Kapazitive mikromechanische Ultraschallwandler Evaluationkit für kundenspezifische CMUT-Anwendungen

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Das Fraunhofer-Institut IPMS bietet einen Fertigungsprozess für CMUT-Sensoren für Kleinserien und Pilotproduktion. Für kundenspezifische Anwendungen steht ein CMUT-Evaluationskit mit Mikrocontroller und Steuersoftware bereit.

Kapazitive mikromechanische Ultraschallwandler, kurz CMUTs, haben aufgrund ihrer Konstruktion und des physikalischen Wirkprinzips eine hohe Empfangsempfindlichkeit und Bandbreite [1]. Die Entwicklung dieser Sensoren ist in den vergangenen Jahrzehnten vor allem durch die medizinische Diagnostik initiiert worden. Da sie eine natürliche Anpassung an Wasser besitzen, eignen sie sich sehr gut für die klassische Sonographie.

Ihre gute Anpassbarkeit an Luft ermöglicht zudem einen Einsatz für kontaktlose Prüfverfahren wie Topographiescans. Neben der medizinischen Diagnostik finden sich aber auch zahlreiche Anwendungsfelder für CMUT-Sensoren in Industrie und Technik zum Beispiel für berührungslose Überwachungs- und Messaufgaben. Das Fraunhofer IPMS hat einen zuverlässigen Fertigungsprozess für CMUTS etabliert und ist damit in der Lage, CMUT-Sensoren in Kleinserien und Pilotproduktion zu fertigen.

CMUT-Evaluationkit verifiziert Sensoren

Möglich ist auch die Entwicklung von kundenspezifischen Sensoren. Zur Verifizierung der Sensoren für kundenspezifische Anwendungen wird vom Fraunhofer IPMS ein eigens dafür entwickeltes CMUT-Evaluationkit bereitgestellt. Details zum CMUT-Evaluationkit gibt der Text. Das Evaluationkit enthält ein analoges Frontend, das zusammen mit einem kommerziellen Mikrocontroller-Board und der eigens dafür entwickelten Steuersoftware eine universelle Plattform bietet.

Die CMUTs können sowohl in Flüssigkeiten als auch in Gasen in einer kontrollierten Umgebung in Betrieb genommen werden. Durch den Einsatz von MEMS-Ultraschall-Bauelementen mit Frequenzen von 1 bis 25 MHz wird es möglich, bisher nicht Messbares zu messen. Kapazitive mikromechanische Ultraschallwandler arbeiten im Empfang nach dem Prinzip eines Kondensatormikrofons (Bild 1).

Durch die Schallwelle wird eine flexible Kondensatorplatte in mechanische Schwingung versetzt. Die sich dadurch ändernde Kapazität erzeugt über eine Biasspannung einen Wechselstrom, der mit einem Strom-Spannungswandler in eine Wechselspannung umgewandelt wird. Diese Spannung kann mit einem handelsüblichen Ultraschallprüfgerät weiterverarbeitet werden.

Elektrisches Zusammenschalten mehrerer CMUT-Zellen

Beim Senden wird die flexible Platte durch eine Wechselspannung, die zwischen den Kondensatorplatten eine elektrostatische Kraft erzeugt, ausgelenkt. Dazu kann der Sendeimpuls eines Ultraschallprüfgerätes, der die Platte mit der Resonanzfrequenz der elektromechanischen Struktur zum Schwingen bringt, direkt auf den CMUT geschaltet werden (Bild 1). Durch das Anlegen einer Gleichspannung kann die flexible Platte zusätzlich statisch ausgelenkt und so ein definierter Arbeitspunkt eingestellt werden.

Mikromechanische Ultraschallwandler werden mit Methoden der Mikrosystemtechnik durch Abscheidung verschiedener Materialschichten und Ätzen von elektromechanischen Strukturen auf einem Siliziumwafer aufgebaut. Mit Grundstrukturen im Mikrometerbereich werden die gewünschten Ultraschallparameter wie Impedanz und Resonanzfrequenz eingestellt. Durch elektrisches Zusammenschalten mehrerer solcher CMUT-Zellen auf einem Chip, können ebene Ultraschallschwinger beliebiger Form, Größe und Elementanzahl realisiert werden.

Vorteile der CMUT-Sensoren im Überblick

Aus den bereits beschriebenen Funktionsprinzip und den genannten Eigenschaften von CMUTs ergeben sich einige Vorteile gegenüber anderen Wandlerprinzipien:

• Aufgrund der geringen mechanischen Kopplung zwischen den einzelnen CMUT-Zellen können Arrays mit großen Elementzahlen und kleinem Pitch ohne Spalt zwischen den Elementen gefertigt werden.

• Die CMUT-Zellen besitzen je nach mechanischer Struktur eine natürliche Anpassung an Luft oder Wasser und erreichen eine große Bandbreite.

• Durch die frei bewegliche Platte und den elektrostatischen Wandlermechanismus wird eine hohe Empfangsempfindlichkeit erreicht.

• Arbeitsfrequenz und Bandbreite können unabhängig von Form und Größe des Sensors durch die Variation der elektromechanischen Strukturen der einzelnen CMUT-Zellen eingestellt werden.

• Der Aufbau auf Siliziumwafern ermöglicht, in Kombination mit einer CMOS-Technologie, die Integration von analogen und digitalen Schaltungselementen auf einem CMUT-Chip.

• Da CMUTs und auch deren Fertigungsprozesse frei von Blei und anderen Schadstoffen sind, erfüllen sie die RoHS-Richtlinie der EU.

Die CMUT-Sensoren bieten eine Vorverstärkerelektronik in einem vollständig geschirmten Gehäuse und werden mit einer externen 5-V-Spannung vom Analog-Frontend versorgt. Mit dem vom Fraunhofer IPMS entwickelten CMUT-Evaluationkit lassen sich Funktionen von kapazitiven mikromechanischen Ultraschallwandlern (CMUTs) für kundenspezifische Anwendungen in einer kontrollierten Umgebung verifizieren und testen.

Das CMUT-Evaluationkit und wie es aufgebaut ist

Das Evaluationkit [2] erlaubt eine spezifikationsgerechte Anwendung der CMUT-Sensoren mit einem speziell angepassten Analog-Frontend. Neben dem Analog-Frontend enthält es ein Mikrocontroller-Board von Red Pitaya und eine Basissoftware, um die Elektronik zu steuern, sowie ein Software Development Kit (SDK) zur Programmierung kundenspezifischer Anwendungssoftware. Das Analog-Frontend erzeugt unterschiedliche Anregungssignale im typischen Frequenz- und Spannungsbereich der CMUTs.

Es ermöglicht das Senden und Empfangen von Ultraschallwellen mit hoher Empfindlichkeit und Auflösung und bietet zudem einen ESD-Schutz für die angeschlossenen CMUTs. Das Analog-Frontend stellt einen Sendekanal und einen Empfangskanal sowie die Betriebsspannung für die Vorverstärkerelektronik und die Biasspannung für die CMUTs bereit. Mit einem zweiten Analog-Frontend kann das Evaluationkit optional mit einem weiteren Empfangskanal erweitert werden.

Mikrocontroller-Board übernimmt die Analog-Digitalwandlung

Das kommerziell erhältliche Mikrocontroller-Board übernimmt die Analog-Digitalwandlung der Ultraschallsignale und steuert das Analog-Frontend. Über eine einfache browserbasierte Benutzerschnittstelle (BUI) lässt sich das Board bedienen. Dazu lässt sich das Evaluationkit über eine Ethernet- oder optionale WiFi-Verbindung mit einem Steuerrechner verbinden. Das Evaluationkit wird mit allen benötigten Komponenten für die Inbetriebnahme der CMUT-Sensoren geliefert. Es wird ein Steuerrechner mit Browsersoftware benötigt, der über eine Ethernet- oder eine optionale WiFi-Schnittstelle verbunden wird.

Mit der browserbasierten Benutzerschnittstelle können Anwender das Evaluationskit vollständig parametrieren. Außerdem lassen sich die empfangenen Ultraschallsignale online darstellen sowie die digitalisierten Daten in einer CSV-Datei speichern. Ein verfügbares Software Developer Kit (SDK) besteht aus dynamischen Bibliotheken für Windows und Linux. Mit dem SDK kann der Anwender kundenspezifische Messaufgaben anpassen und mit Fernsteuerung der Hardware über eine TCP/IP-Schnittstelle steuern. Eine Client-Server-Struktur erlaubt den direkten Zugriff auf die Parameter und Rohdaten des Systems über die Netzwerkverbindung. Es lässt sich eine eigene Software zur kontinuierlichen Aufzeichnung und Auswertung von Messdaten entwickeln.

Zwei Anwendungsbereiche der CMUT-Sensoren

Sensoren für Luftultraschall eignen sich unter anderem für Abstands-, Füllstands- und Durchflussmessungen, Näherungs- und Berührungserkennung, akustische Spektroskopie, die medizinische Diagnostik sowie die Ultraschall-Mikroskopie.

Zum Einsatz in Flüssigkeiten und zur direkten Kopplung der Sensoren an Festkörpern, können die CMUTs mit einer Schutzschicht versehen werden. Dadurch ergibt sich ein weiteres breites Anwendungsspektrum zum Beispiel in der medizinischen Diagnostik und der zerstörungsfreien Prüfung.

Die Inhalte sind das Ergebnis verschiedener Forschungsvorhaben und wurden teilweise gefördert oder finanziert durch Mittel des ECSEL Projekts „Advanced Distributed Pilot Line for More-than-Moore Technologies“ (Fördernummer 661796) und im Rahmen der Internen Programme der Fraunhofer-Gesellschaft, Fördernummer MAVO 836940.

Referenzen

[1] M. Krenkel, M. Kircher, M. Kupnik, S. G. Koch, „CMUT with mechanically coupled plate actuators“, IEEE 19th International Conference on Thermal, Mechanical and Multi-Physics Simulation and Experiments, in Microelectronics and Microsystems (EuroSimE), April 2018, DOI: 10.1109/EuroSimE.2018.8369874.

[2] Evaluationkit for CMUTs, Data Sheet, Fraunhofer IPMS.

* Dr. Uwe Völz und Marco Kircher sind wissenschaftliche Mitarbeiter für Environmental Sensing bei Ultrasonic Components am Fraunhofer IPMS.

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