und Momentensensoren für medizinische Anwendungen

215 Pages·2013·12.9 MB·German

by  Ulrich Nolten

Entwicklung und Charakterisierung dehnungsbasierter
Kraft- und Momentensensoren für medizinische
Anwendungen
Von der Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik
der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen
zur Erlangung des akademischen Grades eines
Doktors der Ingenieurwissenschaften
genehmigte Dissertation
vorgelegt von
Master of Science
Ulrich Nolten
aus Haan (Rheinland)
Berichter: Universitätsprofessor Dr.rer.nat.Wilfried Mokwa
Universitätsprofessor Dr.rer.nat.Werner Karl Schomburg
Tag der mündlichen Prüfung:19.04.2013
Diese Dissertation ist auf den Internetseiten der Hochschulbibliothek online verfügbar.

The pure and simple truth is
rarely pure and never simple.
(O. Wilde)

Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung 1
1.1 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Zielsetzung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
2 Stand der Technik 5
2.1 Dehnungsmessstreifen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.2 Kraftsensoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.3 Kraftmessung in der Medizin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.3.1 Kraftmessung in Implantaten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.3.2 Intraoperative Kraftmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3 Theoretische Grundlagen 37
3.1 Elastizitätstheorie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.1.1 Elastizitätsgesetz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.2 Widerstand eines Leiters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.2.1 Der piezoresistive Effekt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.3 Metall-Halbleiter-Kontakte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.4 Dehnungsmessstreifen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
3.4.1 Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
3.4.2 Befestigung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
3.4.3 Abdeckmaterialien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
3.5 Auslesen von DMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
3.6 Kraft- und Momentensensoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3.6.1 Aufbau von Kraftsensoren. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
3.6.2 Aufbau eines einachsigen Kraftsensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
3.6.3 Aufbau von Kraftsensoren für mehrere Kraftkomponenten . . . . . . . 65
3.6.4 Kalibrierung von Kraftsensoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
4 Materialien und Methoden 69
4.1 Herstellungsprozesse der DMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
4.1.1 Herstellung der metallischen DMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
4.1.2 Herstellung der piezoresistiven DMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
i
4.2 Hergestellte Dehnungsmessstreifen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
4.2.1 Metallische Dehnungsmessstreifen und Sensorfolien . . . . . . . . . . 77
4.2.2 Piezoresistive Dehnungssensoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
4.3 Aufbau- und Verbindungstechnik. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
4.3.1 Metallische Dehnungsmessstreifen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
4.3.2 Piezoresistive Dehnungsmessstreifen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
5 Charakterisierung der Dehnungsmessstreifen 91
5.1 Versuchsbeschreibungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
5.1.1 Bestimmung des k-Faktors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
5.1.2 Bestimmung der Temperaturabhängigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . 97
5.1.3 Versuche zur Sterilisierbarkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
5.1.4 Metall-Halbleiter-Kontakte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
5.2 Ergebnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
5.2.1 Metallische Dehnungsmessstreifen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
5.2.2 Halbleiter-Dehnungsmessstreifen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
5.3 Auswertung und Interpretation der Ergebnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
5.3.1 Metallische DMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
5.3.2 Halbleiter-DMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
6 Anwendungen 119
6.1 Positionskorrektur beim automatisierten Fräsen von Knochenzement . . . . . 119
6.1.1 Modellbildung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
6.1.2 Sensorintegration am Fräserschaft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
6.1.3 Diskussion der Ergebnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
6.2 Sensorclip zur Kraftmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
6.2.1 Mechanischer Aufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
6.2.2 Sensorfolie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
6.2.3 Montage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
6.2.4 Charakterisierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
6.2.5 Zusammenfassung und Diskussion der Ergebnisse . . . . . . . . . . . 139
6.3 Universeller Kraft- und Momentensensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
6.3.1 Mechanischer Aufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
6.3.2 Sensorfolie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
6.3.3 Montage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
6.3.4 Charakterisierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
6.3.5 Diskussion der Ergebnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
ii
7 Zusammenfassung und Ausblick 149
7.1 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
7.2 Ausblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
Literaturverzeichnis 153
A Isotropiebedingungen 173
B Auswertungselektronik 175
B.1 Zielsetzungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
B.2 Hauptplatine. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
B.2.1 Spannungsversorgung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
B.2.2 Mikrocontroller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
B.2.3 Analog-Digital-Wandler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
B.2.4 Drahtlose Kommunikation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
B.2.5 Realisierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
B.3 Verstärkerplatine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
B.4 Mikrocontrollerprogramm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186
B.4.1 Serielle Kommunikation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186
B.4.2 Drahtlose serielle Schnittsstelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188
B.5 Schaltpläne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
B.5.1 Hauptplatine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
B.5.2 Verstärkerplatine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190
Abbildungsverzeichnis 195
Tabellenverzeichnis 197
Lebenslauf 199
Veröffentlichungen 201
Danksagung 203
iii

Abkürzungsverzeichnis
Au Gold
BOX buried oxide
CMP Chemisch-mechanisches Polieren
cTLM circular Transfer-Length-Method
DMS Dehnungsmessstreifen
DRIE Reaktive Ionentiefenätzen (deep reactive ion etching)
DUT Device under test
FEM Finite-Elemente-Methode
GPIB General Purpose Interface Bus (auch: General Purpose Instrumentation
Bus)
ITO Indium-Zinn-Oxid
KMS Kraft- und Momentensensor
KMS Kraft- und Momentensensor
MIC Minimalinvasive Chirurgie
MIRC Minimalinvasive robotische Chirurgie
PCM Pulse-Code-Modulation
PE Polyethylen
PEEK Polyetheretherketon
PI Polyimid
PIM Puls-Intervall-Modulation
Pt Platin
Si Silizium
SOI Silicon on Insulator
TCR Widerstandstemperaturkoeffizient
TEP Totale Endoprothese
THA total hip arthroplasty(vollständiges,künstliches Hüftgelenk)
Ti Titan
UHMWPE ultra-high molecular weight Polyethylen
v
a Temperaturkoeffizient des spezifischen Widerstandes
r
a linearer Ausdehnungskoeffizient
L
a Widerstandstemperaturkoeffizient
R
c Elekronenaffinität des Halbleiters
s
∆R Änderung des Ohm’schen Widerstandes
d Kronecker-Delta
ij
n Poissonzahl
ϕ Höhe der Schottky-Barriere
b
ϕ Austrittsarbeit eines Elektrons aus einem Metall
m
ϕ Austrittsarbeit eines Elektrons aus einem Halbleiter
s
p longitudinaler piezoresistiver Koeffizient
l
p transversaler piezoresistiver Koeffizient
t
p piezoresistive Koeffizienten
ij
Y F Q Eulerwinkel
, ,
s mechanische Spannung
s Fließgrenze der mechanischen Spannung
F
s Proportionalitätsgrenze der mechanischen Spannung
P
s Komponente des mechanischen Spannungstensors
ij
# mechanische Dehnung
# Längsdehnung
l
# Querdehnung
q
# Komponente des mechanischen Dehnungstensors
ij
# plastische Dehnung
Pl
ϱ spezifischer elektrischer Widerstand
J Temperatur
C Bridgman-Konstante
c Koeffizienten des mechanischen Spannungstensors
ijkl
E Elastizitätsmodul
E Energieniveau des Leitungsbandes
c
E Ferminiveau
F
E Energieniveau des Vakuums
vac
E Energieniveau des Valenzbandes
v
h ,l ,b Abmessungen des Messgitters eines DMS
g g g
I elektrischer Strom
j Komponente des Stromdichtevektors
i
k k-Faktor
k k-Faktorin Richtung der Längsdehnung#
l l
k k-Faktorin Richtung der Querdehnung#
q q
vi