DE112019002492T5

DE112019002492T5 - Elektrisch funktionelle polymer-mikronadel-anordnung

Info

Publication number: DE112019002492T5
Application number: DE112019002492.2T
Authority: DE
Inventors: Neil Ebejer; Ute Drechsler; Patrick Ruch
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 2018-05-16
Filing date: 2019-04-09
Publication date: 2021-02-25
Anticipated expiration: 2039-04-10
Also published as: US10980448B2; CN112041982A; GB2587977A; WO2019220230A1; GB2587977B; JP7256821B2; GB202018033D0; US20190350500A1; DE112019002492B4; JP2021522872A; US20210106259A1

Abstract

Eine Sensoreinheit, wie beispielsweise ein Biosensor, kann ein Polymer-Substrat aufweisen, das so strukturiert ist, dass Sätze von Mikronadeln und jeweiligen Durchgangslöchern gebildet werden. Die Mikronadeln erstrecken sich jeweils von einer Basisfläche des Substrats aus. Jedes der Durchgangslöcher erstreckt sich durch eine Dicke des Substrats hindurch, so dass dadurch ein entsprechender Satz von Öffnungen an der Basisfläche gebildet wird. Jede der Öffnungen befindet sich benachbart zu einer jeweiligen der Mikronadeln. Die Einheit kann des Weiteren zwei oder mehr Elektroden aufweisen, wobei diese eine Messelektrode und eine Referenzelektrode umfassen. Jede Elektrode kann eine Schicht aus einem elektrisch leitenden Material aufweisen, die einen Bereich des Substrats so bedeckt, dass zumindest einige der Mikronadeln und der benachbarten Bereiche der Basisfläche bedeckt sind. Es können zugehörige Einheiten, Vorrichtungen und Verfahren zur Herstellung und zur Verwendung derartiger Einheiten bereitgestellt werden.

Description

HINTERGRUND
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich allgemein auf das Gebiet der Sensoreinheiten, insbesondere auf Biosensoren, die Mikronadeln und Elektroden zur Untersuchung eines Fluids aufweisen, insbesondere eines physiologischen Fluids. Sie bezieht sich des Weiteren auf zugehörige Verfahren zur Herstellung und den Betrieb.
Bei einem Sensor handelt es sich um eine Einheit oder ein Modul, das dazu verwendet wird, Vorgänge oder Änderungen von Eigenschaften (z.B. chemischen, physikalischen Eigenschaften) des Sensors oder der Umgebung des Sensors zu detektieren. Die erfassten Signale werden typischerweise durch eine Elektronik verarbeitet, die dieser enthält oder mit der dieser verbunden, z.B. fernverbunden, ist. Als eine wichtige Kategorie von Sensoren ermöglichen es Biosensoren, Daten in Bezug auf den physiologischen Zustand einer Person zu erhalten, und ermöglichen derart eine Reihe von Anwendungen im Gesundheitsbereich und im Bereich von medizinischen Anwendungen.
Besteht die Möglichkeit, Biomarker selektiv zu detektieren, ermöglicht dies ein effizientes Herankommen an nützliche Informationen, ohne auf erhebliche Datenbearbeitungen zurückzugreifen. Die derzeitige Technologie, die bei Biosensoren verwendet wird, geht in Richtung Schweiß-Erfassung. Bei Schweiß handelt es sich in der Tat um ein interessantes Medium für eine Untersuchung. Ein inhärenter Nachteil von Schweiß besteht jedoch darin, dass eine beträchtliche physische Aktivität erforderlich ist, um ein adäquates Probenvolumen zu erzeugen, es sei denn, es wird auf Schweiß hervorrufende Medikamente zurückgegriffen, was häufig nicht geeignet ist.
Es sind Mikronadel-Elektroden-Anordnungen bekannt, die diese Einschränkung überwinden, indem ein interstitielles Fluid untersucht wird. Derzeit bekannte Einheiten sind jedoch entweder schmerzhaft für den Endnutzer, schwierig anzuwenden und/oder während ausgedehnten Zeitspannen unbequem zu tragen. Darüber hinaus ist es möglich, dass die Auslegungen für derartige Einheiten für eine Massenfertigung nicht geeignet sind.
Die Veröffentlichung „Development of Low Cost Rapid Fabrication of Sharp Polymer Microneedles for In Vivo Glucose Biosensing Applications‟ (C. Barrett, K. Dawson, C. O'Mahony und A. O'Riordan, ECS Journal of Solid State Science and Technology, 4 (10) Seiten 3053 bis 3058 (2015)) beschreibt die Herstellung eines minimal invasiven transdermalen Sensors für eine direkte In-Vivo-Detektion von Glukose in einem interstitiellen Fluid auf Grundlage einer dualen Formtechnik unter Verwendung eines PDMS-Polymers. Das in dieser Veröffentlichung beschriebene Herstellungsverfahren wird jedoch von den aktuellen Erfindern als nicht leicht skalierbar angesehen. Darüber hinaus ist es ziemlich komplex, den Prozess, der für eine Vorstrukturierung der Elektrodenmaterialien verwendet wird, bei der Produktion zu realisieren.
KURZDARSTELLUNG
Gemäß einem ersten Aspekt ist die vorliegende Erfindung als eine Sensoreinheit ausgeführt, wie beispielsweise als ein Biosensor. Die Einheit weist ein Polymer-Substrat auf, das so strukturiert ist, dass Sätze von Mikronadeln und jeweiligen Durchgangslöchern ausgebildet sind. Die Mikronadeln erstrecken sich jeweils von einer Basisfläche des Substrats aus. Jedes der Durchgangslöcher erstreckt sich durch eine Dicke des Substrats hindurch, so dass dadurch ein entsprechender Satz von Öffnungen an der Basisfläche gebildet wird. Jede der Öffnungen befindet sich benachbart (d.h. nächstgelegen) zu einer jeweiligen der Mikronadeln. Die Einheit weist des Weiteren zwei oder mehr Elektroden auf, wobei diese eine Messelektrode und eine Referenzelektrode umfassen. Jede Elektrode weist eine Schicht aus einem elektrisch leitenden Material auf, die einen Bereich des Substrats so bedeckt, dass zumindest einige der Mikronadeln und der benachbarten Bereiche der Basisfläche bedeckt sind.
Ein Bereitstellen der Durchgangslöcher und entsprechender Öffnungen benachbart zu den Nadeln erhält die mechanische Stabilität des strukturierten Polymer-Substrats und vereinfacht den Herstellungsprozess insbesondere im Vergleich z.B. zu Lösungen, die auf hohlen Nadeln beruhen. Eine derartige Auslegung vereinfacht des Weiteren das Lösen des Substrats während eines Lift-Off-Prozessschritts, wie er in hierin beschriebenen bevorzugten Herstellungsverfahren enthalten ist. Darüber hinaus ermöglicht es die vorliegende Vorgehensweise, dass irgendein Bereich des Polymer-Substrats einschließlich innerer Leitungen der Durchgangslöcher bedeckt ist. Im Großen und Ganzen ermöglicht die vorstehende Auslegung eine leichte Herstellung von Sensoreinheiten, wie beispielsweise von Biosensoren, mit geeigneten Eigenschaften. Derartige Einheiten können unter weiteren Beispielen zum Beispiel für eine In-Vivo-Detektion von interstitiellen Fluiden oder für eine Prüfung von Nahrungsmitteln oder Medikamenten verwendet werden.
Bei bevorzugten Ausführungsformen, wie hierin beschrieben, weist jede der Mikronadeln eine (und vorzugsweise nur eine) Facette auf, die im Wesentlichen senkrecht zu der Basisfläche des Substrats ist, so dass in der Praxis spitzigere Nadeln resultieren. Die Öffnungen der Durchgangslöcher können sich zum Beispiel jeweils benachbart zu und an einer Basis der senkrechten Facette einer jeweiligen der Mikronadeln befinden. Die Standardabweichung von Winkeln zwischen derartigen senkrechten Facetten und der Basisfläche des Substrats ist z.B. kleiner als 4°.
Die mittlere Höhe der Mikronadeln ist vorzugsweise kleiner als oder gleich 400 µm. Diese Höhe wird senkrecht zu und von der Basisfläche des Substrats aus gemessen. Andererseits muss diese mittlere Höhe typischerweise größer als oder gleich 30 µm oder sogar 100 µm gestaltet werden, um in der Lage zu sein, die Probe in einer geeigneten Weise zu untersuchen.
Die Mikronadeln bilden gemäß Ausführungsformen eine Anordnung von Mikronadeln, so dass die Mikronadeln dadurch gemäß einem 2D-Gitter auf der Basisfläche des Polymer-Substrats verteilt sind. Der mittlere Abstand zu einem ersten Nachbarn zwischen Spitzen der Mikronadeln in der Anordnung ist in der Praxis vorzugsweise kleiner als oder gleich 3 mm. Jeder Abstand zum ersten Nachbarn wird parallel zu der Basisfläche des Polymer-Substrats gemessen. Vorteilhafterweise kann jedoch eine Bedingung zwischen dem Abstand zum ersten Nachbarn und der Höhe der Nadeln eingeführt werden. Das heißt, der mittlere Abstand zum ersten Nachbarn wird vorzugsweise größer als das Dreifache oder gleich dem Dreifachen der mittleren Höhe der Mikronadeln gestaltet, wobei diese mittlere Höhe gleich 30 µm bis 400 µm ist.
Jede der Schichten aus einem elektrisch leitenden Material der Elektroden bedeckt vorzugsweise jeweilige nicht überlappende Bereiche der Basisfläche des Substrats, z.B. um die Öffnungen herum, um so auch die Mikronadel-Facetten zu bedecken.
Die Sensoreinheit weist gemäß Ausführungsformen des Weiteren eine oder mehrere zusätzliche Elektroden auf. Jede zusätzliche Elektrode weist eine Schicht aus einem elektrisch leitenden Material auf, die einen jeweiligen Bereich der Basisfläche des Substrats teilweise bedeckt (einschließlich z.B. Facetten von Mikronadeln, die auf einem derartigen Bereich angeordnet sind), wobei der jeweilige Bereich nicht mit irgendeinem der Bereiche der Basisfläche überlappt, die mit den Materialschichten der anderen Elektroden der Einheit bedeckt sind.
Die Materialschichten der Elektrode können insbesondere so strukturiert sein, dass sie komplementäre Bereiche der Basisfläche des Polymer-Substrats bedecken, wobei die komplementären Bereiche zum Beispiel in verschiedenen Abschnitten der Basisfläche des Substrats angeordnet sein können.
Darüber hinaus ist eine oder jede der Elektroden vorzugsweise so strukturiert, dass sie entgegengesetzte Seiten des Substrats elektrisch verbindet (wobei sich die Basisfläche auf einer der entgegengesetzten Seiten befindet), um eine Verbindung zu/von den Elektroden zu erleichtern.
Das Polymer-Substrat weist gemäß Ausführungsformen zum Beispiel ein photosensitives Polymer auf, wie beispielsweise ein SU-8-Polymer, wenngleich auch andere Negativ-Photoresiste verwendet werden können.
Die Sensoreinheit weist typischerweise eine elektronische Auslese-Einheit auf. Jedoch kann die Einheit bei Varianten als ein Satz von Teilen bereitgestellt sein, wobei die Auslese-Einheit mechanisch angebracht werden kann und dadurch mit einem Sensorteil der Einheit elektrisch verbunden werden kann. Bei anderen Varianten können Verbindungsdrähte verwendet werden. Die elektronische Auslese-Einheit kann in sämtlichen Fällen ein Gehäuse sowie eine Elektronik aufweisen, die in dem Gehäuse verkapselt ist, wobei die Elektronik und das Gehäuse derart konfiguriert sind, dass die Elektronik in eine elektrische Verbindung mit den Elektroden gebracht werden kann. Die Elektronik ist ansonsten so konfiguriert, dass sie während des Betriebs der Sensoreinheit Signale liest, die von den Elektroden erhalten werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist die Erfindung als ein Verfahren zur Herstellung einer Sensoreinheit ausgeführt. Dieses Verfahren dreht sich im Wesentlichen um das Strukturieren und Gestalten eines Polymer-Substrats, um so Sätze von Mikronadeln und Durchgangslöchern ebenso wie Elektroden, die Bereiche des Substrats bedecken, wie bei den vorstehend beschriebenen Sensoreinheiten zu bilden.
Vorzugsweise jedoch und gemäß einem bevorzugten Aspekt ist die Erfindung als ein Verfahren zur Herstellung ausgeführt, bei dem Schichten aus einem elektrisch leitenden Material auf einer Opferschicht strukturiert werden, die eine Form beschichtet, die so strukturiert ist, dass eine inverse Struktur gebildet wird. Tatsächlich können die Schichten aus einem elektrisch leitenden Material und die Opferschicht vorteilhafterweise als ein Stapel strukturiert werden, der insgesamt die strukturierte Form beschichtet. Dann wird das Polymer-Substrat komplementär auf den Schichten aus einem elektrisch leitenden Material strukturiert, um einen Satz von Mikronadeln gemäß der inversen Struktur zu bilden. Auf diese Weise erstreckt sich jede Mikronadel von einer Basisfläche des Substrats aus. Das Polymer-Substrat wird ansonsten so strukturiert, dass es einen Satz von Durchgangslöchern aufweist, die sich jeweils durch eine Dicke des Polymer-Substrats hindurch erstrecken, so dass dadurch ein entsprechender Satz von Öffnungen an der Basisfläche des Polymer-Substrats gebildet wird. Darüber hinaus befindet sich jede der Öffnungen benachbart zu einer jeweiligen der gebildeten Mikronadeln. Schließlich wird die Opferschicht entfernt, um das Polymer-Substrat mit den darauf ausgebildeten Schichten aus einem elektrisch leitenden Material zu lösen. Im Endeffekt wird eine Sensoreinheit erhalten, die durch die Materialschichten gebildete Elektroden aufweist. Dank einer in einer geeigneten Weise definierten Elektroden-Strukturierung bedecken die Schichten aus einem elektrisch leitenden Material Bereiche des Substrats derart, dass sie zumindest einige der Mikronadeln und der benachbarten Bereiche der Basisfläche des Substrats bedecken.
Dieses Herstellungsverfahren weist gemäß Ausführungsformen des Weiteren eine Reihe von Anfangsschritten auf (vor dem Strukturieren der Schichten aus einem elektrisch leitenden Material auf der Opferschicht), die darauf ausgerichtet sind, die gewünschte inverse Struktur zu erhalten und einen leichten Lift-Off-Prozess zu ermöglichen. Das heißt, zunächst wird ein oxidiertes Silicium-Substrat erhalten, bei dem sich eine Oxidschicht auf der Oberseite des Substrats befindet. Dann wird die Oxidschicht strukturiert, um Öffnungen durch verbliebene Bereiche der Oxidschicht hindurch zu bilden. Als nächstes wird das Silicium-Substrat durch die gebildeten Öffnungen hindurch geätzt, um die inverse Struktur zu erhalten, so dass dadurch Hohlräume erzeugt werden, die komplementär zu den Mikronadeln geformt sind, die nachfolgend erzielt werden sollen. Die verbliebenen Bereiche der Oxid-Schicht werden anschließend entfernt, um die strukturierte Form zu erhalten. Schließlich wird die Opferschicht auf der strukturierten Form abgeschieden, so dass eine nachfolgende Strukturierung der Elektrodenschichten ermöglicht wird, die nach dem Lösen auf dem Substrat verbleiben sollen. Es ist jedoch anzumerken, dass die Opferschicht vorzugsweise zusammen mit anderen Metallschichten als ein Metallstapel auf der Form abgeschieden wird.
Die Strukturierung des Polymer-Substrats weist vorzugsweise ein selektives Einwirken einer Strahlungsquelle auf das Polymer auf, so dass eine Erhöhung der Spitzigkeit der Nadeln in der Praxis ermöglicht wird, wie die Erfinder beobachtet haben.
Gemäß bevorzugten Ausführungsformen werden die vorstehenden Schritte des Strukturierens der Materialschichten, des komplementären Strukturierens des Polymer-Substrats und des Entfernens der Opferschicht auf Wafer-Ebene ausgeführt. In diesem Fall wird das Polymer-Substrat auf Wafer-Ebene nach dem Lösen geteilt, um mehrere Sensoreinheiten zu erhalten, die jeweils ein strukturiertes Polymer-Substrat mit jeweiligen Elektroden und Sätzen von Mikronadeln, Durchgangslöchern und Öffnungen aufweisen, wie vorstehend beschrieben.
Gemäß einem letzten Aspekt ist die Erfindung als ein Verfahren zur Analyse eines Fluids ausgeführt. Im Wesentlichen beruht dieses Verfahren auf einer Sensoreinheit, wie vorstehend evoziert, die auf einen Körper angewendet wird (z.B. auf ein Nahrungsmittelprodukt oder ein Medikamentenprodukt, auf einen Bereich eines menschlichen Körpers oder eines Tiers etc.). Das Polymer-Substrat wird auf diesem Körper so angebracht, dass die Mikronadeln z.B. etwas in diesen Körper eindringen. Dadurch wird ermöglicht, dass ein Fluid eines Körpers mit einer oder mehreren Oberflächen der Elektroden in Kontakt kommt, die zu dem Körper hin freiliegen. Anschließend werden z.B. dank einer Auslese-Elektronikeinheit, wie beispielsweise vorstehend evoziert, Signale gelesen, die von den Elektroden erhalten werden.
Im Folgenden werden Einheiten, Vorrichtungen, Verfahren zur Herstellung und die Verwendung von Sensoreinheiten, wie beispielsweise vorstehend beschrieben, welche die vorliegende Erfindung ausführen, mittels nicht beschränkender Beispiele und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
Figurenliste
Die beigefügten Figuren, in denen sich gleichartige Bezugszeichen durchgehend in den einzelnen Ansichten auf identische oder funktionell gleichartige Elemente beziehen und die zusammen mit der nachstehenden detaillierten Beschreibung in die vorliegende Beschreibung integriert sind und einen Teil der vorliegenden Beschreibung bilden, dienen dazu, verschiedene Ausführungsformen zusätzlich darzustellen und verschiedene Grundgedanken und Vorteile sämtlich gemäß der vorliegenden Offenbarung zu erläutern, wobei in diesen Figuren:

1 eine 2D-Querschnittsansicht einer Sensoreinheit ist, welche die Einheit zeigt, die auf einem Körper angebracht ist, um interstitielle Fluide dieses Körpers gemäß Ausführungsformen der Erfindung zu untersuchen;
2 eine 2D-Querschnittsansicht eines Sensorteils einer Sensoreinheit gemäß Ausführungsformen ähnlich jener von 1 ist, die Mikronadeln und Durchgangslöcher zeigt, die in einem Polymer-Substrat ausgebildet sind. Es handelt sich um eine Querschnittsansicht entlang einer in 3 gezeigten Schnittlinie A-A;
3 eine Ansicht von oben ist, die dem Querschnitt von 2 entspricht und eine Sensoreinheit mit vier Elektroden gemäß Ausführungsformen zeigt, die auf der Oberseite des Polymer-Substrats ausgebildet und in Quadranten angeordnet sind;
4 bis 6 Ansichten von oben von Einheiten gemäß Varianten von 3 sind, wobei die auf der Oberseite des Polymer-Substrats ausgebildeten Elektroden unterschiedliche Anordnungen aufweisen;
7 ein vergrößerter Bereich der 2D-Querschnittsansicht von 2 ist, welche die Sensoreinheit gemäß Ausführungsformen des Weiteren im Betrieb darstellt;
8 ein Rasterelektronenmikroskop-Bild der strukturierten Polymer-Oberfläche einer vorliegenden Sensoreinheit gemäß Ausführungsformen ist, wobei die Einheit ansonsten der in 3 gezeigten Einheit ähnlich ist;
9 eine Sequenz ist, die Schritte einer Herstellung auf höherer Ebene für eine Sensoreinheit gemäß Ausführungsformen darstellt;
10 ein vergrößerter Bereich der 2D-Querschnittsansicht einer Form ist, wie sie nach Schritt S50 von 9 gemäß bevorzugten Herstellungsverfahren erhalten wird, auf der Elektrodenmaterialien als ein Stapel aus Metallschichten strukturiert wurden; und
11 und 12 2D-Querschnittsansichten eines Polymer-Substrats zeigen, wie es nach den Schritten S80 beziehungsweise S90 von 9 erhalten wird.

Die beigefügten Zeichnungen zeigen vereinfachte Darstellungen von Einheiten oder Bereichen derselben, wie sie in Ausführungsformen enthalten sind. In den Zeichnungen dargestellte technische Merkmale sind nicht zwangsläufig maßstabsgetreu. Gleichartigen oder funktionell gleichartigen Elementen in den Figuren wurden die gleichen Bezugszeichen zugewiesen, wenn nicht etwas anderes angezeigt ist.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
Zunächst wird unter Bezugnahme auf die 1 bis 8 ein Aspekt der Erfindung beschrieben, der sich mit einer Sensoreinheit 1 befasst. Die Einheit 1 (1) weist im Wesentlichen ein strukturiertes Polymer-Substrat 10 auf (2 bis 3 sowie 7 bis 8), das eine Anzahl von Varianten 10a bis 10c (4 bis 6) aufweisen kann und auf dem Elektroden aufgebracht sind, um Fluide zu erfassen, wie im Folgenden erläutert.
Wie in den 2 bis 3 sowie 7 bis 8 dargestellt, ist das Polymer-Substrat 10 so strukturiert, dass Folgendes gebildet wird: (i) ein Satz von Mikronadeln 16; ebenso wie (ii) ein Satz von jeweiligen Durchgangslöchern 17. Die Mikronadeln 16 erstrecken sich jeweils von einer Basisfläche S des Substrats 10 aus. Bei den Mikronadeln 16 handelt es sich nicht um hohle Nadeln; sie sind stattdessen mit spitzigen festen Stäbchen oder Spitzen zu vergleichen. Die Durchgangslöcher 17 erstrecken sich jeweils durch eine Dicke des Substrats 10 hindurch. Jedes Durchgangsloch 17 bildet eine entsprechende Öffnung 18 an der Basisfläche S. Jede Öffnung 18 befindet sich benachbart zu einer jeweiligen der Mikronadeln 16. Das heißt, jede Öffnung 18 befindet sich nächstliegend zu und vorzugsweise in der unmittelbaren Umgebung einer jeweiligen Mikronadel; die Öffnungen sind ausreichend entfernt von den Orten der Nadeln angeordnet, so dass es sich bei den Mikronadeln 16 nicht um hohle Nadeln handelt.
Die Einheit 1 weist ferner zwei oder mehr Elektroden 11 bis 15a auf. Die Elektroden weisen zumindest eine Messelektrode und eine Referenzelektrode auf. Jede Elektrode 11 bis 15a weist eine Schicht aus einem elektrisch leitenden Material auf, die einen Bereich des Substrats 10 bedeckt. Tatsächlich bedeckt jede Elektrode 11 bis 15a zumindest einige der Mikronadeln 16 ebenso wie der benachbarten Bereiche der Basisfläche S, wie in den 2 und 3 dargestellt. Bei Varianten können drei oder mehr Elektroden 11 bis 15a in einer ähnlichen Weise auf dem Substrat 10 ausgebildet sein.
Wie des Weiteren in den 2 bis 7 gezeigt, bedecken die Schichten aus einem elektrisch leitenden Material der Elektroden vorzugsweise Bereiche des Substrats 10 um die Öffnungen 18 herum derart, dass die Durchgangslöcher 17 nicht blockiert werden. Das heißt, in den Elektrodenschichten sind Öffnungen vorhanden, die mit den Öffnungen 18 übereinstimmen. In diesem Fall bilden freie Öffnungen 18 und Durchgangslöcher 17 Zugangsöffnungen, die zum Beispiel insbesondere für einen optischen Zugang (eine Einführungstiefe) oder für ein Einbringen eines antibakteriellen und/oder eines entzündlichen Gels oder weiter für ein Abführen von Schweiß (wie in 7 angenommen) verwendet werden können.
Bei Varianten ist es jedoch möglicherweise wünschenswert, dass eine freistehende Membran über den Öffnungen 18 verbleibt, um zum Beispiel einen Abtransport einer Flüssigkeit aus dem Einführungsbereich zu verhindern oder um bestimmte flüssige Komponenten selektiv zu filtern. Bei derartigen Varianten kann eine Polymer-Membran als eine Schicht des Stapels 70 angebracht werden, zum Beispiel mittels einer Aufschleuderbeschichtung oder einer Elektroabscheidung, um so die Polymer-Membran in der endgültigen Struktur der Einheit über den Öffnungen 18 hängend zu halten. Des Weiteren kann bewirkt werden, dass die Polymer-Membran undurchlässig für Feuchtigkeit ist, indem zum Beispiel eine ausreichende Dicke, z.B. größer als 5 µm, eines geeigneten Polymers (Polypyrrol, Polyanilin etc.) durch Elektroabscheidung aufgebracht wird. Eine Polymer-Membran, die für ausgewählte Moleküle durchlässig ist, z.B. Coffein, kann dagegen durch Elektroabscheidung einer Matrix erhalten werden, wie beispielsweise von molekular aufgedrucktem Polypyrrol. Derartige selektive Membranen können sich in der Praxis als nützlich erweisen, z.B. wenn es wünschenswert ist, bestimmte Analyte aus dem Einführungsbereich abzuführen, oder um im umgekehrten Fall bestimmte Verbindungen durch die Polymer-Membran hindurch mit einer definierten Rate und Reinheit in den Einführungsbereich einzubringen.
Eine Bereitstellung der Durchgangslöcher 17 und der entsprechenden Öffnungen 18 benachbart zu den Nadeln erhält die mechanische Stabilität des strukturierten Polymer-Substrats 10, insbesondere im Vergleich z.B. mit Lösungen, die auf hohlen Nadeln beruhen. Eine derartige Auslegung erfolgt des Weiteren, um das Lösen des Substrats 10 während des Lift-Off-Prozessschritts zu erleichtern, wie er in nachfolgend beschriebenen bevorzugten Herstellungsverfahren enthalten ist. Insgesamt ermöglicht die vorliegende Vorgehensweise eine leichte Herstellung einer Sensoreinheit mit geeigneten Eigenschaften.
Spezifischer bezugnehmend auf die 2, 7 weist jede der Mikronadeln 16 gemäß Ausführungsformen eine Facette 16p auf, die im Wesentlichen senkrecht zu der Basisfläche S des Substrats 10 ist. Jede Mikronadel 16 weist vorzugsweise nur eine derartige senkrechte Facette 16p auf. Ein Einführen von senkrechten Facetten 16p bei der Herstellung der Nadeln resultiert in der Praxis in spitzigeren Nadeln. Es ist anzumerken, dass die Bezeichnungsweise „senkrechte Facette“, wie sie hierin verwendet wird, bedeutet, dass eine Facette 16p mit der Basisfläche S (oder in einer äquivalenten Weise mit der mittleren Ebene des Substrats 10, bei dem es sich um ein im Wesentlichen planares Objekt handelt) einen Winkel bildet, wobei dieser Winkel zwischen 82° und 98° und vorzugsweise zwischen 87° und 93° liegt. Tatsächlich ermöglichen Herstellungsverfahren, wie sie hierin offenbart sind, in der Tat die Erzielung ziemlich senkrechter Facetten 16p, d.h. die Bildung eines Winkels von 90° mit dem Substrat 10 mit einer Standardverteilung, die typischerweise kleiner als 4° ist. Das heißt, Winkel, die durch die senkrechten Facetten 16p gebildet werden, sind im Wesentlichen gleich 90° ± 2°.
Die Öffnungen 18 der Durchgangslöcher 17 befinden sich gemäß Ausführungsformen jeweils benachbart zu und an der Basis der senkrechten Facette 16p einer jeweiligen der Mikronadeln 16, wie in den 2 bis 8 dargestellt. Dadurch wird eine leichte Abführung von Schweiß oder anderen Fluiden oder eine Einbringung eines Gels oder eine Fluids in der Umgebung einer Nadel ermöglicht, jedoch ohne die Integrität des mit Nadeln strukturierten Polymers zu beeinträchtigen. Die Öffnung sollte typischerweise eine rechteckige Form aufweisen oder zumindest eine Seite aufweisen, deren Länge im Wesentlichen gleich der Breite der senkrechten Facetten ist. Es können leicht noch weitere Öffnungsformen ausgeführt werden, wie beispielsweise halbkreisförmige Öffnungen.
Spezieller bezugnehmend auf 7 ist die mittlere Höhe der Mikronadeln 16 vorzugsweise kleiner als oder gleich 400 µm. Die Höhen der Mikronadeln werden senkrecht zu und von der Basisfläche S aus gemessen. D.h., bei dieser Höhe handelt es sich um den Abstand von der Spitze einer Nadel 16 bis zu der Basisebenenfläche S des Substrats 10. Andererseits muss diese mittlere Höhe typischerweise größer als oder gleich 30 µm oder sogar 100 µm gestaltet werden, um so die Probensammlung zu erleichtern. Darüber hinaus können Herstellungsbeschränkungen und -toleranzen typischerweise eine minimale Höhe für die Nadeln erfordern.
Nunmehr bezugnehmend auf die Ansicht von oben der 3 bis 6 können die Mikronadeln 16 typischerweise eine Anordnung von Mikronadeln 16 bilden. D.h., die Mikronadeln 16 sind vorzugsweise gemäß einem 2D-Gitter auf der Basisfläche S verteilt. Typischerweise wird auf eine in hohem Maße symmetrische Struktur gesetzt (wie beispielsweise ein quadratisches oder hexagonales Gitter), wenngleich auch andere Gitterstrukturen (z.B. rhombische oder rechtwinklige) in Erwägung gezogen werden können. Dennoch müssen die Nadeln nicht systematisch an jeder Gitterposition ausgebildet sein, wie aus 6 ersichtlich, wenngleich dies in typischen Anwendungen vorzugsweise der Fall ist, so dass im Übrigen die Auslegung und der Herstellungsprozess vereinfacht werden.
Bei den Beispielen der 3 bis 5 wird angenommen, dass der mittlere Abstand zu einem ersten Nachbarn zwischen Spitzen der Mikronadeln 16 kleiner als oder gleich 3 mm ist. Eine derartige obere Grenze resultiert in einer unteren Grenze für die Flächendichte von Nadeln, die für typische Biosensor-Anwendungen adäquat ist. Jeder Abstand zum ersten Nachbarn wird hier parallel zu der Basisfläche S gemessen. Dieser Abstand entspricht bei den Beispielen der 3 bis 5 einer Gitterstufe des 2D-Gitters (Quadrat). Darüber hinaus kann eingeführt werden, dass der Abstand zum ersten Nachbarn größer als das Dreifache oder gleich dem Dreifachen der mittleren Höhe der Mikronadeln 16 ist, wobei diese mittlere Höhe vorzugsweise größer als oder gleich 30 µm und kleiner als oder gleich 400 µm ist, wie zuvor angemerkt. Wie die aktuellen Erfinder aus den verschiedenen Tests geschlossen haben, die sie durchgeführt haben, ermöglicht eine Einführung dieser Bedingung unter der Voraussetzung einer angemessenen mittleren Höhe der Nadeln tatsächlich eine ausreichend dünnbesetzte Anordnung 10, 10a bis 10c von Nadeln, die für Biosensor-Anwendungen am besten geeignet ist, z.B. für eine Untersuchung eines interstitiellen Fluids. Das heißt, die resultierenden Auslegungen erfolgen so, dass sie für einen Nutzer, der den Sensor über eine ausgedehnte Zeitspanne hinweg trägt, ausreichend schmerzlos sind, während dennoch in der Praxis eine Untersuchung von ausreichenden Mengen von Fluiden ermöglicht wird. Im Ergebnis ist der mittlere Abstand (zum ersten Nachbarn) zwischen Spitzen der Nadeln typischerweise größer als 90 µm (wenngleich er den mm-Bereich erreichen kann). Er ist vorzugsweise größer als oder gleich 360 µm bei einer angenommenen Höhe der Nadeln von 120 µm.
In Bezug auf die Gesamtabmessungen ist die Dicke des Polymer-Substrats 10, 10a bis 10c (d.h. abgesehen von den Nadeln) typischerweise gleich 50 µm bis 500 µm. Die Kantenlängen des Polymer-Substrats können zum Beispiel gleich 1 mm bis 20 mm sein. Die Gesamtgestalt des Substrats 10 kann insbesondere rechteckig, kreisförmig sein oder kann irgendeine Gestalt aufweisen, die für die ins Auge gefasste Sensoranwendung geeignet ist (um z.B. vorteilhaft mit der Hautoberfläche übereinzustimmen, auf der sie platziert werden soll).
In Bezug auf die Materialien umfasst das Polymer-Material, das zur Strukturierung des Substrats 10, 10a bis 10c verwendet wird, vorzugsweise ein photosensitives Polymer, zum Beispiel ein photosensitives Polymer auf der Basis eines Epoxids, wie beispielsweise ein SU-8-Polymer. Bei Varianten können weitere Negativ-Photoresiste in Betracht gezogen werden, wie beispielsweise die sogenannten KMPR®-Polymere oder UVN®30-Polymere. Es können noch viele weitere polymere Materialien in Betracht gezogen werden. Darüber hinaus besteht jede Elektrode 11 bis 15a typischerweise aus einer Metallschicht 71 bis 75 (oder wahrscheinlicher aus einem Stapel 70 von Metallschichten, siehe 10), deren (dessen) Dicke typischerweise gleich 5 nm bis 500 nm (pro Schicht) ist. Gemäß bevorzugten Ausführungsformen weist ein derartiger Stapel 70 Gold 72, 74 (100 nm) und Titan 71, 75 (10 nm) auf, wobei eine Gold-Schicht 75 die freiliegende Oberfläche bildet, während die Titan-Schicht(en) dazu dient (dienen), die Haftung zwischen dem Gold und dem Polymer-Material zu fördern, das zur Strukturierung des Substrats 10, 10a bis 10c verwendet wird. Neben Gold umfassen weitere Metalle, die für Sensor-Anwendungen von Interesse sind, Platin und Silber. Die Metalle können des Weiteren behandelt werden, zum Beispiel durch eine elektrochemische oder thermische Oxidation oder eine chemische Chlorierung, um Sensormaterialien zu erhalten, die von Interesse sind. Weitere Materialien, wie beispielsweise Keramiken (z.B. TiN, RuO₂, IrO_x) oder Polymere (z.B. Membranen für ionenselektive Elektroden oder ISEs), die per se bekannt sind, können als Teil des Herstellungsprozesses oder nach dem Lösen des Polymers ebenfalls auf den Mikronadeln 16 abgeschieden werden, wie später unter Bezugnahme auf bevorzugte Herstellungsverfahren erläutert wird.
Wie in den 3 bis 6 dargestellt, kann jede der Schichten aus einem elektrisch leitfähigen Material der Elektroden 11 bis 15a so abgeschieden werden, dass sie jeweilige nicht überlappende Bereiche der Basisfläche S des strukturierten Substrats 10, 10a bis 10c bedeckt, z.B. um die Öffnungen 18 herum, und dass sie Facetten der Mikronadeln 16 ebenfalls bedeckt (einschließlich der senkrechten Facetten 16p).
Außer einer Messelektrode und einer Referenzelektrode kann die Sensoreinheit 1 des Weiteren eine oder mehrere zusätzliche Elektroden aufweisen. Die Sensoreinheit 1 kann zum Beispiel gemäß Ausführungsformen, wie beispielsweise in den 3 bis 6 dargestellt, des Weiteren zwei oder drei zusätzliche Elektroden 13, 14, 15a aufweisen. In einer ähnlichen Weise wie die Elektroden 11, 12 weisen derartige zusätzliche Elektroden jeweils eine oder mehrere Schichten aus einem elektrisch leitenden Material auf, wobei diese eine Schicht umfassen, die einen jeweiligen Bereich der Basisfläche S des Substrats teilweise bedeckt. Dieser jeweilige Bereich überlappt nicht mit irgendeinem der Bereiche der Basisfläche S, die ansonsten mit Materialschichten der anderen Elektroden 11, 12 etc der Einheit bedeckt sind. D.h. sämtliche Elektroden sind auf verschiedenen Bereichen der Basisfläche S angeordnet, so dass sie sich nicht in einem direkten elektrischen Kontakt befinden.
Die Materialschichten, die für die Elektroden verwendet werden, können zum Beispiel so strukturiert sein, dass sie komplementäre Bereiche der Basisfläche S bedecken. Derartige komplementäre Bereiche können mehr oder weniger kompakt sein, wie in den 3 bis 5 dargestellt, oder können im Gegensatz dazu wie in 6 eine vermischte oder verzahnte Struktur bilden. In sämtlichen Fällen können die leitenden Beschichtungen auf der Basisfläche S lateral voneinander getrennt sein, so dass sie sich nicht in einem direkten elektrischen Kontakt miteinander befinden. Bei Varianten kann auf der Oberfläche S explizit eine elektrische Barriere abgeschieden sein, um direkte elektrische Kontakte zu verhindern. Bei weiteren Varianten kann nach der Abscheidung der Schichten aus dem Elektrodenmaterial a posteriori ein Graben geöffnet werden, um so z.B. eine Anpassung der Elektrodenstrukturen gemäß spezifischen Anwendungen zu ermöglichen.
3 zeigt zum Beispiel Elektroden 11 bis 15a, die in Quadranten angeordnet sind. 4 zeigt eine Kreuzform, bei der die Elektrodenstrukturen symmetrisch in Bezug auf eine mittlere Kreuzelektrode sind, die zum Beispiel als eine Referenzelektrode dienen kann. 5 stellt konzentrische Elektrodenformen dar, die eine radiale Symmetrie (in der Ebene) aufweisen und vorteilhaft bei Anwendungen eingesetzt werden können, bei denen zum Beispiel ein radial symmetrischer Druck auf die Mikronadeln 16 angewendet werden muss. Die verzahnte Struktur von 6 ermöglicht eine große Interaktionsfläche (in der Ebene) zwischen den Elektroden, die zum Beispiel für Impedanz-/Konduktanz-Messungen geeignet sind. Allgemeiner kann die Struktur unter der Voraussetzung einer zur Verfügung stehenden Fläche angepasst werden, so dass sie Impedanz-/Konduktanz-Messanforderungen entspricht.
Es ist anzumerken, dass die Orientierung der Öffnungen 18 und der senkrechten Facetten 16p möglicherweise von einer Nadel zur anderen oder von einem Bereich der Oberfläche zu einem anderen im Gegensatz zu den Darstellungen der 3 bis 6 variiert. D.h. Nadeln und Öffnungen 18 müssen nicht systematisch identisch orientiert sein.
Bei dem Beispiel von 3 sind die komplementären Bereiche, auf denen die Elektroden strukturiert sind, in verschiedenen Abschnitten der Basisfläche S des strukturierten Substrats angeordnet. D.h., äußere Peripherien derartiger komplementärer Bereiche bilden Quadranten. Allgemeiner können die äußeren Grenzen der Abschnitte irgendeine konvexe 2D-Form bilden.
Wie des Weiteren aus den 2, 7 sowie 11, 12 ersichtlich, können die Elektroden 11 bis 15a gemäß Ausführungsformen des Weiteren so strukturiert sein, dass sie entgegengesetzte Seiten des Substrats 10 elektrisch verbinden. D.h., die Elektrodenmaterialien sind so angeordnet, dass sie die Basisfläche S auf der einen Seite mit der entgegengesetzten Seite des Substrats verbinden. Zum Beispiel können die zur Bildung der Elektroden verwendeten Schichten 71 bis 75 aus einem elektrisch leitenden Material ohne Unterbrechung das strukturierte Polymer-Substrat auf zusammenhängenden Seiten desselben bedecken, so dass sie aus Gründen der Ergonomie die obere Seite mit der unteren Seite des Substrats elektrisch verbinden. Das heißt, die strukturierte Seite des Substrats 10 kann auf einem Körper angebracht werden, um Mikro-Mengen von Fluiden, die von dem Körper herrühren, zu sammeln und zu analysieren, während eine Auslese-Elektronik 3 (siehe 1) auf der entgegengesetzten Seite bereitgestellt werden kann, um während des Betriebs der Sensoreinheit 1 von den Elektroden 11 bis 15a erhaltene Signale zu lesen, wie in den 1 und 7 dargestellt.
Unter erneuter Bezugnahme auf 1 kann die Sensoreinheit 1 im Detail des Weiteren eine Auslese-Elektronikeinheit 3, 5 aufweisen, wobei die letztere ein Gehäuse 5 und eine Elektronik 3 umfasst, die in dem Gehäuse 5 verkapselt ist. Die Elektronik 3 und das Gehäuse 5 sind derart konfiguriert, dass die Elektronik 3 in eine elektrische Verbindung mit den Elektroden 11 bis 15a gebracht werden kann, so dass die Einheit 3, 5 während eines Betriebs der Einheit 1 von den Elektroden 11 bis 15a erhaltene Signale liest. Diese Elektronikeinheit 3, 5 kann außerdem als eine periphere Einheit ausgelegt sein, die zum Beispiel so mit dem Sensorteil 10 der Einheit 1 verbunden ist, dass sie entfernt werden kann. Z.B. kann das Gehäuse 5 und/oder das strukturierte Substrat 10 einen Schnappverschluss-Mechanismus aufweisen, um die Elektronik 3 mit den Elektroden 11 bis 15a auf dem strukturierten Substrat 10 zu verbinden. Somit können die vorliegenden Einheiten 1 als ein Satz von Teilen bereitgestellt sein.
Spezifischer bezugnehmend auf 7 wird im Folgenden ein weiterer Aspekt der Erfindung erörtert, der sich mit einem Verfahren zur Analyse eines Fluids unter Verwendung einer Sensoreinheit 1 befasst, wie beispielsweise vorstehend beschrieben. Im Wesentlichen wird zunächst das Sensorteil der Einheit 1 (d.h. das strukturierte Polymer-Substrat 10) auf einem Körper 200 angebracht S200 (z.B. auf der Haut eines Menschen oder eines Tiers, auf einem Nahrungsmittelprodukt oder einem Medikament, wie beispielsweise einem Geliermittel). In Abhängigkeit von der Anwendung ist es möglich, dass die Mikronadeln 16 etwas in den Körper eindringen müssen oder nicht in den Körper eindringen müssen. Ein Anbringen des Substrats 10 auf dem Körper ermöglicht, dass ein von dem Körper erzeugtes Fluid mit einer freiliegenden Oberfläche der Elektroden 11 bis 15a in Kontakt kommt. Als nächstes werden von den Elektroden 11 bis 15a erhaltene Signale bei S300 gelesen, z.B. durch eine Elektronikeinheit 3, 5, so dass Daten in Bezug auf den Körper oder einen Zustand desselben gesammelt werden, wie in 7 vorgeschlagen.
Um des Weiteren den Grundgedanken des Auslesens darzustellen, werden im Folgenden bevorzugte Ausführungsformen unter Bezugnahme auf 1 beschrieben, in der ein Querschnitt eines Körperbereichs 200 dargestellt ist, der die menschliche Haut repräsentiert. Insbesondere ist die Dermis 203 gezeigt, d.h. eine Schicht der Haut zwischen der Epidermis 202 (unterhalb des Stratum Corneum 201) und subkutanem Gewebe, das die Epidermis 204 aufweist. Hierbei wird angenommen, dass die Sensoreinheit 1 eine Messelektrode, deren freiliegende Oberfläche aus TiN besteht, und eine Referenzelektrode umfasst, deren freiliegende Oberfläche aus AgCl besteht. Bei Einführen in das Medium 200, das H₃O⁺-Ionen aufweist, wie im Fall des interstitiellen Fluids, das in dem dermalen Bereich 204 vorhanden ist, kann eine Potentialdifferenz zwischen der Messelektrode und der Referenzelektrode erfasst werden, die über die Nernst-Gleichung mit der Aktivität der H₃O⁺-Ionen in dem Medium in Beziehung steht. Die Auslese-Einheit 3, 5, die mit den Elektroden elektrisch verbunden ist, kann in diesem Beispiel ein Voltmeter mit hoher Impedanz ebenso wie eine Datenerfassungseinheit und eine logische Einheit umfassen, die in Kombination Mittel für eine Aufzeichnung von Spannungssignalen als Funktion der Zeit bereitstellen.
Des Weiteren kann eine Signalverarbeitungs-Elektronik enthalten sein (oder mit der Auslese-Einheit 3, 5 fernverbunden sein), um die gemessenen Signale bei Bedarf zu filtern, zu verstärken und umzuwandeln. Kommunikationsprotokolle, wie beispielsweise das sogenannte I2C- oder UART-Protololl, können für eine Datenkommunikation innerhalb der Auslese-Einheit 3, 5 und in einem Bus implementiert sein, der die Auslese-Einheit 3, 5 mit weiteren Datenverarbeitungssystemen verbindet. Bei Bedarf kann die Auslese-Einheit 3, 5 des Weiteren eine drahtlose Kommunikationseinheit aufweisen, um die Daten z.B. dank irgendeines geeigneten drahtlosen Kommunikationsstandards zu den Datenverarbeitungssystemen zu transferieren.
Die Messelektrode und die Referenzelektrode können gemäß Ausführungsformen freiliegende Oberflächen aufweisen, die aus dem gleichen Material bestehen, zum Beispiel aus Gold, wobei in diesem Fall erwartet wird, dass die Potentialdifferenz zwischen diesen gleich Null ist. Nichtsdestoweniger kann mittels einer externen Schaltung (die z.B. einen Teil der Elektronik 3 bildet) ein Strom derart an diese Elektroden angelegt werden, dass die Höhe des Stroms über die Zeit hinweg sinusförmig variiert, so dass eine sinusförmig variierende Spannung über die zwei Elektroden hinweg erzeugt wird. Dabei kann der Zusammenhang zwischen der transienten Spannung und dem Stromverlauf dazu verwendet werden, einen impedimetrischen Sensor zu erhalten, der sensitiv in Bezug auf das Medium ist, das die zwei Elektroden umgibt. Für eine impedimetrische Erfassung weist die Auslese-Einheit 3, 5 typischerweise einen Signalgenerator und eine Impedanzbrücke auf. Als Alternative zu der Impedanzbrücke kann zum Zweck der Durchführung von impedimetrischen Messungen ein Lock-In-Verstärker oder ein Frequenzgang-Analysator in der Auslese-Einheit 3, 5 implementiert sein. Genauso wie bei vorstehend evozierten Varianten kann die Auslese-Einheit 3, 5 für den vorgesehenen Betrieb des Weiteren zusätzliche Einheiten aufweisen, z.B. eine Datenerfassungs-Einheit, eine logische Einheit, eine Signalverarbeitungseinheit sowie eine Kommunikationseinheit.
Die hierin ins Auge gefassten Biosensor-Anwendungen sind nicht auf eine Erfassung in vivo beschränkt. Wie zuvor erwähnt, kann die vorliegende Einheit auch dazu verwendet werden, Eigenschaften von Nahrungsmittelprodukten oder auch von Medikamentenprodukten oder des Weiteren irgendeines Materials zu erfassen, das in vitro verarbeitet wird.
Gemäß einem weiteren Aspekt kann die Erfindung ferner als Verfahren zur Herstellung einer Sensoreinheit 1 ausgeführt sein. Im Wesentlichen dreht sich ein derartiges Herstellungsverfahren um eine Strukturierung und Gestaltung S10 bis S90 (9 eines Polymer-Substrats 10, um einen Satz von Mikronadeln 16 und einen jeweiligen Satz von Durchgangslöchern 17 ebenso wie von Elektroden 11 bis 15a zu bilden, wie zuvor unter Bezugnahme auf die 1 bis 8 beschrieben.
Bezugnehmend auf 9 befasst sich ein besonders interessanter Aspekt der Erfindung mit einem Verfahren zur Herstellung, das auf einer inversen Struktur beruht. Bei einem derartigen Verfahren werden Schichten 11 bis 15a aus einem elektrisch leitenden Material auf einer Opferschicht 73 strukturiert (S50), die eine Form 55 beschichtet, die strukturiert wurde (S10 bis S40), um so die gewünschte inverse Struktur zu bilden.
Als nächstes wird ein Polymer-Substrat 90 komplementär auf den Schichten aus einem elektrisch leitenden Material strukturiert (S60 bis S70), um den Satz von Mikronadeln 16 zu bilden, d.h. gemäß der zuvor erhaltenen inversen Struktur. Die dementsprechend gebildeten Mikronadeln 16 erstrecken sich von einer Basisfläche S des Substrats 90 aus, die zu der Form hin freiliegt.
Dieses Polymer-Substrat wird ansonsten so strukturiert (S70), dass ein Substrat 100 mit einem Satz von Durchgangslöchern 17 gebildet wird, wobei sich jedes Durchgangsloch 17 durch eine Dicke des Substrats 100 hindurch erstreckt, so dass dadurch ein entsprechender Satz von Öffnungen 18 an der Basisfläche S des Substrats 100 gebildet wird. Dies wird durchgeführt, damit sich jede der Öffnungen 18 benachbart zu einer jeweiligen der Mikronadeln 16 befindet.
Schließlich wird die Opferschicht 73 entfernt (S80), um ein Lösen (S90) des Substrats 100 zu ermöglichen. Auf diese Weise kann ein strukturiertes Substrat 10, 10a bis 10c leicht erhalten werden, wie zuvor unter Bezugnahme auf die 1 bis 8 beschrieben.
Wie zuvor angemerkt, werden die Elektrodenmaterialien vorzugsweise als ein Stapel 70 aus Schichten strukturiert (S50). Die Reihenfolge der Schichten 71 bis 75, die in dem in Schritt S50 strukturierten Stapel 70 enthalten sind, stellt sicher, dass die Schichten 11 bis 15a aus einem elektrisch leitenden Material auf dem Substrat verbleiben, wenn das letztere gelöst wird, indem die Opferschicht 73 entfernt wird (S80). Auf diese Weise wird eine Einheit 1 erhalten, die durch die Materialschichten 11 bis 15a gebildete Elektroden 11 bis 15a aufweist, wobei derartige Schichten spezifische Bereiche des strukturierten Substrats 10 bedecken, wie zuvor unter Bezugnahme auf die vorliegenden Einheiten 1 erläutert.
Die Durchgangslöcher 17 werden vorzugsweise mittels eines photolithographischen Strukturierungsprozesses gebildet (S70). Das Polymer 100 kann zum Beispiel zunächst auf die Form 55 aufgeschleudert werden (S60), dann gehärtet werden (nicht gezeigt), und anschließend können die Durchgangslöcher 17 dank eines derartigen photolithographischen Prozesses strukturiert werden (S70).
Die 11 und 12 zeigen 2D-Querschnittsansichten eines Polymer-Substrats, wie es nach den Schritten S80 bzw. S90 von 9 erhalten wird. Das heißt, nach dem Strukturierungsprozess S60 bis S70 wird das Polymer-Substrat 90 auf der einen Seite mit Elektroden beschichtet (11). Dann ermöglicht eine weitere rückseitige Beschichtung (12), dass das Substrat bei Bedarf auch auf der entgegengesetzten Seite beschichtet wird. Auf diese Weise kann eine Elektrode 11 so strukturiert werden, dass sie entgegengesetzte Seiten des Substrats 10 elektrisch verbindet, wie aus 12 ersichtlich.
Es ist anzumerken, dass die Form 55, die in Schritt S40 erhalten wird und dann in Schritt S80 gelöst wird (80), vorteilhafterweise für einen neuen Zyklus von Schritten S50 bis S90 wiederverwendet werden kann. Aus im Folgenden erläuterten Gründen verbleiben wahrscheinlich restliche Materialschichten (z.B. Ti/Au) nach dem Lösen auf der Form 80.
Das Herstellungsverfahren kann gemäß Ausführungsformen des Weiteren eine Reihe von Anfangsschritten enthalten (vor der Strukturierung (S50) der Schichten 70 aus einem elektrisch leitenden Material), die darauf ausgerichtet sind, eine Form 55, 80 zu erhalten, die gemäß der gewünschten inversen Struktur strukturiert ist. Das heißt, zunächst kann ein oxidiertes Silicium-Substrat 51, 52 erhalten werden (S10), das eine Oxidschicht 52 aufweist, die auf der Oberseite des Substrats 51, 52 ausgebildet ist. Dann kann diese Oxidschicht 52 strukturiert werden (S20), um Öffnungen zu bilden (durch verbliebene Bereiche 52p der Oxidschicht hindurch). Als nächstes wird das Silicium-Substrat 51 durch die gebildeten Öffnungen hindurch geätzt (S30), um die inverse Struktur zu erhalten, so dass dadurch Hohlräume 60 erzeugt werden, die komplementär zu den Mikronadeln 16 geformt sind, die nachfolgend erhalten werden sollen. Schließlich werden die verbliebenen Bereiche 52p der Oxidschicht 52 entfernt (S40), um die strukturierte Form 55 zu erhalten, auf der die Opferschicht 73 abgeschieden wird (z.B. als Teil eines Metallstapels 70).
Eine Vorstrukturierung von Elektrodenmaterialien auf der Form, wie vorstehend erläutert, ermöglicht eine verbesserte Steuerung in Bezug auf die endgültigen Elektrodenpositionen; dadurch wird die Herstellung der Einheiten 1 insofern weiter erleichtert, als die strukturierte Form später wiederverwendet werden kann.
Zunächst kann zum Beispiel ein Substrat 10 aus thermischem SiO₂ mit 2 µm erhalten werden (S10), indem eine Siliciumoxid-Schicht SiO₂ über einen trockenen oder nassen Oxidationsprozess auf einer Silicium(Si)-Oberfläche aufgewachsen wird. Dann wird auf einen Ätzschritt (S20) mit einem induktiv gekoppelten Plasma (ICP) zurückgegriffen, um die obere Oxidschicht 52 zu strukturieren und dadurch die Hartmaske 52p zu bilden, die Öffnungen aufweist. Als nächstes ermöglicht ein Ätzschritt (S30) mit KOH durch die Öffnungen hindurch die Definition von Hohlräumen 60 innerhalb des Si-Bulk-Substrats 10, so dass dadurch eine inverse Struktur für die Nadeln erhalten wird. Das strukturierte Si-Substrat 55 dient anschließend als eine Form 55 für eine Strukturierung des Polymer-Substrats 10. Nach einer Entfernung (S40) von verbliebenen Bereichen 52p der Hartmaske wird schließlich die Opferschicht 73 (die z.B. Chrom aufweist, als Teil eines Stapels 70 aus Metallschichten) abgeschieden (S50), und eine Lochmaske wird dazu verwendet, die Elektrodenmaterialien an ausgewählten Stellen auf der Opferschicht 73 zu strukturieren (S50).
Gemäß bevorzugten Ausführungsformen weist der abgeschiedene Metallstapel Chrom 73 (50 nm), Gold 74 (100 nm) sowie Titan 75 (10 nm) auf, die in dieser Reihenfolge auf der Silicium-Form 55 abgeschieden werden, so dass dadurch eine vorstrukturierte Form 80 erhalten wird. Die Cr/Au/Ti-Sequenz von Schichten kann zum Beispiel aufeinanderfolgend auf einer verbliebenen Ti/Au-Doppelschicht einer Form 85 abgeschieden werden, wie sie aus einem vorherigen Zyklus S10 bis S90 erhalten wurde (d.h., wenn eine Form 85 wiederverwendet wird). Nach der Abscheidung (S60) und der Strukturierung (S70) des Polymer-Substrats 90 ermöglicht das Ätzen (S80) des Chroms 73 eine leichte Lösung (S90) der Polymer-Struktur 100 zusammen mit den Metallisierungsschichten 74, 75 aus Gold und Titan, wobei die Gold-Schicht eine freiliegende Oberfläche bildet. Die Titan-Schicht dient dazu, die Haftung zwischen dem Gold 74 und dem Polymer 100 zu fördern. Anstelle von Gold können weitere Metalle Platin oder Silber umfassen, wie zuvor angemerkt. Die Metalle können des Weiteren zum Beispiel durch eine elektrochemische oder thermische Oxidation oder durch eine chemische Chlorierung behandelt werden, um weitere Sensormaterialien zu erhalten, die von Interesse sind. Bei dem Herstellungsprozess S10 bis S90 oder nach dem Lösen (S90) des Polymers können ferner weitere Materialien verwendet werden, wie beispielweise Keramiken oder Polymere, wie auch zuvor evoziert.
Wenn eine Form 55, 80 zum ersten Mal bearbeitet wird, wird ein Metallstapel Ti/Au/Cr/Au/Ti, der in 10 jeweils mit den Bezugszeichen 71 bis 75 bezeichnet ist, aufeinanderfolgend auf einer strukturierten Form 55 abgeschieden (S50). Das nachfolgende Ätzen (S80) des Chroms 73 ermöglicht ein Lösen (S90) der Polymer-Struktur 100 zusammen mit den darauf ausgebildeten Au/Ti-Schichten 74, 75, während eine restliche Ti/Au-Doppelschicht 71, 72 auf der Form 85 verbleibt, die für einen nächsten Zyklus wiederverwendet werden kann, wie vorstehend angemerkt.
Gemäß bevorzugten Ausführungsformen kann der Schritt S70 des Weiteren ein selektives Einwirken einer geeigneten Strahlungsquelle auf das Polymer-Material umfassen, um so eine Erhöhung der Spitzigkeit der Nadeln zu ermöglichen, wie die Erfinder beobachtet haben. Zum Beispiel kann zunächst ein photosensitives Polymer (z.B. SU-8) auf die strukturierte Form 80 aufgeschleudert werden. Danach wird die Struktur 100 mit dem aufgeschleuderten Polymer über eine ausreichende Zeit hinweg, z.B. 1 Stunde bis 2 Stunden, in einem Vakuum-Ofen mit einer etwas erhöhten Temperatur von z.B. 50 °C platziert, um im Inneren der Form eingefangene Luft zu entfernen. Die dementsprechend erhaltene beschichtete Form wird dann aus dem Vakuum-Ofen entfernt und über zumindest 10 Stunden hinweg bei 95 °C erwärmt, um einen sogenannten Soft-Bake-Schritt abzuschließen, bei dem irgendein Lösungsmittel entfernt wird und die Viskosität des Polymers erhöht wird. Die Polymer-Beschichtung wird anschließend durch eine Maske hindurch, die eine Struktur von zu entfernenden Bereichen des Polymers definiert, gemäß einer empfohlenen Belichtungsdosis für das spezielle Polymer mit einer ultravioletten (UV) Lichtquelle belichtet. Im Anschluss an die Belichtung wird ein Hard-Bake-Schritt des Polymers abgeschlossen, indem die beschichtete Form zum Beispiel bei 95 °C mit einer Haltezeit von 15 Minuten bei dieser Temperatur erwärmt wird. Im Anschluss an sämtliche Belichtungsschritte und thermischen Behandlungsschritte wird die beschichtete Form schließlich in einer Entwicklerflüssigkeit platziert (z.B. SU-8 Propylenglycolmethyletheracetat oder PGMEA für SU-8), um unerwünschte Bereiche des Polymers in der endgültigen Struktur der Einheit zu entfernen. Wie für einen Fachmann verständlich, können die Temperaturen und Zeitdauern, die bei dem vorstehenden Beispiel beschrieben wurden, gemäß den Eigenschaften des speziellen verwendeten Polymers eingestellt werden (z.B. gemäß der chemischen Zusammensetzung, der Dicke etc.). Sobald sämtliche unerwünschten Bereiche des Polymers entfernt wurden, wird die geschichtete Form in eine Cr-Ätzflüssigkeit eingetaucht, und dem Cr-Ätzschritt (S80) wird eine ausreichende Zeit zugestanden, um das Polymer-Substrat 100 zu lösen. Vor S80 kann es von Vorteil sein, die Hydrophilizität der Polymer-Beschichtung zu erhöhen, indem ein kurzer Plasma-Veraschungsschritt auf die beschichtete Form angewendet wird (nicht gezeigt).
Gemäß besonders vorteilhaften Ausführungsformen können die Schritte S10 bis S90 auf Wafer-Ebene durchgeführt werden (24). D.h., unter der Annahme, dass eine in einer geeigneten Weise strukturierte Form 55 mit Wafer-Abmessung zur Verfügung steht, können die Schritte der Strukturierung (S50) der Materialschichten 11 bis 15a, der komplementären Strukturierung (S60 bis S70) des Polymer-Substrats und der Entfernung (S80) der Opferschicht 73 auf Wafer-Ebene ausgeführt werden. Nach der Entfernung (S80) der Opferschicht 73 zur Lösung (S90) der Polymer-Schicht auf Wafer-Ebene kann die letztere dann geteilt werden, um mehrere Sensorteile zu erhalten. D.h., jedes der schließlich erhaltenen Teile weist einen strukturierten Polymer-Substratbereich 10 mit jeweiligen Elektroden 11 bis 15a und Sätzen von Mikronadeln 16, Durchgangslöchern 17 und Öffnungen 18 auf.
Das Polymer 100 kann nach dem Lösen S90 zum Beispiel durch Chip-Vereinzelung desselben in Teile geteilt werden. Als Alternative zur Chip-Vereinzelung des Polymer-Substrats 10 können Kanten von einzelnen Einheiten während der Strukturierung des Polymer-Substrats 10 auf Wafer-Ebene (z.B. genauso wie die Durchgangslöcher 17) vordefiniert werden. So können einzelne Teile 10 der Einheit anschließend beim Entfernen der Opferschicht und vordefinierter Opferkanten gelöst werden, ohne dass eine weitere Notwendigkeit für eine Vereinzelung besteht. Als weitere Varianten können Zuschnittlinien strukturiert, werden um das Teilen z B durch Brechen der Teile der Einheit von Hand anschließend zu vereinfachen.
Wenngleich die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf eine begrenzte Anzahl von Ausführungsformen, Varianten und den beigefügten Zeichnungen beschrieben wurde, versteht es sich für den Fachmann, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können und Äquivalente substituiert werden können, ohne von dem Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Insbesondere kann ein Merkmal (von der Art einer Einheit oder von der Art eines Verfahrens), das in einer bestimmten Ausführungsform, einer bestimmen Variante angegeben oder in einer Zeichnung gezeigt ist, mit einem anderen Merkmal in einer anderen Ausführungsform, in einer anderen Variante oder in einer anderen Zeichnung kombiniert oder durch dasselbe ersetzt werden, ohne von dem Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Dementsprechend können verschiedene Kombinationen der Merkmale, die in Bezug auf irgendeine der vorstehenden Ausführungsformen oder Varianten beschrieben sind, ins Auge gefasst werden, die im Umfang der beigefügten Ansprüche verbleiben. Darüber hinaus können viele geringfügige Modifikationen vorgenommen werden, um eine spezielle Situation oder ein spezielles Material an die Lehren der vorliegenden Erfindung anzupassen, ohne von deren Umfang abzuweichen. Daher soll die vorliegende Erfindung nicht auf die speziellen offenbarten Ausführungsformen beschränkt sein, sondern die vorliegende Erfindung soll sämtliche Ausführungsformen enthalten, die in den Umfang der beigefügten Ansprüche fallen. Darüber hinaus können viel mehr Varianten in Betracht gezogen werden, als vorstehend explizit angerissen wurden. Zum Beispiel können möglicherweise andere Materialien als jene explizit angegebenen in Erwägung gezogen werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

„Development of Low Cost Rapid Fabrication of Sharp Polymer Microneedles for In Vivo Glucose Biosensing Applications‟ (C. Barrett, K. Dawson, C. O'Mahony und A. O'Riordan, ECS Journal of Solid State Science and Technology, 4 (10) Seiten 3053 bis 3058 (2015)) [0005]

Claims

Sensoreinheit, die Folgendes aufweist: ein Polymer-Substrat, das so strukturiert ist, dass es Folgendes bildet: einen Satz von Mikronadeln, die sich jeweils von einer Basisfläche des Substrats aus erstrecken; und einen Satz von Durchgangslöchern, die sich jeweils durch eine Dicke des Substrats hindurch erstrecken, so dass dadurch ein entsprechender Satz von Öffnungen an der Basisfläche gebildet wird, wobei sich jede der Öffnungen benachbart zu einer jeweiligen der Mikronadeln befindet; und zwei Elektroden, die eine Messelektrode und eine Referenzelektrode umfassen, die jeweils eine Schicht aus einem elektrisch leitenden Material aufweisen, die einen Bereich des Substrats so bedeckt, dass zumindest einige der Mikronadeln und der benachbarten Bereiche der Basisfläche bedeckt sind.
Sensoreinheit nach Anspruch 1, wobei die Schichten aus einem elektrisch leitenden Material Bereiche des Substrats um die Öffnungen herum so bedecken, dass die Durchgangslöcher nicht blockiert sind.
Sensoreinheit nach Anspruch 1, wobei jede der Mikronadeln eine Facette aufweist, die im Wesentlichen senkrecht zu der Basisfläche des Substrats ist.
Sensoreinheit nach Anspruch 3, wobei sich die Öffnungen der Durchgangslöcher jeweils benachbart zu und an einer Basis der senkrechten Facette einer jeweiligen der Mikronadeln befinden.
Sensoreinheit nach Anspruch 4, wobei die Mikronadeln jeweils lediglich eine Facette aufweisen, die im Wesentlichen senkrecht zu der Basisfläche ist.
Sensoreinheit nach Anspruch 5, wobei eine Standardabweichung von Winkeln zwischen den senkrechten Facetten der Mikronadeln und der Basisfläche kleiner als 4° ist.
Sensoreinheit nach Anspruch 1, wobei eine mittlere Höhe der Mikronadeln kleiner als oder gleich 400 µm ist, wobei diese Höhe senkrecht zu und von der Basisfläche aus gemessen wird.
Sensoreinheit nach Anspruch 7, wobei die mittlere Höhe größer als oder gleich 30 µm ist.
Sensoreinheit nach Anspruch 8, wobei die mittlere Höhe größer als oder gleich 100 µm ist.
Sensoreinheit nach Anspruch 1, wobei die Mikronadeln eine Anordnung von Mikronadeln bilden, so dass die Mikronadeln dadurch gemäß einem 2D-Gitter auf der Basisfläche verteilt sind.
Sensoreinheit nach Anspruch 1, wobei ein mittlerer Abstand zu einem ersten Nachbarn zwischen Spitzen der Mikronadeln in der Anordnung kleiner als oder gleich 3 mm ist, wobei jeder Abstand zum ersten Nachbarn parallel zu der Basisfläche gemessen wird.
Sensoreinheit nach Anspruch 1, wobei der mittlere Abstand zum ersten Nachbarn größer als das Dreifache oder gleich dem Dreifachen einer mittleren Höhe der Mikronadeln ist, wobei die mittlere Höhe größer als oder gleich 30 µm und kleiner als oder gleich 400 µm ist.
Sensoreinheit nach Anspruch 1, wobei jede der Schichten aus einem elektrisch leitenden Material der Elektroden jeweilige nicht überlappende Bereiche der Basisfläche des Substrats bedeckt.
Sensoreinheit nach Anspruch 13, wobei die Sensoreinheit des Weiteren eine oder mehrere zusätzliche Elektroden aufweist, die jeweils eine Schicht aus einem elektrisch leitenden Material umfassen, die einen jeweiligen Bereich der Basisfläche des Substrats teilweise bedeckt, wobei der jeweilige Bereich nicht mit irgendeinem der Bereiche der Basisfläche überlappt, die mit den Materialschichten der anderen Elektroden der Einheit bedeckt sind.
Sensoreinheit nach Anspruch 13, wobei die zwei Materialschichten des Weiteren so strukturiert sind, dass sie komplementäre Bereiche der Basisfläche bedecken.
Sensoreinheit nach Anspruch 15, wobei die komplementären Bereiche in verschiedenen Abschnitten der Basisfläche des Substrats angeordnet sind.
Sensoreinheit nach Anspruch 13, wobei eine oder jede der Elektroden des Weiteren so strukturiert ist, dass sie entgegengesetzte Seiten des Substrats elektrisch verbindet, wobei sich die Basisfläche auf einer der entgegengesetzten Seiten befindet.
Sensoreinheit nach Anspruch 1, wobei das Polymer-Substrat ein photosensitives Polymer aufweist, vorzugsweise ein photosensitives Polymer auf der Basis eines Epoxids.
Sensoreinheit nach Anspruch 1, wobei die Sensoreinheit des Weiteren eine Auslese-Elektronikeinheit aufweist, die Folgendes umfasst: ein Gehäuse; und Elektronik, die in dem Gehäuse verkapselt ist, wobei die Elektronik und das Gehäuse derart konfiguriert sind, dass die Elektronik in eine elektrische Verbindung mit den Elektroden gebracht werden kann, wobei die Elektronik ansonsten so konfiguriert ist, dass sie während des Betriebs der Sensoreinheit von den Elektroden erhaltene Signale liest.
Verfahren zur Herstellung einer Sensoreinheit, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Strukturieren und Gestalten eines Polymer-Substrats, um Folgendes zu bilden: einen Satz von Mikronadeln, die sich jeweils von einer Basisfläche des Substrats aus erstrecken; und einen Satz von Durchgangslöchern, die sich jeweils durch eine Dicke des Substrats hindurch erstrecken, so dass dadurch ein entsprechender Satz von Öffnungen an der Basisfläche gebildet wird, wobei sich jede der Öffnungen benachbart zu einer jeweiligen der Mikronadeln befindet; und zwei Elektroden, die eine Messelektrode und eine Referenzelektrode umfassen, die jeweils eine Schicht aus einem elektrisch leitenden Material aufweisen, die einen Bereich des Substrats so beschichtet, dass zumindest einige der Mikronadeln und der benachbarten Bereiche der Basisfläche bedeckt sind.
Verfahren zur Herstellung einer Sensoreinheit, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Strukturieren von Schichten aus einem elektrisch leitenden Material auf einer Opferschicht, die eine Form beschichtet, die so strukturiert ist, dass eine inverse Struktur gebildet wird; komplementäres Strukturieren eines Polymer-Substrats auf den Schichten aus einem elektrisch leitenden Material, um einen Satz von Mikronadeln gemäß der inversen Struktur zu bilden, so dass sich dadurch jede der Mikronadeln von einer Basisfläche des Substrats aus erstreckt, wobei das Polymer-Substrat so strukturiert ist, dass es einen Satz von Durchgangslöchern aufweist, die sich jeweils durch eine Dicke des Polymer-Substrats hindurch erstrecken, so dass dadurch ein entsprechender Satz von Öffnungen an der Basisfläche gebildet wird, und wobei sich jede der Öffnungen benachbart zu einer jeweiligen der gebildeten Mikronadeln befindet; und Entfernen der Opferschicht, um das Polymer-Substrat mit den darauf ausgebildeten Schichten aus einem elektrisch leitenden Material zu lösen, um eine Sensoreinheit mit Elektroden zu erhalten, die durch die Materialschichten gebildet werden, wobei die letzteren Bereiche des Substrats so bedecken, dass zumindest einige der Mikronadeln und der benachbarten Bereiche der Basisfläche des Substrats bedeckt sind.
Verfahren zur Herstellung nach Anspruch 21, wobei das Verfahren des Weiteren vor dem Strukturieren der Schichten aus einem elektrisch leitenden Material Folgendes umfasst: Erhalten eines oxidierten Silicium-Substrats mit einer Oxidschicht auf der Oberseite des Substrats; Strukturieren der Oxidschicht, um Öffnungen durch verbliebene Bereiche der Oxidschicht hindurch zu bilden; Ätzen des Silicium-Substrats durch die gebildeten Öffnungen hindurch, um die inverse Struktur zu erhalten, so dass dadurch Hohlräume erzeugt werden, die komplementär zu den Mikronadeln geformt sind, die nachfolgend erzielt werden sollen; Entfernen der verbliebenen Bereiche der Oxidschicht, um eine strukturierte Form zu erhalten; und Abscheiden der Opferschicht auf der strukturierten Form.
Verfahren zur Herstellung nach Anspruch 21, wobei das komplementäre Strukturieren des Polymer-Substrats des Weiteren ein selektives Belichten des Polymers mit einer Strahlungsquelle umfasst.
Verfahren zur Herstellung nach Anspruch 21, wobei die Schritte des Strukturierens der Materialschichten, des komplementären Strukturierens des Polymer-Substrats und des Entfernens der Opferschicht auf Wafer-Ebene ausgeführt werden, und wobei das Verfahren des Weiteren nach dem Entfernen der Opferschicht Folgendes umfasst: Teilen des Polymer-Substrats, um mehrere Sensoreinheiten zu erhalten, die jeweils ein strukturiertes Polymer-Substrat mit jeweiligen Elektroden und Sätzen von Mikronadeln, Durchgangslöchern und Öffnungen aufweisen.
Verfahren zur Analyse eines Fluids, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Bereitstellen einer Sensoreinheit, die Folgendes aufweist: ein Polymer-Substrat, das so strukturiert ist, dass Folgendes gebildet wird: ein Satz von Mikronadeln, die sich jeweils von einer Basisfläche des Substrats aus erstrecken; und ein Satz von Durchgangslöchern, die sich jeweils durch eine Dicke des Substrats hindurch erstrecken, so dass dadurch ein entsprechender Satz von Öffnungen an der Basisfläche gebildet wird, wobei sich jede der Öffnungen benachbart zu einer jeweiligen der Mikronadeln befindet; und zwei Elektroden, die eine Messelektrode und eine Referenzelektrode umfassen, die jeweils eine Schicht aus einem elektrisch leitenden Material aufweisen, die einen Bereich des Substrats so bedeckt, dass zumindest einige der Mikronadeln und der benachbarten Bereiche der Basisfläche bedeckt sind, Anbringen des Polymer-Substrats auf einem Körper z.B. derart, dass die Mikronadeln in den Körper eindringen und dass ermöglicht wird, dass ein Fluid des Körpers mit einer freiliegenden Oberfläche der Elektroden in Kontakt kommt, und Lesen von Signalen, die von den Elektroden erhalten werden.