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Flexible mikroelektromechanische Implantate für den chronischen Einsatz : Verkapselungskonzepte und Testverfahren für die Materialcharakterisierung

Betz, Wolfgang

Der Einsatz von elektrisch aktiven medizinischen Implantaten, wie Herzschrittmachern oder Cochleaimplantaten, trägt dazu bei, die Lebensqualität von vielen Menschen erheblich zu verbessern. Die Verkapselung dieser Implantate erfolgt durch massive und voluminöse Gehäuse aus Titan oder Keramik. Diese erlauben es nicht, die durch die fortschreitende Miniaturisierung von Halbleitern und Sensoren entstehenden Vorteile zu nutzen. In dieser Arbeit wird eine Hypothese vorgestellt, die die Mindestanforderungen für die erfolgreiche Verkapselung von Implantaten beschreibt. Auf Grundlage der Hypothese entsteht ein neues auf Dünnfilmen und Polymeren basierendes Konzept, das es erlaubt Implantate mechanisch flexibel zu verkapseln. Es werden verschiedene Testverfahren vorgestellt, die zum einen die Hypothese verifizieren und zum anderen prüfen ob ein Material die Anforderungen der Hypothese erfüllt. Von den untersuchten Materialien hat sich Siliziumnitrid und Siliziumoxid als ungeeignet für die Verkapselung erwiesen, während Tantalpentoxid, ein Nanolaminat aus Aluminium- und Zirkonoxid sowie Silikon gute Ergebnisse zeigten. Exemplarisch wurde eine Verkapselung aus den erfolgreich getesteten Materialien Tantalpentoxid und Silikon an einem kapazitiven Drucksensor untersucht. Die Ergebnisse der beschleunigten Alterung des Sensors zeigten nur geringe Auswirkungen auf dessen Kennlinie und lassen für die menschliche Körpertemperatur von 37 °C auf eine mindestens zehnjährige Lebensdauer des Sensors schließen. Das anhand der Hypothese erarbeite Verkapselungskonzept hat sich im Zusammenspiel mit den Testverfahren für die Auswahl der Verkapselungsmaterialien als erfolgreich erwiesen. Seine Anwendung für die Verkapselung von flexiblen Implantaten ist daher sehr vielversprechend.

The use of electrical active implants like pacemakers or cochlear implants enhances the quality of life for many people considerably. The encapsulation of these implants is based on massive and bulky housings made of ceramics or titanium. These don’t allow to benefit from the advances created by the proceeding miniaturization of sensors and semiconductors. In this thesis a hypothesis is presented that describes the minimum requirements for the successful encapsulation of implants. Based on this hypothesis a new concept is created that uses thin films and polymers for the mechanical flexible encapsulation of implants. Various test procedures are presented that verify the hypothesis on the one hand and analyze whether a material fulfills the requirements of the hypothesis on the other hand. With respect to the materials being characterized, silicon nitride and silicon oxide turned out to be inapplicable for encapsulation while tantalum pentoxide, a zirconia-alumina nanolaminate and silicone showed good results. Exemplarily, an encapsulation made of the successfully tested materials tantalum pentoxide and silicone was applied to a capacitive pressure sensor and characterized. The results for the accelerated aging of the sensor revealed only minor effects on its characteristic and indicate a at least decennial lifetime of the sensor at the human body temperature of 37 °C. The encapsulation concept, developed by means of the hypothesis, has proven to be successful in combination with the test procedures for selecting encapsulation materials. Its application for the encapsulation of flexible implants is thus very promising.

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Betz, Wolfgang: Flexible mikroelektromechanische Implantate für den chronischen Einsatz. Verkapselungskonzepte und Testverfahren für die Materialcharakterisierung. 2011.

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