One-Stop-Shop für MUTs

Die Forschungsfabrik Mikroelektronik Deutschland bietet mit diesem Angebot auch kleinen und mittelständischen Unternehmen die Möglichkeit, von den Vorteilen der MUT-Technologie zu profitieren.

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Technologieplattform für den mikromechanischen Ultraschall (MUT)

Über die MUT-Plattform

Ob Distanzmessung und Mikropositionierung, Gestensteuerung und Kollisionssensorik, Endoskopie und Sonographie – Ultraschallsensoren bilden seit Jahren die Basis in der Industrie, Medizin und Mobilität. Der Einsatz von modernen mikromechanisch-basierten Ultraschall-Elementen (MUT) ermöglicht die Realisierung von hochkompakten Systemen, einer gesteigerten Sensitivität sowie einer effizienten Nutzung von Arrayfunktionalitäten wie Bildgebung oder Richtcharakteristik. Zudem können gesundheits- und umweltschädliche Materialien vermieden werden. Dem gegenüber stehen jedoch die zusätzlichen, meist hohen Kosten für die Entwicklung dieser halbleiterbasierten MUTs – eine oft unüberwindbare Hürde gerade für viele kleine und mittlere Unternehmen.  Im Rahmen der Forschungsfabrik Mikroelektronik Deutschland (FMD) werden in dieser neuen MUT-Plattform die Ultraschall-Kompetenzen der drei Fraunhofer-Institute IPMS, ENAS und ISIT in Form eines One-Stop-Shops gebündelt.

Die FMD sorgt nicht nur durch ihr Technologieportfolio für einen breiten Anwendungsbereich, sondern verfügt auch über die Infrastruktur für eine Pilotfertigung in eigenen Reinräumen.

Realisiert durch eine Förderung der Fraunhofer-Gesellschaft (Projekt KMU-MUT) richtet sich das Angebot speziell an kleine und mittelständische Unternehmen, wodurch eine schnelle und effiziente Realisierung von innovativen und modernen Ultraschalllösungen möglich wird. 
 

Attraktives Angebot entlang der gesamten Wertschöpfungskette aus einer Hand

Die FMD-Institute bilden seit Jahren die führende Kompetenzbasis für mikromechanische Ultraschall-Bauelemente und Systeme innerhalb der Forschungsfabrik Mikroelektronik Deutschland (FMD). Aufgrund der verschiedenen Technologien der Institute können so Lösungen für ein breites Applikationsspektrum im gesamten Frequenzbereich von 20 kHz bis 20 MHz angeboten werden. Vom Design über die Fertigung, Charakterisierung, Aufbau- und Verbindungstechnik bis hin zur Systemintegration können die Institute gemeinsam applikationsspezifische Entwicklungsdienstleistungen entlang der gesamten Wertschöpfungskette bieten. 

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

Workshops zum Thema:

Erste Workshops zu »Mikromechanischer Ultraschall für KMU – von der Technologie zur Anwendung« starteten am 1. Juli 2021

© Fraunhofer ISIT

Um möglichen Partnern die Technologien, Module und Systeme vorzustellen, sowie die Entwicklungsdienstleitungen der MUT-Plattform darzulegen, fanden ab 1. Juli 2021 Workshops statt. Ziel ist es, eine gute Integrierbarkeit der MUTs in bereits bestehende Systeme aufzuzeigen und diese direkt einsetzbar zu machen. 

Weitere Workshop-Termine folgen in Kürze