CMUT-Chip auf Keramikträger.

CMUT-Chip auf Keramikträger.IPMS

Ultraschallsensoren sind schon heute aus dem Alltag nicht mehr wegzudenken. Sie unterstützen den Fahrer als Einparkhilfen in Automobilen, sichern Füllstand und Materialfluss in der Getränke- und Lebensmittelindustrie oder dienen als bildgebende Verfahren zur Untersuchung von Embryos oder organischem Gewebe in der Medizin. Das Geheimnis dieser Vielseitigkeit: Das verwendete physikalische Prinzip – die Ausbreitung und Detektion hochfrequenter, für den Menschen nicht hörbarer Schallimpulse zur berührungslosen, millimetergenauen Erfassung von Objekten funktioniert zuverlässig für unterschiedlichste 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 mit Abmessungen zwischen 10 und 100 Mikrometern 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. CMUTs können sowohl Ultraschall senden als auch empfangen, indem sie durch Verschiebung der beweglichen Elektrode elektrische in akustische Energie umwandeln oder umgekehrt“. Bei der Herstellung von CMUTs 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, einem erweiterten Frequenzbereich und einer großen Variabilität des Wandlerdesigns. Das Fraunhofer IPMS bietet langjährige Erfahrungen auf dem Gebiet der Pilotfertigung von MEMS-Bauelementen und der Integration von MEMS auf CMOS-Wafern unter Reinraumbedingungen. Dieses Know-how will Dr. Unamuno gemeinsam mit seinem Team nutzen, um CMUTs zum kommerziellen Durchbruch zu verhelfen.

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. Der Einsatz von CMUTs zur Ultraschallerzeugung und -erkennung ermöglicht energiesparende, umweltfreundliche und äußert kompakte messtechnische Systeme und könnte zukünftig etablierte Technologien ergänzen und neue Einsatzgebiete erschließen.