Fraunhofer-Gesellschaft

Publica

Hier finden Sie wissenschaftliche Publikationen aus den Fraunhofer-Instituten.

Fertigungstechnologien für Ultraschallwandler im Frequenzbereich zwischen 40 kHz und 40 MHz

Manufacturing technologies for ultrasonic transducers in the 40 kHz to 40 MHz frequency range
 
: Gebhardt, Sylvia; Günther, Paul; Hohlfeld, Kai; Neubert, Holger

:
Fulltext ()

Technisches Messen : TM 86 (2019), No.5, pp.297-306
ISSN: 0340-837X
ISSN: 0171-8096 (Print)
ISSN: 2196-7113 (Online)
Deutsche Forschungsgemeinschaft DFG
GE-2078/5-1
High-Volume-Production-Compatible Technologies for Light Metal and Fiber Composite-Based Components with Integrated Piezoceramic Sensors and Actuators (subproject A01 und K04) sowie Development of improved imaging techniques and new, structured, high frequency ultrasound transducer for acoustic microscopy
German
Journal Article, Electronic Publication
Fraunhofer IKTS ()
ultrasonic transducer; 1-3 piezocomposite; phased array; piezofiber composite; soft mold process; piezoceramic thick film

Abstract
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.

 

Ultrasonic transducers are used for emitting and receiving of acoustic waves. According to the application field, working frequency of ultrasonic transducers needs to be tailored to a certain value. Low frequency ultrasonic transducers with working frequencies of 1 kHz to 1 MHz are especially interesting for sonar applications, whereas high frequency ultrasonic transducers with working frequencies higher than 15 MHz are favorable for high-resolution imaging in biomedical and non-destructive evaluation. Conventional non-destructive testing devices and clinical ultrasound imaging systems are typically operated at frequencies between 1 MHz and 10 MHz. Depending on the operational scenario, piezoelectric material as well as size and inner structure of the ultrasonic transducer has to be customized. We here report on different manufacturing technologies for ultrasonic transducers in a broad frequency range. 1-3 piezocomposites based on piezoceramic fibers can be fabricated in almost every thickness allowing for transducer frequencies between 40 kHz and 8 MHz. The soft mold process enables the fabrication of high frequency ultrasonic transducers with potential frequencies of 5 MHz up to 40 MHz. Highly integrated ultrasonic transducers can be prepared by screen-printing a sequence of electrode, piezoceramic, and isolation layers on microelectronic substrates. By this, patterned ultrasonic transducers with working frequencies between 5 MHz and 30 MHz are possible.

: http://publica.fraunhofer.de/documents/N-538074.html