WO2012048907A1 - Sensorsystem zum implantieren in einen körper und herstellungsverfahren des sensorsystems - Google Patents

Sensorsystem zum implantieren in einen körper und herstellungsverfahren des sensorsystems Download PDF

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WO2012048907A1
WO2012048907A1 PCT/EP2011/005237 EP2011005237W WO2012048907A1 WO 2012048907 A1 WO2012048907 A1 WO 2012048907A1 EP 2011005237 W EP2011005237 W EP 2011005237W WO 2012048907 A1 WO2012048907 A1 WO 2012048907A1
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unit
measuring
substrate layers
transmitting
signals
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PCT/EP2011/005237
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Volker Grosser
Stephan Guttowski
Michael Niedermayer
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Fraunhofer-Gesellschaft Zur Förderung Der Angewandten Forschung E.V. .
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    • A61B2562/164—Details of sensor housings or probes; Details of structural supports for sensors the sensor is mounted in or on a conformable substrate or carrier

Definitions

  • the invention relates to a sensor system for implanting in a body of a living being according to the preamble of the main claim.
  • the invention also relates to a method for producing such a sensor system.
  • Such sensor systems serve to measure parameters that can characterize a state of the body of the animal, such as a blood pressure, a heart or respiratory rate or a body temperature.
  • Said systems are equipped with transmitting units for generating transmission signals, such as radio signals or optical or acoustic signals, by means of which measured values can be sent to a remote receiver.
  • a measuring unit with one or more sensors and a control and evaluation unit which is usually set up to activate the measuring unit to perform appropriate measurements ren, processed by the measuring unit generated measurement signals and to control the transmitting unit to send corresponding signals, in which, for example, the measured parameters or other signals derived from the parameters can be coded.
  • Such systems include an energy storage unit, which often can be charged contactless, such as magnetic fields.
  • the mentioned units are finally enclosed by a biocompatible outer casing, which is generally designed to be air and gas tight.
  • a major problem in the application of such sensor systems is the size of these systems.
  • implanting the system into the body is often difficult and complicated, as well as costly and time consuming.
  • the size of an implanted system always increases the risk of complications induced by the implant.
  • the sensor system should therefore be as small as possible, but on the other hand continue to be suitable for the safe and accurate measurement of as many parameters of the body and allow a corresponding signal transmission to a remote receiver.
  • a simple and inexpensive method for producing such a system should be proposed.
  • the treatment and / or the processing of the measurement signals may include a digitization of analog measurement signals, a signal amplification and / or a signal filtering, for example for noise suppression.
  • the system also has an energy storage unit for powering the units and an outer shell that at least partially encloses the measurement unit, the transmission unit, the evaluation unit and the energy storage unit.
  • an energy storage unit for powering the units and an outer shell that at least partially encloses the measurement unit, the transmission unit, the evaluation unit and the energy storage unit.
  • a circuit is to be understood here as meaning a unit of an electrical or electronic circuit which is set up to perform a defined function and comprises corresponding functional components or components, such as sensors for measuring measured variables such as (physiological) parameters of a body, Components for evaluating corresponding measurement signals, components for generating control signals for controlling other functional components, Devices for transmitting and / or receiving signals (such as antennas or photosensitive elements) to / from external transmitters or target receivers.
  • the substrate layers are stacked on top of each other and connected to one another for signal transmission between the substrate layers by electrical feedthroughs, so that the circuits of the individual units of the sensor system are interconnected to form an overall circuit of the sensor system. Thinned and stacked substrate layers, which are interconnected via through-holes (through-silicon vias, TSV), are known from other fields of technology.
  • SMT chips are used in generic sensor systems for the production of the measuring unit, the evaluation unit and the transmitting unit.
  • these units are at least partially integrated on thinned, stacked substrate layers.
  • a significant advantage of the stacked technology of thinned substrate layers (wafers) is that multiple substrate layers (including the circuits integrated on these substrate layers) are stacked into a stack that occupies a particularly small space.
  • Substrate layers having thicknesses in a range between 5 ⁇ m and 25 ⁇ m are preferably used.
  • Typical stack heights are about 0.1 mm to 0.2 mm or less, depending on the thickness and number of stacked substrate layers.
  • Typical lengths and widths of the stack are about 3 mm, preferably less.
  • the space required by such a stack can thus be less than a single conventional SMT chip.
  • the sensor system according to the invention can therefore be made much more compact and with smaller overall dimensions than a corresponding conventional sensor system based on SMT chips.
  • the sensor system of the present invention has outer dimensions of only 15mm x 4mm x 3mm (length x width x thickness) or less and thus builds significantly smaller than conventional sensor systems of comparable functionality. These are typically outer dimensions, such as 40mm x 20mm x 8mm (length x width x thickness), or even larger.
  • the mentioned substrate layers, and the energy storage unit are preferably completely enclosed by the outer shell.
  • Parts of the measuring unit that are not disposed on any of the substrate layers, such as a possibly provided pressure sensor or possibly provided electrodes for measuring skin potential, may also be at least partially disposed on or outside the outer shell, as described below.
  • An important task of the outer shell is to mechanically stabilize the substrate layers, the energy storage unit, possibly existing wires and cables for energy and / or signal transmission and to protect against external forces.
  • the transmitting unit is arranged on a first of the substrate layers and that between the first substrate layer and a further of the substrate layers, an intermediate layer shielding the transmission signals of the transmitting unit is provided.
  • an intermediate layer shielding the transmission signals of the transmitting unit is provided.
  • signals emanating from the transmitting unit encode the circuits of the other substrate signals. layers do not disturb or negatively influence. This is particularly important in the case of radio signals which, without such an intermediate layer, could interfere with electronic processes within said circuits and thus lead to disturbances.
  • a metallic intermediate layer is suitable, which can be applied, for example, in the form of a coating on a lower side of the first substrate layer carrying the transmitting unit.
  • the intermediate layer is made of a metallic material, such as copper, and has a thickness in a range between 5 ⁇ and 25 ⁇ .
  • the outer shell is elongated and flat. This then preferably has a length which is greater by a factor X than a width and a height of the outer shell, wherein the factor X is in a range between 2 and 20, preferably in a range between 3 and 10.
  • the outer sheath is made of a biocompatible potting material, such as silicone, or a biocompatible thermoplastic material. In this way, the production is particularly simple and inexpensive possible.
  • Shifts or twists are protected can .
  • outer shells in the form of preferably prolate ellipsoids or elongate cylinders with rounded edges are particularly well suited.
  • elongated and preferably convex outer shells are characterized by easy implantability and particularly good compatibility in the implanted state.
  • such shaped outer sheaths can be particularly easily pushed under the skin of a human or animal.
  • the shape of the outer sheath is preferably tapered on at least one side, so that a better implantability is achieved.
  • the measuring unit comprises a temperature sensor for measuring a body temperature.
  • This temperature sensor can be arranged directly on one of the thinned substrate layers.
  • the temperature sensor is configured as a high-resistance resistance sensor.
  • a correlation software is installed, which (after a previous calibration) makes a conversion of the measured temperature to an internal body temperature.
  • the measuring unit comprises an acceleration sensor for measuring an acceleration of the body, by means of which a movement behavior of the living being can be deduced.
  • a movement behavior of the living being can be deduced.
  • the acceleration sensor is preferably arranged directly on one of the thinned substrate layers for a particularly compact design of the system.
  • the acceleration sensor may be provided with micromechanical comb structures oriented orthogonally to each other for acceleration in the three
  • the measuring unit can have at least one
  • Pressure sensor which is preferably arranged on an outer side of the outer shell and with which a pressure in the body can be measured.
  • the at least one pressure sensor is connected to the circuit of the measuring unit arranged on one of the thinned substrate layers via one or more lines, for example a wire line, via which its measured pressure signals are transmitted to this circuit for further processing.
  • a first pressure sensor and a second pressure sensor are provided, which are arranged on opposite sides of the outer shell. In this way, the accuracy of the pressure measurement is increased.
  • the pressure sensors may in turn be given as microchips, for example with a micromechanical membrane, preferably based on silicon.
  • the evaluation unit is set up to determine a frequency spectrum of measurement signals generated by the at least one pressure sensor and to determine a blood pressure, an ambient pressure, a heart rate and / or a respiratory rate of the body. pers from the frequency spectrum.
  • the heart rate is preferably made from higher-frequency portions, the respiratory frequency from lower portions, and the immersion depth or an ambient pressure from quasi-static portions.
  • the measuring unit of the system may comprise at least two electrodes which are arranged on an outer surface of the outer shell and which are connected to the outer surface
  • the at least two electrodes are connected via a line to the circuit of the measuring unit arranged on one of the thinned substrate layers for signal transmission between the at least two electrodes and this circuit, for example with at least one wire or cable.
  • at least two of these electrodes encircle the outer shell annularly.
  • these electrodes preferably circulate the outer sheath transverse to a longitudinal axis of the outer sheath.
  • the thicknesses of the electrodes are preferably in a range between 0.01 mm to 2 mm, preferably between 0.01 mm and 0.5 mm, and preferably have Distances between each other between 2 mm to 5 mm.
  • the energy storage unit comprises at least a first and a second electrical energy store, the first energy store having a predetermined negative anode potential and the second energy store having a predetermined positive cathode potential.
  • lithium-ion rechargeable batteries can be used in particular as well as film accumulators, as described, for example, in the publications DE 10 2007 031 477 A1 and DE 103 46 310 AI are known h a particularly high energy density and are also flexible formable and thus particularly well suited for a small space.
  • a particularly compact design of the sensor system can be achieved if between the at least one NEN first and second energy storage, an end portion of the substrate layers is arranged, which is connected to the contacts of the two energy storage. It can be provided that an upper side of this end piece contacts the first energy store and a lower side contacts the second energy store. Furthermore, on the said substrate layer, preferably on the said end piece of this substrate layer, a voltage adjustment circuit can be integrated, which controls the supply voltage for the
  • Measuring unit for the evaluation and / or for the transmitting unit delivers.
  • the system can work with a
  • Be equipped switch for example, with a magnetic switch, such as a so-called reed switch or a reed relay, which (in the first use) without contact "turned on” and thus put the system in the operating state.
  • a magnetic switch such as a so-called reed switch or a reed relay
  • the energy storage unit comprises a coil for contactless charging of the energy storage unit, for example by means of magnetic energy.
  • the coil can be arranged as a conductor track on one or more of the substrate layers or as a wire coil which circumscribes the stacked substrate layers and the energy storage unit.
  • the energy storage unit is rechargeable by means of a remote charging unit which emits magnetic energy.
  • a corresponding charging process can also be carried out in the implanted state.
  • a maximum distance between the system and the charging unit which can be achieved for the charging operation essentially depends on a transmitting power of the charging unit and a sensitivity (inductance) of the coil. The- The maximum distance can be several meters.
  • Thinned substrate layers such as silicon are flexible and can be brought by bending into a desired or required for the sensor position (see the following description and Figure 5). ⁇ Since each (sub-) circuit can reside on a separate substrate, a single test and rejection of defective circuits can occur at an early stage of fabrication.
  • a flexible arrangement of the active sensor surfaces in all spatial directions can be achieved, as required by the sensor (possibly direction-dependent) measured variable to be detected.
  • Functional components of transmitting and receiving units (such as antennas) can also be specifically aligned in this way, for example in order to increase sensitivity or to reduce a required transmission power, see the description below.
  • the present application is also directed to a stack of two or more thinned substrate layers, wherein at least one of these substrate layers is bent so that a portion or multiple portions of this at least one substrate layer protrudes from a common major plane of the stacked substrate layers.
  • the common main plane of the stacked substrate layers is defined so that the main plane, where the substrate layers are stacked flat and aligned parallel to one another, runs parallel to the stacked substrate layers.
  • the substrate layers are flexible due to their small thickness, even if they are made of a relatively brittle material, such as silicon.
  • An achievable radius of curvature of the bent at least one substrate layer typically depends on a thickness of this substrate layer (and the material of the substrate layer). In general, the smaller the radii of curvature, the thinner the respective substrate layer. For example, in the case of substrate layers of silicon having a thickness of about 10 ⁇ m, radii of curvature of about 1 mm or less can be achieved.
  • a corresponding holding elements or a plurality of holding elements can be provided, with which the at least one of the main plane of the stack protruding portion of the respective substrate layer is stabilized in position and fixed.
  • a holding element can be given for example by a region of an outer shell or an encapsulation of the stack. It may also be provided that the stack is mounted on a preferably rigid support, which also has corresponding retaining elements.
  • Such a holding element may for example be designed as a clip, pin, projection, recess or a passage opening of such a carrier or such an outer shell or such encapsulation.
  • one or more functional components / components can now be placed, such as electronic, photoelectric, micromechanical or microfluidic components, in particular Sensors for detecting measured variables or functional components / components of transmitting and / or receiving units for transmitting and / or receiving signals.
  • sensors for example sensors for measuring a pressure (for example of blood), a sensor
  • Suitable functional components / components of the transmitting or receiving units are, for example, acoustic (for example for ultrasonic frequencies), electrical, magnetic, electromagnetic (for example antennas for radio frequencies, such as 2.4 GHz), optical and thermal components or components , Characterized in that this protrudes at least a portion of said main plane and with the
  • Main plane includes a predetermined angle, arranged on the portion of the components have a predetermined spatial arrangement and orientation to the main plane.
  • the functional component arranged on the relevant subarea is a sensor, it is possible to detect directionally, directionally and / or location-dependent measured variables and, for example, also the directional, angular and / or spatial dependency this
  • Measured variables are resolved.
  • two or more sensors can be arranged on different subareas of one or more substrate layers of the stack, these subregions enclosing the main plane and also predefined angles.
  • a radiation intensity, an electric or a magnetic field can be measured simultaneously in different directions. Also in this way the spread of
  • the functional component disposed on the portion protruding from the main plane of the stack is a component of a receiving unit (such as an RF antenna or a photosensitive sensor)
  • signals coming from a specific signal direction may be present the receiving unit arrive, are particularly well received, if the receiving unit is oriented so that the receiving unit for signals from this signal direction is particularly sensitive.
  • Such an optimized alignment of the receiving unit can be achieved by a corresponding alignment of the subarea, on which the receiving unit is arranged, that is, by a corresponding bending of the substrate layer of this subarea until said
  • a Transmitting unit acts (such as an RF antenna or an optical transmitter)
  • signals that are to be sent in a particular signal direction are sent purposeful and thus very energy efficient, if the transmitting unit itself is oriented so that its specific transmission power is particularly large in this signal direction.
  • Such an optimized alignment of the transmitting unit can in turn be achieved by a corresponding alignment of the subregion on which the transmitting unit is arranged, ie by a corresponding bending of the substrate layer of this subregion until the said (optimal) alignment of the transmitting unit is reached.
  • the at least one subregion encloses an angle of at least 20 °, of at least 30 ° or of at least 45 ° with the common main plane of the substrate layers. In a particularly preferred embodiment, this angle is (approximately) 90 °. It can also be provided that two sub-regions which protrude from the main plane, enclose an angle of at least 20 °, at least 30 ° or at least 45 °. The angle between two subregions can also be (approximately) 90 °.
  • the substrate layers of the sensor system proposed here can be bent as described above and have functional components such as the transmitting unit, a receiving unit and / or sensors of the measuring unit on the said subareas, likewise as described above, in order to achieve the described advantages and suitabilities , It's up to this
  • stacks of thinned substrate layers which are so bent that at least a portion of at least one of these substrate layers protrude from said main plane of the stack, can also be used for other purposes and are not limited to sensor systems proposed here type.
  • a system comprising such a stack of thinned and partially bent substrate layers, but also a measuring unit for measuring (for example physical or chemical) measured quantities and generating corresponding measuring signals, a transmitting unit for transmitting signals using the measuring signals and / or a control and evaluation unit connected to the measuring unit and the transmitting unit for processing the measuring signals and driving the transmitting unit for the transmission of the transmission signals.
  • the system may include an energy storage unit for powering the units.
  • circuits of the measuring unit, the evaluation unit and the transmitting unit can be integrated on the at least two thinned substrate layers of the system, wherein the substrate layers are stacked on top of each other and interconnected by electrical vias for signal transmission between the substrate layers.
  • the method according to the invention for producing a sensor system of the type proposed here accordingly comprises the following steps:
  • Measuring unit, the evaluation and control unit, and / or the transmitting unit for example with at least one line, such as a wire or a cable, or by direct contacting (for example by soldering, soldering the energy storage unit to the substrate),
  • Control unit the transmitting unit and / or the
  • Energy storage unit within a mold for example with form approaches and / or at least one clip, and
  • the measuring unit, the evaluation and control unit, and / or the transmitting unit can first be connected to the energy storage unit and then these units are fixed in the mold. But it is also possible, first the measuring unit, the evaluation and
  • Control unit and / or to fix the transmitting unit and the energy storage unit in the mold and then to connect these units together.
  • a further development of this method also includes at least one of the following
  • At least one pressure sensor Connecting at least one pressure sensor to the circuit of the measuring unit on one of the substrate layers, for example with at least one line, e.g. a wire, and fixing the at least one pressure sensor to the inner surface of the mold.
  • at least one line e.g. a wire
  • at least one functional component such as a sensor of the measuring unit, a component of the transmitting unit and / or a receiving unit for signals of an external transmitter
  • the bending of the at least one substrate layer may take place before or after integrating or placing the said circuits, functional components / components, sensors, transmitting and / or receiving units on the relevant substrate layer, as well as be performed before or after the stacking of the substrate layers.
  • the integration or placement of the circuits, the functional components / components, the sensors, the transmitting and / or receiving unit is performed before substrate layers are bent. It can be provided that, after bending the at least one substrate layer, the stack of substrate layers is inserted into the casting mold in such a way that the at least one partial region protruding from the common main plane of the stack is stabilized by the casting mold or by holding elements (the casting mold). By subsequently pouring out the casting mold with the potting material, the abovementioned partial regions can be permanently stabilized, in particular even after removal of the casting mold
  • a method for producing a stack of thinned and partially bent substrate layers as described above may comprise the following steps:
  • FIG. 1 shows a sensor system of a type proposed here
  • FIG. 2 shows a longitudinal section through the sensor system shown in FIG. 1,
  • FIG. 3 shows an enlarged detail of the in FIG.
  • FIG. 4 shows a further sensor system of a type proposed here in a longitudinal section
  • 5 shows a stack of thinned substrate layers of the type proposed here
  • FIG. 6 shows a stack of thinned substrate layers of a type proposed here.
  • the sensor system 1 shown schematically in FIG. 1 represents a preferred embodiment of the proposed invention, which is suitable for implanting in a body of a living being, for example for implanting in a fish.
  • the sensor system 1 comprises an elongated outer shell 1, which is made of a biocompatible potting material, which is given by silicone in this example.
  • a length 1 of the outer shell is about 15 mm, a height h about 4 mm and a depth (measured perpendicular to the plane of the drawing) about 3 mm.
  • the outer shell has an ellipsoid-like shape, and thus can be particularly easily implanted under the skin of a fish.
  • the sensor system comprises three electrodes 3, made of a biocompatible metallic material, for measuring an inner skin resistance and a skin potential, which electrodes enclose the outer shell on an outer side and transverse to a longitudinal axis (along which
  • Length 1 is removed) of the system 1 circulate annularly and are arranged substantially concentric. Furthermore, the system 1 has two pressure sensors 4, which are arranged on two opposite sides of the outer side of the outer shell 2 to
  • FIG. 2 schematically shows a longitudinal section through the sensor system 1 shown in FIG.
  • the sensor system 1 comprises a first thinned substrate layer 5, on which a circuit of a measuring unit is integrated, a second thinned substrate layer 6, on which a control and evaluation unit is integrated, and a third thinned substrate layer, on which a circuit of a transmitting unit is integrated.
  • the mentioned substrate layers 5, 6 and 7, which are made of silicon, are stacked one above the other to form a stack and by means of
  • TSV through-silicon vias
  • the thinned substrate layers each have a thickness of 5 ⁇ to 25 ⁇ , so that the through
  • Substrate layers formed stack has a total height of only 100 ⁇ to 200 ⁇ .
  • the pressure sensors 4 and the electrodes 3 are each connected via electrical connectors 30, such as electrical lines or wires (only partially drawn), with the circuit of the measuring unit integrated on the first substrate layer 5 for transmitting signals to this circuit.
  • the third substrate layer 7 with the transmitting unit which comprises a radio element for transmitting radio signals on a 2.4 GHz frequency, is arranged as the uppermost of the three substrate layers 5, 6 and 7.
  • the second substrate layer 6 arranged between the first and the third substrate layer 5 and 7 has an end piece 11 which protrudes with respect to the first substrate layer 5 and the third substrate layer 7 and is arranged between a first and a second energy store 9 and 10.
  • These energy stores 9 and 10 are configured as foil accumulators and together form an energy storage unit for supplying energy to said components of the system 1.
  • An interior 12 of the system is completely filled by the potting material of the outer shell 2.
  • the outer shell 2 protrudes up to the stack of the thinned substrate layers 5, 6 and 7 and the
  • Energy storage unit 9, 10 before and supports these components of the system 1. In this way, these components are mechanically stabilized and protected from external forces.
  • FIG. 3 schematically shows an enlarged section of the longitudinal section shown in FIG.
  • Integrated on the first thinned substrate layer 5 is an overall circuit of the measuring unit, which comprises a first pressure measuring circuit 13, which is connected to the pressure sensors 4 via electrical connectors 30, such as wires (see Figures 1 and 2), as well as a second temperature measurement associated circuit 14, in which a temperature sensor 14 'is integrated, for example in the form of a temperature-dependent resistance element, a third belonging to the acceleration measurement circuit 15, in which an acceleration sensor 15' is integrated, for example in the form of micromechanical, Orthogonal aligned comb structures, and a fourth skin potential and skin resistance measurement circuit 16 which is connected to the electrodes 3 via electrical connectors 30.
  • a first pressure measuring circuit 13 which is connected to the pressure sensors 4 via electrical connectors 30, such as wires (see Figures 1 and 2)
  • a second temperature measurement associated circuit 14 in which a temperature sensor 14 'is integrated, for example in the form of a temperature-dependent resistance element
  • the four mentioned circuits 13, 14, 15, 16, which form part of the total circuit of the measuring unit, are arranged to amplify measuring signals of the respective sensors (ie the pressure sensors 4, the electrodes 3, the temperature sensor and the acceleration sensor) and to relay these measuring signals via plated-through holes 8 to the evaluation and control unit, which is realized as a circuit 17 on the second substrate layer 6.
  • the evaluation and control unit 17 is designed to activate the abovementioned circuits 13, 14, 15 and 16 of the measuring unit for carrying out measurements and to evaluate and digitize the measurement signals obtained therefrom.
  • the evaluation and control unit 17 is set up to subject the measurement signals belonging to the pressure measurement to a frequency analysis and to calculate a cardiac and respiratory rate, a blood pressure and a depth of the fish.
  • the evaluation and control unit 17 is set up to calculate a body temperature of the fish from the measurement signals belonging to the temperature measurement and to calculate a floating behavior from the measurement signals belonging to the acceleration measurement and to recognize certain movement characteristics (such as jerky
  • the evaluation and control unit 17 is set up to calculate a skin potential and a skin resistance from the measurement signals belonging to the skin potential and skin resistance measurement.
  • the evaluation and control unit 17 is also configured to determine the parameters determined in this way (body temperature, skin potential and skin resistance measurement, movement characteristics, swimming behavior, cardiac and respiratory rate, blood pressure and depth) to a circuit of a transmission unit 18 integrated on the third thinned substrate layer 7 to transfer by means of the vias 8.
  • the radio element of the system is integrated.
  • This circuit 18 is adapted to generate with the radio element radio signals in which said parameters are encoded.
  • a metallic coating 19 is applied on a lower side of the third substrate layer 7.
  • This coating 19 constitutes an intermediate layer 19 for shielding the first and second substrate layers 5 and 6 arranged below the third substrate layer 7 with respect to radio signals of the radio element 18.
  • a circuit 20 which comprises a recharging circuit 20 as well as a voltage adjustment circuit 20. This circuit is connected via contacts 21 to an anode 22 of the first energy store 9, a cathode 23 of the first energy store 9, an anode 24 of the second energy store 10 and a cathode 25 of the second energy store 10.
  • an electrolyte 26 is arranged between the anode 22 of the first energy storage device 9 and the cathode 23 of the first energy storage device 9.
  • An anode potential of the first energy store 9 is about -3 volts, a cathode potential of the first energy store about 0 volts.
  • an electrolyte 27 is arranged between the anode 24 of the second energy storage 10 and the cathode 25 of the second energy storage 10.
  • An electrolyte 27 is arranged between the anode 24 of the second energy storage 10 and the cathode 25 of the second energy storage 10.
  • An anode potential of the second energy store 10 is about 0 volts, and a cathode potential of the second energy store is about 3 volts.
  • the recharging circuit 20 is configured to recharge the two energy stores 9 and 12.
  • the recharging circuit 20 is activatable by an external charging unit (not shown).
  • the recharging circuit is connected to a coil 28 disposed on an outer edge of the second substrate layer 6 for transmitting electrical energy from the coil 28 to the recharging circuit 20. Once such energy transfer occurs, the recharging circuit 20 is activated converting the received electrical energy Energy in a suitable charging current to charge the two
  • the coil 28 is arranged to receive magnetic energy, which can be sent from a remote charging unit (not shown).
  • the circuits 13, 14, 15, 16, 17, 18, 20 are integrated on the three thinned substrate layers 5, 6, 7, the metallic intermediate layer 19 on a bottom of the third substrate layer 7, which carries the transmitting unit 18, applied. Subsequently, these substrate layers are stacked one above the other and connected to each other by plated-through holes 8. Remotely, the coil 28 at an outer
  • the two energy storages 9 and 10 are connected via the contacts 21 to the voltage adjustment circuit 20 and the energy transfer recharge circuit 20.
  • the stacked substrate layers 5, 6 and 7 are fixed together with the energy storage devices 9 and 10 in a mold by means of fixing elements, such as clamps or stops.
  • the two pressure sensors 4 and the three electrodes 3 are fixed to an inner surface of the casting mold, wherein the two
  • Pressure sensors are arranged at two opposite points of the mold. Subsequently, the pressure sensors 4 are connected to the circuit 13 and the electrodes to the circuit 16 of the measuring unit by means of electrical connectors 30, such as wires. Subsequently, the mold is filled with a biocompatible potting compound, in this case silicone, for the production of the outer shell 2.
  • a biocompatible potting compound in this case silicone
  • FIG. 4 schematically shows a further sensor system of a type proposed here in a longitudinal section. This embodiment differs from the embodiment shown in Figure 1 only by the arrangement of two coils 28, 28 'for
  • Reed contact 29 (reed relay) for switching on the sensor system. All other features are similar to those of the sensor system shown in Figure 1 and have the same reference numerals.
  • the sectional plane runs along the sectional plane X shown in FIG. 2, ie parallel and directly above the second substrate layer 6 with a view towards this substrate layer 6.
  • the first of these two coils 28 is designed as a conductor on the second substrate layer 6, but could just as well be arranged on one of the other substrate layers. In order to achieve the highest possible inductance, this conductor runs along an outer contour of this substrate layer, ie, as close as possible to the outer edges of the substrate layer and preferably parallel to them.
  • the second coil 28 is provided by a wound wire (eg made of copper) which surrounds the substrate layers 5, 6, 7 and the two energy stores 9 and 10 of the
  • the sensor system 1 can be switched on with an external transmitter of a magnetic field (not shown) via a magnetic activation signal.
  • a sensor system for Fish can be taken out of the water for such a switch-on before the fish to ensure reliable switching on the implanted sensor system.
  • the sensor system is preferably set up in such a way that it remains in an activated (switched-on) state after initial switching on by means of the reed contact 29.
  • the energy stores 9, 10 of the embodiments shown can advantageously be charged via the coils 28 and / or 28 'even when the fish with the sensor system 1 implanted in it is in the water, so that is to charge the sensor system 1, the fish does not need to be caught or taken out of the water.
  • FIG. 5 shows a schematic representation of a stack 31 of thinned substrate layers of a type proposed here.
  • the stack 31 comprises four thinned substrate layers 5, 6, 7, 32, each having a thickness of approximately 10 micrometers, and wherein the fourth substrate layer 32, which is the lowermost substrate layer of the stack 31 and may have a width between 1 mm and 10 mm, is bent so that a first portion 33 and a second portion 34 of this substrate layer 32 from a common
  • Main plane E of the stacked substrate layers 5, 6, 7, 32 of the stack 31 protrude. This main plane E runs parallel to the remaining, unbent substrate layers 5, 6, 7.
  • a first sensor 35 is arranged on the first subregion 33, and a second sensor 36 is arranged on the second subregion 34, that is to say, for example, functional components of one of the measuring units of a sensor system proposed here.
  • the two sensors 35 and 36 are each pressure sensors, but the sensors 35, 36 could also be used to measure a temperature, an acceleration, a radiation intensity, a substance concentration (for example of sugar or insulin, for example in blood), a pH value (For example, of blood), a humidity, an electrical current, an electrical voltage, an electric field or a magnetic field (such as with a Hall probe) to be set up.
  • the sensors 35, 36 could also functional components of a transmitting unit
  • a receiving unit such as an (RF) antenna, a photosensitive sensor or an LED.
  • the propagation of pressure waves in air or in liquids, such as blood
  • the sensors 35, 36 - with each other and each with the main plane E an angle of about 90 °.
  • the stack 31 thus comprises an (integrated) measuring unit arranged on the fourth substrate layer 32 with the two sensors 35, 36 for measuring
  • the stack 31 further comprises an RF transmission unit (associated circuit not shown here) arranged on the third substrate layer 7 for transmitting signals using the measurement signals and a control and evaluation unit (associated circuits not shown) connected to the measuring unit and the transmitting unit, which is arranged on the first and the second substrate layer 5, 6, for preparing the measuring signals and driving the transmitting unit for the transmission of the transmitting signals.
  • the evaluation unit is set up in particular for filtering, amplifying and subsequent digital / analog conversion of the measurement signals of the two sensors 35, 36 and for carrying out the further evaluation of the measurement signals described above.
  • the four substrate layers are also connected to each other by means of plated-through holes (not shown here).
  • signal conductors are integrated in the fourth substrate layer 32 for transmitting the measurement signals of the sensors 34, 35 to the control and evaluation unit integrated in the first and second substrate layers 5, 6.
  • the stack 31 can be used, for example, for a sensor system of a type proposed here, such as that described with reference to FIGS. 1 to 4. Accordingly, the two pressure sensors 35, 36 could also be arranged on two opposite sides of the fourth substrate layer 32.
  • the stack 31 may be connected to an energy storage unit for powering the units.
  • FIG. 6 is a schematic representation of a section of a specific embodiment of a
  • An unfinished state of the system 1 is shown during its manufacture.
  • Evident is a part of a curved substrate layer 5 of the stack 31, wherein a portion 33 of the substrate layer 5 protrudes from a main plane E of the stack 31.
  • a pressure sensor 4 that is to say a functional component of a measuring unit of the sensor system 1.
  • the pressure sensor 4 it could just as well be another of the sensors mentioned at the outset. However, this could also be a functional component of a transmitting unit or a receiving unit of the sensor system 1, such as an antenna, a photosensitive
  • Step with a biocompatible potting material (not shown) is poured to complete the system 1.
  • the portion 33 of the substrate layer 5 is supported on the mold 37 and is thereby stabilized in position by them, so that they are not in the main plane E can move back.
  • the casting mold thus acts as a holding element for fixing and holding the partial area 33.
  • the pressure sensor 4 is in one
  • Passage opening 38 of the mold 37 is arranged so that even after pouring out of the mold 37, the pressure sensor 4 is in direct contact with an outer space of the sensor system 1.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Sensorsystem (1) zum Implantieren in einen Körper eines Lebewesens mit einer Messeinheit zum Messen von Parametern des Körpers und Erzeugen entsprechender Messsignale, einer Sendeeinheit zum Senden von Signalen unter Verwendung der Messsignale, einer mit der Messeinheit und der Auswerteeinheit verbundenen Steuer- und Auswerteeinheit zur Behandlung und Aufbereitung der Messsignale und Ansteuern der Sendeeinheit für die Aussendung der Sendesignale, eine Energiespeichereinheit zur Energieversorgung der Einheiten und einer Außenhülle (2), die die Messeinheit, die Sendeeinheit, die Auswerteeinheit und die Energiespeichereinheit zumindest teilweise umschließt, wobei das System (1) mindestens zwei gedünnte Substratschichten (5, 6, 7) umfasst, auf denen die Messeinheit, die Auswerteeinheit und die Sendeeinheit zumindest teilweise als Schaltkreise (13, 14, 15, 16, 17, 18) realisiert sind, wobei die Substratschichten (5, 6, 7) übereinander gestapelt und zur Signalübertragung zwischen den Substratschichten (5, 6, 7) durch elektrische Durchkontaktierungen (8) miteinander verbunden sind.

Description

Sensorsystem zum Implantieren in einen Körper und
Herstellungsverfahren des Sensorsystems
Die Erfindung betrifft ein Sensorsystem zum Implantieren in einen Körper eines Lebewesens gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Sensorsystems.
Derartige Sensorsysteme dienen der Messung von Parametern, die einen Zustand des Körpers des Lebewesens charakterisieren können, wie beispielsweise eines Blutdrucks, einer Herz- oder Atemfrequenz oder einer Körpertemperatur. Die genannten Systeme sind mit Sendeeinheiten zur Erzeugung von Sendesignalen ausgestattet, wie beispielsweise Funksignale oder optische oder akustische Signale, mittels derer Messwerte zu einem entfernten Empfänger gesendet werden können.
Zur Messung der genannten Parameter umfassen diese Systeme eine Messeinheit mit einem oder mehreren Sensoren sowie eine Steuer- und Auswerteeinheit, welche in der Regel dazu eingerichtet ist, die Messeinheit zur Durchführung entsprechender Messungen zu aktivie- ren, von der Messeinheit erzeugte Messsignale aufzubereiten und die Sendeeinheit zum Senden von entsprechenden Signalen anzusteuern, in denen beispielsweise die gemessenen Parameter oder auch andere von den Parametern abgeleitete Signale kodiert sein können.
Ferner umfassen solche Systeme eine Energiespeichereinheit, welche sich häufig kontaktlos aufladen lässt, etwa über Magnetfelder. Die genannten Einheiten werden schließlich von einer biokompatiblen Au- ßenhülle umschlossen, welche in der Regel luft- und gasdicht ausgestaltet ist.
Neben Anwendungen im menschlichen Körper, etwa zu medizinischen Zwecken, werden solche Sensorsystem in zunehmenden Maßen auch in der Tierforschung, in der
Tierhaltung und in der Tierzucht eingesetzt, um den Gesundheitszustand von Tieren zu kontrollieren. Beispielsweise ist es bekannt, derartige Sensorsysteme in der Fischzucht zu verwenden, wobei in die Fische eines gegebenen Fischbestandes in einer Aquakultur diese Sensorsysteme implantiert werden, um über die Messung verschiedener Vitalparameter (Bewegungsaktivität, Schwimmverhalten, Herz- und Atemfrequenz, Hautwiderstand und Blutdruck) den Gesundheitszustand einzelner Fische überprüfen zu können. Die Sensorsysteme können über einen entsprechenden Empfänger, etwa einem Funkempfänger, ausgelesen werden und die Vitalparameter der einzelnen Fische anschließend mit einem Computer ausgewertet und überprüft werden. Denkbar ist auch die Anwendung in anderen Tieren, insbesondere in der Massentierhaltung, wie beispielsweise von Geflügel, Schweinen und Rindern, bei der das Gesundheitsrisiko für die Tiere besonders hoch ist und ansteckende Krankheiten und Parasiten besonders leicht übertragen werden können.
Ein großes Problem in der Anwendung derartiger Sensorsysteme ist zum einen die Größe dieser Systeme. Bei großen Systemen ist die Implantation des Systems in den Körper oftmals schwierig und komplikations- trächtig, sowie kosten- und zeitaufwendig. Ferner wächst mit der Größe eines implantierten Systems immer auch die Gefahr von durch das Implantat ausgelösten Komplikationen. Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Sensorsystem vorzuschlagen, welches die genannten Probleme abmildert, also besonders klein ist und sich somit leicht in den Körper eines Lebewesens implantieren lässt und auch im implantierten Zustand mög- liehst selten Komplikationen hervorruft. Das Sensorsystem sollte also zum einen möglichst klein sein, andererseits aber weiterhin zur sicheren und genauen Messung möglichst vieler Parameter des Körpers geeignet sein und eine entsprechende Signalübertragung auf einen entfernten Empfänger erlauben. Ferner ist ein möglichst einfaches und kostengünstiges Verfahren zur Herstellung eines solchen Systems vorzuschlagen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Sensorsystem und ein Herstellungsverfahren gemäß den unabhängigen Ansprüchen. Weiterentwicklungen und Aus- führungsformen sind Gegenstände der abhängigen Ansprüche .
Demnach umfasst ein erfindungsgemäßes Sensorsystem zum Implantieren in einen Körper eines Lebewesens ei- ne Messeinheit zum Messen von Parametern des Körpers und Erzeugen entsprechender Messsignale, eine Sendeeinheit zum Senden von Signalen unter Verwendung der Messsignale sowie eine mit der Messeinheit und der Sendeeinheit verbundene Steuer- und Auswerteeinheit zur Behandlung und Aufbereitung der Messsignale und Ansteuern der Sendeeinheit für die Aussendung der Sendesignale. Dabei können die Behandlung und/oder die Aufbereitung der Messsignale eine Digitalisierung analoger Messsignale, eine Signalverstärkung und/oder eine Signalfilterung, etwa zur Rauschunterdrückung, beinhalten.
Das System weist außerdem eine Energiespeichereinheit zur Energieversorgung der Einheiten auf und eine Außenhülle, die die Messeinheit, die Sendeeinheit, die Auswerteeinheit und die Energiespeichereinheit zumindest teilweise umschließt. Für die erfindungsgemäßen Lösung der oben formulierten Aufgabe ist es entscheidend, dass das System mindestens zwei gedünnten Substratschichten umfasst, auf denen die Messeinheit, die Auswerteeinheit und die Sendeeinheit zumindest teilweise als Schaltkreise re- alisiert sind, d.h. Schaltkreise der Messeinheit, der
Auswerteeinheit und der Sendeeinheit sind auf den Substratschichten integriert. Unter einem Schaltkreis soll hier eine Einheit einer elektrischen oder elektronischen Schaltung verstanden werden, die zur Erfül- lung einer definierten Funktion eingerichtet ist und hierfür entsprechende funktionelle Bauteile bzw. Bauelemente umfasst, wie etwa Sensoren zum Messen von Messgrößen wie (physiologischen) Parametern eines Körpers, Bauelemente zum Auswerten entsprechender Messsignale, Bauelemente zum Erzeugen von Steuersignalen zum Steuern andere funktioneller Bauelemente, Bauelemente zum Senden und/oder Empfangen von Signalen (wie etwa Antennen oder photosensitive Elemente) an/von externe (n) Sendern oder Zielempfängern. Dabei sind die Substratschichten übereinander gestapelt und zur Signalübertragung zwischen den Substratschichten durch elektrische Durchkontaktierungen miteinander verbunden, so dass die Schaltkreise der einzelnen Einheiten des Sensorsystems zu einem Gesamtschaltkreis des Sensorsystems miteinander verbunden sind. Gedünnte und übereinander gestapelte Substratschichten, die über Durchkontaktierungen (Through-Silicon- Vias , TSV) miteinander verbunden sind, sind aus anderen Bereichen der Technik bekannt.
Üblicherweise werden in gattungsgemäßen Sensorsystemen zur Herstellung der Messeinheit, der Auswerteeinheit und der Sendeeinheit jeweils SMT- Chips verwendet. Dahingegen sind diese Einheiten in dem erfindungsgemäßen Sensorsystem, wie oben beschrieben, zumindest teilweise auf gedünnten, gestapelten Substratschichten integriert. Ein wesentlicher Vorteil der Stapeltechnologie gedünnter Substratschichten (Wafers) ist es nun, dass mehrere Substratschichten (einschließlich der auf diesen Substratschichten integrierten Schaltkreise) zu einem Stapel geschichtet werden, der einen besonders geringen Bauraum einnimmt. Vorzugsweise werden Substratschichten mit Dicken in einem Bereich zwischen 5 μττι und 25 μπι verwendet. Typische Stapelhöhen betragen etwa 0,1 mm bis 0,2 mm oder weniger, je nach Dicke und Anzahl der gestapelten Substratschichten. Typische Längen und Breiten des Stapels betragen etwa 3 mm, vorzugsweise weniger . Der von einem solchen Stapel benötigte Bauraum kann somit geringer sein als ein einzelner herkömmlicher SMT-Chip. Durch die Verwendung gedünnter, gestapelter Substratschichten lässt sich das erfindungsgemäße Sensorsystem daher viel kompakter und mit geringeren Gesamtmaßen herstellen als ein entsprechendes herkömmliches Sensorsystem auf Basis von SMT-Chips.
Typischerweise hat das erfindungsgemäße Sensorsystem Außenmaße von nur 15 mm x 4 mm x 3 mm (Länge x Breite x Dicke) oder weniger und baut somit wesentlich kleiner als herkömmliche Sensorsysteme mit einer vergleichbaren Funktionalität. Diese haben typischerweise Außenmaße wie 40 mm x 20 mm x 8 mm (Länge x Breite x Dicke) oder sind sogar noch größer.
Die genannten Substratschichten, und die Energiespeichereinheit werden vorzugsweise vollständig von der Außenhülle umschlossen. Teile der Messeinheit, welche nicht auf einer der Substratschichten angeordnet sind, wie etwa ein möglicherweise vorgesehener Drucksensor oder möglicherweise vorgesehene Elektroden zur Messung von Hautpotentialen, können auch zumindest teilweise an oder außerhalb der Außenhülle angeordnet sein, wie weiter unten beschrieben wird. Eine wichtige Aufgabe der Außenhülle ist es, die Substratschichten, die Energiespeichereinheit, möglicherweise vorhandene Drähte und Kabel zur Energie- und/oder Signalübertragung mechanisch zu stabilisieren und vor von außen einwirkenden Kräften zu schützen.
In einer Weiterentwicklung ist vorgesehen, dass die Sendeeinheit auf einer ersten der Substratschichten angeordnet ist und dass zwischen der ersten Substratschicht und einer weiteren der Substratschichten eine die Sendesignale der Sendeeinheit abschirmende Zwischenschicht vorgesehen ist. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass von der Sendeeinheit ausgehende Signale die Schaltkreise der anderen Substrat- schichten nicht stören oder negativ beeinflussen. Dies ist insbesondere im Fall von Funksignalen entscheidend, welche ohne eine solche Zwischenschicht mit elektronischen Prozessen innerhalb der genannten Schaltkreise interferieren und somit zu Störungen führen könnten. Zur Abschirmung von Funksignalen eignet sich insbesondere eine metallische Zwischenschicht, welche beispielsweise in Form eine Beschich- tung einer Unterseite der die Sendeeinheit tragenden ersten Substratschicht aufgetragen sein kann. Vorzugsweise ist die Zwischenschicht aus einem metallischen Material gefertigt, wie etwa Kupfer, und weist eine Dicke in einem Bereich zwischen 5 μιη und 25 μπι auf .
In einer Weiterentwicklung des Sensorsystems, der sich durch eine besonders leichte Implantierbarkeit auszeichnet, ist die Außenhülle langgestreckt und flach. Diese weist dann vorzugsweise eine Länge auf, die um einen Faktor X größer ist als eine Breite und eine Höhe der Außenhülle, wobei der Faktor X in einem Bereich zwischen 2 und 20, vorzugsweise in einem Bereich zwischen 3 und 10 liegt. Vorzugsweise ist die Außenhülle aus einem biokompatiblen Vergussmaterial hergestellt, wie etwa Silikon, oder einem biokompatiblen Thermoplastwerkstoff. Auf diese Weise ist die Herstellung besonders einfach und kostengünstig möglich. Insbesondere lässt sich durch Verwendung eines derartigen Vergussmaterials für die Außenhülle eine besonders sichere mechanische Stabilisierung der Substratschichten, der Energiespeichereinheit und der übrigen Komponenten des Systems (wie etwa Sensoren, Drähte, Kabel) erzielen, siehe oben, da alle Komponenten zumindest teilweise von dem Vergussmaterial umschlossen und somit gestützt und vor Verformungen,
Verschiebungen oder Verdrehungen geschützt werden können .
Ferner lassen sich durch Verwendung einer geeigneten Gussform bei der Herstellung praktisch beliebige For- men für die Außenhülle realisieren. Besonders gut geeignet sind beispielsweise Außenhüllen in Form von vorzugsweise prolaten Ellipsoiden oder langgestreckten Zylindern mit abgerundeten Kanten. Insgesamt zeichnen sich langgestreckte und vorzugsweise konvexe Außenhüllen durch eine leichte Implantierbarkeit und besonders gute Verträglichkeit im implantierten Zustand aus. Insbesondere lassen sich derart geformte Außenhüllen besonders leicht unter die Haut eines Menschen oder Tieres schieben. Die Form der Außenhül- le ist vorzugsweise an mindestens einer Seite verjüngt, damit eine bessere Implantierbarkeit erreicht wird.
In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Messeinheit einen Temperatursensor umfasst zum Messen einer Körpertemperatur. Dieser Temperatursensor kann direkt auf einer der gedünnten Substrat- schichten angeordnet sein. Vorzugsweise ist der Temperatursensor als ein hochohmiger Widerstandssensor ausgestaltet. In der zugehörigen Auswerteschaltung ist vorzugsweise eine Korrelationssoftware installiert, die (nach einer vorausgegangenen Kalibrierung) eine Umrechnung von gemessener Temperatur auf eine innere Körpertemperatur vornimmt .
Außerdem ist es möglich, dass die Messeinheit einen Beschleunigungssensor umfasst zum Messen einer Beschleunigung des Körpers, mittels dessen auf ein Bewegungsverhalten des Lebewesens geschlossen werden kann. So kann beispielsweise bei Fischen mit Hilfe des Beschleunigungssensors ihr Schwimmverhalten beo- bachtet werden. Dieses kann bei einem Krankheitsbefall eines Fisches charakteristische Merkmale aufweisen, wie etwa ruckartiges Schwimmen oder Bewegungs- trägheit. Wie auch der Temperatursensor, ist der Be- schleunigungssensor vorzugsweise direkt auf einem der gedünnten Substratschichten angeordnet für eine besonders kompakte Bauweise des Systems . Der Beschleunigungssensor kann mit mikromechanischen Kammstrukturen ausgestattet sein, die orthogonal zueinander aus- gerichtet sind, um die Beschleunigung in den drei
Raumdimensionen bestimmen zu können.
Zusätzlich oder alternativ zu den oben genannten Sensoren kann das die Messeinheit mindestens einen
Drucksensor umfassen, der vorzugsweise an einer Außenseite der Außenhülle angeordnet ist und mit dem ein Druck in dem Körper gemessen werden kann. Dabei ist der mindestens eine Drucksensor mit dem auf einem der gedünnten Substratschichten angeordneten Schalt- kreis der Messeinheit über eine oder mehrere Leitungen, z.B. eine Drahtleitung, verbunden, über die seine gemessenen Drucksignale zur Weiterverarbeitung an diesen Schaltkreis übertragen werden. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind ein erster Drucksensor und ein zweiter Drucksensor vorgesehen, die an einander entgegengesetzten Seiten der Außenhülle angeordnet sind. Auf diese Weise wird die Genauigkeit der Druckmessung erhöht. Die Drucksensoren können ihrerseits als Mikrochips gegeben sein, bei- spielsweise mit einer mikromechanischen Membran, vorzugsweise auf Siliziumbasis. In einer Weiterentwicklung ist die Auswerteeinheit eingerichtet zur Bestimmung eines FrequenzSpektrums von mit dem mindestens einen Drucksensor erzeugten Messsignalen und zur Be- Stimmung eines Blutdrucks, eines Umgebungsdrucks, einer Herzfrequenz und/oder einer Atemfrequenz des Kör- pers aus dem Frequenzspektrum. Dabei werden vorzugsweise aus höherfrequenten Anteilen die Herzfrequenz, aus niederen Anteilen die Atemfrequenz und aus quasi- statischen Anteilen die Tauchtiefe bzw. ein Umge- bungsdruck .
Zusätzlich oder alternativ zu den bereits genannten Sensoren kann die Messeinheit des Systems mindestens zwei Elektroden umfasst, die auf einer äußeren Ober- fläche der Außenhülle angeordnet sind und die zum
Messen eines Hautpotentials und/oder eines (Innen-) - Hautwiderstands dienen. Dabei sind die mindestens zwei Elektroden über eine Leitung mit dem auf einem der gedünnten Substratschichten angeordneten Schalt- kreis der Messeinheit verbunden zur Signalübertragung zwischen der mindestens zwei Elektroden und diesem Schaltkreis, beispielsweise mit jeweils mindestens einem Draht oder Kabel. Vorzugsweise umlaufen mindestens zwei dieser Elektroden die Außenhülle ringför- mig. Im Fall, dass die Außenhülle langgestreckt ist, wie oben beschrieben, umlaufen diese Elektroden die Außenhülle vorzugsweise quer zu einer Längsachse der Außenhülle. Auf diese Weise kann besonders einfach ein Kontakt zwischen diesen Elektroden und der Haut des Lebewesens hergestellt werden, da dieser Kontakt unabhängig von einem Drehwinkel des Systems um die genannte Längsache bestehen kann. Eine entsprechende Messung wird durch eine Widerstandsmessung zwischen diesen Elektroden durchgeführt. Vorzugsweise wird als Elektrodenmaterial (Rein-) Gold oder ein anderes möglichst edles Metall verwendet, die Dicken der Elektroden liegen vorzugsweise in einem Bereich zwischen 0,01 mm bis 2 mm, vorzugsweise zwischen 0,01 mm und 0,5 mm, und weisen vorzugsweise Abstände zwischen ei- nander zwischen 2 mm bis 5 mm auf. In einer Weiterentwicklung ist vorgesehen, dass die Energiespeichereinheit mindestens einen ersten und einen zweiten elektrischen Energiespeicher umfasst, wobei der erste Energiespeicher ein vorgegebenes ne- gatives Anodenpotential und der zweite Energiespeicher ein vorgegebenes positives Kathodenpotential aufweist. Dies erlaubt eine besonders zuverlässige und genaue Messung des Hautpotentials auch dann, wenn sich dieses zeitlich ändert und sogar dann, wenn die- ses sein Vorzeichen ändert. So kann sich beispielsweise das Hautpotential bei bestimmten Erregungszuständen (etwa bei Fischen) sein Vorzeichen ändern (sich „umpolen") . In einem solchen Fall wird zur Messung eine zweite (umgekehrte) umgekehrte Spannung be- nötigt. Ein bevorzugter Wert für das Anodenpotential des ersten Energiespeichers beträgt etwa - 3 V und ein bevorzugter Wert für das Kathodenpotential des zweiten Energiespeichers beträgt etwa + 3 V. Als Energiespeicher werden plattenförmige oder flächige Batterien oder Akkumulatoren bevorzugt, da solche einen besonders kompakten Aufbau des Sensorsystems erlauben, besonders dann, wenn diese Energie- Speicher im Wesentlichen (d.h. im Rahmen von Ferti- gungstoleranzen) parallel zueinander ausgerichtet, also flächig übereinander angeordnet sind. Neben- Lithium-Ionen-Akkus kommen insbesondere auch Folienakkumulatoren in Frage, wie sie beispielsweise aus den Druckschriften DE 10 2007 031 477 AI sowie DE 103 46 310 AI bekannt sind. Diese zeichnen sich durch eine besonders hohe Energiedichte aus und sind zudem flexibel formbar und auf diese Weise besonders gut für einen kleinen Bauraum geeignet.
Eine besonders kompakte Bauweise des Sensorsystems lässt sich erzielen, wenn zwischen dem mindestens ei- nen ersten und zweiten Energiespeicher ein Endstück einer der Substratschichten angeordnet ist, welches mit den Kontakten der beiden Energiespeicher verbunden ist. Dabei kann vorgesehen sein, dass eine Ober- seite dieses Endstücks den ersten Energiespeicher und eine Unterseite den zweiten Energiespeicher kontaktiert. Ferner kann auf der genannten Substratschicht, vorzugsweise auf dem genannten Endstück dieser Substratschicht, eine Spannungsanpassungsschaltung inte- griert sein, die die Versorgungsspannung für die
Messeinheit, für die Auswerteeinheit und/oder für die Sendeeinheit liefert. Das System kann mit einem
Schalter ausgerüstet sein, beispielsweise mit einem MagnetSchalter, wie einem sogenannten Reedkontakt oder einem Reedrelais, der (bei der ersten Nutzung) berührungslos „eingeschaltet" wird und damit das System in den Betriebszustand versetzt. Im ausgeschalteten Zustand verbraucht der Sensor vorzugsweise keine Energie .
In einer Weiterentwicklung umfasst die Energiespeichereinheit eine Spule zum kontaktlosen Aufladen der Energiespeichereinheit z.B. mittels magnetischer Energie. Dabei kann die Spule als Leiterbahn auf ei- ner oder mehreren der Substratschichten angeordnet sein oder als eine Drahtspule, welche die gestapelten Substratschichten und die Energiespeichereinheit umläuft. Mit einer solchen Spule ist die Energiespeichereinheit mittels einer entfernten Ladeeinheit, welche magnetische Energie ausstrahlt, wiederaufladbar. Dabei ist ein entsprechender Ladevorgang auch im implantierten Zustand durchführbar. Eine für den Ladevorgang erzielbare maximale Entfernung zwischen dem System und der Ladeeinheit hängt dabei im Wesentli- chen von einer Sendeleistung der Ladeeinheit und einer Empfindlichkeit (Induktivität) der Spule ab. Die- se maximale Entfernung kann mehrere Meter betragen. Insbesondere ist es auch möglich, Systeme aufzuladen, die in Fischen implantiert sind, während diese in Wasser schwimmen, beispielsweise in einer Aquakultur oder in einem freien Gewässer.
Desweiteren lassen sich mit der Erfindung folgende Vorteile erzielen:
• Kostenreduzierung durch Minimierung des Materi- aleinsatzes (z.B. mm2 an Siliziumfläche)
• Gedünnte Substratschichten, etwa aus Silizium, sind flexibel und können durch Biegen in eine für den Sensor gewünschte oder benötigte Lage (siehe nachfolgende Beschreibung sowie Figur 5) gebracht werden. · Da sich jeder (Teil- ) Schaltkreis auf einem separatem Substrat befinden kann, kann eine Einzeltestung und Aussonderung von defekten Schaltkreisen in einem frühem Stadium der Fertigung erfolgen.
• Die (Teil- ) Schaltkreise können je nach Anwen- dungsfall ausgewählt und montiert werden, sowohl im
Rahmen einer Massenproduktion wie auch in einer anwenderspezifischen (Einzel - ) Fertigung .
• Die extreme Miniaturisierung erlaubt die Implantierung des Sensors auch in kleine Jungtiere, bei de- nen die Implantation größerer Sensorsysteme typischerweise zu einer hohen Sterblichkeitsrate führt.
• Durch Ausnutzung der Biegsamkeit der Substratflächen kann eine flexible Anordnung der aktiven Sensorflächen in alle Raumrichtungen erreicht werden, so wie es die mit dem Sensor zu erfassende (ggf. richtungsabhängige) Messgröße erfordert. Es können auf diese Weise auch funktionelle Bauteile von Sende- und Empfangseinheiten (wie etwa Antennen) gezielt ausgerichtet werden, etwa um eine Empfindlichkeit zu erhö- hen oder eine benötigte Sendeleistung zu reduzieren, siehe nachfolgende Beschreibung. • Durch die Anordnung der Sensoren der Messeinheit auf einer der Substratschichten können außerdem Signalleiter zur Übertragung von Messsignalen in diese Substratschicht integriert werden. Dadurch können separate Leitungselemente, wie etwa Flexleitungen, eingespart werden.
Die vorliegende Anmeldung ist außerdem auf einen Stapel von zwei oder mehr gedünnten Substratschichten gerichtet, wobei mindestens eine dieser Substratschichten so gebogen ist, dass ein Teilbereich oder mehrere Teilbereiche dieser mindestens einen Substratschicht aus einer gemeinsamen Hauptebene der gestapelten Substratschichten herausragt. Die gemeinsame Hauptebene der gestapelten Substratschichten ist dabei so definiert, dass die Hauptebene dort, wo die Substratschichten plan übereinander gestapelt und parallel zueinander ausgerichtet sind, parallel zu den gestapelten Substratschichten verläuft.
Beim dauerhaften Umformen der gedünnten Substratschichten durch Biegen wird ausgenutzt, dass die Substratschichten aufgrund ihrer geringen Dicke selbst dann flexibel sind, wenn sie aus einem relativ spröden Material, wie etwa Silizium, gefertigt sind. Dabei hängt ein erreichbarer Krümmungsradius der gebogenen mindestens einen Substratschicht typischerweise von einer Dicke dieser Substratschicht (und dem Material der Substratschicht) ab. Allgemein lassen sich umso kleinere Krümmungsradien erreichen je dünner die betreffende Substratschicht ist. Beispielsweise lassen sich bei Substratschichten aus Silizium mit einer Dicke von etwa 10 μπι Krümmungsradien von etwa 1 mm oder kleiner erreichen.
Um eine gebogene, gedünnte Substratschicht in ihrer Form zu halten bzw. zu fixieren, kann ein entsprechendes Halteelemente oder mehrere Halteelemente vorgesehen sein, mit dem/denen der mindestens eine aus der Hauptebene des Stapels herausragende Teilbereich der betreffenden Substratschicht in seiner Lage stabilisiert und fixiert wird. Ein solches Halteelement kann beispielsweise durch einen Bereich einer Außenhülle oder einer Umkapselung des Stapels gegeben sein. Es kann auch vorgesehen sein, dass der Stapel auf einem vorzugsweise starren Träger befestigt ist, welcher außerdem entsprechende Haltelemente aufweist. Ein solches Halteelement kann beispielsweise auch als Klammer, Zapfen, Vorsprung, Vertiefung oder eine Durchtrittsöffnung eines solchen Trägers oder einer solchen Außenhülle oder einer solchen Umkapselung ausgestaltet sein.
Auf dem genannten mindestens einen Teilbereich einer solchen gebogenen Substratschicht, der also aus der Hauptebene des Stapels der Substratschichten heraus- ragt, können nun ein oder mehrere funktionelle Bauteile/Bauelemente platziert werden, wie etwa elektronische, photoelektrische, mikromechanische oder mik- rofluidische Bauteile, insbesondere Sensoren zum Er- fassen von Messgrößen oder funktionelle Bauelemente/Bauteile von Sende- und/oder Empfangseinheiten zum Senden und/oder Empfangen von Signalen. Als Sensoren kommen im Prinzip alle hinreichend stark miniaturisierten Sensoren in Frage, wie beispielsweise Senso- ren zum Messen eines Drucks (etwa von Blut) , einer
Temperatur, einer Beschleunigung, ein Strahlungsintensität (etwa von Licht, auch mit spektraler Auflösung) , einer Stoffkonzentration (etwa von Zucker oder Insulin, beispielsweise in Blut) , eines pH-Wertes (beispielsweise von Blut) , einer Feuchtigkeit, eines elektrischen Stroms, einer elektrischen Spannung, ei- nes elektrischen Feldes oder eines Magnetfeldes (etwa mit einer Hall-Sonde) . Als funktionelle Bauteile/Bauelemente der Sende- bzw. Empfangseinheiten kommen beispielsweise akustische (etwa für Ultraschall- frequenzen) , elektrische, magnetische, elektromagnetische (beispielsweise Antennen für Radiofrequenzen, wie etwa 2,4 GHz), optische und thermische Bauteile bzw. Bauelemente in Frage. Dadurch, dass dieser mindestens eine Teilbereich aus der genannten Hauptebene herausragt und mit der
Hauptebene einen vorgegebenen Winkel einschließt, haben die auf dem Teilbereich angeordneten Bauteile eine vorgegebene räumliche Anordnung und Ausrichtung zu der Hauptebene. Dadurch können im Fall, dass es sich bei dem auf dem betreffenden Teilbereich angeordneten funktionellen Bauteil um einen Sensor handelt, rich- tungs-, winkel- und/oder ortsabhängige Messgrößen gezielt erfasst werden und beispielsweise auch die Richtungs-, Winkel- und/oder Ortsabhängigkeit dieser
Messgrößen aufgelöst werden. Beispielsweise können zwei oder mehrere Sensoren auf unterschiedlichen Teilbereichen eines oder mehrere Substratschichten des Stapels angeordnet sin, wobei diese Teilbereiche mit der Hauptebene und auch untereinander fest vorgegebene Winkel einschließen. Beispielsweise kann mit einer solchen Anordnung eine Strahlungsintensität, eine elektrisches oder magnetisches Feld gleichzeitig in verschiedenen Richtungen gemessen werden. Auch lassen sich auf diese Weise die Ausbreitung von
Druckwellen (in Luft oder in Flüssigkeiten) räumlich und zeitlich auflösen und auf diese Weise beispielsweise anhand von Laufzeitunterschieden eine Quelle der Druckwellen lokalisieren oder auch Signalanteile, die einer bestimmten Quelle zugeordnet werden, wie etwa einem Herzen, herausfiltern, etwa um sie an- schließend einer weiteren Analyse zu unterziehen, wie etwa der oben beschriebenen Frequenzanalyse. Zu solchen Analysen und Auswertungen der Messsignale kann die Steuer- und Auswerteeinheit entsprechend einge- richtet sein. Ein Vorteil einer möglichst weitgehenden Auswertung von Messsignalen mittels der Steuer- und Auswerteeinheit des Sensorsystems ist es, dass auf diese Weise ausgehend von den Messsignalen oft eine beträchtliche Datenreduktion erreicht wird.
Meistens müssen anschließend an eine solche Auswertung nur noch relativ geringe Datenmengen an externe Zielempfänger ausgesendet werden, wodurch oftmals eine beträchtliche Einsparung an von der Sendeeinheit verbrauchter Sendeenergie erzielt werden kann.
Falls es sich bei dem funktionellen Bauteil, das auf dem aus der Hauptebene des Stapels herausragenden Teilbereichs angeordnet ist, um ein Bauteil einer Empfangseinheit handelt (wie etwa eine RF-Antenne oder ein photosensitiver Sensor) , können Signale, die aus einer bestimmten Signalrichtung kommend auf die Empfangseinheit eintreffen, besonders gut empfangen werden, falls die Empfangseinheit so ausgerichtet ist, dass die Empfangseinheit für Signale aus dieser Signalrichtung besonders empfindlich ist. Eine solche optimierte Ausrichtung der Empfangseinheit kann durch eine entsprechende Ausrichtung des Teilbereichs erzielt werden, auf dem die Empfangseinheit angeordnet ist, also durch ein entsprechendes Biegen der Substratschicht dieses Teilbereichs bis die genannte
(optimale) Ausrichtung der Empfangseinheit erreicht ist .
Falls es sich bei dem funktionellen Bauteil, das auf dem aus der Hauptebene des Stapels herausragenden Teilbereichs angeordnet ist, um ein Bauteil einer Sendeeinheit handelt (wie etwa eine RF-Antenne oder ein optischer Sender) , können Signale, die in eine bestimmten Signalrichtung ausgesendet werden sollen (etwa weil sich in dieser Richtung ein Zielempfänger für die ausgesendeten Signale befindet) , zielgerichtet und somit besonders energiesparend ausgesendet werden, falls die Sendeeinheit selbst so ausgerichtet ist, dass ihre spezifische Sendeleistung in dieser Signalrichtung besonders groß bzw. ist. Eine solche optimierte Ausrichtung der Sendeeinheit kann wiederum durch eine entsprechende Ausrichtung des Teilbereichs erzielt werden, auf dem die Sendeeinheit angeordnet ist, also durch ein entsprechendes Biegen der Substratschicht dieses Teilbereichs bis die genannte (optimale) Ausrichtung der Sendeeinheit erreicht ist.
So kann beispielsweise vorgesehen sein, dass der mindestens eine Teilbereich mit der gemeinsamen Hauptebene der Substratschichten einen Winkel von mindes- tens 20°, von mindestens 30° oder von mindestens 45° einschließt. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform beträgt diese Winkel (etwa) 90°. Es kann auch vorgesehen sein, dass zwei Teilbereiche, die aus der Hauptebene herausragen, einen Winkel von mindes- tens 20°, von mindestens 30° oder von mindestens 45° einschließen. Der Winkel zwischen zwei Teilbereichen kann auch (etwa) 90° betragen.
Die Substratschichten des hier vorgeschlagenen Sen- sorsystems können wie oben beschrieben gebogen sein und auf den genannten Teilbereichen, ebenfalls wie oben beschrieben, funktionelle Bauelemente wie etwa der Sendeeinheit, einer Empfangseinheit und/oder Sensoren der Messeinheit aufweisen zur Erzielung der be- schriebenen Vorteile und Eignungen. Es sei an diese
Stelle aber betont, dass derartige Stapel von gedünnten Substratschichten, die also so gebogen sind, dass mindestens ein Teilbereich mindestens einer dieser Substratschichten aus der genannten Hauptebene des Stapels herausragen, auch für andere Zwecke verwendet werden können und nicht nur auf Sensorsysteme hier vorgeschlagener Art beschränkt sind.
Üblicherweise wird ein System, das einen derartigen Stapel gedünnter und teilweise gebogener Substrat - schichten umfasst, aber ebenfalls eine Messeinheit zum Messen von (beispielsweise physikalischen oder chemischen) Messgrößen und Erzeugen entsprechender Messsignale, eine Sendeeinheit zum Senden von Signalen unter Verwendung der Messsignale und/oder eine mit der Messeinheit und der Sendeeinheit verbundenen Steuer- und Auswerteeinheit zur Aufbereitung der Messsignale und Ansteuern der Sendeeinheit für die Aussendung der Sendesignale umfassen. Ferner kann das System eine Energiespeichereinheit zur Energieversorgung der Einheiten umfassen. Dabei können Schaltkreise der Messeinheit, der Auswerteeinheit und der Sendeeinheit auf den mindestens zwei gedünnten Substratschichten des System integriert sein, wobei die Substratschichten übereinander gestapelt und zur Signalübertragung zwischen den Substratschichten durch elektrische Durchkontaktierungen miteinander verbunden sind.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Sensorsystems hier vorgeschlagener Art beinhaltet demnach folgende Schritte:
- Integrieren von Schaltkreisen der Messeinheit, der Auswerte- und Steuereinheit und der Sendeeinheit auf gedünnten Substratschichten,
- Stapeln der Substratschichten,
- Verbinden der Substratschichten mittels Durchkontaktierungen,
- Verbinden der Energiespeichereinheit mit der
Messeinheit, der Auswerte- und Steuereinheit, und/oder der Sendeeinheit, beispielsweise mit mindestens einer Leitung, wie einem Draht oder einem Kabel, oder durch direktes Kontaktieren (z.B. durch Löten, Verlöten der Energiespeichereinheit mit dem Substrat) ,
- Fixieren der Messeinheit, der Auswerte- und
Steuereinheit, der Sendeeinheit und/oder der
Energiespeichereinheit innerhalb einer Gussform, beispielsweise mit Formansätzen und/oder mindestens einer Klammer, und
- Ausgießen der Gussform mit einem vorzugsweise biokompatiblen Vergusswerkstoff, beispielsweise mit Silikon oder einem biokompatiblen
Thermoplastwerkstoff .
Dabei sind verschiedene Reihenfolgen der genannten Schritte möglich. So können beispielsweise die Messeinheit, die Auswerte- und Steuereinheit, und/oder die Sendeeinheit zunächst mit der Energiespeichereinheit verbunden werden und anschließend diese Einheiten in der Gussform fixiert werden. Es ist aber auch möglich, zunächst die Messeinheit, die Auswerte- und
Steuereinheit, und/oder die Sendeeinheit sowie die Energiespeichereinheit in der Gussform zu fixieren und anschließend diese Einheiten miteinander zu verbinden.
Eine Weiterentwicklung dieses Verfahrens umfasst außerdem mindestens einen der folgenden weiteren
Schritte :
Verbinden von mindestens zwei, vorzugsweise drei und vorzugsweise ringförmigen Elektrode zur Mes- sung eines Hautwiderstandes mit dem Schaltkreis der Messeinheit auf einer der Substratschichten beispielsweise mit mindestens einer Leitung, z.B. einem Draht, und Fixieren der Elektroden a einer Innenfläche der Gussform,
Verbinden mindestens eines Drucksensors mit dem Schaltkreis der Messeinheit auf einer der Substratschichten, beispielsweise mit mindestens einer Leitung, z.B. einem Draht, und Fixieren des mindestens einen Drucksensors an der Innenfläche der Gussform.
Platzieren mindestens eines funktionellen Bauteils, wie etwa ein Sensor der Messeinheit, ein Bauteil der Sendeeinheit und/oder eine Empfangs einheit für Signale eines externen Senders, auf mindestens einem Teilbereich mindestens einer Substratschicht, wobei der mindestens eine Teil bereich entweder bereits aus einer gemeinsamen Hauptebene der gestapelten Substratschichten herausragt oder in einem nachfolgenden Schritt durch Biegen dieser Substratschicht heraus gebo gen wird.
Biegen mindestens einer der Substratschichten, so dass der mindestens eine Teilbereich dieser mindestens einen Substratschicht aus einer gemeinsamen Hauptebene der gestapelten Substrat - schichten herausragt
Fixieren des mindestens einen Teilbereichs der gebogenen Substratschicht (en) mittels Halteelementen und/oder mittels der Gussform.
Dabei kann das Biegen der mindestens einen Substrat - schicht vor oder nach dem Integrieren bzw. Platzieren der genannten Schaltkreise, funktionellen Bauteile/Bauelemente, Sensoren, Sende- und/oder Empfangseinheiten auf der betreffenden Substratschicht sowie vor oder nach dem Stapeln der Substratschichten durchgeführt werden. Vorzugsweise wird das Integrieren bzw. Platzieren der Schaltkreise, der funktionellen Bauteile/Bauelemente, der Sensoren, der Sende- und/oder Empfangseinheit durchgeführt bevor Substrat- schichten gebogen wird. Es kann vorgesehen sein, dass nach Biegen der mindestens einen Substratschicht der Stapel der Substratschichten in die Gussform so eingesetzt wird, dass der mindestens eine aus der ge- meinsamen Hauptebene des Stapels herausragende Teilbereich durch die Gussform oder durch Halteelemente (der Gussform) stabilisiert wird. Durch anschließendes Ausgießen der Gussform mit dem Vergussmaterial können die genannten Teilbereiche dauerhaft stabili- siert werden, insbesondere auch nach Entnahme des
Systems aus der Gussform.
Es möglich, die genannten zusätzlichen Verfahrensschritte in beliebigen Reihenfolgen auszuführen. Im Fall, dass zwei Drucksensoren vorgesehen sind, werden diese an zwei einander entgegengesetzten Seiten der Innenfläche der Gussform fixiert.
Allgemein kann ein Verfahren zur Herstellung eines Stapels gedünnter und teilweise gebogener Substratschichten, wie oben beschrieben, folgende Schritte umfassen:
- Integrieren von Schaltkreisen der Messeinheit, der Auswerte- und Steuereinheit, der Sende- und/oder Empfangseinheit auf gedünnten Substrat- schichten,
- Stapeln der Substratschichten,
- Verbinden der Substratschichten mittels
Durchkontaktierungen,
- Platzieren mindestens eines funktionellen Bau- teile/Bauelemente der Messeinheit (z.B. eines Sensors) , eines funktionellen Bauteile/Bauelementes einer Sendeeinheit und/oder einer Empfangseinheit (bspw. einer Antenne dieser Einheiten) für Signale externer Sender bzw. Empfänger auf mindestens einem Teilbereich mindestens einer gedünnten Substratschicht des Stapels Biegen mindestens einer der Substratschichten, so dass mindestens einer der Teilbereiche dieser mindestens einen SubstratSchicht aus einer gemeinsamen Hauptebene der gestapelten Substrat- schichten herausragt,
Fixieren des mindestens einen Teilbereiches mittels mindestens einen Halteelementes und/oder innerhalb einer Gussform,
Ausgießen der Gussform mit einer Vergussmasse.
Entsprechend dem vorgeschlagenen Verfahren zur Her Stellung eines Sensorsystems können auch hier die Reihenfolge der Schritte, insbesondere der ersten drei genannten Schritte, vertauscht werden.
Im Folgenden soll die Erfindung anhand zweier in den Zeichnungen dargestellten speziellen Ausführungsbei- spielen näher erläutert werden. Es zeigen:
Figur 1 ein Sensorsystem hier vorgeschlagener Art,
Figur 2 einen Längsschnitt durch das in Figur 1 ge- zeigte Sensorsystem,
Figur 3 einen vergrößerten Ausschnitt der in Figur
2 gezeigten Darstellung,
Figur 4 ein weiteres Sensorsystem hier vorgeschlagener Art in einem Längsschnitt, Figur 5 ein Stapel gedünnter Substratschichten hier vorgeschlagener Art und Figur 6 ein Stapel gedünnter Substratschichten hier vorgeschlagener Art.
Dabei bezeichnen wiederkehrende Bezugszeichen gleiche Merkmale .
Das in Figur 1 schematisch dargestellte Sensorsystem 1 stellt eine bevorzugte Ausführungsform der vorgeschlagenen Erfindung dar, welche sich zum Implantieren in einen Körper eines Lebewesens, beispielsweise zum Implantieren in einen Fisch, eignet. Das Sensorsystem 1 umfasst eine langgestreckte Außenhülle 1, die aus einem biokompatiblen Vergussmaterial hergestellt, welches in diesem Beispiel durch Silikon gegeben ist. Eine Länge 1 der Außenhülle beträgt etwa 15 mm, ein Höhe h etwa 4 mm und eine Tiefe (gemessen senkrecht zur Zeichenebene) etwa 3 mm. Die Außenhülle weist dabei eine ellipsoidähnliche Form auf, und lässt sich somit besonders leicht unter die Haut eines Fisches implantieren.
Das Sensorsystem umfasst zur Messung eines Innenhaut- widerstandes und eines Hautpotentials drei aus einem körperverträglichen metallischen Material gefertigte Elektroden 3, welche die Außenhülle an einer Außen- seite und quer zu einer Längsachse (entlang derer die
Länge 1 abgetragen ist) des Systems 1 ringförmig umlaufen und im Wesentlichen konzentrisch angeordnet sind. Ferner weist das System 1 zwei Drucksensoren 4 auf, die an zwei einander entgegengesetzten Seiten der Außenseite der Außenhülle 2 angeordnet sind zum
Messen eines Blutdrucks, einer Herz- und Atemfre- quenz, sowie einer Tauchtiefe eines Fisches.
In Figur 2 ist ein Längsschnitt durch das in Figur 1 gezeigte Sensorsystem 1 schematisch dargestellt. Das Sensorsystem 1 umfasst eine erste gedünnte Substratschicht 5, auf der ein Schaltkreis einer Messeinheit integriert ist, eine zweite gedünnte Substratschicht 6, auf der eine Steuer- und Auswerteeinheit integriert ist, und eine dritte gedünnte Substratschicht, auf der ein Schaltkreis einer Sendeeinheit integriert ist. Die genannten Substratschichten 5, 6 und 7, welche aus Silizium gefertigt sind, sind übereinander zu einem Stapel gestapelt und mittels
Durchkontaktierungen 8, sogenannte Through-Silicon- Vias (TSV) , miteinander verbunden für eine Signal-
Übertragung zwischen den auf den Substratschichten integrierten Schaltkreisen, vgl. Figur 3.
Die gedünnten Substratschichten weisen jeweils eine Dicke von 5 μτη bis 25 μπι auf, so dass der durch die
Substratschichten gebildete Stapel eine Gesamthöhe von nur 100 μιτι bis 200 μηι aufweist.
Die Drucksensoren 4 und die Elektroden 3 sind jeweils über elektrische Verbinder 30, wie beispielsweise elektrische Leitungen oder Drähte (nur teilweise eingezeichnet) , mit dem auf der ersten Substratschicht 5 integrierten Schaltkreis der Messeinheit zur Übertragung von Signalen auf diesen Schaltkreis verbunden.
Die dritte Substratschicht 7 mit der Sendeeinheit, die ein Funkelement umfasst zum Senden von Funksignalen auf einer 2,4 GHz Frequenz, ist als oberste der drei Substratschichten 5, 6 und 7 angeordnet. Die zwischen der ersten und der dritten Substratschicht 5 und 7 angeordnete zweite Substratschicht 6 weist ein Endstück 11 auf, welches gegenüber der ersten Substratschicht 5 und der dritten Substratschicht 7 hervorragt und zwischen einem ersten und einem zweiten Energiespeicher 9 und 10 angeordnet ist. Diese Energiespeicher 9 und 10 sind als Folienakkumulatoren ausgestaltet und bilden zusammen eine Energiespeichereinheit zur Energieversorgung der genannten Komponenten des Systems 1.
Ein Innenraum 12 des Systems ist vollständig von dem Vergusswerkstoff der Außenhülle 2 ausgefüllt. Mit anderen Worten ragt die Außenhülle 2 bis zu dem Stapel der gedünnten Substratschichten 5, 6 und 7 und der
Energiespeichereinheit 9, 10 vor und stützt diese Komponenten des Systems 1. Auf diese Weise werden diese Komponenten mechanisch stabilisiert und vor äußeren Kräften geschützt.
In Figur 3 ist ein vergrößerter Ausschnitt des in Figur 2 gezeigten Längsschnitts schematisch dargestellt. Auf der ersten gedünnten Substratschicht 5 ist ein Gesamtschaltkreis der Messeinheit integriert, der einen ersten zur Druckmessung gehörigen Schaltkreis 13 umfasst, der über elektrische Verbinder 30, wie beispielsweise Drähte, mit den Drucksensoren 4 verbunden ist (vgl. Figuren 1 und 2), sowie einen zweiten zur Temperaturmessung gehörigen Schaltkreis 14, in den ein Temperatursensor 14' integriert ist, beispielsweise in der Form eines temperaturabhängigen Widerstandelements, einen dritten zur Beschleunigungsmessung gehörigen Schaltkreis 15, in den ein Beschleunigungssensor 15' integriert ist, beispielswei- se in der Form von mikromechanischen, orthogonal zueinander ausgerichteten Kammstrukturen, und einen vierten zur Hautpotential- und Hautwiderstandmessung gehöriger Schaltkreis 16, der über elektrische Verbinder 30 mit den Elektroden 3 verbunden ist. Die vier genannten Schaltkreise 13, 14, 15, 16, welche Teile des Gesamtschaltkreises der Messeinheit bilden, sind eingerichtet zur Verstärkung von Messsignalen der jeweiligen Sensoren (d.h. der Drucksensoren 4 , der Elektroden 3 , des Temperatursensors und des Beschleunigungssensors) und zur Weiterleitung dieser Messsignale über Durchkontaktierungen 8 zur Auswerte- und Steuereinheit, welche als Schaltkreis 17 auf der zweiten Substratschicht 6 realisiert ist. Die Auswerte- und Steuereinheit 17 ist dazu einge- richtet, die oben genannten Schaltkreise 13, 14, 15 und 16 der Messeinheit zur Durchführung von Messungen zu aktivieren und die daraufhin erhaltenen Messsignale auszuwerten und zu digitalisieren. Insbesondere ist die Auswerte- und Steuereinheit 17 dazu eingerichtet, die zur Druckmessung gehörigen Messsignale einer Frequenzanalyse zu unterziehen und eine Herz- und Atemfrequenz, einen Blutdruck und eine Tauchtiefe des Fisches zu berechnen. Ferner ist die Auswerte- und Steuereinheit 17 dazu eingerichtet, aus den zur Temperaturmessung gehörigen Messsignalen eine Körpertemperatur des Fisches zu berechnen und aus den zur Beschleunigungsmessung gehörigen Messsignalen ein Schwimmverhalten zu berechnen und bestimmte Bewe- gungsmerkmale zu erkennen (wie etwa ruckartiges
Schwimmen und Bewegungsträgheit) . Schließlich ist die Auswerte- und Steuereinheit 17 dazu eingerichtet aus den zur Hautpotential- und Hautwiderstandsmessung gehörigen Messsignalen ein Hautpotential und einen Hautwiderstand zu berechnen. Die Auswerte- und Steuereinheit 17 ist außerdem dazu eingerichtet, die auf diese Weise bestimmten Parameter (Körpertemperatur, Hautpotential und Hautwiderstandsmessung, Bewegungsmerkmale, Schwimmverhalten, Herz- und Atemfrequenz, Blutdruck und Tauchtiefe) an einen auf der dritten gedünnten Substratschicht 7 integrierten Schaltkreis einer Sendeeinheit 18 mittels der Durchkontaktierungen 8 zu übertragen. In diesen Schaltkreis 18 ist das Funkelement des Systems inte- griert . Dieser Schaltkreis 18 ist dazu eingerichtet, mit dem Funkelement Funksignale zu erzeugen, in denen die genannten Parameter kodiert sind.
Auf einer Unterseite der dritten Substratschicht 7 ist eine metallische Beschichtung 19 aufgebracht.
Diese Beschichtung 19 stellt eine Zwischenschicht 19 dar zur Abschirmung der unter der dritten Substrat - schicht 7 angeordneten ersten und zweiten Substrat - Schicht 5 und 6 gegenüber Funksignalen des Funkele - ments 18.
Auf dem Endstück 11 ist ein Schaltkreis 20 integriert, der eine Wiederaufladeschaltung 20 wie auch ein Spannungsanpassungsschaltung 20 umfasst. Dieser Schaltkreis ist über Kontakte 21 mit einer Anode 22 des ersten Energiespeichers 9, einer Kathode 23 des ersten Energiespeichers 9, einer Anode 24 des zweiten Energiespeichers 10 und einer Kathode 25 des zweiten Energiespeichers 10.
Zwischen der Anode 22 des ersten Energiespeichers 9 und der Kathode 23 des ersten Energiespeichers 9 beinhaltet, ist ein Elektrolyt 26 angeordnet. Ein Anodenpotential des ersten Energiespeichers 9 beträgt etwa -3 Volt, ein Kathodenpotential des ersten Energiespeichers etwa 0 Volt. Zwischen der Anode 24 des zweiten Energiespeichers 10 und der Kathode 25 des zweiten Energiespeichers 10 ist ein Elektrolyt 27 angeordnet. Ein Anodenpotential des zweiten Energiespeichers 10 beträgt etwa 0 Volt, und ein Kathodenpotential des zweiten Energiespeichers etwa 3 Volt .
Die Wiederaufladeschaltung 20 ist dazu eingerichtet die beiden Energiespeicher 9 und 12 wiederaufzuladen.
Die Wiederaufladeschaltung 20 ist durch eine externe Ladeeinheit (nicht dargestellt) aktivierbar. Zu diesem Zweck ist die Wiederaufladeschaltung mit einer an einem äußeren Rand der zweiten Substratschicht 6 an- geordneten Spule 28 verbunden zur Übertragung elektrischer Energie von der Spule 28 zur Wiederaufladeschaltung 20. Sobald ein derartiger Energieübertrag stattfindet, wird die Wiederaufladeschaltung 20 aktiviert, wandelt die empfangene elektrische Energie in einen geeigneten Ladestrom um zum Laden der beiden
Energiespeicher 9 und 10. Die Spule 28 ist eingerichtet zum Empfangen magnetischer Energie, welche von einer entfernten Ladeeinheit (nicht dargestellt) ausgesendet werden kann.
Zur Herstellung des anhand Figuren 1, 2 und 3 beschriebenen Sensorsystems 1 werden in einem ersten Schritt die genannten Schaltungen 13, 14, 15, 16, 17, 18, 20 auf den drei gedünnten Substratschichten 5, 6, 7 integriert, die metallische Zwischenschicht 19 auf einer Unterseite der dritten Substratschicht 7, welche die Sendeeinheit 18 trägt, aufgetragen. Anschließend werden diese Substratschichten übereinander gestapelt und mit Durchkontaktierungen 8 miteinander verbunden. Ferne wird die Spule 28 an einem äußeren
Rand der zweiten Substratschicht 6 angeordnet und mit der Spannungsanpassungsschaltung 20 und der Wiederaufladeschaltung 20, welche auf dem Endstück 11 der zweiten Substratschicht angeordnet ist, zur Energieübertragung verbunden. Ebenso werden die beiden Ener- giespeicher 9 und 10 werden über die Kontakte 21 mit der Spannungsanpassungsschaltung 20 und die Wiederaufladeschaltung 20 zur Energieübertragung verbunden. Die gestapelten Substratschichten 5, 6 und 7 werden zusammen mit den Energiespeichern 9 und 10 in einer Gussform mittels Fixierelementen, wie Klammer oder Anschlägen, fixiert. Ebenso werden die beiden Drucksensoren 4 sowie die drei Elektroden 3 an einer In- nenfläche der Gussform fixiert, wobei die beiden
Drucksensoren an zwei einander entgegengesetzten Stellen der Gussform angeordnet werden. Anschließend werden die Drucksensoren 4 mit der Schaltung 13 und die Elektroden mit der Schaltung 16 der Messeinheit mittels elektrischen Verbindern 30, wie beispielsweise Drähten, verbunden. Anschließend wird die Gussform mit einer bioverträglichen Vergussmasse, in diesem Fall Silikon, aufgefüllt zur Herstellung der Außenhülle 2.
In Figur 4 ist ein weiteres Sensorsystem hier vorgeschlagener Art in einem Längsschnitt schematisch dargestellt. Dieses Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem in Figur 1 gezeigten Ausführungsbeispiel nur durch die Anordnung zweier Spulen 28, 28' zum
Aufladen der Energiespeicher 9, 10 und einem
Reedkontakt 29 (Reedrelais) zum Einschalten des Sensorsystems. Alle anderen Merkmale gleichen denen des in Figur 1 gezeigten Sensorsystems und haben die gleichen Bezugszeichen. Die Schnittebene verläuft entlang der in Figur 2 gezeigten Schnittebene X, also parallel und direkt oberhalb der zweiten Substrat- Schicht 6 mit Blickrichtung auf diese Substratschicht 6. Die erste dieser beiden Spulen 28 ist als Leiterbahn auf der zweiten Substratschicht 6 ausgestaltet, könnte aber genauso gut auf einer der anderen Substratschichten angeordnet sein. Zur Erzielung einer möglichst hohen Induktivität verläuft diese Leiterbahn entlang einer äußeren Kontur dieser Substratschicht, d.h. möglichst nahe zu den Außenkanten der Substrat- schicht und möglichst parallel zu diesen. Die zweite Spule 28 ist durch einen gewickelten Draht (z.B. aus Kupfer) gegeben, welcher um die Substratschichten 5, 6, 7 sowie die beiden Energiespeicher 9 und 10 des
Sensorsystems 1 herumläuft.
Es ist auch möglich, nur eine dieser beiden Spulen 28, 28 x vorzusehen, also entweder nur die Leiterbahn- spule 28 oder nur die Drahtspule 28 * zu verwenden. In der prinzipiellen Funktionalität unterscheiden sich diese Spulen allerdings nicht voneinander und auch nicht von der in Figur 3 gezeigten Spule 28. Die Drahtspule 28' wird bei der Herstellung des Sensor- Systems 1 innerhalb der Gussform fixiert (z.B. mit einer Klammer oder mittels geeigneten Anschlägen in der Gussform) , bevor die Gussform mit dem
Vergussmaterial (zur Bildung der Außenhülle 2) ausgegossen wird.
Mit dem genannten Reedkontakt 29, welcher in diesem Beispiel auf dem Endstück 11 der zweiten Substratschicht angeordnet ist, kann das Sensorsystem 1 mit einem externen Sender eines Magnetfeldes (nicht ge- zeigt) über ein magnetisches Aktivierungssignal eingeschaltet werden. Im Fall eines Sensorsystems für Fische kann für einen solchen Einschaltvorgang der Fisch zuvor aus dem Wasser genommen werden, um ein zuverlässiges Einschalten des implantierten Sensorsystems zu gewährleisten. Vorzugsweise ist das Sen- sorsystem so eingerichtet, dass es nach einem erstmaligen Einschalten mittels des Reedkontaktes 29 in einem aktivierten (eingeschalteten) Zustand verbleibt.
Die Energiespeicher 9, 10 der gezeigten Ausführungs- formen (Figuren 1 bis 4) können vorteilhafterweise über die Spulen 28 und/oder 28' auch dann aufgeladen werden, wenn sich der Fisch mit dem in ihm implantierten Sensorsystem 1 im Wasser befindet, so dass also zum Aufladen des Sensorsystems 1 der Fisch nicht eingefangen oder aus dem Wasser genommen werden muss.
Figur 5 zeigt eine schematische Darstellung eines Stapels 31 gedünnter Substratschichten hier vorgeschlagener Art. Der Stapel 31 umfasst vier gedünnte Substratschichten 5, 6, 7, 32, die jeweils eine Dicke von etwa 10 Mikrometer aufweisen und wobei die vierte Substratschicht 32, welche die unterste Substratschicht des Stapels 31 ist und eine Breite zwischen 1 mm und 10 mm aufweisen kann, so gebogen ist, dass ein erster Teilbereich 33 und ein zweiter Teilbereich 34 dieser Substratschicht 32 aus einer gemeinsamen
Hauptebene E der gestapelten Substratschichten 5, 6, 7, 32 des Stapels 31 herausragen. Diese Hauptebene E verläuft parallel zu den übrigen, nicht gebogenen Substratschichten 5, 6, 7.
Auf dem ersten Teilbereich 33 ist ein erster Sensor 35 und auf dem zweiten Teilbereich 34 ist ein zweiter Sensor 36 angeordnet, also beispielsweise funktionel- le Bauteile einer der Messeinheit eines Sensorsystems hier vorgeschlagener Art. In diesem Beispiel handelt es sich bei dem beiden Sensoren 35 und 36 jeweils um Drucksensoren, die Sensoren 35, 36 könnten aber auch zur Messung einer Temperatur, einer Beschleunigung, einer Strahlungsintensität, einer Stoffkonzentration (etwa von Zucker oder Insulin, beispielsweise in Blut) , eines pH-Wertes (beispielsweise von Blut) , einer Feuchtigkeit, eines elektrischen Stroms, einer elektrischen Spannung, eines elektrischen Feldes oder eines Magnetfeldes (etwa mit einer Hall-Sonde) eingerichtet sein. Anstelle der Sensoren 35, 36 könnten auch funktionelle Bauteile einer Sendeeinheit
und/oder einer Empfangseinheit angeordnet sein, wie etwa eine (RF- ) Antennen, ein photosensitiver Sensor oder eine LED.
In diesem Beispiel schließen die beiden Teilbereiche 33 und 34 - und somit auch die Sensoren 35, 36 - miteinander und jeweils mit der Hauptebene E einen Winkel von etwa 90° ein. Durch diese Anordnung lässt sich die Ausbreitung von Druckwellen (in Luft oder in Flüssigkeiten, wie etwa Blut) räumlich und zeitlich auflösen und anhand von Laufzeitunterschieden Signalanteile, die einer bestimmten Quelle zugeordnet werden, wie etwa einem Herzen, herausfiltern, um sie anschließend einer Frequenzanalyse zu unterziehen. Es ist durch diese Anordnung der Sensoren außerdem möglich, eine Quelle von Druckwellen zu orten.
Der Stapel 31 umfasst also eine auf der vierten Sub- stratschicht 32 angeordnete (integrierte) Messeinheit mit den beiden Sensoren 35, 36 zum Messen von
Messgrößen und Erzeugen entsprechender Messsignale. Der Stapel 31 umfasst ferner eine auf der dritten Substratschicht 7 angeordnete RF-Sendeeinheit (zuge- höriger Schaltkreis hier nicht dargestellt) zum Senden von Signalen unter Verwendung der Messsignale und eine mit der Messeinheit und der Sendeeinheit verbundenen Steuer- und Auswerteeinheit (zugehörige Schaltkreise nicht dargestellt) , die auf der ersten und der zweiten Substratschicht 5, 6 angeordnet ist, zur Auf- bereitung der Messsignale und Ansteuern der Sendeeinheit für die Aussendung der Sendesignale. Die Auswerteeinheit ist insbesondere zur Filterung, Verstärkung und anschließenden Digital/Analog-Wandlung der Messsignale der beiden Sensoren 35, 36 eingerichtet und zur Durchführung der oben beschriebenen weiteren Auswertung der Messsignale. Die vier Substratschichten sind außerdem mittels Durchkontaktierungen (hier nicht dargestellt) miteinander verbunden. In der vierten Substratschicht 32 sind außerdem Signalleiter (hier nicht dargestellt) integriert zum Übertragen der Messsignale der Sensoren 34, 35 auf die in der ersten und zweiten Substratschicht 5, 6 integrierten Steuer- und Auswerteeinheit. Der Stapel 31 kann beispielsweise für ein Sensorsystem hier vorgeschlagener Art, wie etwa das anhand von Figuren 1 bis 4 beschriebene verwendet werden. Dementsprechend könnten die beiden Drucksensoren 35, 36 auch an zwei einander gegenüberliegenden Seiten der vierten SubstratSchicht 32 angeordnet sein. Außerdem kann der Stapel 31 mit einer Energiespeichereinheit zur Energieversorgung der Einheiten verbunden werden.
In Figur 6 ist eine schematische Darstellung eines Ausschnitts einer speziellen Ausführungsform eines
Sensorsystems 1 hier vorgeschlagener Art mit einem Stapel 31 von gedünnten Substratschichten hier vorgeschlagener Art gezeigt. Dabei ist ein unfertiger Zustand des Systems 1 während seiner Herstellung darge- stellt. Zu erkennen ist ein Teil einer gebogenen Substratschicht 5 des Stapels 31, wobei ein Teilbereich 33 der Substratschicht 5 aus einer Hauptebene E des Stapels 31 herausragt. Auf diesem Teilbereich 33 ist ein Drucksensor 4 angeordnet, also ein funktionelles Bauteil einer Messeinheit des Sensorsystems 1. An- stelle des Drucksensors 4 könnte es sich genauso gut um einen anderen der eingangs genannten Sensoren handeln. Es könnte sich hierbei aber auch um ein funktionelles Bauteil einer Sendeeinheit oder einer Empfangseinheit des Sensorsystems 1 handeln, wie bei- spielsweise um eine Antenne, einen photosensitiven
Sensor oder eine LED.
Der Stapel 31, auf dem außerdem Schaltkreise einer Steuer- und Auswerteeinheit und der Sendeeinheit in- tegriert (nicht dargestellt) sind, ist in einer Gussform 37 fixiert, welche in einem nachfolgenden
Schritt mit einem biokompatiblen Vergussmaterial (nicht dargestellt) ausgegossen wird zur Fertigstellung des Systems 1. In diesem Zustand ist der Teilbe- reich 33 der Substratschicht 5 an der Gussform 37 abgestützt und wird durch sie hierdurch in ihrer Lage stabilisiert, so dass sie sich nicht in die Hauptebene E zurückbewegen kann. Die Gussform wirkt somit als ein Halteelement zum Fixieren und Halten des Teilbe- reichs 33. Dabei ist der Drucksensor 4 in einer
Durchtrittsöffnung 38 der Gussform 37 angeordnet, so dass auch nach Ausgießen der Gussform 37 der Drucksensor 4 in einem direkten Kontakt zu einem Außenraum des Sensorsystems 1 steht.
Nach Ausfüllen der Gussform 37 mit dem
Vergussmaterial und ihrem Aushärten wird die Gussform 37 entfernt. Dann dient die Vergussmasse gleichzeitig auch als Haltelement zum Fixieren des Teilbereichs 33 in seiner momentanen Lage. Bezugszeichenliste :
1 Sensorsystem
2 Außenhülle
3 Elektrode
4 Drucksensor
5 erste gedünnte Substratschicht
6 zweite gedünnte Substratschicht
7 dritte gedünnte Substratschicht
8 Durchkontaktierung
9 erster Energiespeicher
10 zweiter Energiespeicher
11 Endstück einer gedünnten Substratschicht
12 Innenraum des Systems
13 Schaltkreis zur Druckmessung
14 Schaltkreis zur Temperaturmessung
141 Temperatursensor
15 Schaltkreis zur Beschleunigungsmessung 15' Beschleunigungssensor
16 Schaltkreis zur Messung eines Hautwiderstandes und eines Hautpotentials
17 Schaltkreis der Auswerte- und Steuereinheit
18 Schaltkreis der Sendeeinheit
19 Zwischenschicht
20 Schaltkreis der Spannungsanpassungsschal - tung und der Wiederaufladeschaltung
21 Kontakt
22 Anode des ersten Energiespeichers
23 Kathode des ersten Energiespeichers
24 Anode des zweiten Energiespeichers
25 Kathode des zweiten Energiespeichers
26 Elektrolyt des ersten Energiespeichers
27 Elektrolyt des zweiten Energiespeichers
28 Spule
28' weitere Spule
29 Reedkontakt 30 elektrischer Verbinder
31 Stapel gedünnter Substratschichten
32 vierte gedünnte Substratschicht
33 erster Teilbereich der Substratschicht
34 zweiter Teilbereich der Substratschicht
35 erster Sensor auf Teilbereich
36 zweiter Sensor auf Teilbereich 37 Gussform
38 Durchtrittsöffnung
10
E Hauptebene des Stapels der gedünnten Substratschichten

Claims

Patentansprüche
Sensorsystem (1) zum Implantieren in einen Körper eines Lebewesens mit einer Messeinheit zum Messen von Parametern des Körpers und Erzeugen entsprechender Messsignale, einer Sendeeinheit zum Senden von Signalen unter Verwendung der Messsignale, einer mit der Messeinheit und der Sendeeinheit verbundenen Steuer- und Auswerte - einheit zur Aufbereitung der Messsignale und Ansteuern der Sendeeinheit für die Aussendung der Sendesignale, eine Energiespeichereinheit zur Energieversorgung der Einheiten und einer Außenhülle (2) , die die Messeinheit, die Sendeeinheit, die Auswerteeinheit und die Energiespeichereinheit zumindest teilweise umschließt, dadurch gekennzeichnet,
dass das System (1) mindestens zwei gedünnte Substratschichten (5, 6, 7, 32) umfasst, auf denen Schaltkreise (13, 14, 15, 16, 17, 18) der Messeinheit, der Steuer- und Auswerteeinheit und der Sendeeinheit integriert sind, wobei die Substratschichten (5, 6, 7, 32) übereinander gestapelt und zur Signalübertragung zwischen den Substratschichten (5, 6, 7, 32) durch elektrische Durchkontaktierungen (8) miteinander verbunden sind.
System (1) aus Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sendeeinheit auf einer ersten der Substratschichten (7) angeordnet ist und dass zwischen der ersten Substratschicht (7) und einer weiteren der Substratschichten (5, 6) eine die Sendesignale der Sendeeinheit abschirmende Zwischenschicht (19) angeordnet ist. System (1) aus einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinheit einen Temperatursensor (14') umfasst zum Messen einer Körpertemperatur.
System (1) aus einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinheit einen Beschleunigungssensor (15') umfasst zum Messen einer Beschleunigung des Körper.
System (1) aus einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Substratschichten (5, 6, 7, 32) gebogen ist, so dass mindestens ein Teilbereich (33, 34) dieser mindestens einen Substratschicht (5, 6, 7, 32) aus einer gemeinsamen Hauptebene (E) der gestapelten Substratschichten (5, 6, 7, 32) herausragt, wobei mindestens ein funktionelles Bauteil des Systems (1) auf diesem mindestens einen Teilbereich (33, 34) platziert ist, vorzugsweise ein Sensor (4, 14 x , 15Λ, 35, 36) der Messeinheit, ein Bauteil der Sendeeinheit und/oder ein Bauteil einer Empfangseinheit des Systems zum Senden oder Empfangen von Signalen.
System (1) aus Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet dass der mindestens eine Teilbereich (33, 34) mit der gemeinsamen Hauptebene (E) der Substratschichten (5, 6, 7, 32) einen Winkel von mindestens 20° einschließt.
System (1) aus einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine auf dem mindestens einen aus der gemeinsamen Hauptebene (E) der Substratschichten (5, 6, 7, 32) herausragende Teilbereich (33, 34) platzierte Sensor (4, 14', 15' , 35, 36) zum Messen eines Drucks, einer Temperatur, einer Beschleunigung, ein Strahlungsintensität, einer Stoffkonzentra- tion, eines pH-Wertes, eines Stroms, einer Spannung, eines elektrischen Feldes oder eines Magnetfeldes eingerichtet ist.
System (1) aus einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenhülle (12) langgestreckt ist, so dass eine Länge der Außenhülle vorzugsweise um einen Faktor 2 bis 20 größer ist als eine Breite und eine Höhe der Außenhülle .
System (1) aus einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenhülle (12) aus einem biokompatiblen Vergusswerkstoff, vorzugsweise aus einem silikonhaltigen
Vergusswerkstoff, gefertigt ist.
System (1) aus einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinheit mindestens einen mit dem Schaltkreis (13, 14, 15, 16) der Messeinheit verbundene Drucksensor (4) umfasst, der an einer Außenseite der Außenhülle (2) angeordnet ist zum Messen eines Drucks in dem Körper.
System (1) aus Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Drucksensor (4) und ein zweiter Drucksensor (4) an einander entgegengesetzten Seiten der Außenhülle (2) angeordnet sind .
System (1) nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit eingerichtet ist zur Bestimmung eines Frequenz- Spektrums von mit dem mindestens einen Drucksensor (4) erzeugten Messsignalen und zur Bestim- mung eines Blutdrucks, eines Umgebungsdrucks, einer Herzfrequenz und/oder einer Atemfrequenz des Körpers aus dem Frequenzspektrum.
System (1) nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinheit mindestens zwei mit dem Schaltkreis (13, 14, 15, 16) der Messeinheit verbundene Elektroden (3) umfasst, die auf einer äußeren Oberfläche der Außenhülle (2) angeordnet sind zum Messen eines Hautpotentials und/oder eines Hautwiderstands, wobei mindestens zwei der Elektroden (3) die Außenhülle (2) vorzugsweise ringförmig umlaufen.
System (1) aus einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Energie- Speichereinheit mindestens einen ersten und einen zweiten elektrischen Energiespeicher (9, 10) umfasst, wobei der erste Energiespeicher (9) ein vorgegebenes negatives Anodenpotential und der zweite Energiespeicher (10) ein vorgegebenes positives Kathodenpotential aufweist.
System (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiespeichereinheit mindestens einen ersten und einen zweiten plattenförmigen Energiespeicher (9, 10) umfasst, welche parallel zueinander ausgerichtet sind.
System (1) nach einem der Ansprüche 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, zwischen dem mindestens einen ersten und zweiten Energiespeicher (9, 10) ein Endstück (11) einer der Substratschichten (5, 6, 7, 32) angeordnet ist, wobei auf dieser Substratschicht (5, 6, 7, 32), vorzugsweise auf dem genannten Endstück (11) , ferner eine Span- nungsanpassungsschaltung (20) integriert ist zur Anpassung einer Versorgungsspannung für die Messeinheit, für die Auswerteeinheit und/oder für die Sendeeinheit.
System (1) aus einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiespeichereinheit (9, 10) eine Spule (28) umfasst zum kontaktlosen Aufladen der Energiespeichereinheit mittels magnetischer Energie.
Verfahren zur Herstellung eines Systems (1) aus einem der vorangehenden Ansprüchen mit folgenden Schritten:
- Integrieren von Schaltkreisen der Messeinheit (13, 14, 15, 16), der Auswerte- und Steuereinheit (17) und der Sendeeinheit (18) auf
gedünnten Substratschichten (5, 6, 7, 32),
- Stapeln der Substratschichten (5, 6, 7, 32),
- Verbinden der Substratschichten (5, 6, 7, 32) mittels Durchkontaktierungen,
- Verbinden der Energiespeichereinheit (9, 10) mit der Messeinheit, der Auswerte- und Steuereinheit, und/oder der Sendeeinheit,
- Fixieren der Messeinheit, der Auswerte- und Steuereinheit, der Sendeeinheit und der Energie- Speichereinheit innerhalb einer Gussform und
- Ausgießen der Gussform mit einem
Vergusswerkstoff .
Verfahren aus Anspruch 18, welches außerdem mindestens einen der folgenden weiteren Schritte umfasst :
- Verbinden von Elektroden (3) zur Messung eines Hautwiderstandes mit dem auf einer der Substratschichten (5, 6, 7, 32) integrierten Schaltkreis (16) der Messeinheit und Fixieren der Elektroden (3) an einer Innenfläche der Gussform,
- Verbinden mindestens eines Drucksensors (4) mit dem auf einer der Substratschichten (5, 6, 7, 32) integrierten Schaltkreis (13) der Messeinheit und Fixieren des mindestens einen Drucksensors (4) an der Innenfläche der Gussform
- Biegen mindestens einer der Substratschichten (5, 6, 7, 32), so dass mindestens ein Teilbereich (33, 34) dieser mindestens einen Substratschicht (5, 6, 7, 32) aus einer gemeinsamen Hauptebene der gestapelten Substratschichten (5, 6, 7, 32) herausragt,
- Platzieren mindestens eines funktionellen Bauteils des Systems auf diesem mindestens einen aus der gemeinsamen Hauptebene herausragenden Teilbereich (34, 35) der mindestens einen gebogenen Substratschicht (5, 6, 7, 32), insbesondere eines Sensors (4, 14 ' , 15 ' , 35, 36) der Messeinheit, eines funktionellen Bauteils einer Sendeeinheit und/oder einer Empfangseinheit zum Senden oder Empfangen von Signalen.
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