Wenn Ultraschall intelligent wird

Auf der SENSOR+TEST 2026 präsentiert das Fraunhofer EMFT MEMS‑Ultraschallsysteme für integrierte Sensorlösungen. Gezeigt werden kompakte, energieeffiziente und präzise Technologien, die den Weg zu neuen Anwendungen in Industrie und Medizintechnik ebnen. 

Die zunehmende Digitalisierung industrieller und medizinischer Anwendungen stellt immer höhere Anforderungen an moderne Sensortechnologien. Gefragt sind kompakte, energieeffiziente und hochpräzise Sensorsysteme, die zuverlässig Daten erfassen, auswerten und sich in komplexe Elektronik‑ oder Automatisierungsumgebungen integrieren lassen. Auf der SENSOR+TEST 2026 zeigt das Fraunhofer‑Institut für Elektronische Mikrosysteme und Festkörper‑Technologien EMFT, wie MEMS‑Ultraschalltechnologien diese Anforderungen erfüllen können und neue Wege zur Systemintegration eröffnen. 

Viele Anwendungspotenziale 

Im Zentrum der Forschung stehen mikromechanische Ultraschallwandler auf Basis von PMUT‑ (Piezoelectric Micromachined Ultrasonic Transducer) und CMUT‑ (Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer)‑Technologien. Diese Bauelemente ermöglichen die Erzeugung und Detektion von Ultraschallwellen in hochminiaturisierter Form und bilden die Grundlage für kompakte, präzise und arrayfähige Systeme. 

Durch die Skalierbarkeit der Strukturgrößen lassen sich vielfältige Anwendungen realisieren – von der medizinischen Bildgebung über die zerstörungsfreie Materialprüfung bis zur Abstandsmessung in der industriellen Fertigung. Ihre hohe Integrationsfähigkeit prädestiniert MEMS‑Ultraschallsysteme für den Einsatz in vernetzten Geräten und autonomen Sensornetzwerken. 

Intelligente Elektronik für präzise Signalverarbeitung 

Da die von den Ultraschallwandlern erzeugten Signale nur in Kombination mit spezialisierter Elektronik nutzbar werden, liegt ein wesentlicher Entwicklungsfokus auf der integrierten Elektronik, welche die Ultraschallwandler sowohl ansteuert als auch deren Signale erfasst und verarbeitet. Das Fraunhofer EMFT entwickelt hierfür anwendungsspezifische integrierte Schaltungen (ASICs), die speziell auf die Anforderungen von MEMS‑Ultraschallanwendungen zugeschnitten sind. 

Diese Front‑End‑Schaltungen kombinieren leistungsfähige Hochspannungs‑Treiber zur Ultraschallerzeugung mit rauscharmer Empfangselektronik für die präzise Signaldetektion. Durch simulationsgestützte Auslegung lassen sich mechanische und elektrische Parameter optimal aufeinander abstimmen. So entsteht ein Systemdesign, in dem Wandler und Elektronik perfekt harmonieren – ein entscheidender Schritt für die Leistungsfähigkeit moderner Ultraschallsensorik. 

Charakterisierung und Optimierung 

Für die Verifikation und Optimierung der Systeme betreibt das Fraunhofer EMFT ein spezialisiertes Ultraschalllabor, in dem Wandler, Schaltungen und Gesamtsysteme detailliert charakterisiert werden. Messungen im Frequenzbereich von 0,1 bis 20 MHz liefern elektrische Kenngrößen wie Impedanz und Kapazität sowie akustische Parameter, etwa räumliche Schallfeldverteilungen. Die Möglichkeit, in Luft und Flüssigkeiten zu messen, erlaubt die realitätsgetreue Abbildung anwendungsspezifischer Einsatzbedingungen. 

Diese experimentellen Daten fließen unmittelbar in die Systementwicklung zurück und unterstützen die gezielte Anpassung von Bauteilen und Materialien – ein wichtiger Schritt hin zu robusten, zuverlässigen und reproduzierbaren Ultraschallsystemen. 

Integration auf kleinstem Raum 

Mit der steigenden Anzahl von Wandlern in Arrays wächst die Menge der zu verarbeitenden Daten erheblich. Das Fraunhofer EMFT begegnet dieser Herausforderung durch die Integration von Signalverarbeitungsschritten direkt auf Systemebene: Die Daten werden also bereits nahe am Sensor vorverarbeitet und damit die Systemkomplexität sowie Schnittstellenlast reduziert. Diese Kombination aus MEMS‑Technologie, Elektronikdesign und integrierter Auswertung schafft die Basis für intelligente, autarke Sensorsysteme. 

Wie diese Integration funktioniert, zeigt das Institut auf der Messe anhand eines kompakten Demonstrators: Ein Ultraschallsystem mit integrierter Ansteuerung und Signalverarbeitung veranschaulicht das Zusammenspiel von MEMS‑Wandlern, ASIC‑Front‑Ends und Datenverarbeitung. Der Demonstrator liefert Einblicke in die Leistungsfähigkeit der Technologie für Anwendungen im höheren Frequenzbereich und demonstriert, wie sich komplexe Funktionen auf kleinstem Raum realisieren lassen. 

Kooperation im Bayerischen Chip‑Design‑Center 

Die Arbeiten sind Teil des Bayerischen Chip‑Design‑Centers (BCDC), einer Initiative von Fraunhofer‑Instituten und Hochschulen zur Stärkung der Chipdesign‑Kompetenz und Innovationskraft in Bayern. Das Fraunhofer EMFT bringt in dieses Netzwerk seine umfangreiche Expertise in Ultraschallsystemen, integrierten Schaltungen und Präzisionscharakterisierung ein. Gemeinsam mit Partnern aus Wissenschaft und Industrie entstehen Lösungen, die insbesondere kleinen und mittleren Unternehmen den Zugang zu kundenspezifischen ASIC‑Designs, Prototypenentwicklung und Kleinserienfertigung ermöglichen. Damit leistet das Fraunhofer EMFT einen wichtigen Beitrag zur Technologieförderung und regionalen Wertschöpfung im Bereich Mikroelektronik. 

Forschung und Anwendung Hand in Hand 

Die präsentierten Entwicklungen zeigen eindrucksvoll, wie sich fortschrittliche MEMS‑Ultraschalltechnologien zu Schlüsselkomponenten moderner Sensorsysteme entwickeln. Sie bilden die Grundlage für kompakte, intelligente und vernetzte Lösungen – in der Produktion, der Medizintechnik und zukünftigen digitalen Anwendungen. 

Mit seiner interdisziplinären Expertise von der Wandlerentwicklung über ASIC‑Design bis zur Systemintegration bietet das Fraunhofer EMFT eine Gesamtsicht auf die Ultraschallsensorik von morgen – und zeigt auf der SENSOR+TEST 2026, wie Forschung und Anwendung hier Hand in Hand gehen.