Optische Systeme

Fraunhofer ISIT besitzt mehr als 20 Jahre Erfahrung in der Entwicklung optischer Mikrosysteme. Hierzu gehören u.a. schnelle Laser-Scanner, Strahlpositionier-Systeme, Mikrolinsen, Mikro-Optiken auf Waferebene, Strahlformungs-Elemente, Blenden, Mikrospiegel-Arrays, Opto-Packages für UV bis IR sowie bildgebende Sensorik und Display-Technik.

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Akustische Systeme und Mikroantriebe

Seit vielen Jahren arbeitet das ISIT gemeinsam mit Partnern aus Forschung und Industrie auf dem Gebiet akustischer Mikrosysteme. Einen Schwerpunkt bildet die Entwicklung einer neuen Generation von miniaturisierten In-Ear- und Mikro-Lautsprechern.

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Energieeffiziente Sensorsysteme

Mehr denn je steht Energieeffizienz heute im politischen Fokus – und doch ist es kaum vorstellbar, dass man sich über die Einsparung von einer Milliwattstunde Gedanken macht. Die Arbeitsgruppe „Energieeffiziente Sensorsysteme“ am Fraunhofer ISIT tut genau dies.

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MEMS-Anwendungen

Seit mehr als 30 Jahren arbeiten ISIT-Wissenschaftler an der Entwicklung von mikroelektromechanischen Systemen (MEMS). Der Fokus im Geschäftsfeld MEMS-Anwendungen liegt auf Design, Entwicklung und Herstellung von MEMS-Komponenten und MEMS-Systemen.

Ein wesentlicher Schwerpunkt in diesem Geschäftsfeld sind die optischen Mikrosysteme. Hier entwickelt das ISIT MEMS-Scanner, d.h. Mikroscannerspiegel samt Ansteuerungs- und Ausleseelektronik für verschiedene Arten von Laserprojektionsdisplays, für optische Mess- und Detektions-Systeme (z.B. LIDAR) und für Anwendungen mit hoher Laserleistung im Bereich der Materialbearbeitung und der generativen Fertigung. Basierend auf einem patentierten Herstellungsverfahren ist das ISIT gegenwärtig weltweit der einzige Hersteller zweiachsiger, auf Wafer-Ebene vakuum-verkapselter, MEMS-Scanner. Der Betrieb dieser Mikroscannerspiegel in einer Vakuum-Umgebung führt zu signifikanten Vorteilen. Die Dämpfung durch Gasmoleküle ist auf ein Minimum reduziert, wodurch hochfrequentes Scannen mit unübertroffenen Scanwinkeln selbst bei niedrigen elektrostatischen Antriebsspannungen möglich wird. Weiter führt die hermetische Verkapselung auf Wafer-Ebene zu einem preisgünstigen und dauerhaften Schutz der Mikroscannerspiegel vor Kontamination aller Art. Somit wird es beispielsweise möglich diese MEMS-Scanner für den endoskopischen Einsatz schadlos einer Dampfsterilisation in einem Autoklaven zu unterziehen.

Weiter wurde am ISIT auf Basis von 2D-MEMS-Scannern eine 3D-Kamera mit einer Tiefenauflösung von nur wenigen Millimetern und einem detektierbaren Objektabstand von 2 m realisiert. Neuartige Mikroscannerspiegel mit Aperturen von bis zu 2 cm und speziellen, hochreflektierenden Beschichtungen erlauben sogar eine hochdynamische zweiachsige Laserstrahl-Ablenkung für CW-Laserleistungen bis zu 500 Watt.

Neben kapazitiv angetriebenen Mikroscannerspiegeln befasst sich das ISIT derzeit in einem Forschungsschwerpunkt mit piezoelektrisch angetriebenen Mikroscannerspiegeln. Besonders attraktiv ist dieses Antriebskonzept aufgrund seiner hohen Kraft bei gleichzeitig geringem Energieverbrauch. An einzelnen solcher Mikroscannerspiegel konnten für resonante, translatorische Hubbewegungen bereits Auslenkungen von bis zu 1600 µm realisiert werden.

Einen weiteren Schwerpunkt in diesem Geschäftsfeld bilden die akustischen Systeme und die dazugehörigen leistungsstarken Mikroantriebe. Ein Fokus liegt hier auf der Entwicklung von MEMS Lautsprechern. Diese können bei mindestens gleicher akustischer Qualität deutlich preisgünstiger und stärker miniaturisiert hergestellt werden als ihre konventionellen elektrodynamischen Pendants. Weitere Vorteile liegen in der hohen Energieeffizienz und der hohen akustischen Bandbreite (20 Hz – 20 kHz) dieser Bauteile. Dies macht die Chip-Lautsprecher des ISIT besonders attraktiv für mobile Kommunikationsgeräte wie Tablets, Smartphones, Kopfhörer und Hörgeräten, in denen hohe akustische Qualität bei gleichzeitig weiter schrumpfender Baugröße und geringem Energieverbrauch gefordert ist.

Neben den MEMS-Lautsprechern stellen miniaturisierte Ultraschallwandler einen Schwerpunkt dar. Je nach Frequenzbereich werden die Wandler am ISIT meist als piezoelektrische Dicken- oder Membranschwinger ausgelegt, wobei als Antriebsmaterialien AlN, AlScN oder PZT verwendet werden. Auf diese Weise lassen sich effiziente Ultraschallwandler mit Mittenfrequenzen von wenigen kHz bis hin zu mehreren hundert MHz realisieren. Zu den entwickelten Bauteilen zählen Ultraschall-Arrays für die Medizintechnik, die zerstörungsfreie Prüftechnik sowie die Gestenerkennung.

Des Weiteren arbeitet das Geschäftsfeld intensiv an Sensoranwendungen, in denen eine hohe Energieeffizienz im Vordergrund steht. Die steigende Nachfrage nach Flexibilität und die steigende Anzahl mobiler Anwendungen erfordern immer öfter drahtlose Lösungen. Hierbei entscheiden oft wenige Milliwatt ob ein bestimmter Sensor für eine Anwendung geeignet ist, insbesondere wenn es sich um Sensorsysteme handelt die 10 Jahre oder länger ohne Wartung funktionieren müssen.

Im Fokus unserer Arbeiten am ISIT stehen passive Sensoren basierend auf piezoelektrischen oder pyroelektrischen Materialien, welche ohne zusätzliche Energieversorgung ihr Spannungssignal allein aus dem zu messenden Umweltreiz generiert. Eine zentrale Rolle nimmt dabei gegenwärtig die Entwicklung eines pyroelektrischen Infrarotsensors ein. Da dieser Sensor ausschließlich Temperaturänderungen wahrnimmt ist er besonders geeignet für den Einsatz als Bewegungsmelder, als Personenzähler oder auch für Gestenerkennung. Seine wesentlichen Vorteile sind ein geringer Energieverbrauch sowie eine vergleichsweise einfache Miniaturisierbarkeit. Letzteres insbesondere in Kombination mit einem funktionalisierten Wafer-Level Package wie es im Geschäftsfeld Mikrofertigungsverfahren entwickelt wird.

Fernziel dieser Aktivitäten ist es, solche und ähnliche Sensoren in autarke Sensorknoten für Industrie 4.0, Smart Grid, Wearables, IoT oder Heimatomatisierung zu integrieren. Einen weiteren Fokus stellt daher die Arbeit an effizienten MEMS Energy-Harvestern dar, welche ebenfalls als Schlüsselkomponente autarker Sensorknoten zu betrachten sind. Mit unserem derzeitigen MEMS Energy-Harvestern ist es heute bereits möglich bis zu 80 µW/cm² breitbandig aus Vibration, Rotation sowie magnetischen Wechselfeldern zu generieren.