Druck- und Kraftwandler

PMUT – Eine neue Generation von Ultraschallwandlern

© Fraunhofer ENAS
Piezoelektrische, mikromechanische Ultraschallwandler (engl. PMUTs) werden für Applikationen der akustischen Bildgebung verwendet.

PMUTs (piezoelectric micromachined ultrasonic transducer) sind Mikrosysteme mit piezoelektrischen Elementen die ihre Umgebung mittels akustischer Signale kartographieren. Diese sind kleiner und damit hochauflösender und besser integrierbar als herkömmliche Bulk-Wandler, die heute beispielsweise in der medizinischen Bildgebung genutzt werden. Dadurch können zukünftig medizintechnische, endoskopische in-vivo Anwendungen (im Körper) oder Ultraschallradarsysteme für die Mobilität der Zukunft und intelligente industrielle Maschinen entwickelt werden. Im Gegensatz zu kapazitiven Mikrosystemen für Ultraschallwandler (CMUTs) werden für die Anregung der Strukturen kleine elektrische Spannungen benötigt.

Die PMUTs werden durch eine elektrische Spannung ausgelenkt und bringen ein Gas oder eine Flüssigkeit in Schwingung. Dieses akustische Signal wird von einer zu untersuchenden Struktur reflektiert. Die Reflexion des akustischen Signals trifft wiederum auf den PMUT. Die Mikromechanik auf dem PMUT wird in Schwingungen versetzt und die piezoelektrische Schicht erzeugt ein Sensorsignal. Aus dem Laufzeitunterschied von Anregung des PMUT und Messung des reflektierten Signals wird die Entfernung zu einem Objekt ermittelt. Eine Arrayanordnung kann genutzt werden, um die Umgebung zu kartographieren.

Die Forscher des Fraunhofer ENAS und des Zentrums für Mikrotechnologien (ZfM) der TU Chemnitz nutzen für die PMUTs piezoelektrisches Aluminiumnitrid (AlN). Das Wandlermaterial lässt sich in vorhandene MEMS Prozesslinien integrieren. Die moderaten piezoelektrischen Koeffizienten und geringe Dielektrizitätskonstante des AlN sind optimal für Applikationen bei denen eine Kombination als Sensor und Aktor gefordert sind.