Ultraschall ist ein bewährtes Messverfahren in verschiedenen Branchen und Anwendungen wie medizinische Bildgebung, Unterwassersonare, zerstörungsfreie Prüfung, Parksensoren in Autos, Durchflussmessung und vieles mehr. Im Vergleich zu Radar- und optischen Verfahren sind Ultraschallsysteme kostengünstiger, weniger komplex und können praktisch jede Art von Material durchdringen. In den letzten drei Jahrzehnten wurden neuartige mikromechanisch hergestellte Ultraschallwandler (engl. MUT) entwickelt, die auf Prozesse der Halbleiterindustrie zurückgreifen.

Eine Art von MUTs sind kapazitive mikrobearbeitete Ultraschallwandler (engl. CMUTs), die viele Vorteile gegenüber piezoelektrischen MUTs (PMUTs) bieten. Daher sind CMUTs das zentrale Bauteil für die in dieser Arbeit durchgeführte Forschung.

Auf der Grundlage der vorhandenen Literatur über CMUTs befasst sich die Forschungsfrage mit drei Bereichen, um das volle Potenzial von CMUTs auszuschöpfen: 1. Ein effizienteres CMUT-Design ist erforderlich, um die benötigte Vorspannung (Bias-Spannung) zu reduzieren und die Schalldrücke pro angelegter Spannung zu optimieren. 2. Ein spezieller Ansatz zur akustischen Kopplung ist notwendig, um CMUTs tatsächlich in Anwendungen einsetzen zu können. In diesem Bereich der Forschung gibt es nur wenig Literatur, obwohl dieser Aspekt für die Kommerzialisierung unerlässlich ist. 3. Es müssen neuartige Anwendungen demonstriert werden, um die Machbarkeit und die Vorteile von CMUTs über die medizinische Bildgebung hinaus nachzuweisen.

Um diese Ziele zu erreichen, werden zwei wichtige CMUT-Merkmale eingeführt: ein relativ kleiner Vakuumspalt und eine Kolbenversteifung auf der Oberseite der auslenkbaren Platte. Die Entwürfe basieren auf der Opferschicht-Technologie (sacrificial release) von Infineon. Zwei CMUT-Design-Generationen werden hinsichtlich Resonanz, Pull-In-Spannung und akustischer Leistung mit einem neu entwickelten Hydrophonaufbau charakterisiert. Aufgrund der Kolbenversteifung ergibt sich bei gleichem Plattendurchmesser ein Anstieg der Sende-Empfindlichkeit von 7,8 kPa/V auf 24,8 kPa/V. Die Pull-In-Spannung von 7,4 V ohne Kolben und 25 V mit Kolben ist wiederum erheblich geringer im Vergleich zu 30 V bis über 100 V in der aktuelleren Literatur.

Die akustische Kopplung wird mit einem Silikonfilm und einem schrumpfungsarmen Epoxidharz in einem vorgeformten Gehäuse realisiert, das die Anbringung an eine beliebige Oberfläche ermöglicht. Das Design, die Materialwahl, die Verarbeitung und die akustische Impedanzanpassung werden diskutiert. Es wird ein universelles Impedanzanpassungsschema für Kunststoffe und Metalle vorgestellt, das die hohe Frequenzbandbreite der CMUTs nutzbar macht.

Schließlich werden zwei neuartige Anwendungsfälle demonstriert: Füllstandsmessung durch eine Gehäusewand und Berührungserfassung durch eine Oberfläche, beides mit Ultraschallimpulsen. Beide Anwendungen werden durch Metall und Berührung zusätzlich durch eine Kunststoff-Metall-Dekorplatte demonstriert. Das Systemverhalten in Bezug auf Package-Echos wird analysiert und ermöglicht die Messung des Füllstandes durch ~4 mm Aluminium von einer Wasserhöhe von 2,3 mm bis zu >610 mm, begrenzt durch den Aufbau. Puls-Echo-Berührungsexperimente zeigen eine maximale Signaldifferenz der Oberflächenechos zwischen Berührung und Nicht-Berührung von 19,2 % für Aluminium und frequenzabhängige Stehende-Wellen-Phänomene in der Dekorplatte, welche außerdem diskutiert werden.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die in dieser Arbeit vorgestellte Forschung die Anwendung von CMUTs und ihr Design für den Niederspannungsbetrieb zusammen mit einem universellen und breitbandigen akustischen Kopplungskonzept vorantreibt. Weitere Forschungsansätze sind ratsam, um die Materialien für die akustische Kopplung und das Gehäusedesign mit Dünnschichtakustik zu untersuchen, z. B. zur Unterdrückung von Gehäuseechos und zur erhöhten Reproduzierbarkeit in der Herstellung. Außerdem könnte der CMUT-Design-Parameterraum ausgeweitet werden für weitere Optimierung, z.B. mit noch dünnerem Vakuumspalt zusammen mit einer breiteren Kolbenversteifen. Schließlich sollten eine verfeinerte Signalverarbeitung, On-the-Edge-Verarbeitung und ASIC-Integration untersucht werden.