Ultraschalltechnik der Zukunft: Unsichtbare Sensorik mit breitem Einsatzspektrum

Ein winziger Chip, verpackt in einem unauffälligen Gehäuse, kann Räume erfassen, Gesten erkennen und sogar als akustische Kamera dienen. Die zugrunde liegende Technologie basiert auf kapazitiven mikromechanischen Ultraschallwandlern (CMUT), die neue Maßstäbe in der kontaktlosen Sensorik setzen.

CMUT Hightech-Sensor für Ultraschallsensorik im Miniaturformat

Versteckt in einem kleinen Gehäuse arbeitet ein kapazitiver mikromechanischer Ultraschallwandler – kurz CMUT. Diese Technologie sendet für das menschliche Auge unsichtbare Schallwellen aus, deren Reflexionen von der Umgebung wieder eingefangen und ausgewertet werden. Im präsentierten Szenario wird demonstriert, wie sich mit einem einzigen Chip Bewegungen erkennen lassen – etwa Reflexionen an einem vorbeifahrenden Zug oder an fixen Objekten wie einem Baum oder einer Kuh. Dabei ermöglicht der CMUT eine präzise Abstandsmessung, die sich etwa zur Umfelderkennung im Fahrzeug oder in der Industrie nutzen lässt.

Gestensteuerung durch Schall: Bedienkonzepte ohne Berührung

Ein zentrales Anwendungsfeld der CMUT-Technologie ist die Gestensteuerung. Gerade unter dem Eindruck der Pandemie ist das Interesse an berührungslosen Bedienkonzepten stark gestiegen – sei es im Fahrzeug zur Steuerung von Radio oder Klimaanlage oder im öffentlichen Raum beim Auslösen eines Ampelsignals, ohne einen Knopf drücken zu müssen. Auch im klinischen Umfeld bieten sich neue Möglichkeiten: Türen lassen sich durch einfache Handbewegungen öffnen, ohne dass ein direkter Kontakt nötig ist.

Ultraschall: Akustische Bildgebung als Alternative zur optischen Kamera

Die akustische Sensorik kann als Ersatz oder Ergänzung optischer Kameras dienen. Ähnlich wie Fledermäuse sich durch Echoortung im Raum orientieren, erlaubt auch der CMUT eine akustische Erfassung der Umgebung – ohne dass dafür Licht notwendig ist. Mittels spezieller Arrays lässt sich sogar die Form von Objekten darstellen. Ziel ist die Entwicklung von 2D-Kameras auf Ultraschallbasis, die robust und unempfindlich gegenüber Lichtverhältnissen arbeiten.

Berührungslos, energiearm, sicher: Vorteile der CMUT-Technologie

Ein großer Vorteil der Technologie liegt in ihrer Unauffälligkeit: Die Schallwellen sind für den Menschen weder hör- noch spürbar, haben eine geringe Energie und sind vollkommen ungefährlich. Selbst bei direktem Kontakt – etwa mit der Hand – tritt kein physischer Reiz auf. Dadurch eignet sich die Technik ideal für sensible Einsatzgebiete, etwa in der Medizin oder im Alltag, wo Komfort und Sicherheit gefragt sind.

Auflösung bis zum Millimeter: KI-basierte Objekterkennung mit Ultraschallarrays

Die Kombination aus CMUT-Chips und künstlicher Intelligenz eröffnet neue Möglichkeiten in der automatisierten Erkennung komplexer Szenarien. So lassen sich große Flächen erfassen und charakteristische Muster wiedererkennen. Die Integration mehrerer Chips in Arrays verbessert die räumliche Auflösung, die mittlerweile bis auf etwa einen Millimeter reicht. Damit ist eine präzise Oberflächendetektion in der industriellen Fertigung möglich – auch dort, wo aufgrund von Fachkräftemangel Automatisierungslösungen gefragt sind.

Wirtschaftlichkeit durch Waferfertigung und hohe Stückzahlen

Die Herstellung der CMUTs erfolgt auf Waferbasis in sogenannten Batchprozessen. Der Aufwand in der Vorbereitung – etwa für Lithographiemasken oder Prozessentwicklung – ist hoch, doch bei großer Stückzahl sinken die Produktionskosten pro Chip erheblich. In Anwendungen wie dem Automobilbereich, wo hohe Stückzahlen gefragt sind, können solche Sensoren inzwischen sehr günstig hergestellt werden – teilweise im Subzentbereich, abhängig von Chiptyp, Materialien und Serienvolumen.