Inno­va­ti­ve Sen­sor­lö­sun­gen für die Indus­trie 4.0

In Zukunft wird die Indus­trie immer digi­ta­ler, effi­zi­en­ter und auto­ma­ti­sier­ter. Auto­no­me Fahr­sys­te­me und Robo­ter wer­den dabei die Arbeit des Men­schen erleich­tern. Um die­se Visi­on Rea­li­tät wer­den zu las­sen, ent­wi­ckelt das Fraun­ho­fer-Insti­tut für Pho­to­ni­sche Mikro­sys­te­me IPMS auf mikro­elek­tro­me­cha­ni­schen Sys­te­men basie­ren­de Sen­so­ren, opti­sche Kom­po­nen­ten sowie Akto­rik, wel­che die Umge­bung erfas­sen und die Inter­ak­ti­on sicher gestal­ten. Die Sen­so­rik wird dabei zum Sin­nes­or­gan der Digi­ta­li­sie­rung: Sie bil­det die Schnitt­stel­le zwi­schen Maschi­ne und Mensch. Eini­ge der neu­es­ten Ent­wick­lun­gen – wie inno­va­ti­ve Vek­tor­scan­ner­mo­du­le – stellt das Insti­tut nun auf der LASER World of PHOTONICS in Mün­chen vor.
Mikro­elek­tro­nik und Mikro­sys­tem­tech­nik sind Schlüs­sel­tech­no­lo­gien und Enab­ler für eine Viel­zahl von Anwen­dun­gen. So bil­den minia­tu­ri­sier­te, intel­li­gen­te und ver­netz­te Sen­so­ren und Akto­ren die Basis für IoT, Indus­trie 4.0 und zahl­rei­che Zukunfts­an­wen­dun­gen mit künst­li­cher Intel­li­genz. Eini­ge der neu­es­ten For­schungs­ar­bei­ten zum The­ma Sen­so­rik stellt das Fraun­ho­fer IPMS nun auf der 25. Welt­leit­mes­se für Kom­po­nen­ten, Sys­te­me und Anwen­dun­gen der Pho­to­nik – der LASER World of PHOTONICS in Mün­chen vom 26. bis 29. April vor.

Kun­den­spe­zi­fi­sche hoch­mi­nia­tu­ri­sier­te MEMS-Scanner

Das Insti­tut ver­fügt über lang­jäh­ri­ge Erfah­rung in der Ent­wick­lung und Her­stel­lung von kun­den­spe­zi­fi­schen, hoch­mi­nia­tu­ri­sier­ten MEMS-Scan­nern. Die Bau­ele­men­te zeich­nen sich durch gro­ße Scan­win­kel und hohe Scan­fre­quen­zen aus und zei­gen eine aus­ge­zeich­ne­te Lang­zeit­sta­bi­li­tät. Ein qua­li­fi­zier­ter CMOS-kom­pa­ti­bler Bulk-Micro­ma­chi­ning-Pro­zess wird zur Her­stel­lung von 1D- und 2D-Mikros­can­nern in klei­nen und mitt­le­ren Stück­zah­len ein­ge­setzt. Der augen­si­che­re Demons­tra­tor, wel­cher auf der Mes­se vor­ge­stellt wird, ver­an­schau­licht die mög­li­chen Betriebs­mo­di eines 2D-MEMS-Scan­ners mit qua­si­sta­ti­scher Außen­ach­se und reso­nan­ter Innen­ach­se. Anwen­dun­gen die­ser Tech­no­lo­gie fin­den sich in der scan­nen­den Bild­ge­bung, Laser­scan­ning-Mikro­sko­pie, Endo­sko­pie, LiDAR-Sen­so­rik für das auto­no­me Fah­ren oder bei Head-up-Dis­plays, Head-moun­ted Dis­plays sowie AMR-Displays.

Vor­stel­lung der ers­ten Vek­tor­scan­ner­mo­du­le mit Elektronik

Neu im Port­fo­lio der MEMS-Micros­can­ner des Fraun­ho­fer IPMS sind hybri­de 2D-Vek­tros­can­ner­mo­du­le mit elek­tro­ma­gne­ti­schem Antrieb. Das Fraun­ho­fer IPMS baut hier auf lang­jäh­ri­ge Erfah­run­gen in der Her­stel­lung von kar­da­nisch gela­ger­ten, mono­li­thi­schen 2D-MEMS-Scan­ner­spie­geln auf und ver­bin­det die­se mit dem vor­han­de­nen Know-how der Mikro­mon­ta­ge­tech­no­lo­gien von MEMS.

»Die­ser neue Ansatz erwei­tert den Para­me­ter­raum der bis­he­ri­gen mono­li­thi­schen Scan­ner deut¬lich. Dabei blei­ben die eta­blier­ten Vor­zü­ge der Fraun­ho­fer IPMS-Scan­ner­spie­gel­tech­no­lo­gie – hohe opti­sche Pla­na­ri­tät und Ent­kopp­lung der Sca­n­ach­sen durch kar­da­ni­sche Auf­hän­gung sowie die Ermü­dungs­frei­heit der Feder­ele­men­te – erhal­ten. Die neu­en Bau­ele­men­te erlau­ben die 2‑dimensionale qua­si-sta­ti­sche Aus­len­kung bei grö­ße­ren Spie­gel­a­per­tu­ren sowie einer hohen vek­to­ri­el­len Positioniergeschwindigkeit.«
— Dr. Jan Grahmann

Das Modul stellt auch die Spie­gel­po­si­ti­on in Form ana­lo­ger Signa­le zur Ver­fü­gung, um ein gere­gel­tes Sys­tem reali¬sieren zu kön­nen. Die bekann­ten zusätz­li­chen Fea­tures wie das Auf­brin­gen einer kun­den­spe­zi­fi­schen, hoch­re­flek­tie­ren­den dielektri¬schen Ver­spie­ge­lung oder die Rea­li­sie­rung der Spie­gel­plat­te als Beu­gungs­git­ter sind auch für die­se Bau­ele­men­te durch­führ­bar. Um die Per­for­mance des Scan­mo­duls aus­zu­rei­zen, ist die gere­gel­te Ansteue­rung des Bau­teils empfehlenswert.
Die benö­tig­ten und fein­ma­schig an die mecha­ni­schen Eigen­schaf­ten des Moduls ange­pass­ten Regel­al­go­rith­men wur­den am Insti­tut ent­wi­ckelt und kön­nen auf die digi­ta­le Ansteue­rung der kun­den­sei­ti­gen Sys­tem­elek­tro­nik (FPGA oder Mikro­kon­trol­ler) über­tra­gen wer­den. Ergän­zend steht eine kom­pak­te Ansteu­er­elek­tro­nik mit einer prä­zi­sen ana­lo­gen Trei­ber­stu­fe und Ein­gangs­stu­fen für die Posi­ti­ons­si­gna­le zur Ver­fü­gung. Sie kann sowohl ana­log als auch über eine digi­ta­le Schnitt­stel­le ange­spro­chen werden.

Quan­ten­kas­ka­den­la­ser mit extre­mer Auf­lö­sungs­er­hö­hung für die Spektrometrie

Wei­te­re For­schungs­ar­bei­ten befas­sen sich mit der sen­so­ri­schen Erfas­sung der Umge­bung mit­tels Quan­ten­kas­ka­den­la­ser-Spek­tro­sko­pie. Die gemein­sam mit dem Fraun­ho­fer-Insti­tut für Ange­wand­te Fest­kör­per­phy­sik IAF ent­wi­ckel­ten minia­tu­ri­sier­ten Quan­ten­kas­ka­den­la­ser decken einen gro­ßen Wel­len­län­gen­be­reich und einen brei­ten spek­tra­len Abstimm­be­reich bei hoher Scan­ra­te ab. Das mikro­me­cha­nisch gefer­tig­te Beu­gungs­git­ter dient als exter­ner Reso­na­tor des Quan­ten­kas­ka­den­la­sers mit varia­bler Fre­quenz. Es ermög­licht die Abstim­mung von Laser­wel­len­län­gen mit wähl­ba­rer Geschwin­dig­keit oder indem Wel­len­län­gen ange­fah­ren und für gewähl­te Zeit­räu­me gehal­ten wer­den. Dabei kön­nen spek­tra­le Berei­che auch moden­sprung­frei und daher sehr hoch auf­ge­löst abge­stimmt werden.