Design and Evaluation of Resonant MEMS Scanning Systems for High Performance Automotive Applications
Das Potenzial von Fahrerassistenzsystemen zur Vermeidung von Unfällen und zur Rettung von Menschenleben hat zu einer steigenden Nachfrage nach miniaturisierten, kostengünstigen optischen Scansystemen für Anwendungen wie zB. Lidar-Sensoren (Light Detection and Ranging) geführt. Neben der genauen Erfassung der Fahrzeugumgebung müssen die gewonnen Daten, soweit relevant, auf nicht-ablenkende oder störende Weise vermittelt werden. Hier können optische Scansysteme in Augmented-Reality-Head-up-Displays sowie adaptive Scheinwerfer eingesetzt werden. MEMS-Spiegel (Micro-Electro- Mechanical System) sind eine der vielversprechendsten Scantechnolgien aufgrund ihrer hohen Performanz und kosteneffizienten Herstellung auf Basis der Siliziumtechnologie. Da das MEMS-Scansystem auch in rauen Automobilumgebungen genau funktionieren muss, sollten mögliche Einflüsse analysiert und im besten Fall unterdrückt werden, um eine durchgängige Sicherheit zu gewährleisten.
In dieser Arbeit wurden Methoden zur Modellierung und Entwurf optimaler Regelungsstrategien für nicht-lineare resonante MEMS-Spiegel in anspruchsvollen Automotive-Anwendungen entwickelt, implementiert und demonstriert. Sie beinhaltet eine innovative energiebasierte Analyse und präzise Modellierung von elektrostatisch angetriebenen MEMS Spiegeln in parametrischer Resonanz, ein Messprinzip der Spiegelschwingung ohne externe Sensoren, sowie optimale und iterativ lernende Regler für einzelne und mehrere, gekoppelte MEMS Spiegel. Die entwickelten Mess- und Regelungskonzepte wurden unter Einwirkung externer Vibrationen nach Automotive Standards getestet und verifiziert. Dies demonstriert den stabilen und nahtlosen Betrieb von kompakten und automotive-graded MEMS Scansystemen ohne externe Sensoren. Darüberhinaus wurde das klassische Lissajous Scanprinzip mit einer Frequenzmodulation erweitert. Dadurch kann die Liniendichte im Scanbereich verschoben werden, um beispielsweise in bestimmten Bereichen mehr Auflösung zu generieren.
Das entwickelte, patentierte und erfolgreich umgesetzte Systemkonzept, sowie die entwickelten Prototypen, bilden die Grundlage für neue mehrachsige resonante MEMS Spiegel Designs, die aktuell in Kooperation mit dem Firmenpartner Infineon Technologies Austria AG weiterentwickelt und in einer Vorserie umgesetzt werden.