Das Fraunhofer ISIT präsentiert auf der HANNOVER MESSE 2023 im Rahmen eines über 1000 m2 großen Fraunhofer Gemeinschaftsstandes aktuelle Entwicklungsergebnisse zu verschiedenen Themenschwerpunkten der MEMS Optik und Akustik und setzt damit richtungsweisende Impulse für das Industrial Metaverse.
Ziel der Entwickler*innen war es, ein System zur Bereitstellung von nautischen Informationen für die Navigation und die optimale Entscheidungsunterstützung auf einer Schiffsbrücke zu entwickeln, die reale Umgebung mit augmentierten Inhalten in Deckung zu bringen und den rauen Umgebungsbedingungen und Anforderungen der maritimen Branche gerecht zu werden.
Ein 2D-MEMS-Scanner basiertes Laserprojektionssystem wurde so entwickelt, dass großflächig ein aus projizierten Laserpixeln erzeugtes Bild generiert wird, das einerseits die notwendigen Voraussetzungen im Hinblick auf Kontrast, Helligkeit, Stabilität und Bildwiederholrate besitzt, und andererseits die Sicherheit des Brückenpersonals gewährleistet. Grundlage des Laserprojektionssystems sind die am ISIT entwickelten 2D-MEMS-Scanner, die einen Laserstrahl mit geeigneten Strahlparametern in einen Raumwinkelbereich von ca. Θ = 60° und Φ = 40° umlenken. Eine wesentliche Voraussetzung für die Erzeugung von Bildern mit einer scannenden Laserprojektion ist die Bereitstellung einer Regelelektronik, die im Hinblick auf präzise Pixelerzeugung, Wiederholgenauigkeit und hohe Bildstabilität unter den gegebenen Randbedingungen in der Schifffahrt zuverlässig arbeitet. Dies beinhaltet die Entwicklung einer geeigneten Algorithmik, die die Bilddaten so aufbereitet, dass Bildverzerrungen, Intensitätsverteilungen und z.B. Amplitudenschwankungen, die den visuellen Eindruck eines projizierten Bildes beeinträchtigen, ausgeglichen bzw. unwirksam gemacht werden. Die Wechselwirkung der MEMS Scanner Regelung und der Bilderzeugung muss ein hohes Maß an Qualität aufweisen, um das Brückenpersonal selbst bei widrigsten Umständen zuverlässig mit Information zu versorgen.
Die Laser-Material-Bearbeitung ist eine Schlüsseltechnologie in der Fertigung moderner Qualitätsprodukte. Schnellere Laserstrahl-Ablenksysteme können diese Technologie deutlich verbessern.
Fraunhofer ISIT hat die Vorteile der MEMS-Scanner-Technologie auf makroskopische Verhältnisse übertragen. Neuartige Scannerspiegel mit Aperturen bis zu 2 cm erlauben jetzt hochdynamische zweiachsige Laserstrahl-Ablenkung für CW-Laser-Leistungen bis zu 500 Watt. Damit eröffnen diese kompakten MEMS-Scanner neue Anwendungsfelder und Produkte.
Die 3D-Kamera basiert auf einem 2D-MEMS-Scanner, der das Prinzip der Phasendifferenz eines ausgesandten Laserstrahls zum detektierten "Echo" als Abstandsmessung nutzt. Der Phasendetektionsalgorithmus ermöglicht 60 Millionen 3D-Messungen pro Sekunde. Die Kamera hat eine Auflösung von 450 x 450 Pixeln und liefert sechs Bilder pro Sekunde. Die Tiefenauflösung wird mit einigen Millimetern angegeben und die maximal erkennbare Entfernung zum Objekt beträgt 2 m.
Das Fraunhofer ISIT entwickelt hochminiaturisierte piezoelektrische mikromechanische Ultraschallwandler (PMUTs), die sich für eine Vielzahl von technischen Anwendungen, wie z.B. Abstandsmessungen, Gestenerkennung, haptisches Feedback oder medizinische Bildgebung, eignen. Je nach Zielfrequenz und Anwendung basiert das Konzept auf Aktuatoren oder Membranen aus den piezoelektrischen Hochleistungsmaterialien AlN, AlScN und PZT, die sehr hohe Schalldruckpegel sowie Empfindlichkeiten ermöglichen. Auf diese Weise lassen sich effiziente Ultraschallwandler mit Mittenfrequenzen von wenigen kHz bis zu mehreren hundert MHz realisieren. Die Herstellung mit Hilfe der Halbleitertechnologie ermöglicht dabei sowohl eine hohe Miniaturisierung als auch eine kosteneffiziente Produktion in hohen Stückzahlen.
Das Fraunhofer ISIT entwickelt hochminiaturisierte mikroelektromechanische (MEMS) Lautsprechertechnologien für In-Ear-Anwendungen, wie z.B. True-Wireless-Stereo (TWS) Kopfhörer, Hearables und Hörgeräte. Das Konzept basiert auf piezoelektrisch angetriebenen Biegeschwingern, die mit Hilfe der Halbleitertechnologie hergestellt werden und somit eine hohe Miniaturisierung sowie eine kosteneffiziente Produktion in hohen Stückzahlen bieten. Die MEMS-Lautsprecher zeichnen sich durch außerordentlich hohe flächennormierte Schalldruckpegel (SPLs) von über 95 dB/mm² über den gesamten Wiedergabebereich aus. Durch Designvariation und die Integration mehrerer Lautsprecher auf einem Chip sind die SPLs nahezu beliebig skalierbar. Neben dem unübertroffenen Miniaturisierungspotenzial bieten unsere MEMS-Lautsprecher eine hohe Wiedergabetreue, eine hohe Bandbreite und einen geringen Energieverbrauch. Die laufende Forschung konzentriert sich auf weitere Miniaturisierung, Designverbesserungen und die Integration neuer Materialien, wie Aluminiumscandiumnitrid, um die Energieeffizienz, Schalldruckpegel, Dämpfung und Linearität weiter zu verbessern und einen vollständig CMOS-kompatiblen Prozess zu ermöglichen.
Basierend auf der Modulation von akustischen Oberflächenwellen (SAW) entwickelt das Fraunhofer ISIT eine Sensorplattform für die Messung unterschiedlicher physikalischer Phänomene und Größen. Das Grundprinzip besteht in der Verwendung je einer Elektrode zum Senden und Empfangen sowie einer zwischengelagerten funktionalen Schicht für die Modulation der akustischen Oberflächenwelle. Je nach Beschichtung lassen sich so neben der Massenabsorption auch elastische, viskoelastische, magnetische oder elektrische Effekte ausnutzen. Dies ermöglicht eine breite Palette von Anwendungen, wie z.B. Druck-, Feuchtigkeits-, elektrische Feld-, Vibrations-, Gas-, Bio- oder Magnetfeld- bzw. Stromsensoren. Die Sensorplattform wird anhand eines Hochleistungsstromsensors mit einer magnetostriktiven Beschichtung demonstriert, der einen Dynamikbereich von bis zu acht Größenordnungen und eine Bandbreite im MHz-Bereich besitzt. Dieser Sensor soll die sehr schnellen Schaltvorgänge (~kA/ns) moderner Schaltnetzteile präzise messen und so eine hocheffiziente Leistungswandlung ermöglichen.
Fraunhofer-Institut für Siliziumtechnologie
