist. Das Substrat 3 ist aus Silizium
gefertigt und weist zwei unterschiedlich dotierte Bereiche 21, 23 auf.
Die unterschiedlich dotierten Bereiche 21, 23 sind
durch einen Bereich aus undotiertem Silizium 19 elektrisch
voneinander isoliert. Die Nadeln 5 stehen jeweils von den
unterschiedlich dotierten Bereichen 21, 23 ab.
In dem Bereich aus undotiertem Silizium 19 sind keine Nadeln
angeordnet. Die Nadeln 5 bestehen dabei jeweils aus dem
gleichen dotierten Silizium wie die dotierten Bereiche 21, 23,
von denen die Nadeln 5 abstehen. Dadurch ist eine Aufnahme
und Übertragung der Signale durch die Nadeln 5 und
das Substrat 3 möglich, ohne dass einen elektrisch
leitende Beschichtung vorgesehen sein muss.
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Bei
dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel weist
der Sensor 1 zwei unterschiedliche Elektroden auf, wobei
eine Elektrode durch den Bereich mit dotiertem Silizium 23 und
die zweite Elektrode durch den Bereich mit dotiertem Silizium 21 gebildet
wird.
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Der
Bereich mit undotiertem Silizium 19 isoliert die beiden
Bereiche mit dotiertem Silizium 21, 23, wodurch
die Ausgestaltung der zwei unabhängigen Elektroden ermöglicht
wird. Dadurch ist es möglich, mit einem erfindungsgemäßen
Sensor 1 verschiedene Messungen gleichzeitig vorzunehmen,
da zwei Elektroden unabhängig voneinander arbeiten können.
Auch ist es möglich, bei einer differentiellen Messung
zwischen Elektroden eine hohe örtliche Auflösung
zu erhalten, da an einem erfindungsgemäßen Sensor
zwei Elektroden mit geringem Abstand angeordnet sein können,
zwischen denen die Messung erfolgen kann.
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Wie
am besten aus 4 ersichtlich ist, in der das
Ausführungsbeispiel der 3 schematisch im
Schnitt dargestellt ist, ist das Substrat 3 und eine Anschlussvorrichtung 9 in
einer Hülle 15 eingefasst, die das Substrat 3 und
die Anschlussvorrichtung 9 ummantelt. Die Nadeln 5 durchdringen
die Hülle 15 und ragen aus der Hülle 15 heraus.
Die Hülle 15 stabilisiert die Nadeln 5.
Ferner wird durch Hüllenbereiche 6, die zwischen
den Nadeln 5 der unterschiedlich dotierten Bereiche 21, 23 angeordnet
sind, gewährleistet, dass die erste Hauptfläche 7 des
Substrats 3 nicht mit der Hautoberfläche in Berührung
kommt, so dass verhindert wird, dass die unterschiedlich dotierten
Bereiche 21, 23 z. B. durch Transpirationsflüssigkeit
elektrisch leitend miteinander verbunden werden. Dadurch werden
Fehlmessungen der zwei unabhängigen Elektroden vermieden.
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Wie
in 4 schematisch angedeutet ist, werden die Bereiche
aus unterschiedlich dotiertem Silizium 21, 23 jeweils
einzeln von der Anschlussvorrichtung 9 über Kabel 9A kontaktiert.
Auf diese Weise können über die Leitung 10 einzelne
Signale der unterschiedlich dotierten Bereiche 21, 23 übermittelt werden.
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Bei
dem in 3 und 4 dargestellten Ausführungsbeispiel
ist es ferner möglich, dass die Nadeln eine unterschiedliche
Länge aufweisen, so dass beispielsweise die Nadeln 5,
die in dem Bereich mit dotiertem Silizium 23 angeordnet
sind, länger ausgestaltet sind als die Nadeln 5,
die in dem Bereich mit dotiertem Silizium 21 angeordnet
sind. Auf diese Weise ist es möglich, aus unterschiedlichen
Tiefen der Haut unterschiedliche Signale zu erfassen.
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In 5 ist
ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Sensors 1 im Schnitt schematisch dargestellt. Bei diesem
Ausführungsbeispiel ist das Substrat 3, das eine
Vielzahl von Nadeln 5 aufweist, die von einer ersten Hauptfläche 7 des Substrats
abstehen, in einer Hülle 15 angeordnet. Das Substrat 3 und
die Nadeln 5 sind mit einer elektrisch leitenden Beschichtung 11 beschichtet, über die
Signale von den Nadeln an eine Anschlussvorrichtung 9 übertragen
werden können.
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Um
eine Kontaktierung der elektrisch leitenden Beschichtung 11 zwischen
der ersten Hauptfläche 7 und der zweiten Hauptfläche 8 zu
gewährleisten, sind Leitungslöcher 13 in
dem Substrat 3 vorgesehen, die einen Durchbruch des Substrats 3 bilden und
auf der Innenseite mit der leitenden Beschichtung 11 beschichtet
sind. Auf diese Weise wird eine leitende Verbindung zwischen der
leitenden Beschichtung 11 auf der ersten Hauptfläche 7 und
der elektrisch leitenden Beschichtung 11 auf der zweiten Hauptfläche 8 geschaffen.
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Der
in 5 dargestellte Sensor ist im Übrigen
gleich dem in 2 abgebildeten Ausführungsbeispiel
ausgebildet, mit der Ausnahme, dass die Nadeln in 5 sich
nicht über die Länge verjüngen sonder
einen konstanten Querschnitt und am vom Substrat abgewandte Ende
eine Spitze aufweisen.
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Ein
erfindungsgemäßer Sensor kann Nadeln unterschiedlichen
Querschnitts aufweisen. In den 6a bis 6d sind
mehrere Querschnittsformen für Nadeln 5 als Draufsicht
auf die Nadeln dargestellt. Die 6a zeigt
einen runden Querschnitt einer Nadel 5, die 6b einen
kreuzförmigen Querschnitt, die 6c einen
rechteckigen Querschnitt und die 6d einen
sternförmigen Querschnitt einer Nadel 5.
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Je
nach Anwendungsfall kann ein Querschnitt einer Nadel von Vorteil
sein, da die unterschiedlichen Querschnittsformen unterschiedliche Verhältnisse
zwischen Querschnitt und Oberfläche der Nadeln besitzen.
Auch kann je nach Anwendungsfall eine unterschiedliche Querschnittsform
der Nadel von Vorteil sein, da beispielsweise bei Lebewesen mit
sehr fester Haut oder an Stellen mit sehr fester Haut eine Nadel
mit einem bestimmten Querschnitt die äußere Hautschicht
leichter durchdringt als eine Nadel mit einem anderen Querschnitt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
-
- - US 4213467
A [0008]
- - US 2006/0153386 A1 [0008]
- - EP 1164928 A1 [0009]