Stretchable sensor array patch for respiratory monitoring
A foil-based stretchable 6x6 sensor array patch with a sensing area of approx. 30 x 30 mm is presented, which is able to measure its own bending deformation at 36 local points by means of integrated sensors (each composed of four gold strain gauges in a Wheatstone bridge configuration). To suppress sensor response to foil stretching and increase bending sensitivity, a doublesided sensor design with strain gauges located on both sides of a thin polyimide foil (spin-on) is introduced. A purely flexible sensor array foil with a thickness of less than 20 μm is produced by microfabrication steps such as sputter deposition and photolithographic structuring. Stretchability can be achieved by laser-cutting of small sensor islands connected via meandershaped electrical wires, and subsequent embedding in an elastic 400 μm thin PDMS matrix, resulting in a conformable and skin-friendly sensor patch.
The mainly targeted application for the presented sensor is the respiratory monitoring of premature infants. The idea is to place the patch on a skin area between chest and abdomen in order to measure the typical oscillating deformations caused by breathing. The sensor signal can then be used to trigger the respiration device and for time-dependent reconstruction of the body surface in order to serve as a diagnostic tool.
In experiments with a mechanical setup imitating breathing, specially developed algorithms could detect trigger points with a delay of less than 80 ms (± 22 ms) compared to the ventilation pressure stimulus peak and resume detection within 2-3 seconds after external disturbances have been applied. Implemented algorithms for surface reconstruction provided results with an almost perfect match between forced foil deformation and the reconstructed foil shape when bending around one axis.
In this thesis the entire system including bending measurement fundamentals, sensor design, materials used, microfabrication, mechanical and electrical sensor characterization as well as the configuration of the evaluation electronics is described in detail after state of the art regarding flexible/stretchable systems and the targeted applications is discussed.
Es wird ein folienbasiertes dehnbares 6x6-Sensor-Array-Patch mit einer Sensorfläche von ca. 30 x 30 mm vorgestellt, das seine eigene Biegeverformung an 36 lokalen Punkten mittels integrierter Sensoren (jeweils bestehend aus vier Gold-DMS in Wheatstone-Brückenkonfiguration) messen kann. Um das Sensoransprechen auf Foliendehnung zu unterdrücken und die Biegeempfindlichkeit zu erhöhen, wird ein doppelseitiges Sensordesign mit Dehnungssensoren auf beiden Seiten einer dünnen Polyimidfolie (spin-on) vorgestellt. Eine rein flexible Sensor-Array-Folie (Dicke < 20 μm) wird mit Hilfe mikrotechnischer Fertigungsverfahren (Sputterdeposition, Photolithographie, etc.) hergestellt. Dehnbarkeit wird erreicht, indem zunächst kleine Sensorinseln, die über mäanderförmige elektrische Leitungen verbunden sind, mittels Laser ausgeschnitten und in eine elastische PDMS-Matrix eingebettet werden, wodurch ein dehnbares und hautfreundliches Sensor-Patch entsteht (Dicke ≈ 400 μm).
Haupteinsatzgebiet des Sensors soll die Atmungsüberwachung bei Frühgeborenen sein. Die Idee ist, den Patch zwischen Brust und Bauch zu platzieren, um die typischen oszillierenden Deformationen zu messen, die durch die Atmung verursacht werden. Diese Informationen sollen dann zur Triggerung des Beatmungsgerätes und zur zeitabhängigen Rekonstruktion der Körperoberfläche als diagnostisches Instrument genutzt werden.
In Experimenten mit einem mechanischen Aufbau, der die Atmung imitiert, konnten speziell entwickelte Algorithmen Triggerpunkte mit einer Verzögerung von weniger als 80 ms (± 22 ms) gegenüber dem Beatmungsdruckspitzenwert
erkennen und die Detektion innerhalb von 2-3 Sekunden nach Anlegen externer Störungen wieder aufnehmen. Implementierte Algorithmen zur Oberflächenrekonstruktion lieferten Ergebnisse mit einer nahezu perfekten Übereinstimmung zwischen erzwungener Folienverformung und der rekonstruierten Folienform beim Biegen um eine Achse.
In dieser Arbeit wird das gesamte System einschließlich der Grundlagen der Biegemessung, des Sensordesigns, der verwendeten Materialien, der Mikrofertigung, der mechanischen und elektrischen Sensorcharakterisierung sowie der Konfiguration der Auswerteelektronik nach dem Stand der Technik hinsichtlich flexibler/dehnbarer Systeme und der angestrebten Anwendungen detailliert beschrieben.
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