Fraunhofer ISIT entwickelt MEMS-Scanner für Weitwinkel-LIDAR Systeme
LIDAR (Light Detection and Ranging) ist eine unverzichtbare
Schlüsseltechnologie bei der Entwicklung autonom fahrender Autos. LIDAR-
Systeme erfassen mithilfe von ausgesendeten Laserstrahlen sehr genau ihre
Umgebung und erzeugen ein präzises Bild. Ihre Arbeitsweise ist sehr
ähnlich den Radarsystemen in der Luft- oder Schifffahrt, nur dass sie
statt Funkwellen Laserstrahlen aussenden. Deren Reflexionen ergeben ein
dreidimensionales Abbild. Die Auflösung von Lidar-Sensoren ist gegenüber
Radaren allerdings deutlich höher, was diese Technologie so unverzichtbar
macht, denn je genauer das Bild, desto besser kann die Bordelektronik des
selbstfahrenden Fahrzeugs reagieren.
Bisher waren LIDAR Systeme sehr groß und sehr teuer, was ihren Einsatz in
Fahrzeugen erschwerte. Deswegen versuchen Fraunhofer-Forscherinnen und
-Forscher nun, kleine LIDAR-Systeme zu entwickeln, deren
Herstellungskosten einer Kommerzialisierung in der Automobilbranche nicht
im Weg steht.
Unter dem Dach der Forschungsfabrik Mikroelektronik Deutschland (FMD)
entwickelten die Fraunhofer-Wissenschaftler mit ihren Partnern ein
hochauflösendes Weitwinkel-Lidar-System. Ein solches-System besteht im
Prinzip aus einem Laser, einem Scanner, der die Laserstrahlen aussendet,
und einer Fangoptik, die die reflektierten Laserstrahlen ausliest. Dabei
kommunizieren die einzelnen Komponenten über geeignete
Elektronikschnittstellen miteinander.
Das Ferdinand-Braun-Instituts lieferte für dieses Vorhaben eine
Pulslaserquelle inklusive einer Steuerelektronik, das Fraunhofer-Institut
für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme (IMS) entwickelte eine
Fangoptik mit einer Vorverarbeitungs-Elektronik und das Fraunhofer-
Institut für Siliziumtechnologie (ISIT) produzierte die MEMS-Scanner. Die
Integration der einzelnen Komponenten zu einem vollständigen System
übernahm das Unternehmen OQmented, eine Ausgründung aus dem Fraunhofer
ISIT.
Die Laser-Scanner werden am Fraunhofer ISIT mithilfe der MEMS-Technologie
(Micro Electro Mechanical Systems) gefertigt, d. h. es kommen spezielle
Verfahren der Mikrochipfertigung zum Einsatz. Die Entwicklung geeigneter,
MEMS-Scanner war für die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des
Fraunhofer ISIT eine große Herausforderung. Sie optimierten beispielsweise
die Antriebe der Scanner, damit sie einen großen Auslenkwinkel des MEMS
Spiegels und ein Sichtfeld von 180° erlauben.
Oder sie verbesserten das Design der Bauelemente, um mechanischen Stress
bei diesen großen Winkeln zu vermeiden, und erhöhten auf diese Weise ihre
Lebensdauer und Zuverlässigkeit. Auch das mechanische Verhalten vom MEMS
Spiegel unter Shock oder Vibration wurde genau untersucht, um die gute
mechanische Stabilität in realen Anwendungsszenarien sicher zu stellen. Zu
guter Letzt wurde ein kuppelförmiger Glasdeckel – eine bahnbrechende,
innovative Entwicklung aus dem ISIT auf den MEMS Spiegel montiert.
Einerseits schützt dieser Glasdom das Bauelement vor der
Umgebungseinflüssen, andererseits gewährleistet die Glaskuppel die gute
optische Qualität des Bauelements
Es entstand in 9 Monaten ein robuster, MEMS-Scanner, der sich durch einen
besonders großen Scanwinkel, gute mechanische Robustheit und stabile
Langlebigkeit auszeichnet. Das vollständige LIDAR-System haben die
Projektpartner im Sommer 2021 fertig gestellt und seine Leistungsfähigkeit
getestet.
Im Rahmen einer Abschlusspräsentation in Berlin haben die
Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler im vergangenen Jahr das LIDAR-
System interessierten Unternehmen vorgestellt. Das Entwicklungsergebnis
wurde als das weltweit erste MEMS-basierte und 180°-weitwinkel-fähige
LIDAR System anerkannt und stößt auf großes Interesse, weil dieses System
sowohl für Automobil- als auch für Industrieanwendungen einsetzbar ist.
Das Fraunhofer ISIT zeigt auf der LASER World of PHOTONICS 2022, München,
den MEMS-Scanner am Fraunhofer-Stand, Halle B4 Stand 239.
