Ultraschallbasierte Proximity-Sensoren für die Mensch-Maschine-Interaktion

In vielen Anwendungen in den Bereichen Industrie 4.0, Smart Health, Smart Security und Automotive kommen zunehmend intelligente interaktive Systeme für die Mensch-Maschine-Interaktion (MMI) zum Einsatz. Hierbei sind Sensorsysteme für den nonverbalen Informationsaustauschs im Nahdistanz- und Kontaktbereich sowohl für die Funktionalität als auch die Sicherheit essentiell. Als Antwort auf die steigenden Anforderungen in Hinblick auf Leistung, Energieeffizienz und Funktionalität arbeiten Forschende der Fraunhofer EMFT gemeinsam mit drei weiteren Fraunhofer-Instituten am Aufbau einer modularisierten MEMS-Technologie- und Sensorplattform.

Die bisher verwendeten Ansätze zu Überwachung von Oberflächen und Objekten basieren auf Einzellösungen von Taktil- bzw. Proximity-Sensoren mit unterschiedlichen physikalischen Wirkprinzipien. Hierbei haben sich jeweils kapazitive bzw. ultraschallbasierte Verfahren als am geeignetsten herausgestellt. Derzeitige Treiber der Sensorentwicklung sind die Erfassung einer hohen multimodalen Informationsdichte mittels miniaturisierter Sensoren und die Echtzeit-Reaktion des Gesamtsystems für den Einsatz in der Robotik, der Prothetik und des Verbrauchermarkts. Die technische Abbildung der menschlichen Hand und die damit möglichen flexiblen Greifprozesse (»reaktives Greifen«) sind hierbei Schlüsselkompetenzen für die Fertigungsindustrie und Medizintechnik. Anforderungen der MMI an eine energieeffiziente dreidimensionale Erfassung mit steigender lateraler (< 700 μm) und axialer (< 1 mm) Auflösung sowie schneller Signalverwertung (> 20 Hz) sind jedoch mit den derzeit verfügbaren Lösungen nicht abbildbar.

Das Projekt »ProtaktilUS« adressiert diese wachsenden Marktanforderungen im Bereich der taktilen Proximity-Sensorik und stellt eine innovative modularisierte MEMS-Technologie- und Sensorplattform für ein neues Geschäftsfeld in der Fraunhofer-Gesellschaft bereit. Forschende der Fraunhofer EMFT arbeiten dabei gemeinsam mit den Fraunhofer-Instituten IPMS, IKTS, EMFT und IFF an der erstmaligen Chip-Integration hochauflösender kapazitiver und ultraschallerzeugender Elemente auf der CMOS-kompatiblen Plattform. Im Rahmen des Projekts entsteht dazu ein Demonstrator für den Anwendungsfall des reaktiven Greifens in der Robotik zur Handhabung und zur Identifikation unterschiedlich beschaffener Objekte.

Diese Innovation der entwickelten Modulplattformen MEMS, Elektronik und Signalverarbeitung soll zukünftig den Zugang zu weiteren Applikationsfeldern in industriellen, medizintechnischen, Consumer-orientierten und sicherheitsbezogenen Sektoren eröffnen.

Das Vorhaben wird durch das Fraunhofer-interne MAVO-Programm gefördert.