Developement of improved imaging techniques and new, structured, high frequency ultrasound transducers for the acoustic microscopy

• Applicants: Dr.-Ing. Sylvia Gebhardt; Professorin Dr. Elfgard Kühnicke
• Subject Area: Measurement Systems ; Acoustics ; Glass, Ceramics and Derived Composites
• Term: from 2015 to 2020
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 283865772

• Final Report Year: 2020

Final Report Abstract

Mit dem Projekt wurde ein Beitrag zur Entwicklung der mehrkanaligen Technik für die Ultraschallmikroskopie geleistet. Durch die Weiterentwicklung des Soft-Mold-Verfahrens gelang es, Stäbchendurchmesser und -abstände innerhalb von 1-3-Piezokompositen so zu verringern, dass Ultraschallwandler mit Frequenzen bis 40 MHz hergestellt werden konnten. Dies stellt einen deutlichen Fortschritt gegenüber dem Stand der Technik, insbesondere gegenüber dem Dice-and-Fill-Verfahren dar, das eine Wandlerherstellung bis maximal 20 MHz zulässt. Bei der Kontaktierung ergaben sich technologische Schwierigkeiten, die innerhalb der beiden Arbeitsgruppen und auch von erfahrenen Schallkopfherstellern nicht bewältigt werden konnten, so dass es nicht gelang, ein 40 MHz-Annular-Array zu fertigen. Allerdings besitzen die hergestellten Einzelelement-Schallköpfe mit Mittenfrequenzen von 20 MHz und 40 MHz eine große Bandbreite, die gewünschte Mittenfrequenz und die vorausgesagten Schallfeldeigenschaften. Um funktionstüchtige mehrkanalige Schallköpfe herzustellen, wird aktiv im BMBF-geförderten Projekt „Sonikon“ an der Aufbau- und Verbindungstechnik sowie am Prüfkopfbau weiter geforscht. Die erreichten Parameter der aus dem Kompositematerial aufgebauten 20 MHz- und 40 MHz- Einschwinger-Schallköpfe zeigen das Potential von Schallköpfen aus Komposite-Material für die zerstörungsfreie Werkstoffprüfung (ZfP) und die medizinische Diagnostik. Die erreichte Schallintensität ist die Voraussetzung für die Erzeugung einer Ultraschallwelle mit einer ausreichenden Amplitude. Die Schallfeldform, die erreichte Signalform, Mittenfrequenz und Bandbreite zeigen das Potential zur Herstellung von Schallköpfen mit guter Auflösung. Die Verbesserung der Bildgebung wurde mit Annular-Arrays geringerer Mittenfrequenz vorangetrieben. Das entwickelte Verfahren für die gleichzeitige Schichtdicken- und Schallgeschwindigkeitsbestimmung liefert die Grundlage für eine Fokussierung, die an die jeweilige Prüfsituation bzw. das Prüfobjekt angepasst ist und ermöglicht somit eine gleichzeitige hochauflösende Prüfung in unterschiedlichen Tiefen. Die damit erreichte Verbesserung der Größenbestimmung von ebenen und gekrümmten Einschlüssen und die Erhöhung der Auflösung bei nur einem Scan zeigt das Potential der schallfeldbasierten Methoden und der Anwendung von Annular-Arrays für die Ultraschallmikroskopie. Diese Ansätze werden in einem Transferprojekt „Gleichzeitige Schichtdickenund Schallgeschwindigkeitsbestimmung für die multifokale Ultraschallmikroskopie“ weiterverfolgt.

Publications

• Annular arrays for novel ultrasonic measurement techniques, Journal of Sensors and Sensor Systems 5 (2016), 373-380
  M. Wolf, E. Kühnicke, S. Kümmritz, M. Lenz
  
• Towards Fabrication of High Frequency Ultrasonic Transducers Using Soft Mold Process, 2016 IEEE International Ultrasonics Symposium (IUS), Tours, France, September 18-21, 2016
  S. Gebhardt, P. Günther, S. Fröhlich, H. Neubert
  
• Approach for simultaneous determination of thickness and sound velocity in layered structures based on sound field simulations, In: AIP Conference Proceedings (Vol. 1806, No. 1, p. 090012), AIP Publishing LLC
  E. Kühnicke, M. Wolf, S. Kümmritz
  
• Investigation of embedded structures in media with unknown acoustic properties, Citation: AIP Conference Proceedings 1806, 080013 (2017)
  S. Kümmritz, M. Wolf, E. Kühnicke
  
• Manufacturing Technologies for Ultrasonic Transducers in a Broad Frequency Range, Proceedings of the International Workshop on Medical Ultrasound Tomography, Speyer, Germany, Nov 01-03, 2017, Hg. T. Hopp, N. Ruiter, J. C. Bamber, N. Duric and K. W. A. van Dongen. Karlsruhe: KIT Scientific Publishing. 2017, 147-158
  S. Gebhardt, K. Hohlfeld, P. Günther, H. Neubert
  
• Novel measurement techniques with annular arrays for scanning acoustic microscopy, In: AMA Conferences 2017 with SENSOR and IRS². Nuremberg Exhibition Centre, Germany, 30.05.–01.06.2017. Wunstorf: AMA Service GmbH, 329-333
  S. Kümmritz, A. Juhrig, L. Timmermann, E. Kühnicke
  
• Development of 40 MHz Ultrasonic Transducers via Soft Mold Process, TUFFC - IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, 2019, 09269-2018
  P. Günther, P. Neumeister, H. Neubert, S. Gebhardt
  
• Development of a 20 MHz annular-array – a balancing act between optimized design and technological opportunities, 2019 IEEE International Ultrasonics Symposium (IUS), Glasgow, United Kingdom, October 6-9, 2019, 1777-1780
  A. Juhrig, U. Schmidt, M. Wolf, E. Kühnicke, P. A. Günther, S. Gebhardt
  
• Development of a 20 MHz annular-arraya first step to a multichannel microscope, In Proceedings of Meetings on Acoustics ICU, vol. 38, no. 1, p. 032006. Acoustical Society of America, 2019
  A. Juhrig, U. Schmidt, M. Wolf, E. Kühnicke
  
• Fertigungstechnologien für Ultraschallwandler im Frequenzbereich zwischen 40 kHz und 40 MHz, tm - Technisches Messen, 86, 5, (2019), 297-306
  S. Gebhardt, P. Günther, K. Hohlfeld, H. Neubert