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Die Erfindung betrifft einen Sensor zur Erfassung von elektrischen Biopotentialen durch Aufsetzen auf die Haut eines menschlichen oder tierischen Körpers nach Anspruch 1 sowie einen medizinischen Apparat nach Anspruch 18.
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Die Erfassung von elektrischen Biopotentialen über auf der Haut aufgesetzte Oberflächenelektroden zur Ermittlung elektrischer Aktivität im Körper ist seit langem bekannt. Dabei stellt die Haut eine mechanische und elektrische Barriere zwischen der Ionenleitung im Inneren des Körpers und der Elektronenleitung der Oberflächenelektrode dar. Um eine hochauflösende Erfassung von elektrischen Biosignalen zu ermöglichen, wie sie beispielsweise für Elektromyogramme, Elektroenzephalogramme oder Elektrokardiogramme benötigt werden, ist es notwendig, den Hautwiderstand zu verringern oder zu umgehen.
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Der elektrische Widerstand der Haut wird hauptsächlich durch die äußere Hautschicht, dem Stratum Corneum, der hauptsächlich aus toten Hautzellen besteht, gebildet. Die toten Hautzellen der äußeren Hautschicht sind weitestgehend ausgetrocknet und stellen eine Fluidbarriere dar, die auch elektrisch isolierend wirkt. Das Stratum Corneum besitzt beim Menschen eine Dicke zwischen 8 und 20 µm und variiert stark an der Körperoberfläche. Die Nerven und Blutbahnen liegen erst in einer darunterliegenden Schicht, die eine Dicke von 50–100 µm aufweist.
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Zur Überwindung der elektrischen Barriere ist es bekannt, Leitgele in Verbindung mit der Oberflächenelektrode zu verwenden, um den Übergang zwischen Haut und Elektrode zu verbessern. Dabei werden elektrolytische Leitgele verwendet, die durch Diffusion von Ionen in die äußere Hautschicht die elektrische Barriere überwinden können. Derartige Leitgele können jedoch bei Langzeitanwendungen ein unangenehmes Jucken auf der Haut durch Hautirritationen und sogar Entzündungen hervorrufen. Ferner muss das Leitgel, falls es nicht bereits in der Elektrode integriert ist, separat vor dem Einsatz der Elektrode auf der Haut appliziert werden.
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Anstelle der Leitgele können auch leitfähige Klebstoffe verwendet werden, die gleichzeitig die Elektrode auf der Hautoberfläche befestigen können. Derartige Leitgele oder Haftvermittler trocknen jedoch im Laufe der Zeit aus, so dass der elektrische Übergang zwischen Haut und Elektrode verschlechtert wird.
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Ferner sind Trockenelektroden bekannt, die ohne Leitgel auskommen. Die Signalqualität bei derartigen Trockenelektroden ist allerdings durch Transpiration beeinflussbar. Ferner werden derartige Trockenelektroden häufig mit Hilfe von Klebestreifen befestigt, die sich durch Transpiration oder Bewegung der Haut lösen können, so dass eine Langzeitmessung nahezu unmöglich ist.
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Zusätzlich lässt sich der Hautwiderstand durch die Vorbehandlung der Haut reduzieren, indem die toten Hautzellen zumindest teilweise entfernt werden. Diese Methode ist allerdings zeitaufwendig und kann für den Patienten unangenehm sein. Ferner haben Untersuchungen ergeben, dass die betroffene Hautpartie nach einigen Tagen ausheilt und somit Langzeitmessungen beeinflusst werden.
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Aus der
US 4,920,968 A ist ein in einer Hülle integriertes Substrat mit Nadelelektroden bekannt, über das Stromstöße, beispielsweise zur Haarentfernung, in die Haut eingebracht werden können.
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Ferner ist bekannt, die Signalgüte durch Filterung von unerwünschten Signalanteilen sowie einer Vorverstärkung zu verbessern. Derartige Verfahren sind beispielsweise aus
US 4,213,467 A und
US 2006/0153386 A1 bekannt.
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Aus
EP 1 164 928 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung einer medizinischen Elektrode bekannt, die aus einem Wafer mit abstehenden Spitzen gefertigt werden.
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Zum Aufsetzen auf die Haut wird die Elektrode über ein Klebeband befestigt, so dass die Spitzen das Stratum Corneum durchbohren.
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Bei derartigen Elektroden besteht jedoch die Gefahr, dass die Spitzen bei dem Aufsetzen auf die Haut abbrechen. Auch ist die Befestigung der Elektrode über Klebestreifen aufwendig und kann zu Irritationen auf der Haut durch die Klebestreifen führen. Wie bereits zwar ausgeführt worden ist, können Klebestreifen bei Langzeitmessungen keine zuverlässige Fixierung der Elektroden gewährleisten.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt in der Bereitstellung eines Sensors zur Erfassung einer großen Anzahl von elektrischen Biosignalen ohne die langwierige Vorbereitung der Haut oder Anwendung von Leitgelen bereitzustellen, wobei der Sensor mechanisch stabil auf der Hautoberfläche applizierbar sein soll.
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Eine weitere Aufgabe liegt darin, eine Langzeiterfassung von Biosignalen zu ermöglichen, ohne dass es zu Hautirritationen durch beispielsweise ein Adhesiv kommen kann, oder dass die Kontaktierung durch Transpiration oder Bewegung der Hautoberfläche gelöst wird.
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Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 18.
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Die Erfindung sieht in vorteilhafter Weise vor, dass ein Sensor zur Erfassung von elektrischen Biopotentialen zum Aufsetzen auf die Haut eines menschlichen oder tierischen Körpers ein Substrat mit einer Vielzahl von Nadeln aufweist, die von einer Hauptfläche des Substrats abstehen, wobei die Nadeln eine Länge aufweisen, die ein Durchdringen einer äußeren Hautschicht beim Aufsetzen auf die Haut ermöglichen, um eine angrenzende Hautschicht elektrisch zu kontaktieren. Das Substrat mit den Nadeln bildet dabei mindestens eine Elektrode des Sensors.
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Der Sensor weist ferner eine Anschlussvorrichtung zum Übermitteln von von dem Sensor erfassten Signalen auf, wobei die Anschlussvorrichtung mit den Nadeln elektrisch verbunden ist. Eine Hülle ummantelt das Substrat zumindest teilweise und erstreckt sich zumindest teilweise über die erste Hauptfläche desSubstrats, wobei die Nadeln die Hülle durchdringen und aus der Hülle herausragen. Dabei ist das Substrat derart in der Hülle flexibel gelagert, dass ein auf dem Sensor bzw. das Substrat ausgeübter Anpressdruck gleichmäßiger auf der Haut verteilbar ist, als bei einem herkömmlichen Sensor. Die Hülle ist mit einem flexiblen Gewebe, einem Textil und/oder einer flexiblen Struktur verbunden.
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Durch das Vorsehen einer Hülle, die das Substrat ummantelt, wobei die Nadeln die Hülle durchdringen und aus der Hülle herausragen, gibt die Hülle den Nadeln eine zusätzliche mechanische Stabilität, so dass die Gefahr, dass die Nadeln abbrechen können, verringert wird. Darüber hinaus ermöglicht die Hülle in vorteilhafter Weise, dass der Sensor auf der Haut eines menschlichen oder tierischen Körpers befestigt wird, indem die Hülle mit einem flexiblen Gewebe, einem Textil und/oder einer flexiblen Struktur verbunden wird. Der auf den Sensor bzw. das Substrat ausgeübte Anpressdruck kann durch eine flexible Hülle ausgeglichen werden, so dass der Anpressdruck gleichmäßig auf der Haut verteilbar ist. Dadurch kann gewährleistet werden, dass die Nadeln gleichmäßig in die Haut eindringen.
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Vorzugsweise besteht die Hülle aus einem flexiblen Kunststoff, beispielsweise Silikon. Der flexible Kunststoff kann in vorteilhafter Weise das Substrat aufnehmen und aufgrund der Flexibilität den Anpressdruck verteilen bzw. abfedern. Darüber hinaus ist insbesondere Silikon für den Einsatz im medizinischen Bereich besonders geeignet und einfach zu verarbeiten.
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Durch die Verwendung von flexiblem Kunststoff kann der Sensor mehrere unterschiedliche aktive Teile umfassen, so dass durch den Kunststoff die Nadeln elektrisch voneinander isoliert sind, wobei verhindert werden kann, dass benachbarte Nadeln beispielsweise durch Transpiration elektrisch miteinander kontaktiert werden.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Hülle ein Gussteil und das Substrat in die Hülle eingegossen ist. Auf diese Weise lässt sich die Hülle auf eine einfache Art und Weise herstellen und gewährleisten, dass die Nadeln die Hülle durchdringen und aus der Hülle herausragen, ohne dass die Nadeln bei dem Herstellungsprozess mechanisch belastet werden.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Nadeln eine Länge zwischen 5 μm und 1000 μm, vorzugsweise zwischen 5 μm und 200 μm, aufweisen. Als Länge der Nadel im Rahmen dieser Erfindung wird die aus der Hülle des Substrats herausragende freie Länge der Nadeln verstanden. Bei einer Länge von 5 μm bis 1000 μm wird gewährleistet, dass je nach Körper und Stelle des Körpers, auf die der Sensor auf die Haut aufgesetzt werden soll, die Länge der Nadeln ausreichend ist, ein die äußere Hautschicht zu durchdringen, ohne jedoch darunter liegende Nerven zu reizen. Dadurch ist ein Aufsetzen des Sensors auf die Haut möglich, ohne dass Schmerzen bei dem Patienten erzeugt werden.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass ein Substrat ein Halbleitersubstrat, vorzugsweise ein Silizium-Substrat, ist. Derartige Substrate lassen sich auf eine besonders vorteilhafte Weise dazu nutzen, um herausragende Strukturen wie die erfindungsgemäßen Nadeln herzustellen. Dabei wird das Halbleitersubstrat zur Herstellung der abstehenden Nadeln vorzugsweise geätzt.
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Es ist vorgesehen, dass das Substrat und/oder die Nadeln zumindest teilweise mit einer leitenden Beschichtung, vorzugsweise einer Silber/Silber-Chlorid-Beschichtung (Ag/AgCl-Doppelschicht), beschichtet sind. Eine derartige Beschichtung hat sich als besonders vorteilhaft für die Beschichtung von Elektroden und somit für Sensoren zur Erfassung von elektrischen Biopotentialen herausgestellt.
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In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen, dass das Substrat an einer Trägerplatte befestigt ist, wobei die Trägerplatte vorzugsweise ein Keramik-Substrat ist. Die Trägerplatte erhöht die Stabilität des Sensors, wobei ferner das Substrat mit den abstehenden Nadeln mechanisch stabilisiert wird bzw. von geringerer Dicke vorgesehen sein kann, da durch die Trägerplatte die mechanische Belastung des Substrats verringert wird. Das Trägersubstrat ermöglicht ferner auf vorteilhafte Weise die Anordnung der Anschlussvorrichtung.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Nadeln an dem dem Substrat zugewandeten Ende jeweils einen Durchmesser zwischen 40 μm und 1000 μm, vorzugsweise zwischen 40 μm und 100 μm, besitzen.
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Die Nadeln können sich über Ihre Länge zum von dem Substrat abgewandten Ende hin verjüngen oder an dem von dem Substrat abgewandten Ende spitz zulaufen. Auf diese Weise ist ein Durchdringen der äußeren Hautschicht bei einem Aufsetzen des Sensors auf die Haut in vorteilhafter Weise möglich.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Substrat und die Nadeln zumindest teilweise aus einem dotierten Halbleitermaterial, vorzugsweise aus dotiertem Silizium, bestehen. Durch die Dotierung des Halbleitermaterials ist es möglich, dem Substrat und/oder den Nadeln eine gute elektrische Leitfähigkeit zu verleihen, so dass in vorteilhafter Weise möglich ist, die zu erfassenden Signale aufzunehmen und an die Anschlussvorrichtung weiterzuleiten, ohne dass eine leitfähige Beschichtung vorgesehen sein muss.
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Es kann vorgesehen sein, dass das Substrat wenigstens einen Bereich aus einem dotierten Halbleitermaterial und wenigstens einen Bereich aus einem undotierten Halbleitermaterial aufweist. Dabei kann das undotierte Halbleitermaterial zwei Bereiche aus dotiertem Halbleitermaterial elektrisch isolieren. Auf diese Weise ist es möglich, dass ein Sensor zwei oder mehrere Elektroden besitzt, die unterschiedliche Signale aufnehmen können oder es kann die örtliche Auflösung der Messung erhöht werden. Die erfindungsgemäße Ausführungsform hat aber den Vorteil, dass die mehreren Elektroden aus einem Substrat gefertigt werden können, da der undotierte Bereich des Halbleitermaterials die dotierten Bereiche des Halbleitermaterials elektrisch isolieren kann.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass des Substrat und/oder die Nadeln wenigstens zwei unterschiedlich dotierte Bereiche aufweisen. Durch eine unterschiedliche Dotierung des Substrats und/oder der Nadeln ist es möglich, mehrere Elektroden mit unterschiedlichen Eigenschaften auf einem Substrat und in einem Sensor zu schaffen. Durch eine unterschiedliche Dotierung des Substrats und/oder der Nadeln können beispielsweise Bereiche mit unterschiedlichen elektrischen Leitfähigkeiten erzeugt werden.
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Bei einer Ausführungsform mit unterschiedlich dotiertem Bereichen ist es vorteilhaft, wenn die Anschlussvorrichtung die dotierten Bereiche jeweils einzeln elektrisch kontaktiert. Auf diese Weise ist es möglich, unterschiedliche Signalkomponenten, die von den unterschiedlich dotierten Bereichen des Substrats und der Nadeln aufgenommen werden, getrennt voneinander an eine Auswertevorrichtung zu übermitteln.
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In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass das flexible Gewebe, das Textil und/oder die flexible Struktur in die Hülle eingegossen sind. Die Verbindung der Hülle mit einem flexiblen Gewebe, einem Textil und/oder einer flexiblen Struktur ermöglicht in vorteilhafter Weise die Integration des Sensors in größere Strukturen, wie beispielsweise Gurte, Manschetten oder Kleidung.
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Dadurch ist es möglich, den Sensor auf eine besonders einfache Art und Weise auf der Haut zu befestigen, wobei die Haut durch das Vorsehen derartiger Strukturen nur im geringen Maße belastet wird, da ein Aufkleben des Sensors auf die Haut nicht notwendig ist. Auch ist es möglich, den Sensor über eine längere Zeit auf der Haut zu befestigen, indem beispielsweise der Sensor in ein Kleidungsstück, wie beispielsweise eine Manschette, integriert ist.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Nadeln einen runden, rechteckigen, kreisförmigen und/oder sternförmigen Querschnitt haben. In Abhängigkeit von dem Verwendungszweck kann eine unterschiedlich geformte Querschnittsform der Nadeln vorteilhaft sein. Selbstverständlich ist es möglich, dass an einem Sensor Nadeln mit unterschiedlicher Querschnittsform angeordnet sind. So kann beispielsweise vorgesehen sein, dass im inneren Bereich eines Sensors Nadeln mit einem runden Querschnitt vorgesehen sind und in einem äußeren Bereich Nadeln mit einem sternförmigen Querschnitt.
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Bei einer Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Anschlussvorrichtung eine Elektronik aufweist, die die aufgenommenen Signale vor der Übermittlung verarbeitet.
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Die Erfindung umfasst ferner einen medizinischen Apparat mit einem erfindungsgemäßen Sensor. Auch umfasst die Erfindung einen Liner für eine Prothese, eine Manschette oder einen Gurt mit mindestens einem erfindungsgemäßen Sensor.
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Im Folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Sensors,
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2 eine schematische Schnittdarstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Sensors,
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3 eine schematische Ansicht von unten eines dritten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Sensors,
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4 eine schematische Schnittdarstellung des in 3 gezeigten erfindungsgemäßen Sensors,
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5 eine schematische Schnittdarstellung eines vierten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Sensors und
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6a–6d eine schematische Darstellung von unterschiedlichen Querschnittsformen von Nadeln eines erfindungsgemäßen Sensors.
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In 1 ist ein erfindungsgemäßer Sensor 1 zur Erfassung von elektrischen Biopotentialen durch Aufsetzen auf die Haut eines menschlichen oder tierischen Körpers schematisch im Schnitt dargestellt. Der Sensor 1 weist ein Substrat 3 mit einer Vielzahl von Nadeln 5 auf, die von einer ersten Hauptfläche 7 des Substrats 3 abstehen. Die Nadeln 5 sind als Array angeordnet.
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Das Substrat 3 ist auf einer Trägerplatte 25 angeordnet. Die Trägerplatte 25 kann dem Substrat 3 eine hohe Stabilität verleihen, so dass das Substrat relativ dünn ausgestaltet sein kann. Auf der von dem Substrat abgewandten Seite der Trägerplatte 25 ist eine Anschlussvorrichtung 9 angeordnet, die über eine oder mehrere Leitungen 10 den Sensor 1 mit einem medizinischen Gerät verbinden kann. Die Trägerplatte ermöglicht ferner eine vorteilhafte Anordnung der Anschlussvorrichtung 9. Das Substrat 3, die Trägerplatte 25 und die Anschlussvorrichtung 9 sind in eine Hülle 15 eingefasst, wobei die Nadeln 5 die Hülle 15 durchdringen und aus der Hülle 15 herausragen.
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Die an der Trägerplatte 25 angeordnete Anschlussvorrichtung 9 ist elektrisch mit den Nadeln 5 verbunden, um die von den Nadeln erfassten Signale aufzunehmen, vor Ort zu verarbeiten oder an ein oder mehrere entfernt angeordnete medizinische Geräte zu übermitteln. Zur Verarbeitung der Signale vor Ort kann die Anschlussvorrichtung eine Elektronik aufweisen, wobei die Hülle 15 die Elektronik in vorteilhafter Weise gegenüber Einwirkungen von außen schützt.
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Die elektrische Verbindung zwischen der Anschlussvorrichtung 9 und den Nadeln 5 erfolgt dabei über eine elektrisch leitende Beschichtung 11, die auf der ersten Hauptfläche 7, den Nadeln 5 und/oder der zweiten Hauptfläche 8 des Substrats 3 sowie der Trägerplatte 25 aufgebracht ist. Die elektrisch leitende Beschichtung 11 kann beispielsweise eine Silber/Silber-Chlorid-Schicht (Ag-AgCl-Doppelschicht) sein. Dabei umfasst die elektrisch leitende Beschichtung jeweils die Kanten des Substrates und/oder der Trägerplatte zur Herstellung einer elektrischen Verbindung zwischen Anschlussvorrichtung 9 und Substrat 3. In einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel erfolgt die elektrische Verbindung zwischen der Anschlussvorrichtung und dem Substrat über eine Durchkontaktierung in der Trägerplatte, welche mit einer elektrisch leitenden Beschichtung ausgekleidet ist.
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Die Hülle 15 besteht aus einem flexiblen Material, beispielsweise einem flexiblen Kunststoff, vorzugsweise Silikon, und nimmt das Substrat 3 und die Trägerplatte 25 flexibel auf. Die Trägerplatte kann beispielsweise aus einem Keramiksubstrat bestehen.
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Die Nadeln 5 weisen eine Länge auf, die beim Aufsetzen des Sensors 1 auf die Haut eines menschlichen oder tierischen Körpers ein Durchdringen einer äußeren Hautschicht der Haut ermöglichen, um eine darunter liegende angrenzende Hautschicht elektrisch zu kontaktieren. Dabei ist die Länge der Nadeln 5 so gewählt, dass jede Nadel 5 nicht oder nur im geringen Maße in die unter der äußeren Hautschicht liegende angrenzende Hautschicht eindringt, so dass in dieser Hautschicht liegende Nerven nicht gereizt werden. Dabei empfindet der Patient bei dem Aufsetzen des Sensors auf die Haut keinen Schmerz. Eine Länge zwischen 5 μm und 200 μm hat sich als ideal erwiesen, wobei je nach Anwendungsfall die Nadeln auch länger sein können. Als Länge der Nadeln im Rahmen der Erfindung ist dabei der aus der Hülle 15 herausragende Teil der Nadeln 5 zu verstehen.
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Die Nadeln 5 besitzen an der Basis vorzugsweise einen Durchmesser zwischen 40 μm und 100 μm.
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In dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel weisen die Nadeln 5 auf dem von dem Substrat 3 abgewandten Ende eine Spitze auf, die ein Durchdringen der äußeren Hautschicht beim Aufsetzen auf die Haut in vorteilhafter Weise ermöglichen.
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Die Hülle 15 kann als Gussteil ausgeführt sein, so dass das Substrat 3 die Trägerplatte 25 und die Anschlussvorrichtung 9 in die Hülle eingegossen sind.
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Bei dem In 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist ferner vorgesehen, dass ein flexibles Gewebe 17 mit der Hülle 15 verbunden ist. Dabei ist das flexible Gewebe 17 ebenfalls in die Hölle eingegossen, was eine Herstellung auf einfache Art und Weise ermöglicht. Durch das flexible Gewebe 17 ist es möglich, den erfindungsgemäßen Sensor 1 in eine Struktur, beispielsweise einen Gurt, eine Manschette oder einen Liner für eine Prothese zu integrieren. Dadurch ist es möglich, in vorteilhafter Weise den Sensor an dem Körper eines Patienten zu befestigen. Auch 1st es möglich, mehrere erfindungsgemäße Sensoren in ein flexibles Gehäuse zu integrieren und mit einer Elektronik zu verbinden. Dadurch können beispielsweise mit einem Kleidungsstück oder Gurt mehrere Elektroden auf der Haut appliziert werden.
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Erfindungsgemäß können das Substrat 3 und die Nadeln 5 aus einem Halbleitermaterial, vorzugsweise aus Silizium, bestehen, wobei die Nadeln 5 vorzugsweise durch Ätzen aus einem Silizium-Wafer herausgearbeitet sind.
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In 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Sensors 1 beschrieben. Der in 2 dargestellte Sensor 1 weist wiederum ein Substrat 3 auf, von dem von einer Hauptfläche 7 Nadeln 5 abstehen. An der zweiten Hauptfläche 8 des Substrats 3 ist eine Anschlussvorrichtung 9 angeordnet, die über eine elektrisch leitende Beschichtung 11 mit den ebenfalls eine elektrisch leitende Beschichtung 11 aufweisenden Nadeln 5 verbunden ist. Die elektrische Verbindung zwischen der elektrisch leitfähigen Beschichtung 11 auf der ersten Hauptfläche 7 und der elektrisch leitfähigen Beschichtung 11 auf der zweiten Hauptfläche 8 wird gebildet, indem die elektrisch leitfähige Beschichtung 11 die seitlichen Stirnkanten des Substrats 3 umfasst. Die Nadeln 5 sind in dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel derart ausgeführt, dass sie sich über ihre Länge zum von den Substrat 3 angewandten Ende hin verjüngen und eine Spitze bilden.
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Der Sensor 1 weist wiederum eine Hülle 15 auf, wobei die Nadeln 5 die Hülle 15 durchdringen und aus der Hülle 15 herausragen. Die Hülle 15 ist mit einem flexiblen Gewebe 17 verbunden, das in die Hülle 15 eingegossen ist. Über eine Leitung 10 kann der Sensor mit einem medizinischen Gerät zur Auswertung der erfassten Signale verbunden werden.
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In 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Sensors in einer schematischen Ansicht von unten dargestellt.
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Der Sensor 1 weist ein Substrat 3 auf, das In drei Bereiche aufgeteilt ist. Das Substrat 3 ist aus Silizium gefertigt und weist zwei unterschiedlich dotierte Bereiche 21, 23 auf. Die unterschiedlich dotierten Bereiche 21, 23 sind durch einen Bereich aus undotiertem Silizium 19 elektrisch voneinander isoliert. Die Nadeln 5 stehen jeweils von den unterschiedlich dotierten Bereichen 21, 23 ab. In dem Bereich aus undotiertem Silizium 19 sind keine Nadeln angeordnet. Die Nadeln 5 bestehen dabei jeweils aus dem gleichen dotierten Silizium wie die dotierten Bereiche 21, 23, von denen die Nadeln 5 abstehen. Dadurch ist eine Aufnahme und Übertragung der Signale durch die Nadeln 5 und das Substrat 3 möglich, ohne dass einen elektrisch leitende Beschichtung vorgesehen sein muss.
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Bei dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel weist der Sensor 1 zwei unterschiedliche Elektroden auf, wobei eine Elektrode durch den Bereich mit dotiertem Silizium 23 und die zweite Elektrode durch den Bereich mit dotiertem Silizium 21 gebildet wird.
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Der Bereich mit undotiertem Silizium 19 isoliert die beiden Bereiche mit dotiertem Silizium 21, 23, wodurch die Ausgestaltung der zwei unabhängigen Elektroden ermöglicht wird. Dadurch ist es möglich, mit einem erfindungsgemäßen Sensor 1 verschiedene Messungen gleichzeitig vorzunehmen, da zwei Elektroden unabhängig voneinander arbeiten können. Auch ist es möglich, bei einer differentiellen Messung zwischen Elektroden eine hohe örtliche Auflösung zu erhalten, da an einem erfindungsgemäßen Sensor zwei Elektroden mit geringem Abstand angeordnet sein können, zwischen denen die Messung erfolgen kann.
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Wie am besten aus 4 ersichtlich ist, in der das Ausführungsbeispiel der 3 schematisch im Schnitt dargestellt ist, ist das Substrat 3 und eine Anschlussvorrichtung 9 in einer Hülle 15 eingefasst, die das Substrat 3 und die Anschlussvorrichtung 9 ummantelt. Die Nadeln 5 durchdringen die Hülle 15 und ragen aus der Hülle 15 heraus. Die Hülle 15 stabilisiert die Nadeln 5. Ferner wird durch Hüllenbereiche 6, die zwischen den Nadeln 5 der unterschiedlich dotierten Bereiche 21, 23 angeordnet sind, gewährleistet, dass die erste Hauptfläche 7 des Substrats 3 nicht mit der Hautoberfläche In Berührung kommt, so dass verhindert wird, dass die unterschiedlich dotierten Bereiche 21, 23 z. B. durch Transpirationsflüssigkeit elektrisch leitend miteinander verbunden werden. Dadurch werden Fehlmessungen der zwei unabhängigen Elektroden vermieden.
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Wie in 4 schematisch angedeutet ist, werden die Bereiche aus unterschiedlich dotiertem Silizium 21, 23 jeweils einzeln von der Anschlussvorrichtung 9 über Kabel 9A kontaktiert. Auf diese Weise können über die Leitung 10 einzelne Signale der unterschiedlich datierten Bereiche 21, 23 übermittelt werden.
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Bei dem in 3 und 4 dargestellten Ausführungsbeispiel ist es ferner möglich, dass die Nadeln eine unterschiedliche Länge aufweisen, so dass beispielsweise die Nadeln 5, die in dem Bereich mit dotiertem Silizium 23 angeordnet sind, länger ausgestaltet sind als die Nadeln 5, die in dem Bereich mit dotiertem Silizium 21 angeordnet sind. Auf diese Weise ist es möglich, aus unterschiedlichen Tiefen der Haut unterschiedliche Signale zu erfassen.
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In 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Sensors 1 im Schnitt schematisch dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist das Substrat 3, das eine Vielzahl von Nadeln 5 aufweist, die von einer ersten Hauptfläche 7 des Substrats abstehen, in einer Hülle 15 angeordnet. Das Substrat 3 und die Nadeln 5 sind mit einer elektrisch leitenden Beschichtung 11 beschichtet, über die Signale von den Nadeln an eine Anschlussvorrichtung 9 übertragen werden können.
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Um eine Kontaktierung der elektrisch leitenden Beschichtung 11 zwischen der ersten Hauptfläche 7 und der zweiten Hauptfläche 8 zu gewährleisten, sind Leitungslöcher 13 in dem Substrat 3 vorgesehen, die einen Durchbruch des Substrats 3 bilden und auf der Innenseite mit der leitenden Beschichtung 11 beschichtet sind. Auf diese Weise wird eine leitende Verbindung zwischen der leitenden Beschichtung 11 auf der ersten Hauptfläche 7 und der elektrisch leitenden Beschichtung 11 auf der zweiten Hauptfläche 8 geschaffen.
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Der in 5 dargestellte Sensor ist im Übrigen gleich dem in 2 abgebildeten Ausführungsbeispiel ausgebildet, mit der Ausnahme, dass die Nadeln in 5 sich nicht über die Länge verjüngen sonder einen konstanten Querschnitt und am vom Substrat abgewandte Ende eine Spitze aufweisen.
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Ein erfindungsgemäßer Sensor kann Nadeln unterschiedlichen Querschnitts aufweisen. In den 6a bis 6d sind mehrere Querschnittsformen für Nadeln 5 als Draufsicht auf die Nadeln dargestellt. Die 6a zeigt einen runden Querschnitt einer Nadel 5, die 6b einen kreuzförmigen Querschnitt, die 6c einen rechteckigen Querschnitt und die 6d einen sternförmigen Querschnitt einer Nadel 5.
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Je nach Anwendungsfall kann ein Querschnitt einer Nadel von Vorteil sein, da die unterschiedlichen Querschnittsformen unterschiedliche Verhältnisse zwischen Querschnitt und Oberfläche der Nadeln besitzen, Auch kann je nach Anwendungsfall eine unterschiedliche Querschnittsform der Nadel von Vorteil sein, da beispielsweise bei Lebewesen mit sehr fester Haut oder an Stellen mit sehr fester Haut eine Nadel mit einem bestimmten Querschnitt die äußere Hautschicht leichter durchdringt als eine Nadel mit einem anderen Querschnitt.