Piezoelektrische mikrobearbeitete Ultraschallwandler (PMUT)

Piezoelektrische mikrobearbeitete Ultraschallwandler (PMUT)

Piezoelektrische mikrobearbeitete Ultraschallwandler (PMUTs) sind MEMS-basierte piezoelektrische Ultraschallwandler für eine akustische Abbildung der Umgebung. Im Gegensatz zu massiven piezoelektrischen Wandlern, die die Dickenbewegung einer Platte aus einer piezoelektrischen Keramik nutzen, basieren PMUTs auf der Biegebewegung einer dünnen Membran, die mit einem dünnen piezoelektrischen Film gekoppelt ist.

Im Vergleich zu massiven piezoelektrischen Ultraschallwandlern können PMUTs mehrere Vorteile bieten, wie z.B. eine erhöhte Bandbreite, eine bessere Unterstützung flexibler, Geometrien, natürliche akustische Impedanzanpassung an verschiedene Medien wie bspw. Wasser, reduzierte Spannungsanforderungen auch im Vergleich zu CMUT, Mischen verschiedener Resonanzfrequenzen und Integrationspotential mit unterstützenden elektronischen Schaltungen, insbesondere für miniaturisierte Hochfrequenzanwendungen.

PMUTs ermöglichen medizinische, endoskopische in-vivo-Bildgebungsgeräte und Ultraschallradar für autonome Mobilität und Industriemaschinen. Eine Array-Anordnung von PMUT-Sensoren und -Aktoren ermöglicht die Abbildung der Umgebung.

Die Forscher des Fraunhofer IPMS verwenden piezoelektrisches bzw. ferroelektrisches Hafniumoxid (HfO2). Dieses ultradünne ferroelektrische Wandlermaterial wurde 2011 entdeckt und eignet sich hervorragend für die Integration in bestehende CMOS- und NEMS-Prozesse. Der moderate piezoelektrische Koeffizient und die niedrige Dielektrizitätskonstante von HfO2 ist dabei optimal für Anwendungen, die eine Kombination von Sensoren bzw. Empfänger und Aktoren bzw. Sender erfordern. Die ultradünne Realisierung der NEMS-Sensoren ermöglicht darüber hinaus eine dreidimensionale Erfassung der Signaldaten. Neben der konventionellen out-of-plane Bewegung sind ebenfalls miniaturisierte in-plane Bewegungen realsisierbar, welche für miniaturisierte Sensoren genutzt werden können.