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000229156 1001_ $$0P:(DE-82)018450$$aNolten, Ulrich$$b0$$eAuthor
000229156 245__ $$aEntwicklung und Charakterisierung dehnungsbasierter Kraft- und Momentensensoren für medizinische Anwendungen$$cvorgelegt von Ulrich Nolten$$honline, print
000229156 246_3 $$aDevelopment and characterization of strain-gauge based force and torque sensors for medical applications$$yEnglish
000229156 260__ $$aAachen$$bPublikationsserver der RWTH Aachen University$$c2013
000229156 300__ $$aVII, 203 S. : Ill., graph. Darst.
000229156 3367_ $$0PUB:(DE-HGF)11$$2PUB:(DE-HGF)$$aDissertation / PhD Thesis$$bphd$$mphd
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000229156 5203_ $$aKraft- 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.$$lger
000229156 520__ $$aForce and torque sensors are widely used in robotics today. But in medicine, many surgeons rather rely on their own senses than on sensors. But also in this field – especially in orthopedics – these sensors can assist the surgeon. Fields of application are the long-term measurement of loads in implants and the intra-operational measurement of forces and torques. Force and torque sensor are based on the following working principle: the elastic deformation of a structure caused by external forces or torques is measured. Therefore, the strain on the surface of the structure is measured with strain gauges. During this work, platinum strain gauges were manufactured and characterized for different applications. Multiple strain gauges were additionally grouped on sensor foils and were combined to form measurement circuits. Moreover, the strain gauges on the sensor foils can be aligned more precisely to each other than single strain gauges. Application-specific sensor foils therefore help to meet the demands of the measurement task in the best possible way. The miniaturized strain gauges for the sensor foil were produced on a polyimide substrate. They have a gauge factor of k = 3 and show a linear temperature coefficient of a = 2.5 • 10-3 K-1. The metal resistor has a length of 1.23 mm and a width of 0.84 mm. Furthermore a special assembly technique for the strain gauges was developed. Additionally, the sensors can be sterilized with hot steam for 30 times. Sensor foils for three different applications were developed and tested. In the first application, a 190 mm long milling tool for the removal of femoral bone cement in revision total hip replacement was realized. A sensor foil on the shaft measured the deformation of the tool in reaction to the milling forces. This information can be used for position correction in navigated surgery. The second application is a sensor clip for uniaxial force measurement on surgical tools. The sensor clip can be attached on various instruments with a quick mount. The sensor clip allows it to measure intra-operational forces acting on the instrument. The sensor clip is capable of measuring forces reproducibly. This was shown on test structures. The third application is a universal force and torque sensor. With this sensor it is possible to measure forces in all spatial directions and also measure the torques around the axes. The working principle of this sensor was shown. Besides the platinum strain gauges, piezoresistive silicon strain gauges were designed and manufactured. The piezoresistors were structured by reactive ion etching of the 2 µm thick device layer of a SOI wafer. By this method, the resistor is fully isolated by the buried oxide and the surrounding air. Ultrasonic flip-chip bonding connects the sensors with gold stud bumps to a flexible circuit board. On these circuit boards, the piezoresistive strain gauges can be connected to sensor foils again. The piezoresistive sensors have a gauge factor of k = 70 and a temperature coefficient of a = 3.6 • 10-3 K-1.$$leng
000229156 591__ $$aGermany
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000229156 650_7 $$2SWD$$aDehnungsmessstreifen
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000229156 7001_ $$0P:(DE-82)000506$$aMokwa,Wilfried$$b1$$eThesis advisor
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