Gleichzeitige Schichtdicken- und Schallgeschwindigkeitsbestimmung für die multifokale Ultraschallmikroskopie

• Antragstellerin: Professorin Dr. Elfgard Kühnicke
• Fachliche Zuordnung: Messsysteme
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 427525397

Ziel dieses Projektes ist die Bereitstellung eines multifokalen Ultraschallmikroskopiesystems zur gleichzeitigen Untersuchung in verschiedenen Tiefen für Analysefrequenzen von 100 bis ca. 250 MHz für ein breites Spektrum von Forschungsdisziplinen. Neben der Anwendung in der Elektronikprüfung, wie z.B. die Prüfung mehrlagiger elektronischer Bauelemente, liefert das Mikroskop zahlreiche Innovationsimpulse u.a. für Mikrofluidik und Biotechnologie. So rückt z.B. infolge der stark reduzierten Messzeit die in situ-Beobachtung biologischer Prozesse in greifbare Nähe.Die Vorteile eines multifokalen Mikroskops bestehen in der Möglichkeit der Variation des Fokuspunktes und damit der Fokussierung in verschiedene Tiefen bei konstantem Abstand zum Untersuchungsobjekt sowie in einer erhöhten Genauigkeit bei wesentlich geringerem Zeitaufwand im Vergleich zu einem einkanaligen Mikroskop. Bei unbekannter Zusammensetzung und Struktur des geschichteten Prüfobjekts ist dazu die Weiterentwicklung und Anwendung des Verfahrens zur gleichzeitigen Schallgeschwindigkeits- und Abstandsbestimmung erforderlich. Das Verfahren ermöglicht die Optimierung der Ansteuerzeiten zur Fokussierung und somit das Erreichen der maximal möglichen Auflösung. Durch die hohen Analysefrequenzen in Verbindung mit einer mehrkanaligen Technik ergeben sich erhebliche Herausforderungen hinsichtlich (i) der schallfeldbasierten Auslegung des Systems aus Annular-Array und asphärischer Linse, (ii) der notwendigen hochpräzisen Fokussierungselektronik, (iii) der Bereitstellung von Algorithmen zur Verarbeitung der hochfrequenten Signale sowie (iv) der Sicherstellung einer hohen Signalenergie. Die Anforderungen an das zu entwickelnde, vorfokussierte Annular-Array bestehen in einer sehr geringen Elementzahl bei gleichzeitig hervorragenden Fokussierungseigenschaften und einer exakten Abstimmung von Array-Krümmung und asphärischer Linse, so dass in jeder Tiefenlage des Prüfobjektes eine Fokusausdehnung im Bereich der Wellenlänge erzielt werden kann. Die Fertigung der Arrays erfordert die Nutzung modernster Technik und Herstellungstechnologien bei der Linsenfertigung, der Aufbringung des Schwingers in Dünnschichttechnologie und der Elektrodenstrukturierung. Die Elektronik muss eine quasisimultane Ansteuerung der einzelnen Arrayelemente erlauben, um den Fokus in der gewünschten Ebene zu platzieren und dessen Ausdehnung extrem zu verkleinern, sowie um hochfrequente Signale aufnehmen, digitalisieren und beliebig verarbeiten zu können. Die Analysesoftware liefert hochaufgelöste Quasi-3D-Bilder.Die Lösung der Aufgaben erfordert die enge Zusammenarbeit mit einem Praxispartner, der bereits Elektronik und Auswertungssoftware für einkanalige Mikroskopiesysteme entwickelt hat und die Herstellungstechnologie für hochfrequente Schallköpfe beherrscht.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen (Transferprojekt)
• Anwendungspartner: PVA TePla Analytical Systems GmbH
• Mitverantwortlich: Professor Dr.-Ing. Christian Kupsch, seit 4/2023