Sensor+Test 2014: MEMS-Sensoren
Ultraschall für alle
Ultraschallsensoren dienen als bildgebende Verfahren zur Untersuchung von Embryos oder organischem Gewebe in der Medizin, sind aber auch sonst allgegenwärtig. Ein neues Sensorprinzip soll noch mehr Anwendungsbereiche erschließen.
Dass Ultraschall überhaupt so vielfältig zum Einsatz kommt - in der Medizin, im Auto oder in industriellen Anwendungen - ist dem verwendeten physikalischen Prinzip zu danken. Die Ausbreitung und Detektion hochfrequenter, für den Menschen nicht hörbarer Schallimpulse zur berührungslosen, millimetergenauen Erfassung von Objekten funktioniert zuverlässig für unterschiedliche Materialien unabhängig von Aggregatzustand, Form und Farbe unter fast allen Umständen und in praktisch jeder Umgebung.
Die heutigen Ultraschallwandler werden typischerweise aus piezoelektrischen Materialien hergestellt und haben sich in der Praxis bewährt. »CMUTs sollen diese daher auch gar nicht ablösen, sondern eher ergänzen und neue Anwendungsbereiche für die Ultraschalltechnologie erschließen«, betont Dr. Anartz Unamuno, Projektleiter am Fraunhofer IPMS.
Die am Institut entwickelten CMUT-Elemente (Capacitive micromachined ultrasonic transducers) mit Abmessungen zwischen 10 µm und 100 µm arbeiten mit Frequenzen zwischen einem und 50 MHz. Anartz Unamuno erklärt den Aufbau und die Funktionsweise der CMUTs 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. Sie können sowohl Ultraschall senden als auch empfangen, indem sie durch Verschiebung der beweglichen Elektrode elektrische in akustische Energie umwandeln oder umgekehrt«. Bei der Herstellung werden Technologien der Mikroelektronik wie zum Beispiel oberflächenmikromechanische Prozesse oder Waferbondverfahren eingesetzt. Da diese leicht an Standard-CMOS-Technologien angepasst werden können, bieten CMUTs die Möglichkeit, auf Waferlevel mit CMOS-Schaltungen kombiniert zu werden. Daneben haben CMUTs gegenüber den etablierten Piezos vor allem den Vorteil einer höheren Empfindlichkeit, eines erweiterten Frequenzbereichs und einer großen Variabilität des Wandlerdesigns.
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. Die vielversprechenden Ergebnisse werden auf der Messtechnikmesse Sensor+Test vom 5. - 7. Juni 2014 in Nürnberg der Öffentlichkeit vorgestellt. Ein Demonstrator zeigt dabei die Funktionsweise eines CMUT-Wandlers in Flüssigkeiten.
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