Fraunhofer IPMS CMUTs ergänzen Ultraschallsensoren

CMUT-Chip auf Keramikträger.
CMUT-Chip auf Keramikträger.

Das Fraunhofer IPMS stellt auf der Sensor+Test seine erste Generation an CMUT-Bauelemente vor. Die kapazitiven Ultraschallwandler als MEMS-basierte Struktur sollen Ultraschallsensoren nicht ersetzten, sondern ergänzen, um neue Anwendungsgebiete zu erschließen.

Die Forscher des Fraunhofer-Instituts für Photonische Mikrosysteme IPMS in Dresden greifen für die Entwicklung und Herstellung von kapazitiven Ultraschallwandlern als MEMS-basierte Strukturen seit einigen Jahren auf Herstellungstechnologien der Mikrosystemtechnik zurück. Auf der diesjährigen Sensor+Test stellt das Institut nun die erste Generation von CMUT-Chips (Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducers) vor. Diese Bausteine zur Ultraschallerzeugung und -erkennung werden genutzt, um energiesparende und kompakte messtechnische Systeme zu entwickeln. Mit ihnen könnten für die die Ultraschallsensorik gar neue Anwendungsgebiete erschlossen werden.

Bisher kennt man die Ultraschallsensoren als Einparkhilfe in Autos, zur Füllstandsmessung in der Industrie oder aus der Medizin als bildgebendes Verfahren. Unter Ultraschall versteht man das Aussenden und Erfassen von hochfrequenten Schallimpulsen. Fledermäuse nutzen es beispielsweise, um sich zu orientieren und um ihre Beute aufzuspüren. In der Technik wird Ultrachall genutzt, um Objekte millimetergenau und berührungslos zu erfassen – unabhängig von Aggregatzustand, Form Farbe und unterschiedlichsten Materialien.

Hergestellt werden Ultraschallwandler in der Regel aus piezoelektrischen Materialien. Die von den Fraunhofer-Wissenschaftlern entwickelten CMUTs sollen diese auch gar nicht ersetzen. Dr. Anartz Unamuno, Projektleiter am Fraunhofer IPMS, betont: »CMUTs sollen diese daher auch gar nicht ablösen, sondern eher ergänzen und neue Anwendungsbereiche für die Ultraschalltechnologie erschließen.« Die 10 auf 100 µm großen CMUT-Elemente arbeiten im Frequenzbereich von 1 bis 50 MHz. Den Aufbau erklärt Dr. Unamuno so: »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 Zwischenraum. CMUTs können sowohl Ultraschall senden als auch empfangen, indem sie durch Verschiebung der beweglichen Elektrode elektrische in akustische Energie umwandeln oder umgekehrt.«

Wie schon erwähnt greift das Fraunhofer IPMS zur Herstellung der CMUTs auf Technologien aus der Mikrosystemtechnik zurück, z.B. auf oberflächenmikromechanische Prozesse oder Waferbondverfahren, da diese leicht an Standard-CMOS-Technologien angepasst werden können. Dadurch können die CMUTs auf Waferlevel mit CMOS-Schaltungen kombiniert werden, was gegenüber den Piezos den Vorteil einer höheren Empfindlichkeit, eines erweiterten Frequenzbereichs und einer größeren Flexibilität im Wandlerdesign bietet.

Die erste Generation von CMUT-Arrays des Fraunhofer IPMS wurde bereits analysiert. Neben der Auswertung von Schnittbildern prozessierter Wafer wurden weißlichtinterferometrische Messungen durchgeführt, um die Homogenität der CMUTs in Abhängigkeit von der Position auf dem Wafer zu prüfen. Außerdem wurden die CMUTs elektrischen und akustischen Tests unterzogen. Auf der Sensor+Test werden die Ergebnisse präsentiert. Zudem wird die Funktionsweise eines CMUT-Wandlers in Flüssigkeiten mit Hilfe eines Demonstrators gezeigt.