DD268054A1 - Anordnung zur messung mechanischer kraefte - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine obengenannte Anordnung, die insbesondere im medizinisch, biologischen Bereich eingesetzt werden kann, um beispielsweise die Staerke von Muskelkontraktionen zu erfassen, sie ist jedoch auch auf vielen technischen Gebieten durch die leichte Variation der Messbereiche einsetzbar. Die wesentlichen Merkmale der Erfindung bestehen darin, dass das Wandlerelement, zwei DMS, mittels Polyurethangiessharz umhuellt ist, welches je nach gewuenschtem Arbeits-Empfindlichkeitsbereich in seinem Elastizitaetsmodul, z. B. durch Zumischen langkettiger Polyole veraendert ist. Es ist auch die Verwendung vorgefertigter Polyurethanharzplatten, die die DMS aufnehmen und ebenfalls mit gleichem Harz umhuellt sind, moeglich.

Description

Hierzu 1 Seite Zeichnung

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Messung mechanischer Kräfte, die insbesondere im biologische· Bereich einsetzbar ist, wo durch chronische Instrumentierung die Erfassung mechanischer Aktivitäten glattmuskulärer Organe notwendig ist.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Zur Messung mechanischer Kräfte ist es bekannt, Wandlerelemente einzusetzen, die bei ihrer Verformung elektrische Signale abgeben, die piezoelektrischen Wandler oder solche, deren Widerstand sich bei Beanspruchung ändert, also Piezowiderstandsmaterialion oder Dehnungsmeßstreifen (DMS). Die Anwendung dei DMS erfordert di« Aufkleben auf einen Träger der gleichzeitig Verformungskörper ist sowie eine ausreichende elektrische Isolation besitzt. Bei Verwendung metallischer bzw. elektrisch leitender Verformungskörpor ist in die Klebeschicht eine zusätzliche Isolierschicht einzubringen oder der Verformung&körper durch zusätzliches Aufschmelzen dünner Keramik- oder Metalloxidschichten zu isolieren. Diese Anordnung führt bei sprunghaften Be- bzw. Entlastungen zu zeitabhängigen Vorgängen zwischen Klebeschicht (Isolierschicht), Dehnmeßstreifen und Verformungskörpern, die als Kriechen bezeichnet werden Dabei sind Kriecherscheinungen zu unterscheiden, die durch den Verformungskörper, entsprechend des verwendeten Materials, durch die Klebeschicht, bei elektrisch leitenden Verformungskörporn durch die Isolierschicht sowie durch Wärmeauslauschvorgänge verursacht werden. Eine solche Kraftmeßdose, die aus zwei Teilen besteht und den DMS allseitig umschließend aufnimmt, ist z.B. aus DE-OS 2314181 bekannt. Der DMS ist auf ein dünnes Metallband geklebt und zwischen die beiden Teile geklemmt, die miteinander verschraubt, verklebt oder verschweißt sind. Diese Anordnung gewährleistet zwar einen ausreichenden Schutz gegen Umwelteinflüsse für den DMS₁ ebenso wie bei einer weiteren Lösung, bei der der DMS in einen Biegekörper angeordnet und durch eine Abdeckfolie, gleichen Werkstoffes hermetisch dicht du.xh Kleben, Löten oder Schweißen verschlossen ist (DE-OS 3043139), die vorgenannten Nachteile wirken jedoch voll auf Jas Meßergebnis. Es wurde auch bereits darauf geachtet, daß durch die hermetische Abdeckung des DMS keine Beeinträchtigung seiner Kennlinie erfolgt (DE-OS 3412 754). Dieses wird durch die Abdeckung mit einer Hülse und einer Gummidichtung erreicht. Bei Messungen im biologischer Objekt sind die durch Wärmeaustausch auftretenden thermischen Kriecherscheinungen zu vernachlässigen, da das Meßob'ekt selbst quasi ein Thermostat ibt. Bei Kriecherscheinungon durch das verwendete Material des Verformungskörpers sind dir günstigen mechanischen Eigenschaften von Metallen (insbesondere hochlegierte Cr-Ni-Stähle) unterhalb de." Elastizitätsgrenze gegenüber den wesentlich stärker kriechenden Kunststoffen hervorzuheben. Jedoch ist dann die zusätzliche Isolierschicht unerläßlich, die ihrerseits wiederum die Meßeigenschaften negativ beeinflussen kann.

Um Kriecherscheinungen der Bindeschicht zwischen Verformungskörper und Dehmeßstreifen möglich gering zu halten, sind erstens Klebstoffe mit sehr hohen Erweichungstemperaturen zu verwenden und zweitens die Schichtdicke von 1 pm nicht zu überschreiten. Bei der Isolierung des Wandlerelements gegen das umgebende Milieu is\ oei der Wahl des Materials zum einen auf die Stabilität beim längeren Verbleib im biologischen Objekt, zum anderen auf eine möglichst geringe Irritation des Meßobjektes Wert zu legen. Die bisher verwendeten Materialien waren Silikonkautschuk, Teflon und Polyethylen. Bei Messungen in verschiedi nen Bereichen der Technik (z. B. optimale Bemessung neuer Konstruktionen im Maschinen-, Fahrzeug-, Flugzeugbau oder aer Kontrolle i/nd Überwachung von Bauwerken, wie Hochhäuser, Brücken, Stahlkonstruktionen oder Staudämmen) sind diese hohen Anforderungen in bezug auf die Verarbeitung realisierbar. Für die Herstellung brauchbarer Wandlerolemente zur Messung im biologischen Objekt sind derartige Lösungen nicht zu übernehmen, weil eine physiologisch unbedenkliche Applikation auf diese Art und Weise nicht erreicht werden kann.

Für physiologisch unbedenkliche implantierbare Vorrichtungen wie Herzschrittmacher und ähnliche elektronisch arbeitende Vorrichtungen ist die Verwendung physiologisch unbedenklicher Plastformstoffe zur Isolation der Elektroden und Schaltungen geübte Praxis. Als solche gelangen Silikone, Polyurethane und speziell gereinigte Epoxidharze zur Anwendung. Auch Wandlerelemente mit Halbleiterdehnungsmeßstreifen werden unter Verwendung derartiger Plastmaterialien gefertigt. Wesentliches Kennzeichen derartiger Vorrichtungen ist die Verwendung nus Keramik, Edelstahl, Titan oder ähnlichem Material, auf den der DMS aufgebracht wird, z. B. durch Kleben (DE-OS ii· 16774). Es ist auch bekannt (DE-OS 1929478) Wandlerelemente in Kunstharz einzubetten, auf TrägermateriaUen wird quasi verzichte?, da die Wandler durch das Harz fixiert werden. Diese

Anordnung ist zur Bestimmung von Drehmomenten vorgesehen, wobei es notwendig ist, ei' ιβη Ring mit Meßzellen herzustellen ehren Koordinatinn einstellbar und fixierbar Ist. Dazu werden die Meßzellon auf einer Kunstharzscheibe, vorzugsweise einer Epoxydharzscheibe genau optisch ausgerichtet und in Harz eingebettet. Der Vorteil ist, daß ein großer Ring mit piezoelektrischen Eigenschaften herstellbar ist, bei dem geringere störende Q jerkräfte als bei einem Ring aus vollem !.'Merial und keine Fehlstellen auftreten, die das Meßergebnis beeinträchtigen. Für die Anbringung von Elektroden, Kraftübertragungsplatten u.a. ist jedoch noch eine Grundplatte aus Metall vorgesehen, in deren Aussparung die Kraftübertragungsplatte über ftingstücke eingeschweißt ist. Zur Isolation befindet sich zwischen der Kunstharzscheibe, in der die Piezoelemente fixiert sind und der Grundplatte eine Isolierscheibe. Ganz abgesehen davon, daß diese Ausführung nur für den Nachweis von Druckkomponenten geeignet ist, würde diese Konstruktion z.B. nicht im spazieilen Milieu bei der chronischen intrakorporalen Messung verwendbar sein. Dieses biologische Milieu besitzt einen komplexen elektrolytischen Charakter, enthält Mikro- als auch Makrophagen und ist damit, über lange Zeit gesehen, als außerordentlich aggressiv einzuschätzen. Bei e'ner mehr oder minder starken Diffusion, die insbesondere an den Grenzschichten zwischen Träger und Sensor ein mehrfaches üblicher Werte annimmt, ist auch die Stabilität des Halbleitermaterials als solches und damit des gesamten Sensors auf Grund der Veränderung des elektrischen Verhaltens nicht über lange Zeit gewährleistet. Die Verwendung von Piezoelementen ist außerdem ungeeignet. Sie kommen nur für die Messung von Drücken, also einer senkrecht zur Fläche angreifenden Kraft (Normalspannung), nicht aber zur Messung von Biegespannungen (Tangentialspannung) in Betracht. Nach dem Saint-Venantschem Prinzip ist zu fordern, daß die größte Ausdehnung der Krafteinleitungsflächen gegenüber ihrem minimalem Abstand möglichst groß ist. Bei Halbleiterdehnmeßstreifen mit einer Abmessung von 12 χ 0,5 χ 0,05 mm ist diese Forderung wesentlich besser erfüllt als bei piezoresir iven Widerstandsbrücken, die mit Abmessungen 3 χ 1 χ 0,015mm in handelsüblichen Miniaturdruckmeßwandlern enthalten sind.

Ziel der Erfindung

Dieses besteht darin, eine technologisch einfache und ökonomische Lösung zur Messung von Biegespannungskräften mittels einer den jeweiligen Kräften und uO. jeweiligen Größe des zu untersuchenden Objektes, z. B. der Muskulatur angepaßten Ausführung anzugeben.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zur Messung mechanischer Kräfte, vorzugsweise Biegespannungen zu schaffen, wo z. B. Halbleitor-DMS Anwendung finden, die nicht auf ein Trägermaterial mittels einer Haftschicht befestigt und damit langzeitstabil sind, die einen vollständigen hermetischen Abschluß sowie keine äußeren Grenzschichten besitzen und damit im Bereich der Human- und Veterinärmedizin einsetzbar sind und schließlich leicht für verschiedene Objekte und Meßbereiche herstellbar sind. Die Aufgabe wird in einer Anordnung zur Messung mechanischer Kräfte, die mittels eines Wandlerelementes, z. B. Halbleiter-DMS eine Biegung in auswertbare elektrische Signale umwandelt und dazu das Wandlerelement mechanisch fixiert und hermetisch abgeschlossen ist, dadurch erfindungsgemäß gelöst, daß das Wandlerelement mittels Polyurethangießharz umhüllt ist. Dabei erfolgt die gleichzeitige mechanische fließfreie Arretierung, die hermetische Abdichtung und es ist die Möglichkeit gegeben, je nach gewünschtem Arbeitsbereich den Elastizitätsmodul des Harzes zu verändern, z. B. durch Zumischen langkettiger Polyole, oder vorgefertigte Einlagen oder Unterlagen für den DMS mit zu umhüllen.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll nachstehend an Hand eines Ausführungsbeispieles und einer Figur näher erläutert werden. Die i'igur zeigt den Querschnitt durch ein Wandlerelement, welches zum Nachweis von Biegespannungen geeignet ist. Im Inneren befinden sich zwei handelsübliche DMS 1,2 aus p-dotiertem Silizium, die elektrisch in Reihe geschaltet und deren Anschlüsse 3 nach außon geführt sind. Sie realisieren die notwendige trägheitslose und hochempfindliche Kraft- ^v.iv/. Wegspannungsumsetzung, wenn sie als Wheatston'sche Widerstandsmeßbrüche geschaltet sind. Für verschiedene Meßaufgaben kann ein der zu erreichenden Empfindlichkeit angepaßter Elastizitätsmodul des die DMS 1,2 aufnehmenden Polyurethangießharzes eingestellt werden. Dabei ist es von wesentlicher Bedeutung, daß die Einbettung durch die Verwendung einer „Sandwich"-Technologie so erfolgt, daß daraus eine optimale Isolation der elektrisch leitenden Teile resultiert. Die dabei verwendeten Formteile 4,5 sind aus dem gleichen Polyurethangießharz hergestellt, wie die Umhüllung des DMS. Durch Variation der irr. Meßexperiment eingesetzten Fläche der Vorrichtung sind dann auch „integrierende" Messungen, die sich den verschiedenen mechanischen Abläufen anpassen !«ssen möglich, da eine nachträgliche Reduzierung der geometrischtn Abmessungen problemlos erfolgen kann. Die Herstellung eines solchen Wandlerelementes geschieht folgendermaßen: Auf einem'. mm starken ebenen Formteil 4 aus dem beschriebenen Polyurethangießharz werden zwei handelsübliche DMS1,2 mit einer flüssigen Gießharzmischung 6 locker fixiert und ein Ausschwimmen der DMS 1,2 durch Auflegen einer weiteren ebenen Polyurethanplatte aus gleichem Material, dem Formteil 5, verhindert. Nach dem Aushärten des Polyurethangießharzes 6 erhält man einen auch im wässrigen biologischen Milieu ausreichend isolierten Sensor, der mit den Abmessungen 19 χ 10 χ Ümm folgendes Meßverhalten zeigt.

Die (einseitige) Belastung des Sensors mit 9,2 kp ergibt eine Widerstandsänderung von 25 Ω, 18,4kp ergibt eine Widerstandsänderung von 60Ω.

Daraus läßt sich für das zu¹ Einbettung benutzte Harz ein Elastizitätsmodul von 15,5MPa errechnen. Weiterhin zeigt sich ein weitgehend linearer· Verhalten des Sensors. Verändert man den Hydroxylgehalt des im Beispiel verwendeten Polyols durch Zumischen eines difunktionellen Polyols mit dem Molekulargewicht 2090 auf 11,7% und verarbeitet das Polyurethan in der angegebenen Weise zu einem Sensor, so zeigen die Meßwerte die erhöhte Empfindlichkeit des erhaltenen Sensors an. Die (einseitige) Belastung des Sensors mit 7,3 kp führt zur Widerstandsänderung von 25Ω, 14,7kp ergeben eine Änderung von 50Ω.

'Auch hier ist eine weitgehende Linearität des Meßverhaltens gegeben. Bei dem berechneten Elastizitätsmodul von 13,9MPa ist also bei niedrigerer Kraftoinwirkung ein deutlich höherer Meßeffekt zu verzeichnen. Es ist also möglich, durch diese relotiv einfache Art und Weine oin breitos Spektrum von Ansprecheempfindlichkeiten für eine Anordnung zur Messung mechanischer Kräfte mittels gleicher Holbleiterdehnungsmeßstreifen herzustellen.

Claims (3)

1. Anordnung zur Messung mechanischer Kräfte, bei der mittels eines Wandlerelementes, z. B. eines Halbleiterdehnungsmeßstreifens mechanische Vorformung in auswertbare elektrische Signale umgewandelt wird und dazu das Wandlerelement innerhalb der Anordnung mechanisch fixiert und hermetisch abgeschlossen ist, gekennzeichnet dadurch, daß das Wandlerelement mittels Polyurethangießharzes umhüllt ist, welches je nach gewünschtem mechanischem Arbeitsbereich in seinem Elastizitätsmodul verändert ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Änderung dos Elastizitätsmoduls durch Zumischen langkettiger Polyole erfolgt.

3. Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß Halbleiterdehnungsmeßstreifen Anwendung finden, die vor dem Vergießen mit Polyurethangießharz zwischen zwei Platten aus gleichem Werkstoff wie der Umguß gebracht sind.