DE60111125T2

DE60111125T2 - Herstellungsverfahren für eine medizinische elektrode

Info

Publication number: DE60111125T2
Application number: DE60111125T
Authority: DE
Inventors: Goran Stemme; Jan Peter Enoksson; Patrick Griss; Pekka Merilainen
Original assignee: Instrumentarium Oyj
Current assignee: Instrumentarium Oyj
Priority date: 2000-01-21
Filing date: 2001-01-20
Publication date: 2006-05-04
Anticipated expiration: 2021-01-21
Also published as: EP1164928A1; JP2003520094A; ATE296575T1; AU2542001A; WO2001052731A1; DE60111125D1; US20040054393A1; EP1164928B1

Description

Hintergrund der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Elektrode, die für eine Aufbringung auf die Haut einer lebenden Versuchsperson geeignet ist, um Biopotentiale zu erhalten und/oder eine Elektrostimulation bereitzustellen.
Auf die Haut aufgebrachte Elektroden, die Biopotentiale messen (d. h. Biopotentialelektroden), werden bei modernen klinischen und biomedizinischen Anwendungen (z. B. Elektrokardiographie, Elektromyographie, Elektroenzephalographie (EEG), kombinierten Periphernerven-Aktionspotentialen und hervorgerufenen Potentialen) verwendet. Die Charakteristika der Elektroden sind sehr wichtig, da eine Messungselektronikausrüstung, die mit den Elektroden gekoppelt ist, wahrscheinlich Artefakte oder irreführende Daten anzeigt, falls eine ungeeignete Elektrode verwendet wird.
Wichtige Nachteile gegenwärtig in Gebrauch befindlicher Elektroden beziehen sich auf eine Hautvorbereitung und die Verwendung eines Elektrolytgels (d. h. eine nasse Verwendung). Lange Anwendungszeiten, lange Stabilisierungszeiten, die für die Diffusion des Elektrolytgels in die Haut erforderlich sind, lange Reinigungszeiten, um das Gel nach einer Verwendung zu entfernen, ein geringer Komfort und eine große Elektrodengröße verkomplizieren die Verwendung standardmäßiger Elektroden. Eine Forschung zum Eliminieren oder Reduzieren der Unzweckmäßigkeiten standardmäßiger Elektroden hat zu mehreren neuen Ansätzen zum Messen von Biopotentialen geführt, einschließlich Nasicon-Keramikelektroden, auf einem Chip verstärkte Trockenelektroden und die Elektrode, die unter der Marke Zipprep verkauft wird. Siehe Non-Polarisable Dry Electrode Based on NASICON Ceramic, Ch. Gondran u. a., Medical & Biological Engineering & Computing, Mai 1995; An Active, Microfabricated, Scalp Electrode- Array for EEG Recording, Babak Alizadeh-Taheri, Rosemary L. Smith und Robert T. Knight, Sensors and Actuators A54, Elsevier Science S.A., 1996; und Low-cost Active Electrode Improves the Resolution in Biopotential Recordings, Alexander C. Metting VanRijn, Anthony P. Kuiper, Taco E. Dankers und Cees A. Grimpergen, 18th Int. Conf. of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society, Amsterdam, 1996.
Biopotentiale resultieren aus der elektrochemischen Aktivität einer bestimmten Klasse von Zellen, als erregbare oder aktive Zellen bekannt, die ein Teil von Nerven-, Muskel- oder Drüsengewebe sind. Innerhalb eines menschlichen Körpers sind aktive Zellen durch Körperflüssigkeiten umgeben, die eine hohe Cl^–-Konzentration aufweisen. Eine aktive Zelle wirkt als eine konstante Stromquelle, wenn dieselbe stimuliert wird, und erzeugt einen Ionenstrom innerhalb der Körperflüssigkeit. Dieser Strom bewirkt elektrische Biopotentiale innerhalb des menschlichen Körpers. Die Biopotentiale verringern sich in einer Amplitude bei einem steigenden Abstand von der aktiven Zelle. Die Erfassung von Biopotentialen ist deshalb eng mit der Erfassung des Ionenstroms verwandt, der durch die aktiven Zellen erzeugt wird. Da moderne Elektronik (d. h. EEG-Verstärker) einen Elektronenstrom benötigen, ist eine Biopotentialelektrode ein Wandler, der einen Ionenstrom in einen Elektronenstrom umwandelt. Diese Stromumwandlung ist möglich, wenn eine elektrochemische Elektroden-Elektrolyt-Grenzfläche bzw. -Schnittstelle eingerichtet werden kann (d. h. die menschlichen Körperflüssigkeiten wirken als das Elektrolyt und eine metallische Biopotentialelektrode als die chemische Elektrode).
Eine Hautanatomie ist eine andere wichtige Betrachtung bei Biopotentialmessungen. Die Haut zeigt eine Schichtarchitektur. Die äußere Hautschicht, Stratum Corneum (SC) wirkt als eine Fluidbarriere und weist deshalb elektrische Isolationscharakteristika auf. Dieselbe macht ferner die Verabreichung von Medikamenten auf der Haut weniger wirksam. Diese Schicht erneuert sich ständig selbst und besteht aus toten Zellen. Das Stratum Germinativum (SG) ist der Bereich, wo die Zellen sich teilen, wachsen und nach außen zu dem Stratum Corneum verschoben werden. Da das Stratum Germinativum aus lebenden Zellen gebildet ist, die vorherrschend aus Flüssigkeit bestehen, ist diese Schicht der Haut ein elektrisch leitendes Gewebe vergleichbar mit einem Elektrolyt. Die Dermis, die unter dem Stratum Germinativum liegt, enthält Gefäß- und Nervenkomponenten sowie Schweißdrüsen und Haarfollikel und ist ebenfalls elektrisch leitend. Es ist in der Dermis, in der Schmerz seine Ursprünge hat.
Wenn eine Metallelektrode auf eine unvorbereitete Oberfläche der Haut aufgebracht ist, resultieren sehr hohe Elektrode-Haut-Elektrode-Impedanzen (ESEI = Electrode-Skin-Electrode-Impedances), da keine direkte elektrochemische Elektrolyt-Elektrolyt-Grenzfläche mit den Körperflüssigkeiten eingerichtet werden kann. Deshalb erfordern herkömmliche Biopotentialelektroden eine spezielle Hautvorbereitung vor einer Aufbringung der Elektrode. Die zwei häufigsten Vorbereitungsverfahren sind Abrasion des Stratum Corneum und die Verwendung eines Elektrolytgels. Das Ziel einer Abrasion besteht darin, die Dicke des Stratum Corneum zu reduzieren. Eine vollständige Entfernung des Stratum Corneum jedoch ist schmerzhaft und nicht empfohlen. Alternativ kann ein Elektrolytgel, das eine hohe Konzentration leitfähiger Ionen aufweist, auf das Stratum Corneum aufgebracht werden. Das Gel diffundiert in das Stratum Corneum und verbessert die Leitfähigkeit desselben.
Die Kombination der oben dargelegten Vorbereitungsverfahren bietet die Möglichkeit eines Reduzierens der ESEI durch ein Erzeugen einer Elektrode-Elektrolyt-Grenzfläche. Jedoch sind wichtige Nachteile dieser Verfahren offensichtlich: Lange Anwendungszeiten, lange Stabilisierungszeiten (Diffusion des Elektrolytgels in die Haut), lange Reinigungszeiten (Entfernung des Gels nach einer Verwendung) und Unbehagen.
Biopotentialelektroden, die nicht auf einer elektrochemischen Elektrode-Elektrolyt-Grenzfläche basieren, wurden z. B. durch Babak Alizadeh-Taheri et al., oben, beschrieben. Diese Biopotentialelektroden sind aktiv (d. h. eine Signalverstärkung an der Elektrode) und verwenden kapazitive Erfassungsprinzipien. Die Hauptnachteile aktiver Elektroden sind hohe Kosten und eine Komplexität desselben.
Kurze Zusammenfassung der Erfindung
Gemäß der Erfindung ist ein Verfahren zum Bilden einer Struktur gemäß Anspruch 1 vorgesehen.
Die vorliegende Erfindung bietet einen neuen Ansatz für eine medizinische Elektrode, die auf die Haut einer lebenden Versuchsperson aufgebracht werden soll. Die Elektrode kann elektrische Biopotentiale erfassen, d. h. die Biopotentiale, die innerhalb des Körpers der lebenden Versuchsperson erzeugt und auf der Haut der lebenden Versuchsperson entwickelt werden, oder kann die Haut und tieferliegende Gewebeschichten mit elektrischen Impulsen elektrostimulieren.
Die Elektrode, die durch die vorliegende Erfindung gebildet ist, weist eine Mehrzahl von Einrichtungen, hierin „Spitzen" genannt, auf, um in die Haut einzudringen. Die Spitzen sind lang genug, um das Stratum Germinativum zu erreichen, und sind in der Lage, ein elektrisches Signal zu tragen. Die Spitzen sind an der Oberfläche derselben elektrisch leitfähig und sind miteinander verbunden, um ein Array zu bilden. Die Spitzen werden zu der gleichen Zeit und aus dem gleichen Material, wie einen ebenen Trägerbasisbauglied, gebildet, von dem die Spitzen sich erstrecken, und wenn die Spitzen durch ein Ätzen eines Wafers aus Silizium oder einem anderen Material gebildet sind, kann die Elektrode ein chipähnliches Element aufweisen.
Da das Spitzenarray der Biopotentialelektrode eine Einrichtung zum Eindringen in das Stratum Corneum einer lebenden Versuchsperson bereitstellt, kann die Elektrode als eine Einrichtung zum wirksamer Machen einer auf der Haut aufgebrachten Medikamentenlieferung bzw. Medikamentengabe dienen. Zu diesem Zweck ist ein Flüssigkeitshalter an dem Trägerbasisbauglied gegenüber der Oberfläche vorgesehen, an der die Spitzen gebildet sind und durch ein Loch oder Löcher in dem Basisbauglied der Haut zugeführt werden.
Verschiedene andere Merkmale, Aufgaben und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung und den Zeichnungen ersichtlich.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
In der Zeichnung ist gezeigt:
1a ist eine Querschnittsansicht einer medizinischen Elektrode mit Spitzen gemäß der vorliegenden Erfindung;
1b zeigt eine alternative Technik zum Befestigen eines Anschlussdrahts an der Elektrode der vorliegenden Erfindung;
2 ist eine detaillierte Ansicht einer Spitze, die einen Widerhaken umfasst, um ein Halten der Elektrode an der Haut der Versuchsperson zu verbessern;
3 ist eine detaillierte Ansicht eines Arrays von Spitzen, die bei der medizinischen Elektrode der vorliegenden Erfindung vorgesehen sind;
4a – 4g zeigen bestimmte Schritte eines Prozesses zum Bilden der medizinischen Elektrode der vorliegenden Erfindung;
5 zeigt die Aufbringung einer leitfähigen Schicht durch einen Prozess, der einen Neige- und Drehmechanismus verwendet;
6 zeigt ein Ausführungsbeispiel der medizinischen Elektrode mit einem Behälter für ein Medikament, das durch die Haut geliefert werden soll;
6a zeigt vergrößert ein modifiziertes Ausführungsbeispiel der Spitzen, die für eine Verwendung bei der medizinischen Elektrode geeignet sind, die in 6 gezeigt ist.
7 zeigt eine Messungsschaltungsanordnung zum Messen der ESEI von Biopotentialelektroden;
8 ist eine Nyquist-Auftragung, die die Reduzierung der ESEI bei der Elektrode der vorliegenden Erfindung zeigt;
9 ist eine weitere Nyquist-Auftragung, die die Reduzierung der ESEI bei der Elektrode der vorliegenden Erfindung zeigt; und
10 zeigt EEG-Ausgangssignale, die mit der Elektrode der vorliegenden Erfindung und mit einer herkömmlichen Elektrode erhalten werden.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Die medizinische Elektrode der vorliegenden Erfindung weist eine Basis auf, die ein Array von mikrodimensionierten Spitzen umfasst, die entworfen sind, um die äußere Haut schicht zu durchbohren, d. h. das Stratum Corneum, und um in das elektrisch leitfähige Stratum Germinativum einzudringen, um dadurch die hohen Impedanzcharakteristika des Stratum Corneum SC zu umgehen. Die Spitzen dürfen jedoch nicht die Gewebeschicht unter dem Stratum Germinativum erreichen, die Nerven und Blutgefässe enthält, um Schmerz oder Bluten der Versuchsperson zu vermeiden. Die Dicke des Stratum Corneum beträgt näherungsweise 10 bis 15 μm. Die Dicke des Stratum Germinativum beträgt etwa 50 bis 100 μm. Somit erzeugen Spitzen, die in die Haut mehr als 10 – 15 μm, aber weniger als 50 – 100 μm eindringen, eine schmerzfreie Elektrode-Elektrolyt-Grenzfläche bei dem Stratum Germinativum und wandeln den Ionenstrom, der durch aktive Zellen bewirkt wird, in einen Elektronenstrom um. Um dies zu erreichen, haben Experimente gezeigt, dass die Spitzenlänge einer Mehrzahl der Spitzen in dem Array in dem Bereich von 150 – 350 μm, möglicherweise sogar bei 500 μm liegen sollte.
Bei einer in 1 gezeigten medizinischen Elektrode 10 der vorliegenden Erfindung sind die Basen der Spitzen 12 mit einem Trägerbasisbauglied 14 in einem beabstandeten Array auf der Vorderseite des Basisbauglieds verbunden. Ein derartiges Array ist in 3 gezeigt. 3 zeigt ein Beispiel, bei dem die Spitzen 12 näherungsweise 160 μm lang und 40 μm breit sind. Die Spitzen und das Basisbauglied sind vorzugsweise beide aus dem gleichen Material hergestellt, wie beispielsweise einem mikrogefertigten Siliziumchip. Alle Spitzen 12 sind verbunden und dieselben sind somit alle bei dem gleichen Potential. Alternativ kann ein Polymerbasismaterial verwendet werden, um die Kosten der Elektrode zu reduzieren.
Um die wichtigste Rauschquelle bei einer Elektrode-Elektrolyt-Grenzfläche bzw. -Schnittstelle zu reduzieren, d. h. eine Polarisierbarkeit, sollten die Spitzen vorzugsweise mit einer Silber-Silberchlorid-Doppelschicht (Ag-AgCl-Doppelschicht) beschichtet sein, bei der sich ledig lich das AgCl in einem Kontakt mit dem Elektrolyt befindet. Siehe Optimum Electrolytic Chloriding of Silver Electrodes, L. A. Geddes, L. E. Baker und A. G. Moore, Med. & Biol. Engineering, Bd. 7, Pergamon Press, 1969. Die Vorteile von Silber und Verbindungen desselben sind ein niedriger spezifischer elektrischer Widerstand und eine biomedizinische Kompatibilität. Andere leitfähige Schichten können ebenfalls verwendet werden, oder, falls die Spitzen aus einem leitenden Material hergestellt sind, können dieselben ohne eine Aufbringung einer leitenden Schicht verwendet werden.
Die medizinische Elektrode 10 ist mit einer elektronischen Analysevorrichtung (nicht gezeigt) durch einen Anschlussdraht 16 verbunden. Da der Drahtdurchmesser für den Anschlussdraht 16 größer als die Länge der Spitzen ist, ist derselbe vorzugsweise an der Rückseite der Elektrode 10 angebracht, um irgendeinen Einfluss auf das ordnungsgemäße Eindringen der Spitzen 12 in die Haut zu vermeiden. Eine elektrische Verbindung der Vorderseite und der Rückseite der Elektrode muss eingerichtet sein. Deshalb können ein Durchgangsloch oder Durchgangslöcher 18, wie es in 3 gezeigt ist, gefertigt sein und beide Seiten des Trägerbasisbauglieds 12 mit Silber beschichtet sein. Indem besonders darauf geachtet wird, dass sich die vorderseitige und die rückseitige Leitfähige-Schicht-Beschichtung überlappen, wie es in 4(f) gezeigt ist, kann die notwendige Verbindung zwischen den Spitzen 12 und dem Anschlussdraht 16 hergestellt werden. Oder die Verbindung kann durch ein Überlappen leitfähiger Beschichtungen entlang der Kanten des Basisbauglieds erhalten werden.
Bei der trockenen Verwendung der mit Spitzen versehenen medizinischen Elektrode 10 der vorliegenden Erfindung ohne ein Elektrolytgel oder eine andere Hautvorbereitung sollte die Elektrode sicher an der haut der Versuchsperson angebracht sein, um zu ermöglichen, dass die Spitzen das Stratum Corneum durchbohren und in das Stratum Germinativum eindringen. Eine einfache Struktur zum Erreichen dieser An forderung weist eine dünne, ringförmige Scheibe 20 auf, die an der Rückseite des Trägerbasisbauglieds 14 befestigt ist. Der Durchmesser der Scheibe 20 übersteigt die Abmessung des Basisbauglieds 14. Ein ringförmiges Klebeband 22 wird auf die Scheibe gepasst und befestigt die Scheibe und die Elektrode 10 fest an der Haut, wenn dieselbe auf die Haut aufgebracht ist. Der Anschlussdraht 16 ist mit der Rückseite des Elektrodenchips durch ein Loch in der Mitte der Scheibe, wie es in 1a gezeigt ist, durch ein leitfähiges Epoxid 23 verbunden, und mit einem Epoxid 25 abgedichtet. Oder der Anschlussdraht kann durch einen leitfähigen Klebstoff angeklebt sein oder durch eine geeignete Klammerbefestigungseinrichtung befestigt sein, wie es z. B. in 1b gezeigt ist.
Eine Anbringung der medizinischen Elektrode 10 an der Haut der Versuchsperson kann auch durch ein Hinzufügen von Widerhaken 24 zu den Spitzen erreicht werden, wie es in 2 gezeigt ist, um die Elektrode direkt an der Haut anzubringen. Die Verbindung von mit Widerhaken versehenen Spitzen kann mit der Klebeband-Anbringung von 1a kombiniert werden, falls erwünscht.
Wenn dieselbe an der Haut der Versuchsperson angebracht ist, erhält die Elektrode 10 Biopotentialsignale oder liefert eine Elektrostimulation eines Körpergewebes. Die Elektrode der vorliegenden Erfindung kann ferner verwendet werden, um die Verabreichung von auf die Haut aufgebrachten Medikamenten zu verbessern. Zu diesem Zweck kann ein Medikamentenbehälter, wie beispielsweise eine flexible Kapsel 26, an der Rückseite der Elektrode vorgesehen sein, wie es in 6a gezeigt ist. Eine Mehrzahl von Durchgangslöchern können in dem Basisbauglied 14 vorgesehen sein, um das Medikament zu der Haut der Versuchsperson zu entladen, wenn die flexible Kapsel gedrückt wird. Das Eindringen in die Haut durch die Spitzen ermöglicht ein Durchlaufen des Medikaments durch das Stratum Corneum. Die Länge der Spitzen bei einer derartigen Anwendung sollte ebenfalls die gleiche wie für Elektroden ohne ein derartiges Merkmal sein, wobei so dem Patienten kein Schmerz zugefügt wird. Die Medikamentengabe bzw. -lieferung kann mit einer elektrischen Stimulation kombiniert sein.
Während die Fertigung dieser Spitzen für eine Medikamentengabe mit den in 3 gezeigten runden Spitzen realisiert werden kann, können dieselben auch durch ein Verwenden von mit einem Kanal versehenen Spitzen realisiert werden, wie es in 6a gezeigt ist. Die verbesserte Lieferung des Medikaments, das durch die Rillen geliefert wird, wird durch externe Druck- und/oder Kapillarkräfte ausgeführt, die auf das Medikament in den Rillen wirken. Der externe Druck kann durch ein Drücken auf die flexible Kapsel 26 erzeugt werden.
Oder die Spitzen können hohl hergestellt sein, wobei das Medikament durch Durchgangslöcher in dem Basisbauglied 14 ansprechend auf einen Druck auf der Kapsel vielen kleinen Injektionsnadeln ähnlich in die Spitzen geleitet wird.
Die Fertigung von Spitzen, die sich von der Ebene eines Siliziumwafers erstrecken, wurde in der technischen Literatur berichtet. Siehe z. B. Micromachined Needles for the Transdermal Delivery of Drugs, S. Henry, D. V. McAllister, M. G. Allen, und M. R. Prausnitz, Proceedings IEEE Micro Electro Mechanical Systems, 1998; Novel AFM Probes-Fabrication and Characterization, Anja Boisen, Ole Hansen und Siebe Bowastra, Micro Structure Workshop, 1998; und Micromachined, Silicon Based Electrode Arrays for Electrical Stimulation of or Recording from Cerebral Cortex, Richard A. Norman, Patrick K. Campbell und Kelly E. Jones, Proceedings IEEE Micro Electro Mechanical Systems, 1991.
Ein Merkmal der vorliegenden Erfindung ist, dass die Spitzen aus einem Wafer unter Verwendung eines neuen tiefenreaktiven Ionenätzprozesses (DRIE-Prozesses; DRIE = Deep Reactive Ion Etching) mit drei Schritten gebildet werden.
Die Schritte des Prozesses sind in 4a – 4f gezeigt. Erstens wird eine kreisförmige Oxidmaske 50, deren Muster unter Verwendung einer standardmäßigen Photolithographie erhalten wird, auf einen Siliziumwafer 52 aufgebracht und isotropisch untergeätzt (4a). Zweitens wird ein anisotropischer Prozess ausgeführt, um die Länge der Spitzen 12 zu definieren und um das Basisbauglied 14 zu bilden, wie es in 4b gezeigt ist. Drittens glättet eine zweite isotropische Ätzung, die angehalten wird, bevor die Maske vollständig untergeätzt ist, die Spitzen, und gibt denselben eine Form, die ein einfaches Eindringen in das Stratum Corneum erlaubt (4c). Da das Unterätzen nicht vollständig einheitlich ist, wird dieser Schritt angehalten, bevor die Oxidmasken von früh fertig gestellten Spitzen vollständig untergeätzt sind, da, falls die Oxidmasken herunterfallen oder an den Seitenwänden der Spitzen kleben würden, die scharfen Spitzen der Spitzen ernsthaft beschädigt würden. Wie es in 4 gezeigt ist, ermöglicht dies eine gute einzelne Steuerung der Spitzenform, -länge und des Durchmessers.
Bei einem gegebenen Wafer variieren Abmessungen weniger als +/– 2%. Die Länge und der Durchmesser der gefertigten Spitzen liegen typischerweise zwischen 100 und 210 Mikrometern bzw. 30 und 50 Mikrometern. Vorhergehend berichtete Fertigungsprozesse von Spitzen zeigten nicht diese einzelne Steuerung eines Herstellens langer Spitzen (> 150 Mikrometer) mit einer hohen mechanischen Festigkeit und einer Spitzenschärfe.
Um mit Widerhaken versehene Spitzen, in 2 gezeigt, zu erreichen, kann eine Kombination von Prozessen in einer aufeinanderfolgenden Sequenz eines isotropischen und eines anisotropischen DRIE-Prozesses, gefolgt durch einen Oxidationsprozess, gefolgt durch einen anisotropischen und einen isotropischen DRIE-Prozess, gefolgt durch eine Oxidentfernung und einen letzten isotropischen DRIE-Prozess verwendet werden.
Die Durchgangslöcher 18 werden in den Wafer 52 unter Verwendung eines thermisch aufgewachsenen Oxids als eine Stoppschicht (4d) und einem (111)-ausgerichteten Wafer 54, der mit einem schwarzen Wachs geklebt ist, als einem Vorderseitenschutz KOH-geätzt. Zusätzlich zu einem Wirken als eine Stoppschicht kann das Oxid für eine gesteuerte Entfernung der kreisförmigen Oxidmasken und zum Schärfen der Spitzen verwendet werden. Durch ein Ätzen des Oxids mit HF, können extrem scharfe Spitzenradien von weniger als 0,5 μm erhalten werden (4e).
Ein Aufbringungsprozess einer doppelseitigen leitfähigen Schicht, der ein mechanisches System verwendet, das den Wafer neigt und dreht (5), kann verwendet werden, um die Vorder- und die Rückseite des Wafers zu beschichten, der die Elektrode 10 enthält, die die Spitzen 12 umfasst. Dieser Prozess ermöglicht ein Überlappen der Vorder- und der Rückseitenbeschichtung bei dem Durchgangsloch, während eine einheitliche Beschichtung der Spitzenseitenwände beibehalten wird. Somit wird eine elektrische Verbindung der Vorderseite und der Rückseite sowie eine vollständige, homogene Spitzenbeschichtung erhalten. Die detaillierte Darstellung von 4f zeigt das Überlappen der zwei Silberschichten bei einem Durchgangsloch 18 und 3 zeigt die Vorderseite einer silberbeschichteten, mit Spitzen versehenen Elektrode.
Nachfolgend wird AgCl auf dem Ag über einen unkomplizierten elektrochemischen Zellprozess aufgewachsen, wie es in Geddes, et al., oben, beschrieben ist. Eine 0,9-Mol-Cl^–-Lösung, in die eine Referenzelektrode aus reinem Ag und der mit Spitzen versehene Elektrodenchip, der chloriert werden soll, getaucht werden, kann zu diesem Zweck verwendet werden. Durch ein Anlegen eines konstanten Stroms, wird der mit Spitzen versehene Elektrodenchip chloriert. Die Steuerung einer Stromdichte und einer Prozesszeit steuert die Dicke und die Qualität der AgCl-Schicht.
Nach einem Vereinzelungssägen des Wafers 52 werden die Elektrodenchips mit einem standardmäßigen Epoxidkleber z. B. auf Kunststoffringe 20 befestigt. Der Anschlussdraht 16 wird mit einem leitenden Epoxid 23 angebracht und mit einem standardmäßigen Epoxid 25 in der Elektrode 10 gesichert. Die mit Spitzen versehenen Elektrodenchips, die aus dem Wafer 52 erzeugt werden, können Größen von 1 × 1 mm² bis 5 × 5 mm² aufweisen.
Die medizinische Elektrode und die Spitzen können ebenfalls unter Verwendung einer Replikationstechnik gefertigt werden und in diesem Fall werden die DRIE-geätzten Spitzen für eine Fertigung des Masters für ein Gießen verwendet. Die Spitzen werden aus einem Kunststoffmaterial durch einen Spritzguss- oder Heißprägeprozess gefertigt.
Eine signifikante Charakteristik bei einem Erreichen einer hohen Leistungsfähigkeit von Biopotentialelektroden ist eine niedrige Elektrode-Haut-Elektrode-Impedanz (EsEI). Es wurden Messungen durchgeführt, um zu zeigen, dass mit Spitzen versehene Trockenelektroden, wie beispielsweise die Elektrode 10 der vorliegenden Erfindung, eine ESEI zeigen, die tatsächlich erheblich niedriger als herkömmliche Nasselektroden liegt. Es wurde ferner herausgefunden, dass dieselben weniger kompliziert zu verwenden, schneller aufzubringen und für die Versuchsperson komfortabler sind.
Die Messungsschaltungsanordnung zum Auswerten der ESEI von Biopotentialelektroden ist in 7 gezeigt. Ein Signal v ist eine sinusförmige Wechselspannung. R_ref ist manuell eingestellt, so dass der Spitze-zu-Spitze-Wert der Ausgangsspannung von Amp1 und Amp2 gleich ist. Wenn die zeitliche Phasenverschiebung von Amp1 und Amp2 und der Wert von R_ref bekannt sind, kann die ESEI (echter und imaginärer Teil) bestimmt werden.
Die ESEI ist von der Messungsfrequenz abhängig. Bei den unten erörterten und in 8 und 9 gezeigten Messungen war die Frequenz von v gewählt, um zwischen 0,5 und 500 Hz zu liegen, was das interessierende Intervall für biomedizinische Anwendungen umfasst. Der RMS-Wert von v liegt unter 60 mV, so dass derselbe das Membranpotential aktiver Zellen nicht stört, damit es kein Risiko eines Schadens für eine Testperson gibt und damit Stromdichten auf einem Pegel gehalten werden können, der vergleichbar niedrig wie Ströme während Biopotentialaufzeichnungen ist. Dies ist wichtig, da die elektrische Leitfähigkeit der Haut von der Stromdichte abhängt. Derartige niedrige Spannungspegel implizieren, dass die Messungen in einer Umgebung ohne intrinsisches Rauschen (z. B. in einem Faradayschen Käfig) durchgeführt werden müssen.
Standardmäßige EEG-Messungsaufzeichnungen wurden mit der mit Spitzen versehenen Elektrode der vorliegenden Erfindung in Größen von 4 × 4 mm² und 2 × 2 mm² durchgeführt. Elektroenzephalographische Messungen zeigen die niedrigsten Biopotentialpegel und benötigen deshalb eine niedrige ESEI, um zuverlässige Aufzeichnungen der Hirnaktivität zu erhalten.
8 ist eine Nyquist-Auftragung, die den Einfluss der Spitzen auf die gemessene ESEI zeigt. Die mit Spitzen versehenen Elektroden der vorliegenden Erfindung werden mit einer standardmäßigen Elektrode verglichen, die ohne ein Gel (d. h. trocken) und ohne eine Hautvorbereitung aufgebracht wird. 8 zeigt klar die Reduzierung der ESEI durch die Wirkung der Spitzen um einen Faktor von zumindest 13 bei einem Vergleichen einer mit Spitzen versehenen Elektrode mit einer standardmäßigen, die ohne ein Gel und eine Hautvorbereitung aufgebracht wird. Die Verringerung einer Impedanz durch die Wirkung der Spitzen (sowohl echter als auch imaginärer Teil) zeigt klar die Vorteile mit Spitzen versehener Elektroden.
9 ist eine Nyquist-Auftragung der ESEI einer standardmäßigen Elektrode, die ein Gel verwendet (Standard nass) und einer mit Spitzen versehenen Elektrode der vorliegenden Erfindung ohne ein Gel (mit Spitzen trocken). Die Zahlen neben den Kurven geben die Messungsfrequenz an. Die Spitzenelektrode der vorliegenden Erfindung zeigt deutlich eine niedrigere Impedanz als standardmäßige. In 9 ist die ESEI von mit Spitzen versehenen Trockenelektroden um einen Faktor von zumindest 1,3 verglichen mit ein Gel verwendenden standardmäßigen Elektroden reduziert.
10 stellt aufgezeichnete Roh-EEG-Daten dar, die mit der mit Spitzen versehenen Elektrode der vorliegenden Erfindung und mit einer standardmäßigen Nasselektrode erhalten werden. Beide Aufzeichnungen sind sehr ähnlich, und zeigen, dass die mit Spitzen versehene Elektrode für EEG-Messungen geeignet ist. Eine EEG-Aufzeichnung bei Augenbewegungen wurde verwendet, um die Ähnlichkeit beider Signale besser zu zeigen. Die erhaltenen elektrischen Signale sind sogar bei niedrigen Frequenzen bei niedrigen Rauschpegeln stabil. Die Größe des mit Spitzen versehenen Elektrodenchips kann von 4 × 4 mm² auf 2 × 2 mm² reduziert sein, während sehr zufriedenstellende Ergebnisse für diese EEG-Messungen beibehalten werden.
Während einer Verwendung war die Elektrode der vorliegenden Erfindung fest an der Haut angebracht und ermöglichte, dass die Spitzen in die Haut eindrangen. Die Spitzen hielten selbst einer schweren Handhabung stand, so dass eine klinische sowie eine experimentelle Verwendung der mit Spitzen versehenen Elektrode möglich ist. Die Anwendungsprozedur für eine mikrogefertigte Elektrode der vorliegenden Erfindung ist einfach und schnell, während kein Schmerz bewirkt wurde und Stabilisierungszeiten verglichen mit standardmäßigen Elektroden kürzer waren.
Eine niedrige ESEI, kurze Stabilisierungszeiten und eine unkomplizierte Verwendung ohne eine Hautvorbereitung sind wichtige Charakteristika der mit Spitzen versehenen Biopo tentialelektrode und wurden während der Experimente bestätigt.
Das Experiment bestätigte ebenfalls, dass eine EEG-Aufzeichnung sogar bei sehr kleinen Elektrodengrößen (2 × 2 mm²) möglich ist. Die Tatsache, dass niedrige Signale einer EEG erfasst werden können, gibt an, dass die mit Spitzen versehene Elektrode für andere biomedizinische Anwendungen verwendet werden kann, da dieselben allgemein stärkere Signale aufweisen. Durch die Erfinder wurden keine standardmäßigen Biopotentialelektroden gefunden, die Biopotentiale zuverlässig auf der Oberfläche der Haut messen und so kleine Abmessungen wie 2 × mm² zeigen. ESEI-Messungen für Elektroden mit 2 × 2 mm² sind nicht bedeutsam, da Stromdichten höher als für eine tatsächliche Biopotentialaufzeichnung sind.
Es ist klar, dass andere Äquivalente, Alternativen und Modifikationen neben denselben, die ausdrücklich dargelegt sind, möglich und innerhalb des Schutzbereichs der beigefügten Ansprüche sind.

Claims

Ein Verfahren zum Bilden einer Struktur, die eine Mehrzahl von Spitzen aufweist, die sich von einem Trägerbasisbauglied erstrecken, wobei die Längen der Spitzen zwischen 150 und 500 μm liegen, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: Bereitstellen eines Wafers aus einem Material (52); Aufbringen einer ätzmittelresistenten Maske (50) auf eine Oberfläche des Wafers, wobei die Maske die Spitzen der Struktur definiert und ein Muster aufweist, das die Position der Spitzen an dem Trägerbasisbauglied einrichtet; Ausführen eines ersten Prozesses, der im Wesentlichen lediglich ein isotropisches Ätzen der Oberfläche des Wafers ist, um die Maske entlang der Oberfläche des Wafers zu unterschneiden; Ausführen eines zweiten Prozesses, der im Wesentlichen lediglich ein anisotropisches Ätzen der Oberfläche des Wafers ist, um eine Menge an Material von dem unmaskierten Abschnitt des Wafers entsprechend der Länge der Spitzen (12) zu entfernen und den Rest des Wafers in das Trägerbasisbauglied (14) der Struktur zu bilden; und Ausführen eines dritten Prozesses, der im Wesentlichen lediglich ein isotropisches Ätzen des freiliegenden Abschnitts des Wafers ist, um Spitzen zu definieren, die sich verjüngende Enden aufweisen.
Das Verfahren gemäß Anspruch 1, das ferner die Schritte eines Aufbringens einer ätzmittelresistenten Stoppschicht auf die Spitzen und das Trägerbasisbauglied, das aus dem Wafer gebildet ist, und eines Ätzens der Stoppschicht bei den sich verjüngenden Enden der Spitzen aufweist.
Das Verfahren gemäß Anspruch 2, das ferner definiert ist als ein Aufbringen einer thermisch aufgewachsenen oxidätzmittelresistenten Stoppschicht auf die Spitzen und das Trägerbasisbauglied.
Das Verfahren gemäß Anspruch 2, das ferner definiert als ein Ätzen der Stoppschicht bei den sich verjüngenden Enden der Spitzen unter Verwendung von Fluorwasserstoffsäure (HF-Säure).
Das Verfahren gemäß Anspruch 1, das ferner die Schritte eines Aufbringens einer ätzmittelresistenten Stoppschicht auf das Trägerbasisbauglied, das aus dem Wafer gebildet ist, wobei die Stoppschicht ein Muster für Durchgangslöcher definiert, und ein Ätzen von Durchgangslöchern in dem Abschnitt des Wafers, der das Trägerbasisbauglied bildet, aufweist.
Das Verfahren gemäß Anspruch 5, das ferner definiert ist als ein Ätzen der Durchgangslöcher unter Verwendung von KOH.
Das Verfahren gemäß Anspruch 1, das ferner den Schritt eines Beschichtens zumindest der Spitzen und der Seite des Trägerbasisbauglieds, von dem sich die Spitzen erstrecken, mit einer leitfähigen Schicht aufweist.
Das Verfahren gemäß Anspruch 7, bei dem der Schritt des Beschichtens mit einer leitfähigen Schicht ferner als ein Beschichten mit einer Silberschicht definiert ist.
Das Verfahren gemäß Anspruch 7, das ferner als ein Erzeugen einer Silberchloridschicht auf der Silberschicht definiert ist.
Das Verfahren gemäß Anspruch 1, das ferner als ein Bilden der Struktur durch den Schritt eines Vereinzelns des Wafers definiert ist.
Das Verfahren gemäß Anspruch 5, das ferner definiert ist als ein Bereitstellen eines Fluidbehälters und eines Lochs in dem Trägerbasisbauglied zum Übertragen eines Fluids durch das Durchgangsloch in dem Trägerbasisbauglied.
Das Verfahren gemäß Anspruch 1, das ferner definiert ist als ein Bereitstellen eines Fluidbehälters an dem Trägerbasisbauglied und ein Bilden von Fluiddurchgängen in den Spitzen zum Übertragen von Fluid durch die oder entlang den Spitzen.
Das Verfahren gemäß Anspruch 12, das ferner definiert ist als ein Bilden von Rillen in den Spitzen zum Übertragen von Fluid entlang den Spitzen.
Das Verfahren gemäß Anspruch 13, das ferner definiert ist als ein Bilden von Löchern in den Spitzen zum Übertragen von Fluid durch die Spitzen.
Das Verfahren gemäß Anspruch 1 bis 13, das ferner als ein Verfahren zum Bilden einer Struktur definiert ist, die eine medizinische Elektrodenvorrichtung, eine medizinische Flüssigkeitsübertragungsvorrichtung oder einen Replikationsmaster für derartige Vorrichtungen aufweist.