Fertigungstechnologien für Ultraschallwandler im Frequenzbereich zwischen 40 kHz und 40 MHz

Abstract

Zusammenfassung Ultraschallwandler werden zum Senden und Empfangen akustischer Wellen eingesetzt und bilden damit das Herzstück eines jeden Ultraschallprüfgeräts. Je nach Anwendung arbeiten sie in unterschiedlichen Frequenzbereichen. Ultraschallwandler mit niedrigen Arbeitsfrequenzen von 1 kHz bis 1 MHz werden insbesondere für Sonaranwendungen benötigt, wohingegen Hochfrequenz-Ultraschallwandler mit Arbeitsfrequenzen von mehr als 15 MHz für die hochauflösende Bildgebung im Rahmen biomedizinischer Untersuchungen und zerstörungsfreier Prüfverfahren interessant sind. Herkömmliche zerstörungsfreie Diagnose- und klinische Ultraschallbildgebungssysteme werden typischerweise mit Ultraschallwandlern, die bei Frequenzen zwischen 1 MHz und 10 MHz arbeiten, betrieben. Im Hinblick auf eine leistungsfähige Auslegung und kosteneffektive Fertigung müssen sowohl die verwendeten piezoelektrischen Komponenten als auch die Größe und innere Struktur solcher Wandler auf den Anwendungsfall zugeschnitten sein. Neben dem Ultraschallwandler, als aktives Element zur Umwandlung von elektrischer Energie in Schallenergie und umgekehrt, werden in einem Ultraschallprüfkopf weitere Komponenten wie Dämpfungskörper und Anpassschichten integriert um die Funktion an die jeweilige Messaufgabe anzupassen. Der Aufbau funktionsfähiger Ultraschallgeräte umfasst darüber hinaus die Ansteuer- und Auswerteelektronik sowie die Bildverarbeitung. Im vorliegenden Artikel werden verschiedene Fertigungstechnologien für Ultraschallwandler unterschiedlicher Frequenzbereiche vorgestellt, die von den Autoren in den vergangenen Jahren entwickelt wurden. 1-3-Piezokomposite auf der Basis von piezokeramischen Fasern können in nahezu jeder Dicke hergestellt werden, was Arbeitsfrequenzen entsprechender Ultraschallwandler zwischen 40 kHz und 8 MHz erlaubt. Das Soft-Mold-Verfahren ermöglicht die Herstellung von Hochfrequenz-Ultraschallwandlern mit Arbeitsfrequenzen von 5 MHz bis 40 MHz. Hochintegrierte Wandler können durch Siebdruck von Elektroden-, Piezokeramik- und Isolationsschichten auf mikroelektronischen Substraten hergestellt werden. Damit sind strukturierte Ultraschallwandler mit Arbeitsfrequenzen zwischen 5 MHz und 30 MHz möglich.