TE Connectivity

„Kraftsensoren bieten viel zusätzlich nutzbares Potenzial“

| Redakteur: Peter Reinhardt

René Folle, TE Connectivity: „Unsere Kraftsensoren geben medizintechnischen Geräten eine noch höhere Funktionalität und steigern zudem deren Zuverlässigkeit.“
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René Folle, TE Connectivity: „Unsere Kraftsensoren geben medizintechnischen Geräten eine noch höhere Funktionalität und steigern zudem deren Zuverlässigkeit.“ (Bild: TE Connectivity)

Kraftsensoren sind Hidden Champions in medizinischen Geräten. Zu den wenigen Spezialisten, die diese Technologie anbieten, gehört TE Connectivity. Devicemed hat mit René Folle, Regional Sales Manager für den Medical Device Market, über die Vorteile und Einsatzmöglichkeiten gesprochen.

Obwohl sie in vielen sensiblen Anwendungen eine Schlüsselrolle spielen, sind Kraftsensoren eher wenig beachtete Talente in medizinischen Geräten. Woran liegt das?

Hier spielen verschiedene Faktoren eine Rolle. Zum Teil werden Kraftsensoren trotz ihrer technischen Vorzüge nicht näher betrachtet, weil mittlerweile überholte Vorstellungen von den Kosten solcher Sensoren existieren. Auch wird teils die wichtige Funktion der Sensoren als Teil von Gesamtsystemen unterschätzt. Zudem können mit einer intelligenten Signalauswertung viele Zusatznutzen jenseits des primären Verwendungszweckes realisiert werden. Gerade darin liegt zusätzliches Potenzial.

Was sind typische Anwendungen für piezoresistive Kraftsensoren?

Kraftsensoren werden in verschiedensten medizinischen Geräten verwendet. Am häufigsten findet man sie in Infusions- und Spritzenpumpen sowie in chirurgischen Werkzeugen. In Spritzenpumpen etwa tragen sie wesentlich dazu bei, Okklusionen zu erkennen. In chirurgischen Werkzeugen dienen sie zur Unterstützung der Chirurgen und zum Schutz der Patienten. Kraftsensoren sind also wesentliche Bestandteile der Schutzmechanismen in medizintechnischen Geräten.

Immer öfter werden auch Disposables mit aktiven Komponenten ausgestattet. Erfordert das nicht auch den Einsatz kostengünstiger Sensoren?

Disposables sind dank der einfachen Handhabung und ihrer hygienischen Vorteile in vielen Bereichen auf dem Vormarsch, müssen aber zugleich auch gehobenen technologischen Anforderungen genügen. Hier kommen viele unserer verschiedenen Sensortechnologien zum Einsatz, vor allem die Temperatur- und Drucksensorik. Aber auch für Kraftsensoren stellen wir zunehmend Interesse fest und sehen hier Potenzial für die Zukunft.

Und wie funktionieren piezoresistive Kraftsensoren?

Der piezoresistive Effekt ist in der Sensortechnik recht gängig. Ein gutes Beispiel ist unser FS20-Kleinkraftsensor, der als Standardprodukt häufig Ausgangspunkt für kundenspezifische Lösungen ist. Hier wird ein Lastaufnehmer auf der Oberseite der Zelle mit einer mechanischen Kraft beaufschlagt, die beispielsweise vom anstehenden Druck der Flüssigkeit in einer Pumpe herrührt. Der metallische Lastaufnehmer fungiert als Arbeitsfläche, die durch die Belastung ausgelenkt wird. Ein Dehnungsmessstreifen (DMS) auf Siliziumbasis ist auf der Unterseite des Lastaufnehmers befestigt und erzeugt mittels seiner Verformung und des piezoresistiven Effektes eine Veränderung des elektrischen Widerstandes. Diese Veränderung wird in einem IC (Integrated Circuit) ausgewertet und das Signal an den Ausgang weitergeleitet. Zudem werden Nullpunkt und Messbereich des Sensors normalisiert, um seine Austauschbarkeit zu gewährleisten, Temperatureinflüsse werden kompensiert. Im Ergebnis erhalten wir dann einen kostengünstigen Kraftsensor mit guten technischen Eigenschaften.

Haben Sie als Hersteller da noch Möglichkeiten zur Differenzierung?

Piezoresistive Technologien an sich sind weit verbreitet. TE Connectivity (TE) verfügt jedoch mit der Microfused-Technologie über einen besonderen Herstellungsprozess, der auch bei dem zuvor beschriebenen Kraftsensor Anwendung findet. Dieses Verfahren verlängert die Betriebslebensdauer der Sensoren und gibt ihnen zugleich eine wirtschaftliche Kostenstruktur. Die Technologie beruht auf der Mikrobearbeitung siliziumbasierter piezoresistiver DMS und deren Montage auf einem hochwertigen Edelstahlsubstrat mittels eines Hochtemperatur-Glassbonding-Prozesses. Aus diesem hoch ausgereiften und zuverlässigen Verfahren sind mittlerweile viele Millionen an Kraftsensoren hervorgegangen, die sich in unterschiedlichsten medizintechnischen Geräten bewähren.

Welches sind dabei die Vorteile für die Nutzer Ihrer Technologie?

Die Microfused-Technologie vermeidet die Nutzung alterungsempfindlicher organischer Epoxidharze, wie sie üblicherweise in konventionellen Druckmesszellen verwendet werden. Daher haben Kraftsensoren von TE eine ausgezeichnete Langzeitstabilität – sowohl beim Messbereich als auch bei der Nullpunktlage. Beides geht darauf zurück, dass mögliche Effekte durch Harzalterung entfallen.

Die Sensoren messen die Kraft unmittelbar und unterliegen deshalb keinen Ermüdungserscheinungen an elektrischen Verbindungsstellen, wie sie bei anderen Bauformen wie mit Silikongel gefüllten Druckmesszellen auftreten können. Da die Microfused-Technologie mit sehr geringen mechanischen Belastungen funktioniert, ist die Zahl der Arbeitszyklen nahezu unbegrenzt, die Auflösung ist sehr hoch, das Ausgangssignal wird sehr schnell erzeugt und die Überlasttoleranz ist sehr groß. Microfused-Sensoren erweisen sich daher in medizintechnischen Geräten als ausgesprochen robust und zuverlässig.

Viele Patienten und Anwender stören sich an Kabeln und Leitungen. Wie weit ist TE Connectivity auf dem Weg zur drahtlosen Kommunikation?

TE bietet seit vielen Jahren drahtlose Anwendungen. Wir arbeiten hier mit verschiedenen Ansätzen – je nach Anwendung und Anforderungen verwenden wir aber auch verbreitete Technologien wie Bluetooth. TE arbeitet schon seit geraumer Zeit eng mit Kunden an deren spezifischen Lösungen, um dem entsprechenden Marktbedarf gerecht zu werden. Zudem haben wir in unserer Sensorsparte eine Expertengruppe gebildet, die sich explizit mit der Entwicklung solcher Systeme befasst. Einige Beispiele waren bereits auf unserem Stand auf der Compamed im November 2015 zu sehen.

Mehr zum Thema Kraftsensoren finden Sie in einem Whitepaper unter www.devicemed.de.

Autor: René Folle ist Regional Sales Manager Medical Device Market bei TE Connectiviy.

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