Bei zahlreichen minimalinvasiven medizinischen Eingriffen besteht das Problem der fehlenden Kraftruckmeldung von der Instrumentenspitze. Dies gilt insbesondere fur die Katheterisierung des Herzens, bei der lange dunne Katheter und Fuhrungsdrahte in die Herzkranzgefase eingefuhrt werden. Die Kraft, die die Fuhrungsdrahtspitze auf die Gefase und Ablagerungen im Gefassystem ausubt, kann vom Mediziner nicht wie bei der offenen Operationstechnik gespurt werden. Ziel dieser Arbeit ist die Erforschung und Entwicklung geeigneter Moglichkeiten zur Integration einer Kraftmessfunktion in Fuhrungsdrahte fur Herzkatheterisierungen. Diese Arbeit bildet damit den Teil „Kraftsensorik“ im Projekt Haptic Catheter (HapCath), bei dem Krafte an der Fuhrungsdrahtspitze gemessen und mittels Aktoren dem Arzt verstarkt spurbar dargestellt werden.

Im ersten Teil der Arbeit werden Anforderungen an die Integration von Kraftsensoren in Fuhrungsdrahten abgeleitet. Durch Analyse der zukunftigen Anwendungsszenarien wird eine optimale Position zur Integration des Sensors im Draht festgelegt und Vorteile und Grenzen der Kraftmessung identifiziert. Besondere Anforderungen ergeben sich aus dem Bauraum von maximal 360 μm Durchmesser bei einer Lange von maximal 1mm sowie dem Einsatz im menschlichen Korper. Weitere wichtige Anforderungen sind die quasistatische Messung sowie die Signalerfassung bis zu einer Frequenz von 1 kHz zur adaquaten haptischen Darstellung von Oberflachen im Gefassystem.

Auf Basis der Anforderungen werden bekannte Sensorprinzipien auf ihre Miniaturisierbarkeit und Anwendbarkeit untersucht. Zur Integration in die Fuhrungsdrahtspitze erweisen sich resistive monolithische Silizium-Kraftsensoren zur Mehrkomponenten-Kraftmessung aufgrund der guten Miniaturisierbarkeit und robusten Signalubertragung als besonders geeignet.

Es erfolgt der Entwurf von zwei neuartigen piezoresistiven Sensoren fur unterschiedliche Fertigungstechnologien zur Mikro-Strukturgebung. Im Entwurf werden Kriterien zur gezielten Erzeugung mechanischer Spannungen analytisch und numerisch untersucht und die ermittelte
mechanische Spannungsverteilung zur optimalen Positionierung der Messwiderstande zur Erfassung eines Drei-Komponenten-Kraftvektors genutzt. Im Besonderen werden die Kriterien zur bestmoglichen Miniaturisierung von piezoresistiven Sensoren in Abhangigkeit der Fertigungstechnologien ermittelt.

Die Entwurfe werden umgesetzt. Dabei erfolgt eine spezielle Anpassung der Technologien Strukturatzen, Vereinzelung der Messelemente sowie Materialbeschaffenheit des Kontaktsystems durch Berechnungen und Vorversuche.

Zur Auswertung des Kraftvektors in Betrag und Richtung mit den hergestellten Kraftmesselementen werden Signalverarbeitungsalgorithmen entworfen, analysiert und implementiert. Ein neuartiger Ansatz ist die alternierende Beschaltung der Messelemente, die eine externe Auswertung des Kraftvektors mit einer minimalen Anzahl von Anschlussleitungen ermoglicht sowie die Auswertung der Einzelwiderstande einer geschlossenen Vollbrucke erlaubt. Aus den Grundlagen zur Signalverarbeitung wird ein neuartiges Konzept zur Signalgewinnung fur ein zukunftiges Sensorsystem mit auf dem Sensor integrierter Elektronik entworfen und in einen Herstellungsprozess uberfuhrt.

Zur Integration der Messelemente in den Fuhrungsdraht muss einerseits die elektrische Kontaktflache minimiert werden, andererseits mussen sehr lange, reisfeste, robust isolierte Drahte angeschlossen werden. Um diese Fragestellung zu losen, wird ein spezielles Kontaktierverfahren entwickelt, mit dem es gelingt, sehr definiert mikrostrukturierte Edelmetall-Kontaktbereiche an den Endflachen isolierter Kupferdrahte galvanisch abzuscheiden. Hierdurch wird es moglich, Messelemente stabil zu kontaktieren und mit Standardkomponenten von Fuhrungsdrahten erste Muster von sensorintegrierten Fuhrungsdrahten aufzubauen. Es werden weitere Moglichkeiten zur Optimierung des Fuhrungsdrahtaufbaus aufgezeigt und durchgefuhrt sowie ein Konzept zum biokompatiblen Packaging umgesetzt. 

Zur Verifizierung der Sensoreigenschaften wird ein Messplatz aufgebaut. Hierbei kann eine Referenzkraft in Betrag und Richtung erzeugt, geregelt und in das Mikro-Messelement eingekoppelt werden. Der Ablauf der Kalibrierung erfolgt automatisiert.

Zum Test der Fuhrungsdrahte mit integriertem Kraftsensor und zur Validierung des Konzeptes HapCath erfolgt der Aufbau der speziell angepassten externen Signalelektronik zur Auswertung der Kraftsensoren sowie zur Ansteuerung von Aktoren. Es wird ein einfaches haptisches Display entworfen und der taktile Fuhrungsdraht mit der Signalelektronik und dem haptischen Display erstmalig zum Assistenzsystem HapCath zusammengeschaltet. An einem Gefasmodell wird nachgewiesen, dass mit dem aufgebauten haptischen Fuhrungsdraht Aderabzweige sowie Ablagerungen und Hindernisse im Gefassystem haptisch dargestellt und damit erkannt werden konnen. Dies ermoglicht erstmalig eine intuitive Navigation des Drahtes im praktischen Versuch.

Als Gesamtergebnis werden in dieser Arbeit die kleinsten bekannten Kraftsensoren mit Abmessungen von 200 · 200 · 630 μm³ entworfen und gefertigt. Es wird der Nachweis erbracht, dass mit den Sensoren Krafte in Richtung und Amplitude mit einem Gesamtfehler < 6% ermittelt werden konnen. Bei uniaxialer Belastung sind Messfehler < 1,6% realisierbar. Die an die Sensoren gestellten Anforderungen werden erfullt. Es wird erstmalig der Nachweis der Nutzbarkeit des Gesamtsystems HapCath erbracht. Die gewonnenen Erkenntnisse konnen fur weitere mikrosensorische Fragestellungen genutzt und die entwickelten Bauteile direkt fur eine prototypische Entwicklung taktiler Fuhrungsdrahte verwendet werden. Der medizinische Nutzen kann auf Basis dieser Arbeit nun im Rahmen weiterer Studien untersucht werden.

Silizium-Mikro-Kraftsensoren für haptische Katheterisierungen: Entwurf, Musterbau und Signalverarbeitung sowie erste Validierung des Assistenzsystems HapCath

This paper presents different low-temperature and high-throughput LIGA-like processes for the batch fabrication of metal micro systems that use long nano- or microwires perpendicularly rising from a substrate. First, circuit paths and seed layers are fabricated applying standard UV lithography and PVD. Second, three lithography techniques are used, namely ion track lithography, enhanced UV lithography and aligned x-ray lithography, to structure 20–400 µm thick polymer films. Ion track lithography is only used to fabricate extremely high aspect ratio cylindrical pores with 0.1–1 µm diameter and 20–100 µm length. The aligned UV and x-ray lithographies are employed to structure templates for various micro system components. Third, these polymer templates are filled using low-temperature electroplating processes transferring the polymer openings into metal structures. Finally, the polymer is dry etched to release all metal structures. These structures are applicable in future accelerometers and gas flow sensors. Using five configurations to define five different functional structures, we demonstrate fabrication processes applying the three different types of lithography. The main aspects concern the combination of both standard lithography techniques and especially developed lithography techniques. Furthermore, these aspects comprise the use of structures created by lithography for high aspect ratio polymer templates and multilayer electroplating with varying aspect ratios. The growth in place of nanowire arrays and micropillars along with surrounding structures is the key feature for low-temperature large-scale micro-nano integration technology without harmful transfer technologies.

https://iopscience.iop.org/article/10.1088/0960-1317/23/2/025018/pdf

Fabrication techniques for multiscale 3D-MEMS with vertical metal micro- and nanowire integration

A ferrite loaded accelerating cavity with a frequency sweep of 18 to 40 MHz is studied for a possible upgrade of the CERN accelerator complex. The resonance frequency of a ferrite loaded cavity shifts by applying an external magnetic bias field to the ferrite material by means of changing the relative permeability. We present the electromagnetic design of such a cavity with a special emphasis on the modeling of the nonlinear, anisotropic and dispersive characteristics of the ferrite’s relative permeability above magnetic saturation. For experimental crosscheck, a ferrite loaded resonant test setup was built which provides results for the material performance in a magnetic bias field. A comparison of numerical simulations and experimental measurements is shown and calculations are benchmarked by measurement data. Based on this study a preliminary design of a ferrite loaded accelerating cavity is described.

Preliminary Design of a Perpendicular Biased Ferrite Loaded Accelerating Cavity

A perpendicular biased ferrite loaded accelerating cavity is studied for a possible upgrade of the CERN accelerator complex which could help to overcome the intensity limitations occurring at the SPS injection. The required accelerating cavity should cover a frequency range of 18 to 40 MHz with high cavity Q, which poses high demands on the ferrite material properties. A test setup is presented to measure the relative permeability and magnetic losses of full scale ferrite garnets (350 mm outer and 200 mm inner diameter) in a magnetic bias field within the frequency range of interest. An one-port reflection measurement provides adequate input to model the relative permeability of the ferrite in numerical simulations for different magnetic bias fields. A resonant measurement setup was used to cross-check simulation results with measurement data and to investigate the magnetic losses of the ferrite material. A numerical model of a simplified accelerating cavity is used to study the capability of the garnet G-510 as a perpendicular biased tuning ferrite.

/pdf/ferrite-characterization-for-the-design-of-an-accelerating-2vzjk5u9qm.pdf

Ferrite Characterization for the Design of an Accelerating Cavity With Perpendicular Biasing

Micro- and nanowires with high aspect ratios, arranged as slim and tall standing metal pillars offer promising features for microsystems [1–7]. The goals are: 

- 1st fabrication of high aspect ratio out of plane metal wires next to low aspect ratio blocks, 

- 2nd multilayer material link of these metal structures (one wire + two metal blocks), 

- 3rd realization and characterization of an acceleration sensor applying these structures. The KNMF services refer to the fabrication of templates made by aligned X-ray lithography. The high aspect ratio templates provide vertical cylindrical holes with aspect ratios from 16 to 33 
next to template openings with low aspect ratios (Fig. 1 d). The remaining process steps are to be processed at Technische Universitat Darmstadt (TUD). Results from KNMF 2010-004-000365 proposal are shown in Tab. 1.


Two main issues still remain before the MEMS can prove to work as an inertial sensor: 

a) The structures (columns) on the X-ray exposure mask are approximately 1 µm smaller than designed. Therefore, the vertical wire is less robust and buckles (Tab. 1 b, c). Hence, the mass load has to be reduced and the process steps in Fig. 1 g have to be designed for a better wire protection. The mass load reduction can be achieved by a reduced electroforming height in Fig. 1 f. The process steps can more efficiently protect the wire, if the seed layer is designed differently. The connection from the bottom circuit path to the top of the sacrificial SU-8 3005 layer currently runs at the outer edges of the mass block 
(Fig. 2 a). There, it has to be wet etched for an efficient removal of the sacrificial layer. This step can be omitted, if the connection from the circuit path to the seed layer runs at the inner edges of the mass block (Fig. 2 a). The inner connection offers enough flexibility for the movement of the metal blocks when measuring acceleration. 

b) The electrodeposition shows to be inhomogeneous due to the design of the circuit path layer. The circuit path layer shows substantial resistances and it delivers the 
electrodeposition current. A layer redesign including local thickening can solve this problem (Fig. 2 b). 

Both improvements shown in Fig. 2 have been successfully implemented in a similar UV lithography approach at TUD [2–4], [7] and are scheduled in the KNMF proposal 2012-008-
000970.

Acknowledgements 

The aligned X-ray exposures in the KNMF proposal 2010-004-000365 done by F J Pantenburg and P Meyer are greatly acknowledged.

References 

[1] P. F. Greiner, J. Eberhardt, and H. F. Schlaak, “Metallic Micro Nails MAde by direct LiG process - MiNiMAL,” in Proceedings of the 2nd KNMF User Meeting, Karlsruhe, 2010, p. 69.

[2] P. F. Greiner and H. F. Schlaak, “High Aspect Ratio Metal Nano and Micro Pillars as Suspension Elements in MEMS,” in 9th International Workshop on High Aspect Ratio Micro Structure Technology, HsinChu, Taiwan, 2011, pp. 53–54. 

[3] F. Greiner, J. Eberhardt, and H. F. Schlaak, “Senkrechte metallische Nano- und Mikrodrahte mit hohem Aspektverhaltnis als neuartige Federelemente in Mikrosystemen - Vertical High Aspect Ratio Nano and Micro Wires as Novel Suspension Elements in MEMS,” in Proceedings of the Mikrosystemtechnik Kongress 2011, Berlin, Offenbach, 2011, pp. 328–331. 

[4] F. Greiner and H. Schlaak, “High aspect ratio metal micro and nano pillars for minimal footprint MEMS suspension,” Microsystem Technologies, pp. 1–7, 2012. 

[5] J. J. Schneider, H. F. Schlaak, D. Pavlidis, F. Kuppers, and W. Ensinger, “Elektromechanische Sensoren mit eindimensionalen Nanoobjekten - ELEMENT, FKZ 16SV5475,” Berlin, 18-Jun-2012. 

[6] F. Dassinger, M. Hottes, F. Greiner, H. F. Schlaak, and W. Ensinger, “Mikro-Nano-Integration fur die Inertialsensorik,” Sensor Magazin, vol. 27, no. 3, p. 24, Sep-2012. 

[7] F. Greiner, S. Quednau, F. Dassinger, R. Sarwar, H. F. Schlaak, M. Guttmann, and P. Meyer, “Fabrication techniques of multiscale 3D-MEMS with vertical metal micro- and nanowire integration,” J. Micromech. Microeng., submitted, 2012.

/pdf/out-of-plane-high-aspect-ratio-micro-wires-as-suspension-4y8am3csbl.pdf

Out of Plane High Aspect Ratio Micro Wires as Suspension Elements in Inertial Sensors

During the development of ferrite-loaded accelerating cavities, the electromagnetic properties of the dispersive ferrite material need to be known. We describe a coaxial short-circuit measurement technique to measure the complex permeability of toroidal-shaped samples (127mm outer and 70mm inner diameter) that are exposed to an external magnetic bias field. The external magnetic bias field is applied perpendicular to the RF magnetic field. With this method it is possible to characterize the frequency dependence of the permeability for a frequency range of 1100MHz. The dependence of the permeability on the external magnetic bias is presented for the ferrite G-510 from Trans-Tech Inc. and the material characterization is shown in the same frequency range. The measurement results are verified by simulations of the measurement set-up.

/pdf/ferrite-material-characterization-in-a-static-bias-field-for-2jen8tnicr.pdf

Ferrite Material Characterization in a Static Bias Field for the Design of a Tunable Cavity

Metallic Micro Nails MAde by direct LiG process – MiNiMAL

Zusammenfassung: Am Institut fur Elektromechanische Konstruktionen der TU Darmstadt werden im Rahmen des Projektes HapCath - haptischer Katheter - neuartige, miniaturisierte piezoresistive Dreikomponenten-Kraftsensoren entwickelt. Das HapCath System ist ein Assistenzsystem, das dem Arzt wahrend der Herzkatheterisierung die auf das vordere im Korper befindliche Ende eines Fuhrungsdrahtes wirkende Kraft haptisch mitteilt. Dazu wird am vorderen Ende des Fuhrungsdrahtes ein miniaturisierter Kraftsensor integriert, um die Kraft des Fuhrungsdrahtes auf die Gefaswand zu messen. Die vorliegende Arbeit beschreibt die Kalibrierung dieser Sensoren. Dazu wird ein Gerat erweitert, mit dem der am Fuhrungsdraht integrierte, kontaktierte und gehauste Sensor fixiert und mit definierten Kraften beaufschlagt werden kann. Auserdem werden aus der Literatur Methoden zum Kalibrieren von Kraftsensoren zusammengetragen und auf den Kraftsensor angepasst. Des Weiteren wird ein Versuchsablauf auf Basis von bestehenden Normen zum Kalibrieren von Kraftmessgeraten entwickelt. Zur Krafteinkopplung in das Sensorelement wird ein 1D-Kraftmessplatz in Betrieb genommen und erweitert. Es wird eine Sensorhalterung entwickelt, mit der der Sensor fixiert werden kann und seine Position so einstellbar ist, dass mit einer vertikalen Krafteinleitung das komplette Krafteinkopplungsfeld des Sensors abgedeckt wird. Um den Aufwand zum Nachpositionieren bei Justage der Winkel zu minimieren, befindet sich der Sensor im Drehzentrum der Halterung. Mit dieser Halterung kann die Lage des Sensors in kontinuierlichen Schritten uber drei Schrauben fixiert und uber zwei Skalen abgelesen werden. Zum Bestimmen der Kalibriermatrix werden neben den beiden konventionellen Methoden Festpunkteinstellung (FPE) und Toleranzbandmethode (TBM) die Shape-From-Motion-Methode (SFMM) auf ihren zeitlichen Aufwand und ihre Genauigkeit hin untersucht. Tab: Bewertung der Kalibrierungsmethoden 

* Methode: FPE.....TBM....SFMM 

* Anzahl Messungen:.....4 7........2 

* Genauigkeit: 
gering...hoch....hoch Die SFMM zeichnet sich gegenuber der TBM durch eine hohe Genauigkeit aus. Daruber hinaus weist sie eine zeitlich geringeren Aufwand zur Kalibrierung als die FPE auf. Damit vereinigt sie die beiden Vorteile der konventionellen Methoden. Die SFMM bietet die Moglichkeit, durch eine hohe Anzahl von Messungen eine Kalibriermatrix mit hoher Genauigkeit zu ermitteln und diese bei der Kalibrierung von baugleichen Sensoren als a priori Wissen anzuwenden. Damit konnen weitere Sensoren durch eine Messung zum Nullpunktabgleich und einer zum Rotieren und Skalieren der vorher bestimmten Kalibriermatrix kalibriert werden. Allerdings konnte die Implementierung fur die SFMM nur fur den zweidimensionalen Fall abgeschlossen werden. Diese Arbeit gibt einen Ausblick, inwiefern ein Kompromiss zwischen einer hohen Genauigkeit und einem geringen zeitlichen Aufwand der Kalibrierung erreicht wird. Auf Grund von technologischen Schwierigkeiten beim Aufbau der Kraftsensoren, die fur diese Arbeit bereitgestellt werden sollten, findet die Verifizierung der FPE und TBM anhand einer elektromechanischen Sensorsimulation statt.

Kalibrierung von minaturisierten Drei-Komponenten-Kraftsensoren

Handle everyday research tasks with reliable, citation-backed results

Your personal Research Agent to handle research tasks with citation-backed results

Popular Tasks used by Researchers

How can I help with your research?

Meet SciSpace

Get more enhanced response by uploading the PDFs you want me to reference.

No relevant PDFs in your library

SciSpace is the AI research assistant for academics. Run systematic literature reviews on 280M+ papers, and write papers with cited sources. Trusted by 1M+ students, PhDs & researchers.

SciSpace | AI for Research

Analyze PDFs

Code & Manuscripts

Funding & Grants

Literature & Patents

Medical & Clinical Data

Systematic Review

Visualize & Present

Web & Data

Build a Google Scholar-like website for your research.

Build a website

Create charts and images for your research

Create a Chart

Write a paper for submission to a journal

Draft a manuscript

Patent Search

Design eye-catching scientific posters in minutes.

Scientific Poster Generation

Systematic Literature Review

One task is running at the moment. Your messages will be shown right after.

Drag and drop or click here to browse

Loved by <highlight>1 million+</highlight> researchers

Extract a list of specific topics and their sources from unstructured text

Topics

Compare and analyze relevant papers that matches with your search

Papers

Get insights from PDFs and bookmarked papers from your library

My library

Recent searches

Try searching for:

Catch AI-generated content in scholarly and non-scholarly content

{ai} Detector

Ai Writer

Get PDF Summaries, highlighted text explanations 

Chat with PDF

Effortlessly create in-text citations and bibliographies in APA and 2,500 other formats

Citation generator

Get explanations, summaries, and answers on academic papers

Ease up your research workflow with {scispace}'s cohort of exciting AI tools

Elevate your academic writing skills and convey your ideas the way you want

Paraphraser

Explore our range of reading and writing tools

Your file is being prepared and should be ready in a few minutes. If it's a large file, it might take a bit longer. You can close this window, and we'll email you the file when it's done.

You have reached a maximum limit of <strong>{limit}</strong> columns in the table. Remove at least <strong>1</strong> column to add or create another one.

Johannes Eberhardt

Author Tools

Chat about Author

Papers

Ferrite Material Characterization in a Static Bias Field for the Design of a Tunable Cavity

Metallic Micro Nails MAde by direct LiG process – MiNiMAL

Preliminary Design of a Perpendicular Biased Ferrite Loaded Accelerating Cavity

Kalibrierung von minaturisierten Drei-Komponenten-Kraftsensoren