Praxissemesterbericht

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1 Praxissemesterbericht Johannes Wendel Matr.-Nr Semester Medizintechnik WS 2007/2008 Forschungszentrum Karlsruhe in der Helmholtz-Gemeinschaft Betreuer: Prof. W. D. Dahlke Michael Zapf, Georg Göbel 2. Praxissemester am Forschungszentrum Karlsruhe Institut für Prozessdatenverarbeitung und Elektronik Projektgruppe Ultraschall-Computertomographie (USCT)

2 Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung und Einführung Zeitplan Das Forschungszentrum Karlsruhe Institut für Prozessdatenverarbeitung und Elektronik (IPE) USCT Projekt Projektgruppe USCT Die ärztliche Untersuchung mit dem USCT Pro und Contra Der Aufbau Das System Analyse für eine Medizingeräte Evaluation Evaluation des USCT Radiologische Grenzwerte Nachweis der Schallwellenintensität Zuordnung der Risikoklassifizierung Sensoroptimierung für die zweite Generation USCT Das Transducer Array System (TAS) Der TAS Aufbau Weiterentwicklung des Sensors Prozesskette für alternativen Sensoraufbau Herstellen einer Urform Anbringen der elektrischen Kontakte Anbringen der elektrischen Kontakte Konstruktion der Sputtermaske Die Galvanikmaske Fertigstellung der Galvanikmaske Einsatz der Galvanikmaske Ultraschallbonding: Aufbau von Testsensoren Auswertung der neuen Sensoren Testen der Sensoren Die Verstärkerelektronik Der Superabsorber Der SNR (Signal-to-Noise Ratio) Messplatz Impedanzverhalten des Ultraschallsensorarrays Auswertung der neuen Sensoren am SNR Messplatz Anhang Quellverzeichnis USCT Sachwortverzeichnis Konformitätserklärung

3 Abbildungsverzeichnis Abb.1 Abb.2 Abb.3 Abb.4 Abb.5 Abb.6 Abb.7 Abb.8 Abb.9 Abb.10 Abb.11 Abb.12 Abb.13 Abb.14 Abb.15 Abb.16 Abb.17 Abb.18 Abb.19 Abb.20 Abb.21 Abb.22 Abb.23 Abb.24 Abb.25 Abb.26 Abb.27 Abb.28 Abb.29 Abb.30 Abb.31 Abb.32 Abb.33 Abb.34 Abb.35 Luftaufnahme des Forschungszentrums Projektgruppe des USCT Messzylinder des USCT Liegeposition der Patientin Aufnahmen eines Brustphantoms Hardware Aufbau des USCT von hinten Hardware Aufbau des USCT von der Seite Hardware Aufbau des USCT von oben Schematischer System Aufbau Diagramm für die geforderten Prüfungen Diagramm zur Schädigungsgrenze von Ultraschall Diagramm der Schallintensität I über Abstand d Diagramm des Druckes p über den Abstand d Diagramm zur Zuordnung der Risikoklassifizierung Das TAS (Transducer Array System) Der schematische TAS Aufbau Prototyp des neuen Sensors Ur-Form aus Keramik Vergossener und gelappter Grünling Gesägte Keramik im Querschnitt Halterung für den Grünling in der Draufsicht Halterung für den Grünling von der Seite CAD Zeichnung für die Galvanikmaske Fertig aufgebaute Galvanikmaske Fertige Keramik nach allen Arbeitsschritten Chip mit Bonddrähten Versuchsaufbau zur Messung der Sensoren Schaltplan der Verstärkerelektronik Eigenschaften des Polyacrylats Der große Sensor Messplatz Diagramm des Impedanzverlauf eines Sensors Grafik des Abstrahlwinkels eines Sensors mit 4 Feldern Grafik der Intensitätsstärke eines Sensors mit 4 Feldern Grafik des Abstrahlwinkels eines Sensors mit 9 Feldern Grafik der Intensitätsstärke eines Sensors mit 9 Feldern 3

4 1 Einleitung und Einführung 1.1 Zeitplan September 2007 Einarbeitung in das Projekt USCT Oktober 2007 Evaluierung des USCT und Dokumentation November Dezember 2007 Aufbau von Testsensoren Erstellen neuer Prozesse Januar Februar 2008 Messen und auswerten neu aufgebauter Sensoren Dokumentation und Präsentation Ich habe mich für diesen Praktikumsplatz beworben, weil ich das Projekt USCT sehr interessant fand und daran mitwirken wollte. Während meiner Zeit im Forschungszentrum konnte ich gute Einblicke in die unterschiedlichsten Forschungsthemen gewinnen und meine Arbeit war sehr abwechslungsreich und interessant. Ich konnte viele neue Erkenntnisse gewinnen und die Forschung im Bereich der Sensorik mit voranbringen. 4

5 1.2 Das Forschungszentrum Karlsruhe Abb. 1 Luftaufnahme des Forschungszentrums Das Forschungszentrum Karlsruhe (FZK) ist Mitglied der Hermann von Helmholtz- Gemeinschaft und gehört zu den größten natur- und ingenieurwissenschaftlichen Forschungseinrichtungen in Deutschland. Seine 24 Forschungsinstitute sind fünf Bereichen zugeordnet: Struktur der Materie Erde und Umwelt Gesundheit Energie und Schlüsseltechnologien Gesellschafter Bundesrepublik Deutschland (90 %) Land Baden-Württemberg (10 %) Gründungsjahr 1956 Lage und Fläche 12 Kilometer nördlich der Stadt Karlsruhe dehnt sich das Forschungszentrum Karlsruhe mit seinen Gebäuden und Anlagen auf einer Fläche von 2 km² aus. Personal Das Forschungszentrum Karlsruhe hat über 3800 Beschäftigte, davon etwa 1420 Wissenschaftler (darunter 190 ausländische Gäste), 60 Professoren, 185 Doktoranden und über 300 Auszubildende Jahresbudget 2005 Geschäftsbereich Forschung: 316 Mio. Euro, davon 75 Mio. Euro eigene Erträge. 5

6 1.3 Institut für Prozessdatenverarbeitung und Elektronik (IPE) Abb. 2 Die Forschungsgruppe des USCT Das USCT Team setzt sich aus festangestellten Mitarbeitern, Doktoranden, Diplomanden und Praktikanten zusammen Das IPE gehört innerhalb des Forschungszentrums Karlsruhe dem Forschungsbereich Schlüsseltechnologien an. Es ist zuständig für die Entwicklung von komplexen Datenaufnahmesystemen, für Anwendungen mit sehr hohen Datenraten und hohen zeitlichen Anforderungen. Einen weiteren Schwerpunkt stellen die Fertigungstechnologien für mikroelektronische Schaltungen dar. Die Kompetenzen des Institutes werden in fünf Fachgruppen zusammengefasst: Software-Methoden Prozessautomatisierung Mikroprozessorsysteme EDA & ASIC (Entwurfsautomatisierung in der Informationstechnik und kundenspezifische integrierte Schaltungen) Fertigungstechnik Als Anwendungsgebiete können Struktur der Materie, Inspektionsroboter, Mikrosystemtechnik und Medizintechnik genannt werden. Am IPE sind ca. 70 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter beschäftigt. Des Weiteren arbeiten viele Studenten in Praxissemestern oder für Diplomarbeiten am Institut. Internetpräsenz des Instituts für Prozessdatenverarbeitung und Elektronik unter: 6

7 2 USCT Projekt 2.1 Projektgruppe USCT TAS (Transducer Array System) Distribution Boards Messzylinder Abb. 3 Der Messzylinder des 3D-Demonstrators für die Ultraschall-Computertomographie Die Projektgruppe Ultraschall-Computertomographie arbeitet seit 2000 an der Entwicklung eines neuartigen 3D Ultraschall-Computertomographen. Ziel des Projekts ist der Prototyp eines serienreifen Ultraschallgeräts, mit dem hochwertige Volumenbilder, z. B. für eine verbesserte Brustkrebsdiagnose, erstellt werden sollen. Die 3D-Ultraschall-Computertomographie arbeitet mit unfokussiertem Ultraschall, der in einen wassergefüllten Edelstahlzylinder eingestrahlt wird. Ein gesendetes Ultraschallsignal durchläuft den Messzylinder und wird an über 1500 Empfangspositionen wieder aufgenommen. Befinden sich Objekte im Wasser, so verändern sich die Ultraschallsignale durch Reflexion, Dämpfung und Brechung im Gewebe und an den Gewebegrenzen. Die Auswertung dieser Signale ermöglicht die Rekonstruktion der Objekte im Messzylinder über eine synthetic aperture focussing technique (SAFT) basierende Bildgebung. Es wird erwartet, dass durch die höhere Bildqualität die Diagnose in einem früheren Stadium der Krebsbildung erstellt werden kann. Eine frühzeitige Brustkrebserkennung steigert deutlich die Chance auf eine erfolgreiche Behandlung der Patientinnen. 7

8 2.2 Die ärztliche Untersuchung mit dem USCT Abb. 4 Skizze für die Liegeposition bei der späteren Ultraschall Untersuchung Der Ultraschall-Computertomograph besteht aus einem wassergefüllten Zylinder, der die Brust der liegenden Patientin umschließt. Das Wasser wird auf Körpertemperatur aufgeheizt. Von den Ultraschallwellen spürt die Patientin nichts. Die Brust hängt frei und ohne Deformationen nach unten in den mit Wasser gefüllten Messzylinder. Durch die unverformte Brust (im Gegensatz zur Standard-Mammographie) können auffällige Gewebestrukturen in den erzeugten Bildern in 3D lokalisiert werden. Aufnahmen die zu unterschiedlichen Zeitpunkten angefertigt wurden, können Veränderungen an der Brust aufzeigen. Der Messvorgang soll später einmal in weniger als einer Minute abgeschlossen sein, da die Patientin während der Aufnahme möglichst bewegungsfrei liegen bleiben muss. Mit dem Ergebnis - ein hochaufgelöstes 3D-Bild der gesamten Brust - lässt sich nicht nur feststellen, ob die weibliche Brust von Krebs befallen ist, sondern auch an welcher Stelle genau sich das kranke Gewebe befindet. Aktueller Entwicklungsstand Mit dieser Methode ist es bereits möglich in einer ringförmigen Anordnung, dass in einer Ebene noch Nylonfäden von 0,1 mm Durchmesser mit einem Abstand von 0,5 mm Durchmesser erkannt werden (siehe Abb.5). Die In vitro Untersuchungen sind sehr vielversprechend ausgefallen. Mit dem neuen Prototyp sollen nun In vivo Untersuchungen durchgeführt werden. Eine Herauforderung dabei ist die Bürokratie für die Genehmigung solcher Versuche. Ein großes Problem ist auch die enorme Datenmenge von 20GB, die bei jeder Messung anfällt. Das Ziel ist es, so detaillierte Aufnahmen zu machen, dass schon Tumore, die kleiner als 5 mm sind, sichtbar werden. Das ist eine deutliche Verbesserung, wenn man bedenkt, dass heute bei der Erstdiagnose mit Röntgenmammographie der Brustkrebs im Mittel schon ca. 1 cm groß ist. Bei einer Tastuntersuchung werden Tumore im Mittel erst mit einem Durchmesser von 2 cm entdeckt. Damit würde die Metastasenwahrscheinlichkeit bei der Detektion des Brustkrebses von heute ca. 30 % auf ca % gesenkt werden. Dies wiederum würde die Überlebenswahrscheinlichkeit der betroffenen Frauen erheblich steigern. 8

9 2.3 Pro und Contra Abb. 5 Bisherige Aufnahmen eines Brustphantoms sind sehr detailgenau und hochauflösend Pro USCT Die Ultraschall-Computertomographie ermöglicht den Blick von allen Seiten in die Brust, so dass Abschattungen durch andere Gewebeteile erheblich vermindert werden. Der feste Aufbau des USCT und die Untersuchung ohne Deformierung der Brust ermöglichen eine gute Lokalisierbarkeit und reproduzierbare Bilder. Durch mehr Bildschärfe und mehr Kontrast verbessert sich die Bildqualität und kleinere Strukturen können detailgenauer dargestellt werden. Die Aufnahmen sind weniger verrauscht und haben eine höhere räumliche Auflösung als konventionelle Sonographieaufnahmen. Frühzeitigere Brustkrebsdiagnosen durch die verbesserte Bildqualität erhöhen die Heilungs- und somit auch die Überlebenschancen der Betroffenen. Im Gegensatz zur Mammographie, ist USCT auch für junge Patientinnen mit dichtem Bindegewebe geeignet. Ultraschall wird, anders als Röntgenstrahlung, nicht zu stark vom Bindegewebe absorbiert. USCT ist eine strahlungsfreie, unschädliche und risikofreie Diagnosemethode. Die Aufnahmeprozedur ist für die Patientinnen angenehmer, da die Brust nicht wie bei der Mammographie komprimiert werden muss. Contra USCT USCT steht noch nicht für die klinische Praxis zur Verfügung. An der Entwicklung eines marktreifen Gerätes wird noch rund 5 Jahre gearbeitet. Die Aufnahmen können wie bei der Magnetresonanztomographie durch Bewegungen der Patientin unscharf werden. 9

10 2.4 Der Aufbau Abb. 7 Abb. 6 Abb. 8 1 Messzylinder mit Ultraschallwandler und Dämpfungsschicht (blau) 2 Netzteile 3 Crate (beinhaltet die Steckkarten für SLT, FLTs und Controler Board) 4 Motoransteuerung 5 Schrittmotor (unter Messzylinder montiert) 6 Wasserkanister mit Tauchpumpe 7 SLT (Second Level Trigger Board) 8 FLTs (First Level Trigger Board) 9 CTR (Controler Board) 10 Distribution Board Block 1 (S1) 11 Distribution Board Block 2 (S2) 12 Distribution Board Block 3 (S3) 13 Distribution Board Block 4 (S4) 10

11 2.5 Das System Auf dem Datenakquisitionsrechner wird über die Messsoftware Andromeda eine 1 Ultraschallmessung initiiert Die Schnittstellenkarte microenable gibt die über Andromeda erzeugten Steuerungsbefehle an 2 das USCT-Crate weiter 3 Das SLT-Board kontrolliert die Abläufe im Crate und im PBus und steuert das CTR-Board an Im Control Board CTR werden über den Adress-Bus Informationen zur Adressierung und 4 TAS-Ansteuerung weitergeleitet (digitale, serielle Anschlüsse) Der Sendesignalgenerator im CTR erzeugt das analoge Sendesignal und leitet es an alle 5 Distribution Boards weiter In den Distribution Boards erfolgt das Sendesignal-Multiplexing: der Anregungspuls für die 6 Ultraschallerzeugung wird nur an ein TAS übergeben Das gewählte TAS sendet mit nur einem Sendeelement das Ultraschallsignal in den 7 Messzylinder ab Alle Empfänger nehmen das Signal auf und leiten es an die Distribution Boards zurück. Die hohe Anzahl an Empfängern erfordert ein Multiplexing der Signale bereits in den TAS. Von 8 den 32 empfangenen Signalen eines TAS werden immer nur 4 gleichzeitig weitergeleitet. Nach 8 Messdurchgängen sind alle Empfangssignale für eine Sendeposition übermittelt worden In den Distribution Boards laufen alle Empfangssignale der TAS zusammen und werden über 9 insgesamt 192 Analogkanäle (48 pro Board) an die FLTs weitergeleitet (3x 50-polige Flachband-Analogkabel) 10 Die Analogboards in den FLTs filtern und verstärken die eingehenden Analogsignale 11 Die Digitalboards in den FLTs digitalisieren die Signale und speichern sie bis zum Auslesen 12 Die digitalisierten Signale werden über den PBus zurück an das SLT übertragen microenable ermöglicht die Übermittlung der erzeugten Signale auf den 13 Datenakquisitionsrechner Der Datenakquisitionsrechner erfasst die digitalen Messsignale und speichert sie als Datensätze ab. Für jedes empfangene Ultraschallsignal wird in einer separaten Datei der entsprechende A- 14 Scan gespeichert. Der Output besteht aus diesen A-Scan-Dateien und einer Informationsdatei für die gesamte Messung, die nun für die Bildrekonstruktion zur Verfügung stehen 11

12 3 Analyse für eine Medizingeräte Evaluation 3.1 Evaluation des USCT Aufbau eines neuen Prototyps September 2007 Sicherheitsprüfung Antrag bei der Versicherung Antrag bei der Ethikkommission Regierungspräsidium Klinische Prüfung Verbesserungen nach neuen Erkenntnissen Suchen eines Herstellers/Partners Abb. 10 Anforderungen für die klinische Prüfung des Gerätes an Probandinnen, die in richtiger Reihenfolge zu erfüllen sind. Meine Aufgabe bestand zunächst darin, mich in die Thematik einzuarbeiten, das Gerät zu verstehen und dann eine Dokumentation über die Evaluierung des USCT innerhalb des internen Netzwerkes zu schreiben. Dazu waren viele Recherchen notwendig. Als erstes befasste ich mich mit der Hardware. Was ist der State of the art, was kann man verbessern und was muss man verbessern, um eine TÜV Sicherheitsprüfung zu bestehen. Dazu setzte ich mich mit der EG Richtlinie 93/42/EWG, dem MPG (Medizinprodukte Gesetz) und den Normen, die zu erfüllen sind, auseinander, um eine klinische Prüfung durchführen zu dürfen. Die Ergebnisse sind in der Grafik grob dargestellt. Der größte Aufwand liegt in der Bürokratie, da jede Behörde einen vollständigen Antrag benötigt. Zunächst ist eine vollständige Dokumentation notwendig, die alle wichtigen Daten und Fakten enthalten sollte. Mit dieser Dokumentation kann man beim TÜV eine Sicherheitsprüfung für Forschungszwecke beantragen. Die Durchführung ist langwierig und erfordert viel Vorbereitung in Bezug auf die Vollständigkeit der Dokumente, sowie eine sichere Konstruktion unter Einhaltung aller Normen. Wenn der TÜV zufrieden ist, darf bei der Ethikkommission ein Antrag auf eine klinische Prüfung gestellt werden. Dabei ist wichtig, dass man alle geforderten Papiere mit einreicht. Dazu gehört ein Studienprotokoll, die Versicherungspolice, eine Patienten Information und das Lasten-Pflichtenheft. Zudem muss ein Arzt hinzugezogen werden. Wenn die Ethikkommission mit der klinischen Prüfung einverstanden ist, darf man einen Antrag beim Landespräsidium einreichen. Die Informationen erhält man beim DIMDI (Deutsches Institut für Medizinische Dokumentation und Information). Wird es auch von dort abgesegnet, darf die Prüfung endlich erfolgen und es können neue Ergebnisse und Erkenntnisse gewonnen werden, die die medizinische Diagnostik bei Brustkrebs verbessern können. 12

13 3.2 Radiologische Grenzwerte Abb. 11 Schädigungsgrenze bei diagnostischem Ultraschall nach W.L.Nyborg Bei der Entwicklung des USCT ist es wichtig, dass Grenzwerte eingehalten werden, da ansonsten keine Zulassung erteilt wird. In der Grafik wird der sichere vom schädigenden Bereich durch zwei Geraden getrennt. Dabei entspricht der waagerechte Anteil einer maximalen Intensität von 100 mw/cm² bei unbeschränkter Anwendungszeit. Der Teilbereich unter der abfallenden Geraden entspricht seinerseits einer eingestrahlten Energie von 50 Ws. Somit ergibt sich für Intensitäten von über 100 mw/cm² eine entsprechende Verkürzung der Anwendungsdauer. Darüber hinaus warnt die FDA (Food and Drug Administration) vor unnötigen pränatalen Ultraschall-Untersuchungen ohne medizinische Notwendigkeit. Es existieren bisher keine gesicherten Hinweise auf die durch Anwendung klinischen Ultraschalls verursachten Schäden am ungeborenen Kind. Allerdings ist es aufgrund mangelnder Forschungsergebnisse in diesem Gebiet auch nicht auszuschließen, dass eventuelle negative Effekte in der Zukunft noch aufgedeckt werden könnten. Dennoch existieren bis heute weder national noch international verbindliche Regelungen in der medizinischen Ultraschalldiagnostik, womit die durch die FDA gegebene Richtlinie immer noch maßgebend ist. Mögliche Gefahren der Ultraschallexposition Für die Abschätzung des Gefahrenpotentials sind die Schallfeldparameter Schalldruck bzw. mittlere Schallintensität von großer Bedeutung. Überschreiten diese Parameter Grenzwerte, können Organe bzw. Gewebe mechanisch durch die Kavitation oder thermisch durch eine Temperaturerhöhung aufgrund von Schallabsorption geschädigt werden. In der Literatur bestehen allerdings große Spannbreiten bei der Festlegung dieser Grenzwerte. Weitere mögliche schädliche Wirkungen werden diskutiert, wie z. B. die Auslösung von Mutationen oder angeborene Fehlbildungen. 13

14 3.3 Nachweis der Schallwellenintensität Abb. 12 Schallwellenintensität über Abstand Abb. 13 Druck über Abstand Messung der Ausgangsleistung eines TAS (siehe Seite 16) mittels Hydrophon am SNR Messplatz (siehe Seite 30). Um eine Funktion p(r) des Druckes p in Abhängigkeit des Sender / Empfänger - Abstandes r zu bekommen, wurden im Messstand mit steigendem Abstand r Signale mit 2,5 MHz Mittenfrequenz aufgenommen. Man erhält die gemessene Spannung U über den Abstand r. Interpoliert man die Messpunkte, erkennt man die zu erwartende 1/r -Kurve. Die Messwerte wurden bei 2 V Sendespannung aufgenommen. Schallintensität I im Abstand 0: I = 5.04e-3 W/cm² > p(0) = 8637 Pa Für die Leistung P ergibt sich: P = p² * A / Z p = Druck A = durchschallte Fläche Z = Schallkennimpendanz des Mediums mit A = 0.28e-6 m² (Fläche Hydrophon) Z = 1.48e6 kg/(m² s) P = 1.41e-5 W Auswertung: Mit dem errechneten Wert der Schallintensität von I = 5.04e-3 W/cm² liegt der USCT deutlich unter der Grenze der FDA mit 100 mw/cm², und 4 MPa, sowie auch die Schalldruckamplitude mit 8637 Pa deutlich unter der Grenze liegt. Somit kann die energetische Strahlung des USCT als gesundheitlich unbedenklich eingestuft werden. 14

15 3.4 Zuordnung der Risikoklassifizierung Abb. 14 Kriterien für die Risikoklassifizierung Die Klassen sind EU-weit durch den Anhang IX der Richtlinie 93/42/EWG festgelegt: Regel 10: Alle aktiven diagnostischen Produkte gehören zur Klasse IIa, wenn sie dazu bestimmt sind, Energie abzugeben, die vom menschlichen Körper absorbiert wird - mit Ausnahme von Produkten, deren Funktion es ist, den Körper des Patienten im sichtbaren Spektralbereich auszuleuchten; wenn sie zur In-vivo-Darstellung der Verteilung von Radiopharmaka bestimmt sind; wenn sie dazu bestimmt sind, eine direkte Diagnose oder Kontrolle von vitalen Körperfunktionen zu ermöglichen, es sei denn, sie sind speziell für die Kontrolle von vitalen physiologischen Parametern bestimmt, bei denen die Art der Änderung zu einer unmittelbaren Gefahr für den Patienten führen könnte, z. B. Änderung der Herzfunktion, der Atmung oder der Aktivität des zentralen Nervensystems; in diesem Fall werden sie der Klasse IIb zugeordnet. Aktive Produkte, die zum Aussenden ionisierender Strahlung sowie für die radiologische Diagnostik oder die radiologische Therapie bestimmt sind, einschließlich Produkte, die solche Produkte steuern oder kontrollieren oder die deren Leistung unmittelbar beeinflussen, werden der Klasse IIb zugeordnet. Nach eingehenden und ausführlichen Recherchen wird der USCT wahrscheinlich als ein aktives diagnostisches Produkt in die Klasse 2a eingestuft. 15

16 4 Sensoroptimierung für die zweite Generation USCT 4.1 Das Transducer Array System (TAS) A Transducer Array System (TAS) (1) Ultraschallsensorarray (2) Halterung für Einbau in den USCT-Messzylinder (3) Anschlussstecker für eine TAS-Hälfte Abb. 15 B Auseinandergeklapptes TAS (1) TAS-Hälfte für 4 Sender und 16 Empfänger (2) In Teilbereiche zersägtes Ultraschallsensorarray (Piezokristall) rot = Sendebereiche, blau = Empfängerbereiche (3) Anschlussstecker für TAS-Hälfte Das Transducer Array Systeme (TAS) transformiert über piezoelektrische Kristalle elektrische Energie in Schallenergie und umgekehrt. Sie können somit als Sender und Empfänger von Ultraschallpulsen verwendet werden. Die TAS arbeiten mit einer mittleren Frequenz von 2,8 MHz, um menschliches Gewebe auf der Strecke durch den Messzylinder durchdringen zu können. Im piezoelektrischen Kristall bildet sich durch elektrische Anregung eine stehende longitudinale Schallwelle aus, die über eine Anpassschicht (die Platine) an das umliegende Medium Wasser übertragen wird. Die Anregung erfolgt gepulst. Ein vorgegebener Spannungsstoß regt den Kristall an. Das dadurch erzeugte Ultraschallwellenpaket breitet sich mit einer Schallgeschwindigkeit von ca m/s im Wasser aus, wobei die Schallgeschwindigkeit auch von der Temperatur abhängt. Gesendet wird eine mit einer Gauß-Funktion gewichtete Sinusschwingung mit ca. vier Wellenlängen. Durch "coded excitation", der Vorgabe des Sendepulses, können nahezu beliebige Signale gesendet werden. Die Hauptschallkeule der TAS hat bei der verwendeten Anregung mit 2,8 MHz einen Öffnungswinkel von 35. Ein Sendesignal, das vom entspechenden Distribution Board auf ein TAS übermittelt wurde, wird an beide TAS-Hälften weitergeleitet, dann jedoch durch Schaltungen im TAS auf nur ein Sendeelement übermittelt. Die empfangenen Signale werden über Vorverstärker wieder zurück an das entsprechende Distribution Board geleitet. Dabei findet bereits im TAS das Multiplexing statt, wonach immer nur eines von acht Signalen übermittelt wird. Also muss für eine vollständige Messung, aus einer Sendeposition, ein Signal, acht Mal gesendet werden. 16

17 4.2 Der TAS Aufbau Vorder- und Rückseite des Ultraschallsensorarrays rot = 4 Sender einer TAS-Hälfte, blau = 16 Empfänger einer TAS-Hälfte Abb. 16 Aufbau eines US-Wandlers im TAS Schematischer Aufbau; in Pfeilrichtung werden Ultraschallpulse in den Messzylinder gesendet Zunächst werden auf eine Keramikträgerschicht (Platine) im Siebdruckverfahren Kupferleiterbahnen aufgedruckt. Anschließend wird in die Mitte der Keramikplatte der Piezokristall mit einem speziellen Kleber kontaktiert. Dies funktioniert, weil der Kristall jeweils von oben und unten mit Silber beschichtet ist. Diesen Beschichtungsvorgang nennt man Sputtern. Das Ultraschallsensorarray setzt sich aus mehreren strukturierten Piezokristallen zusammen. Die Strukturierung des Piezokristalls ist wichtig, da der Kristall in alle Richtungen schwingt, man aber nur eine Hauptrichtung erreichen möchte. Deshalb wird das große Piezoplättchen in viele kleine Quader unterteilt. Dafür wird jedes Plättchen auf eine Spezialfolie geklebt. Dieses Konstrukt wird dann in eine programmierbare Waver-Säge eingelegt. Für jedes Plättchen muss dann ein individuelles Programm geschrieben werden. Die Strukturierung der einzelnen Kristalle erfolgt mit einem Diamant-Sägeblatt, das 100 µm bis 150 µm breit ist. Dabei werden in einem bestimmten Abstand Schlitze gesägt. Damit nun eine optimale Ausnutzung erfolgen kann, werden jeweils 9 einzelne Quader miteinander verbunden. Dazu wird die Ultraschall- Bond-Technik eingesetzt. Dabei wird ein 25 µm dicker Aluminiumdraht verwendet. Die Keramik wird für diesen Prozess durch ein Vakuum justiert. Die Ausrichtung erfolgt am Mikroskop. Wenn die Einstellungen stimmen, wird der Draht, der in einer Nadel geführt ist, abgelassen und mittels Ultraschall mit der Oberfläche verbunden. Dieses Verfahren ist besonders geeignet, da keine Hitze entsteht, auf die die Piezos empfindlich reagieren würden (Verlust der Polarisation). Durch die Verdrahtung der entsprechenden Bereiche entstehen pro TAS 8 Sende- und 32 Empfängerelemente. Auf jedes der beiden TAS-Hälften sind 32 Vorverstärker und ein Multiplexer, die für jeweils 4 Sender und 16 Empfänger zuständig sind angebracht. Wenn die Drähte richtig ausgerichtet sind, kann die Platine zusammengeklappt werden. Um alles zu fixieren, werden die TAS mit PU-Vergussmasse ausgegossen. Diese Verfahren haben wir einzeln für neue Prototypen durchgeführt. Eine größere Produktion kann mit handelsüblichen Maschinen und Verarbeitungsprozessen der Hybridund SMD- Technik durchgeführt werden. 17

18 4.3 Weiterentwicklung des Sensors Der Ultraschallsensor wurde speziell für den Einsatz in der 3D-Ultraschall- Computertomographie entwickelt, könnte jedoch auch für andere Anwendungen eingesetzt werden. Um ihn für weitere Einsatzgebiete zu optimieren und die Herstellung zu vereinfachen, haben wir an einem neuen Verfahren gearbeitet, das einige Arbeitsschritte bei der Herstellung der Sensoren vereinfacht und auch verbessert. Mögliche Einsatzgebiete In Frequenzbereichen von 500 khz bis 5 MHz Für größere Stückzahlen (Einsatz von Maschinen) Für Phasearray-Anwendungen Für zerstörungsfreie Materialprüfung Für die medizinische Bildgebung Eigenschaften Abb. 17 Mögliche Aufbauvariante für einen neuen Sensortyp Frequenz 2,8 MHz Bandbreite 50 % Öffnungswinkel der Schallkeule 35 bei 3 db (siehe Seite 32) Beliebig geformter Anregungspuls bis 30 Vpp Sender und Empfänger eines Wandlersystems getrennt adressierbar Geringe Verlustleistung 32-kanaliger Vorverstärker, 4-fach MUX Gutes Signal-Rausch-Verhältnis Hohe Reproduzierbarkeit Kostengünstige Herstellung 18

19 5. Prozesskette für alternativen Sensoraufbau 5.1 Herstellen einer Urform Abb. 18 Keramik-Urform mit ausgebrochenen Säulen Um den Fertigungsprozess zu vereinfachen haben wir ein völlig neues Konzept erarbeitet. Der Beginn des Fertigungsprozesses ist die Herstellung einer Urform der Piezokeramik. Diese Urform kann im zweidimensionalen Raum viele verschiedene geometrische Formen haben, die sich später reproduzieren lassen. Eingeschränkt wird diese Form dadurch, dass davon ein Negativabdruck hergestellt werden muss. Um eine Vergleichsmöglichkeit mit den jetzigen Sensoren zu haben, wurde die gleiche geometrische Form des Rechtecks ausgewählt. Um eine Urform herzustellen wird die gewünschte Struktur mit der Waver-Säge in eine Keramik eingesägt. Hierbei ist der spätere Schrumpfvorgang der Keramik beim Sintern zu berücksichtigen. Für die Planung der Urform ergibt sich ein geänderter Längenwert von 117 %. Dadurch treten hier schon die ersten Abweichungen von der Planung auf, da die Sägeblätter beim Zurechtsägen der Einkaufkeramiken 100 µm breit sind, aber für die Urform keine Blätter mit 117 µm zur Verfügung stehen. Außerdem existieren keine Vergleichswerte für die Spaltbreiten nach dem Sägen in der Formkeramik und der Piezokeramik, welche verschiedene Materialeigenschaften besitzen. Von der Urform wird nun ein Abdruck erstellt, welche als Negativform dient. Nach ihrer Fertigstellung wird diese Passivform mit dem Blei-Zirkonat-Zitanat-Gemisch gefüllt, welches nun in ihr aushärtet. Danach erfolgt die Abformung, also das Entfernen des Grünlings aus der Passivform und anschließend erfolgt der Sintervorgang. Die so entstandene Keramik besitzt noch keine piezoelektrischen Eigenschaften und die Elemente, welche später als Sensoren und Aktoren dienen sollen, sind noch direkt miteinander verbunden. Als nächster Schritt folgt die Infiltration der Keramik mit dem Kunststoff. Dieser füllt die Zwischenräume aus und dient später als Träger und Isolationsmaterial. Die schwingungstechnischen Eigenschaften des Kunststoffes wurden bis jetzt noch nicht berücksichtigt. Wenn das Piezoelement vergossen und der Kunststoff ausgehärtet ist, erfolgt das Abschleifen des nicht benötigten Teiles des Piezoelements. Beim Abschleifen werden die einzelnen Keramikelemente getrennt und auf die gleiche, gewünschte Länge gekürzt. Dieser Vorgang wird als Läppen bezeichnet. Nach dem Läppen muss die Piezokeramik noch zurechtgesägt werden und ist anschließend bereit für die Kontaktierung. 19

20 5.2 Anbringen der elektrischen Kontakte 1 Abb. 19 Vergossener und gelappter Grünling Das Aufbringen der elektrischen Kontakte ist ein kompliziertes Verfahren. Dafür haben wir, nach Rücksprache mit mehreren zuständigen Personen am IMF3 (Institut für Material Forschung) folgenden Prozess für eine Probenfertigung festgelegt: 1. Sputtern des Piezoelements auf der Ober- und Unterseite 2. Aufgalvanisieren der Oberseite, welche später mit Ultraschallbonding kontaktiert werden soll 3. Beschichten mit Schutzlack (wahrscheinlich Fotoresist ), und das Einbringen von Strukturen in diesen 4. Auflösen der Goldschicht unter dem freigelegten Schutzlack durch ein Ätzverfahren (wahrscheinlich Ionenstrahlätzen) Nach diesen Bearbeitungsschritten sollten die Goldschichten auf der Oberseite des Piezoelements voneinander getrennt sein, so dass sich die Elemente einzeln als Sensoren und Aktoren verwenden lassen. Die Schichtdicke und Härte des Goldes soll eine Kontaktierung durch Ultraschallbonden ermöglichen. Bei der experimentellen Fertigung soll eine durchgehende Dokumentation erfolgen, um qualitative Aussagen zum Herstellungsverfahren machen zu können. Nun zu den einzelnen Prozessschritten: 1. Sputtern des Piezoelements auf der Ober- und Unterseite Das Sputtern der Piezokeramik erfolgt im Vakuum, die Evakuierung der Kammer dauert ca. 1,5 Stunden. Beim Sputtern wird das Piezoelement mit Goldteilchen beschossen, welche sich in der Gasphase befinden. Diese werden zuvor durch Ionen- Beschuss aus einem sogenannten Target gelöst, und bewegen sich danach im Bereich eines Kegels von diesem weg. Dabei treffen sie auf das dort platzierte Werkstück und lagern sich dort an. Die Sputterschicht dient primär zur Erstkontaktierung, welche das Aufgalvanisieren einer Zweitschicht ermöglicht. Zwar wäre auch ein Sputtern bis auf eine bondbare Dicke denkbar, jedoch wollten wir dies wegen der geringen Effizienz des Sputterprozesses vermeiden. 20

21 5.3 Anbringen der elektrischen Kontakte 2 Abb. 20 Gesägte Keramik mit 120 µm Schnitt 2. Aufgalvanisieren der Oberseite Um die zum Ultraschallbonden benötigte Schichtdicke zu erreichen, gibt es mehrere Möglichkeiten. Neben dem bereits erwähnten Sputtern ist hierfür die Galvanisierung eine Möglichkeit. Die für den Galvanisierungsprozess benötigte elektrisch leitende Schicht wird durch den Sputter-Prozess geschaffen. Um die Schichtdicke aufwachsen zu lassen, wird die Piezokeramik wieder in eine Maske eingelegt und mit einem elektrischen Kontakt verbunden. Die gesputterte Oberfläche dient nun als Kathode im Galvanikprozess, an welcher sich die im Elektrolyt gelösten Metall-Ionen durch den Reduktionsvorgang ablagern. Die Schichtdicke des Piezoelements wird nur einseitig erhöht, da auch die Bondverbindung später nur einseitig stattfinden soll. 3. Beschichten mit Schutzlack und einbringen von Strukturen Als nächster geplanter Schritt in diesem Fertigungsprozess, erfolgt das Aufbringen eines Fotoschutzlackes. Dieser wird dann belichtet, bzw. mit einem Laser strukturiert, um nach dem Strippen eine Maske für das Ätzverfahren zu erhalten. Hierfür sollen nur die Stege zwischen den Piezoelementen freigelegt werden. 4. Auflösen der Goldschicht durch ein Ätzverfahren Die freigelegten Goldschichten sollen nun durch ein Ätzverfahren, wahrscheinlich durch einen Ionenstrahl- Ätzprozess, entfernt werden. Dabei werden Ätzgeschwindigkeiten von 0,3 nm/s (AZ-Lack) - 0,4 nm/s (TiO 2 ) erreicht. Das Verfahren hat den Vorteil eines sehr präzisen Ätzvorganges, was die Genauigkeit des laserstrukturierten Lackes unterstützen wird. 21

22 5.4 Konstruktion der Sputtermaske Keramik Einspannvorrichtung für die Keramik Halterung für die Sputteranlage Abb. 21 Abb. 22 Zum Beschichten der Piezokeramiken kommen in der Anfangsphase zwei Verfahren zum Einsatz. Das Sputtern im Vakuum, also der Beschuss durch Teilchen, welche sich in der Gasphase befinden, und die Galvanik, also die Anlagerung von Metall-Ionen, welche in einem Elektrolyt gelöst sind. Da die Piezokeramiken derzeit in quadratischen Scheiben mit einer Kantenlänge von 11 mm und einer Dicke von ca. 500 µm geschnitten werden, sind spezifische Haltevorrichtungen für die beiden Prozesse unerlässlich. Für die Fixierung während des Sputterprozesses, haben wir eine bereits bestehende Maskenkonstruktion weiterentwickelt. Die neue Konstruktion ist stark vereinfacht worden und ermöglicht das flächige Sputtern der Ober- und Unterseite, ohne die Maske zwischenzeitlich öffnen zu müssen. Des Weiteren ist sie deutlich kompakter als die erste Testversion und ermöglicht eine automatische Justierung des Grünlings. Die Maske ist an einer selbstentwickelten Universalhalterung befestigt, welche einen schnellen und unkomplizierten Wechsel der Sputterseite ermöglicht. Die entworfene Halterung kann als Maskenträger für weitere Sputterprozesse in dieser Anlage verwendet werden, welche ähnliche geometrische Ausmaße benötigen. Eventuell wird unsere Maskenkonstruktion später durch eine Maske mit Mehrfachnutzen ersetzt, um die Kapazitäten des Prozesses zu erhöhen. Die Konstruktion ist der jetzigen Maske sehr ähnlich. Der wesentliche Unterschied ist, dass vier Grünlinge eingelegt werden können. Dafür werden vier Fenster aus der Maske heraus gefräst. Die Halterung bleibt die gleiche. 22

23 5.5 Die Galvanikmaske Abb. 23 CAD-Zeichnung erstellt mit Autodesk Inventor Für die Fixierung während des Galvanikprozesses haben wir nach Rücksprache mit Frau Lorenz (Fachfrau für Galvanikprozesse) am IMF3 eine Galvanikkonstruktion aus PMMA entworfen. Diese besteht aus mehreren Plattenelementen, welche miteinander verschraubt werden. Die montierte Maske wird für den Prozess an einer bereits vorhandenen Galvanikapparatur eingehängt und ermöglicht das gleichzeitige Galvanisieren von vier Piezoelementen. Die Konstruktion funktioniert ähnlich wie die der Sputtermaske und ermöglicht eine unkomplizierte Handhabung beim Einlegen der Piezoelemente. Das Piezoelement wird wie bei der Sputtermaske einfach eingelegt und richtet sich beim Schließen der Form selbstständig aus. Dadurch sitzt der Grünling stets gleich in der Form. Je nach Dicke des Piezoelements muss der Schieber, welcher zum Schließen der Form dient, an der den Piezos abgewandten Seite, zwischen Grundplatte und Schieber durch Klebeband aufgedickt werden, um einen optimalen Anpressdruck und damit auch einen Kontakt des Piezoelements mit dem Kupferklebeband zu erreichen. Um diese manuelle Anpassung bei später gleichbleibender Piezodicke zu vermeiden, sollen noch Federelemente eingebaut werden, die eine gleichbleibende Fixierung ermöglichen. Die geläppten Piezoelemente müssen für den Sputter- und Galvanikprozess noch zurechtgesägt werden. Das benötigte Maß beträgt zurzeit (11 x 11 mm). Dies geschieht mit der Waver-Säge, um die nötige Präzision zu erreichen. Dafür werden die Elemente auf einen mit Klebefolie versehenen Waver aufgeklebt und in der Säge bearbeitet. Nach der Bearbeitung wird die Klebefolie das Wavers mit UV-Licht bestrahlt und verliert dadurch ihre Klebewirkung. Die Keramik kann dann ganz einfach abgenommen werden. 23

24 5.6 Fertigstellung der Galvanikmaske Abb. 24 vollständige Galvanikmaske Nachdem die Plexiglasteile für die Galvanikmaske aus der Fertigung kamen, erfolgte noch die Endmontage und das Anpassen sowie Einsetzen des Gummidichtrings, sowie die Montage eines elektrischen Federkontaktes. Dieser Kontakt verbindet in der Maske das Kupferklebeband mit dem Kontaktkabel. Die Durchführung des Kabels in die Maske hinein ist durch Silikon abgedichtet. Die Leiterfolie kontaktiert die Piezokeramiken und ist aufgrund des Galvanisierungsprozesses austauschbar. Erste Versuche, die Piezoelemente in die Galvanikmaske einzusetzen, erwiesen sich als etwas umständlich, da nur sehr geringe Kontaktflächen zwischen Piezoelement und Maske vorhanden waren. Das Piezoelement fiel sehr leicht durch die Maske, wenn es sich beim Einlegen verdrehte. Als verbessernde Maßnahme wurde deswegen eine Einsetzhilfe konstruiert, welche diesen Vorgang vereinfachen sollte. Nachdem bis zur Fertigstellung der Maske vier Piezoelemente beidseitig besputtert wurden, haben wir erste Galvanisierungsversuche unternommen. Bei unseren ersten Versuchen war der Stromfluss zu hoch eingestellt und wir erhielten eine verbrannte Goldschicht, welche teilweise schon im Galvanik-Bad abblätterte. Nach der Reduzierung der Stromstärke erhielten wir eine optisch bessere Schicht, welche jedoch auch zu wenig Haftung an der Oberfläche besaß. Getestet wurde dies durch das Aufbringen und wieder Ablösen eines Klebebandes, welches im Idealfall kein Material mehr von der Oberfläche ablöste. 24

25 5.7 Einsatz der Galvanikmaske Abb. 25 Fertiges Piezoelement nach allen Arbeitsschritten In unserem Fall hatten wir zwar eine sehr gute Haftung der Nickelschicht an der Keramik, sowie eine gute Haftung des Goldes am Nickel, jedoch löste sich durch den Galvanikprozess das Nickel von der Keramik, was evtl. durch die Freisetzung von Wasserstoff bedingt ist. Auch haben wir bei Nickel eine schlechte Leitfähigkeit der Oberfläche festgestellt, was durch die schnelle Oxidation und damit Passivierung der Oberfläche verursacht wird. Auch könnte die Schichtdicke hier entscheidend sein, welche bisher nur im Bereich von ca. 100 nm lag. Als mögliche Verbesserung dieses Prozesses besteht die Möglichkeit eine Sudgoldanlagerung zu verwenden. Dadurch wird eine geringere Wasserstofffreisetzung erreicht. Auch wäre es denkbar eine dickere Nickelschicht, bzw. eine Nickel- und Goldschicht auf die Piezoelemente zu sputtern. Nachdem selbst eine gesputterte Titanschicht nicht die gewünschte Haftung für die GoldGalvanik bildete, haben wir uns entschieden, bei diesen Versuchen nur noch mit neu abgeformten und geschliffenen, bzw. geläppten Piezoelementen zu arbeiten. Leider hat das IMF3 derzeit noch keine neuen Piezoelemente, da die Bindemittel und Kunststoffe durch Verunreinigung und Zersetzung die früher reproduzierbaren Ergebnisse nicht mehr gewährleisten können. Zudem wurde der Kunststoff damals geschwärzt, was die Haftung der Sputterschicht verschlechtert. Um den Sputterprozess zu verkürzen, haben wir noch eine Sputtermaske konstruiert, welche es ermöglicht vier Piezoelemente gleichzeitig zu sputtern. Ob die geforderte Qualität der Sputterschicht in der derzeitigen Sputteranlage des IMF3 damit erreicht werden kann, ist jedoch noch nicht abschätzbar. Bei der Erweiterung der Sputtermaske wurden geringfügige Verbesserungen an dem bestehenden Konzept durchgeführt. Ein gemeinsamer Deckel hält die vier Schieber in waagerechter Position. Das Anlegen und Ausrichten der Piezoelemente kann z. B. durch einen Kabelbinder, eine durchgehende Spiralfeder oder ein Gummiband erfolgen. Die Maske lässt sich mit Einschränkungen auch in der Haltevorrichtung der ersten Sputtermaske verwenden, ist dann jedoch nicht mehr mittig über dem Target angeordnet. Bei einem Abstand von mindestens 12 cm zum Target, dürfte diese Asymmetrie von 1 cm jedoch kaum ins Gewicht fallen. 25

26 5.8 Ultraschallbonding: Aufbau von Testsensoren Abb. 26 Bond Drähte an einem Chip mit einer Dicke von 25um Wir haben mit einem Aluminium-Draht mit einem Durchmesser von 25 µm gebondet. Bei dieser Technik wird der Draht mittels Reibschweißen, ohne Erzeugung von Hitze, mit der metallischen Oberfläche verbunden. Diese Technik findet vor allem in der Chip-Produktion Verwendung. Für den Aufbau der Testsensoren wurden noch mal die Bonding-Parameter verändert, um gleichbleibend hochwertige Bondverbindungen herstellen zu können. Dafür wurden Testbonds gemacht und diese im Anschluss mit einem Messgerät auf ihre Haltbarkeit getestet. Dabei werden die Bondverbindungen durch eine Nadel zerstört, die dabei nötige Kraft, ist das Maß für die Haltbarkeit der Verbindungen. Um eine veränderte Oberflächenstruktur zu testen, erfolgt der Aufbau von Testsensoren. Dafür werden die Piezoelemente auf ein Keramiksubstrat geklebt, gesägt, gebondet und mit Steckern verlötet. Der Aufbau wird dann in einer Plastikhülse vergossen. Dazu verwendet man zum Beispiel PU- oder Epoxydharz. Die vergossenen Sensoren werden im Anschluss noch an der Substratunterseite abgeschliffen, um eine gute Auskopplung zu gewährleisten. Das Substrat dient dabei als Anpassungsschicht. Um die Impedanz zu verringern und damit die Auskopplung zu verbessern, können noch weitere Anpassungsschichten aufgebracht werden. Die Sensoren werden im Anschluss auf verschiedene Art und Weise vermessen, unter anderem am 3D-Messtisch mit Hilfe eines Hydrophons (siehe Seite 30). Sie können auch an unserem neu aufgebauten Messplatz auf Durchschallung untersucht werden (siehe Seite 27). 26

27 6 Auswertung der neuen Sensoren 6.1 Testen der Sensoren Sensor1 und Sensor2 Wanne gefüllt mit Superabsorber Verstärkerelektronik Abb. 27 Um die neu aufgebauten Sensoren auf ihre Durchschalleigenschaften zu untersuchen, haben wir zunächst eine Kunststoffwanne konstruiert und in der Werkstatt anfertigen lassen. In dieser Wanne können die Sensoren präzise einander gegenüber positioniert werden. Die Wanne wird mit Wasser gefüllt, da Wasser gute Durchschalleigenschaften hat. Auf dem Bild wurde dem Wasser Superabsorber beigemengt, um Testmaterialien zwischen den Sensoren zu positionieren. Um die Sensoren anzusteuern bzw. zu empfangen mussten wir eine Verstärkerelektronik konstruieren. Diese haben wir auf Lochraster aufgelötet. Der Aufbau funktioniert nach einfachen Prinzipien. Ein Rechteckgenerator erzeugt ein Signal von 3 MHz (die Resonanzfrequenz der Piezokeramik) und speist dieses Signal mit einer Amplitude von 100 mv auf der Platine ein. Dort wird die Amplitude 10fach verstärkt und an Sensor 1 eingespeist. Dieser durchschallt das Ankoppelmedium (Wasser). Der Sensor 2 empfängt dieses Signal je nach Qualität der Sensoren und dem Testmaterial 1:1 oder gedämpft. Das Signal wird auf der Platine von zwei Operationsverstärkern verstärkt und entkoppelt. Mit einem Oszilloskop wird dieses Signal dargestellt und kann dann ausgewertet werden. Das Ergebnis war, dass der Superabsorber leicht dämpft, aber bei der Berechnung berücksichtigt werden kann und somit bei der Durchführung von verschiedenen Versuchen helfen kann. 27

28 6.2 Die Verstärkerelektronik Verstärkung des Sendesignals Verstärker der 4 Empfänger Spannungswandler Abb. 28 HF-Beschaltung der OPs zur Unterdrückung von Störungen Damit wir die neuen Sensoren richtig testen konnten, musste eine entsprechende Elektronik entwickelt werden. Die Schaltpläne haben wir mit Eagle gezeichnet. Die Elektronik hat in erster Linie die Aufgabe, die Signale zu verstärken. Zudem muss darauf geachtet werden, dass möglichst keine Störsignale Einfluss auf die Signalqualität haben. Zur Entstörung der Signale haben wir an die Spannungsversorgung der Operationsverstärker (OP) jeweils einen Tiefpass angeschlossen, der aus einem Widerstand, einem Elko und einem Keramik-Kondensator besteht, da dieser optimale Eigenschaften bei hohen Frequenzen hat. Diese Bauteilkonstellation wurde jeweils in die Plus- und Minus-Spannungsversorgung eingebaut. Als OP haben wir den LM6171 gewählt, da dieser eine Grenzfrequenz von 100 MHz hat. Der Sender wird mit einem nichtinvertierenden Verstärker 5fach verstärkt. Der positive Eingang des Senders ist über einen 50 Ohm Pull-Down Widerstand mit der Masse verbunden, um eine optimale Impedanzanpassung an den Generator zu haben. Die vier Empfänger sind identisch aufgebaut. Sie bestehen jeweils aus zwei nichtinvertierenden OPs, die in Reihe geschaltet sind. Die Verstärkung beträgt 10 pro Stufe. Es sind jeweils Kondensatoren als Tiefpass eingebaut. Die Eingänge der Empfänger-OPs werden über einen 5 kohm Pull-down Widerstand stabilisiert und die Ausgänge haben einen 50 Ohm Widerstand zur Impedanzanpassung an das Oszilloskop. Damit eine konstante Spannung der Empfänger-OPs gewährleistet ist, regelt ein 7808-Spannungswandler die Versorgung. Dieser ist klassisch beschaltet mit einem 47 µf Elko-Kondensator zur groben Stabilisierung und einem 10 µf Elko zur Nachglättung sowie einem 1 nf Keramik-Kondensator zur Feinsiebung. 28

29 6.3 Der Superabsorber Abb. 29 Für den Durchschallungsversuch, bei dem zwei Sensoren in einem Wasserbad gegenübergehalten werden, wird die Eigenschaft überprüft, ob auch das empfangen wird, was gesendet wird. Daraus ergibt sich eine Aussage über die Qualität der Sensoren. Es können aber auch Materialien auf ihre Schalleigenschaften getestet werden. Dazu muss eine Scheibe aus dem entsprechenden Material zwischen die Sensoren gehalten werden. Da es aber zu Verwackelungen und Artefakten kommt, haben wir uns überlegt, wie man die Material- Scheiben ohne große Dämpfung fixieren könnte. Dabei sind wir auf den Superabsorber der BASF gestoßen. Er hat die Eigenschaft, Wasser in sehr großen Mengen zu binden (ein Gramm Superabsorber saugt 130 ml Wasser). Er bekommt dabei eine sehr niedrige Viskosität. Eine weitere Idee ist, dass der Superabsorber später im USCT Anwendung findet. Die Brust sollte, um optimale Bilder zu erhalten, während der Messung fixiert sein. Dazu könnte man in den Messzylinder einen Kunststoffbeutel einlegen, diesen mit Wasser füllen und etwas Superabsorber dazu geben. Dies würde die Brust fixieren. Zudem könnte man durch die Verwendung eines Kunststoffbeutels auf eine Desinfektion verzichten und den Beutel inklusive Inhalt nach der Untersuchung entsorgen. Durch die vielen ionischen Gruppen ist das Polymer in der Lage besonders viel Wasser aufzunehmen, da sich die Wassermoleküle um die geladenen Carboxylat-Reste gruppieren können und sich Wasserstoffbrückenbindungen ausbilden. Auf diese Weise wird das Wasser fest an das Polymer gebunden, so dass es selbst unter Druck nicht mehr abgegeben wird Chemisch handelt es sich bei dem Superabsorber um ein Copolymer aus Acrylsäure (Propensäure, C 3 H 4 O 2 ) und Natriumacrylat (Natriumsalz der Acrylsäure, NaC 3 H 3 O 2 ), wobei das Verhältnis der beiden Monomere zueinander variieren kann. Zusätzlich wird ein so genannter Kernvernetzer (Core-Cross-Linker, CXL) der Monomerlösung zugesetzt, der die gebildeten langkettigen Polymermoleküle stellenweise untereinander durch chemische Brücken verbindet (sie "vernetzt"). Durch diese Brücken wird das Polymer wasserunlöslich. Beim Eindringen von Wasser oder wässrigen Salzlösungen in den Polymerpartikel quillt er auf und strafft auf molekularer Ebene dieses Netzwerk - das Wasser kann ohne Hilfe nicht mehr entweichen. (Quelle BASF) 29

30 6.4 Der SNR (Signal-to-Noise Ratio) Messplatz Ultraschallkopf Hydrophon Wasserbecken Abb. 30 An diesem Messplatz werden mittels eines Hydrophones die TAS (Transducer Array System) oder auch Sensorköpfe getestet Die Sensorköpfe werden an einem speziell dafür konzipierten Messplatz auf die unterschiedlichsten Eigenschaften untersucht. Die wichtigsten Eigenschaften sind die Schallintensität und auch die Abstrahlwinkel der Sensoren. Der Sensorkopf wird fest im Wasserbehälter installiert und von einer Elektronik angesteuert, damit Schallwellen ausgesandt werden. Dabei fährt das Hydrophon alle möglichen Positionen an und nimmt dabei Werte auf. Die Werte werden anschließend am Computer ausgewertet. Die Bewegung des Hydrophons erfolgt über drei Motoren, die im dreidimensionalen Raum die Positionen anfahren. Die Ergebnisse geben Aufschluss über die Schalleigenschaften, dazu gehören die Abstrahlung, Schalldruckamplitude, Schallwellenintensität und noch andere spezifische Eigenschaften. Dabei ist die Verwendung neuer Materialien interessant oder wenn sich die Anordnung der Keramik ändert. Es können auch andere Faktoren, die Einfluss auf die Messergebnisse haben, erkannt werden. Mit diesen Erkenntnissen kann man dann neue Sensorköpfe aufbauen, die bessere Eigenschaften haben. 30

31 6.5 Impedanzverhalten des Ultraschallsensorarrays Abb. 31 In der Abbildung ist der Impedanzverlauf einer unbearbeiteten 5 MHz-Ultraschall-PZT- Keramik (USPK) zu sehen, wie sie vom Hersteller geliefert wurde. Eine wichtige Kenngröße des Ultraschallsensorarrays ist seine akustische Impedanz in Wasser. Diese kann erst dann gemessen werden, wenn das Ultraschallsensorarray wasserdicht vergossen ist, was erst im letzten Fertigungsschritt der Fall ist. Eine solche Messung muss deshalb bis dahin ausbleiben. Die Polyurethan-Vergussmasse dient als Dämpfungskörper und nimmt einen Teil, der an der Rückseite des Schwingers auftretenden Schallenergie auf und absorbiert sie in ihrem Inneren. Dadurch wird der Schwinger mehr oder weniger stark gedämpft und sein Ein- und Ausschwingverhalten bei Impulsanregung beeinflusst. Über die Art des Füllstoffes und das Mischungsverhältnis mit der Vergussmasse lässt sich die Impedanz in weiten Grenzen einstellen. Um trotzdem Kenntnisse über die Einflüsse der Fertigung auf das Verhalten des Ultraschallsensorarray zu erlangen, wurde der elektrische Impedanzverlauf über die Frequenz mit dem Impedance/Gain-Phase Analyzer HP4194A, gemessen. Dazu wurde jeweils eine PZT-Keramikplatte, bzw. ein Sensor mit der Probe getestet. Der Impedanzverlauf ist charakteristisch für die meisten piezokeramischen Werkstoffe und zeigt ein Minimum (Serienresonanz) und bei höheren Frequenzen ein Maximum (Parallelresonanz). Die typische Arbeitsfrequenz eines Ultraschallwandlers liegt im Bereich der Serienresonanz (Impedanzminimum), bei etwa 5 MHz. 31