Ultraschall der nächsten Generation
Kapazitive mikromechanische Ultraschallwandler ergänzen herkömmliche Typen.
Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Photonische Mikrosysteme IPMS in Dresden nutzen seit einigen Jahren Herstellungstechnologien der Mikrosystemtechnik, um kapazitive Ultraschallwandler als MEMS-basierte Strukturen, CMUTs – Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducers –, zu entwickeln und herzustellen. Der Einsatz von CMUTs zur Ultraschallerzeugung und -erkennung ermöglicht energiesparende, umweltfreundliche und äußert kompakte messtechnische Systeme und könnte zukünftig etablierte Technologien ergänzen und neue Einsatzgebiete erschließen. Das Institut stellt seine erste Generation von CMUT-Chips sowie einen ersten Demonstrator, der die Funktionsweise eines CMUT-Bauelements zeigt, auf der Messtechnik-Messe Sensor+Test der Fachöffentlichkeit vor.
Abb.: CMUT-Chip auf Keramikträger (Bild: IMPS)
Ultraschallsensoren sind schon heute aus dem Alltag nicht mehr wegzudenken. Sie unterstützen den Fahrer als Einparkhilfen in Automobilen, sichern Füllstand und Materialfluss in der Getränke- und Lebensmittelindustrie oder dienen als bildgebende Verfahren zur Untersuchung von Embryos oder organischem Gewebe in der Medizin.
Die heutigen Ultraschallwandler werden typischerweise aus piezoelektrischen Materialien hergestellt und haben sich in der Praxis bewährt. „CMUTs sollen diese daher auch gar nicht ablösen, sondern eher ergänzen und neue Anwendungsbereiche für die Ultraschalltechnologie erschließen“, betont Anartz Unamuno, Projektleiter am Fraunhofer IPMS. Die am Institut entwickelten CMUT-Elemente mit Abmessungen zwischen zehn und hundert Mikrometern arbeiten mit Frequenzen zwischen einem und fünfzig Megahertz. Unamuno erklärt den Aufbau und die Funktionsweise der CMUTs so: „CMUTs sind vom Grundaufbau her MEMS-Strukturen, die aus zwei gegenüberliegenden Elektroden bestehen. Eine der Elektroden ist starr, die andere beweglich. Zwischen den beiden Elektroden befinden sich eine Isolierschicht und ein Zwischenraum. CMUTs können sowohl Ultraschall senden als auch empfangen, indem sie durch Verschiebung der beweglichen Elektrode elektrische in akustische Energie umwandeln oder umgekehrt“.
Zur Herstellung von CMUTs dienen Technologien der Mikroelektronik wie zum Beispiel oberflächenmikromechanische Prozesse oder Waferbondverfahren. Da sich diese leicht an Standard-CMOS-Technologien anpassen lassen, bieten CMUTs auf Waferlevel Kombinationsmöglichkeiten mit CMOS-Schaltungen. Daneben haben CMUTs gegenüber den etablierten Piezos vor allem den Vorteil einer höheren Empfindlichkeit, einem erweiterten Frequenzbereich und einer großen Variabilität des Wandlerdesigns.
Die erste Generation von CMUT-Arrays haben Forscher des Fraunhofer IPMS bereits analysiert. Neben der Auswertung von Schnittbildern prozessierter Wafer haben sie weißlichtinterferometrische Messungen durchgeführt, um die Homogenität der CMUTs in Abhängigkeit von der Position auf dem Wafer zu prüfen. Ein Demonstrator auf der Messtechnikmesse Sensor und Test zeigt dabei die Funktionsweise eines CMUT-Wandlers in Flüssigkeiten. Besucher finden die Ausstellung am Gemeinschaftsstand der Fraunhofer-Gesellschaft 537 in Halle 12.
Fh.-IPMS / DE
