Entwicklung und Charakterisierung dehnungsbasierter Kraft- und Momentensensoren für medizinische Anwendungen

  • Development and characterization of strain-gauge based force and torque sensors for medical applications

Nolten, Ulrich; Mokwa,Wilfried (Thesis advisor)

Aachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University (2013)
Doktorarbeit

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2013

Kurzfassung

Kraft- und Momentensensoren werden heute bereits in der Robotik in vielfältiger Weise eingesetzt. In der Medizin hingegen vertrauen viele Ärzte mehr auf ihre körpereigenen Sinne als auf Sensoren. Aber auch dort ist ein Einsatz dieser Sensoren sinnvoll, gerade in der Orthopädie. Neben Langzeitmessungen in Implantaten bieten sich auch intraoperative Messungen von Kräften und Momenten an. Kräfte und Momente können über die Verformung eines elastischen Federkörpers gemessen werden. Dabei werden Dehnungen an der Oberfläche des Körpers mittels Dehnungsmess-streifen (DMS) aufgenommen. Im Rahmen dieser Arbeit wurden zunächst metallbasierte Dehnungsmessstreifen für verschiedene Anwendungen hergestellt und charakterisiert. Mehrere dieser DMS sind anschließend auf Trägerfolien integriert worden. So können diese gut zueinander platziert und direkt in Messschaltungen verbunden werden. Um die Anforderungen an die Messaufgabe bestmöglich zu realisieren, wurden die Sensorfolien dediziert an die zur Applikation zugehörige Probekörpergeometrie angepasst hergestellt. Die Platin-DMS sind in Dünnschichttechnik auf einem Polyimid-Trägerfilm miniaturisiert hergestellt worden. Das Messgitter eines Sensors hat eine Länge von 1,23 mm und eine Breite von 0,84 mm. Die Sensoren haben einen k-Faktor von k = 3 und weisen einen linearen Temperaturkoeffizienten von a = 2,5 • 10-3 K-1 auf. Darüber hinaus wurde mit Blick auf die Anwendung eine sterilisierbare Aufbau- und Verbindungstechnik für diese DMS entwickelt. Diese Systeme überstanden 30 Zyklen einer Dampfsterilisation. Mit Hilfe der hergestellten Platin-DMS-Sensorfolien sind im Rahmen der Arbeit drei Anwendungen realisiert worden: Die erste Anwendung ist ein 190 mm langer Fräserschaft, welcher zur Entfernung von Knochenzement im Oberschenkelknochen bei Revisions-operationen zum Hüftgelenksersatz benutzt wird. Hier wurde mittels der DMS eine Messung der Verbiegung des Schaftes durch Fräskräfte vorgenommen. Die Größe der Verbiegung kann bei der navigierten Knochenzemententfernung zur Positionskorrektur des Fräsers eingesetzt werden. Weiterhin wurde ein Sensorclip zur universalen Messung von Kräften in einer Raumrichtung an chirurgischen Instrumenten hergestellt und charakterisiert. Ein Schnellverschluss erlaubt das Anbringen des Sensorclips an verschiedene medizinische Instrumente und ermöglicht eine intraoperative Kraftmessung. Mittels dieses Sensorclips konnten Kräfte an Teststrukturen reproduzierbar bestimmt werden. Als Drittes wurde ein universeller Kraft- und Momentensensor hergestellt und charakterisiert, der Kräfte in allen drei Raumrichtungen und die entsprechenden Momente um die Raumachsen messen kann. Auch hier konnte das Funktionsprinzip des Sensors erfolgreich nachgewiesen werden. Weiterhin sind piezoresistive Sensoren aus silicon-on-insulator-Substraten hergestellt worden. Zur Realisierung der benötigten piezoresistiven Widerstände wurde der p-dotierte, 2 µm dicke device layer eines SOI-Wafers verwendet. Die Widerstände wurden mittels reaktiven Ionenätzens bis auf das vergrabene Oxid herunter strukturiert, so dass dielektrisch isolierte Elemente erzeugt wurden. Über Gold-Stud-Bumps auf den Aluminiumkontaktflächen der Sensoren wurden die Dehnungssensoren mittels Flip-Chip-Bonden auf flexiblen Leiterplatten kontaktiert. Für diese Sensoren konnten aufgrund des bei Silizium stark ausgeprägten piezoresistiven Effektes k-Faktoren von k = 70 und Temperaturkoeffizienten von a = 3,6 • 10-3 K-1 bestimmt werden.

Identifikationsnummern