Ultraschallsensoren

MEMS basierte Ultraschallsensoren des Fraunhofer IPMS

Ultraschallsensoren / Ultraschallwandler

Innovative Ultraschallsensoren für die Mensch-Roboter-Kollaboration

Mensch und Roboter sind schon heute in vielen Arbeitsräumen enge Kollegen. Dadurch eröffnet sich die Möglichkeit, die kognitiven und flexiblen Fähigkeiten des Menschen durch die Präzision und Ausdauer von Robotern optimal zu ergänzen und höchste Produktivität zu erreichen. Voraussetzung dieser Mensch-Roboter-Kollaboration (MRK) ist jedoch ein hohes Maß an Sicherheit. Bisherige Sensorlösungen können eine umfassende intelligente Abdeckung der Umgebung nicht realisieren. Mikromechanische Ultraschall-Wandler (MUT) stellen dabei eine innovative und effektive Weiterentwicklung dar, die durch ihre kompakte Bauweise und ihre Leistungseffizienz neue Anwendungsbereiche erschließen können.

Sichere Interaktion von Menschen und Robotern mittels Sensorlösungen.

Aktuell verfügbare Sensorlösungen und ihre Hürden

Aktuell verfügbare Sensorsysteme zur Umgebungserkennung erfassen entweder den direkten Kontakt zwischen Mensch und Maschine mittels direkter oder indirekter Kraftsensoren oder die Annäherung mittels 3D-Kameras oder kapazitiven Sensoren. Die Hauptproblematik dieser Systeme liegt zum einem in der fehlenden Redundanz verschiedener Sensorprinzipien. Hierdurch kann eine Fehldetektion auftreten. Zum Beispiel kann ein kapazitiver Sensor alleine keine Körper mit geringer Dielektrizitätskonstante (z.B. Kunststoffe) erkennen. Weiterhin decken die Sensorsysteme meistens nur einen begrenzten Raum der Maschine ab. Eine Abdeckung aller Zonen (Nah- und Fernbereich) wäre wünschenswert, um eine komplette Detektion aller Körper im Umfeld zu garantieren. Zusätzlich ist die Einrichtung der Sensoren oft aufwendig und benötigt eine gute Kenntnis der Maschinenumgebung. Eine sichere Umgebungserkennung in der MRK erfordert deswegen integrierte, vernetzte, redundante und intelligente Erkennungssensoren.

Was sind Ultraschallsensoren?

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.

Ultraschallverfahren zeichnen sich hierbei 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.

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 und die kollaborative Interaktion zwischen autonomen Robotersystemen und Menschen ermöglichen.

Ultraschallsensoren für die Produktionstechnik von morgen

Die industrielle Massenproduktion legt einen sehr hohen Wert auf Automatisierung und Prozesssteuerung. Nur dadurch wird sichergestellt, dass die Produkte für den Verkauf qualitativ geeignet sind. Außerdem lassen sich so nicht nur mögliche Gefährdungen der Einrichtung verhindern, sondern auch Produktionskosten sparen, indem weniger defekte Teile hergestellt werden. Angesichts dessen, und im Hinblick auf die Industrie 4.0-Strategie, sind sensitivere, genauere und kostengünstigere Sensoren ein wichtiger Baustein in der Produktionstechnik. Zusätzlich spielt die Miniaturisierung aufgrund ihrer Vorteile hinsichtlich der Portabilität, einer möglichen Modularisierung von Designs, Vernetzung und Integrierbarkeit eine zunehmende Rolle. Die MEMS-Technologie ermöglicht die Realisierung dieser Ziele und ist durch die Zuverlässigkeit der Ultraschallsensorik gleichzeitig in der Lage, die Anforderungen der Industrie abzudecken.

Die von Fraunhofer entwickelten Ultraschallsensoren eignen sich ideal für die industrielle Prozesskontrolle.
© Fraunhofer ISIT
MEMS-Ultraschall-Array für luftgeführten Ultraschall.

Wie funktioneren Ultraschallsensoren und was sind die Vorteile?

Die drei Fraunhofer-Institute (ENASIPMS und ISIT) entwickeln für ein breites Anwendungsspektrum Ultraschallwandler, die hochfrequente Schallwellen mit einem hohen Schalldruck erzeugen können.

Kern der Ultraschallsensorik der Fraunhofer-Allianz sind MEMS-Schwinger, die mit Verfahren der Halbleiterfertigung hergestellt werden. Die Bauelemente werden entweder kapazitiv oder piezoelektrisch angetrieben, sodass beim Anlegen einer elektrischen Wechselspannung eine mechanische Kraft entsteht, die die Wandler in Schwingung versetzt. Die Bauelemente erzeugen so hochfrequente Schwingungen, die das umgebende Medium lokal und wechselhaft komprimieren und somit Schallwellen erzeugen. Je stärker die Schwingung, desto intensiver ist die Ultraschallwelle. Mit den von Fraunhofer entwickelten leistungsfähigen Wandlern lassen sich hocheffiziente Ultraschallsensoren realisieren.

Typisch bei MUTs ist die Nutzung der Resonanz, um noch stärkere Schwingungsamplituden zu erzeugen. Diese tritt bei einer gewissen Anregungsfrequenz auf, die hauptsächlich von der Geometrie des Wandlers und den Materialeigenschaften abhängig ist. Die Anregungsfrequenz hat aber auch einen Einfluss auf die Reichweite der Schallwelle, da der Schall bei sehr hohen Frequenzen stark vom Medium absorbiert wird, und die Intensität nachlässt. Mit den MEMS-basierten Schallerregern kann die Anregungsfrequenz leicht an die Kundenanforderung angepasst und so für die Kunden ein optimales Design der Bauelemente gefunden werden.

Aufgrund der kompakten Geometrien und des niedrigen Gewichtes der MEMS-Schallwandler sind die von Fraunhofer gefertigten Wandler leicht in verschiedenen Aufbauten zu montieren. Außerdem können sie dank der etablierten Halbleiter-Fertigungsprozesse problemlos mit der notwendigen Ansteuerelektronik integriert werden.

Was sind die Entwicklungspotentiale von Ultraschallsensoren?

Die Fraunhofer-Ultraschallwandler bieten für die Messgerätehersteller noch weitere Vorteile. Werden verschiedene Bauelemente nah beieinander angeordnet, so dass eine Array-Anordnung entsteht, eröffnet sich eine ganze Reihe neuer Anwendungsmöglichkeiten. Auf diese Weise können beispielsweise die Positionen von Objekten zuverlässig im dreidimensionalen Raum abgebildet werden, indem die mit unterschiedlichen Laufzeiten empfangenen Signale mit der Lage jedes einzelnen Wandlers korreliert werden (Beam Forming). Andererseits ist es auch möglich, das Senden einer Ultraschallwelle so auszurichten, dass sie auf genau einen gezielten Punkt im Raum trifft (Beam Steering).