Ultraschall als Schlüsseltechnologie
Insbesondere aus der Medizintechnik ist Ultraschall nicht mehr wegzudenken. Neben therapeutischen Einsatzmöglichkeiten nimmt Ultraschall vor allem in der Diagnostik eine wichtige Rolle ein. Dabei ermöglicht dieser nicht nur die Durchführung hochauflösender und schonender Bildgebung, sondern auch die Messung von Atemströmen mit so genannten Spirometern. In diesen Geräten wird mithilfe zweier Ultraschallwandler die Strömungsgeschwindigkeit der ein- oder ausgeatmeten Luft eines Patienten bestimmt, um Rückschlüsse auf die Lungenfunktion ziehen zu können.
In gängigen Systemen werden hierfür piezokeramische Ultraschallwandler eingesetzt. Diese enthalten das gemäß der REACH-Verordnung als toxisch eingestufte PZT. Trotz der noch bestehenden RoHS-Ausnahmegenehmigung ist zu erwarten, dass dieses Material mit dem Markteintritt von Alternativen verboten wird. Daher ist es von zentraler Bedeutung alternative Wandlerformen für den Einsatz in der Medizintechnik zu erforschen.
Hierbei rücken die bereits seit einigen Jahren in Spezialanwendungen vorzufindenden kapazitiven Ultraschallwandler (CMUTs) in den Fokus. Diese mikro-elektromechanischen Bauteile (MEMS) besitzen weitreichende Vorteile gegenüber den etablierten Piezokeramiken: neben einer höheren Bandbreite und die Möglichkeit zur skalierbaren und kostengünstigen Herstellung mithilfe von Halbleiterprozessen ist deren inhärent geringere Anfälligkeit gegenüber Körperschall von entscheidender Bedeutung. Dies erlaubt die besonders dichte Integration mehrerer CMUT-Zellen auf einem einzigen Wandler-Chip, um so ohne mechanischen Crosstalk ein Array vieler kleiner unabhängiger Ultraschall-Sender zu bauen. Damit lassen sich aus der Antennentechnik bekannte Effekte wie Beamforming auf die akustische Ebene übertragen.
Davon profitieren nicht nur Anwendungen in der Medizintechnik, sondern auch zahlreiche weitere Einsatzgebiete für luftgebundenen Ultraschall.

Ziele Im Projekt
Um das volle Potential von akustischem Beamforming für eine Vielzahl an Anwendungen zu entfalten, ist es unerlässlich, dass möglichst viel Schalldruck entlang der gewünschten Richtung konzentriert werden kann. Einen intensitätsmindernden Einfluss auf diese so genannte Hauptkeule hat die Ausbildung von Gitter- und Nebenkeulen.
Im Rahmen des Projekts ASCEND soll ein Ultraschallwandler-Array auf CMUT-Basis mit aktiv kompensierten Nebenkeulen realisiert werden, um gemeinsam mit den beiden Industriepartnern Ganshorn Medizin Electronic GmbH und SECO Sensor Consult GmbH einen effizienten Einsatz der Beamforming-Technologie im luftgebundenen Ultraschall-Anwendungsbereich zu ermöglichen.