Evaluation und Bewertung neuartiger Bearbeitungs- und Kontaktierungsverfahren für vergrabene Strukturen in medizinischen Kathetern

Abstract

In der vorliegenden Arbeit wird ein neuartiger, multifunktionaler Katheter mit Sensorfunktion entwickelt und charakterisiert. Zunächst wird der aktuelle Stand der Technik mit den Anforderungen an die Mikroelektronik, der Medizintechnik und den miniaturisierten Instrumenten und Werkzeugen in medizinischen Kathetern erläutert. Anhand des Standes der Technik werden neue Ideen und Anforderungen an einen innovativen Metall- Polymer-Verbundsubstratträger entwickelt. Dabei handelt es sich um einen Katheter, in dessen Wandung miniaturisierte Kupferleitungen in unterschiedlicher Lage und Konfiguration eingebettet werden. Die konstruktiven Anforderungen und die konstruktiv-technologischen Lösungskonzepte für den Metall-Polymer- Verbundsubstratträger werden anhand der Katheterkonfigurationen detailliert erläutert. Hierzu gehören die erfolgreiche Polymerextrusion der eingebetteten Kupferleitungen und die Bearbeitung der Katheterwand zur Freilegung dieser Kupferleitungen durch unterschiedliche Bearbeitungsverfahren. Nachdem die Kupferleitungen mit geeigneten Verfahren freigelegt sind, werden ausgewählte Fügeverbindungen untersucht. Durch diese Fügeverbindungen ist es möglich, Sensoren innerhalb der Katheterwandung zu platzieren und mit den Kupferleitungen zu verbinden sowie die Sensorik mittels der Kupferleitungen an die Auswerteelektronik anzubinden. Der Metall-Polymer-Verbundsubstratträger wird danach thermisch, elektrisch und mechanisch untersucht und bewertet sowie bezüglich der Sterilität und Zytotoxizität analysiert. Mit den Erkenntnissen aus der Charakterisierung des Metall-Polymer-Verbundsubstratträgers wird ein kompletter Funktionsdemonstrator mit ausgewählten integrierten elektronischen Komponenten hergestellt. Zu diesen elektronischen Komponenten zählen ein Drucksensor, der in der Katheterwand integriert wird und eine miniaturisierte Kamera inklusive regelbarer Beleuchtung, die auf der Katheterspitze eingebettet wird. Anhand dieses Demonstrators kann der Funktionsnachweis des neuartigen Metall-Polymer- Verbundsubstratträgers überprüft, charakterisiert und bewertet werden.

In this paper, a multifunctional and novel catheter with sensing function is developed and characterized. First, the current state of the art is explained with the requirements for microelectronics, medical technology and miniaturized instruments and tools in medical catheters. Based on the state of the art, new ideas and requirements for an innovative metal-polymer composite substrate are developed. This is a catheter in whose wall miniaturized copper lines are embedded in different positions and configurations. The design requirements and the design-technological solution concepts for the metal-polymer composite substrate are explained in detail on the basis of the catheter configurations. This includes the successful polymer extrusion of the embedded copper leads and the machining of the catheter wall to expose these copper leads using different processing techniques. After the copper leads are exposed using appropriate processes, selected joining connections are examined. These joining connections makes it possible to place sensors inside the catheter wall and connect them to the copper lines, as well as to connect the sensors to the evaluation unit by using the copper lines. The metal-polymer composite substrate will then be thermally, electrically and mechanically examined and evaluated, and analyzed with respect to sterility and cytotoxicity. With the knowledge gained from the characterisation of the metal-polymer composite substrate carrier, a complete functional demonstrator with selected integrated electronic components will be produced. These electronic components include a pressure sensor that is integrated into the catheter wall and a miniaturised camera with adjustable illumination that is embedded on the catheter tip. This demonstrator can be used to test, characterise and evaluate the functional verification of the novel metal-polymer composite substrate.