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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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 sowohl Vektorscanner als auch resonante MEMS-Scanner samt Ansteuerungs- und Ausleseelektronik für verschiedene Arten von Laserprojektionsdisplays, für optische Mess- und Detektions-Systeme (z.B. LIDAR), für Anwendungen mit hoher Laserleistung im Bereich der Materialbearbeitung und der generativen Fertigung sowie zum Einsatz in der optischen Telekomunikation.

Basierend auf einem patentierten Herstellungsverfahren ist das ISIT gegenwärtig weltweit der einzige Hersteller zweiachsiger, auf Wafer-Ebene vakuum-verkapselter, resonanter 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 resonanten Scannerspiegeln befasst sich das ISIT in einem Forschungsschwerpunkt mit piezoelektrisch angetriebenen Vektorscannern. Diese Systeme zeichnen sich durch eine sehr hohe Kraftdichte bei gleichzeitig geringem Energieverbrauch aus und ermöglichen quasistatische Auslenkungen von über ±10°.

Einen weiteren Schwerpunkt in diesem Geschäftsfeld bilden die akustischen Mikrosysteme. In diesem schnell wachsenden Gebiet forscht das ISIT international führend an neuartigen, hoch miniaturisierten Lautsprechern für Anwendungen in den Bereichen Wearables, Hörgeräte, AR/VR, drahtlose Kopfhörer und Smartphones. Diese MEMS Lautsprecher sind bei mindestens gleicher akustischer Qualität deutlich preisgünstiger und können stärker miniaturisiert hergestellt werden als ihre konventionellen elektrodynamischen Pendants. Weitere Vorteile liegen in der hohen Energieeffizienz und der hohen akustischen Bandbreite (20 Hz – 100 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.

Ein weiteres Forschungsgebiet bilden ultraschallbasierte Mikrosysteme z. B. für 3D-Abstandmessungen sowie haptische Mensch-Maschinen-Interfaces. 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.

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Weitere Themen

Landesprojekt Mikroozon