Wandlerentwicklung

Der Ultraschallwandler eines Messsystems konvertiert die Signale von der elektrischen Systemseite in die akustische Welle und umgekehrt. Mit der akustischen Welle werden die vom Medium oder dem Körper gewünschten Informationen gesammelt (z. B. Objektabstand oder Veränderungen im Gewebe oder in Werkstoffen). Somit bildet er das Frontend des Systems zum Messobjekt und ist damit ein wichtiger, performance-bestimmender Teil der Messkette. Da er direkt in Verbindung mit dem Messobjekt oder dem Medium steht, ist er den Umweltbedingungen am Messort ausgesetzt und muss neben den akustisch notwendigen Eigenschaften auch alle Anforderungen in Bezug auf Druck, Temperatur, Medienbeständigkeit, Vibrationen oder Schock erfüllen. Hinzu kommen zusätzliche Anforderungen in Bezug auf Bauraum, Design oder Optik. Eine solche Vielzahl an speziellen Forderungen lässt sich meist nur mit einer anwendungsspezifischen Produktentwicklung lösen.

Wir bieten daher Dienstleistungen zur Neuentwicklung oder Optimierung von spezialisierten Sensoren oder Aktoren. Hierunter fallen z. B. die Spezifikation und Auslegung von Wandlersystemen, der Prototypenbau, die elektrische und akustische Vermessung sowie Belastungen und Lebensdauertests. Unsere Entwicklungen finden sich im Markt bereits in einer Vielzahl von Produkten aus den Bereichen Medizin, Industrie oder Sonar. Der Frequenzbereich, in dem wir Lösungen anbieten, kennt kaum Einschränkungen. Dieser beginnt niederfrequent bei 20 kHz mit Reinigungs- oder Sonaranwendungen und endet sehr hochfrequent bei 1 GHz mit Sensoren für den Einsatz in Ultraschallmikroskopen.

Weitere Beispiele für mögliche Sensoren sind:

  • Medizinische Phased-, Linear- oder Curved-Arrays
  • Matrix-Arrays für die volumetrische Diagnostik
  • therapeutische und kombinierte diagnostisch/therapeutische Sensoren
  • katheterbasierte Einelementwandler und Arrays
  • Sensoren für die Durchflussmessung in Gasen und Flüssigkeiten (z. B. auch Clamp-on)
  • Füllstands- oder Abstandssensoriken (z. B. Level-Metering im Tank, Einparkhilfen)
  • Fächer-Echolote, Sidescanner
  • volumetrische Sonar (basierend auf Mills-Cross-Technik oder Full-Matrix-Arrays)
  • Sonderlösungen für die sonarbasierte Objekterkennung (aktiv/passiv)

Wir arbeiten in enger Abstimmung mit den anderen Arbeitsgruppen der Hauptabteilung Ultraschall und bieten den vollständigen Entwicklungsprozess von der Idee bis zum Produkt. Dank unserer langjährigen Erfahrung, eines schlanken Entwicklungsprozesses und der exzellenten technischen Ausstattung sind kurze „Time-to-Market“-Zeiten realisierbar.

 

Medizinische Sensoren

© Foto Fraunhofer IBMT.

Hochfrequentes Linear-Array zur Bildgebung.

Ultraschall ist für viele Anwendungen im Bereich der Medizin bekannt. Hierunter fallen sowohl sensorische Untersuchungen als auch therapeutische Behandlungen.

Die Ultraschallbildgebung ist hierbei sicherlich die bekannteste Anwendung, aber auch die Blutflusskontrolle, Knochendensitometrie oder die Ultraschallbehandlung zur Heilungsförderung sind in der Medizin inzwischen stark verbreitet.

Wir bieten Entwicklungsdienstleistungen und Fertigungstechnologien für medizinsiche Sensoren bis Frequenzen von 50 MHz an. Hierunter fallen zum Beispiel:

  • Lineare- und Phased-Arrays zur Bildgebung
  • 2-dimensionale Arrays
  • Doppler-Sonographie Sensoren
  • katheterbasierte oder intravaskuläre Sonden
  • therapeutische Applikatoren
  • miniaturisierte Piezosysteme (z. B. Hörhilfen)

Industrielle Sensoren

© Foto Fraunhofer IBMT.

Luftschall-Phased-Array aufgenommenes Bild.

Ultraschall findet einen breiten Einsatz bei industriellen Messaufgaben. Das ideale Zusammenspiel zwischen Sensor, Messmedium und Messobjekt bei gegebenen Umweltbedingungen (Druck, Temperatur, Medium) ist dabei die Voraussetzung für qualtiativ hochwertige und sichere Signalauswertung.

Wir bieten Entwicklungsdienstleistungen und Fertigungstechnologien bis 50 MHz unabhängig vom Medium auf folgenden Beispielfeldern an.

  • Füllstandsmeßtechnik
  • Durchflussmesstechnik
  • Prozesskontrolle (z. B. Konzentrationsmessung)
  • Geometrievermessung
  • Anwesenheitskontrolle
  • Schichtdickenmessung

Luftschallwandler

© Foto Fraunhofer IBMT.

Luftschallwandler.

Insbesondere für die Abstandsmessung, die Durchflußbestimmung von Gasen oder die Oberflächencharakterisierung sind Ultraschallwandler für schallweiche Ausbreitungsmedien wie Luft erforderlich. Eine gleichzeitig sensitive wie auch breitbandige Übertragungscharakteristik bei vertretbaren Kosten ist oft nur durch anwendungsspezifische Entwicklungsarbeit zu erreichen.

Die Arbeitsgruppe Wandlerentwicklung stellt hier neben Markt- und Machbarkeitsanalysen auch Entwicklungskapazität für solche Sensoren zur Verfügung und kann die Aufgabenstellung bis zur Fertigung betreuen. Der obere Frequenzbereich der Anwendungen liegt im Bereich von 2 MHz.

Benetzte- und Kontaktwandler

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Ultraschall benetzte- und Kontaktwandler.

Benetzte- und Kontaktwandler bilden eine spezielle Gruppe der industriellen Sensoren, da sie direkt in Kontakt mit dem Medium bzw. dem Objekt stehen.

Somit erfahren sie nicht nur die Umgebungsbedingungen (z. B. Druck, Temperatur) direkt, sie müssen auch mit besondere Eigenschaften wie Medienbeständigkeit und Abriebfestigkeit in der industriellen Umgebung ausgestattet sein.

Wir bieten Ihnen unser gesamtes Dienstleistungssprektrum der Entwicklung und Fertigungstechnologien für Sensoren bis 50 MHz der folgende Bereiche an.

  • Füllstandsmesstechnik
  • Flussmesstechnik
  • Prozesskontrolle
  • Geometrievermessung
  • Qualitätskontrolle (z. B. Materialeigenschaften)

Unterwasser-Sensoren

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Sidescan Sonar System.

Ultraschallanwendungen im Unterwasserbereich stellen eine sehr große Gruppe mit einer langen Geschichte dar. Zu der Bandbreite der möglichen Anwendungen zählen unter anderen:

  • Fischschwarmsuche
  • Artenzählung
  • Objekterkennung und Identifikation
  • Kollisionsvermeidung
  • Bodenprofilvermessung
  • Sedimentprofilvermessung
  • Kommunikation
  • Navigationsunterstützung

Wir bieten für die genannten Bereiche Entwicklungsdienstleistungen und Fertigungstechnologien an. Hierunter fallen zum Beispiel:

  • Echolote
  • Sidescan Sonarsysteme
  • lineare Arrays zur Objekterkennung
  • 2-D-Arrays
  • Doppler-Sensoren
  • Kommunikationsmodule

 

Leistungsschallwandler

© Foto Fraunhofer IBMT.

Leistungsschallwandler.

Ultraschallanwendungen bei denen grosse Leistungen in ein Medium eingebracht werden bezeichnet man als Leistungsschallanwendungen. Hierunter fallen z. B.

  • Reinigung
  • Schweißen
  • Dispergieren
  • Desagglomerieren
  • Zerstören von Keimen, Gewebe oder Objekten

Wir bieten die komplette Bandbreite unserer Entwicklungsleistungen und Fertigungstechnologien für hocheffiziente Schwingsysteme für die folgenden Anwendungsbereiche an.

  • Sonotroden z. B. für die Schweißtechnik, Dispersion Dentaltechnik u.a.m.
  • Tonpilz-Verbundschwinger für die niederfrequente Reinigung
    Megaschall-Reinigungssysteme
  • Ultraschallapplikatoren für die Medizintechnik (z. B. Therapiegeräte, Nieren- und Gallensteinzertrümmerung (Lithotripsie)

 

Hochfrequente Ultraschallwandler

© Foto Fraunhofer IBMT.

Hochfrequente Ultraschalllinsen.

Fokussierte Ultraschalllinsen und nichtfokussierte Ultraschallwandler im Frequenzbereich zwischen 100 MHz und 1 GHz werden meist in der zerstörungsfreien Prüfung und in der biomedizinischen Forschung eingesetzt. Die geringen Wellenlängen bei hohen Frequenzen erlauben eine Erhöhung der räumlichen Auflösung. Werden hochfrequente Schallwellen noch zusätzlich mittels Linsen fokussiert, werden Fokusdurchmesser im Bereich von wenigen Mikrometern möglich.

Hochfrequente Ultraschallarrays

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100 MHz Ultraschallarray.

Hochfrequente Ultraschallarrays können in der zerstörungsfreien Prüfung und in der Medizin Anwendung finden. Gegenüber Ultraschallinsen bieten sie den Vorteil der Möglichkeit zur elektronischen Fokussierung und elektronischen Scans. Hierzu kann die 128-kanalige 100 MHz-Elektronik der Arbeitsgruppe Ultraschallsysteme/Klinische Anwendungen genutzt werden. Eine Erhöhung der Frequenz über 100 MHz hinaus ist für medizinische Anwendungen nicht sinnvoll, weil hier die Eindringtiefe des Schalls in Gewebe lediglich noch 2 mm beträgt. Typische Anwendungen befinden sich im Frequenzbereich bis 50 MHz.

Passive Baugruppen für den hochfrequenten Ultraschall

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Wafer.

Akustische Anpassungsschichten für den hochfrequenten Ultraschall stellen besondere Anforderungen. Sie sollen die akustische Impedanz des Ultraschallwandlers an die akustische Impedanz des zu untersuchenden Mediums anpassen und so eine maximale Transmission ermöglichen sowie gleichzeitig eine möglichst geringe Eigendämpfung aufweisen. Diesen Anforderungen genügen nanodotierte Anpassungsschichten. Über den Gehalt an Nanopartikeln kann die akustische Impedanz im Bereich zwischen 4 MRayl und 7 MRayl eingestellt werden. Dieser Bereich erlaubt optimierte Anpassungsschichten für die Grenzflächen zwischen Piezokeramiken und Wasser oder biologischen Materialien. Eine Dämpfung durch Streuung an den Nanopartikeln findet nicht statt, weil selbst bei 1 GHz die dispergierten Nanopartikel gegenüber der Schallwellenlänge sehr klein sind.

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