Inhärente, silikonbasierte Sensorelemente für aktiv-verformbare, hydraulisch-aktuierte Medizinprodukte, Akva-Med(Sense)
Mikrosysteme
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Ziel dieses Projektes war die grundlegende Erforschung nachgiebiger Sensorelemente aus leitfähigem Silikon und die Bestimmung derer Grenzen und Möglichkeiten in ihrer Anwendung für medizintechnische Instrumentarien. Die Untersuchungen haben gezeigt, dass es gelingt inhärente, silikonbasierte kapazitive Sensorelemente zur quantitativen Auswertung von Druckkräften aufzubauen. Diese können zur Erweiterung der Funktionen (Multifunktionalität) von nachgiebigen auf Silikon basierten Systemen verwendet werden. Die elektrischen Auswertungsschaltkreise begrenzen derzeit die Auswertung von Kapazitätsänderungen von Sensoren im zweistelligen Pikobereich (Empfehlung der Autoren). Ein Einsatz in medizintechnischen Instrumentarien hier am Beispiel eines Elektrodenträgers für Cochlea Implantate ist aufgrund der Größenabmessung dieser derzeit nicht möglich. Gegenüber dem gegenwärtigen Stand der Forschung leistet das Vorhaben infolge des Projektes folgende Beiträge: - Entwicklung eines Ablaufschemas der Methode zur Materialkennwertermittlung für die quantitative Eigenschaftsbestimmung nachgiebiger silikonbasierter Systeme, - Einführung zweier neuer Größen zur Beurteilung der Berücksichtigung des Mullineffektes: volumenbezogene mittlere Dehnung und volumenbezogene mittlere Spannungserweichung, - Entwicklung einer Methode zur Bestimmung der drei Mullinparameter, r, m und ß, für das modifizierte Ogden-Roxburgh Modell aus experimentellen Versuchsdaten, - Entwicklung eines Herstellungsprozesses für planare kapazitive silikonbasierte Sensoren mit einer Dielektrikumsdicke von 20 Mikrometer, - Entwicklung einer Auswerteelektronik zur stufenweisen, quantitativen Erfassung von Druckkräften, - Entwicklung einer FE-basierten Methode zum Vergleich von Sensoranordnungen, - Entwicklung zweier FE-Modelle zur Nachbildung des Insertionsprozesses von geraden und vorgekrümmten aktuierbaren Elektrodenträgern, - Erweiterung des Insertionsprüfstandes für eine automatisierte Insertion von im Ausgangszustand geraden aktuierbaren Elektrodenträgern, - Durchführung von automatisierten Insertionen von aktuierbaren Elektrodenträgern im Maßstab 3:1, - Validierung der Funktionsfähigkeit beider Aktuatorformen [Zen17, Zen19a], - Nachweis zur Reduzierung der Insertionskräfte (Faktor 8.5) und Vergrößerung des Insertionswinkels (Faktor 1.9) bei Insertionen von geraden, "aktuierbaren" Elektrodenträgern im Maßstab 3:1 und - Aufbau zweier Funktionsmodelle: I) sensorisierte Oberfläche in Form eines 4x4 Sensorarray zur quantitativen Druckkrafterfassung und -anzeige; II) Sensormodul für stufenweise quantitative Erfassung und Anzeige von Druckkräften. Anknüpfend an das von der DFG geförderte Projekt existiert aus Sicht der Antragsteller zusätzlicher Forschungsbedarf bei der Erforschung von Fertigungstechnologien zur Herstellung von silikonbasierten kapazitiven Sensoren. Hierbei sollte einerseits der Schwerpunkt auf der Erhöhung der Kapazität bei gleichzeitiger Verringerung des Gesamtbauraums durch: - Verringerung der Dielektrikumsdicke der nicht elektrisch leitenden Präzisionsfolien aus Silikon auf 1 Mikrometer (verwendete Dicke im Projekt: 20 Mikrometer, kommerziell erhältlich: 10 Mikrometer, Stand Q3/2020), - Verringerung der benötigten Elektrodendicke aus elektrisch leitenden Silikonen auf 0.1 mm (verwendete Dicke im Projekt 0.4 mm) und - Herstellung von 3D-Kondensatorformen (bspw. Wickelkondensatoren) liegen und andererseits auf einer automatisierten, nicht manuellen Herstellung.
