Ziel der Entwicklung

Der Ultraschall umfasst Frequenzen zwischen zirka 20 Kilohertz und einem Gigahertz. Ultraschall kann sich in Longitudinal- sowie auch in Transversalwellen ausbreiten. In Gasen und Flüssigkeiten breitet sich Ultraschall nur in Longitudinalwellen aus. Damit der Ultraschall von Luft in ein anderes Medium koppeln kann, müssen die Schallwellen sehr dicht an diesem Medium abgestrahlt werden. Ultraschall wird je nach der Materialeigenschaft eines Hindernisses an diesem reflektiert oder absorbiert. In Luft steigt die Dämpfung der Ultraschallwelle proportional mit der Erhöhung der Frequenz. In Flüssigkeiten hingegen breitet sich die Schallwelle bis zu einer bestimmten Intensität dämpfungsarm aus.
Aus den physikalischen Eigenschaften des Ultraschalls ergeben sich vielfältige Anwendungsbereiche, sowohl in der Materialbearbeitung wie zum Beispiel Ultraschallschwingläppen, Ultraschallschweißen als auch in der Messtechnik, unter anderem Ultraschallmikroskopie, Entfernungsmessung, Durchflussmessung, Konzentrationsmessung, Dichtemessung und bildgebende Diagnostik.
Die wesentlichen Messverfahren basieren auf Laufzeitmessungen. Der Aufbau besteht aus einem Sender und einem Empfänger. Sender und Empfänger sind oft identisch aufgebaut, sodass für einfache Anwendungen ein Bauelement für eine Funktionsgruppe ausreicht. Das Funktionsprinzip der hauptsächlich eingesetzten elektroakustischen Wandler basiert auf piezoelektrischen Volumenschwingern. Diese werden in der sogenannten Dickenresonanz betrieben. Die maximale Betriebsfrequenz in Luftumgebung liegt bei 500 Kilohertz. Die prinzipbedingte, mit zunehmender Frequenz stark ansteigende Dämpfung im Gas, bildet die Ursache für die Begrenzung der Betriebsfrequenz.
Die Schallgeschwindigkeit ist eine Materialeigenschaft. Daher wird sie zur Analyse von Zweistoffsystemen verwendet. Dieses Verfahren ist besonders prädestiniert zur Messung der Hochfeuchte bei Temperaturen über 200 Grad Celsius. Die Schallgeschwindigkeit in Wasserdampf ist zirka 25 Prozent größer als in trockener Luft. Daher muss bei Trocknungsprozessen die Luftfeuchte vielfach bei Temperaturen bis 300 Grad Celsius sowie hoher relativer Feuchtigkeit gemessen werden. Die Schallgeschwindigkeit in Luft-Wasserdampf-Gemischen liegt dann zwischen diesen Werten. Die Temperaturabhängigkeit der Schallgeschwindigkeit ist zu berücksichtigen.
Über diese Beziehung lassen sich Konzentrationen von Zweistoffsystemen auch bei hohen Temperaturen bestimmen.
Für die Messgenauigkeit ist die Ultraschallfrequenz die bestimmende Größe.
Trotz ihrer Nachteile, wie Impedanzfehlanpassungen und Frequenzbereichsbeschränkungen, dominieren seit Jahrzehnten traditionelle piezoelektrische Wandler die Ultraschallbildgebung und Messtechnik. Das zurzeit bevorzugt eingesetzte Material ist Blei-Zirkonat-Titanat (PZT) zur Ultraschallerzeugung. Das PZT besitzt hervorragende piezoelektrische Eigenschaften, ist aber leider nicht konform mit der EU-Richtlinie 2011/65/EU (Bleifreirichtlinie) und auch nicht für einen CMOS-kompatiblen Waferprozess geeignet.
Aus einschlägigen wissenschaftlichen Veröffentlichungen geht hervor, dass zunehmend an sogenannten „Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducers“ (CMUT) gearbeitet wird. Diese sind kapazitiv betriebene Sensor-Aktor-Systeme, hergestellt mittels Oberflächenmikromechanik.
Zielstellung
Zur Ultraschallgenerierung wird ein elektroakustischer Aktor mit einem piezoresistiven Detektor gekoppelt. Sie bilden die Basis für verschiedene ultraschallbasierte Sensorsysteme. Das piezoresistive Prinzip besitzt den Vorteil, dass viele potentielle Anwender bereits ein sehr ausgereiftes Know-how zur Auswertung piezoresistiver Messbrücken besitzen. Somit sinkt die Hürde zum Einsatz dieser Technologie, da die Entwicklung der Elektronik das Know-how der Kunden bildet. Zur Herstellung wird eine robuste 3D-Technologie verwendet. Damit kann eine sichere Funktion selbst unter anspruchsvollen Umgebungsbedingungen gewährleistet werden. Harsche Umgebungsbedingungen sind im vorliegenden Fall der Reihe nach gewichtet:
Hohe Luftfeuchtigkeit, relevant für Füllstandsmessungen im Behälter; Aerosol aus Lösungsmitteln; erhöhte Temperaturen von 150 bis 300 Grad Celsius, kombiniert mit Hochfeuchte.
Das System, basierend auf einer Sensor-Empfänger-Anordnung, kann auf verschiedene kundenspezifische Anwendungen angepasst werden.
Die Zielparameter beziehen sich ausschließlich auf die Ultraschalleigenschaften: Frequenzbereich bei 100 Kilohertz bis 5 Megahertz; höhere Langzeitstabilität bei einfacherem Aufbau und geringeren Kosten und Einsatzfähigkeit bei Temperaturen bis 300 Grad Celsius.

Vorteile und Lösungen

Der Aufbau verwendet ausschließlich Materialien, welche bis 300 Grad Celsius resistent sind. Durch die Konstruktion ist es möglich, den Ultraschallausgang sowie die Mechanik hermetisch vom elektrostatischen Aktor und den elektrischen Anschlüssen zu trennen. Dies ist notwendig, um unter harschen Umweltbedingungen den Aktor zu betreiben. Der Aktor arbeitet bei seiner Resonanzfrequenz. Durch seine hohe Güte kann eine hohe akustische Leistung erzeugen werden Die Bauelemente können als Sender und Empfänger verwendet werden. Für einfache Messungen ist ein Bauelement ausreichend. Für Präzisionssmessungen und geringe Abstände werden zwei Bauelemente mit gleicher Resonanzfrequenz verwendet.
Das entwickelte System ist zur Distanzmessung und Bestimmung der Luftfeuchtigkeit bei hohen Temperaturen geeignet.

Zielgruppe und Zielmarkt

Die Entwicklung ist eine Technologieplattform für die Messung verschiedener Prozessgrößen, wie zum Beispiel: Konzentrationen von Zweistoffsystemen bei hohen Temperaturen, in Kombination mit hoher Luftfeuchtigkeit, in binären Gemischen von Säuren, Laugen, Emulsionen oder Suspensionen / Füllstände unter harschen Umweltbedingungen, zum Beispiel siedende Flüssigkeiten.
Zielmarkt ist vorzugsweise die Prozessmesstechnik. Mit Hilfe der entwickelten Technologieplattform werden anwendungsspezifische Lösungen angeboten.