Untersuchung und Optimierung der akustischen Eigenschaften kapazitiver mikromechanischer Ultraschallwandler am Beispiel der medizinischen Diagnostik

Annette Lohfink

ISBN 978-3-8325-1064-0
181 Seiten, Erscheinungsjahr: 2005
Preis: 40.50 €

Kapazitive Ultraschallwandler, deren Herstellung mit Hilfe mikromechanischer Prozesse erfolgt ( Capacitive Micromachined Ultrasound Transducers - CMUTs), stellen einen neuen vielversprechenden Ansatz für verschiedene Anwendungsfelder dar. In der medizinischen Ultraschalldiagnostik versprechen Ultraschallwandler dieser Art eine bessere Bildqualität sowie eine einfachere Realisierung von 2D-Ultraschallarrays, mit denen eine schnelle 3D-Ultraschallbildgebung möglich ist. Am Beispiel von ersten CMUT-Arrays für dieses Anwendungsgebiet wurden im Rahmen dieser Arbeit die akustischen Eigenschaften dieser Ultraschallwandler untersucht und Wege aufgezeigt, mit denen sich das Wandlerprinzip optimal ausnutzen lässt. Im Vordergrund standen dabei {\em Finite Element Method} (FEM) Simulationen dieser Wandler mit dem Programm ANSYS r und Berechnungen mit Hilfe von Ersatzschaltbildern (ESBs). Anhand einer Reihe von Messungen an Testmustern, die ausschließlich mit Oberflächenmikromechanischen Prozessen am Institut für Mikrosensoren, -aktuatoren und -systeme (IMSAS), der Universität Bremen hergestellt wurden, erfolgte der Vergleich mit den gewonnenen analytischen und numerischen Ergebnissen.

Das im Rahmen dieser Arbeit entwickelte neuartige ESB für CMUTs (1D-Modell) zählt zu den wichtigsten Ergebnissen dieser Arbeit. Dieses Modell beruht auf einer eindimensionalen Beschreibung eines CMUT-Arrays mit Hilfe der Kolbenstrahler- und Plattenkondensator-Theorie und berücksichtigt -- im Gegensatz zu bisherigen ESBs -- das nichtlineare Verhalten dieser Wandler. Eine weitere wesentliche Verbesserung der ESB von CMUTs stellt die neue Beschreibung für den Einfluss des Fluids auf die Membranen eines parallel angesteuerten Arrays dar, die den imaginären Teil der mechanischen Impedanz des Fluids berücksichtigt.

Zusätzliche neue Ergebnisse dieser Arbeit resultieren aus den Untersuchungen der Kopplungen zwischen aktiven und passiven Wandlerzellen im Fluid. Diese wurden mit Hilfe eines einfachen Ansatzes, bei dem ein Fluidhalbraum mit einer endlich steifen Grenzfläche verwendet wurde, beschrieben und analysiert. Speziell das optimale Ausnutzen des Sendeverhaltens von CMUTs war Gegenstand dieser Arbeit. Ausführlich wird dabei auf Themen, wie z. B. die Bandbreite des Wandlers, der maximale Sendeschalldruck, die nichtlinearen Verzerrungen im Sendesignal aufgrund der nichtlinearen elektrostatischen Anregung und auf die Möglichkeit zur Vermeidung der unerwünschten nichtlinearen Verzerrungen, eingegangen.

Die Untersuchungen zu diesen Themen bestätigen, dass CMUTs die erforderlichen Leistungsspezifikationen für das Anwendungsgebiet der medizinischen Ultraschalldiagnostik erfüllen können.