Micromachine/MEMS 2009

vom 29.-31. Juli 2009 in Tokyo/Japan, Stand E-17

(PresseBox) (Dresden, ) Das Fraunhofer Institut für Photonische Mikrosysteme führt kundenspezifische Entwicklungen in den Bereichen Mikrosystemtechnik und organische Leuchtdioden durch. Es ist dabei Partner von der ersten Idee über Machbarkeitsuntersuchungen bis zur Prototypenentwicklung. Die Produkte können in der eigenen Prozesslinie entwickelt und im Rahmen einer Pilotserie gefertigt werden. Etwa 200 Wissenschaftler arbeiten mit modernstem Equipment an Projekten auf den Gebieten Sensor- und Aktuatorsysteme, Mikroscanner, Flächenlichtmodulatoren, Lifetronics und Organische Materialien und Systeme.

Auf der Micromachine/MEMS 2009 (Stand E-17) stellt das Fraunhofer IPMS Exponate zu folgenden Themen aus:

1. MEMS Spatial Light Modulator Demonstrator

MEMS-Flächenlichtmodulatoren (Spatial Light Modulators, SLMs) werden eingesetzt, um die gesamte Querschnittsfläche eines Lichtstrahls ortsaufgelöst zu modulieren. Hierzu wird mit MEMS-Dünnschichttechnologie ein Array von Mikrospiegeln auf ein CMOS-Substrat aufgebracht. Die Spiegel können einzeln adressiert und ausgelenkt werden, um die Intensität oder Phase je eines Bildpunkts (Pixel) zu beeinflussen. Die Einsatzgebiete von SLMs reichen von Video-Projektion über Adaptive Optik bis zu Maskenbelichtern in der Halbleiterfertigung. Anders als die in den Projektoren eingesetzten digital angesteuerten Spiegel, die abgestufte Intensitäten durch ein zeitliches Multiplexing realisieren, können die vom Fraunhofer IPMS entwickelten Spiegel analog angesteuert werden, um direkt Grauwerte zu schreiben. Diese Fähigkeit wird beispielsweise in den Maskenbelichtern der Firma Micronic Laser Systems AB dazu genutzt, um Strukturen auf einem deutlich feineren Raster als der Auflösung des Systems zu erzeugen. Die Spiegel des Fraunhofer IPMS sind für monochromatisches Licht mit Wellenlängen von 248 nm bis ca. 520 nm spezifiziert. Damit können sie nicht nur bei den in der Maskenbelichtung eingesetzten Excimerwellenlängen verwendet werden, sondern auch zur Strukturerzeugung mit den weniger aggressiven und günstigeren Lichtquellen im nahen UV-Bereich. Damit bietet sich beispielsweise eine Option zur Abbildung sehr feiner Strukturen in der Leiterplattentechnologie (High Definition Interconnect/Laser Direct Imaging, HDI / LDI) an, aber auch andere Bereiche, in denen hohe bis höchste Auflösungen bei gleichzeitig hohem Durchsatz (bis 2 kHz Bildrate bei 1 Million Pixeln, entsprechend 2 Gpixel/s) gefordert sind, können von dieser Technologie profitieren. Der Demonstratoraufbau verdeutlicht die Funktion des SLMs; eine grüne LED erzeugt einen Lichtstrahl, der über Linsen und Spiegel auf den SLM geleitet wird. Der vom SLM reflektierte und modulierte Strahl wird in eine Kamera projiziert, die das in den SLM programmierte Bild sichtbar macht.

2. MICROSCAN - 1D Scannermodul

MICROSCAN - Das 1D Scannermodul erlaubt unseren Kunden die produktnahe Evaluierung unser resonanten 1D und 2D-Mikroscannerspiegel. Das Modul schließt die Lücke zwischen der Bereitstellung des nackten Scannerchips und dem kundenspezifischen System in der Zielanwendung. Die Kompetenzen des Instituts Packaging, elektronische Ansteuerung und Systemdesign werden hiermit dargestellt und die schnelle Verfügbarkeit einer OEM-fähigen Lösung für ein Scansystem, angepasst an allgemeine Erfordernisse, demonstriert. Es steht eine modulare Plattform zur Verfügung: das System kann aus teilweise vorentwickelten und aufeinander abgestimmten Komponenten anwendungsspezifisch zusammengesetzt werden. Einzelne Komponenten können sogar unter Einhaltung der Schnittstellen kundenspezifisch modifizert werden.

Das Modul besteht aus:

- Mikroscannerspiegel (kundenspezifisch entwickelt und gefertigt vom Fraunhofer IPMS),
- Chipträger mit optional hermetischer Verkappung und Frontoptik,
- Optoelektronische Sensorik für die Messung des Auslenkwinkels,
- Treiberelektronik zur Ansteuerung und Regelung des Scanners und zur Verarbeitung der Sensorsignale einbindbar über Standardkommunikationsschnittstelle (SPI) und I/O-Schnittstellen.

Auf der Micromachine/MEMS 2009 wird beispielhaft ein Modul basierend auf oben beschriebener Plattform vorgestellt: zu sehen ist ein Mikroscannerspiegel, montiert auf einem Keramiksubstrat mit einer Glaskuppel als optische Schnittstelle, optischer Winkelsensorik und der dazugehörigen Elektronik. Ein Modulansatz für 2D Scannermodule ist in Entwicklung.

3. MEMS basierende Adaptive Optik

Die Hauptanwendung der Adaptiven Optik (AO) liegt in der Kompensation räumlich und zeitlich veränderlicher Wellenfront-Störungen in optischen Systemen zur Verbesserung der Abbildung durch inhomogene oder turbulente Medien. Ursprünglich zur Kompensation atmosphärischer Turbulenzen in der Astronomie entwickelt, können AO-Techniken auch zur Aberrations-Korrektur am menschlichen Auge, in der Mikroskopie oder bei der Bilderkennung im Bereich Machine Vision eingesetzt werden. Weitere Anwendungsmöglichkeiten liegen in der Laserstrahlformung sowie in der zeitlichen Modulation ultra-kurzer Laserpulse. Den Schlüsselbaustein bildet dabei die eigentliche Wellenfront-Kontroll-Einheit. MEMS (Micro-Electro-Mechanical-System) Mikrospiegelarrays besitzen hier einige hervorragende Eigenschaften. Durch die Möglichkeit der integrierten Halbleiterfertigung können Bauelemente mit einer sehr hohen Pixelzahl hergestellt werden, die eine außergewöhnlich hohe Ortsauflösung und damit eine verbesserte Nachbildung speziell von Wellenfront-Aberrationen höherer Ordnung erlauben. Weiterhin zeichnen sie sich durch schnelle Schaltzeiten, niedrigen Leistungsverbrauch, einen breiten Spektralbereich sowie das Fehlen von Polarisationseffekten aus. Gegenüber bisherigen makroskopischen Systemen bieten Mikrospiegel darüber hinaus das Potential einer deutlichen Kostenersparnis sowie der Miniaturisierung und eröffnen damit völlig neue Möglichkeiten für eine breitere kommerzielle Nutzung. Das Fraunhofer IPMS hat daher ein vollständiges MEMS Phase Former Kit zur Ermöglichung erster praktischer Untersuchungen in einer nutzerspezifischen Systemumgebung entwickelt. Den Kernbaustein bildet dabei ein hochauflösendens MEMS Mikrospiegelarray mit 240 x 200 Senkspiegel-Elementen und 40 ?m Pixelgröße, die einen mechanischen Hub von 400 nm für eine 2? Phasenmodulation im Sichtbaren erlauben. Nutzerzugriff auf Steuerung und Programmierung wird durch eine komfortable Treiber-Software für Windows XP® basierte PCs ermöglicht, welche sowohl ein Graphisches User Interface als auch eine offene ActiveX® Programmierschnittstelle für open-loop und closed-loop Betrieb unterstützt. Zur high-speed Daten-Übertragung wird ferner ein IEEE1394a FireWire Interface zusammen mit einem elektronischen Ansteuerboard bereitgestellt für maximale Bildraten von bis zu 500 Hz. Zur Verdeutlichung des Potentials für die optische Abbildungskorrektur wurde ein komplettes AO Demonstratorsystem entwickelt. Der Aufbau beinhaltet ein Projektionssystem, mit dem Bilder unterschiedlich komplexer Strukturen über eine integrierte adaptive Optik auf eine CCD-Kamera abgebildet werden. Wellenfrontfehler verschiedener Schweregrade werden dabei durch rotierende Phasenplatten in den Strahlengang eingebracht. Die Wellenfront-Messung erfolgt mit einem Shack-Hartmann Sensor, die Korrektur mit dem genannten Fraunhofer IPMS Mikrospiegelarray. Zur Visualisierung können die aufgenommen Kamerabilder mit und ohne Korrektur auf eine Leinwand projeziert werden. Für eine mehr quantitative Analyse ist auch die Ausgabe der gemessenen Wellenfrontdaten möglich. Angesprochene Branchen sind vorwiegend optische Systementwickler und -hersteller in folgenden Bereichen:

- Machine Vision (in-situ Process-Kontrolle durch turbulente Medien)
- Optische Mikroskopie
- Augenheilkunde
- Astronomie
- Laser Pulse Shaping
- Laser Beam Shaping
- Diffraktive Optik (speziell optical Tweezers)

4. Lamda - Große MEMS-Scannerspiegel für 3D Abstandsmessungen

Lamda -(Large aperture MEMS scanner module for 3D distance measurement)

Das Faunhofer IPMS stellt auf der Micromachining/MEMS 2009 in Tokio erstmalig den Prototypen eines neuen 1D MEMS Scanners - speziell entwickelt für Laser-Radar-Systeme - mit einer extrem großen Apertur vor. Lamda ist ein skalierbares MEMS Scannerarray, zusammengesetzt aus identischen Siliziumspiegelelementen mit einer Apertur von 2,51 x 9,51 mm² und einem großen optischen Scanbereich von +/-30°. Es besteht aus zwei separaten Scankanälen: (a) einem Einzelscannerspiegel für den kollimierten ausgesendeten Strahl parallel zu (b) einem Scannerspiegel-Array für die Empfangsoptik. Die Strahlgänge der Sende- und Empfangsoptiken sind optisch isoliert, um ein Übersprechen im finalen Laser-Radar-System zu vermeiden. Die Empfangsoptik verwendet ein Array von 2 x 7 identischen Spiegelelementen mit einer Gesamtapertur von 334 mm² und einem Füllfaktor von 80 %. Alle Spiegel werden elektrostatisch resonant mittels individueller in-plane Kammantriebe nahe der mechanischen Resonanz der Torsionsschwingung von 250 Hz angetrieben. Der Sendestrahl wird durch einen mechanisch identischen Scanner abgelenkt, welcher als Master fungiert. Alle Empfangsspiegel werden von der Steuerelektronik auf den Master synchronisiert. Die effektiven Aperturen der Einzelspiegel addieren sich und erzeugen eine hinreichend große Gesamtapertur, um das optische Signal des Detektorsystems zu maximieren. Zur Synchronisation ist im Lamda-Modul für jedes Spiegelelement ein miniaturisierter Positionsdetektor integriert. Dieser ermöglich eine präzise Kontrolle der Spiegelbewegung, so dass alle Empfangsspiegelelemente auf die Bewegung des sendenden Masterscanners synchronisiert werden können. Die Elektronik des Lamda-Moduls mit einem Formfaktor von 50 x 40 x 40 mm³ für den Scankopf stellt ein synchrones Positionssignal des aktuellen Scanwinkels für die Signalauswertung im 3D Laserradarsystem zur Verfügung.

Das MEMS Array Lamda erfüllt mit seiner mechanischen Resonanzfrequenz von 250 Hz die Anforderungen moderner Laserlaufzeitmesssysteme (TOF-Systeme) mit typischen Punktmessraten von 250-1000 kHz. Die bedeutet bei optischen Scanwinkeln von +/-30° eine Unterteilung des gescannten Bereichs in 500-2000 Intervalle. Das neue Konzept - ein Array von synchronisierten identischen MEMS Spiegelelementen für LIDAR-Systeme - erlaubt große Empfangsaperturen bei herausragender Zuverlässigkeit, hohe Scangeschwindigkeit, kompakte Größe und geringem Gewicht.

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