DE10017900A1 - Sensorenfeld, Herstellungsverfahren und Verwendung - Google Patents

Abstract

Ein Array bzw. Feld thermischer Sensoren enthält eine dielektrische Schicht, die mehrere einzelne thermische Sensoren und ein Muster abgeschiedener elektrischer Verbindungen aufweist, die auf wenigstens eine Oberfläche der dielektrischen Schicht gerichtet sind, um elektrische Verbindungen von jedem der mehreren einzelnen thermischen Sensoren zu bilden, wobei die dielektrische Schicht und das Muster abgeschiedener elektrischer Verbindungen Oberflächen-anpassbar sind. Das thermische Sensorarray kann in einem Untersuchungswerkzeug verwendet werden, das ferner enthält: eine Abtastvorrichtung, die mit dem Muster abgeschiedener elektrischer Verbindungen verbunden ist, um Sensorsignale von den thermischen Sensoren zu erhalten, und einen Computer zum Verarbeiten der Sensorsignale, um Temperaturverteilungen abzuschätzen.

Description

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf thermische Sensoren und insbesondere auf thermische Sensoren für die Ther­ mographie.

Die üblichen Techniken bei der Reihenuntersuchung (Screening) auf Brustkrebs basieren auf der Erfassung und Aus­ wertung von Gewebemassenstruktur. Üblicherweise wird die Rönt­ gen-Mammographie für die Brustkrebsuntersuchung verwendet. Mit der Röntgen-Mammographie sind mehrere Nachteile verbunden: (a) Bestrahlen einer Bevölkerung mit systematischen Strahlungsdo­ sen; (b) verminderte Effektivität der Röntgen-Mammographie im Falle von dichten Brüsten (ein relativ üblicher Zustand unter jungen Frauen); (c) Abneigung von einigen Frauen, sich dem un­ angenehmen Verfahren auszusetzen; und (d) Unfähigkeit der Rönt­ gen-Mammographie, frühe Tumore kleiner Größe zu erfassen. Für die Erfassung muss die Masse eine minimale Größe haben.

Es ist gezeigt worden, dass die Angiogenese (die Rekru­ tierung von neuen Blutgefäßen aus bestehenden Gefäßen) ein not­ wendiger Zustand für alle soliden Tumore ist, um über einen Durchmesser von mehreren Millimetern hinaus zu wachsen (J. Folkman, New England J. of Medicine, 285: 1182-1186, 1971; N. Weidner et. Al., New England J of Medicine, 324: 1-8, 1991). Es besteht die Hypothese, dass die erhöhte Blutvaskulatur und Blutperfusion, die mit dem frühen Tumorwachstum verbunden ist, zusammen mit der erhöhten metabolischen Entstehung von Tumoren, die wachsen, zu höheren Tumortemperaturen führen, als sie für umgebende Gewebe gefunden werden. Diese Hypothese wurde in ei­ ner qualitativen Art für Tumore, die sich nahe der Hauptober­ fläche befinden, im Falle von Brustkrebs verifiziert. Somit würde ein thermographisches Abtasten mit einer geeigneten Tech­ nik, die genügend empfindlich und frei von Fehlern ist, die durch andere Umgebungsfaktoren hervorgerufen werden, als eine Untersuchungsmethode für Krebs, insbesondere Brustkrebs, brauchbar sein.

Bei Anwendungen, wie sie in der US-PS 5,909,004 offen­ bart sind, werden thermographische Sensoren verwendet, um ther­ mische Temperaturgradienten zu messen. Um die Schwankung der gemessenen thermischen Temperaturen möglichst klein zu machen, muss der Sensor eine minimale laterale thermische Leitfähigkeit haben. Zusätzlich müssen die thermische Zeitkonstante und die Masse minimiert werden, so dass eine schnelle Anzeige der Tem­ peraturen erreicht werden kann. Auf dem Gebiet der Thermogra­ phie wird die Oberflächentemperatur des menschlichen Körpers kartiert, um eine Information zu liefern, die eine Anzeige für ein frühes Tumorwachstum angibt.

Infrarot(IR)-Kameras und Bildgeber sind verwendet wor­ den bei dem Versuch, kleine Temperaturgradienten zu messen. Ein Beispiel von einem thermoelektrischen Infrarot-Detektorfeld kann in US-Patent 4,558,352, Sclar, gefunden werden. Messungen von Temperaturverteilungen in menschlichem Gewebe, um Tumore zu detektieren, müssen die Oberflächentemperatur genau kartieren, so dass jeder Beitrag von inneren Tumoren richtig detektiert werden kann. Infrarot-Sensoren (die nicht in direktem Kontakt mit Haut sein können) können unzuverlässige Temperaturdaten liefern, teilweise aufgrund von Wirkungen der Umgebungsluft­ strömung auf der Hautoberfläche und aufgrund von Änderungen in dem Hautemissionsvermögen und der Orientierung relativ zu dem Infrarot-Sensor. Das Hautemissionsvermögen kann ein besonders tückisches Problem in der Praxis sein und ändert sich aufgrund des Vorhandenseins einer Vielfalt von Substanzen auf der Haut, wie beispielsweise Öl, Wasser oder festen Schmutzteilchen. Än­ derungen im Emissionsvermögen bewirken scheinbare Änderungen in der Temperatur, wie sie durch die Infrarot-Kamera abgetastet werden, die die darunterliegenden wahren Temperaturgradienten auf der Haut maskieren.

Somit besteht ein Bedürfnis für ein nicht-invasives, unschädliches Verfahren und eine Einrichtung zum Messen von räumlichen und/oder temporalen Temperaturgradienten in biologi­ schem Gewebe für die Untersuchung für Angiogenese und metaboli­ sche Änderungen, die mit der sehr frühen Tumorentwicklung ver­ bunden sind, und zum Überwachen von Änderungen in der Tumorgrö­ ße.

Es würde weiterhin wünschenswert sein, verbesserte thermische Sensoren zu schaffen, während Sensoreffekte auf das thermische Feld, das gemessen wird, minimiert werden.

Es würde weiterhin wünschenswert sein, verbesserte Er­ fassungssysteme zu schaffen, die andere Parameter als die emissiven Charakteristiken der Oberfläche messen und die auch einen verringerten Bedarf zur Kalibration und engen Umgebungs­ steuerung haben, um daraus resultierende Daten digital zu ver­ arbeiten, um die Erfassungssensitivität zu verbessern, und Be­ festigungsvorrichtungen zu schaffen, die dabei helfen, die Da­ tengewinnung zu stabilisieren und die Signalposition zu lokali­ sieren.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird ein Feld bzw. Array von Temperatursensoren unter Verwendung von Dünnfilmverbindungen verbunden und an einem Material mit einer kleinen thermischen Leitfähigkeit und einer kleinen thermischen Masse befestigt, um ein Sensorarray mit verkleinerter lateraler thermischer Leitfähigkeit und geringeren Verlusten zu bilden. Im Gegensatz zu IR Bildgebungstechniken, die IR messen und Tem­ peratur ableiten, während Emissionsvermögen berücksichtigt wird (Temperatur T = Funktion von Emissionsvermögen und detektierten IR Signalen), kann die vorliegende Erfindung verwendet werden, um direkt Kontakt-Spannungsmessungen zu liefern, die in ent­ sprechende Temperaturwerte mit weniger Komplexität und Fehler­ wahrscheinlichkeit umgewandelt werden können (T = Spannungs­ signal V . Konstante K).

Die Erfindung wird nun mit weiteren Merkmalen und Vor­ teilen anhand der Beschreibung und Zeichnung von Ausführungs­ beispielen näher erläutert.

Fig. 1 ist ein Blockdiagramm von einem Untersuchungs­ werkzeug gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Fig. 2 ist ein perspektivisches Diagramm von einem Ausführungsbeispiel, bei dem das Untersuchungswerkzeug gemäß Fig. 1 angewendet werden kann.

Fig. 3-4 sind entsprechende Drauf- und Seitenansich­ ten von einem Thermoelementarray gemäß einem Ausführungsbei­ spiel der Erfindung.

Fig. 5-8 sind Seitenansichten und zeigen mehrere an­ dere Thermoelement-Ausführungsbeispiele der Erfindung in bezug auf diejenigen der Fig. 3-4.

Fig. 9-12 sind schematische Schaltungsdraufsichten und zeigen mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung für Ther­ moelementarrayverbindungen.

Fig. 13 und 14 sind Seitenansichten von Abschnitten der Fig. 12 und 11.

Fig. 15 ist eine Seitenansicht und stellt ein Ausfüh­ rungsbeispiel der Erfindung dar, das Vielschichtverbindungen aufweist.

Fig. 16-18 sind Seitenansichten von Stufen in einer Thermistorarray-Fertigungssequenz gemäß einem anderen Ausfüh­ rungsbeispiel der Erfindung.

Fig. 19 ist eine schematische Schaltungsdraufsicht von einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einem Ther­ mistorarray.

Fig. 20 ist eine schematische Schaltungsdraufsicht von einem Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einem Thermistor- Array.

Fig. 21 ist eine Draufsicht von einem Widerstands- Temperaturdetektorarray gemäß einem Ausführungsbeispiel der Er­ findung.

Fig. 22 stellt ein rechteckiges Gitter für Sensoren dar.

Fig. 23 stellt ein dreieckiges Gitter für Sensoren ge­ mäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung dar.

Fig. 1 ist ein Blockdiagramm von einem Untersuchungs­ werkzeug gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, das ein Feld bzw. Array 100 von thermischen Sensoren, eine Abtastvor­ richtung 210, die mit den thermischen Sensoren des thermischen Sensorarrays gekoppelt ist, und einen Computer 212 zum Verar­ beiten von Sensorsignalen aufweist, um Temperaturverteilungen abzuschätzen. Fig. 2 ist ein perspektivisches Diagramm von ei­ nem Ausführungsbeispiel, in dem das Untersuchungswerkzeug gemäß Fig. 1 angewendet werden kann.

Gemäß mehreren Ausführungsbeispielen der Erfindung, die nachfolgend in bezug auf Fig. 3-23 näher erläutert werden, weist ein Feld bzw. Array von thermischen Sensoren eine dielek­ trische Schicht 216 (Fig. 1) auf, die eine Anzahl von einzel­ nen thermischen Sensoren und ein Muster von abgeschiedenen elektrischen Verbindungen enthält, die auf wenigstens eine Oberfläche von der dielektrischen Schicht gerichtet sind, um elektrische Verbindungen von jedem der Anzahl einzelner thermi­ scher Sensoren zu bilden, wobei die dielektrische Schicht und das Muster der abgeschiedenen elektrischen Verbindungen sich an eine Oberfläche anpassen können.

"An eine Oberfläche anpassbar" soll hier genügend fle­ xibel bedeuten, um sich an die Oberfläche von einer anatomi­ schen Struktur, wie beispielsweise Brustgewebe, anzupassen, das in einer derartigen Art und Weise gegen eine Brustwand gepresst ist, dass die meisten der einzelnen thermischen Sensoren in der Lage sind, Signale zu liefern, die Temperaturen der Oberfläche darstellen. Obwohl an die Oberfläche anpassbare thermische Sen­ sorarrays für viele Anwendungen bevorzugt sind, kann alternativ für viele Anwendungen auch ein starrer oder ebener Sensor ver­ wendet werden.

Für Beispielszwecke beziehen sich Fig. 3-15 auf Thermoelement-Ausführungsbeispiele, Fig. 16-20 beziehen sich auf Thermistor-Ausführungsbeispiele und Fig. 21 bezieht sich auf ein Ausführungsbeispiel von einem Widerstands- Temperaturdetektor. Andere Typen von thermischen Sensoren (wie beispielsweise Thermosäulen), die mit einem Dünnfilm integriert sein können, und abgeschiedene elektrische Verbindungen können alternativ verwendet werden.

In Fig. 1 können die Abtastvorrichtung 10 und das thermische Sensorarray 100 einzelne Elemente aufweisen oder sie können auf einer gemeinsamen dielektrischen Schicht 216 inte­ griert sein. Eine Multiplexereinheit 213 kann verwendet werden, um Daten für eine Übertragung zu der Abtastvorrichtung zu mul­ tiplexieren und dadurch die Verbindungskomplexität verringern. Der Multiplexer 213 kann mit der Sensorarray und/oder der Ab­ tastvorrichtung integriert sein, oder der Multiplexer 213 kann ein getrenntes Element aufweisen.

Das thermische Sensorarray kann in einem manuellen Mo­ dus verwendet werden, in dem es in einen Kontakt mit einer Oberfläche 214 gedrückt wird, die gemessen werden soll. Alter­ nativ kann eine Befestigungsvorrichtung 218 zum Positionieren des thermischen Sensorarrays in Kontakt mit der Oberfläche 214 verwendet werden, um die Anordnung und den Druck auf das ther­ mische Sensorarray präziser zu steuern. In einigen Anwendungs­ fällen kann die Befestigungsvorrichtung nützlich sein, um die Gewebedicke in der interessierenden Richtung zu verringern, um das Erfassungsvermögen zu verbessern.

In einem Ausführungsbeispiel, das in Fig. 2 gezeigt ist, weist die Befestigungsvorrichtung 218 eine Unterlage 219, die ein Material mit einer im wesentlichen festen Struktur auf­ weist, wie beispielsweise ein im Spritzguß geformtes Polycarbo­ nat mit geringem Gewicht, und ein im wesentlichen flexibles Thermoelement-Array 100 auf, das mit der Unterlage 219 durch mechanisch flexible Materialien 221 verbunden ist, wie bei­ spielsweise ein Stützmaterial mit kleiner thermischer Leitfä­ higkeit oder viele Federn. In einem Ausführungsbeispiel weist das Stützmaterial einen Schaumgummi auf.

Gemäß Fig. 1 enthält in einem Ausführungsbeispiel der Computer 212 (zum Empfangen von Daten über eine Datenverbindung 217) eine Datengewinnungseinheit 220, die zum Gewinnen von Strömen multiplexierter Daten verwendet ist, eine Datenverar­ beitungseinheit 224 zum Bilden temporärer Sequenzen von räumli­ chen thermischen Kartierungen und eine Archivierungseinheit 226 zum Speichern der thermischen Kartierungen auf.

Die Datenverarbeitungseinheit 224 kann eine Si­ gnal/Bild-Verarbeitungssoftware oder Methoden enthalten zum Verstärken von Bereichen der thermischen Kartierungen auf der Basis örtlicher Statistiken oder anderer Bildeigenschaften. Ei­ ne Signalanalyse berücksichtigt die temporäre Änderung von be­ obachteten Signalen aufgrund der Schwankung thermischer Grenz­ bedingungen der Haut. Die Tatsache, dass Frühzeitdaten steilere Gradienten haben können als spätere Zeitdaten aufgrund von Wär­ meverteilung, kann berücksichtigt werden, um ein thermographi­ sches Bild von der Hautoberfläche zu erzeugen. Für eine höchste Empfindlichkeit kann auch die individuelle Temperaturänderung von Sensoren in dem Feld ausgemittelt werden. Das heißt, das Sensorarray kann einen viel feineren Maßstab als die erwarteten Temperaturgradientenprofile haben, wodurch gestattet wird, dass eine Signalglättung für benachbarte Sensoren implementiert wird. Ein Algorithmus für ein derartiges Glätten kann implemen­ tiert werden.

Für die Datengewinnung und -verarbeitung können die Sensorelemente im Abstand angeordnet sein, um für die gewünsch­ te Auflösung mit Oversampling zu sorgen. Das heißt, wenn 1 mm Auflösung gewünscht wird, können die Sensoren auf einem 0,5 mm (oder kleiner) Gitter angeordnet sein. Somit verstärken viele Signale das Vertrauen für eine richtige Erfassung. Oversampling kann auch durch Verschieben der Sensorarrayposition erreicht werden - diese Bewegung kann durch die Befestigungsvorrichtung herbeigeführt werden. Daten können mit Oversampling oder durch statistisches Verknüpfen benachbarter Punkte rekonstruiert wer­ den, um die Effekte des Oversamplings zu verstärken. Methoden zum Beseitigen thermischer Signale aufgrund bekannter zugrunde­ liegender anatomischer Merkmale (z. B. Blutgefäße) können einge­ fügt werden, wenn Patienten wiederholt überwacht werden.

Der Computer kann zusätzlich andere Elemente enthalten, wie beispielsweise ein Display 228, eine Tastatur 232, einen Drucker 234, eine Steuerung 230 und eine zentrale Verarbei­ tungseinheit 222 (CPU), um beispielsweise den Betrieb der Da­ tengewinnungseinheit, der Datenverarbeitungseinheit und der Ar­ chivierungseinheit zu integrieren. Der Computer kann eine Ana­ lyse direkt ausführen, die Daten zu einem entfernten Computer für eine weitere Analyse senden und/oder Information an einen menschlichen Spezialisten (beispielsweise über einen Satelli­ ten) senden, um den Rat eines Experten zu erhalten. In einem Ausführungsbeispiel erhält der Computer Information von der Steuerung oder einen entfernten Computer und liefert die Infor­ mation an eine Abtastvorrichtung 210 zum Steuern des Multiple­ xers 213.

Wie in dem Ausführungsbeispiel von Fig. 2 gezeigt ist, kann das Untersuchungswerkzeug verwendet werden, um beispiels­ weise Brustkrebs zu untersuchen, indem das Feld thermischer Sensoren auf einer Oberfläche des Brustkorbes umfassenden Ober­ fläche angeordnet wird, Sensorsignale von den thermischen Sen­ soren über das Muster abgeschiedener elektrischer Verbindungen abgetastet werden und die Sensorsignale verarbeitet werden, um Temperaturverteilungen abzuschätzen, die Brustkrebs anzeigen. Es kann die Befestigungsvorrichtung oder manueller Druck ver­ wendet werden, um die Gewebedicke in den interessierenden Rich­ tungen zu verkleinern. Dieses Ausführungsbeispiel der Erfindung kann somit eine nicht-invasive, unschädliche Technik schaffen zum Messen räumlicher Temperaturgradienten (Änderung über dem Gewebe) und/oder temporärer Temperaturgradienten (Änderung mit der Zeit) in biologischem Gewebe zum Untersuchen einer frühzei­ tigen Tumorentwicklung oder zum Überwachen der Wirkungen von Tumortherapie, insbesondere der Wirkungen von Anti- Angiogenese-Therapie, die dafür ausgelegt ist, die Tumorblut­ versorgung direkt anzugreifen.

Unterschiedliche Patientenpositionen können unter­ schiedliche Vorteile bei der vorliegende Erfindung haben. Liegt eine Patientin auf ihrem Rücken, so verteilt sich das Brustgewebe, so dass die Gewebedicke (die die thermischen Si­ gnale durchdringen müssen) auf natürliche Weise minimiert wird, die Bewegung der Brüste wird minimiert und es wird für eine be­ queme Position gesorgt. Liegt eine Patientin auf ihrem Bauch, wobei ein Loch in dem Tisch ist, durch den sich die Brüste hin­ durch erstrecken, wird die Querdicke minimiert, die Brustbewe­ gung wird minimiert und es wird für eine bequeme Position ge­ sorgt. In Abhängigkeit von der Befestigung kann ein Patient sitzen oder aufrecht stehen, dann kann die für die Positionie­ rung des Sensorfeldes notwendige Zeit minimiert werden, die für die liegenden Positionen erforderlich ist. Die geeignete Posi­ tion zum Abtasten variiert zusätzlich in Abhängigkeit von der Natur der klinischen Anwendung. Für eine Abtastung einer asym­ ptotischen Brust ist eine volle, ungespannte, vollständige und genaue Erfassung wichtig, um die Empfindlichkeit zu maximieren. Zum Untersuchen eines befürchteten Karzinoms besteht das Ziel der Positionierung darin, für die beste Information um den ver­ dächtigen Brustbereich herum zu sorgen.

Weiterhin kann es nützlich sein, die zu messende Ober­ fläche mit Punkten, Linien oder einem Gitter zu markieren, um die Positionierung der Befestigungsvorrichtung zu unterstützen, insbesondere wenn das thermische Sensorarray in mehr als einer Position auf der Oberfläche verwendet wird. In einem Beispiel wird ein schwarzer, nicht-permanenter Marker verwendet, um für eine Markierung zum Ausrichten vieler thermischer Bilder zu sorgen, die in unterschiedlichen Positionen gemacht werden.

Es ist weiterhin nützlich, für ein Array ausreichender Größe (wie beispielsweise 25 cm × 25 cm) zu sorgen, so dass ei­ ne Position für Messzwecke verwendet werden kann. In einem al­ ternativen Ausführungsbeispiel werden mehrere Arrays gleichzei­ tig für gleichzeitige Messungen angeordnet.

Fig. 3-4 sind entsprechende Drauf- und Seitenansich­ ten von einem Thermoelement-Array gemäß einem Ausführungsbei­ spiel der Erfindung. In diesem Ausführungsbeispiel enthält das Thermoelement-Array eine erste mit einem Muster versehene leit­ fähige Schicht 12, die auf die eine Oberfläche von einer die­ lektrischen Schicht 10 gerichtet ist, und das Muster abgeschie­ dener elektrischer Verbindungen weist eine zweite mit einem Mu­ ster versehene leitfähige Schicht 16 auf, die auf die andere Oberfläche der dielektrischen Schicht 10 gerichtet ist. Die er­ sten und zweiten mit einem Muster versehenen leitfähigen Schichten haben unterschiedliche thermische EMKs. Die dielek­ trische Schicht 10 hat Durchgangslöcher 14, und wenigstens ei­ nige der einzelnen thermischen Sensoren weisen Thermoelemente 1 mit Verbindungen 15 auf, die durch die Durchgangsöffnungen zwi­ schen den ersten und zweiten mit einem Muster versehenen leit­ fähigen Schichten ausgebildet sind. Der Begriff "gerichtet" soll bedeuten, dass Situationen eingeschlossen sind, in denen ein anderes Material, wie beispielsweise ein Klebstoff, zwi­ schen einer leitfähigen Schicht und der dielektrischen Schicht vorhanden sein kann.

In einem Ausführungsbeispiel ist eine Stützschicht 20 beispielsweise mit einem Klebemittel 54 auf einem entfernbaren Stützträger 50 beschichtet. Der Stützträger 50 kann irgendein strukturell geeignetes Material aufweisen, das Verarbei­ tungstemperaturen bei der Fertigung des Thermoelementfeldes wi­ derstehen kann. In einem Ausführungsbeispiel weist der Stütz­ träger 50 Kupfer auf. Die Stützschicht 20 kann ein Material mit einer kleinen dielektrischen Konstanten aufweisen, wie bei­ spielsweise ein Polymer. Ein brauchbares Material für das Kle­ bemittel 54, wenn der Stützträger Kupfer aufweist und die Stützschicht ein Polymer aufweist, ist beispielsweise ein Si­ loxan-Polyätherimid-Block-Copolymer.

Die erste mit einem Muster versehene leitfähige Schicht 12 kann durch irgendeine geeignete Technik auf die dielektri­ sche Schicht 10 aufgebracht sein. In dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 ist die erste mit einem Muster versehene leitfä­ hige Schicht 12 auf die dielektrische Schicht 10 dadurch aufge­ bracht, dass sie zunächst auf die Stützschicht 20 aufgebracht wird und dann die dielektrische Schicht 10 über der ersten mit einem Muster versehenen leitfähigen Schicht angeordnet wird.

Die erste mit einem Muster versehene leitfähige Schicht 12 kann auf die Stützschicht durch irgendeine geeignete Technik aufge­ bracht werden, wie beispielsweise Sprühen, Zerstäuben oder Be­ schichten mit einem Klebemittel (nicht gezeigt) entweder bevor oder nachdem die Stützschicht auf dem Stützträger befestigt ist. Die erste mit einem Muster versehene leitfähige Schicht 12 kann in einer Schichtform ohne Muster aufgebracht und dann mit Fotolack mit einem Muster versehen werden, wobei übliche photo­ lithographische Techniken verwendet werden, um beispielsweise eine Reihe von elektrischen Leiterbahnen zu erzeugen.

Das geeignete Material für die dielektrische Schicht 10 hängt von der beabsichtigten Verwendung und der Umgebung des Thermoelementfeldes ab. Ein Material wie beispielsweise ein Po­ lyimid mit dem Handelsnamen Kapton (Kapton ist eine Marke von E. I. duPont de Nemours & Co.) oder Polyätherimid mit dem Han­ delsnamen UPILEX (Upilex ist eine Marke von UBE Industries, Ltd.) sorgt für ein unempfindliches und abriebbeständiges Feld bzw. Array, ist aber nicht einfach an komplexe Oberflächentopo­ logien, wie beispielsweise Brustgewebe einer Frau, anzupassen, wie es bei Silikongummimembranen der Fall ist, die für eine größere Flexibilität sorgen. Die dielektrische Schicht 10 kann durch verschiedene Techniken aufgebracht werden, wie beispiels­ weise Schleudern, Sprühen oder, wie es gezeigt ist, unter Ver­ wendung eines Klebemittels 11. In einem Ausführungsbeispiel weist das Klebemittel 11 eine SPI (Siloxan-Polyimid-) Epoxidmi­ schung auf.

Die Durchgangslöcher 14 können in der dielektrischen Schicht 10 unter Verwendung eines mechanischen Stanzverfahrens, eines chemischen Ätzverfahrens oder eines Laser-Bohrverfahrens ausgebildet werden, wie es in dem US-Patent 4,894,115, erteilt am 6. Januar 1990 für Eichelberger u. a., und in dem US-Patent 4,835,704, erteilt am 30. Mai 1989 für Eichelberger, beschrie­ ben ist. Die Durchgangslöcher 14 können gereinigt werden unter Verwendung eines reaktiven Ionenätzverfahrens, um für eine sau­ bere Oberfläche der ersten mit einem Muster versehenen leitfä­ higen Schicht 12 auf den Böden der Durchgangslöcher zu sorgen.

Die zweite mit einem Muster versehene leitfähige Schicht 16 kann entweder bevor oder nachdem die dielektrische Schicht 10 an der Stützschicht 20 und/oder der ersten mit einem Muster versehenen leitfähigen Schicht 12 durch irgendeine ge­ eignete Technik befestigt werden, wie beispielsweise Sprühen, Zerstäuben oder Beschichtung mit einem Klebemittel (nicht ge­ zeigt). In dem einen Ausführungsbeispiel, wo die zweite mit ei­ nem Muster versehene leitfähige Schicht 16 aufgebracht wird, nachdem die dielektrische Schicht 10 befestigt ist, wird die zweite mit einem Muster versehene leitfähige Schicht 16 auf die Oberseite der dielektrischen Schicht 10 und durch die Durch­ gangslöcher 14 zerstäubt oder aufgedampft, damit sie sich zu jedem freiliegenden Abschnitt von der ersten mit einem Muster versehenen leitfähigen Schicht 12 erstreckt. Die zweite mit ei­ nem Muster versehene leitfähige Schicht 16 kann in der gleichen Art und Weise mit einem Muster versehen werden, wie die erste mit einem Muster versehene leitfähige Schicht 12.

Einzelne thermoelektrische Materialien (in diesem Bei­ spiel die ersten und zweiten mit einem Muster versehenen leit­ fähigen Schichten) werden häufig aus praktischen Gründen durch eine Größe charakterisiert, die thermische EMK (elektromotorische Kraft) genannt wird. Der Begriff "thermische EMK" bedeutet hier die thermische EMK pro Grad der Tempera­ tureinheit des Materials relativ zu Platin. Eine thermische EMK kann eine positive oder negative Zahl sein und wird üblicher­ weise in Einheiten von Mikrovolt pro Grad Celsius (µV/°C) aus­ gedrückt. Die ersten und zweiten mit einem Muster versehenen leitfähigen Schichten müssen ausreichend unterschiedliche ther­ mische EMKs haben, um ein nutzbares elektrisches Ausgangssignal zu erzeugen. Die Empfindlichkeit der Spannungsmesseinrichtung, die in einem bestimmten Anwendungsfall verwendet wird, beein­ flusst, welche Differenz in den thermischen EMKs für praktische Messzwecke ausreichend ist.

In einem Ausführungsbeispiel haben die ersten und zwei­ ten mit einem Muster versehenen leitfähigen Schichten jeweils eine Dicke in dem Bereich von etwa 2 Mikrometer bis etwa 4 Mi­ krometer, um den Querschnitt des entstehenden thermischen Shunts zu minimieren und dadurch die thermische Leitfähigkeit und die Wahrscheinlichkeit für eine Störung des zu messenden thermischen Feldes zu minimieren. Die Thermoelemente gemäß der Erfindung können sehr fein gemustert sein. Wenn beispielsweise die Breite der Linien in den mit einem Muster versehenen leit­ fähigen Schichten etwa 0,05 mm, der Abstand zwischen Linien et­ wa 0,05 mm und der Durchmesser von einem Loch in dem Muster et­ wa 0,1 mm betragen, dann kann ein 15 Reihen aufweisendes Ther­ moelement-Array in einer Fläche mit einer Teilung von 1,65 mm angeordnet werden.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel enthält die eine der ersten und zweiten mit einem Muster versehenen leitfä­ higen Schichten Konstantan (eine Legierung von etwa 55% Kupfer und 45% Nickel) und die andere der ersten und zweiten mit einem Muster versehenen leitfähigen Schichten enthält Kupfer. Bei ei­ ner Temperatur von beispielsweise 200°C beträgt die thermische EMK von Kupfer +9,15 µV/°C und die thermische EMK von Konstan­ tan beträgt -37,25 µV/°C, wobei die Differenz in der thermi­ schen EMK 46,4 µV/°C beträgt. Ein anderes Beispiel ist Kupfer und eine Legierung von 90% Ni und 10% Cr (mit einer thermischen EMK bei 200°C von 29,8 µV/°C), die eine Differenz in der ther­ mischen EMK von etwa 67 µV/°C haben. Ein Paar leitfähiger Schichten mit einer sehr hohen Differenz in der thermischen EMK (765 µV/°C ist Germanium (+362 µV/°C) und Silizium (-403 µ V/°C). Paare von leitfähigen Schichten mit einer sehr kleinen Differenz in der thermischen EMK (etwa 1 µV/°C) enthalten Pla­ tin und Rhodiumlegierungen. Für praktische Anwendungen wird die Differenz der thermischen EMK üblicherweise in dem Bereich von etwa 1 µV/°C bis etwa 67 µV/°C liegen.

Die obigen Beispiele von der einen mit einem Muster versehenen leitfähigen Schicht, die ein Material mit einer po­ sitiven thermischen EMK aufweist, und der anderen mit einem Mu­ ster versehenen leitfähigen Schicht, die ein Material mit einer negativen thermischen EMK aufweist, sind nur zu Beispielszwec­ ken angegeben. Der signifikante Faktor ist, dass die zwei mit einem Muster versehenen leitfähigen Schichten genügend unter­ schiedliche thermische EMKs haben, selbst wenn beide positiv oder beide negativ sind. Jede der Schichten kann zuerst aufge­ bracht werden. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist diejenige mit einem Muster versehene leitfähige Schicht, die am nahesten zu dem abzutastenden Bereich angeordnet ist, die erste mit einem Muster versehene leitfähige Schicht, so dass der Kon­ takt zwischen den ersten und zweiten mit einem Muster versehe­ nen leitfähigen Schichten möglichst nahe an dem Bereich ist.

Während sich die obige Beschreibung auf ein Verbin­ dungssystem bezieht, bei dem die Verbindungen zwischen mit Mu­ stern versehenen leitfähigen Schichten 12 und 16 direkt durch die dielektrische Schicht 10 hindurch erfolgen, ist es möglich, dass beide leitfähige Schichten durch Durchgangslöcher zu einem anderen Verbindungsmuster (nicht gezeigt) durch eine andere dielektrische Schicht (wie beispielsweise die Stützschicht 20) verbunden sind. In ähnlicher Weise ist es möglich, zwei leitfä­ hige Schichten auf der einen Oberfläche der dielektrischen Schicht mit einem Muster zu versehen, eine andere Schicht mit einem Muster zu versehen, die eines der zwei leitfähigen Schichtmaterialien auf der gegenüberliegenden Oberfläche auf­ weist, und Durchgangslöcher und Verbindungen nach unten zu der anderen Schicht zu formen. Diese Ausführungsbeispiele können verwendet werden, um die laterale thermische Leitfähigkeit des Thermoelement-Arrays zu minimieren.

In dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 ist das Ther­ moelement-Array ein Gitter von Zeilen und Spalten mit vorhande­ nen leitfähigen Durchgangslöchern (nicht gezeigt), um selektiv die mit einem Muster versehenen leitfähigen Schichten zu ver­ binden. Andere Typen von Arrays bzw. Feldern, wie sie bei­ spielsweise in dem eingangs genannten US-Patent 5,909,004 be­ schrieben sind, können alternativ verwendet werden.

Fig. 4 stellt ferner eine zusätzliche dielektrische Schicht 18 dar, die beispielsweise unter Verwendung eines Kle­ bemittels 58 nach den ersten und zweiten mit einem Muster ver­ sehenen leitfähigen Schichten hinzugefügt sein kann, um für ei­ nen mechanischen Schutz für das Thermoelement-Array zu sorgen. Das für die zusätzliche dielektrische Schicht 18 verwendete Ma­ terial ändert sich gemäß der spezifischen Anwendung und kann ein Material, wie beispielsweise ein Polymer, aufweisen. Nach­ dem die Fertigung des Thermoelement-Arrays abgeschlossen ist, kann das Thermoelement-Array von dem Stützträger 50 entfernt werden, indem die Stützschicht 20 von dem Stützträger abge­ schält wird, oder indem die Klebeschicht 54 unter Verwendung eines geeigneten Lösungsmittels aufgelöst wird. Alternativ kann der Stützträger befestigt bleiben. Wenn der Stützträger befe­ stigt bleibt, sind sein Material und die Dicke so gewählt, dass ihre Flexibilität und die thermischen Eigenschaften mit den An­ forderungen an das Array kompatibel sind.

Eine der zusätzlichen dielektrischen und der Stütz­ schichten (18 oder 20) wird am nahesten zu der abzutastenden Oberfläche angeordnet, und diese Schicht ist vorzugsweise ein Material mit einer kleinen Masse und einer niedrigen thermi­ schen Leitfähigkeit, das so dünn wie möglich ist, so dass ihre thermische Masse nicht die Temperaturmessungen stört, und die räumlichen und temporären Auflösungen werden somit maximiert. In einem Ausführungsbeispiel liegt die Dicke in dem Bereich von etwa 20 Mikrometer bis etwa 50 Mikrometer, und das Material weist beispielsweise Polytetrafluoräthylen mit dem Handelsnamen TEFLON (Teflon ist eine Marke von E. I. duPont de Nemours & Co.), Silikongummi oder Latex auf.

Die andere der zusätzlichen dielektrischen und der Stützschichten (18 oder 20), die nicht mit der abgetasteten Oberfläche in Kontakt ist, kann in einigen Anwendungsfällen ge­ nügend dick sein, um so für eine thermische Trennwand von Luft­ strömung zu bilden. In einem Ausführungsbeispiel weist das Ma­ terial Polyurethanschaum mit einer Dicke in dem Bereich von et­ wa drei Millimeter bis drei Zentimeter auf, das optional mit einem Stütz- oder Halterungsmaterial (das zu Beispielszwecken als Schicht 56 gezeigt ist) angepasst sein kann, wenn dies für eine verbesserte mechanische Stabilität erforderlich ist. Das abstützende Material kann Silikongummi mit einem Dickenbereich von beispielsweise etwa 100 Mikrometer bis etwa 6000 Mikrometer aufweisen. Die Überdeckung beider mit einem Muster versehener leitfähiger Schichten kann für glatte Oberflächen sorgen und eine Sterilisation der Materialien gestatten.

Die flexiblen Arrays können in einen direkten Kontakt mit der zu messenden Oberfläche angeordnet sein und sich an diese anpassen. Ein direkter Kontakt mit dem Material verrin­ gert Temperatureffekte aufgrund des Luftzwischenraumes, der entsteht, wenn ein direkter Kontakt nicht erzielt wird.

Fig. 5-8 sind Seitenansichten und zeigen verschiede­ ne Thermoelement-Ausführungsbeispiele, die zu denjenigen der Fig. 3-4 in Beziehung stehen. Obwohl Fig. 3-4 im wesent­ lichen glatte Arrayflächen darstellten, können die Sensoren al­ ternativ mit modifizierten Oberflächen gefertigt werden, wie es in den Fig. 5-8 gezeigt ist. Fig. 5 stellt ein Ausführungs­ beispiel ohne eine zusätzliche dielektrische Schicht oder eine Stützschicht dar, die unter der dielektrischen Schicht 10 liegt. Zusätzliche Abschnitte 19 der zweiten mit einem Muster versehenen leitfähigen Schichten 16 können Verbindungen mit Thermoelement-Verbindungestellen bilden, die in den Quer­ schnittsansichten von Fig. 4 nicht gezeigt sind.

Fig. 6 stellt ein Ausführungsbeispiel dar, bei dem die dielektrische Schicht 10 in gewählten Bereichen 13 auf etwa 40 bis etwa 60% ihrer ursprünglichen Dicke verdünnt ist. Diese ge­ wählten Bereiche enthalten keine Abschnitte 17 der dielektri­ schen Schicht, die auf die erste mit einem Muster versehene leitfähige Schicht 12 gerichtet ist. Die Verdünnung kann bei­ spielsweise durch reaktives Ionenätzen oder andere Ätztechniken ausgeführt werden. Das Verdünnen sorgt sowohl für ein weiteres Exponieren der ersten mit einem Muster versehenen leitfähigen Schicht als auch eine Verringerung der lateralen thermischen Leitfähigkeit der dielektrischen Schicht. Wenn die erste mit einem Muster versehene leitfähige Schicht elektrisch von der abgetasteten Oberfläche isoliert werden muss, kann beispiels­ weise eine Schutzschicht 22, die ein Material, wie beispiels­ weise dünnes Silikongummi mit beispielsweise einer Dicke in dem Bereich von etwa 10 Mikrometer bis etwa 20 Mikrometer hat, ab­ geschieden werden, wie es in Fig. 7 gezeigt ist. Die Schicht kann über der gesamten Oberfläche vorhanden sein oder wird al­ ternativ nur über der ersten mit einem Muster versehenen leit­ fähigen Schicht gemustert oder abgeschieden, wie es durch die Schutzschicht 122 in Fig. 8 gezeigt ist. In einem anderen Aus­ führungsbeispiel (als Element 9 in Fig. 5 durch gestrichelte Linien gezeigt) wird die Dicke der ersten mit einem Muster ver­ sehenen leitfähigen Schicht in den Bereichen der Thermoelement- Verbindungsstellen vergrößert, um für eine Extrahöhe für vor­ stehende Sensororte zu sorgen.

Fig. 9-12 sind schematische Schaltungsdraufsichten und zeigen mehrere Ausführungsbeispiele von Thermoelement- Array-Verbindungen, und Fig. 13 und 14 sind Seitenansichten von Teilen der Fig. 12 und 11.

In den Fig. 9 und 10 enthält das Muster von abge­ schiedenen elektrischen Leitern, die zur Bildung elektrischer Verbindungen von den Thermoelement-Verbindungen 315 verwendet werden, eine erste mit einem Muster versehene leitfähige Schicht 312 (Fig. 10) auf der einen Oberfläche der dielektri­ schen Schicht (die in den Fig. 3-4 gezeigte Schicht 10), die eine gemeinsame elektrische Verbindung aufweist, die alle ther­ mischen Sensoren mit einem oder mehreren gemeinsamen Anschlüs­ sen (dargestellt durch Anschluss 317) verbindet, und eine zwei­ te mit einem Muster versehene leitfähige Schicht 316 (Fig. 9) auf einer anderen Oberfläche der dielektrischen Schicht, die mehrere getrennte Verbindungen 416 aufweist, die jeweils einen entsprechenden der thermischen Sensoren verbindet. In Fig. 9 ist jede der getrennten Verbindungen 416 mit einem getrennten Anschluss 313 verbunden. Da jede Thermoelement- Verbindungsstelle eine Spannung proportional zur Differenz in der Temperatur der Verbindungsstelle und der Referenz- Verbindungsstelle erzeugt, können die Verbindungsstellen der ersten mit einem Muster versehenen leitfähigen Schicht 312 mit dem Anschluss 317 verbunden sein, wie es gezeigt ist.

In den Fig. 11 und 12 ist wenigstens ein Multiplexer 236 verwendet, wobei jede der mehreren getrennten Verbindungen mit dem wenigstens einen Multiplexer gekoppelt ist. In diesen Ausführungsbeispielen sind weniger Anschlüsse erforderlich, und somit würde die Abtastvorrichtung 210 gemäß Fig. 1 nicht so viele Verbindungen mit dem Array enthalten müssen. Es kann ein einziger Multiplexer verwendet sein oder mehrere Multiplexer können auf einer gemeinsamen Seite der thermischen Sensoren an­ geordnet sein oder wie es in Fig. 12 gezeigt ist, wo der we­ nigstens eine Multiplexer wenigstens zwei Multiplexer (236 und 536) aufweist, die auf gegenüberliegenden Seiten der thermi­ schen Sensoren angeordnet sind, um die Raumerfordernisse zwi­ schen den Sensoren zu modifizieren. Fig. 12 zeigt ferner ein Ausführungsbeispiel, bei dem Verbindungen von den Multiplexern parallel verbunden sind, um die Ausgangsverbindungen zu den An­ schlüssen 319 zu vereinfachen. Es ist nützlich, dass die Reihen und Spalten der thermischen Sensoren im wesentlichen in glei­ chen Abständen angeordnet sind, wie es in Fig. 12 gezeigt ist.

Fig. 13 ist ein Schnittbild entlang der Linie 13-13 in Fig. 12, das ein Beispiel darstellt, wie ein Multiplexer mit der dielektrischen Schicht 10 integriert sein kann. In Fig. 13 ist ein Multiplexer 236 über der dielektrischen Schicht 10 mit einer Verbindung 416 über eine elektronische Verbindungstechnik verbunden, wie beispielsweise eine Flip-Chip- oder Kugelgitter- Arraytechnik, wobei sich die zusätzliche dielektrische Schicht 18 über den Multiplexer und die dielektrische Schicht 10 er­ streckt. In einem alternativen Ausführungsbeispiel, das durch gestrichelte Linien in Fig. 13 gezeigt ist, ist ein Multiple­ xer 336 in der dielektrischen Schicht 10 eingebettet. In ande­ ren Ausführungsbeispielen können andere elektronische Verbin­ dungstechniken, wie beispielsweise Drahtbonding (nicht ge­ zeigt), verwendet werden, um einen Multiplexer beispielsweise mit Verbindungen 416 zu verbinden.

Fig. 14 ist eine Schnittansicht entlang der Linie 14- 14 in Fig. 11 und stellt die Abmessungen dar, die zur Ermitt­ lung von Sensordichteoptionen nützlich sind. In Fig. 14 sind die Verbindungen 416 Wc breit, der Raum zwischen Verbindungen ist Ws breit und eine Breite von einem Thermoelement beträgt Wt. In diesem Beispiel ist der Abstand Dt zwischen Reihen von Thermoelementen als eine Funktion der Anzahl von Reihen N für ein Layout, wie es in Fig. 11 gezeigt ist, gegeben (für eine einzige Verbindungsschicht) durch:

Dt = Wt + (N - 1) . (Ws + Wc) + Ws.

Die Anzahl von Sensoren pro Breiteneinheit ist gegeben durch 1/Dt. Für typische Verbindungs- und Raumbreiten von 0,05 mm und Thermoelementbreiten von 0,1 mm kann die Sensorteilung 1,65 mm für ein 16 Reihen aufweisendes Array oder 2,65 mm für ein 26 Reihen aufweisendes Array sein. Durch Verwendung des doppelseitigen Verbindungssystems gemäß Fig. 12 an Stelle des einseitigen Verbindungssystems gemäß Fig. 11 würde die Sensor­ teilung von 16 und 26 Reihen aufweisenden Arrays 0,85 bzw. 1,35 mm sein.

Fig. 15 ist eine Seitenansicht und stellt ein Ausfüh­ rungsbeispiel der Erfindung dar, das Vielschichtverbindungen enthält, die dazu verwendet werden, die Teilung der Spalten zu verkleinern. Es sind zwar nur zwei Schichten gezeigt, aber es können zusätzliche Schichten nach Bedarf hinzugefügt werden. In diesem Ausführungsbeispiel liegt eine zweite dielektrische Schicht 27 über der ersten dielektrischen Schicht 10 und dem Muster der abgeschiedenen elektrischen Verbindungen (was zu Beispielzwecken in Fig. 15 als zweite mit einem Muster verse­ hene leitfähige Schicht 16 gezeigt ist). Die zweite dielektri­ sche Schicht 27 hat Durchgangslöcher 21 der zweiten dielektri­ schen Schicht, die sich zu gewählten Abschnitten von dem Muster der abgeschiedenen elektrischen Verbindungen erstrecken. Wei­ terhin erstreckt sich ein zusätzliches Muster von abgeschiede­ nen elektrischen Verbindungen 23 über die zweite dielektrische Schicht in die Durchgangslöcher der zweiten dielektrischen Schicht und ist mit dem Muster abgeschiedener elektrischer Ver­ bindungen gekoppelt. In einem Ausführungsbeispiel weist das zu­ sätzliche Muster der abgeschiedenen elektrischen Verbindungen 23 das gleiche Material auf wie die zweite mit einem Muster versehene leitfähige Schicht 16, so dass durch die Verbindungen der zwei Materialien keine zusätzlichen Thermoelement- Verbindungsstellen gebildet werden. Das zusätzliche Muster von abgeschiedenen elektrischen Verbindungen 23 kann verwendet wer­ den, um ein größeres thermisches Sensorarray zu fertigen, indem die Anzahl von Abtaststellen vergrößert wird, ohne den Sensor­ abstand zu vergrößern.

Fig. 16-18 sind Seitenansichten von Stufen in einer Fertigungssequenz gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung für ein Thermistorarray 102. In diesem Ausführungsbeispiel hat die dielektrische Schicht 24 Durchgangslöcher 25 und/oder 125 und 225, und wenigstens einige der einzelnen thermischen Senso­ ren weisen Thermistoren 30 auf, die wenigstens teilweise in den Durchgangslöchern angeordnet sind. Thermistoren sind nützlich aufgrund ihrer hohen Widerstandsänderung (etwa 10 bis etwa 15% pro Grad Celsius) als eine Funktion der Temperatur.

Fig. 16 stellt die dielektrische Schicht 24 dar, die Materialien mit einer kleinen thermischen Leitfähigkeit und ei­ ner kleinen thermischen Masse ähnlich denjenigen aufweisen kann, die oben in bezug auf die dielektrische Schicht 10 und die Schicht 20 oder 18 erörtert wurden, die am nahesten zur ab­ zutastenden Oberfläche anzuordnen ist. Üblicherweise ist die Dicke der dielektrischen Schicht 24 ähnlich der Höhe des Ther­ mistors und liegt in dem Bereich von etwa 0,125 mm bis etwa 0,25 mm. Durchgangslöcher können in der dielektrischen Schicht beispielsweise durch Bohren, mechanisches Stanzen, Laserätzen oder Wasserstrahldruck ausgebildet werden.

Das mit einem Muster versehene leitfähige Material 26 kann dann auf die Durchgangslöcher und Oberflächen der dielek­ trischen Schicht 24 in einer ähnlichen Art und Weise aufge­ bracht werden wie bei der Metallisierung von gedruckten Schalt­ karten durch eine Kombination von elektroloser und Elektroab­ scheidung von Kupfer, gefolgt von einer Musterbildung. In dem Ausführungsbeispiel gemäß den Fig. 16-18 verbindet das mit einem Muster versehene leitfähige Material in den Durchgangslö­ chern 25 und 225 gegenüberliegende Oberflächen der dielektri­ schen Schicht. Das mit einem Muster versehene leitfähige Mate­ rial 26 kann optional von gewählten Durchgangslöchern 125 ent­ fernt oder von diesen ausgeschlossen werden.

Wie in den Fig. 17 und 18 gezeigt ist, kann wenig­ stens ein elektrisch leitfähiges Element 32 mit einer der ge­ genüberliegenden Oberflächen und mit einem Thermistor 30 ver­ bunden sein, und eine zusätzliche dielektrische Schicht 118 kann mit einer anderen der gegenüberliegenden Oberflächen ver­ bunden sein. Die zusätzliche dielektrische Schicht hat eine An­ zahl von Durchgangslöchern 114, die sich zu den Thermistoren und dem mit einem Muster versehenen leitfähigen Material er­ strecken, und das Muster der abgeschiedenen elektrischen Ver­ bindungen 112 erstreckt sich durch die Durchgangslöcher 114 der zusätzlichen dielektrischen Schicht.

In einem Ausführungsbeispiel, bei dem das Durchgangs­ loch 25 mit einem Muster versehenes leitfähiges Material 26 enthält, kann das Material zum Verbinden des wenigstens einen elektrisch leitfähigen Elements 32 mit einer Deckfläche der dielektrischen Schicht 24 verwendet werden. In einem Ausfüh­ rungsbeispiel, bei dem ein Durchgangsloch 125 kein mit einem Muster versehenes leitfähiges Material 26 enthält, kann eine Verbindung mit einer Deckfläche durch eine Verbindung mit einem zusätzlichen Durchgangsloch 225 herbeigeführt werden, das mit einem Muster versehenes leitfähiges Material 26 enthält. Obwohl sie zu Darstellungszwecken in einer einzigen Figur gezeigt sind, werden die zwei Ausführungsbeispiele üblicherweise nicht kombiniert. Es sind zwar mehr Durchgangslöcher für das Ausfüh­ rungsbeispiel erforderlich, bei dem ein Thermistor- Durchgangsloch 125 nicht metallisiert ist, aber die Fertigung ist einfacher als das Ausführungsbeispiel mit metallisierten Durchgangslöchern 25, wo eine Gefahr von Kurzschlüssen zwischen dem Thermistor 30 und leitfähigem Material 26 besteht, das sich entlang den Wänden der Durchgangslöcher erstreckt.

In einem Ausführungsbeispiel weist das elektrisch leit­ fähige Element 32 ein Band auf, das mit dem leitfähigen Materi­ al 26 und dem Thermistor 30 durch ein elektrisch leitfähiges Klebemittel 31 verbunden ist. In einem Ausführungsbeispiel weist das Band Kupfer mit einer Dicke in dem Bereich von etwa 25 Mikrometer bis etwa 50 Mikrometer auf, und das leitfähige Klebemittel weist ein leitfähiges Epoxid auf. Der gekoppelte Thermistor 2 kann dann durch eine zusätzliche dielektrische Schicht 118 und das Muster von abgeschiedenen elektrischen Ver­ bindungen 112 verbunden werden. Auf Wunsch können Verbindungen auf der dielektrischen Schicht 24 zusätzlich zu den Verbindun­ gen ausgebildet werden, die auf der zusätzlichen dielektrischen Schicht 118 ausgebildet sind, und zwar zu dem Zweck, die Dichte der thermischen Sensoren zu vergrößern und/oder die Flächener­ fordernisse zu verkleinern.

Fig. 19 ist eine Seitenansicht von einer anderen Fer­ tigungsstufe für ein Ausführungsbeispiel eines Thermistor- Arrays, wobei wenigstens ein elektrisch leitfähiges Element 132 mit der dielektrischen Schicht 24 verbunden ist, wobei sich we­ nigstens einige der Durchgangslöcher 24 zu dem wenigstens einen elektrisch leitfähigen Element erstrecken. In einem Ausfüh­ rungsbeispiel erstreckt sich das mit einem Muster versehene leitfähige Material 126 durch die Durchgangslöcher hindurch und ist mit wenigstens einem elektrisch leitfähigen Element verbun­ den. Der Thermistor ist dann mit dem leitfähigen Material ver­ bunden. In einem Ausführungsbeispiel wird die Verbindung mit einem elektrisch leitfähigen Klebemittel 31 herbeigeführt. Wie­ derum können eine zusätzliche dielektrische Schicht (gezeigt als 118 in Fig. 18) und ein Muster von abgeschiedenen elektri­ schen Verbindungen 112 zum Verbinden des Thermistors verwendet werden. In einer ähnlichen Weise wie in den Fig. 16-18 muss das Durchgangsloch 125 kein mit einem Muster versehenes leitfä­ higes Material 126 enthalten.

Obwohl ein Fertigungsverfahren für das Thermistor-Array im Detail beschrieben worden ist, können andere Verfahren, wie beispielsweise Befestigen der Thermistoren auf einer dünnen Leiterfolie und anschließendes Beschichten einer vorgestanzten dielektrischen Schicht, verwendet werden, um das Erfordernis für ein Anordnen einzelner Thermistoren in den Durchgangslö­ chern zu eliminieren.

Fig. 20 ist eine schematische Schaltungsdraufsicht auf ein Thermistor-Array-Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung. Wie in Fig. 20 gezeigt ist, können ausgewählte erste oder zweite Abschnitte 112 oder 113 des Musters abgeschiedener elek­ trischer Verbindungen gemeinsame elektrische Verbindungen mit Anschlüssen 119 aufweisen. In einem Ausführungsbeispiel, bei dem jeder Thermistor eine Höhe von 0,2 mm und Seiten 117 von etwa 0,5 mm Länge hat, können ähnliche Sensorteilungen erzielt werden, wie diejenige, die vorstehend in Verbindung mit Fig. 14 erläutert wurden. Auf Wunsch können die Anschlüsse 119 par­ allel verbunden sein und/oder Anschlüsse 121 könnten parallel verbunden sein. Eine derartige Verbindung verkleinert die An­ zahl an Verbindungen, kann aber die Komplexität der Abtastvor­ richtung 210 (Fig. 1) vergrößern.

Fig. 21 ist eine schematische Schaltungsdraufsicht auf ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel von einem Wider­ stands-Temperaturdetektorarray 103. In diesem Ausführungsbei­ spiel weisen wenigstens einige der einzelnen thermischen Senso­ ren Widerstands-Temperaturdetektoren (RTDs) 3 auf, die in einem Muster auf der dielektrischen Schicht 10 angeordnet sind.

Genauer gesagt, können die RTDs Teile des Musters von abgeschiedenen elektrischen Verbindungen 41 bilden, die selek­ tiv gemustert sind, um Flächen mit einem hohen Widerstand zu bilden. In einem Ausführungsbeispiel sind die Verbindungen mit Flächen 34 versehen, die dünne serpentinenförmige Linien ent­ halten, die etwa 25-50 Mikrometer breit, etwa 250-1000 Mikrome­ ter lang und etwa 0,2-4 Mikrometer hoch sind. Übliche Änderun­ gen eines RTD Widerstandes in bezug auf Temperaturänderungen betragen etwa 0,4% bis etwa 0,6% pro Grad Celsius für übliche Metalle, wie beispielsweise Kupfer, Nickel und Titan, die als Verbindungsmaterialien verwendet werden können. Das RTD Array kann unter Verwendung vereinfachter Fertigungsprozesse gefer­ tigt werden, da es kein Erfordernis für zwei unähnliche mit ei­ nem Muster versehene leitfähige Schichtmaterialien oder einzel­ ne Thermistoren gibt.

Das Array 103 kann beispielsweise so angeordnet sein, dass jeder RTD ein Ausführungsbeispiel mit vier Anschlussver­ bindungen 134 hat, das üblicherweise als eine Kelvin-Verbindung bezeichnet wird. Wenn die Schalter auf der dielektrischen Schicht angeordnet sind, sind Integrierte Multiplexer- Schaltungschips nützlich. Wenn die Schalter abseits der dielek­ trischen Schicht angeordnet sind, können Reed-Relayschalter nützlich sein. In dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 21 wird Strom durch den RTD über Verbindungsleitungen 36 gedrückt, wäh­ rend über dem RTD entwickelte Spannung durch Verbindungsleitun­ gen 138 oder 238 gemessen wird, die direkt mit dem RTD verbun­ den sind. Diese Technik eliminiert Fehler aufgrund von Span­ nungsabfällen in den RTD Leitern und Verbindungen. Die Verbin­ dungen können etwas verringert werden durch Verbinden aller RTD Stromverbindungen in Reihe während eines Messzyklus.

Die Anzahl an Schaltern 239 und 339 kann verringert werden (mit einer kleinen Verringerung an Genauigkeit), indem das Muster von abgeschiedenen elektrischen Verbindungen so ge­ bildet wird, dass Abschnitte 138 entstehen, die sich zwischen zwei RTDs erstrecken, anstatt dass Abschnitte 238 entstehen, die näher an jedem RTD verbunden sind.

Fig. 22 stellt ein rechteckiges Gitter für Sensoren dar, und Fig. 23 stellt ein dreieckiges Gitter für Sensoren gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung dar. Obwohl die vorherigen Beispiele allgemein rechteckige Gitter von thermi­ schen Sensoren gezeigt haben, kann die Positionierung von Sen­ soren auf einem dreieckförmigen Gitter, wie es in Fig. 23 ge­ zeigt ist, nützlich sein. In dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 23 ist die Anzahl einzelner thermischer Sensoren in einem dreieckförmigen Gitter so angeordnet, dass der Abstand zwischen jedem entsprechenden Sensor und jedem benachbarten Sensor im wesentlichen gleich ist.

Eine gleichförmige Abstandsbildung des dreieckförmigen Gitters wird nicht durch das rechteckige Gitter herbeigeführt und kann die räumliche Auflösung des Sensor-Arrays vergrößern, ohne die Anzahl von Sensorelementen pro Quadratzentimeter zu erhöhen. Zusätzlich kann das dreieckförmige Gitter die Gesamt­ zahl von Sensoren verkleinern, die für eine gegebene räumliche Auflösung erforderlich sind, wodurch die Sensorkosten und die Komplexität der zugeordneten elektronischen Schaltung verklei­ nert wird.

Claims (34)

1. Untersuchungswerkzeug enthaltend:
ein Array (100) thermischer Sensoren mit einer dielek­ trischen Schicht (216), die eine Anzahl von einzelnen thermi­ schen Sensoren und ein Muster von abgeschiedenen elektrischen Verbindungen aufweist, die auf wenigstens eine Oberfläche von der dielektrischen Schicht (216) gerichtet sind und elektrische Verbindungen von jedem der mehreren einzelnen thermischen Sen­ soren bilden,
eine mit dem Muster abgeschiedener elektrischer Verbin­ dungen verbundene Abtastvorrichtung (210) zum Erhalten von Sen­ sorsignalen von den thermischen Sensoren und
einen Computer (212) zum Verarbeiten der Sensorsignale zum Abschätzen von Temperaturverteilungen.

2. Untersuchungswerkzeug nach Anspruch 1, wobei die dielektrische Schicht (216) und das Muster abgeschiedener elek­ trischer Verbindungen Oberflächen-anpassbar sind.

3. Untersuchungswerkzeug nach Anspruch 2, wobei ei­ ne Befestigungsvorrichtung (218) vorgesehen ist zum Positionie­ ren des thermischen Sensorarrays in Kontakt mit einer zu mes­ senden Oberfläche.

4. Untersuchungswerkzeug nach Anspruch 2, wobei die Befestigungsvorrichtungen (218) ein im wesentlichen starres Un­ terteil (219) und ein mechanisch flexibles Medium (221) aufwei­ sen zum mechanischen Verbinden des thermischen Sensorarrays mit dem Unterteil.

5. Untersuchungswerkzeug nach Anspruch 2, wobei der Computer eine Datengewinnungseinheit (220) zum Gewinnen der Sensorsignale aus der Abtastvorrichtung (210) enthält.

6. Untersuchungswerkzeug nach Anspruch 5, wobei der Computer (212) ferner eine Datenverarbeitungseinheit (224) ent­ hält zum Bilden räumlicher thermischer Kartierungen aus den Sensorsignalen.

7. Verfahren zum Untersuchen von Brustkrebs, ent­ haltend:
Anordnen, auf einer Brust, eines Arrays thermischer Sensoren, das eine dielektrische Schicht mit einer Anzahl ein­ zelner thermischer Sensoren und ein Muster von abgeschiedenen elektrischen Verbindungen enthält, die auf wenigstens eine Oberfläche der dielektrischen Schicht gerichtet sind und elek­ trische Verbindungen von jedem der Anzahl einzelner thermischer Sensoren bilden,
Abtasten der Sensorsignale von den thermischen Sensoren über das Muster abgeschiedener elektrischer Verbindungen und
Verarbeiten der Sensorsignale zum Abschätzen von Tempe­ raturverteilungen, die Brustkrebs anzeigen.

8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei die dielektri­ sche Schicht und das Muster abgeschiedener elektrischer Verbin­ dungen Oberflächen-anpassbar sind.

9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei eine Befesti­ gungsvorrichtung verwendet wird zum Positionieren des Arrays thermischer Sensoren in Kontakt mit der Brust.

10. Verfahren nach Anspruch 7, wobei vor dem Anord­ nen des thermischen Sensorarrays auf der Brust wenigstens eine Ausrichtungsmarke auf der Brust ausgebildet wird.

11. Thermisches Sensorarray enthaltend:
eine dielektrische Schicht (10), die eine Anzahl ein­ zelner thermischer Sensoren enthält,
ein Muster abgeschiedener elektrischer Verbindungen, die auf wenigstens eine Oberfläche von der dielektrischen Schicht gerichtet sind und elektrische Verbindungen von jedem der mehreren einzelnen thermischen Sensoren bilden.

12. Thermisches Sensorarray nach Anspruch 11, wobei die dielektrische Schicht (10) und das Muster abgeschiedener elektrischer Verbindungen Oberfläche-anpassbar sind.

13. Array nach Anspruch 11, wobei eine erste mit ei­ nem Muster versehene leitfähige Schicht (12) auf der einen Oberfläche der dielektrischen Schicht (10) vorgesehen ist, die eine andere thermische EMK als das Muster abgeschiedener elek­ trischer Verbindungen hat, und wobei die dielektrische Schicht (10) Durchgangslöcher (14) hat, das Muster abgeschiedener elektrischer Verbindungen eine zweite mit einem Muster versehene leitfähige Schicht (16) aufweist und wenigstens einige der einzelnen thermischen Senso­ ren Thermoelemente (1) aufweisen, die Verbindungsstellen (15) bilden, die durch die Durchgangslöcher (14) zwischen den ersten und zweiten mit einem Muster versehenen leitfähigen Schichten (12, 16) gebildet sind.

14. Array nach Anspruch 13, wobei die erste mit ei­ nem Muster versehene leitfähige Schicht Abschnitte an den Ver­ bindungsstellen (15) aufweist, die eine größere Dicke als die Dicken von anderen Abschnitten der ersten mit einem Muster ver­ sehenen leitfähigen Schicht haben.

15. Array nach Anspruch 13, wobei die dielektrische Schicht (110) in gewählten Flächen (13) verdünnt ist, wobei die gewählten Flächen keine Abschnitte der dielektrischen Schicht (10) aufweisen, die auf die erste mit einem Muster versehene leitfähige Schicht (12) gerichtet sind.

16. Array nach Anspruch 15, wobei eine Schutzschicht (22) über der ersten mit einem Muster versehenen leitfähigen Schicht (12) angeordnet ist.

17. Array nach Anspruch 12, wobei die dielektrische Schicht eine erste dielektrische Schicht und ferner eine zweite dielektrische Schicht aufweist, die über der ersten dielektri­ schen Schicht und dem Muster abgeschiedener elektrischer Ver­ bindungen liegt, wobei die zweite dielektrische Schicht zweite Durchgangslöcher aufweist, die sich zu gewählten Abschnitten des Musters abgeschiedener elektrischer Verbindungen erstreckt, und ein zusätzliches Muster von abgeschiedenen elektrischen Verbindungen sich über die zweite dielektrische Schicht in die Durchgangslöcher der zweiten dielektrischen Schicht erstreckt und mit dem Muster abgeschiedener elektrischer Verbindungen verbunden ist.

18. Array nach Anspruch 12, wobei das Muster abge­ schiedener elektrischer Leiter enthält:
eine erste mit einem Muster versehene leitfähige Schicht auf der einen Oberfläche der dielektrischen Schicht, die eine gemeinsame elektrische Verbindung aufweist, die alle thermischen Sensoren verbindet, und
eine zweite mit einem Muster versehene leitfähige Schicht auf einer anderen Oberfläche der dielektrischen Schicht, die eine Anzahl getrennter Verbindungen aufweist, die jeweils einen entsprechenden thermischen Sensor verbindet.

19. Array nach Anspruch 18, wobei wenigstens ein Multiplexer vorgesehen ist und jede der getrennten Verbindungen mit dem wenigstens einen Multiplexer verbunden ist.

20. Array nach Anspruch 19, wobei wenigstens zwei Multiplexer vorgesehen sind, die auf gegenüberliegenden Seiten der thermischen Sensoren angeordnet sind.

21. Array nach Anspruch 11, wobei die dielektrische Schicht Durchgangslöcher hat und wobei wenigstens einige der einzelnen thermischen Sensoren Thermistoren aufweisen, die we­ nigstens teilweise in den Durchgangslöchern angeordnet sind.

22. Array nach Anspruch 21, wobei
ein mit einem Muster versehenes leitfähiges Material gegenüberliegende Oberflächen der dielektrischen Schicht ver­ bindet,
ein elektrisch leitfähiges Element mit einer der gegen­ überliegenden Oberflächen und wenigstens einem der Thermistoren verbunden ist,
eine zusätzliche dielektrische Schicht mit der anderen der gegenüberliegenden Oberflächen verbunden ist, wobei die zu­ sätzliche dielektrische Schicht mehrere zusätzliche Durchgangs­ löcher aufweist, wobei einige der Durchgangslöcher der zusätz­ lichen dielektrischen Schicht sich zu den Thermistoren erstrec­ ken und andere Durchgangslöcher der zusätzlichen dielektrischen Schicht sich zu dem mit einem Muster versehenen leitfähigen Ma­ terial erstrecken,
wobei das Muster abgeschiedener elektrischer Verbindun­ gen sich durch die Löcher der zusätzlichen dielektrischen Schicht erstreckt und erste Abschnitte, die mit Thermistoren verbunden sind, und zweite Abschnitte aufweist, die mit dem leitfähigen Material verbunden sind.

23. Array nach Anspruch 22, wobei gewählte erste oder zweite Abschnitte des Musters abgeschiedener elektrischer Verbindungen gemeinsame elektrische Verbindungen aufweisen.

24. Array nach Anspruch 21, wobei
wenigstens ein elektrisch leitfähiges Element mit einer der gegenüberliegenden Oberflächen verbunden ist, wobei sich wenigstens einige der Durchgangslöcher zu den wenigstens einen elektrisch leitfähigen Element erstrecken,
mit einem Muster versehenes leitfähiges Material sich durch die Durchgangslöcher erstreckt und mit dem wenigstens ei­ nen elektrisch leitfähigen Element verbunden ist, wobei wenig­ stens einer der Thermistoren mit dem leitfähigen Material ver­ bunden ist,
eine zusätzliche dielektrische Schicht mit der anderen der gegenüberliegenden Oberflächen verbunden ist, wobei die zu­ sätzliche dielektrische Schicht eine Anzahl zusätzlicher Durch­ gangslöcher aufweist und wenigstens eines der zusätzlichen Durchgangslöcher sich zu wenigstens einem der Thermistoren er­ streckt und andere zusätzliche Durchgangslöcher sich zu dem leitfähigen Material erstrecken,
wobei sich das Muster abgeschiedener elektrischer Ver­ bindungen durch die Durchgangslöcher der zusätzlichen dielek­ trischen Schicht erstreckt.

25. Array nach Anspruch 21, wobei
wenigstens ein elektrisch leitfähiges Element mit einer der gegenüberliegenden Oberflächen verbunden ist, wobei sich wenigstens einige der Durchgangslöcher zu dem wenigstens einen elektrisch leitfähigen Element erstrecken,
mit einem Muster versehenes leitfähiges Material sich durch einige der Durchgangslöcher erstreckt, wobei wenigstens einer der Thermistoren mit dem wenigstens einen elektrisch leitfähigen Element in einem anderen der Durchgangslöcher ver­ bunden ist,
eine zusätzliche dielektrische Schicht mit der anderen der gegenüberliegenden Oberflächen verbunden ist, wobei die zu­ sätzliche dielektrische Schicht eine Anzahl zusätzlicher Durch­ gangslöcher hat, wobei einige der zusätzlichen Durchgangslöcher sich zu wenigstens einem der Thermistoren erstrecken und andere der zusätzlichen Durchgangslöcher sich zu dem leitfähigen Mate­ rial erstrecken,
das Muster abgeschiedener elektrischer Verbindungen sich durch die Durchgangslöcher der zusätzlichen dielektrischen Schicht erstreckt.

26. Array nach Anspruch 11, wobei wenigstens einige der einzelnen thermischen Sensoren Widerstands- Temperaturdetektoren (RTDs) aufweisen, die auf der dielektri­ schen Schicht im Muster angeordnet sind.

27. Array nach Anspruch 26, wobei die Widerstands- Temperaturdetektoren Abschnitte des Musters abgeschiedener elektrischer Verbindungen bilden und selektiv zur Bildung von Flächen mit hohem Widerstand geformt sind.

28. Array nach Anspruch 26, wobei das Muster abge­ schiedener elektrischer Verbindungen Spannungsmessverbindungen, wobei zwei Spannungsmessverbindungen mit jedem Widerstands- Temperaturdetektor verbunden sind, und Stromversorgungsverbin­ dungen aufweist, die jeweils Strom zu einem oder mehreren der Widerstands-Temperaturdetektoren liefern.

29. Array nach Anspruch 28, wobei die Spannungsmess- und Strommessverbindungen selektiv mit entsprechenden Span­ nungsmess- und Stromlieferungsleitungen verbunden sind.

30. Array nach Anspruch 11, wobei die Anzahl einzel­ ner thermischer Sensoren in einem dreieckförmigen Gitter so im Abstand angeordnet sind, dass der Abstand zwischen jedem ent­ sprechenden Sensor und jedem benachbarten Sensor im wesentli­ chen gleich ist.

31. Verfahren zum Herstellen eines Arrays thermi­ scher Sensoren, enthaltend:
Bereitstellen einer dielektrischen Schicht, die eine Anzahl einzelner thermischer Sensoren aufweist, und
Abscheiden eines Musters elektrischer Verbindungen über wenigstens einer Oberfläche der dielektrischen Schicht, um elektrische Verbindungen von jedem der mehreren einzelnen ther­ mischen Sensoren zu bilden.

32. Verfahren nach Anspruch 31, wobei eine erste mit einem Muster versehene leitfähige Schicht auf der anderen Ober­ fläche der dielektrischen Schicht mit einer anderen thermischen EMK als das Muster der abgeschiedenen elektrischen Verbindungen abgeschieden wird, wobei die dielektrische Schicht Durchgangs­ löcher hat, das Muster der abgeschiedenen elektrischen Verbin­ dungen eine zweite mit einem Muster versehene leitfähige Schicht bildet und wenigstens einige der einzelnen thermischen Sensoren Thermoelemente aufweist, die Verbindungsstellen bil­ den, die durch die Durchgangslöcher zwischen den ersten und zweiten mit einem Muster versehenen leitfähigen Schichten ge­ bildet sind, und die dielektrische Schicht in gewählten Flächen verdünnt wird, wobei die gewählten Flächen keine Abschnitte der dielek­ trischen Schicht enthalten, die auf die erste mit einem Muster versehene leitfähige Schicht gerichtet sind.

33. Verfahren nach Anspruch 31, wobei die Bereit­ stellung der dielektrischen Schicht enthält, dass Durchgangslö­ cher ausgebildet und Thermistoren wenigstens teilweise in den Durchgangslöchern angeordnet werden.

34. Verfahren nach Anspruch 31, wobei die Bereit­ stellung der dielektrischen Schicht mit mehreren einzelnen thermischen Sensoren und das Abscheiden des Musters elektri­ scher Verbindungen enthalten, dass Widerstands-Temperatur­ detektoren (RTDs) auf der dielektrischen Schicht in einem Mu­ ster ausgebildet werden.