Ultraschall

Ultraschall

Ob Durchflussmessung oder die Bestimmung kleinster Massen von Analyten oder Giftstoffen – die Interaktionen akustischer Wellen mit Materie ist eine Basis für eine Vielzahl von Sensoranwendungen. Am Fachgebiet Mess- und Sensortechnik wird dabei an Anwendungen für Ultraschall-Arrays in Luft und kapazitiven MEMS-Ultraschallwandlern (Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer – CMUTs) geforscht.

Ultraschallwandler ohne Gehäuse

Für Ultraschallanwendungen in Luft bietet sich eine Frequenz von 40 kHz an. In diesem unteren Frequenzbereich sind die Verluste durch Dämpfung im Medium minimal. Durch die Verwendung eines Arrays aus mehreren Ultraschallwandlerelementen lässt sich die resultierende Schallkeule durch eine Ansteuerung der einzelnen Elemente mit unterschiedlicher Phasenlage in der Abstrahl- und Empfangsrichtung steuern. Dies erlaubt zum Beispiel bei Durchflusssensoren die elektronische Anpassung an unterschiedliche Durchflussraten oder die berührungslose Manipulation leichter Objekte in Luft, und zwar über den üblichen Nahfeldbereich hinaus

Wellenleiter und Ultraschallarrays

Allerdings sind die für eine effiziente Abstrahlung nötigen Einzelwandler so groß, dass die daraus aufgebauten Arrays nicht frei von unerwünschter Schallabstahlung (Nebenkeulen) sind. Um den nötigen Abstand einer halben Wellenlänge für eine nebenkeulenfreie Abstrahlung zu erhalten, wird am Fachgebiet Mess- und Sensortechnik der Ansatz additiv gefertigter Wellenleiterstrukturen verfolgt. Diese Strukturen trennen die schallerzeugenden Ultraschallwandler von der schallabstrahlenden Apertur, die damit so klein gefertigt werden kann, dass eine nebenkeulenfreie Abstrahlung möglich ist.

CMUT

Kapazitive MEMS-Ultraschallwandler sind aufgrund kleinerer Abmessungen für die Anwendung in Flüssigkeiten und mit höheren Frequenzen bis in den MHz-Bereich geeignet. Durch das mikrotechnische Aufbringen von Kanalstrukturen und mit Hilfe selektiver, Analyten oder Gefahrstoffe bindender chemischer Schichten lassen sich kleinste Stoffmengen bis in den Femtogramm-Bereich nachweisen. Auch das ultraschallunterstützte Mischen kleinster Flüssigkeitsmengen ist mit dieser Technologie möglich.

Messung US-Array

Methodisch umfassen die Forschungsarbeiten die Modellierung von Ultraschallwandlern mit numerischen Methoden, die mechanische und akustische Charakterisierung der verwendeten Materialien, auch im Hochtemperaturbereich, und die Entwicklung der nötigen Sensorelektronik. Zur Vermessung von Systemen steht eine akustische Kammer zur volumetrischen Messung, ein schalltoter Raum mit begehbarem Netzboden und ein Hallraum zur Verfügung. Die Forschungsergebnisse kommen aktuell in folgenden Anwendungen zum Einsatz:

  • Durch die Verwendung von Ultraschallarrays zum Senden und Empfangen der Schallwelle können unterschiedliche Messbereiche von laufzeitbasierten Durchflusssensoren durch elektronisches Schwenken der Schallkeule realisiert werden. Für hochgenaue Messungen auf Basis von Mehrwegeausbreitung können durch die Verwendung eines Arrays als Sender oder Empfänger kompaktere Systeme aufgebaut werden.
  • Leistungsstarke Ultraschallwandler erlauben durch akustische Levitation die berührungslose Positionierung und Manipulation kleiner Objekte und Flüssigkeitsmengen.
  • Durch das Schwenken der Schallkeule in Ultraschallarrays kann gezielt Objekterkennung durch Reflexion und Laufzeitmessung in zwei- und dreidimensionalen Räumen mit einem einzelnen Sensor realisiert werden. Neben dem Automobilbereich sind hier auch datenschutzsensitive Bereiche von Interesse, da die Auflösung der Ultraschalldaten zwar eine Objekterkennung, aber keine Identifizierung persönlicher Informationen ermöglicht.
  • Für die Anwendung von Ultraschallwandlern bei Messungen in erschwerten Umgebungs-bedingungen wie hoher Temperatur und Druck werden numerische Modelle erstellt und experimentell validiert.
  • Die Veränderung der Schallgeschwindigkeit durch mechanische Belastung erlaubt den Einsatz von Ultraschall als Messprinzip zur Detektion von Dehnungen und damit als Basis für neuartige Kraft- und Momentensensorik.