Ultraschallwandler in Echtzeit charakterisieren

Mikrosystemtechnisch gefertigte Ultraschallwandler sind vielversprechende Transducer für medizinische Ultraschall-Anwendungen, man unterscheidet hierbei im wesentlichen sogenannte pMUTs und cMUTs (piezoelectric Micromachined Ultrasonic Transducer, bzw. capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer).

 Im Vergleich zu konventionellen Elementen besitzen cMUTs einzigartige Eigenschaften. Dank der Biegeschwingform der Membran verringert sich die mechanische Impedanz der Wandler und verbessert auch den Energietransfer an das Umgebungsmedium. Außerdem ermöglicht die Mikrofabrikation, cMUTs durch Halbleitertechnik kostengünstig in Serie zu fertigen. Außerdem kann so der Halbleiterschaltkreis auf demselben Chip direkt integriert werden, um einfach auch großformatige 1D- oder kompliziertere 2D-Array-Konfigurationen aufzubauen.

Bestimmen des räumlichen Druckfeldes eines cMUT

Um neuartige Ultraschallwandler zu charakterisieren, werden oftmals kombinierte Verfahren eingesetzt. Finite-Elemente-Simulationen prognostizieren das Verhalten des Transducers, auch unter Berücksichtigung des umgebenden Mediums. Protoypen neuer Wandler können Sie dann mit mikroskopbasierten Laservibrometern wie dem MSA Micro System Analyzer von Polytec vermessen, um das Übertragungsverhalten der Schallwandler-Oberfläche direkt zu ermitteln. Sie werden hierbei die große Frequenzbandbreite und Echtzeitfähigkeit schätzen lernen, mit denen Sie insbesondere transiente Vorgänge zuverlässig und genau messen. 

Das imec in Belgien hat mit dem Polytec MSA ein singuläres cMUT charakterisiert und auf Basis der Ergebnisse mittels der Rayleigh-Integral-Methode das räumliche Druckfeld im Übertragungsmedium bestimmt. Anschließend wurden die Ergebnisse mit unabhängigen Hydrophon-Messungen bestätigt.

Transient displacement measured on single cMUT cell, ©IMEC, Belgium
Decreasing pressure amplitude measured on single cMUT cell, ©IMEC, Belgium

Microstructure characterization

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