Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme
Ultraschallsensoren werden bereits heute in zahlreichen Anwendungsgebieten für die Umgebungsüberwachung und Objekterkennung eingesetzt: Die Einparkassistenz in der Automobiltechnik, die Anwesenheitsdetektion und Füllstandmessung in der Fabrikautomatisierung sowie die Entwicklung mobiler Roboter sind hierbei nur einige Beispiele. Dabei werden Distanzen im Bereich weniger Zentimeter bis einiger Meter abgedeckt. Das Messverfahren beruht auf dem Senden von Ultraschallwellen und der Detektion von Echosignalen aus der Umgebung. Aus der Laufzeit und der Amplitude des reflektierten Signals sowie einer Frequenzverschiebung werden quantitative Aussagen über Abstände und Bewegungen von Hindernissen innerhalb der Sensorreichweite abgeleitet.
Vorteile von Ultraschallsensoren
Ultraschallverfahren zeichnen sich im Vergleich zu optischen und kapazitiven Methoden dadurch aus, dass
- die Abstands- und Bewegungsdetektion auch in dunklen bzw. opaken Umgebungen einsatzfähig bleibt und aufgrund längerer Signallaufzeiten mit einem geringeren Detektionsaufwand verbunden ist.
- Der geringere Umwelteinfluss von Luftfeuchtigkeit, Luftdruck sowie Partikeln auf die Leistungsfähigkeit sowie der Verzicht auf ionisierende bzw. intensive optische Strahlung ermöglichen zudem eine sichere Erfassung in rauen Umgebungen.
Derzeit werden Ultraschallsensorsysteme hauptsächlich durch bleihaltige Piezo-Keramiken und Kompositverbindungen mittels feinmechanischer Herstellungsverfahren realisiert. Die steigende Komplexität von Mess- und Prüfaufgaben in der MRK erfordert jedoch ein steigendes Maß an Sensorminiaturisierung und der lokalen Integration intelligenter Datenverarbeitung in Echtzeit, beispielsweise in Online-Überwachungssystemen oder der Einbettung von reaktiven Greifersystemen. Zudem ist dieser Ansatz hinsichtlich des Auflösungsvermögens insbesondere im Nahdistanzbereich sowie der RoHS-Konformität eingeschränkt. Demnach werden diese Sensorsysteme den Anforderungen der nächsten Robotergeneration nicht gerecht.
Innovative Ultraschallwandler des Fraunhofer IPMS
Die vom Fraunhofer IPMS entwickelten mikromechanischen Ultraschallwandler (MUT) basierend auf MEMS sind ein vielversprechender Sensoransatz, um diese Hürden zu überwinden.
Diese miniaturisierten Systeme profitieren von zuverlässigen Herstellungsprozessen in CMOS-Technologien, die eine kostengünstige und RoHS-konforme Produktion von Sensoren in hohen Stückzahlen ermöglichen. MUTs sind für ein breites Spektrum von Ultraschallfrequenzen fertigbar, so dass applikationsspezifische Reichweiten und Auflösungsvermögen möglich sind.
Dabei können Sensorlösungen sowohl in einkanaligen Strukturen als auch in beliebigen zweidimensionalen Arraystrukturen gefertigt werden. Letztere ermöglichen die Anwendung von bildgebenden Verfahren zur Umgebungsüberwachung.
In Verbindung mit einer on-Chip Sensorsteuerung und Embedded-KI werden zukünftig intelligente MUT-Systeme für die Einbindung in Sensornetzwerke zur multimodalen Umgebungsüberwachung bereitstehen.
