Breitbandige Ultraschallwandler für hohe Temperaturen

Silizium basierende Fertigungsprozesse haben sich in den letzten Jahrzehnten derart rasant entwickelt, daß heutzutage Strukturen bis in den Nanometerbereich hinein gefertigt werden können. In den letzten 10 Jahren wurde dieser Fortschritt erfolgreich genutzt, um Rückplatten für kapazitive Ultraschallwandler (CUT) und komplett mikromaschinell gefertigte kapazitive Ultraschallwandler (cMUT) mit hoher Genauigkeit und Reproduzierbarkeit zu realisieren. Zur Zeit erreicht und übertrifft diese neue Technologie die piezoelektrische Ultraschallwandlertechnologie bezüglich Effizienz und Breitbandigkeit, besonders im Bereich des luftgekoppelten Ultraschalls. Allerdings gibt es einen signifikanten Mangel an einer Wandlertechnologie, welche in der Lage ist breitbandigen Ultraschall in heißen gasförmigen Medien zu generieren und zu empfangen. Aufgrund dieser Tatsache mußten bis heute viele vielversprechende Anwendungen unrealisiert bleiben, wie zum Beispiel die zerstörungsfreie Ultraschallprüfung von heißen Oberflächen und Materialien und die akustische Ultraschallgasdurchflußmessung von heißen und pulsierenden Gasen, wie z.B. der Abgasmassendurchfluß von automobilen Verbrennungsmotoren. Besonders das letzte Anwendungsbeispiel für diese Wandlertechnologe hat ökologische Bedeutung. Ein derartiges Meßsystem, welches als Basis für die Kontrolle und Optimierung (und damit auch für die Reduktion) der Schadstoffemissionen von automobilen Verbrennungsmotoren angesehen werden kann, wird in Zukunft eine wesentliche Rolle bei der Verbesserung der individuellen Lebensqualität von uns allen spielen. Das Hauptziel dieses Projektes ist es eine neue kapazitive Ultraschallwandlertechnologie zur Verfügung zu stellen, welche effizient breitbandigen Ultraschall in heißen gasförmigen Medien generieren und empfangen kann. Das Projekt läßt sich in zwei Schritte gliedern: in einem ersten Schritt ist es geplant die Forschung an einem von mir mitentwickelten neuen Ansatz der Realisierung von Rückplatten für kapazitive Ultraschallwandler fortzusetzen. Dieser Ansatz besteht in der Verwendung einer einseitig strukturierten Silizium Rückplatte, welche auf der strukturierten Seite als Isolationsschicht ein thermisch gewachsenes Oxid aufweisen und in der Verwendung einer dünnen elektrisch leitfähigen Titanfolie als bewegliche Membran. Im Vergleich zum Stand der Technik ist es dadurch bereits gelungen in einen bemerkenswerten Temperaturbereich (circa 500-600 Grad Celsius) vorzudringen. Allerdings sind auch einige Probleme (z.B. ein Polarisationsverhalten) bei den ersten Tests festgestellt worden, welche weitere Forschungen erfordern; in einem zweiten Schritt ist es geplant die Technologie der cMUTs ebenfalls bezüglich hoher Temperaturen zu erweitern.