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Innovation Messtechnik 2017

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Inhalt:

Entwicklung eines hochauflösenden Ultraschall-Mikroskops für den Einsatz in der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung

Dipl.-Ing. Dr. Stefan J. Rupitsch

Dipl.-Ing. Dr. Stefan J. Rupitsch
   

Betreuer und 1. Begutachter:

Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. Bernhard Zagar

2. Begutachter:

Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. Christian Kargel

Rigorosum:

21. August 2008

Im Rahmen der Dissertation wurde ein hochauflösendes Ultraschall-Mikroskop entwickelt (siehe Abbildung 1). Das Mikroskop arbeitet mit einem fokussierenden piezoelektrischen Ultraschalltransducer, dessen aktive Fläche sphärisch gekrümmt ist. Mit Hilfe des Transducers werden sowohl Schallwellen erzeugt als auch reflektierte Schallwellen empfangen. Um das maximale Ortsauflösungsvermögen des bildgebenden Messsystems zu erreichen, wird die Fokussierung mittels synthetischer Apertur (SAFT) eingesetzt. Dabei werden mehrere Ausgangssignale des Transducers an verschiedenen Positionen aufgenommen und rechnerisch miteinander verknüpft, wodurch die Ortsauflösung in den resultierenden Ultraschallbildern verbessert wird.

Abbildung 1: Das Bild zeigt den realisierten Messaufbau des Ultraschall-Mikroskops. Mit Ausnahme des Steuer-PCs sind sämtliche Komponenten in ein fahrbares Rack integriert. Der Aufbau setzt sich zusammen aus dem Transientenrecorder (A), der Wassertemperatur-Regeleinheit (B), dem Pulser/Receiver (C), dem Motor-Controller (D), der mechanischen Verschiebeeinheit (E), dem Remote-Pulser/Receiver (F), dem fokussierenden Ultraschalltransducer (G) und dem Wassertank (H)

Abbildung 1: Das Bild zeigt den realisierten Messaufbau des Ultraschall-Mikroskops. Mit Ausnahme des Steuer-PCs sind sämtliche Komponenten in ein fahrbares Rack integriert. Der Aufbau setzt sich zusammen aus dem Transientenrecorder (A), der Wassertemperatur-Regeleinheit (B), dem Pulser/Receiver (C), dem Motor-Controller (D), der mechanischen Verschiebeeinheit (E), dem Remote-Pulser/Receiver (F), dem fokussierenden Ultraschalltransducer (G) und dem Wassertank (H)

Obwohl die Fokussierung mittels synthetischer Apertur eine "Vergleichmäßigung" der Ortsauflösung in den Ultraschallbildern bewirkt, wird in dieser Arbeit erstmals durch die Berücksichtigung der räumlich lokal aufgelösten Sende- und Empfangscharakteristik der aktiven Transduceroberfläche das Ortsauflösungsvermögen des entwickelten Messsystems zusätzlich erhöht (siehe Abbildung 2). Zur Ermittlung der Sende- und Empfangscharakteristik des Transducers wird im Rahmen dieser Arbeit ein neuartiges Verfahren präsentiert und angewendet, bei dem ein schlecht gestelltes inverses Problem formuliert und gelöst wird.

Abbildung 2: (a) zeigt das B-mode Bild (normiert; in dB), das sich für einen Drahtreflektor (Drahtdurchmesser 45 µm; orientiert in y-Richtung) ergibt, der sich im negativen Defokusbereich des Transducers befindet. Demgegenüber ist in (b) das SAFT-Bild dargestellt, wobei mit Hilfe eines

Abbildung 2: (a) zeigt das B-mode Bild (normiert; in dB), das sich für einen Drahtreflektor (Drahtdurchmesser 45 µm; orientiert in y-Richtung) ergibt, der sich im negativen Defokusbereich des Transducers befindet. Demgegenüber ist in (b) das SAFT-Bild dargestellt, wobei mit Hilfe eines "gewöhnlichen" Verarbeitungsalgorithmus die Fokussierung mittels synthetischer Apertur durchgeführt wurde. (c) und (d) zeigen die Ergebnisse zweier modifizierter SAFT-Varianten (SAFT-Variante 1 und SAFT-Variante 2), welche auf zwei unterschiedliche Arten die Sende- und Empfangscharakteristik des Ultraschalltransducers berücksichtigen. Im Gegensatz zu (b) tritt sowohl in (c) als auch in (d) eine stärkere Konzentration der Signale mit hoher Amplitude auf. Daher wird mit SAFT-Variante 1 und SAFT-Variante 2 ein höheres Ortsauflösungsvermögen als mit dem "gewöhnlichen" SAFT-Algorithmus erzielt.)

Mit Hilfe des entwickelten Ultraschall-Mikroskops können B-mode Bilder ("Brightness") und C-mode Bilder ("Complex") der zu untersuchenden Probe erstellt werden.
Das Ultraschall-Mikroskop eignet sich beispielsweise zur Lokalisierung von Delaminationen in geschichteten Materialien (siehe Abbildung 3) sowie zur Untersuchung der Bondbereiche (Verbindungsstellen) zwischen Halbleiterchips und deren Anschlussdrähten.

 Abbildung 3: Links ist ein optisches Bild zweier verklebter transparenter Plexiglasplättchen dargestellt, wobei unzählige

Abbildung 3: Links ist ein optisches Bild zweier verklebter transparenter Plexiglasplättchen dargestellt, wobei unzählige "unsaubere" Klebebereiche (Delaminationen) vorliegen. Das rechte Bild veranschaulicht das Ultraschall-Mikroskopbild (C-mode Bild) des Klebebereichs. Aufgrund von Inhomogenitäten in den unsauberen Klebebereichen entstehen Reflexionen der einfallenden Schallwellen, wodurch sich Transducerausgangssignale mit hoher Amplitude ergeben (helle Bereiche im C-mode Bild).