Ausgabe zur SENSOR + TEST 2019

3 ULTRASCHALLWANDLER TEXT: FRAUNHOFER-INSTITUT FÜR PHOTONISCHE MIKROSYSTEME, IPMS MARIA-REICHE-STR. 2 D-01109 DRESDEN E in Forscherteam am Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosys- teme IPMS nutzt eine neue Klasse mikromechanischer Ultraschallwandler für die zu- verlässige Erkennung dreidi- mensionaler Abstandsände- rungen, Bewegungsmuster und Gesten im Bereich bis zu einem halben Meter. Die sehr kleinen und kostengünstig herstellba- ren Bauelemente ermöglichen hohe Schalldrücke und bieten ein flexibles Frequenzdesign für eine optimale Abstimmung zwi- schen Abstand und Empfindlich- keit. Auf der Messtechnik-Messe Sensor und Test vom 25. bis 27.06.2019 in Nürnberg können sich die Besucher anhand eines ersten Funktionsdemonstrators am Messestand 248 des Fraun- hofer IPMS in Halle 5 vom Stand der Technik überzeugen. Durch das Smartphone sind ein- fache Handbewegungen zur Bedie- nung von Geräten wie Wischen, Ziehen oder Antippen zur Selbst- verständlichkeit geworden. Diese Gestensteuerung setzt allerdings einen Touchscreen voraus. Ist die- ser nicht vorhanden oder stehen die Hände für seine Bedienung nicht zur Verfügung, sind kon- taktlose Lösungen für die Mensch- Maschine-Kommunikation gefragt. Vor allem Assistenzsysteme zur Spracherkennung und -Interpre- tation erfreuen sich schon heute wachsender Beliebtheit. Sie sind jedoch für öffentliche Bereiche mitunter ungeeignet und funktio- nieren nur in ruhigen Umgebungen verlässlich, die frei von externen Störgeräuschen sind. Eine For- schergruppe am Fraunhofer IPMS arbeitet deshalb an einem alter- nativen Ansatz zur berührungslo- sen, dreidimensionalen Erfassung von Abständen, Bewegungen und Gesten für die Kommunikation mit Robotern, im OP-Bereich und in Haushaltssystemen. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler haben eine Mikro- Chip-Architektur entwickelt, die Ultraschall bis 300 kHz erzeugen und empfangen kann. Die reflek- tierten Schallwellen werden dann analysiert, indem zum Beispiel gemessen wird, wie lange die Wel- le zwischen dem Sensorsystem und dem reflektierenden Objekt unterwegs war oder wie sich die Frequenzen aufgrund des Doppler- Effekts verschoben haben. Die Auswertung des Ultraschalls er- laubt eine räumliche Auflösung natürlicher Bewegungen und Ges- ten im Sub-Zentimeter-Bereich über Distanzen bis zu einem hal- ben Meter. Laut Fraunhofer IPMS ist der Ultraschallwandler gegen- über konkurrierenden optischen Sensorverfahren im Vorteil. Grup- penleiter Dr. Sandro Koch erklärt die Vorzüge so: „Im Vergleich zu kamerabasierten Systemen ermög- lichen unsere Ultraschallsensoren aufgrund längerer Signallaufzeiten den Aufbau deutlich kostengünsti- gerer Elektronik- und Softwaresys- teme. Sie sind nicht streulicht- empfindlich und erlauben eine zuverlässige Datenerfassung auch an optisch transparenten Ober- flächen. Zudem sind die Systeme CMOS-kompatibel und erheblich kompakter und lassen sich in gro- ßen Stückzahlen kostengünstig herstellen.“ Für die Entwicklung setzen die Forscher auf eine neue Klasse elektrostatischer, mikro-elektro- mechanischer (MEMS) Biegeakto- ren, die seit 2016 zur Erzeugung von Hörschall in Mikrolautspre- chern und für Mikropumpen ste- tig weiterentwickelt wurden. Dieses Fraunhofer IPMS-eigene, so genannte nano-e-drive-An- triebsprinzip (NED) nutzt die hohen Kräfte elektrostatischer Felder in Nanometer-kleinen Elektrodenspalten aus, um me- chanische Bewegungen mit Aus- lenkungen im Bereich mehrerer Mikrometer zu ermöglichen. Für die Schallerzeugung wird dabei nicht nur die Chipoberfläche, son- dern das komplette Bauelement- volumen eingesetzt. “Die Nutzung des Chipvolumens zur Schallerzeu- gung ermöglicht die Herstellung sehr kleiner Bauelemente“, erläu- tert Sandro Koch. „Weil hunderte solcher Bauelemente auf einem einzigen Wafer Platz finden und mehrere Wafer in einzelnen Pro- zessschritten gleichzeitig verar- beitet werden können, sind die Herstellungskosten für große Men- gen potenziell gering.“ Für die weitere Entwicklung erwarten die Fraunhofer-Forscher hohe Luft-Volumenströme, die in hohe Schalldrücke gewandelt wer- den und folglich ein gesteigertes Signal-Rausch-Verhältnis für nie- derfrequente Ultraschallwandler bereitstellen. Die Resonanzfre- quenz und damit Detektionsreich- weite sowie das räumliche Auflö- sungsvermögen können durch die Geometrie der NED-Biegeaktoren definiert werden. Mögliche Anwendungsfelder der ultraschallbasierten, berührungs- losen Bewegungserkennung sind aus Sicht der Forscher in der Auto- matisierungs- und Sicherheitstech- nik ebenso zu finden wie in der Medizintechnik, Automobilindus- trie oder Unterhaltungs- und Haus- haltselektronik. Das Fraunhofer IPMS zeigt auf der Sensor und Test am Messestand 248 in Halle 5 mit einem ersten Funktionsdemonstra- tor, wie Ultraschall eine Gestener- kennung unterstützen kann. Gesture Recognition Using Ultrasound A research team at the Fraunhofer Institute for Photonic Microsystems (IPMS) have used a new class of ultrasonic transducers to reliably detect distance changes, movement patterns, and gestures in ranges of up to half a meter. The tiny components are inexpensive to produce, allow for high sound pressure, and provide a flexible frequency design for an optimal balance of distance and sensitivi- ty. Visitors to the 2019 Sensor and Test Measurement Fair to be held from 25.-27. June in Nuremberg can view a first functional dem- onstrator of the state-of-the-art technology at the Fraunhofer IPMS Booth 248 in Hall 5. Simple hand movements such as wiping, pulling or tapping have become common place through the popularity of the smart- phone. These types of gesture controls, however, require access to a touch screen. Contactless solutions for man-machine com- munications are required in cases where a touch screen is not avail- able or hands and fingers cannot be used. Systems assisting in speech recognition and interpre- tation in particular are already growing in popularity. However, these systems rely on quiet envi- ronments free from external noise disturbances and are sometimes unsuitable for use in public ar- eas. Fraunhofer IPMS research- ers are working on an alternative approach to provide non-contact, three-dimensional recording of distance, movement and gesture for communication with robots as well as in surgical areas and household systems. Scientists have developed a micro-chip architecture that can generate and receive ultrasound up to 300 kHz. Reflected sound waves are analyzed by measur- ing, for example, how long it took the wave to travel between the sensor system and the reflecting object, or how frequencies shifted due to the Doppler effect. Evalu- ation of the ultrasound provides a spatial resolution for natural movements and gestures in the sub-centimeter range at distances up to half a meter. Fraunhofer IPMS representatives are certain that the ultrasonic transducer has advantages over competing opti- cal sensor methods. Group leader Sandro Koch notes, “Compared to camera-based systems, our ultra- sonic sensors enable the construc- tion of significantly cheaper elec- tronic and software systems due to longer signal transit times. Our transducers are not susceptible to stray light and allow for reli- able data acquisition on optically transparent surfaces as well. Our systems are CMOS-compatible, are considerably more compact, and can be inexpensively produced in mass quantities.” For this development, research- ers are implementing a new class of electrostatic micro-electro- mechanical (MEMS) bending actuators which have been con- tinuously further advanced for generating sound in micro-loud- speakers and use in micropumps since 2016. The Fraunhofer IPMS proprietary nano-e-drive (NED) principle utilizes the high forces of electrostatic fields in nanom- eter-sized electrode gaps to allow for mechanical movements with displacements in ranges of sev- eral microns. The chip surface as well as the complete component volume is used for sound genera- tion. Sandro Koch explains, “Us- ing the entire chip volume for sound generation enables us to produce very small components. Because hundreds of such devices can fit on a single wafer – and multiple wafers can be simultane- ously processed in single process steps – the cost of manufacturing large volumes is potentially low.” Fraunhofer researchers expect that high air volume flows that have been converted into high sound pressure will support fur- ther development to provide an increased signal-to-noise ratio for low-frequency ultrasonic trans- ducers. The resonance frequency and thus the detection range and spatial resolution can then be de- fined by the geometry of the NED bending actuators. Possible fields of applications for ultrasound-based non-contact motion detection include uses in automation, safety and medical technology as well as the auto- motive and entertainment and household electronics industries. Fraunhofer IPMS will present a first functional demonstra- tor showing how ultrasound can support gesture recognition at the 2019 Sensor and Test Meas- urement Fair event in Nürnberg. Visitors can find the Fraunhofer IPMS exhibit at Booth 248 in Hall 5 from 25.-27. June. Fachverlag24 GmbH Mühlenweg 23 30826 Garbsen Zentral-Telefon: +49 511 806805-0 Zentral-Fax: +49 511 806805-25 Handelsregister: Hannover HRB 208836 Geschäftsführer: H. Erhard Henke Verantwortl. für den Inhalt gem. §55, Abs. 2 RstV: Jens Mummrey info@messekurier.de Satz und Gestaltung/Redaktion: Jens Mummrey, Michael Gramer grafik@messekurier.de Druck: Deister- und Weserzeitung Verlagsgesellschaft mbH & Co. KG Osterstr. 15-19, 31785 Hameln Anzeigenpreise: Es gilt die Anzeigenpreisliste Nr. 7. Der Messe-Kurier sowie alle darin enthaltenen einzelnen Beiträge und Abbildungen sind urheberrechtlich geschützt. Nachdruck nur mit schriftlicher Genehmigung des Verlages. Dieses gilt auch für die Aufnahme in elektronische Datenbanken, Vervielfältigungen auf CD-ROM, DVD-ROM und Publikation über das Internet. Für unverlangt eingesandte Manuskripte und Fotos übernimmt der Verlag keine Haftung. Die Redaktion behält sich das Recht zur Kürzung oder Änderung vor. Bilder: AMA Service GmbH, Archiv oder siehe Quellenhinweis am Textanfang Hinweis: Die Herausgeber sind nicht verantwortlich für Herkunft, Inhalt, Qualität und Wahrheits- gehalt der in den Anzeigen aufgegebenen Waren, Dienstleistungen oder Mitteilungen. Sie übernehmen keine Garantie für Erscheinen und Platzierungen sowie für inhaltliche Richtigkeit. Weiterhin haftet der Herausgeber nicht für unverlangt eingesendete Manuskripte, Bücher, Bilder oder sonstiger Unterlagen. Der Herausgeber übernimmt keine rechtliche Verantwortung über den von der Fachverlag24 GmbH gestalteten Redaktion und Gestaltung. Außer der Verbreitung und Veröffentlichung übernimmt der Herausgeber keine weitere Dienstleistungen und Verantwortungen. www.evk.biz We bring the lab into your line EVK - Experts in Industrial Imaging SENSOR+TEST Nuremberg Hall 5, Booth 5-113 Gestenerkennung durch Ultraschall TEXT: AMA VERBAND FÜR SENSORIK UND MESSTECHNIK E.V. SOPHIE-CHARLOTTEN-STR. 15, D-14059 BERLIN D er AMA Verband für Sensorik und Mess- technik nominiert in diesem Jahr vier Be- werbungen für den AMA Innova- tionspreis 2019. Mit dabei: das Team um Ronny Timmreck von der Senorics GmbH in Dresden, das auch den Sonderpreis ‚Jun- ges Unternehmen‘ erhält. Der AMA Verband für Sensorik und Messtechnik nominiert vier in- novative Entwicklungen für den re- nommierten AMA Innovationspreis 2019, der mit 10.000 Euro Preisgeld dotiert ist. Dem diesjährigen Aufruf zur Bewerbung folgten 38 Forscher- und Entwicklerteams aus dem In- und Ausland. Insgesamt 11 junge Unterneh- men bewarben sich zudem um den Sonderpreis ‚Junges Unternehmen‘. Sie sind nicht länger als fünf Jahre am Markt, beschäftigen weniger als 50 Mitarbeiter und erwirtschaften einen Jahresumsatz unter 10 Milli- onen Euro. In diesem Jahr gewinnt das Team der Senorics GmbH den Sonderpreis 2019 für ‚PLAN B‘, ein kompaktes Analysegerät für klei- ne Brauereien. Das ausgezeichne- te Team erhält einen kostenlosen Messeauftritt auf der SENSOR+TEST 2019 in Nürnberg und gehört wei- terhin zu den Nominierten um den AMA Innovationspreis 2019. „Die Jury durfte wieder sehr in- teressante Lösungen bewerten. Wir sind uns einig, dass viele dieser In- novationen die technische Basis für die Herausforderungen von morgen sind“, sagt der Juryvorsitzende An- dreas Schütze von der Universität des Saarlandes. „In diesem Jahr nominieren wir vier Entwicklungen aus verschiedenen Anwendungs- gebieten. Eins haben aber alle ge- meinsam, die nominierten Projekte zeichnen sich durch ihre überzeu- gende wissenschaftliche Leistung und eine deutlich erkennbare Markt- relevanz aus.“ Für den AMA Innovationspreis 2019 sind nominiert (in alphabe- tischer Reihenfolge): HoloPort – Interferometer für die Werkzeugmaschine Tobias Seyler, Johannes Engler (Fraunhofer-Institut IPM, Freiburg) Plan B - Kompaktes Analyse- gerät für kleine Brauereien Dr. Ronny Timmreck, Dr. Robert Brückner, Dr. Matthias Jahnel, Robert Langer (Senorics GmbH, Dresden) Rechenkern für maschinelles Lernen eingebettet in einer 6-Achsen-Inertialmesseinheit Marco Leo, Alessandra Rizzo, Andrea Donadel, Marco Castellano, Rossella Bassoli, Alessia Cagidiaco, Alessandro Locardi, Paolo Rosingana, Carlo Crippa (STMicroelectronics, Cornaredo/ Italien) XperYenZ™ - faseroptischer Sensor für absolute Distanz- messung Dr. Celal Mohan Ögün, Dr. Robert Send, Dr. Christopher Hahne, Bernd Scherwath, Michael Eberspach, Jonas Rahlf, Michael Uptmoor (trinamiX GmbH, Ludwigshafen) Der oder die Gewinner des AMA Innovationspreises 2019 werden am 25. Juni 2019 auf der Eröff- nungsveranstaltung der Fachmes- se SENSOR+TEST 2019 in Nürnberg bekanntgegeben. Vier innovative Teams für AMA Innovationspreis nominiert