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.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Dr. Shanshan Gu-Stoppel
Leiterin Optische Systeme
shanshan.gu-stoppel@isit.fraunhofer.de

https://www.isit.fraunhofer.de/