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
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