Nanoscopic Electrostatic Drives (NED) MEMS Ultraschallwandler

MEMS Ultraschallwandler

© Fraunhofer IPMS
MEMS-NED-Sound-Ultraschallwandler

Ultraschallwandler sind unter den Sensoren die Alleskönner, die sich für viele Detektionsaufgaben in technischen Anwendungen etabliert haben. Der Einsatz von Sensorsystemen für den Informationsaustausch im Nahdistanz- und Kontaktbereich wird dabei immer wichtiger. Beispielsweise in der Gestenerkennung oder in der Kollisionswarnung. Gerade das Anwendungsgebiet Gestenerkennung erfordert zunehmend miniaturisierte Sensoren mit einem geringen Energieumsatz um diese in mobile internetfähige Endgeräte zu integrieren.

Die neuartigen UItraschallwandler in MEMS-Technologie, die in dem Geschäftsfeld Monolithisch integrierte Aktor- und Sensorsysteme des Fraunhofer IPMS entwickelt wurden können diese Lücke schließen. Die Technologie erlaubt es auf die in herkömmlichen Ultraschallwandlern eingesetzte Membran zu verzichten. Vielmehr kommen mikroskopisch kleine Biegebalken, die durch ein Signal in Schwingung versetzt werden und in der Chipebene schwingen zum Einsatz. Um einen Schall zu erzeugen sind diese Biegebalken in Schallkammern angeordnet und der Schall tritt über Ein- und Auslassschlitze aus den Schallkammern aus.

Vorteile von MEMS Ultraschallwandlern

  • Volumennutzung → durch die Nutzung des Chipvolumens sind Schallwandler mit sehr kleinen Abmessungen realisierbar
  • Geringe Steuerspannungen → Steuerspannungen von weniger als 48 V ermöglichen den Einsatz der Schallwandler unter Beachtung der Niederspannungsrichtline
  • Komplett-Silizium → zuverlässige CMOS-kompatible Herstellungsprozesse ermöglichen die Fertigung in nahezu jedem Reinraum. Gleichermaßen genügen die Schallwandler der RoHS-Richtlinie
  • Frequenzbereich → die Frequenz eines Schallwandlers ist in einem breiten Bereich anwendungsspezifisch fertigbar. Frequenzen von 20 kHz bis 500 kHz sind möglich. In einem Bereich sind die Frequenzen einstellbar
  • Kombination → Sensor- und Aktorelemente können unmittelbar in einem Bauteil benachbart integriert werden. Dies kann insbesondere auch für verschiedene Frequenzen umgesetzt werden
  • Flexibilität → die Schallwandler sind vielfältig an Kundenwünsche anpassbar. Darunter zählen der Formfaktor, die Abstrahlcharakteristik, sowie der Frequenzbereich

Anwendungsgebiete und Status von MEMS Ultraschallwandlern

Die siliziumbasierten Ultraschallwandler können in einem breiten technischen Spektrum zum Einsatz kommen. Beispiele sind Abstandsmessung, Gestenerkennung und zerstörungsfreie Werkstoffprüfung für predictive maintanance.

Mit den NED-Aktoren sind MEMS-Ultraschallwandler komplett in Silizium herstellbar. Der Nachweis der Eignung als Ultralschallwandler erfolgte mit internen Forschungsvorhaben und resultierte in einem Demonstrator. Der Demonstrator wertet die Laufzeit eines abgestrahlten und wieder reflektierten Signals aus, wodurch verschiedene Gesten und Abstände erkannt werden können.