Kapazitive mikromechanische Ultraschallwandler (CMUT)

Ultraschallwandler können Ultraschallwellen sowohl senden als auch empfangen und sind damit Sensoren und Aktoren gleichermaßen.

Sie sind für störungsarme Überwachung und Analyse statischer und dynamischer Prozesse in der industriellen Prüfung und der Automatisierungstechnik etabliert. Ein weiteres Einsatzgebiet ist die medizinische Diagnostik in den Ultraschallsensoren genutzt werden.

Kapazitive mikromechanische Ultraschallwandler (CMUT) sind miniaturisierte Sensorstrukturen, deren elektrostatisches Wirkprinzip das Senden und die Detektion von Ultraschallwellen ermöglicht. Diese neue Generation von Ultraschallwandlern wird mit Verfahren der Halbleitertechnologie gefertigt und ermöglicht dadurch eine große Flexibilität im Sensordesign bei einer hohen Präzision und Reproduzierbarkeit im Fertigungsprozess für ein- und mehrkanalige Systeme.

Eigenschaften der CMUTs am Fraunhofer IPMS:

eine breite Auswahl an Elementen mit unterschiedlichen Frequenzen (> 400 kHz)
eine hohe akustische Bandbreite (> 100% in Immersion; > 20% in Luft)
eine hohe räumliche Auflösung (Submillimeter-Skala)
geringe akustische Verluste
extreme Miniaturisierung (≤ 1 mm³).

Darüber hinaus beinhalten der Herstellungsprozess und die CMUT-Elemente keine toxischen Stoffe (u.a. Blei), die kapazitiven Wandler des Fraunhofer IPMS sind daher RoHS konform.

Vorteile der CMUTs des Fraunhofer IPMS

Das CMOS-kompatible Herstellungsverfahren ermöglicht aufgrund des hohen Integrationspotentials mit elektrischer Steuer- und Auswerteelektronik in CMOS-Technologie eine neue Evolutionsstufe in der Sensorminiaturisierung.
Die natürliche akustische Anpassung an flüssige und gasförmige Medien sorgt für eine effizientere Schalleinkopplung.
Die extrem niedrige mechanische Kopplung zwischen individuellen Sensorkanälen gepaart mit der erhöhten akustischen Bandbreite, macht eine größere zeitliche und räumliche Auflösung zugänglich.
Die für die schwingende CMUT-Platten eingesetzten amorphen Metalle ermöglichen eine hohe Langzeitstabilität und Reproduzierbarkeit der Sensorelemente.
Die RoHS-Konformität gewährleistet eine langfristige Einsatzfähigkeit.

Das Fraunhofer IPMS besitzt langjährige Erfahrung in der Entwicklung von CMUT-Komponenten und Systemen. Hierbei wird ein speziell am Fraunhofer IPMS entwickeltes Herstellungsverfahren für CMUTs verwendet, welches es ermöglicht CMUTs im Back-End-of-Line (BeoL) Prozessmodul herzustellen. So lässt sich das CMUT-Modul auf Standard-CMOS-Prozessen integrieren, ein Alleinstellungsmerkmal dieser Technologie.

Innerhalb des Reinraums des Fraunhofer IPMS lassen sich hochintegrierte CMUTs auf 200 mm Wafern entwickeln und in Pilotserien fertigen. Gepaart mit den Kompetenzen in der Elektronikentwicklung und der Ultraschallsignalverarbeitung bietet das Fraunhofer IPMS die gesamte Wertschöpfungskette für die Forschung und Entwicklung von CMUTs an. Zu diesem Portfolio gehören insbesondere Dienstleistungen in der Beratung, der Entwicklung, Charakterisierung und prototypischen Bereitstellung von CMUT-Bauelementen, CMUT-Modulen und CMUT-Systemen sowie der Pilotfertigung.

Anwendungen

Mögliche Anwendungsszenarien für die ein- und mehrkanaligen CMUTs sind die Abstandssensorik für die Kollisionsüberwachung und Mikropositionierung, die Taktilsensorik für Kraftmessungen und Greifvorgänge bspw. in der Robotik, die akustische Spektroskopie (z. B. Konzentrationsmessung und Alterungsüberwachung), die Durchflussanalyse von Flüssigkeiten und Gasen (z. B. Spirometrie), die Ultraschallbildgebung (Sonografie, Oberflächenabbildung) sowie photoakustische Applikationen.

Kapazitive mikromechanische Ultraschallwandler (CMUT)