MEMS-Sensoren Intelligente Sensorlösungen für Anwendungen der Industrie 4.0

Von Kristin Rinortner

Autonome Fahrsysteme und Roboter werden künftig die Arbeit des Menschen erleichtern. Basis dafür sind MEMS-Sensoren, optische Komponenten und Aktoren,die die Umgebung erfassen und die Interaktion sicher gestalten. Neu sind Vektorscanner mit elektromagnetischem Antrieb.

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Intelligente Sensorik: 2D-Vektorscannermodul I2DQSEM01für Anwendungen im IIoT.
Intelligente Sensorik: 2D-Vektorscannermodul I2DQSEM01für Anwendungen im IIoT.
(Bild: Sebastian Lassak/IPMS)

Miniaturisierte, intelligente und vernetzte Sensoren und Aktoren bilden die Basis für IoT, Industrie 4.0 und zahlreiche Zukunftsanwendungen mit künstlicher Intelligenz. Die MEMS-Microscanner des Fraunhofer-Instituts für Photonische Mikrosysteme IPMS sind hybride 2D-Vektroscannermodule mit elektromagnetischem Antrieb. In die Entwicklung eingeflossen sind die Erfahrungen in der Herstellung von kardanisch gelagerten, monolithischen 2D-MEMS-Scannerspiegeln und das Know-how der Mikromontagetechnologien von MEMS.

„Dieser neue Ansatz erweitert den Parameterraum der bisherigen monolithischen Scanner deutlich. Dabei bleiben die etablierten Vorzüge der Scannerspiegeltechnologie – hohe optische Planarität und Entkopplung der Scanachsen durch kardanische Aufhängung sowie die Ermüdungsfreiheit der Federelemente – erhalten. Die neuen Bauelemente erlauben die 2-dimensionale quasi-statische Auslenkung bei größeren Spiegelaperturen sowie einer hohen vektoriellen Positioniergeschwindigkeit“, erklärt Dr. Jan Grahmann vom Fraunhofer IPMS.

Das Modul stellt auch die Spiegelposition in Form analoger Signale zur Verfügung, um ein geregeltes System zu realisieren. Dazu kommen eine kundenspezifische, hochreflektierende dielektrische Verspiegelung oder eine Spiegelplatte als Beugungsgitter.

Um die Leistungsfähigkeit des Scanmoduls auszureizen, ist die geregelte Ansteuerung des Bauteils empfehlenswert. Die benötigten und feinmaschig an die mechanischen Eigenschaften des Moduls angepassten Regelalgorithmen wurden am Fraunhofer IPMS entwickelt und können auf die digitale Ansteuerung der kundenseitigen Systemelektronik (FPGA oder Mikrokontroller) übertragen werden.

Ergänzend steht eine kompakte Ansteuerelektronik mit einer präzisen analogen Treiberstufe und Eingangsstufen für die Positionssignale zur Verfügung. Sie kann sowohl analog als auch über eine digitale Schnittstelle angesprochen werden.

Quantenkaskadenlaser mit extremer Auflösung für die Spektrometrie

Weitere Forschungsarbeiten befassen sich mit der sensorischen Erfassung der Umgebung mittels Quantenkaskadenlaser-Spektroskopie. Die gemeinsam mit dem Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF entwickelten miniaturisierten Quantenkaskadenlaser decken einen großen Wellenlängenbereich und einen breiten spektralen Abstimmbereich bei hoher Scanrate ab.

Das mikromechanisch gefertigte Beugungsgitter dient als externer Resonator des Quantenkaskadenlasers mit variabler Frequenz. Es ermöglicht die Abstimmung von Laserwellenlängen mit wählbarer Geschwindigkeit oder indem Wellenlängen angefahren und für gewählte Zeiträume gehalten werden. Dabei können spektrale Bereiche auch modensprungfrei und daher sehr hoch aufgelöst abgestimmt werden.

Aktuelle Entwicklungen können auf der LASER World of PHOTONICS in München vom 26. bis 29. April 2022 (B4.239) mit den Wissenschaftlern diskutiert werden.

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