Ultrasound generating microstructures for batteryless remote controls
Final Report Abstract
Innerhalb des Forschungsprojektes wurden die Möglichkeiten untersucht, mit mikrotechnisch hergestellten Strukturen mechanisch kodierte Ultraschallsignale zu erzeugen, die keine elektronischen Komponenten benötigen, um den Einsatz von Batterien oder aufwendigen „Energy-Harvesting“-Methoden zu vermeiden. Dies ist prinzipiell mit jeweils zwei gleichzeitig betätigten Mikropfeifen und Mikrobalken möglich, wobei sich Mikropfeifen bzgl. einfacher Fertigung, Ansteuerung, geringerem Bauraum und erzielbarer Reichweite als bessere Variante herausgestellt haben. Bei den Mikrobalken können dagegen durch die geringere Abhängigkeit der Frequenz von den Randbedingungen wie Temperatur, Fertigungsgenauigkeit und Anregung prinzipiell mehr kodierte Frequenzen genutzt werden, die sicher unterschieden werden können. Da die Ansteuerung und die Abmessungen der Mikropfeifen einen starken Einfluss auf die Frequenz haben, wurde dies im Projekt besonders bearbeitet. Die Ansteuerung wurde über einen Balg aus Silikon oder einen thermoplastischen Kunststoff realisiert, welche bei der mechanischen Betätigung einen möglichst konstanten und vor allem reproduzierbaren Luftstoß durch die Mikropfeifen erzeugen sollten. Als beste Variante stellten sich dabei thermogeformte Kunststoffbälge heraus, die bei einer definierten Knicklast umklappen und bei ersten Dauertest zwischen 5.000 und 80.000 Betätigungen Stand halten konnten. Um den Strömungswiderstand der Mikropfeifen unterschiedlicher Abmessungen anzupassen wurden die Geometrien der Mikropfeifen einzeln variiert und für eine gemeinsame Luftversorgung mit einem Balg optimiert. Der Einfluss von Störgeräuschen im hörbaren Bereich auf die Detektierbarkeit der Ultraschallsignale der Mikropfeifen zeigte bei sehr lauten Umgebungsgeräuschen, im Bereich von der Beschallung in einer Diskothek, noch keine Einschränkungen. Die Ausrichtung der Pfeifen muss allerdings berücksichtigt werden, da diese vergleichbar zu anderen Fernbedienungen eine Abhängigkeit der Reichweite von der Ausrichtung zeigen. Die Reichbarkeit lag mit einem herkömmlichen Mikrofon bei ca. 5 m und bei einem für den Ultraschallbereich optimierten Empfänger bei mehr als 10 m, sodass der Einsatz innerhalb von Wohnräumen gut abgedeckt werden kann. Daher wurde als erster Demonstrator ein Lichtschalter umgesetzt, bei dessen Betätigung ein reproduzierbares Signal mit zwei Frequenzen erzeugt wird, das zuverlässig von Störgeräuschen unterschieden werden konnte. Dieser gab zusätzlich beim Loslassen ebenfalls ein Ultraschallsignal ab, sodass auch eine Dimmerfunktion realisiert wurde, die abhängig von der Betätigungsdauer des Schalters war. Als zweite Anwendung wurde mit den Mikropfeifen eine zweidimensionale Ortung der Ultraschallsignale umgesetzt, bei der eine Genauigkeit der mittleren Abweichung der Ortung im Bereich einer Wellenlänge (ca. 2cm) erreicht wurde. Durch die erfolgreiche Umsetzung der Projektziele gibt es aktuell Kooperationen in Forschungsprojekten in den Bereichen wie der Gebäudetechnik, Unterstüzungssystemen für pflegebedürftige Menschen oder in der Montage bzw. Lagerlogistik.
Publications
- ”Position detection with micro whistles”, Transducers 2013, Barcelona
J. M. Ibargüen, R. Lewandowski, C. Gerhardy, W.K. Schomburg
- ”Position detection and remote controls powered by micro whistles”, Sensors and Actuators A 212 (2014) 143-450
J. M. Ibargüen, R. Lewandowski, C. Gerhardy, W.K. Schomburg
(See online at https://doi.org/10.1016/j.sna.2014.02.031)
