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Aufbau eines piezoresistiven Kraftmesselementes

Winterholler, Andreas :
Aufbau eines piezoresistiven Kraftmesselementes.
Technische Universität Darmstadt
[Haus-, Projekt- oder Studienarbeit], (2006)

Kurzbeschreibung (Abstract)

Zusammenfassung:

Der vorliegende Abschlussbericht beschreibt den Entwurf und Aufbau eines stark miniaturisierten piezoresistiven Kraftsensors. Der Sensor soll in die Spitze von Führungsdrähten der endovaskulären minimal invasiven Chirurgie integriert werden.

Diese Arbeit ist Teil des ”HapCath“-Projektes bei dem Kräfte an der Spitze des Führungsdrahtes gemessen und die Signale aus dem Körper geleitet werden. Außerhalb des Körpers werden die Signale aufbereitet und die gemessenen Kräfte verstärkt als haptische Information, über den Tastsinn dem Arzt übermittelt. Das Ziel dieses Projektes ist es eine Verbesserung der Sicherheit und der Effizienz minimal invasiver Behandlungsformen zu erreichen.

Zu Beginn wird eine Einführung in die Verwendung des Sensors gegeben. Die Anforderungen an das Messelement werden bestimmt. Unter Berücksichtigung dieser Anforderungen entstehen fünf Entwürfe des Messelementes.

Die für den Entwurf relevanten mechanischen Grundlagen werden in dieser Arbeit behandelt. Nach einer kurzen phänomenologischen Beschreibung des piezoresistiven Effektes und einer Darstellung der Funktionsweise der Wheatstone-Messbrücke, entstehen mehrere Entwürfe für die Realisierung.

Die Entwürfe werden durch Simulationen mit der Finiten- Elemente- Methode optimiert. Dabei wird zum Einen auf hohe Übertragungsfaktoren bei Krafteinwirkung aus axialer Richtung (Fz) geachtet, zum Anderen wird bei der Optimierung die Überlastfestigkeit eingestellt.

Für die Herstellung werden aus den entstandenen Entwürfen durch geeignete Bewertungsverfahren zwei Messelemente ausgewählt.

Anhand der Daten aus den Simulationen und den ermittelten Werten für die piezoresistiven Koeffizienten von Silizium, werden Werte für die Widerstandsänderung ermittelt und die Anordnung der Widerstände sowie der elektrischen Verschaltung auf dem mechanischen Wandler bestimmt.

Für den Aufbau der Messelemente werden geeignete mikrotechnische Verfahren ausgewählt und ein Prozessablauf aufgestellt. Die Eigenschaften der verwendeten Prozesse werden dargestellt. Die Fertigung der Messelemente erfolgt bis zu der elektrischen Kontaktierung der Messbrücke mit den Leiterbahnen. Am Ende der Arbeit, werden zu den durchgeführten Prozessschritten erste Ergebnisse dargestellt.

Typ des Eintrags: Haus-, Projekt- oder Studienarbeit
Erschienen: 2006
Autor(en): Winterholler, Andreas
Titel: Aufbau eines piezoresistiven Kraftmesselementes
Sprache: Deutsch
Kurzbeschreibung (Abstract):

Zusammenfassung:

Der vorliegende Abschlussbericht beschreibt den Entwurf und Aufbau eines stark miniaturisierten piezoresistiven Kraftsensors. Der Sensor soll in die Spitze von Führungsdrähten der endovaskulären minimal invasiven Chirurgie integriert werden.

Diese Arbeit ist Teil des ”HapCath“-Projektes bei dem Kräfte an der Spitze des Führungsdrahtes gemessen und die Signale aus dem Körper geleitet werden. Außerhalb des Körpers werden die Signale aufbereitet und die gemessenen Kräfte verstärkt als haptische Information, über den Tastsinn dem Arzt übermittelt. Das Ziel dieses Projektes ist es eine Verbesserung der Sicherheit und der Effizienz minimal invasiver Behandlungsformen zu erreichen.

Zu Beginn wird eine Einführung in die Verwendung des Sensors gegeben. Die Anforderungen an das Messelement werden bestimmt. Unter Berücksichtigung dieser Anforderungen entstehen fünf Entwürfe des Messelementes.

Die für den Entwurf relevanten mechanischen Grundlagen werden in dieser Arbeit behandelt. Nach einer kurzen phänomenologischen Beschreibung des piezoresistiven Effektes und einer Darstellung der Funktionsweise der Wheatstone-Messbrücke, entstehen mehrere Entwürfe für die Realisierung.

Die Entwürfe werden durch Simulationen mit der Finiten- Elemente- Methode optimiert. Dabei wird zum Einen auf hohe Übertragungsfaktoren bei Krafteinwirkung aus axialer Richtung (Fz) geachtet, zum Anderen wird bei der Optimierung die Überlastfestigkeit eingestellt.

Für die Herstellung werden aus den entstandenen Entwürfen durch geeignete Bewertungsverfahren zwei Messelemente ausgewählt.

Anhand der Daten aus den Simulationen und den ermittelten Werten für die piezoresistiven Koeffizienten von Silizium, werden Werte für die Widerstandsänderung ermittelt und die Anordnung der Widerstände sowie der elektrischen Verschaltung auf dem mechanischen Wandler bestimmt.

Für den Aufbau der Messelemente werden geeignete mikrotechnische Verfahren ausgewählt und ein Prozessablauf aufgestellt. Die Eigenschaften der verwendeten Prozesse werden dargestellt. Die Fertigung der Messelemente erfolgt bis zu der elektrischen Kontaktierung der Messbrücke mit den Leiterbahnen. Am Ende der Arbeit, werden zu den durchgeführten Prozessschritten erste Ergebnisse dargestellt.

Freie Schlagworte: Elektromechanische Konstruktionen, Mikro- und Feinwerktechnik, Ätzen nass-chemisch, Biegebalken, Biegeelement Berechnung, Dotieren durch thermische Diffusion, Dünnschichttechnologie, Kraftsensor piezoresistiv, Verhalten piezoresitiver Widerstände
Fachbereich(e)/-gebiet(e): Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik
Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik > Institut für Elektromechanische Konstruktionen
Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik > Institut für Elektromechanische Konstruktionen > Mess- und Sensortechnik
Hinterlegungsdatum: 31 Aug 2011 10:15
Zusätzliche Informationen:

EMK-spezifische Daten:

Lagerort Dokument: Archiv EMK, Kontakt über Sekretariate,

Bibliotheks-Sigel: 17/24 EMKS 1611

Art der Arbeit: Studienarbeit

Beginn Datum: 08-08-2005

Ende Datum: 02-02-2006

Querverweis: keiner

Studiengang: Elektrotechnik und Informationstechnik (ETiT)

Vertiefungsrichtung: Mikro- und Feinwerktechnik (MFT)

Abschluss: Diplom (MFT)

ID-Nummer: 17/24 EMKS 1611
Gutachter / Prüfer: Meiß, Dipl.-Ing. Thorsten ; Werthschützky, Prof. Dr.- Roland
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