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HINTERGRUND
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Die vorliegende Beschreibung betrifft das Gebiet von Biopotentialtransduktion. Spezieller betrifft die vorliegende Beschreibung eine Biopotentialmikroelektrode mit Bewegungsartefaktzurückweisung.
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Auf die Haut eines Patienten angelegte Elektroden werden gewöhnlich verwendet, um nicht invasiv Biopotentialsignale zu gewinnen, die bei der Ermittlung eines physiologischen Zustands oder der funktionelle Verfassung eines Patienten nützlich sind. Die Anatomie der Haut von Säugern weist eine hohe elektrische Impedanz auf. Diese elektrische Impedanz verringert den Betrag und das Signal/Rausch-Verhältnis des durch die Elektrode gewonnenen Biopotentialsignals. Es ist allgemein üblich, vor dem Anlegen der Elektrode die Haut abzureiben und/oder ein elektrolytisches Gel auf die Haut aufzutragen, um die elektrischen Eigenschaften des Signals zu verbessern.
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Eine Alternative zum Auftragen eines elektrolytischen Gels basiert darauf, auf der Elektrode Spitzen auszubilden, die die äußere Schicht der Haut durchdringen und die Impedanz der Grenzfläche zwischen Elektrode und Haut verringern. Allerdings bilden auch nach einer Verbesserung der elektrischen Eigenschaften der Elektrode/Haut-Grenzfläche Bewegungsartefakte eine wesentliche Fehlerquelle in einem akquirierten Biopotentialsignal. Bewegungsartefakte werden durch Bewegungen des Patienten, der Elektrode und/oder des Drahtes hervorgerufen, der das akquirierte Biopotentialsignal an einen Signalprozessor zurück übermittelt.
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KURZBESCHREIBUNG
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Die vorliegende Beschreibung betrifft ein Mikroelektrodensystem zum Messen von Biopotentialsignalen. Das Mikroelektrodensystem enthält ein Substrat mit einer Mikroelektrode, die sich ausgehend von dem Substrat erstreckt. Ein Beschleunigungsmesser ist mit dem Substrat integriert. Der Beschleunigungsmesser erzeugt ein Beschleunigungssignal, das eine Beschleunigung des Substrats kennzeichnet. Die Beschleunigungsmessschaltung ist mit dem Beschleunigungsmesser elektrisch verbunden.
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Ein Verfahren zum Messen eines Biopotentials eines Patienten beinhaltet ein Erfassen eines Biopotentials mittels einer Mikroelektrode. Das Biopotential wird durch einen Verstärker verstärkt, der mit der Mikroelektrode elektrisch verbunden ist. Eine Bewegung der Elektrode wird mittels eines Beschleunigungsmessers erfasst, der in ein Elektrodensubstrat integriert ist. Das erfasste Biopotential und die erfasste Bewegung werden an eine elektronische Steuereinrichtung ausgegeben.
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Eine hierin beschriebene Biopotentialelektrode basiert auf einem Siliziumsubstrat. Eine Mikroelektrode ist auf dem Siliziumsubstrat abgeschieden. Ein Beschleunigungsmesser ist mit dem Siliziumsubstrat integriert. Der Beschleunigungsmesser enthält eine Prüfmasse, die aus dem Siliziumsubstrat geätzt ist. Die Prüfmasse ist ausgehend von dem Substrat durch wenigstens eine Halterung aufgehängt.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die Zeichnungen veranschaulichen den besten Modus, der gegenwärtig zur Durchführung der Erfindung in Erwägung gezogen wird:
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1 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel einer horizontal ausgerichteten Mikroelektrode;
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2 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel einer vertikal ausgerichteten Mikroelektrode;
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3A und 3B veranschaulichen Ausführungsbeispiele von abgewandelten Beschleunigungsmessern;
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4A–4C veranschaulichen abgewandelte Beschleunigungsmessschaltkreise;
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5A–5D zeigen eine Mikroelektrode in unterschiedlichen Stadien der Herstellung der Mikroelektrode; und
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6 veranschaulicht in einem Flussdiagramm die Schritte eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum Messen eines Biopotentials.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Gewöhnlich werden an der Haut angebrachte Überwachungselektroden eingesetzt, um Biopotentiale zu gewinnen. Die menschliche Haut ist aus drei eindeutig unterscheidbaren Schichten aufgebaut Hornschicht, wachstumsfähige Epidermis und Dermis. Der 10–15 μm dicke äußeren Bereich der Haut, der als die Hornschicht bezeichnet wird, ist totes Gewebe, das die primäre Barriere für den Körper bildet. Die Hornschicht trägt am stärksten zur Impedanz der Haut bei und ist ein maßgebender Faktor in der Charakteristik des Signal/Rausch-Verhältnisses von an der Haut befestigten Elektroden. Unterhalb der Hornschicht befindet sich die wachstumsfähige Epidermis (50–100 μm). Die wachstumsfähige Epidermis weist lebende Zellen auf, enthält jedoch wenige Nerven und ist frei von Blutgefäßen. Ein Durchdringen der Haut bis zu der wachstumsfähigen Epidermis ist schmerzlos, da sich die Nerven in tieferen Geweben befinden. Unterhalb der wachstumsfähigen Epidermis liegt die Dermis. Die Dermis bildet den Hauptanteil des Hautvolumens und enthält lebende Zellen, Nerven und Blutgefäße.
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Mikroelektroden reduzieren die Hautimpedanz mittels mehrerer elektrisch leitender Spitzen, die in der Lage sind, durch die Hornschicht hindurch und in die entwicklungsfähige Epidermis zu dringen. Die Elektrodenspitzen weisen gewöhnlich eine Länge im Bereich von 50–250 μm auf und sind in Gruppen von zwischen 100 bis 10.000 Spitzen angeordnet. Die Spitzen sind ausreichend scharf, um beispielsweise die Hornschicht und die wachstumsfähige Epidermis zu durchdringen.
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1 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel einer Elektrode 10. Die Elektrode 10 verkörpert eine horizontal gestapelte Anordnung, wobei sämtliche Komponenten horizontal fluchtend auf einem Basissubstrat 12 angeordnet sind. Das Basissubstrat 12 kann auf einem Siliziummaterial basieren.
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Weiter weist die Elektrode 10 drei Komponenten auf, die mit dem Basissubstrat 12 verbunden sind. Diese drei Komponenten beinhalten eine Mikroelektrode 14, einen Beschleunigungsmesser 16 und eine Elektronikschaltung 18.
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In der vorliegenden Erfindung sind die Wechselwirkungen einiger Komponenten als verbunden beschrieben. Der Begriff ”verbunden” beinhaltet in dem hier verwendeten Sinne mechanische oder elektrische Verbindungen und unmittelbare oder mittelbare Anschlussverbindung.
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In der Elektrode 10 nach 1 sind die Mikroelektrode 14, der Beschleunigungsmesser 16 und die Elektronikschaltung 18 als unabhängige Komponenten eingerichtet, die horizontal fluchtend auf dem Basissubstrat 12 angeordnet sind. Einige Ausführungsbeispiele können zwischen den Komponenten (14, 16, 18) und dem Basissubstrat 12 eine isolierende Schicht 19 aufweisen. Die Mikroelektrode 14, der Beschleunigungsmesser 16 und die Elektronikschaltung 18 sind mittels Drähten 20 elektrisch verbunden, die die Komponenten verbinden. Es ist klar, dass in Abwandlungen alternativ andere Arten elektrischer Verbindungen zwischen der Mikroelektrode 14, dem Beschleunigungsmesser 16 und der Elektronikschaltung 18 verwendet werden können. Solche alternativen Arten elektrischer Verbindungen können, ohne darauf beschränkt zu sein, auf dem Basissubstrat 12 angeordnete gedruckte Verbindungen beinhalten.
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Die Mikroelektrode 14 weist mehrere Spitzen 22 auf, die mit Silber (Ag) oder Silber/Silberchlorid (Ag/AgCl) galvanisiert sind. Im Falle einer reinen Silberbeschichtung wird die Oberfläche im Laufe der Zeit passiv mit einer Schicht aus Silberchlorid bedeckt. Die Ag/AgCl-Beschichtung verbessert die elektrische Leitfähigkeit der Spitzen 22, indem sie die ionischen Ströme in einem Gewebe in eine Bewegung von Elektronen in metallischen Leitern umwandelt. Die Spitzen 22 weisen Längen im Bereich von 50–250 μm auf. Dieser Bereich von Längen ist geeignet, um sowohl ein Durchdringen der Hornschicht als auch ein Eindringen in die entwicklungsfähige Epidermis zu erzielen, während der Bereich der Länge von Spitzen genügt, um einer ausreichenden Anzahl von Spitzen zu erlauben, die wachstumsfähige Epidermis trotz Unvollkommenheiten in der Haut des Patienten zu durchdringen.
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Die Mikroelektrode 14 wird hergestellt, indem aus einem Siliziumsubstrat 26 ein Elektrodenhohlraum 24 herausgeätzt wird, und indem die Spitzen 22 auf einer bordotierten Schicht 28 abgeschieden werden. Dieses Verfahren wird hierin eingehender beschrieben.
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Wie oben erläutert, ermöglicht die Durchdringung der Hornschicht mittels der Spitzen 22 ein verbessertes Signal/Rausch-Verhältnis des durch die Elektrode 10 akquirierten Biopotentials. Eine weitere bedeutende Fehlerquelle in akquirierten Biopotentialen sind Bewegungsartefakte. Wie oben erwähnt, sind Bewegungsartefakte möglicherweise auf eine Bewegung des Patienten, auf eine Bewegung der Elektrode oder auf eine Bewegung der (nicht dargestellten) Anschlussleitungen zurückzuführen, die sich von der Elektrode zu einer (nicht dargestellten) Überwachungsvorrichtung erstrecken. Die Erfassung von Bewegungsarten kann genutzt werden, um möglicherweise verfälschte Biopotentialdaten zu markieren, oder sie in einer Kennzahl einer Biopotentialsignalgüte zu berücksichtigen, oder es kann eine Signalverarbeitung genutzt werden, um den geschätzten Bewegungsartefakt aus dem akquirierten Biopotential zu eliminieren. Die Elektrode 10 ist in der Lage, mittels der Integration eines Beschleunigungsmessers 16 in der Elektrode 10 eine verbesserte Biopotentialakquisition zu erreichen. Durch Anordnen des Beschleunigungsmessers 16 auf der Elektrode 10 kann der Beschleunigungsmesser eine durch die Elektrode 10 erfahrene Bewegung erfassen, mit dem Ergebnis einer verbesserten Abschätzung der in dem akquirierten Biopotential vorhandenen Bewegungsartefakte.
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Der Beschleunigungsmesser weist eine (nicht dargestellte) Prüfmasse auf, die über mehrere Federn 30 an dem Beschleunigungsmesser 16 aufgehängt ist. Eine Anzahl von Elektroden 32 sind strategisch so angeordnet, dass eine Beschleunigung der Prüfmasse gemessen werden kann. Spezielle Ausführungsbeispiele und Konstruktionen des Beschleunigungsmessers werden hierin mehr im Einzelnen offenbart.
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Der Beschleunigungsmesser 16 ist durch eine Schattenmaske 34 bedeckt, die die Komponenten des Beschleunigungsmessers schützt und eine elektrische Isolierung sowie eine Isolierung gegen Abscheidung bereitstellt. Kontaktflächen 36 auf dem Beschleunigungsmesser 16 ermöglichen, z. B. durch Drähte 20, elektrische Verbindungen zwischen den Komponenten. Ein Draht 20 stellte ausgehend von einer auf dem Beschleunigungsmesser 16 angeordneten Kontaktanschlussfläche 36 eine Verbindung mit der Elektronikschaltung 18 her. Die Ausführungsbeispiele der Elektronikschaltung 18 werden hierin insbesondere mit Bezug auf 4 eingehender beschrieben.
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2 veranschaulicht ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel einer Elektrode 50. Die Elektrode 50 ist als eine vertikale gestapelte Anordnung aufgebaut, die mit Blick auf die in 1 dargestellte horizontale Anordnung der Elektrode 10 eine abgewandelte Anordnung bildet. In der vertikalen gestapelten Anordnung der Elektrode 50 ist ausgehend von eine Siliziumsubstrat 54 ein Beschleunigungsmesser 52 ausgebildet. Wie oben in Zusammenhang mit 1 beschrieben, enthält der Beschleunigungsmesser eine (nicht dargestellte) Prüfmasse, die über eine Feder 56 an dem Substrat 54 aufgehängt ist, und strategisch angeordnete Elektroden 58, die dazu dienen, die Beschleunigung oder Verschiebung der Prüfmasse zu erfassen.
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Auf der Oberseite des Beschleunigungsmessers 52 ist eine Schattenmaske 60 abgeschieden, um den Beschleunigungsmesser zu schützen. Eine weitere Isolierschicht 62 ist auf der Oberseite der Schattenmaske 60 angeordnet, um eine zusätzliche elektrische Isolierung zwischen dem Beschleunigungsmesser 52 und den darüber gestapelten Komponenten bereitzustellen. Ein Draht 64 erstreckt sich ausgehend von einer auf dem Beschleunigungsmesser 52 vorhandenen Kontaktanschlussfläche 66 bis zu einer oberhalb der Isolierschicht 62 angeordneten Elektronikschaltung 68. Der Draht 64 stellt eine elektrische Verbindung zwischen dem Beschleunigungsmesser 52 und der Elektronikschaltung 68 her. Weiter ist eine mit Spitzen versehene Elektrode 70 auf die Elektronikschaltung 68 gestapelt. Die mit Spitzen versehene Elektrode 70 ist mit einer Silber- oder einer Silber/Silberchloridelektroplattierung 72 bedeckt, um die Leitfähigkeit der mit Spitzen versehenen Elektrode 70 zu verbessern. Die mit Spitzen versehene Elektrode 70 ist über ein Durchgangsloch 74 und einen Lötkontakthügel 76 mit der Elektronikschaltung 68 elektrisch verbunden.
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1 und 2 zeigen abgewandelte Ausführungsbeispiele für die hier beschriebenen integrierten Elektroden, und sowohl die Ausführungsbeispiele als auch Abwandlungen der speziell offenbarten Konstruktionen werden als in den Schutzumfang der Erfindung fallend erachtet.
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3A und 3B veranschaulichen abgewandelte Ausführungsbeispiele des hierin beschriebenen Beschleunigungsmessers, der in den im Vorliegenden beschriebenen Ausführungsbeispielen der Elektrode verwendet wird.
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3A veranschaulicht einen Beschleunigungsmesser 100, der dazu dient, Beschleunigungen in zwei zueinander senkrechten Richtungen zu erfassen. Während in einigen Ausführungsbeispielen ein die Beschleunigung in allen drei senkrechten Richtungen messender Beschleunigungsmesser erwünscht sein kann, können durch die Verwendung von Signalverarbeitung und einer Konstruktion eines strategischen Beschleunigungsmessers in hierin offenbarten Ausführungsbeispielen der Elektrode Beschleunigungsmesser effizient eingesetzt werden, die die Beschleunigung in zwei oder sogar nur in einer Richtung messen. Folglich, während die Beschleunigungsmesser nach 3A und 3B dazu eingerichtet sind, die Beschleunigung in zwei senkrechten Richtungen zu erfassen, versteht sich, dass diese Konstruktionen modifiziert werden können, um Beschleunigungen in einer oder drei senkrechten Richtungen zu messen, und in den Schutzbereich der vorliegenden Erfindung fallen.
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Der Beschleunigungsmesser 100 nach 3A enthält eine Prüfmasse 102, die, wie hierin insbesondere mit Bezug auf 5 näher beschrieben, auf Silizium basiert. Die Prüfmasse wird durch mehrere Federaufhängungen 106 an einem Tragrahmen 104 aufgehängt.
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Mehrere kapazitive oder ohmsche Sensoren oder Elektroden erstrecken sich sowohl ausgehend von der Prüfmasse 102 als auch von dem Rahmen 104 in orthogonalen Richtungen. Die Verschiebung der Prüfmasse 102 aufgrund der Beschleunigung des Beschleunigungsmessers 100 wird durch die Änderungen der Kapazität (oder Impedanz) zwischen der Elektrode 108, die sich ausgehend von der Prüfmasse erstreckt, und der Elektrode 110, die sich ausgehend von dem Rahmen 104 erstreckt, gemessen.
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Während der Beschleunigungsmesser 100 nach 3A mit vier Sätzen (112, 114, 116, 118) von Elektroden (108, 110) dargestellt ist, wobei in jede Richtung zwei Sätze (112, 116) (114, 118) ausgerichtet sind, versteht sich, dass abgewandelte Ausführungsbeispiele möglicherweise in jede Richtung lediglich einen Satz von ausgerichteten Elektroden 108, 110 benutzen. Beispielsweise kann der Beschleunigungsmesser 100 alternativ mit Elektrodensätzen 112 und 114 oder mit einer anderen ähnlichen Abwandlung verwirklicht sein.
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3B veranschaulicht ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel eines Beschleunigungsmessers 120. Anstatt in dem Beschleunigungsmesser 120 wie in dem Beschleunigungsmesser 100 die Konstruktion einer einzelnen Prüfmasse zu verwenden, um die Beschleunigung in mehrere Richtungen zu erfassen, basiert der Beschleunigungsmesser 120 auf zwei senkrecht ausgerichteten Beschleunigungsmessern, beispielsweise einem in Längsrichtung ausgerichteten Beschleunigungsmesser 122 und einem in Breitenrichtung ausgerichteten Beschleunigungsmesser 124. Jeder der Beschleunigungsmesser 122, 124 enthält eine Prüfmasse 126, die über mehrere Federn 130 an einem Rahmen 128 aufgehängt ist. Längliche Elektroden 132 oder Sensoren erstrecken sich ausgehend von der Prüfmasse 126. Außerdem erstrecken sich Sensoren oder Elektroden 134 ausgehend von dem Rahmen 128 parallel zu den sich von der Prüfmasse 126 aus erstrecken Elektroden 132. Die mit dem Beschleunigungsmesser 120 verbundene Elektronikschaltung (nach 1) erfasst die Änderung der Kapazität zwischen den länglichen Elektroden 132 und 134. Dies kennzeichnet die Verschiebung und Beschleunigung der Prüfmasse 126.
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Die Prüfmasse 126 des in Längsrichtung ausgerichteten Beschleunigungsmessers 122 wird aufgrund einer Beschleunigung in Richtung des Pfeils 136 verschoben. Die Prüfmasse 126 des in Breitenrichtung ausgerichteten Beschleunigungsmessers 124 wird aufgrund einer Beschleunigung in Richtung des Pfeils 138 verschoben.
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Als ein Ausführungsbeispiel kann der Beschleunigungsmesser 120 die Gesamtabmessung von 2,25 Millimeter in der Längsrichtung (L) und 1,5 Millimeter in der Breitenrichtung (W) aufweisen. Einer der Beschleunigungsmesser 122, 124 kann beispielsweise mit einer Länge von 1,5 Millimeter, einer Breite von 0,5 Millimeter und einer Höhe von 0,3 Millimeter bemessen sein. Allerdings sollen diese Abmessungen lediglich mit Blick auf die Abmessung und/oder Konstruktion der Beschleunigungsmesser beschränkend sein, die in der hierin beschriebenen Elektrode verwendet werden.
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4A und 4B veranschaulichen allgemein abgewandelte Ausführungsbeispiele der Elektronikschaltung, die in Verbindung mit der hierin beschriebenen Elektrode verwendet. werden.
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In 4A ist die Elektronikschaltung 200 von der Elektrode 202 unabhängig. Wie oben beschrieben, enthält die Elektrode 202 eine Mikroelektrode 204 mit einer Anzahl von Spitzen 206. Die Mikroelektrode 204 ist mit einem Substrat 208 verbunden, das einen Beschleunigungsmesser 210 aufweist.
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Die Elektronikschaltung 200 enthält einen Beschleunigungsmessschaltkreis 202 und einen Biopotentialverstärker 214. In einem Ausführungsbeispiel ist das Biopotential ein Elektroenzephalogramm (EEG); jedoch versteht sich, dass abgewandelte Ausführungsbeispiele verwendet werden können, um Elektrokardiograph-(EKG)-, Elektromyograph-(EMG)- oder beliebige sonstige Biopotentiale zu akquirieren.
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Der Beschleunigungsmessschaltkreis 212 stellt eine Quellspannung bereit, die über eine erste elektrische Anschlussleitung 216 an den Beschleunigungsmesser 210 angelegt wird. Die Quellspannung ist beispielsweise eine Sinuswelle mit einer Frequenz von 100 kHz. Eine solche hochfrequente Spannungsquelle ist für die Abmessung und Konstruktion des hierin offengelegten Beschleunigungsmessers 210 geeignet. Die Quellspannung wird an den Beschleunigungsmesser 210 angelegt, und ein Rückführungssignal wird auf einer zweiten elektrischen Anschlussleitung 218 an die Elektronikschaltung 200 ausgegeben. Das Rückführungssignal kann ein zusammengeführtes Signal sein, das sowohl das durch die Mikroelektrode 204 akquirierte Biopotentialsignal als auch das von dem Beschleunigungsmesser 210 stammende Beschleunigungssignal aufweist. Das zusammengeführte Signal wird sowohl an den Beschleunigungsmessschaltkreis 212 als auch an den Biopotentialverstärker 214 ausgegeben. In diesem Ausführungsbeispiel führt die an den Beschleunigungsmesser 210 ausgegebene hochfrequente Quellspannung dazu, dass der Beschleunigungsanteil des zusammengeführten Signals ebenfalls eine hohe Frequenz aufweist. Das Biopotentialsignal weist andererseits einen Frequenzanteil in einem niedrigen Frequenzbereich von beispielsweise zwischen 0,5 und 150 Hz auf. Folglich ist der Beschleunigungsmessschaltkreis 212 dazu eingerichtet, für niedrige Frequenzsignale, z. B. für das Biopotentialsignal, als eine hohe Impedanz zu erscheinen, und der Biopotentialverstärker 214 ist dazu eingerichtet, für Hochfrequenzsignale, z. B. für das Beschleunigungssignal, als eine hohe Impedanz zu erscheinen. Hierdurch wird das zusammengeführte Signal in der Elektronikschaltung 200 für die Verarbeitung jedes dieser Signale wirkungsvoll in die Beschleunigungs- und Biopotentialanteile aufgespalten.
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Der Beschleunigungsmessschaltkreis 212 kann die Verschiebung des Beschleunigungsmessers 210 auf vielfältigen Wegen erfassen. Der Beschleunigungsmessschaltkreis 212 kann die Änderungen der Kapazität erfassen, während die Elektroden des Beschleunigungsmessers 210 ihre gegenseitige Ausrichtung ändern. In einer Abwandlung kann der Beschleunigungsmessschaltkreis 212 ein Kapazitätsungleichgewicht erfassen, das an einander gegenüber liegenden Seiten des Beschleunigungsmessers 210 entsteht, während die Prüfmasse verschoben wird. In noch einem weiteren Ausführungsbeispiel wird der Beschleunigungsmessschaltkreis 212 genutzt, um das eine verhältnismäßig niedrige Frequenz aufweisende Signal der Prüfmassenbewegung als eine Hüllkurve auf dem (100 kHz aufweisenden) Hochfrequenzanteil des zusammengeführten Signals zu erfassen.
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Wie in 4A dargestellt, verbinden die erste elektrische Anschlussleitung 216 und die zweite elektrische Anschlussleitung 218 die Elektronikschaltung 200 mit der Elektrode 202. Die Längen der ersten elektrischen Anschlussleitung 216 und der zweiten elektrischen Anschlussleitung 218 können daher beliebig im Bereich von wenigen Zentimetern bis zu einem Meter oder mehr bemessen sein. Die erste elektrische Anschlussleitung 216 und die zweite elektrische Anschlussleitung 218 können als ein Draht in Form eines Kabels verwirklicht sein; oder es können in abgewandelten Ausführungsbeispielen drahtlose Verbindungen genutzt werden.
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4B veranschaulicht ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel der Elektronikschaltung 220 und der Elektrode 222 gemäß der vorliegenden Erfindung.
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Die Elektrode 222 enthält eine Mikroelektrode 224, die mehrere elektrisch leitende Spitzen 226 aufweist.
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Die Elektrode 222 enthält ferner ein Substrat 228, in dem ein Beschleunigungsmesser 230 ausgebildet ist. Eine isolierende Schicht 232 ist zwischen die Mikroelektrode 224 und das Substrat 228 gebunden, um eine elektrische Isolierung zwischen der Mikroelektrode 224 und dem Substrat 228 bereitzustellen.
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Die Elektronikschaltung 220 enthält einen Beschleunigungsmessschaltkreis 234 und einen Biopotentialverstärker 236. Die Elektronikschaltung 220 ist mit der Elektrode 222 mechanisch und elektronisch verbunden. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Elektronikschaltung 220 mechanisch mit dem Substrat 228 verbunden, und der Beschleunigungsmesser 230 ist über eine elektrische Verbindung 238 mit dem Beschleunigungsmessschaltkreis 234 elektrisch verbunden. In ähnlicher Weise ist die Mikroelektrode 224 über eine elektrische Verbindung 240 mit dem Biopotentialverstärker 236 elektrisch verbunden.
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4C veranschaulicht ein weiteres Ausführungsbeispiel der Elektrode und der Elektronikschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung. In Vergleich zu den zuvor mit Bezug auf 4A und 4B offenbarten Systemen veranschaulicht das System von 4C eine hybride Verwirklichung, die die Elektronikschaltung 250 in eine mechanisch mit der Elektrode 254 verbundene Front-End-Einrichtung 252 und eine Back-End-Einrichtung 256 aufspaltet, die von der Vorderseite 252 beabstandet ist, jedoch mit der Front-End-Einrichtung 252 und der Elektrode 254 elektrisch verbunden ist.
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Die Back-End-Einrichtung 256 enthält eine Wechselspannungsquelle 258. Die Wechselspannungsquelle 258 stellt der Front-End-Elektronikschaltung 252 und der Elektrode 254 eine Wechselspannung mit einer exemplarischen Frequenz von etwa 100 kHz oder höher bereit. Die Back-End-Elektronikschaltung 256 nimmt ein Elektrodensignal 260 auf, das in einem Ausführungsbeispiel sowohl Beschleunigungssignaldaten als auch Biopotentialsignaldaten enthält. Die Beschleunigungssignaldaten können in Form eines amplitudenmodulierten Stromsignals vorliegen.
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Die Beschleunigungsmesselektronik 226 der Back-End-Einrichtung 256 kann daher dazu eingerichtet sein, für Signale mit niedriger Frequenz, beispielsweise ein Biopotential, als eine hohe Impedanz zu erscheinen. In einem Ausführungsbeispiel kann das Biopotential einen Frequenzanteil im Bereich von 0,5 Hz bis 150 Hz aufweisen. Die Konstruktion der Beschleunigungsmesselektronik 226 filtert somit das Biopotentialsignal wirkungsvoll aus dem Elektrodensignal 260 aus, während dieses in die Beschleunigungsmesselektronik 262 eintritt. Innerhalb der Beschleunigungsmesselektronik 262 verarbeiten ein Nebenschlusswiderstand 264 und ein Verstärker 266 den Strom des Elektrodensignals 260. Dieses wird an einen Beschleunigungsdetektor 268 ausgegeben, der die erfasste Beschleunigung bestimmt, indem er in einem Ausführungsbeispiel eine Hüllkurve des amplitudenmodulierten Stromsignals berechnet.
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Ein Biopotentialverstärker 270 ist außerdem mit dem Elektrodensignal 260 verbunden. Im Gegensatz zu der Beschleunigungsmesselektronik 262 kann der Biopotentialverstärker 270 mit dem Ziel konstruiert sein, für hochfrequente Signale als eine hohe Impedanz zu erscheinen, und der Biopotentialverstärker 270 verstärkt daher lediglich den Biopotentialsignalanteil des Elektrodensignals 260. In einer Abwandlung können getrennte (nicht dargestellte) Beschleunigungs- und Biopotentialsignale von der Elektrode 254 her akquiriert werden.
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Die Elektrode 254 enthält eine Mikroelektrode 272, die mehrere elektrisch leitende Spitzen 274 aufweist. Die Mikroelektrode 272 ist mit einem Substrat 276 verbunden, in dem ein Beschleunigungsmesser 278 ausgebildet ist. Die Elektrode 254 ist mit der Front-End-Elektronikschaltung 252 verbunden, die eine Spannungsquelle 280 und einen Beschleunigungsschaltkreis 282 aufweist. Die Spannungsquelle 280 enthält einen Gleichrichter 284 und eine variable Spannungsquelle 284. Die variable Spannungsquelle 284 kann als eine spannungsgeregelte Stromkreisquelle oder als eine spannungsgeregelte Last durchgeführt sein. Die variable Energiequelle 286 nimmt das Elektrodensignal 260 und in einer Regelschleife ein von dem Beschleunigungsschaltkreis 282 ausgegebenes Beschleunigungssignal 288 auf. Die variable Energiequelle 286 und der Gleichrichter 284 verarbeiten die durch die Wechselspannungsquelle 258 bereitgestellte Wechselstromquellenspannung. Die variable Energiequelle 286 und der Gleichrichter 284 konditionieren das Wechselstromsignal, so dass es geeignet ist, um an den Beschleunigungsmesser 278 ausgegeben zu werden. Der Beschleunigungsschaltkreis 282 enthält außerdem einen Oszillator 290 und einen Verstärker 292, um die Beschleunigung des Beschleunigungsmessers 278 zu detektieren. Der Beschleunigungsschaltkreis 282 erzeugt das Beschleunigungssignal 288, das in der oben erwähnte Regelschleife zu der variablen Energiequelle 286 rückgeführt wird.
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Der Beschleunigungsschaltkreis 282 kann die Verschiebung des Beschleunigungsmessers 278 auf vielfältigen Wegen erfassen. Der Beschleunigungsschaltkreis 282 kann die Änderungen von Kapazitäten erfassen, während die Elektroden des (nicht dargestellten) Beschleunigungsmessers 278 ihre gegenseitige Ausrichtung ändern. In einer Abwandlung kann der Beschleunigungsschaltkreis 282 ein Kapazitätsungleichgewicht erfassen, das wird an einander gegenüber liegenden Seiten des Beschleunigungsmessers 278 entsteht, während die Prüfmasse verschoben wird. In noch einem weiteren Ausführungsbeispiel kann ein Detektor 294 genutzt werden, um das verhältnismäßig niederfrequente Beschleunigungssignal der Bewegung. der Prüfmasse als eine Hüllkurve auf dem hochfrequenten Quellspannungssignal zu erfassen.
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Somit ist die Elektronikschaltung 250 in dem in 4C dargestellten Ausführungsbeispiel auf die Front-End-Elektronikschaltung 252 und auf die Back-End-Elektronikschaltung 256 aufgeteilt. Die Front-End-Elektronikschaltung 252 ist mechanisch mit der Elektrode 254 verbunden, beispielsweise indem sie mechanisch mit dem Substrat 276 verbunden ist. Das Elektrodensignal 260 wird von der Elektrode 254 und der Front-End-Elektronikschaltung 252 über einen Anschlussdraht 296 an die Back-End-Elektronikschaltung 256 ausgegeben. Folglich können die Front-End-Elektronikschaltung 252 und die Back-End-Elektronikschaltung 256 im Bereich von einigen Zentimetern bis über einen Meter beabstandet sein. Dieser Abstand würde durch den Anschlussdraht 296 überbrückt werden. In einer Abwandlung versteht sich, dass der Anschlussdraht 296 durch eine beliebige Art einer elektrischen Signalverbindung ersetzt werden kann, beispielsweise durch eine sonstige Form einer verdrahteten und/oder drahtlosen Verbindung.
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Die abgewandelten Durchführungen der Elektronikschaltung haben das Ziel, einen Vorteil aus verbesserten Signalverarbeitung an einer Stelle zu ziehen, die sich nahe an dem Punkt der Akquisition des Biopotentialsignals befindet. Durch ein Integrieren des Beschleunigungsmessers in die Elektrode, entspricht die durch den Beschleunigungsmesser erfasste Beschleunigung in hohem Maße den Bewegungskräften, die die Elektrode während einer Biopotentialakquisition erfährt. Dies beinhaltet sowohl Bewegungsartefakte aufgrund der Bewegung des Patienten als auch Artefakte, die auf die Bewegung der Elektrode selbst zurückzuführen sind. Die verbesserte Verarbeitung des Biopotentialsignals vor dessen Übertragung über eine elektrische Anschlussleitung verringert die Anfälligkeit des Signals gegenüber Bewegungsartefakten oder sonstigen elektromagnetischen Artefakten, die auf die Übertragung über den Anschlussdraht zurückzuführen sind. Allerdings kann die Verwirklichung der vollständigen Verarbeitungsschaltung auf jeder Elektrode, wie es in 4B gezeigt ist, die Abmessung, Komplexität und Kosten der fertigen Elektrode steigern. Folglich kann ein Wahl zwischen den Ausführungsbeispielen von einem speziellen Verwendungszweck oder Anwendung der Elektrode abhängen.
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5A–D veranschaulichen ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel einer Elektrode gemäß der vorliegenden Erfindung in unterschiedliche Stadien des Herstellungsverfahrens.
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Die Elektrode 300 basiert anfänglich im Wesentlichen auf einem Siliziumsubstrat 302, auf das eine Nitridschicht 304 und eine bordotierte Schicht 306 abgeschieden sind. Als Nächstes wird ein Kaliumhydroxid-(KOH)-Ätzverfahren verwendet, um den Elektrodenhohlraum 308 aus dem Siliziumsubstrat 302 herauszuarbeiten. Der Elektrodenhohlraum 308 stellt die Ausgangssituation dar, die später die Mikroelektrode 314 bildet. Darüber hinaus wird das Kaliumhydroxidätzverfahren weiter eingesetzt, um die Prüfmasse 310 für den endgültigen Beschleunigungsmesser 312 freizuätzen. Die bordotierte Schicht 306 hält die Prüfmasse 310 an Ort und Stelle, nachdem das die Prüfmasse umgebende Siliziumsubstrat 302 weggeätzt ist. Darüber hinaus wird ein Trockenätzverfahren genutzt, um Abschnitte 318 der bordotierten Schicht 306 zu entfernen, so dass zwischen der zukünftigen Mikroelektrode 314 und dem zukünftigen Beschleunigungsmesser 312 eine elektrische Isolation erzeugt wird.
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5C veranschaulicht Spitzen 316 der Mikroelektrode 314, die auf die bordotierte Schicht 306 galvanisiert sind. Die Spitzen 316 sind mit Blick auf Signalleitungs- und hypoallergene Eigenschaften dieser Materialien mit Silber oder Silber/Silberchlorid galvanisiert.
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Die Feder 320, die die Prüfmasse 310 tragen wird, wird auf der bordotierten Schicht 306 abgeschieden. In diesem Ausführungsbeispiel kann die abgeschiedene Feder 320 basierend auf Polysilizium hergestellt sein. In einer Abwandlung kann die Feder 320 aus der Hauptmasse des Siliziumsubstrats 302 ausgebildet sein und sie kann während des Kaliumhydroxidätzverfahrens erzeugt werden, das verwendet wurde, um die Prüfmasse 310 zu erzeugen.
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Eine oder mehrere Elektroden 322 sind auf die bordotierte Schicht 306 galvanisiert. Die Elektroden 322 sind diejenigen, die die Verschiebung der Prüfmasse 310 während einer Beschleunigung erfassen.
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Zuletzt wird ein Schwefelhexafluorid-(SF6)-Trockenätzverfahren genutzt, um die Abschnitte der bordotierten Schicht 306 selektiv zu entfernen, auf der die mit Spitzen versehene Elektrode 316, die Federn 320 und die Elektrode 322 abgeschieden oder galvanisiert wurden. Das Entfernen der bordotierten Schicht 306 gibt die Prüfmasse 310 frei, so dass sie durch die Federn 320 getragen wird und sich somit durch Beschleunigungskräfte bewegen lässt. In dem abgewandelten Ausführungsbeispiel, bei dem die Federn 320 auf der geätzten Hauptmasse des Siliziums basieren, führt das Lösen von der bordotierten Schicht 306 zu einem ähnlichen Ergebnis, bei dem die Prüfmasse 310 an den Federn 320 aufgehängt ist.
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Zu beachten ist, dass die in 5 dargestellte Elektrode 300 außerdem ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel einer horizontal angeordneten Elektrode veranschaulicht, die derjenigen von 1 ähnelt, jedoch ist die Elektrode 300 basierend auf einem einstückigen Siliziumsubstrat konstruiert, wohingegen die Elektrode 10 von 1 eine aus einzeln konstruierten Komponenten aufgebaute Baugruppe ist. Während die oben erwähnte Beschreibung des Aufbaus der Elektrode 300 lediglich als Beispiel für die Verfahren dienen soll, durch die sich die hierin offenbarten Elektroden erzeugen lassen, werden einem Fachmann darüber hinaus in der Regel Änderungen an den offenbarten Verfahren einfallen, was nicht beschränken soll.
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6 zeigt ein Flussdiagramm 400, das die Schritte des Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zum Messen eines Biopotentials veranschaulicht. In Schritt 402 und 404 wird ein Biopotential und eine Elektrodenbewegung 404 erfasst. Sowohl das Biopotential als auch die Bewegung werden auf derselben Elektrode erfasst und sie werden gleichzeitig erfasst, so dass ein Bewegungssignal hervorgebracht wird, das die tatsächliche Bewegung der Elektrode während der Erfassung des Biopotentials sehr genau kennzeichnet.
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Als Nächstes werden in Schritt 406 sowohl das Biopotential- als auch das Elektrodenbewegungssignal an eine elektronische Steuereinrichtung ausgegeben. Die elektronische Steuereinrichtung kann im Bereich von einigen Zentimetern bis zu einigen Metern von dem Patienten entfernt angeordnet sein.
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Als Nächstes wird in Schritt 408 das Biopotential unter Verwendung des Elektrodenbewegungssignals verarbeitet. Die Verarbeitung des Biopotentials in Schritt 408 kann eine Verwendung des Elektrodenbewegungssignals einschließen, um Teile des Biopotentials zu identifizieren, die in Schritt 410 durch Bewegungsartefakte verfälscht sind. Falls ein Teil des Biopotentials als durch einen Artefakt verfälscht identifiziert ist, können die verfälschten Teile in Schritt 412 markiert werden, so dass beide Abschnitte des Biopotentials in einer späteren Analyse unberücksichtigt bleiben oder geringer gewichtet werden. Anstelle des Markierens einzelner Teile des Biopotentials kann die elektronische Steuereinrichtung das Elektrodenbewegungssignal verwenden, um einen Biopotentialsignalgütekennwert zu erzeugen. Der Biopotentialsignalgütekennwert kann eine fortlaufende Kennzeichnung der Qualität des akquirierten Biopotentials beinhalten. Selbstverständlich würde die Anwesenheit erfasster Bewegungsartefakte die Signalqualität, wie durch den Kennwert gekennzeichnet, reduzieren. Das Elektrodenbewegungssignal kann genutzt werden, um die zugehörigen Bewegungsartefakte in den verfälschten Teilen in Schritt 414 zu eliminieren. Durch Akquirieren eines Elektrodenbewegungssignals in Schritt 404, das die tatsächliche Bewegung der Elektrode während einer Biopotentialakquisition sehr genau kennzeichnet, kann das Elektrodenbewegungssignal effizient genutzt werden, um die Bewegungsartefakte in dem akquirierten Biopotential auszufiltern.
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Die vorliegende Beschreibung verwendet Beispiele, um die Erfindung einschließlich des besten Modus zu beschreiben, und um außerdem jedem Fachmann zu ermöglichen, die Erfindung herzustellen und zu nutzen. Der patentfähige Schutzumfang der Erfindung ist durch die Ansprüche definiert und kann andere dem Fachmann in den Sinn kommende Beispiele umfassen. Solche anderen Beispiele sollen in den Schutzumfang der Ansprüche fallen, falls sie strukturelle Elemente aufweisen, die sich von dem wörtlichen Inhalt der Ansprüche nicht unterscheiden, oder falls sie äquivalente strukturelle Elemente mit unwesentlichen Unterschieden gegenüber dem wörtlichen Inhalt der Ansprüche enthalten.
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Ein Elektrodensystem 10, 50 zum Messen von Biopotentialsignalen enthält ein Substrat 12, 54. Eine Mikroelektrode 14, 70 ist mit dem Substrat 12, 54 verbunden. Ein Beschleunigungsmesser 16, 52 ist mit dem Substrat 12, 54 verbunden. Ein Biopotentialverstärker 214, 276 ist mit der Mikroelektrode 14, 70 elektrisch verbunden, und ein Beschleunigungsmessschaltkreis 212, 234 ist mit dem Beschleunigungsmesser 16, 52 elektrisch verbunden. Verfahren zum Messen eines Biopotentials eines Patienten beinhaltet den Schritt des Erfassens eines Biopotentials mittels einer Mikroelektrode 14, 70. Das Biopotential wird mit einem Verstärker verstärkt, der mit der Mikroelektrode 14, 70 elektrisch verbunden ist. Eine Bewegung der Elektrode wird mittels eines Beschleunigungsmessers 16, 52 erfasst, der in das Elektrodensubstrat 12, 54 integriert ist. Das erfasste Biopotential und die erfasste Bewegung werden an eine elektronische Steuereinrichtung 18 ausgegeben. Teile des erfassten Biopotentials, die einer erfassten Bewegung entsprechen, werden als durch Artefakte verfälschte Teile identifiziert.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Elektrode
- 12
- Basissubstrat
- 14
- Mikroelektrode
- 16
- Beschleunigungsmesser
- 18
- Elektronikschaltung
- 19
- Isolierende Schicht
- 20
- Draht
- 22
- Mit Spitzen versehene Elektroden
- 24
- Elektrodenhohlraum
- 26
- Silizium
- 28
- Bordotierte Schicht
- 30
- Feder
- 32
- Elektrode
- 34
- Schattenmaske
- 36
- Kontaktflächen
- 50
- Elektrode
- 52
- Beschleunigungsmesser
- 54
- Siliziumsubstrat
- 56
- Feder
- 58
- Elektroden
- 60
- Schattenmaske
- 62
- Isolierschicht
- 64
- Draht
- 66
- Steuerfeld
- 68
- Elektronikschaltung
- 70
- Mit Spitzen versehene Elektrode
- 72
- Elektroplattierung
- 74
- Durchgangsloch
- 76
- Lötkontakthügel
- 100
- Beschleunigungsmesser
- 102
- Prüfmasse
- 104
- Rahmen
- 106
- Federsitze
- 108
- Elektrode
- 110
- Elektrode
- 112
- Elektrodensatz
- 114
- Elektrodensatz
- 116
- Elektrodensatz
- 118
- Elektrodensatz
- 120
- Beschleunigungsmesser
- 122
- In Längsrichtung ausgerichtete Beschleunigungsmesser
- 124
- In Breitenrichtung ausgerichtete Beschleunigungsmesser
- 126
- Prüfmasse
- 128
- Rahmen
- 130
- Federn
- 132
- Längliche Elektroden
- 134
- Längliche Elektroden
- 136
- Pfeil
- 138
- Pfeil
- 200
- Elektronikschaltung
- 202
- Elektrode
- 204
- Mikroelektrode
- 206
- Spitzen
- 208
- Substrat
- 210
- Beschleunigungsmesser
- 212
- Beschleunigungsmessschaltkreis
- 214
- Biopotentialverstärker
- 216
- Erste elektrische Anschlussleitung
- 218
- Zweite elektrische Anschlussleitung
- 220
- Elektronikschaltung
- 222
- Elektrode
- 224
- Mikroelektrode
- 226
- Spitzen
- 228
- Substrat
- 230
- Beschleunigungsmesser
- 232
- Isolierende Schicht
- 234
- Beschleunigungsmessschaltkreis
- 236
- Biopotentialverstärker
- 238
- Elektrische Verbindung
- 240
- Elektrische Verbindung
- 250
- Elektronikschaltung
- 252
- Front-End-Elektronikschaltung
- 254
- Elektrode
- 256
- Back-End-Elektronikschaltung
- 258
- Wechselspannungsquelle
- 260
- Elektrodensignal
- 262
- Beschleunigungsmesselektronik
- 264
- Nebenschlusswiderstand
- 266
- Verstärker
- 268
- Beschleunigungsdetektor
- 270
- Biopotentialverstärker
- 272
- Mikroelektrode
- 274
- Spitzen
- 276
- Substrat
- 278
- Beschleunigungsmesser
- 280
- Spannungsquelle
- 282
- Beschleunigungsschaltkreis
- 284
- Gleichrichter
- 286
- Variable Energiequelle
- 288
- Beschleunigungssignal
- 290
- Oszillator
- 292
- Verstärker
- 294
- Detektor
- 296
- Anschlussdraht
- 300
- Elektrode
- 302
- Siliziumsubstrat
- 304
- Nitridschicht
- 306
- Bordotierte Schicht
- 308
- Elektrodenhohlraum
- 310
- Prüfmasse
- 312
- Beschleunigungsmesser
- 314
- Mikroelektrode
- 315
- Mit Spitzen versehene Elektroden
- 318
- Entfernte Abschnitte
- 320
- Feder
- 322
- Elektroden
- 400
- Flussdiagramm
- 402
- Schritt
- 404
- Schritt
- 406
- Schritt
- 408
- Schritt
- 410
- Schritt
- 412
- Schritt
- 414
- Schritt
