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 Navigation mobiler Roboter sind hierbei nur einige Beispiele. Dabei werden Distanzen im Bereich weniger Millimeter bis einiger Meter abgedeckt. Das grundlegende Messprinzip dahinter besteht darin, dass ein Wandler eine Ultraschallwelle aussendet und anschließend das Echosignal detektiert. Aus der Laufzeit sowie einer Frequenzverschiebung des reflektierten Signals werden quantitative Aussagen über Abstände und Bewegungen von Hindernissen innerhalb der Sensorreichweite abgeleitet.

Ultraschallverfahren zeichnen sich hierbei im Vergleich zu optischen 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. Zudem lassen sich Ultraschallverfahren prinzipienbedingt sehr energieeffizient gestalten und verhältnismäßig stark miniaturisieren.

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, beispielsweise für die Einbettung in reaktive Greifersysteme. Darüber hinaus sind konventionelle Ansätze hinsichtlich des Auflösungsvermögens sowie der RoHS-Konformität eingeschränkt und werden den Anforderungen der nächsten Robotergeneration somit nicht gerecht.

Ultraschallwandler basierend auf Mikroelektromechanischen Systemen (MEMS) haben das Potential diese Hürden zu überwinden. Diese mikromechanischen Ultraschallwandler (MUT) profitieren von zuverlässigen Herstellungsprozessen der Halbleiter-Technologie, die eine kostengünstige Produktion von Sensoren in hohen Stückzahlen ermöglichen. MUTs sind für ein breites Spektrum von Ultraschallfrequenzen fertigbar, sodass applikationsspezifische Reichweiten und Auflösungsvermögen möglich sind. Dabei können Sensorlösungen sowohl in einkanaligen Strukturen als auch in beliebigen zweidimensionalen Arraystrukturen gefertigt werden. Bei Letzteren werden verschiedene Ultraschallwandler nah beieinander angeordnet, was eine ganze Reihe neuer Anwendungsmöglichkeiten eröffnet. Beispielsweise lässt sich die Position von Objekten zuverlässig im drei-dimensionalen Raum abbilden, indem die mit unterschiedlichen Laufzeiten empfangenen Signale mit der Lage jedes einzelnen Wandlers korreliert werden (Beam Forming). Andererseits ist es möglich, das Senden einer Ultraschallwelle so auszurichten, dass sie auf genau einen gezielten Punkt im Raum trifft (Beam Steering). Derartige MUT-Arrays erzeugen dabei fokussierte, hochintensive Schallstrahlungen, die die Erfassung der Umgebung erleichtern. Dadurch lassen sich auf Basis von bildgebenden Verfahren dreidimensionale Umgebungsüberwachungen realisieren.

In Verbindung mit einer on-Chip Sensorsteuerung und Embedded-KI könnten zukünftig intelligente MUT-Systeme für die Einbindung in Sensornetzwerke zur multimodalen Umgebungsüberwachung bereitstehen und die kollaborative Interaktion zwischen autonomen Robotersystemen und Menschen noch effizienter gestalten.