Technologieplattform für den mikromechanischen Ultraschall (MUT)

Die neuartigen NED UItraschallwandler in MEMS-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. Die NED Technologie erzeugt hiermit direkt und effizient luftbasierten Ultraschall. Darüber hinaus beinhalten der Herstellungsprozess und die CMUT-Elemente keine toxischen Stoffe (u. a.  Blei), die elektrostatischen Wandler sind daher RoHS konform.

Vorteile von NEDs:

• 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
• Frequenzbereich → die Frequenz eines Schallwandlers ist in einem breiten Bereich anwendungsspezifisch fertigbar. Frequenzen von 20 kHz bis 300 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

CMUT sind miniaturisierte Sensorstrukturen, deren elektrostatisches Wirkprinzip das Senden und die Detektion von Ultraschallwellen ermöglicht. Diese neue Generation von Ultraschallwandlern wird mit Verfahren der Halbleitertechnologie gefertigt und ermöglicht dadurch eine große Flexibilität im Sensordesign bei einer hohen Präzision und Reproduzierbarkeit im Fertigungsprozess für ein- und mehrkanalige Systeme.

Eigenschaften der CMUTs:

• eine breite Auswahl an Elementen mit unterschiedlichen Frequenzen (> 400 kHz)
• eine hohe akustische Bandbreite (> 100% in Immersion; > 20% in Luft)
• eine hohe räumliche Auflösung (Submillimeter-Skala)
• geringe akustische Verluste
• extreme Miniaturisierung (≤ 1 mm³).

Darüber hinaus beinhalten der Herstellungsprozess und die CMUT-Elemente keine toxischen Stoffe (u. a.  Blei), die kapazitiven Wandler sind daher RoHS konform.

Das CMOS-kompatible Herstellungsverfahren ermöglicht aufgrund des hohen Integrationspotentials mit elektrischer Steuer- und Auswerteelektronik in CMOS-Technologie eine neue Evolutionsstufe in der Sensorminiaturisierung. Zudem sorgt die natürliche akustische Anpassung an flüssige und gasförmige Medien für eine effizientere Schalleinkopplung. Die extrem niedrige mechanische Kopplung zwischen individuellen Sensorkanälen gepaart mit der erhöhten akustischen Bandbreite, macht eine größere zeitliche und räumliche Auflösung zugänglich. Die RoHS-Konformität gewährleistet eine langfristige Einsatzfähigkeit.

Die PMUTs werden durch eine elektrische Spannung ausgelenkt und bringen ein Gas oder eine Flüssigkeit in Schwingung. Je nach Frequenzbereich werden die Wandler am ISIT als piezoelektrische Dicken- oder Membranschwinger ausgelegt. Die Basis bilden hochentwickelte Prozesstechnologieplattformen mit den piezoelektrischen Hochleistungsmaterialien AlN, ScAlN und PZT, wodurch sehr hohe Schalldruckpegel sowie Empfindlichkeiten möglich sind. Auf diese Weise lassen sich effiziente Ultraschallwandler mit Mittenfrequenzen von wenigen kHz bis hin zu mehreren hundert MHz realisieren.

Eine Arrayanordnung kann genutzt werden, um die Umgebung zu kartographieren. Darüber hinaus werden bei der Verwendung von AlN Materialien keine toxischen Stoffe (u. a.  Blei) verbaut, die Wandler sind daher RoHS konform.

Eigenschaften von PMUTs

• Hoher Schalldruckpegel
• Geringe Baugröße
• Variabler Formfaktor
• Piezo-Materialportfolio für alle relevanten Anwendungen