CMUT-Chip

128-Kanal-Zeilenchip (5 MHz) eines mikromaschinell gefertigten kapazitiven Ultraschallwandlers.

CMUT-Array

Illustration eines zweidimensionalen CMUT-Arrays im ausgelenkten Zustand.

CMUT-Kopf

128-Kanal-CMUT-Ultraschallkopf für Anwendungen in Flüssigkeiten.

Kapazitive Drucksensoren

Kapazitive Drucksensoren in Oberflächenmikromechanik integrierbar als Post-CMOS-Modul.

CMUT-Chip

Hochfrequenter 128-Kanal-Zeilenchip (20 MHz) eines mikromaschinell gefertigten kapazitiven Ultraschallwandlers.

Mikromechanische Ultraschallwandler

Die Ultraschalldiagnostik ist eine etablierte Technik. Bekannte Anwendungsgebiete sind die Materialcharakterisierung und Materialprüfung, sowie die medizinische Diagnostik. Ultraschallwandler werden aktuell hauptsächlich auf Basis eines Piezo-Materials oder Piezo-Composites hergestellt. Für insbesondere Applikationen im Luftbereich (Abstandsmessung) oder auch im Bereich der hochfrequenten Materialprüfung haben sie adäquate Eigenschaften. Insbesondere bei hochauflösenden Bildgebungen, invasiven Untersuchungen und Materialuntersuchungen an Flüssigkeiten haben die Elemente allerdings Nachteile.

Mikrosystemtechnisch gefertigte Ultraschallwandler (MUT) können diese Nachteile überwinden. MUTs 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 verschlossener Zwischenraum. Bei piezoelektrischen Ultraschallwandler (PMUT) erfolgt die Anregung der beweglichen Elektrode durch einen piezoelektrischen Film, z.B. AlN. Bei CMUTs erfolgt die Anregung durch eine elektrostatische Auslenkung der beweglichen Elektrode.

Das Fraunhofer IPMS bietet Forschung als auch Entwicklung und Pilotfertigung von mikromechanischen Bauelementen für innovative Anwendungsbereiche an. 

Mikromechanische Ultraschalltransponder in Post-CMOS Technologie

CMUT im Empfangsmodus.
© Foto Fraunhofer IPMS

CMUT im Empfangsmodus.

CMUT im Sendemodus.
© Foto Fraunhofer IPMS

CMUT im Sendemodus.

Das Fraunhofer IPMS entwickelt mikromechanische Ultraschallbauelemente für verschiedenste Anwendungsbereiche. Die Besonderheit der Elemente liegt in der Integrationsfähigkeit in CMOS-Prozesse als Post-CMOS-Module, dies ermöglicht hoch miniaturisierte Bauelemente mit integrierter Auswerteelektronik. Hierbei konzentriert sich das Fraunhofer IPMS auf die Entwicklung von kapazitiven mikromechanischen Ultraschalltranspondern (CMUTs).

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 bei Vakuum verschlossener Zwischenraum. CMUTs können sowohl senden als auch empfangen, indem sie durch Verschiebung der beweglichen Elektrode elektrische in akustische Energie umwandeln oder umgekehrt. Beim CMUT als Schallsender wird zwischen ihnen ein elektrisches Potenzial aufgebaut, sodass die elektrostatische Kraft die bewegliche Elektrode zur starren hin ablenkt. Durch diese Bewegung wird eine Schallwelle erzeugt. Auf umgekehrte Weise können CMUTs auch als Empfänger fungieren.

Am Fraunhofer IPMS wird ein einmaliges Herstellungsverfahren für CMUTs verwendet, dieses ermöglicht es CMUTs als sogenanntes Back-End-of-Line (BeoL) Prozessmodul herzustellen. Hierbei werden insbesondere amorphe Metalle für die CMUT-Platten verwandt, was eine hohe Langezeitstabilität und Reproduzierbarkeit der Elemente ermöglicht. Weiterhin lässt sich das CMUT-Modul auf Standard-CMOS-Prozessen integrieren, ein Alleinstellungsmerkmal dieser Technologie. Innerhalb des Reinraums des Instituts lassen sich somit hochintegrierte CMUTs auf 200 mm Wafern entwickeln und in Pilotherstellung fertigen.

Akustische Spektroskopie

In dem vom Fraunhofer IPMS entwickelten Messplatz werden Flüssigkeiten in Küvetten mittels eines CMUTs durchstrahlt und die frequenzabhängige Dämpfung durch eine Fourier-Analyse ermittelt.
© Foto Fraunhofer IPMS

In dem vom Fraunhofer IPMS entwickelten Messplatz werden Flüssigkeiten in Küvetten mittels eines CMUTs durchstrahlt und die frequenzabhängige Dämpfung durch eine Fourier-Analyse ermittelt.

Die spektroskopische Untersuchung mittels Ultraschall ermöglicht insbesondere Aussagen über physikalische Kenngrößen von Materialien als auch zur chemischen Analyse von Dispersionen. So kann mittels der Analyse der frequenzabhängigen Dämpfung und Schallgeschwindigkeit Aussagen über die Qualität und Zusammensetzung von Ölen, Alkohol-Wasser-Gemischen oder sonstiger Flüssigkeiten getroffen werden, eine ideale Ergänzung der optischen Spektroskopie.

Die Verwendung von kapazitiven mikromechanischen Ultraschallwandlern kann in diesem Anwendungsbereich zu neuen hochkompakten Umweltmesssystemen führen. Im Gegensatz zu gängigen piezoelektrischen Ultraschallelementen werden CMUTs mittels mikromechanischen Herstellungsverfahren realisiert und ermöglichen eine höchst kompakte Aufbauform. Hierbei ermöglichen die Sensoren durch eine monolithische Integration mit CMOS-Schaltungen die Realisierung von kompletten Analysesystemen auf einem Chip. Für die akustische Spektroskopie sind CMUTs ideal geeignet da sie in flüssige Medien extrem effizient den Schall einstrahlen können, die Detektion hochsensitiv ist und eine große Frequenzbandbreite verwendet werden kann.  

Medizinische Bildgebung

Speziell in der Medizintechnik ist die Sonographie ein etablierter Analysebereich. Für diese bilderzeugende Techniken ist der Einsatz von Ultraschallwandlern in Form von Ultraschall-Arrays von maßgeblicher Bedeutung. Die Mehrzahl der heute in der Medizintechnik hergestellten Ultraschall-Arrays nutzt die piezoelektrische Keramik Blei-Zirkonat-Titanat (PZT), unter Ausnutzung des umgekehrten piezoelektrischen Effekts, zur Schallerzeugung.

Hochfrequente hochauflösende Arrays, basierend auf PZT, sind allerdings schwierig herzustellen und deshalb teuer. Mikromechanisch hergestellte Ultraschallwandler (MUT), sowohl PMUTs als auch CMUTs, ermöglichen hier neue Möglichkeiten. Durch den Einsatz mikromechanischer Herstellungsprozesse wird die wirtschaftliche Herstellung hochauflösender hochfrequenter Ultraschallarrays erstmals möglich. Weiterhin ermöglicht die hohe Miniaturisierung die Nutzung von MUTs in invasiven Anwendungsfällen (z.B. Intrasvaskulärer Ultraschall, IVUS).

Die Ergebnisse der bisherigen Entwicklungen lassen für MUTs ein gutes Eigenschaftsprofil für die Fertigung hochfrequenter Arrays erkennen. Die MUTs bieten:

  • eine sehr hohe Bandbreite
  • eine extrem niedrige mechanische Kopplung zwischen den Elementen
  • die Integration zusammen mit elektronischen Komponenten (CMOS)
  • keine toxischen Materialien

Dabei sind eine hohe Bandbreite und die niedrige Kopplung grundlegende Bedingungen einer Bildgebung, die an die Standards der konventionellen medizinischen Bildgebung mit Ultraschall anschließen kann. Die hochintegrierte MEMS Technologie ermöglicht erstmals die Signale eines Arrays vor Ort mit einer Ausleseelektronik zu verbinden, um eine einfache und kompakte Kontaktierung der Elemente zu erreichen. Durch die Nutzung dieser Verbindungstechnik lassen sich hochplanaren Oberflächen als Kontakt zum Medium realisieren.

Pressemitteilungen

Fachartikel | 03.05.2016

Akustische Spektroskopie mittels CMUTs für die Qualitätsüberwachung von Flüssigkeiten

Presseinformation | 28.04.2016

MEMS-Technologie ebnet Weg für alltagstaugliche Spektrometer

Presseinformation | 22.05.2015

New Possibilities for Ultrasonic Sensors - Fraunhofer IPMS demonstrates ultrasonic transducers as MEMS array