Projekte

Fraunhofer Geschäftsbereich Adaptronik

Gedruckte Ultraschallwandler

 

Ziel des Forschungsprojektes ist die Entwicklung eines effektiven Verfahrens zur Herstellung hochfrequenter Ultraschallwandler-Arrays für Frequenzen zwischen 10 MHz und 40 MHz mit hohen elektromechanischen Kopplungsfaktoren bei gleichzeitiger lateraler akustischer Entkopplung der Array-Elemente. Dabei erfolgt der Wandleraufbau vollständig druckbasiert. Dies betrifft neben den piezokeramischen Schichten als Herzstück des Wandlers auch die Elektroden-, Isolations- und Anpassschichten.

Die direkte Abscheidung strukturierter Schichten stellt einen völlig neuen Technologieansatz zur Herstellung von Ultraschallwandlern dar und unterscheidet damit das Vorhaben vom Stand der Technik, bei dem die Array-Ausführung durch nachträgliches Strukturieren der Schicht und damit durch einen deutlich höheren präparativen Aufwand und durch einen hohen Materialverlust erzielt wird. Außerdem wird durch die drucktechnische Herstellung die Anzahl der Prozessschritte zur Herstellung des Prüfkopfs deutlich reduziert, da sowohl die Aufbau- und Verbindungstechnik als auch das Aufbringen von Anpassschichten über die Drucktechnik erfolgt.

Im Vergleich zu bisherigen Assemblierungsverfahren erlaubt dies eine kostengünstige und zeitsparende Fertigung von Ultraschallwandlern in großer Stückzahl. Sie sind kompakt aufgebaut und entsprechen damit dem Trend zur Miniaturisierung, Preisreduzierung und elektronischen Verdichtung. Das prädestiniert sie für den Einsatz in portablen und ultra-portablen Geräten für Laptop- oder Smartphone-basierte Anwendungen.

Die gedruckten Ultraschallwandler sind zudem frei von störenden Zwischenschichten und bieten den Vorteil einer integrierten Aufbau- und Verbindungstechnik. Während die Weiterkontaktierung von herkömmlichen Ultraschallwandlern durch Verdrahtung sowie Löt- bzw. Bondkontakte erfolgt, können über Drucktechnik die Leitpfade direkt aufgebracht werden. Dies verhindert den Auftrag voluminöser Löt- bzw. Bondpads, die das Schwingungsverhalten des Wandlers negativ beeinflussen. 

Im Forschungsprojekt werden effektive Verfahren zur Herstellung hochfrequenter Ultraschallwandler-Arrays für Frequenzen zwischen 10 und 40 MHz entwickelt. Dabei erfolgt der Wandleraufbau vollständig drucktechnisch. Dies betrifft sowohl die piezokeramischen Schichten als Herzstück eines jeden Wandlers als auch die Elektroden-, Isolations- und akustischen Anpassschichten. Trotz des integrierten, monolithischen Aufbaus sind die Array-Elemente voneinander akustisch entkoppelt und haben hohe elektromechanische Kopplungsfaktoren.

Die direkte Abscheidung strukturierter Schichten stellt einen völlig neuen Technologieansatz zur Herstellung von Ultraschallwandler-Arrays dar und unterscheidet sich vom Stand der Technik, nach dem die piezoelektrische Schicht nachträglich mit deutlich höherem präparativem Aufwand und Materialverlust strukturiert wird. Die drucktechnische Herstellung reduziert die Anzahl der Prozessschritte für einen Prüfkopf erheblich, wenn wie im Projekt auch die elektrische Aufbau- und Verbindungstechnik und die akustischen Anpassschichten in dieser Weise hergestellt werden. Während die Weiterkontaktierung in herkömmlichen Ultraschallwandlern durch Löt-, Bond- oder Leitklebekontakte erfolgt, können über Drucktechnik die Leitpfade direkt aufgebracht werden. Dies vermeidet voluminöse Zwischenschichten, Löt- oder Bondpads, die das Schwingungs­verhalten des Wandlers negativ beeinflussen und bietet den Vorteil einer integrierten Aufbau- und Verbindungstechnik.

Im Vergleich zu bisherigen Assemblierungsverfahren erlaubt dies eine kostengünstige und zeitsparende Fertigung von Ultraschallwandlern in großer Stückzahl. Sie sind kompakt aufgebaut und entsprechen damit dem Trend zur Miniaturisierung, Preisreduzierung und elektronischen Verdichtung. Das prädestiniert sie für den Einsatz in portablen und ultra-portablen Geräten für Laptop- oder Smartphone-basierte Anwendungen