Przełomowe i precyzyjne przetworniki ultradźwiękowe do wykrywania gestów

Naukowcy z Fraunhofer Institute for Photonic Microsystems (IPMS) opracowali nową klasę przetworników ultradźwiękowych, które mają niezawodnie wykrywać zmiany odległości badanych obiektów, określać wzorce ruchu i gestów, w zakresie do około pół metra. Przetworniki oparto na technologii MEMS kompatybilnej z CMOS. Są w stanie wygenerować wysokie ciśnienie akustyczne i umożliwiają elastyczne projektowanie widma częstotliwości pracy, by osiągnąć niezbędne optimum pomiędzy dystansem, a czułością. Wspierać mają tym samym tworzenie nowego typu interfejsów bezdotykowych. Nowe przetworniki dobrze radzą sobie z wykrywaniem gestów dłoni, w tym tych już powszechnych (dzięki popularności smartfonów), takich jak: stuknięcie, przeciąganie, wytarcie, itp. Tym samym dobrze odnajdą się w aplikacjach, gdzie nie można takich gestów wykonać bezpośrednio na ekranie, jest on niedostępny, lub całkowicie go brak. Systemy bazujące na rozpoznawaniu mowy również mogą się dobrze odnaleźć w takich sytuacjach, pod warunkiem, że otoczenie jest ciche. Na takie nie można liczyć często w miejscach publicznych, czy w przemyśle. Naukowcy pracują też nad tym, by zapewnić bezdotykowy zapis odległości trójwymiarowych, ruchów i gestów, do komunikacji z maszynami, robotami, nie tylko przemysłowymi, ale może też chirurgicznymi czy nawet dla systemów domowych. Architektura tych komponentów, opracowana przez Fraunhofer IPMS umożliwia generowanie i odbieranie ultradźwięków o częstotliwości sięgającej 300 kHz. Odbite fale są poddawane analizie, obliczając drogę jaką pokonały pomiędzy sensorem a mierzonym obiektem, lub też jak przesunęła się częstotliwość wywołana efektem Dopplera. Odpowiednia ocena charakterystyki częstotliwościowej fali odbitej przekłada się na wysoką rozdzielczość i czułość przestrzenną, dla gestów, wykonywanych w zakresie od niecałego centymetra, do pół metra od sensora. Sterowanie elementami MEMS realizowane jest przez autorski system naukowców z Fraunhofer: nano-e-drive (NED). Wykorzystuje duże siły pól elektrostatycznych w szczelinach elektrodowych wielkości pojedynczych nanometrów, umożliwia on wykonywanie przemieszczających ruchów mechanicznych w zakresie mikrometrów. Cała powierzchnia (a w istocie to cała objętość) komponentu używana jest do generowania dźwięków. Częstotliwość rezonansowa, a tym samym zasięg detekcji i rozdzielczość przestrzenna, mogą być określone przez geometrię siłowników gnących NED. Możliwe obszary zastosowań bezdotykowego wykrywania ruchu, w oparciu o ultradźwięki, obejmują zastosowania w automatyce, sprzęcie medycznym, a także w przemyśle motoryzacyjnym i rozrywkowym oraz elektronice użytkowej. Fraunhofer IPMS zaprezentuje pierwszy funkcjonalny prototyp, pokazując w praktyce to w jaki sposób ultradźwięki mogą wspierać rozpoznawanie gestów podczas 2019 Sensor and Test Measurement Fair w Norymberdze.