Kapazitive mikromechanische Ultraschallwandler

Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme

Chip mit zahlreichen CMUT-Arrays auf Trägermaterial.
Chip mit zahlreichen CMUT-Arrays auf Trägermaterial.

Mikromaschinell gefertigte Ultraschallwandler (Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducers, CMUTs) sind MEMS-basierte Strukturen, die zur Erzeugung und Erfassung akustischer Signale im Ultraschallbereich eingesetzt werden können. Das Fraunhofer IPMS arbeitet daran, CMUTs vom Laborstatus zur Marktfähigkeit zu führen.

Akustik mit MEMS

Abhängig von den Anforderungen einer Anwendung hinsichtlich Frequenzbereich,  Schalldruckpegel und Signalform, können verschiedene CMUT-Designs in 1D oder 2D Array-Strukturen gefertigt und angeordnet werden. Die Arrays werden mit Hilfe spezieller Algorithmen („Beamforming“) angesteuert, die eine Ausrichtung und Fokussierung des Schalls im dreidimensionalen Raum erlauben.

Jedes Arrayelement  besteht aus einer gewissen Anzahl von CMUT-Elementen, die wiederum aus zwei gegenüberliegenden Elektroden bestehen, wovon eine der Elektroden starr und die andere beweglich ist. Die Elektroden sind durch Isolatorschichten und einen Luftspalt voneinander elektrisch getrennt. CMUTs können sowohl senden als auch empfangen, indem sie durch Verschiebung der beweglichen Elektrode elektrische in akustische Energie umwandeln oder umgekehrt.

Die wesentlichen Vorteile von CMUTs sind:

  • die Möglichkeit 2D CMUT-Arrays mit CMOS Back-Ends zu integrieren
  • die Kompatibilität der Materialien mit den RoHS-Bestimmungen, da die Nutzung von Blei (Pb) vermieden wird
  • die Möglichkeit für Hochtemperaturanwendungen
  • die Realisierbarkeit einer hohen Anzahl von unabhängigen Wandlerelementen auf kleiner Fläche

Mögliche Anwendungsfelder sind:

  • neue medizinische Bildgebungsanwendungen, wie z.B. intravaskulärer Ultraschall (IVUS)
  • Zerstörungsfreie Prüfung
  • Gas- und chemische Sensoren

Im Reinraum des Fraunhofer IPMS können an Kundenwünsche angepaßte CMUT-Bauelemente in großer Stückzahl hergestellt werden. Damit ist es möglich, diese Technologie in kommerzielle Anwendungen zu überführen, bei denen der Einsatz von CMUTs eindeutige Vorteile gegenüber konventionellen Ultraschallwandlern bietet.

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