Die MEMS-Scanner für LIDAR-Anwendungen wurden mit Glaskuppeln verkapselt.

Bild: Fraunhofer ISIT / photocompany Itzehoe

Bezahlbare LIDAR-Systeme in der Automobilbranche Entwicklung von MEMS-Scanner für Weitwinkel-LIDAR-Systeme

13.04.2022

Bisher waren LIDAR-Systeme sehr groß und sehr teuer, was ihren Einsatz in Fahrzeugen erschwerte. Deswegen versuchen Fraunhofer-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 Wissenschaftler des Fraunhofer-Institut 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.

Entwicklungsablauf der MEMS-Scanner

Die Laser-Scanner werden am Fraunhofer ISIT mit Hilfe der MEMS-Technologie (Micro Electro Mechanical Systems) gefertigt, das heißt 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 Grad 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 Schock 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 neun 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-Grad-weitwinkel-fähige LIDAR-System anerkannt und stößt auf großes Interesse, weil dieses System sowohl für Automobil- als auch für Industrieanwendungen einsetzbar ist.

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