Ein Sensor dünner als ein Haar hört Ultraschall in der Luft

Ein gemeinsames Forschungsteam unter der Leitung der Professoren Sangyoon Han und Jaesok Yu vom Fachbereich Robotik und Mechatronik am DGIST (Präsident Kunwoo Lee) hat mithilfe von Halbleiterfertigungsverfahren den weltweit ersten optischen Miniatur-Ultraschallsensor entwickelt, der dünner ist als ein menschliches Haar. Der Sensor erfasst präzise und berührungslos Ultraschallwellen im Megahertz-Bereich, die durch die Luft übertragen werden. Damit könnte er die zerstörungsfreie Prüfung auf innere Defekte in Halbleitern und Sekundärbatterien unterstützen.

erührungslose Prüfung scheiterte bislang an der Signaldämpfung

Bei der zerstörungsfreien Ultraschallprüfung, bei der innere Defekte ohne Demontage von Maschinen erkannt werden, muss in der Regel ein Medium wie Gel auf das Zielobjekt aufgetragen werden (Kontaktprüfung), um eine genaue Untersuchung zu gewährleisten. Diese Methode lässt sich jedoch nur schwer auf hochentwickelte Bauteile anwenden, die empfindlich gegenüber Verunreinigungen oder Beschädigungen sind. Ein „berührungsloser“ Ansatz, bei dem Ultraschallwellen durch die Luft gesendet und empfangen werden, wurde als Alternative in Betracht gezogen, weist jedoch eine entscheidende Einschränkung auf: Ultraschallsignale schwächen sich in der Luft rapide ab. Insbesondere die Erkennung mikroskopisch kleiner Fehler erfordert hohe Frequenzen (im MHz-Bereich), doch die Signaldämpfung nimmt mit steigender Frequenz stärker zu. Daher war die Entwicklung eines Sensors, der „Hochfrequenzbetrieb, hohe Empfindlichkeit und Miniaturisierung“ vereint, lange Zeit eine große Herausforderung.

Dem Forschungsteam gelang ein Durchbruch bei der Lösung dieses Problems durch den Einsatz eines optischen Ansatzes, bei dem durch Schall (Ultraschall) verursachte winzige Schwingungen mithilfe von Licht erfasst werden. Unter Verwendung der in der Halbleiterindustrie weit verbreiteten Technologie der „Siliziumphotonik“ integrierte das Team sowohl eine optische Schaltung, durch die Licht läuft, als auch eine mikromechanische Struktur (einen ultradünnen Ausleger), die als Reaktion auf Schall schwingt, auf einem einzigen Halbleiterchip.

Wenn Ultraschall den Sensor erreicht und die mikromechanische Struktur dazu bringt, auf und ab zu schwingen, ändern sich die Wellenlänge und die Intensität des daneben vorbeilaufenden Lichts geringfügig. Der Sensor erfasst diese Lichtveränderungen und wandelt sie in ein Ultraschallsignal um. Dies ist weltweit das erste Mal, dass ein „optomechanischer Ultraschallempfänger“ auf einem einzigen Chip unter Verwendung eines einzigen Halbleiterfertigungsprozesses realisiert wurde, ohne die sperrigen Linsenkomponenten oder komplexen Montageprozesse, die bei herkömmlichen optischen Sensoren erforderlich sind.

Hohe Empfindlichkeit trotz winziger Sensorfläche

Der entwickelte Sensor liefert trotz einer Sensorfläche von nur 0,0004 mm² (30 μm × 13,5 μm) – dünner als ein menschliches Haar. Seine Empfangsempfindlichkeit pro effektiver Sensorfläche wurde gemessen und liegt mehr als 25.000-mal höher als bei bestehenden handelsüblichen Ultraschallsensoren. Sein extrem hochempfindliches Design überwindet somit die physikalische Grenze der Signaldämpfung in der Luft.

Ein wesentlicher Vorteil dieser Technologie besteht darin, dass sie ohne Anpassungen mithilfe der bestehenden Infrastruktur von Halbleiterfertigungsanlagen (Auftragsfertigung) für 8-Zoll-Siliziumwafer in Serie hergestellt werden kann. Durch eine einfache Änderung des Design-Layouts lassen sich Sensoren, die bei unterschiedlichen Frequenzen arbeiten, gleichzeitig auf einem einzigen Wafer herstellen. Damit ist diese Technologie eine wichtige proprietäre Technologie, die das Ökosystem der Siliziumphotonik über seinen traditionellen Schwerpunkt in der Kommunikation hinaus auf Anwendungen in der industriellen Messtechnik und der medizinischen Bildgebung ausweiten könnte.

Professor Sangyoon Han vom Fachbereich Robotik und Mechatronik am DGIST erklärte: „Diese Studie zeigt, dass ein Ultraschallsensor unter Verwendung eines einzigen Halbleiterbauelements hergestellt werden kann, ohne dass eine komplexe Montage mehrerer Komponenten erforderlich ist. In Zukunft werden wir diese Technologie zu einem optischen Ultraschallsystem in Form eines hochdichten Arrays weiterentwickeln, das Dutzende von Empfängern auf einem einzigen Chip integriert.“ Professor Jaesok Yu erklärte: „Wir planen, die Anwendungsmöglichkeiten dieser Technologie über die berührungslose Prüfung von verunreinigungsempfindlichen Halbleiterwafern, Sekundärbatterien oder Verbundwerkstoffen hinaus auf die Bereiche der medizinischen und biologischen Bildgebung auszuweiten.“

Diese Forschungsarbeit wurde von der Samsung Science & Technology Foundation und einem Programm der National Research Foundation of Korea unterstützt. Die DGIST-Professoren Sangyoon Han und Jaesok Yu sowie KAIST-Professor Jungwon Kim fungierten als korrespondierende Autoren, während Sangwoo Nam, Student des integrierten Master- und Doktorandenprogramms am DGIST, und Dr. Jae Hyun Kim als Co-Erstautoren auftraten.