Schutz vor plötzlichem Kindstod
Dehnbare Leiterplatten werden sowohl in der Elektronik als auch in der Medizin eingesetzt
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Klapphandys, Laptops oder I-Pads sind damit ausgestattet: flexible Leiterplatten. Gemeinsam ist allen diesen technischen Geräten, dass die Biegung der Leiterplatte um eine Achse stattfindet. Ziel des EU-Projektes „STELLA“ (stretchable electronics for large area applications) war es darüber hinaus, eine Leiterplatte zu entwickeln, die dehnbar ist und sich so an beliebige Oberflächen anschmiegen kann. „Potentielle Anwendungen für so ein Produkt sind zahlreich“, weiß Dr. Thomas Löher, vom Fraunhofer Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration (IZM) und Projektmanager für STELLA an der TU Berlin. Vor allem die Medizin profitiert davon. „Wenn Sensoren möglichst dicht an der Haut getragen werden müssen, zum Beispiel um bestimmte Vitalparameter zu überwachen, ist der Einsatz dehnbarer Leiterplatten hochinteressant: Sie passen sich jeder Bewegung an, lassen sich hervorragend in Textilien integrieren, sind körpergerecht und atmungsaktiv.“
So haben die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler vom IZM und der TU Berlin bereits Vorläuferprodukte für eine elektronische Verbandseinlage entwickelt, die Druck und Feuchtigkeit in einem Verband messen kann. Weitere Ideen sind ein Strampelanzug, der die kontinuierliche Atembewegung erfasst und vor plötzlichem Kindstod schützen soll, oder eine Schuheinlage für Diabetiker, die die Druckbelastung und Abnutzung der Fußsohle misst.
Die hellbraune Folie erinnert in Konsistenz und Haptik an etwas zwischen Frischhaltefolie und dünner Silikon-Badekappe. Das Trägermaterial ist aber thermoplastisches Polyurethan, ein Kunststoff, der in der Textilindustrie weit verbreitet ist, so zum Beispiel als atmungsaktive Membran in Regenbekleidung. Auf dieses Substrat „kleben“ die Forscher eine hauchdünne, circa 20 Mikrometer dünne Kupferfolie. „Um die nicht dehnbaren Kupferbahnen elastisch zu machen, strukturieren wir sie mit Ätz- und Belichtungsverfahren in eine Mäanderform“, so Löher. Das dehnbare Substrat ist danach von wellenförmigen Kupferbahnen durchzogen. Diese ursprünglich starren Kupferleitungen können dadurch bis zu dem Dreifachen ihrer ursprünglichen Länge gedehnt werden. In mehreren Schritten werden die Leiterbahnen mit verschiedenen, flexiblen Schutzschichten verkapselt, so dass am Ende eine fertig vorstrukturierte, flexible Leiterplatte entsteht, auf die elektronische Komponenten aufgebracht werden können.
„Ein Knackpunkt dieser Technik liegt an dem Übergang zwischen dem dehnbaren Substrat und den starren Komponenten. Damit letztere nicht einfach abplatzen, wenn die Leiterplatte gedehnt wird, haben wir um die Komponenten herum so genannte Zugsperren, feste Kupferinseln, eingebaut, die sich nicht dehnen“, berichtet Löher.
Von Anfang an verwendeten die Wissenschaftler für die dehnbaren Leiterplatten so weit wie möglich Standardverfahren, um die Integration in eine industrielle Produktion zu erleichtern. So können die Leiterplatten mit einer professionellen Textil-Laminierpresse einfach auf einen Stoff laminiert werden.
In dem Anschlussprojekt von STELLA, „PLACE-it“, arbeitet Löher zurzeit mit dem Mediziner Professor Norbert Gretz von der Universität Heidelberg zusammen. Dabei soll die Nierenfunktion von Patienten mit einem nichtinvasiven und wenig belastenden Verfahren untersucht werden. Bei Patienten mit Diabetes oder anderen schweren Stoffwechselerkrankungen muss die Nierenfunktion regelmäßig kontrolliert werden. Dazu wird die so genannte glomeruläre Filtrationsrate (GFR) bestimmt – ein Wert, der angibt, inwieweit die Nieren ihre reinigende Filterfunktion übernehmen. Dazu existieren zwar exakte Methoden, diese sind aber sehr aufwändig und belastend. Im Alltag werden daher nur Näherungswerte aus dem Urin bestimmt, die leicht falsch interpretiert werden können. Gretz möchte einen fluoreszierenden Standardmarker einsetzen, den die Niere in den Urin filtert. Die Patienten werden mit einem Pflaster ausgestattet, das eine dehnbare Leiterplatte enthält, auf der – neben Steuer- und Kontrollelektronik – eine Leuchtdiode und eine Photodiode installiert sind. Die Leuchtdiode strahlt durch die Haut und regt den Marker im Blut an, zu fluoreszieren. Das Fluoreszenzsignal wiederum wird von der Photodiode gemessen. Je besser die Niere arbeitet, desto schneller wird der Marker ausgeschieden und desto schneller klingt die Fluoreszenz ab. Tierversuche zeigen, dass auf diese Art erstmalig eine exakte Bestimmung der GFR in Echtzeit möglich ist.
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