DE2416665A1

DE2416665A1 - Druck- und beschleunigungsmessvorrichtung

Info

Publication number: DE2416665A1
Application number: DE2416665A
Authority: DE
Inventors: Maurice La Balme
Original assignee: Thomson Medical Telco SA
Current assignee: Thomson Medical Telco SA
Priority date: 1973-04-09
Filing date: 1974-04-05
Publication date: 1974-10-17
Also published as: IT1012549B; GB1457202A; US3946724A; FR2224752A1; JPS5059068A; FR2224752B1; SE387532B

Description

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Thomson Medical-Telco, St. Cloud, Rue Vauguyon ό (Frankreich)

"Druck- und Beschleunigungsmeßvorrichtung'¹'

Priorität vom 9« April 1973 aus der französischen Patentanmeldung 73 12 666

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Druck- und Beschleunigungsmessung, insbesondere im Inneren des Herzens oder der Blutgefäße.

Unter den bekannten Druckmeßvorrichtungen finden sich Systeme j die auf der Änderung der durch die Verschiebung eines Magnetkernes in einer Spule unter der Druckwirkung erzeugten Induktivitätsänderung beruhen. Andere System bestehen aus Dehnungsgebern, die auf Metallmembranen aufgedampft oder in Siliciummembranen eindefundiert sind. Diese Systene sind insofern nachteiligj als sie von außerordentlich geringer Empfindlichkeit sind und einen erheblichen Temperaturbeiwert infolge der außerordentlich kleinen Abmessungen der Geber besitzen. Beispielsweise liefern Dehnungsgeber_s die aus Wheatstone'sehen · Brücken bestehen und mit einer Spannung von einigen zehn Volt versorgt werden, ein Signal zwischen 5 bis 50 mV je nach verwendeter Technologie für einen maximalen Druck von 3OO mm Hg.

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Man verwendet als Dehnungsgeber oder Wandler eine als integrierte Schaltung auf einem Siliciumplättchen ausgeführte Anordnung von Feldeffekttransistoren. Diese an sich bekannte Anordnung liefert eine ihrer Längenänderung proportionale Spannung mit einer .Empfindlichkeit, die derjenigen der bisher üblichen Widerstandsgeber erheblich überlegen ist.

Die Daten dieser Schaltung sind:

Speisespannung : + 20 V j

Verlustleistung : 20 mW j

Ausgangsimpedanz : 100 K ■

Spannungsgeberfaktor : 1000 Λ j

Dieses Plättchen wird Verformungen unterworfen, die propor- ■ j tional zu den zu messenden Größen, Druck oder Beschleunigung, j

sind. . j

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde', eine Meßvorrieh- ! j tung mit verbesserter Empfindlichkeit zu schaffen. :

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Plättchen das halbleitende Substrat ist, auf dem die Schaltung in integrierter Schaltungstechnik aufgebaut ist.

Zur Erhöhung der Empfindlichkeit der Vorrichtung μηα zur Steigerung der Verformungen des Substrates, auf dem die Schaltung aufgebaut i'st, in Abhängigkeit von den Zug- und Druckspannungen, denen das Substrat unterworfen ist, ist nach einer beson

das ders bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, daß das/Plättchen bildende Substrat insbesondere auf der Rückseite der Fläche, auf der die integrierte Schaltung aufgebaut ist, geschwächt ist.

j Heben dieser Verminderung der Dicke des Substratplattchens j kann aber auch noch dessen Breite vermindert werden.

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'Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform 1st vorgesehen,, daß das Plättchen der auf denjenigen Abschnitt begrenzte Teil des Substrats ist, auf dem die integrierte Schaltung aufgebaut ist, vermehrt um den für das Abtrennen des Substrats notwendigen Teil.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform umfaßt die Druckoder Beschleunigungsmeßvorrichtung eine Meßkammer, die ein verformungsempfindliches Plättchen enthält, das an seinem einen Ende in eine feste Halterung eingespannt ist, während sein anderes Ende den entweder durch den äußeren Druck oder durch die Beschleunigung hervorgerufenen Verformungen unterworfen ist»

Im Fall der Beschleunigungsmessung ist eine Masse am freien Ende des Plättchens befestigt, das demzufolge eine Verformung erfährt, wenn es einer senkrecht z\x seiner Fläche gerichteten Beschleunigung ausgesetzt ist.

Im Falle der Druckmessung ist das freie Ende des Plättchens den Wirkungen des außerhalb der Kammer herrschenden Druckes unter Zwischenschaltung einer elastischen, abdichtenden Membran ausgesetzt, die auf einen Kern einwirkt, welcher in einem Futter gleitet und sich auf dem freien Ende des Plättchens abstützt.

Um die Empfindlichkeit der Druckmeßvorrichtung zu steigern wird mit Vorteil als Membran ein Werkstoff verwendet, dessen Elastizität in allen Richtungen zeitlich konstant und temperaturunabhängig ist.

Der Druck wird durch die elastische Membran auf das Plättchen über einen Kern übertragen, der frei im Inneren einer Halterung gleitet, wobei der Kern sich lediglich auf der

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Membran und auf dem Plättchen abstützt ohne auf der ersteren oder dem letzteren befestigt oder aufgeklebt zu sein.

Nach einer anderen Ausführungsform umfaßt die Druckmeßvorrichtung eine Meßkammer mit einem in einer Abflachung vorgesehenen Fenster.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist das Plättchen mit seinem, gesamten Umfang direkt auf den Kanten des Fensters flüssigkeits- und gasdicht befestigt.

In der Zeichnung sind Vorrichtungen nach der Erfindung anhand beispielsweise gewählter Ausführungsformen und deren Teilen schematisch vereinfacht dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 eine Aufsicht auf ein Plättchen, auf dem die integrierte Schaltung aufgebaut ist,

Fig. 2 einen Längsschnitt durch das Plättchen,

Fig. 3 einen Längsschnitt durch eine in einem Katheter angeordnete Druckmeßvorrichtungj

Fig. 4 einen Längsschnitt durch eine in einem Katheter angeordnete Beschleunigungsmeßvorrichtung,

Fig. 5 einen Schnitt durch einen mit drei Beschleunigungsmeßvorrichtungen ausgerüsteten Katheter,

Fig. 6 einen Schnitt durch einen Katheter, der sowohl eine Druckmeßvorrichtung als auch eine Beschleunigungsmeßvorrichtung umfaßt,

Fig. 7 einen Schnitt durch eine andere Ausführungsform der Druckmeßvorrichtung und

j Fig. 8 einen Schnitt durch einen mit zwei Druckmeßvorrichtungen ausgerüsteten Katheter.

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In Fig. 1 ist das Plättchen 1 dargestellt, auf dem die schematisch bei 2 wiedergegebene integrierte Schaltung mit den drei Anschlußflecken 3₃ auf die die Stromzuführungsdrähte 5 aufgelötet sind, aufgebaut ist. Die seitlichen und die ; Löngsgrenzen der integrierten Schaltung sind gestrichelt parallel zu den Seiten des Plattchens wiedergegeben.

Gemäß der Erfindung wird das das Plättchen bildende Substrat derart geschnitten, daß der Bereich 6 der notwendigen ; riindestgrüße entspricht ₃ die ein Schneiden oder Stanzen ohne j Beschädigung der Kanten oder Ränder der Schaltung ermöglicht.

Aus der Schnittdarstellung der Fig. 2 ist ersichtlich, daß j das das Substrat bildende Plättchen bei 7 insbesondere auf ; seiner Rückseite geschwächt ist. Die Dicke des Substrates . kann uamit auf 30 μ anstelle von 150/u verringert werden. Die ; entsprechende Bearbeitung erfolgt in bekannter Weise, bei-

j spielsweise durch Photoerosion.

Durch diese beiden Maßnahmen, nämlich Verringerung sowohl der Abmessungen des Plättchen^ als auch seiner Dicke auf ein Minimum,wird seine Steifigkeit vermindert und demzufolge die Verformung für eine gegebene Kraft vergrößert, d.h. die Empfindlichkeit der Vorrichtungen unter gleichzeitiger Verringerung der Abmessungen des Aufnehmers gesteigert, wobei durch die letztere Maßnahme auch die intracorporelle Verwendung erleichtert wird.

!•'ig. 3 zeigt eine Heßvorrichtung nach der Erfindung, montiert in einem Katheter. Der mit 1 bezeichnete Wandler ist in eine Halterung 8 eingespannt. Diese Halterung ist mit einem Mittelloch 9 versehen, das es gestattet, die Meßkammer 11 über den Zentralkanal des Katheters auf Atmosphärendruck zu bringen. Die Stromzuführungsdrähte 5 für den Wandler liegen in Nuten 12 der Halterung 8 und sind mit in der Halterung 8 festgelegten Verbindungsdrähten 13 verlötet. Ein Futter 14

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ist in einer Futterlagerung 15, die mit der Schutzhülse 16 fest verbunden ist, eingespannt und festgeklebt. Eine Membran 17 überzieht das Putter 14. Diese Membran , die aus JMaturkautschuk bestehen kann, ist hinreichend dünn (ca. 17 Hundertstel Millimeter), um eine getreue Übertragung des Druckes, dem sie ausgesetzt ist, trotz ihrer Verschiebungen zu ermöglichen. Die Membran ist auf dem Putter 14 durch einen Klemmdraht oder Klemmring 18 beispielsweise aus Kunststoff befestigt. Die Schutzhülse 16 weist eine die Membran 17 freilassende Öffnung auf, damit der zu messende Druck auf die Membran einwirken kann. Dieser Druck wird auf das freie Ende des Wandlers 1 über einen Kern 19 übertragen, der frei im Inneren des Putters 14 gleitet. Dieser Kern 19 hat einen Durchmesser von etwa 45 Hundertstel Millimeter und wird durch die Elastizität des Wandlers 1 einerseits und diejenige der Membran 17 andererseits gehalten. Eine abgerundete Kappe 21 verschließt die Mikrosonde vorn, um bei deren Einführung oder Handhabung irfvivo zu vermeide-n , daß Traumen gesetzt werden.

Das den Wandler 1 bildende Siliciumplättchen besitzt eine Länge von etwa 1,8 mm, eine Breite von etwa 0,9 mm und eine Dicke, die zwischen 40 und 200 ja schwanken kann, abgesehen von dem Bereich der Schaltung, wo sie bis auf etwa 30 μ geschwächt ist.

Die elastische Membran 17, mit der das Futter 14 überzogen ist, dient zugleich der Abdichtung und der Übertragung des Druckes auf den Kern 19 und besteht aus natürlichem Kautschuk und nicht aus einem synthetischen Werkstoff. Tatsächlich hat sich herausgestellt, daß lediglich dieser Werkstoff einen Zusammenbau der Vorrichtung gestattet, ohne daß auf den Kern eine Vorspannung ausgeübt wird, die auf die richtungsabhängige Elastizität einer synthetischen Folie zurückzuführen ist.

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Darüber hinaus ist diese Membran auf dem Futter 14 durch einen Drahtring 18 festgehalten und gesichert und nicht durch "Verklebung oder eine andere Befestigungsart. Hierdurch wird eine gleichmäßige Spannung-über den gesamten Umfang der Membran erzielt. Das Ergebnis ist eine Steigerung der Linearität der Verformungen des Wandlers in Abhängigkeit von dem Druck, dem die Membran ausgesetzt ist.

Der Kern 19 wird lediglich durch die Elastizität des Wandlers und der Membran gehalten und ist in keiner Weise auf einem dieser beiden Teile befestigt oder festgeklebt. Hierdurch wird bei den Verschiebungen des Kerns 19 jegliche Verspannung vermieden, die auf die Elastizität eines Klebers oder irgendeiner Befestigung zurückzuführen und überdies temperaturabhängig wäre. Das Ergebnis 1st eine Steigerung der Genauigkeit der Vorrichtung und eine größßere Temperaturunabhängigkeit dieser Genauigkeit.

Für eine Druckdifferenz von 300 mm Hg zwischen den beiden Flächen der Membran liegt die Verschiebung derselben (und des Wandlers) in der Größenordnung von einigen /u und gestattet, Signale einer Amplitude von 6 Volt zu erzielen. Diese Verschiebungen sind gering und ermöglichen eine hohe Grenzfrequenz des Wandlers von mehr als 2000 Hz, was es gestattet, gleichzeitig die Druckmessungen vorzunehmen und die intracardialen Töne festzustellen, deren nutzbarer Frequenzbereich bei etwa 1000 Hz endet.

Bei der in Fig. 4 dargestellten Ausführungsform ist der stets in eine Halterung 8 eingespannte Wandler i zur Messung von Beschleunigungen, denen der Katheter ausgesetzt ist, ausgebildet. Hierzu ist eine kostante Masse 22 auf das freie Ende des Wandlers aufgeklebt. Diese Masse beträgt etwa 0,26 g.

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Beschleunigungenj die auf den Katheter in der durch den Pfeil angedeuteten Richtung einwirken, erlegen dem I.andler eine Verformung auf. Für eine Dicke desselben von 50 /i v;urde eine Empfindlichkeit von 2 Volt für eine Beschleunigung gleich der Erdbeschleunigung erzielt. Dieses Ergebnis läßt eine etwa hundertmal größere Empfindlichkeit erkennen, als sie handelsübliche, sonstige Beschleunigungsmesser besitzen.

Die in Fig. 5 dargestellte Ausführungsform zeigt einen Katheter, der mit drei Beschleunigungsmeßvorrichtungen versehen ist, welche längs dreier aufeinander senkrechter Achsen angeordnet sind. Bei 23 ist ein Wandler mit seiner I^asse 20 zu erkennen, aer quer zur Achse des Katheters ausgerichtet ist. Dieser Wandler mißt die Axialbeschleunigung. Ein zweiter Wandler 24 mit seiner Masse 25 ist parallel zur Achse eingespannt und liegt in der Zeichenebene. Er mißt die Beschleunigungen senkrecht zur Zeichenebene. Der dritte Wandler 2b mit seiner Masse 27 ist parallel zur Achse, jedoch senkrecht zur Zeichenebene eingespannt. Er mißt die Beschleunigungen parallel zur Zeichenebene. Die Zusammensetzung dieser drei Messungen ergibt den Betrag und die Richtung eines beliebigen Beschleunigungsvektors. ·

Die Ausführungsform nach Fig. 6 zeigt einen Katheter, der gleichzeitig eine Beschleunigungsmeßvorrichtung und eine Druckmeßvorrichtung enthält. Der eingespannte Wandler 28 und seine Masse 29 messen die Querbeschleunigungen parallel zur Zeichenebene. Der eingespannte Wandler 31 erhält über den Kern 19 den außerhalb des Katheters herrschenden Druck.

Fig. 7 zeigt eine andere Ausführungsform der Druckmeßvorrichtung, die außerhalb des Katheters liegt. An der Schutzhülle 16 des Katheters ist die Futterlagerung 15 befestigt. Der Wandler 1 ist in die Halterung 8 eingespannt, die ebenfalls

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auf der Schutzhülse 16 befestigt ist. Ein in einer Öffnung der Futterlagerung 15 festgelegtes Putter 32 ist mit einer Membran 33 überzogen, analog zu den Membranen der vorher beschriebenen Aus führung sfbrmen. Ein Kern 34 kann in einer Ausnehmung im Inneren des Futters 32 gleiten. Seine Länge ist so

! bemessen, daß er sich gleichzeitig auf dem Wandler 1 und auf

ι der Membran 33 abstützt und damit auf den Wandler 1 den auf

i diese Membran ausgeübten Druck überträgt. Wie bei den vorher-

I gehenden Ausführungsformen steht die Meßkammer 1 mit der

^: Atmosphäre (oder einem Behälter mit konstantem Innendruck)

j über die Zentralöffnung 9 des Katheiters in Verbindung. ί

Die Besonderheit der Vorrichtung nach Fig. 7 besteht darin, daß der Kern 34, der den Druck auf den Wandler 1 überträgt, einen wesentlich größeren Durchmesser hat, als die entsprechenden Kerne der vorher beschriebenen Ausführungsformen.

I Dieser Kern 34 besitzt einen Durchmesser von 2,7 nun (anstelle ! von 0,45 mm). Diese Vorrichtung ist daher sehr viel empfind- \ licher.

i Diese Vorrichtung ist hauptsächlich zur Messung eines

! Druckes im Inneren eines Organes, beispielsweise der Schädel- ! decke,ohne Einführung ins Innere des Gehirns gedacht. Für

diese Messung wird auf das Organ die aus der Membran 33 und j der Außenfläche der Futterlagerung 15 bestehende Fläche der j Vorrichtung aufgelegt. Die Druckmessung ist nur möglich, wenn j die auf das Organ aufgelegte Fläche der Vorrichtung eben ist und große Abmessungen besitzt.

Bei der beschriebenen Vorrichtung hat die Futterlagerung 15 einen wesentlich größeren Durchmesser als die Schutzhülse 16, auf der sie befestigt ist und die Außenfläche der Membran 33 liegt in derselben Ebene wie diejenige, die durch die Auflagefläche der Futterlagerung 15 definiert ist.

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Dieses Merkmal macht die Druckmessung weniger abhängig von der Kraft, mit der die Vorrichtung gegen das Organ gedrückt wird, dessen Druck gemessen werden soll und erleichtert auch die Ausrichtung des Aufnehmers gegen die Membran.

Die perspektivisch in Fig. 8 dargestellte Ausführungsform stellt einen Katheter dar, .der mit zwei Druckgebern ausgerüstet ist. Im Gegensatz zu den vorher beschriebenen Ausführungsformen ist es hier der Wandler selbst, der die Abdichtung zwischen dem umgebenden Medium und der Meßkammer besorgt und der die Rolle der verformbaren Membran spielt, auf die der zu messende Druck einwirkt. Die Druckaufnehmer öder Druckmesser bestehen aus einem Plättchen 1, das in ein Fenster eingespannt ist, das in einer Abflachung 35 des die Meßkammer begrenzenden Katheters vorgesehen ist. Das Plättchen stellt die Abdichtung zwischen der Meßkammer und dem umgebenden Medium dadurch sicher, daß es über seinen gesamten Umfang fest mit den Kanten oder Rändern dieses Fensters, verbunden ist. Somit sind die Verformungen des Plättchens ausschließlich auf den zu messenden Druck zurückzuführen, ohne Störungen irgendwelcher Art zufolge der Elastizität einer Membran zwischen dem Plättchen und dem Rand des in der Meßkammer vorgesehenen Fensters. Darüber hinaus vermindert diese Befestigungsart die Gefahr von Undichtigkeiten.

Schließlich ermöglichen die geringen Abmessungen des Wandlers (1,8 mm Länge auf 0,9 mm Breite) diesen quer zur Achse des Katheders an dessen Vorderende anzuordnen, wie bei 36 angedeutet. Unter Verwendung eines Wandlers mit einer Dicke von 50/ü wurden mit dieser Anordnung Signale von mehr als 500 Millivolt für eine Druckdifferenz von 300 mm Hg erhalten.

Diese Anordnung gestattet die Messung des Druckes in zwei Richtungen,und es ist möglich, Korrelationen zwischen dem mittleren durch den seitlichen Wandler ermittelten Druck und dem

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! durch den frontalen Wandler ermittelten dynamischen Druck \ -durchzuführen. Diese Korrelation gestattet die Ermittlung der Strömungsgeschwindigkeit des Mediums, in das der Katheter eingetaucht ist.

Auf diese mit Druckmeßvorrichtungen (oder Beschleunigungsmeßvorrichtungen) versehenen Katheter können leitende Ringe (in Fig. 8 bei 37 angedeutet) aufgebracht sein, die die Abnahme von Potentialen und beispielsweise die Aufzeichnung von Elektrokardiogrammen gestatten.

Die überwiegende Anzahl der beschriebenen Ausführungsformen betrifft medizinische Anwendungen und insbesondere Herzkatheter. Es handelt sich dabei ,jedoch nur um ein Anwendungsgebiet der Druckmeßvorrichtungen bzw. Beschleunigungsmeßvorrichtungen nach der Erfindung, die ebenso gut in Sonden für technische Zwecke untergebracht werden können. Insbesoniere die Vorrichtung nach Fig. 7 mit ihrer erheblich gesteigerten Empfindlichkeit ist für präzise Druckmessungen allgemeiner Art besonders geeignet.

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Claims

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Thomson Medical-Telco, St. Cloud, Rue Vauguyon 6 (Frankreich)

Patentansprüche:

Γ 1.)Druckmeßvorrichtung mit einer über einen Kanal mit dem um-, gebenden Medium in Verbindung stehenden Meßkammer und einem Plättchen, auf dem eine Schaltung mit mindestens einem verformungsempfindlichen Feldeffekttransistor befestigt ist und das an seinem einen Ende in einer Halterung eingespannt ist und dessen anderes Ende an einem beweglichen Kern anliegt, dessen abgewandtes Ende an einer elastischen, dichten iiembran anliegt, dadurch gekennzeichnet, daß das Plättchen das halbleitende Substrat ist, auf dem die Schaltung in integrierter Schaltungstechnik aufgebaut ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Plättchen der auf denjenigen Abschnitt begrenzte Teil aes Substrats ist, auf dem die integrierte Schaltung aufgebaut ist, vermehrt um den für das Abtrennen des Substrats notwendigen Teil.
j>. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das das Plättchen bildende Substrat insbesondere auf der Rückseite der Fläche, auf der die integrierte Schaltung aufgebaut ist, geschwächt ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der die Verschiebungen der elastischen Membran auf das Plättchen übertragende, bewegliche Kern frei im Inneren eines Futters gleitet.

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5. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der bewegliche Kern durch das Zusammenwirken der Elastizität der Membran und der Elastizität des Endes des Plättchens gehalten ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch I₉ dadurch gekennzeichnet, daß die elastische Membran aus Naturkautschuk besteht.
7. Vorrichtung nach Anspruch I₉ dadurch gekennzeichnet, daß die elastische Membran durch einen Klemmdrahtjauf dem Putter gehalten ist.
8. Druckmeßvorrichtung mit einer über einen Kanal mit dem umgebenden Medium in Verbindung stehenden Meßkammer, einer Abflachung, in die ein Fenster gestanzt ist und einem verformungsempfindlichen Plättchen, dadurch gekennzeichnet, daß das Plättchen über seinen gesamten Umfang dicht mit den Rändern des Fensters zur Abdichtung der Meßkammer verbunden ist.
9. Beschleunigungsmeßvorrichtung mit einem Plättchen, auf dem eine Schaltung befestigt ist, die mindestens einen verformungsempfindlichen Feldeffekttransistor umfaßt, wobei das Plättchen an· seinem einen Ende in eine Halterung eingespannt ist und an seinem anderen Ende eine Masse trägt, da-, durch gekennzeichnet, daß das Plättchen das halbleitende Substrat, ist, auf dem die Schaltung in gedruckter Schaltungstechnik aufgebaut ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß ■ das das Plättchen bildende Substrat insbesondere auf der Rückseite der Fläche, auf der die integrierte Schaltung aufgebaut ist, geschwächt ist.

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11. Druck- und Beschleunigungs)vorrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß "sie aus einer Vorrichtung nach Anspruch 1 und einer

„Vorrichtung nach Anspruch 9_._.b.esteht_.__ 1.JL.-

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12. Druck- und Beschleunigungsmeßvorrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus einer Vorrichtung nach Anspruch und einer Vorrichtung nach Anspruch 9 besteht.
13· Druckmeßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Putter in einer Halterung befestigt ist, die eine größere Auflagefläche als die Schutzhülse, an der sie befestigt ist, besitzt und daß die Außenfläche, der Membran in derselben Ebene liegt, wie diejenige, die durch die Auflagefläche der Halterung definiert ist.
14. Medizinischer Katheter, dadurch gekennzeichnet, daß er eine Druckmeßvorrichtung nach Anspruch 1, eine Beschleunigungsvorrichtung nach Anspruch 9 und einen leitenden Ring umfaßt.

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