Aktive Materialien
Fraunhofer-Institut für Biomedizinische Technik
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Mikrosystemtechnisch gefertigte akustische Linsen.
© Fraunhofer IBMT
Die Arbeitsgruppe „Aktive Materialien“ beschäftigt sich innerhalb der Abteilung „Ultraschall“ mit materialtechnischen Fragestellungen für Anwendungen in der Ultraschalltechnologie. Die Arbeitsgebiete bestehen aus der Entwicklung neuer Materialien, der Adaption existierender Werkstoffe und die Bereitstellung von neuen Verfahrenstechniken wie der Laserstrukturierung für den Aufbau moderner Ultraschallsysteme.
Während die Adaption vorhandener Materialien und die Entwicklung von Verfahrenstechniken in der Arbeitsgruppe durchgeführt werden, findet die Entwicklung neuer Materialien auch in Zusammenarbeit mit Forschungseinrichtungen aus dem Bereich der Werkstoffwissenschaften statt.
Den Anstoß zu der Einrichtung einer werkstoffwissenschaftlich orientierten Arbeitsgruppe innerhalb der Abteilung „Ultraschall“ wurde vor allem die Ausweitung des Frequenzbereiches der Ultraschalltechnologie bis in den Bereich von Gigaherz gegeben. Dieser Frequenzbereich ermöglicht eine Verbesserung der räumlichen Auflösung von Diagnosesystemen für die Augenheilkunde, die Dermatologie und im Bereich der Gefäßwanddiagnostik, sowie eine Weiterentwicklung der Ultraschallmikroskopie.
Bei der Entwicklung dieser Systeme verspricht man sich große Vorteile durch die Anwendung neuer nanodotierter Werkstoffe, deren Materialparameter, wie die Schallgeschwindigkeit, die Dämpfung und die akustische Impedanz, durch den Gehalt an Nanoteilchen und den Syntheseweg einstellbar sind. Neben Anwendungen im hochfrequenten Ultraschall haben nanodotierte Materialien auch für die Verfahrenstechniken des etablierten Ultraschalles Vorteile, wie zum Beispiel die einstellbare Rheologie während der Materialsynthese.
Piezoelektrische Werkstoffe
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- Piezoelektrische Werkstoffe.
© Fraunhofer IBMT.
Piezoelektrische Werkstoffe sind heute die bevorzugten Materialen zur Erzeugung von Ultraschall. Der Piezoeffekt erlaubt es, bei Anlegen einer Wechselspannung einen Körper aus piezoelektrischem Material oszillieren zu lassen. Die Wechselspannung kann verschiedene mechanische Schwingungsmodi erzeugen. Der technisch am häufigsten genutzte Schwingungsmodus ist der Dickenmodus, dann ist die Frequenz des schwingenden Körpers proportional zu seiner Dicke. Für technische Anwendungen am wichtigsten sind die piezoelektrischen Keramiken und unter diesen wiederum das Bleizirkontitanat, kurz PZT genannt. Dieses Material ist kostengünstig herzustellen und hat gute piezoelektrische Kennwerte. Die konventionellen Anwendungen im medizinischen Ultraschall nutzen Frequenzen bis 10 MHz. Die Entwicklung des Ultraschalls in der Diagnostik der Ophthalmologie, der Dermatologie und der Gefäßwände geht zu immer höheren Frequenzen von bis zu 100 MHz. Die Erhöhung der Frequenzen erlaubt eine Verbesserung der räumlichen Auflösung. Zur Erzeugung einer Frequenz von 100 MHz wird eine PZT Keramik von 20 µm Dicke benötigt. Derartig dünne keramische Schichten lassen sich nicht mehr sinnvoll durch mechanische Bearbeitung herstellen. Aus diesem Grund wird an Verfahren zum Siebdrucken von piezoelektrischen Keramiken gearbeitet. Die Projektgruppe „Aktive Materialien“ ist auch auf diesem Gebiet tätig.
Ein weiteres Verfahren zur Herstellung dünner piezoelektrischer Schichten ist die physikalische Gasphasenabscheidung von Zinkoxid Schichten, auch Sputtern genannt. Zinkoxid weist deutlich niedrigere piezoelektrische Kennwerte als PZT auf, aber durch das Sputtern kann Zinkoxid leicht in mikrosystemtechnische Verfahrenstechniken integriert werden. Mit Zinkoxidschichten können Frequenzen bis 2 GHz erzeugt werden. Mittels Ätztechniken und mechanischer Machbearbeitungen ist es möglich, einige hundert Ultraschallwandler mit akustischen Linsen auf der gegenüberliegenden Seite auf einem Siliziumwafer herzustellen.
Piezocomposite-Fertigung
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- Piezocomposite.
© Fraunhofer IBMT.
In der Arbeitsgruppe Piezosysteme und Fertigungstechnologie werden sowohl anwenderspezifische als auch standardisierte 1-3 Composites für den Frequenzbereich 50 kHz bis 5 MHz entwickelt und gefertigt (Sonderfälle bis 20 MHz).
Dabei gewährleisten die hochgenauen CNC-Strukturierungstechniken und eine detaillierte und vollständig dokumentierte mechanische bzw. piezoelektrische Qualitätssicherung eine konstante Qualität der Composites.
Passive Materialien für den Ultraschall
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- Wafer.
© Fraunhofer IBMT.
In der Arbeitsgruppe Piezosysteme und Fertigungstechnologie werden sowohl anwenderspezifische als auch standardisierte 1-3 Composites für den Frequenzbereich 50 kHz bis 5 MHz entwickelt und gefertigt (Sonderfälle bis 20 MHz).
Dabei gewährleisten die hochgenauen CNC-Strukturierungstechniken und eine detaillierte und vollständig dokumentierte mechanische bzw. piezoelektrische Qualitätssicherung eine konstante Qualität der Composites.