Inertialsensorik

Piezoelektrische Ultraschallwandler aus Aluminiumnitrid mit Mikrobearbeitung#

Miniaturisierter piezoelektrischer Ultraschallwandler mit radialsymmetrischem Array, gefertigt in Silizium-Mikrotechnologie.
© Fraunhofer ENAS
Miniaturisierter piezoelektrischer Ultraschallwandler mit radialsymmetrischem Array, gefertigt in Silizium-Mikrotechnologie.

Ultraschallwandler mit hoher Arbeitsfrequenz erreichen eine hohe Auflösung. Diese Wandler ermöglichen präzise Bildgebungsanwendungen wie z. B. Fingerabdrucksensoren oder die medizinische Bildgebung von Gewebe. Durch ein radiales Sensorarray können zukünftige Anwendungen mit fokussierter Strahlsteuerung realisiert werden, um somit eine hohe Schallenergie auf einer kleinen Fläche mit hoher Auflösung ein- oder mehrachsig zu steuern. Darüber hinaus lassen sich akustische Manipulationen realisieren, z.B. die Erwärmung von Gewebe zur medizinischen Behandlung oder der Transport und die Aktivierung einzelner Mikro- und Nanopartikel. Piezoelektrische miniaturisierte Ultraschallwandler (PMUTs) können sehr klein gefertigt und mit sehr hohen Arbeitsfrequenzen ausgelegt werden. Daher haben PMUTs Vorteile im Vergleich zu Ultraschallwandlern in Bulk-Technologie. Zusätzlich hat die Anordnung der einzelnen Ultraschallelemente durch die Mikrotechnik einen großen Freiheitsgrad. So ist das Array-Design nicht aufgrund technischer  Einschränkungen durch Sägelinien begrenzt, die bei Bulk-Ultraschallwandlern üblicherweise verwendet werden. Zusätzlich ermöglicht die Miniaturisierung der Mikrotechnologien neue Anwendungen, wie endoskopische, medizinische Behandlungen und die kostengünstige Integration in Verbraucher-, Automobil- und Industriesensorik. Das Fraunhofer ENAS hat in Zusammenarbeit mit dem Zentrum für Mikrotechnologien der Technischen Universität Chemnitz ein neues Design und eine neue Aluminiumnitrid-basierte Technologie für radial fokussierbare PMUTs mit hohen Frequenzen im MHz-Bereich entwickelt. Die auf Aluminiumnitrid (AlN) basierende Technologie ermöglicht den mehr als 4000 Membranen hohe Auslenkungen. Aufgrund der sehr homogenen Fertigungsprozesse konnten die Technologietoleranzen minimiert werden, wodurch die über 4000 Einzelstrukturen zuverlässig parallel angesteuert werden können.