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CMUT-Baustein für Wearables und Medizin

Erster Ein-Chip-MEMS-Ultraschallwandler von Infineon

15. Januar 2025, 13:13 Uhr | Ute Häußler

Die neuen MEMS-basierten Ultraschallwandler von Infineon sollen neuartige Wearables und PoC-Diagnostikgeräte möglich machen - und bestehende Geräte mit einem hohen Signal-Rausch-Verhältnis upgraden.

Infineon präsentiert die erste integrierte Ein-Chip-Lösung für MEMS-basierte Ultraschallwandler. Klein, performant und mit wenig Energie soll der Medtech-Baustein Vitaldaten nicht-invasiv in Wearbales messen, Touch-Panels upgraden, Füllstände erfassen und die Point-of-Care-Diagnostik verbessern.

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Infineon hat intensiv an neuen Technologien für kapazitive mikromechanische Ultraschallwandler (CMUT) geforscht und stellt jetzt einen wichtigen Erfolg vor: Der Münchner Halbleiterhersteller bringt erstmals eine integrierte Ein-Chip-Lösung auf den Markt. Über eine Produktplattform soll die Chip-Technik nicht nur in der Medizin, sondern auch in der Unterhaltungselektronik, der Automobilbranche und der Industrie zum Einsatz kommen.

Kurz erklärt: Die CMUT-Technologie

CMUTs nutzen im Gegensatz zu piezoelektrischen Wandlern eine mikromechanisch gefertigte Halbleitermembran zur Übertragung und Detektion von Ultraschallwellen. Die Grundstruktur besteht aus einer dünnen beweglichen Membran, die über einem Vakuumspalt angeordnet ist.

Diese Architektur ermöglicht präzisere und direktere Ultraschallimpulse mit minimaler Refraktion. Bei der Ultraschalldiagnostik ist eine möglichst geringe Refraktion wichtig, da sonst durch die unterschiedlichen Brechungen der Ultraschallwellen auf ihrem Weg durch Körper und Gewebe Artefakte entstehen.

Die monolithische Integration von MEMS und ASIC der neuen Infineon-Komponente ermöglicht eine 20-fache Reduktion des Grundrauschens und eine 1000-fache Verbesserung des absoluten Signals im Vergleich zu konventionellen piezoelektrischen Wandlern. Das hohe Signal-Rausch-Verhältnis, die kleine Bauform und der geringe Energieverbrauche des CMUT-Bausteins kann Entwicklung von neuen Medizingeräten für die klinische und nicht-klinische Diagnostik deutlich voranbringen.

CMUTs in Medizin und Diagnostik

Bildgebende Diagnostik

Die CMUT-Technologie eignet sich besonders für medizinische Bildgebung aufgrund ihrer breiten Frequenzbandbreite. Ein einzelner CMUT-Wandler kann sowohl für hochauflösende oberflächennahe Untersuchungen als auch für tieferliegende Strukturen verwendet werden.

Katheter-Systeme
Die kompakte Bauweise ermöglicht die Integration in Katheter für kardiologische Untersuchungen. Die CMUT-on-CMOS-Integration reduziert dabei parasitäre Kapazitäten und verbessert das Signal-Rausch-Verhältnis.

Point-of-Care Diagnostik
Die miniaturisierten Wandler eignen sich für tragbare Ultraschallgeräte, die direkt am Behandlungsort eingesetzt werden können. Dies ermöglicht eine schnellere Diagnostik ohne aufwendige Infrastruktur.

Technische Vorteile sind eine breitbandige Frequenzabdeckung von 500 kHz bis 50 MHz, eine bleifreie Konstruktion, die hohe akustische Bandbreite (>100% in Flüssigkeiten, >20% in Luft) und die extreme Miniaturisierung auf ≤1 mm³.

CMUT für Medizingeräte und Wearables

Die verbesserte CMUT-Technologie wird auch neue Möglichkeiten für die kontinuierliche und nicht-invasive Überwachung von Vitalparametern über kleine Ultraschallsensoren für mobile Medizingeräte eröffnen. Die ersten klinischen Anwendungen werden voraussichtlich in der Intensivmedizin zum Einsatz kommen, wo CMUT-basierte Sensoren die kontinuierliche Messung von Hämodynamik, kardialem Output, Flüssigkeitshaushalt oder der Lungenfunktion während der Beatmung ermöglichen.

Medizingeräte mit Füllstandsmessung können ebenso von der Infineon'schen CMUT-Technik profitieren. Vorteile sind hier ebenfalls der geringe Energiebedarf, die nicht-invasisve Messung und eine einfache Montage unter dem Boden des Tanks – das ist wichtig, um unter anderem Chemikalien oder Flüssigkeiten zu messen, bei denen Kontaktelektroden korrodieren könnten.

Für den Einsatz am Patienten können die miniaturisierten Ultraschallwandler als Patch direkt auf der Haut getragen werden und Echtzeitdaten liefern, die auch von Nicht-Fachleuten gelesen werden können. Ein wesentlicher Vorteil der CMUT-Sensoren ist ihr geringer Energieverbrauch bei gleichzeitig hoher Bildqualität, was lange Betriebszeiten ohne Temperaturanstieg ermöglicht. Mit der Integration in Wearables wie Smartwatches oder Patches können verschiedener Parameter wie Herzfrequenz, Atemfrequenz und Blutdruck in einem einzigen Gerät erfasst werden.

Statt einer einzelnen Messung können die tragbare (Medizin-)produkte zudem eine kontinuierliche Überwachung bieten, wodurch potenzielle Gesundheitsprobleme noch frühzeitiger erkannt und die Behandlungsergebnisse verbessert werden sollen. In Kombination mit künstlicher Intelligenz könnten die erfassten Daten direkt ausgewertet und als klinisch relevante Informationen für medizinisches Personal bereitgestellt werden.

Verbesserung von Solid-State Touch-Buttons

Laut Infineon ermöglicht die CMUT-Technologie auch den Einsatz in Solid-State Touch Buttons, die unter jedem festen Material, wie Glas oder sogar Metall, genutzt werden können, ohne die Oberfläche zu verformen. Dadurch bekommen Medizingeräte und deren Bedienpanels eine haltbare und zuverlässige Alternative zu herkömmlichen mechanischen Tasten. Für den medizinischen Einsatz verbessert sich die Hygiene und Reinigung, dazu wird durch weniger Verschleiß die Gesamtlebensdauer von Medizingeräten erhöht. Im Vergleich zu kapazitiven Berührungstasten, die durch Umgebungsfaktoren wie Feuchtigkeit und Temperatur beeinträchtigt werden können, bieten CMUT-basierte Tasten vollständige Wasserkompatibilität sowie eine hohe EMV-Robustheit. Die Technologiereduziert zudem die Größe der Tasten und erleichert die Integration in medizinische Bedienfelder.