Wissenschaftler des Zentrums für Mikro- und Nanotechnologien (ZfM) der Technischen Universität Chemnitz arbeiten an einer bahnbrechenden Technologieplattform für piezoelektrische mikromechanische Ultraschallwandler, besser bekannt als PMUTs. In enger Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer-Institut für Elektronische Nanosysteme ENAS haben sie eine innovative Lösung entwickelt, die darauf abzielt, die Anwendungsbereiche von Ultraschalltechnologien erheblich zu erweitern. PMUTs sind besonders vielseitig und eignen sich für nicht-invasive Ultraschallbildgebung, Optoakustik in der Medizintechnik sowie für die Materialanalyse im Leichtbau.
Die Herstellung dieser hochmodernen Wandler erfolgt durch spezialisierte Mikro- und Nanotechnologien. Besonders hervorzuheben ist die Strukturierung von Siliziummikromembranen, die mit piezoelektrischen Dünnschichten aus Aluminiumnitrid und Aluminiumscandiumnitrid versehen sind. Diese Technologie fördert eine nachhaltige und ressourceneffiziente Produktion, was in der heutigen Zeit von zunehmender Bedeutung ist.
Technische Vorteile und Anwendungsbereiche
PMUTs zeichnen sich durch ihre kleinen Abmessungen und ihre hohe Integrationsfähigkeit aus, wodurch sie gegenüber herkömmlichen Bulk-Wandlern überlegen sind. Sie benötigen zudem nur geringe elektrische Spannungen zur Anregung, was sie in ihrer Anwendung vielseitig einsetzbar macht. Die Akustik-Signale, die PMUTs aussenden, ermöglichen eine präzise Kartographierung der Umgebung, was insbesondere in den Bereichen der medizintechnischen und endoskopischen in-vivo Anwendungen sowie bei Ultraschallradarsystemen von Bedeutung ist. Der geringe Stromverbrauch und die Möglichkeit, sie in bestehende MICROS-Prozesslinien zu integrieren, machen PMUTs zu einer attraktiven Technologie für kleine und mittlere Unternehmen.
Ein Schlüsselmerkmal von PMUTs ist ihre Funktionsweise: Durch elektrische Spannung werden die Strukturen des Wandler geformt, wodurch eine Schwingung erzeugt wird, die wiederum ein akustisches Signal ausstrahlt. Dieses Signal wird von der zu untersuchenden Struktur reflektiert und auf den PMUT zurückgegeben, wo es eine weitere Schwingung erzeugt und so ein Sensorsignal generiert.
Innovation und Forschung
Ein bedeutender Fortschritt in der Forschung wurde erzielt, als 2024 ein Patent zur adaptiven Fertigung von PMUTs (DE 10 2023 111 777 A1) veröffentlicht wurde. Dieses Patent ermöglicht kostengünstige Anpassungen, die insbesondere kleinen und mittleren Unternehmen zugutekommen. Für die Qualität und den Einfluss der Forschungsarbeit spricht, dass die Ergebnisse in einer renommierten Studie im Nature-Journal veröffentlicht wurden, wodurch sowohl das ZfM als auch das Fraunhofer ENAS auf der „PMUT Global Hotspots“-Weltkarte verzeichnet sind.
Dr. Chris Stöckel, der Forschungsfeldleiter des ZfM, hat sich in seiner Habilitation, die er am 4. Februar 2025 verteidigt hat, intensiv der PMUT-Technologie gewidmet. Diese neuen Mikrosysteme werden aktiv in den Lehr- und Forschungsalltag integriert, um die Qualifizierung von Fachkräften für die Technologien der Zukunft zu unterstützen. Die Möglichkeiten, die PMUTs bieten, stellen somit nicht nur einen technologischen Fortschritt dar, sondern auch eine wesentliche Förderung der interdisziplinären Ausbildung.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Entwicklungen im Bereich der piezoelektrischen Ultraschallwandler durch die Technische Universität Chemnitz und das Fraunhofer-Institut für Elektronische Nanosysteme ENAS das Potenzial haben, bedeutende Fortschritte in den unterschiedlichsten Anwendungen zu ermöglichen. Eine Vielzahl von Branchen könnte von dieser wegweisenden Technologie maßgeblich profitieren.
Für weitere Informationen besuchen Sie bitte die Seiten von Technische Universität Chemnitz und Fraunhofer ENAS.
