Forschungshighlights des Fraunhofer IPMS

© 2013 Sven Döring / Agentur Focus

Waferabbildung eines eindimensionalen Flächenlichtmodulators.

Flächenlichtmodulatoren

Flächenlichtmodulatoren des Fraunhofer IPMS bestehen aus einer Anordnung von Mikrospiegeln auf einem Halbleiterchip, wobei die Spiegelanzahl anwendungsspezifisch aktuell von einigen hundert bis zu mehreren Millionen Spiegeln variiert. Hierbei kommt in den meisten Fällen ein hochintegrierter anwendungsspezifischer elektronischer Schaltkreis (ASIC) als Basis der Bauelementearchitektur zum Einsatz, um eine individuelle analoge Auslenkung jedes Mikrospiegels zu ermöglichen. Darüber hinaus entwickelt das Fraunhofer IPMS auch Ansteuerelektroniken für Spiegelarrays inklusive Software. Die Einzelspiegel, die anwendungsspezifisch in Zahl und Größe pro Chip variieren, können je nach Anwendung individuell gekippt oder abgesenkt werden, so dass ein flächiges Muster entsteht, mit dessen Hilfe z.B. definierte Strukturen projiziert werden. Hochauflösende Kippspiegelarrays mit bis zu 2,2 Millionen Einzelspiegeln werden von unseren Kunden als hochdynamische programmierbare Masken für die optische Mikrolithographie im Ultraviolett-Bereich eingesetzt. Die Spiegelabmessungen liegen hier bei 10 μm oder mehr. Durch das Auslenken der Mikrospiegel werden die Strukturinformationen mit hoher Bildrate in den Fotolack übertragen. Weitere Anwendungsfelder liegen in der Maskeninspektion und -messtechnik für die Halbleiterindustrie, in der Mikroskopie sowie in der Laserbeschriftung, ‑markierung und ‑materialbearbeitung.

Senkspiegelarrays, die auf 240×200 Einzelspiegeln (40×40 μm²) basieren, finden u.a. Anwendung in der Wellenfrontformung in adaptiv-optischen Systemen. Diese Systeme können Wellenfrontstörungen in weiten Spektralbereichen korrigieren und so die Wiedergabequalität von Bildern verbessern. Weitere Anwendungsbereiche sind die Augenheilkunde, Astronomie und Mikroskopie sowie die räumliche und zeitliche Laserstrahl- und Pulsformung.

© 2013 Sven Döring / Agentur Focus

Optischer Scankopf einer 3D-TOF-Kamera mit integriertem MEMS Scannerspiegel-Array des Fraunhofer IPMS.

© Fraunhofer IPMS

Flüssigkristall-Wellenleiter.

MEMS-Scanner

Das Fraunhofer IPMS entwickelt anwendungs­spezifisch siliziumbasierte aktive mikro­optische Komponenten. Den ersten Schwerpunkt bilden Mikroscannerspiegel. Am Institut wurden mehr als 50 verschiedene resonante MEMS-Scanner entwi­ckelt, die als ein- oder zweidimensional ablenkende Ele­mente oder auch zur optischen Weglängenmodulation eingesetzt werden. Mögliche Scan-Frequenzen reichen von ca. 0,1 kHz bis zu 100 kHz. Die Anwendungsbreite erstreckt sich von Strichcode-Lesesystemen über die 3D-Messtechnik bis hin zur Laserprojektion, Spektroskopie und Fokuslagenmodulation. Interessenten haben die Möglichkeit, über die Internetplattform www.micro-mirrors.com kundenspezifische Scanner schnell und kostengünstig für ihre Evaluierung zu beziehen. Neben den resonanten Scannern werden auch quasistatisch auslenkbare Mikroscanner für Anwendungen wie das Laserstrahlpositionieren oder vektorielles Scannen entwickelt.

Der zweite Schwerpunkt wird durch den Einsatz elektroaktiver Polymere gebildet. Diese werden z. B. als mechanische Aktoren oder unter Nutzung elektro-optischer Effekte zur Realisierung neuartiger aktiver optischer Elemente eingesetzt. Neben Flüssigkeitslinsen mit einstellbarem Fokus sind hier programmierbare Wellenleiter von besonderem Interesse. Letztere eignen sich z. B. für den Einsatz als optische Schalter oder als Dämpfungselemente (VOA) in der optischen Daten­übertragung.

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Mit der Li-Fi-GigaDock-Technologie können kurze Kabel und Steckverbinder bei Datenraten von bis zu 12,5 GBit/s ersetzt werden.

Drahtlose Mikrosysteme

Das Fraunhofer IPMS liefert im Bereich drahtlose Mikrosysteme produktnahe Teil- und Komplettlösungen für kunden- und applikationsspezifische Problemstellungen von der Hardware bis zur Software. Dies umfasst optisch drahtlose Kommunikation (Li-Fi), wartungsfreie und batterielose RFID-Sensorknoten, integrierte vernetzte Systeme, Track and Trace sowie Big Data und Datenanalyse. Technologische Schwerpunkte bilden die Entwicklung von Komponenten und Modulen im Bereich RFID und Li-Fi. Unterstützte Technologieknoten für passive Sensortransponder sind LF, HF, NFC und UHF. Fokussiert wird sich auf Antennendesign, kundenspezifische Hochfrequenz-ASICs, Sensorintegration und vernetzte RFID-Plattformen mittels OPC-UA. Die Entwicklungen der Li-Fi-Technologie teilen sich in Docking- und Hotspot-Lösungen für Datenraten von wenigen Kilobits pro Sekunde bis aktuell 12,5 GBit / s. Ziel ist es Stecker, Kabel und Funktechniken durch performante, echtzeitfähige optisch drahtlose Kommunikation in verschiedenen Anwendungen zu ersetzen. Entwicklungsschwerpunkte sind Optiken, analoge Frontends und spezielle Protokolle und Protokolladapter, um Li-Fi-Lösungen leicht an bestehende Infrastruktur anbinden zu können. Über OPC-UA gekoppelte RFID-Sensornetzwerke sowie Echtzeitortungstechnologien in Gebäuden bieten die Grundlage für nutzerspezifische Forschungsdienstleistungen. Dies sind beispielsweise Indoor-Navigation, ortsbezogene Dienste, Ortung von Assets in der Fertigung, elektronische Losbegleitscheine und Fertigungsoptimierung, Personaleinsatzplanung und vorbeugende Wartung von Equipment.

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Hyperspektralen Bildgebung am Beispiel eines Apfels.

Environmental Sensing

Im Bereich Environmental Sensing fokussiert sich das Fraunhofer IPMS auf die Entwicklung sensorischer Bauelemente, Komponenten und Subsysteme für den Einsatz in anwendungsspezifischen Geräten zur Erfassung und Auswertung von Umgebungszuständen. Dazu werden eigens am Fraunhofer IPMS entwickelte Mikrosystemtechnik-Bausteine als Festkörpersensoren, Ultraschallwandler und photonische Sensoren und Modulatoren auf Siliziumbasis vom Funktionsmuster bis in den Prototypenstatus und zur Vorserie entwickelt. Diese sensorischen Elemente werden in Systemen eingesetzt, die auch im Geschäftsfeld entworfen und umgesetzt werden können. Das Anwendungsspektrum reicht von der Lebensmittelüberwachung, der Wasser- und Bodenanalytik, der industriellen Messtechnik, dem Security-Bereich bis hin zur Medizintechnik. Zusätzlich bietet das Geschäftsfeld Machbarkeitsstudien, Testmessungen sowie die Charakterisierung von sensorischen Elementen und Systemen an. Das geschäftsfeldspezifische Know-how schließt umfangreiche Kenntnisse der Herstellung von MEMS-Komponenten, der Charakterisierung, Performance-Ermittlung und Arbeitspunktbestimmung für den jeweiligen Anwendungsfall ein. Das Geschäftsfeld nutzt modernes hochgenaues Mikromontage-Equipment, welches Platzierungsgenauigkeiten von Bauelementen im einstelligen Mikrometerbereich erlaubt, ebenso wie spektrale Charakterisierungstools (z. B. verschiedene Spektrometertypen NIR bis FTIR, Spektrographen, Monochromator mit Ulbrichtkugel, FFT-Analyzer). Auf dieser Grundlage ist es zum Beispiel möglich, modernste optische Mini-Spektrometer in der Größe eines Zuckerwürfels aufzubauen.

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300 mm Reinraum des Center Nanoelectronic Technologies CNT.

Center Nanoelectronic Technologies CNT

Das Fraunhofer IPMS betreibt mit dem Center Nanoelectronic Technologies CNT angewandte Forschung auf 300 mm Wafern für Mikrochipproduzenten, Zulieferer, Equipmenthersteller und R&D Partner am Standort Königsbrücker Straße. Das IPMS-CNT bietet im Bereich FEoL und BEoL folgende Technologieentwicklungen und Services auf Ultra Large Scale Integration-Level (ULSI) an:

  • 300 mm Devices and Value added Solutions
  • 300 mm Screening Fab Services

Das IPMS-CNT besitzt einen eigenen 800 m² Reinraum mit 40 Prozessierungsanlagen und Analysetools für 200/300 mm Wafer und bietet professionelles Waferhandling mit ISO 9001 zertifizierten Kontaminationsmanagement für den reibungslosen Austausch (Short Loops). Aufgrund des Industriestandards können Entwicklungen und Prozessinnovationen risikolos und schnell in die Fertigungslinien unserer Kunden integriert werden, um Herstellungskosten und Zeit zu sparen.

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Vereinfachte Darstellung einer MEMS-basierten Mikropumpe basierend auf dem NED-Ansatz. Das Bild zeigt nichtausgelenkte Biegeaktoren (grün), ausgelenkte NED-Biegeaktoren (rot) sowie Ein- und Auslassventile (gelb).

Mesoskopische Aktoren und Systeme

Kaum eine wachstumsstarke technische Branche kommt ohne mikrosystemtechnische Komponenten in Form von Sensoren oder Aktoren aus. Um die steigenden Anforderungen an die Leistungsfähigkeit mikromechanischer Komponenten zu erfüllen und die technische Basis für neue Anwendungen zu verbreitern, ist die weitere Miniaturisierung wesentlich. Die Miniaturisierung als Teil einer technischen Evolution bedeutet auch, dass neue aktorische Prinzipien für mikro- und nanomechanischen Systeme notwendig werden. Die Fraunhofer-Projektgruppe Mesoskopische Aktoren und Systeme (MESYS) entwickelt hierfür eine neue Klasse elektrostatischer Biegeaktoren (NED) und erprobt diese an MEMS-basierten Mikrosystemen verschiedenster Anwendungsfelder.