Mediendienst der Fraunhofer-Gesellschaft vom Februar 2011

Bildsensoren, wie sie in Handys verbaut werden, sind in manchen Bereichen farbenblind. Das liegt an der Schicht, die UV-Licht nicht durchlässt. Daher eignen sich diese CMOS-Chips bislang nicht für die Spektroskopie. Ein neuer Fertigungsprozess macht die Schicht transparent – und die Sensoren für Spezialanwendungen tauglich.

In der Unterhaltungselektronik sind sie längst Standard – und ihr Vormarsch in weitere Anwendungsbereiche ist nicht mehr zu stoppen: CMOS-Bildsensoren werden nicht mehr nur in Handy- und Digitalkameras verbaut. Die Automobilindustrie etwa hat das Potenzial der optischen Halbleiterchips entdeckt und setzt sie zunehmend als Fahrerassistenzsysteme ein; von der Einparkhilfe über die Fahrspurerkennung bis hin zum Totwinkel-Warner. Doch die Sensoren, die Lichtsignale in elektrische Impulse verwandeln, müssen bei Spezialanwendungen jede Menge aushalten können – beispielsweise hohe Umgebungstemperaturen oder Feuchtigkeit.

Deshalb sind CMOS-Bauelemente mit einer Siliziumnitrid-Schicht abgedeckt. Diese chemische Verbindung bildet harte Schichten, die den Sensor vor mechanischen Einflüssen und dem Eindringen von Feuchtigkeit und Ionen schützen. Die Schutzschicht erhält der Sensor im letzten Schritt des CMOS-Halbleiterverfahrens. Experten nennen das Passivierung. Diese ist seitens der Industrie vorgeschrieben. Doch bisher gibt es mit der Passivierung ein Problem: Die Siliziumnitrid-Schicht setzt den optischen Anwendungsbereichen Grenzen, denn sie ist für Licht im UV- und blauen Spektralbereich nicht durchlässig – CMOS-Sensoren für Industrie- oder Spezialkameras sind deshalb teilweise farbenblind.

Forscher des Fraunhofer-Instituts für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme IMS in Duisburg haben für dieses Problem jetzt eine Lösung gefunden: »Wir haben einen neuen Prozessschritt entwickelt«, sagt Werner Brockherde, Abteilungsleiter am IMS. »Mit diesem kommen wir zu einer Schutzschicht, die für blaues und UV-Licht durchlässig ist, aber dennoch die gleichen Eigenschaften besitzt.« Letztendlich besteht der Trick darin, den Stickstoffanteil in der Schicht zu erhöhen. »Dadurch haben wir die sogenannte Bandlücke erhöht«, erklärt Brockherde. Das führt vereinfacht gesagt dazu, dass das Licht eine höhere Energie als die des UV-Lichts benötigt, um vom Material absorbiert zu werden – der Sensor ist somit für den blauen und den UV-Bereich transparent geworden. »Die CMOS-Bildsensoren sind dadurch auch in Wellenlängenbereichen bis hinunter zu 200 Nanometer einsetzbar«, sagt Brockherde. »Mit der Standard-Passivierung war bei etwa 450 Nanometer Schluss.« Um die Struktur des Siliziumnitrids zu verändern, mussten die Fraunhofer-Forscher die Abscheideparameter wie Druck oder Temperatur bei der Herstellung der Schicht optimal anpassen.

Dank dieser Prozessentwicklung haben die Experten das Anwendungsspektrum der CMOS-Bildtechnologie erweitert: Sie könnte vor allem UV-spektroskopische Methoden, die aus kaum einem Labor der Welt wegzudenken sind, revolutionieren und deren Genauigkeit deutlich verbessern. Ebenso können CMOS-Bildsensoren künftig in der professionellen Mikroskopie wie etwa in Fluoreszenzmikroskopen zum Einsatz kommen – und Wissenschaftlern auf diese Weise noch detailreichere Bilder liefern.

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Mediendienst der Fraunhofer-Gesellschaft vom Januar 2011

Waldbrände breiten sich meist rasend schnell und unkontrolliert aus. Feuer mit starker Rauchentwicklung fordern die Einsatzkräfte besonders heraus, denn die Brandherde lassen sich nur schwer ausfindig machen. Ein neuer radiometrischer Sensor lokalisiert die Ausbruchsstellen selbst bei eingeschränkter Sicht.

Die Anzahl und das Ausmaß von Waldbränden hat in den vergangenen Jahrzehnten drastisch zugenommen. Unvergessen sind Fernsehbilder von Flammeninfernos, die im Sommer in Russland, Australien und Kalifornien kilometerweit Flächen verwüsteten. Auch in Deutschland sind viele Regionen aufgrund des Klimawandels betroffen – Brandenburg etwa gehört zu den stark gefährdeten Gebieten in Europa.

Oftmals lassen sich die Feuer nur aus der Luft eindämmen. Um Brandherde gezielt bekämpfen zu können, müssen Löschflugzeuge präzise eingewiesen werden. Ein erprobtes Hilfsmittel hierfür sind Infrarot-Kameras (IR), da Feuer im Infrarotbereich am intensivsten strahlt. Die IR-Kameras messen die Wärmestrahlung und können so Brandherde lokalisieren. Zudem liefern sie hochaufgelöste Bilder. Allerdings können diese Bildaufnehmer Ausbruchsstellen nicht bei starker Rauchentwicklung finden, da Infrarotstrahlen durch Partikel von Staub und Rauch zu stark gedämpft werden.

Eine Lösung des Problems kennen die Forscher des Fraunhofer-Instituts für Hochfrequenzphysik und Radartechnik FHR in Wachtberg. Sie haben ein Radiometer entwickelt, das Brände auch bei eingeschränkter Sicht überwachen kann: Der radiometrische Sensor arbeitet im Mikrowellenbereich zwischen 8 und 40 GHz. Bei diesen niedrigen Frequenzen fällt die Streuung der Strahlen an Staubpartikeln deutlich geringer aus als bei den hohen IR-Frequenzen. »Bei unseren Testmessungen bei 22 GHz war die Dämpfung zu vernachlässigen. Partikel aus Staub und Rauch sind im Mikrowellenbereich quasi transparent. Dennoch ist die Strahlungsleistung ausreichend hoch, um Brandnester zu erkennen. Aus einer Höhe von 100 Metern konnten wir bei eingeschränkten Sichtverhältnissen ein Feuer mit einer Fläche von fünf mal fünf Metern detektieren«, sagt Dipl.-Ing. Nora von Wahl, Wissenschaftlerin am FHR. Für die Testflüge montierten die Forscherin und ihr Team den Mikrowellensensor an der Unterseite eines unbemannten Luftschiffs der FernUniversität Hagen. »Bestandteil des Radiometers sind neben der Sensorik eine Kalibrierungseinheit, eine planare Gruppenantenne und Software, um Daten aufzuzeichnen und zu visualisieren«, sagt die Expertin. Die Auflösung des Systems wird durch den Öffnungswinkel der Antenne bestimmt und hängt somit von Antennengröße, Frequenz und Entfernung zum Boden ab. Bei einer Antennengröße von 20 Zentimeter Kantenlänge, einer Frequenz von 22 GHz und in einer Höhe von 30 Metern löste das Radiometer 2,6 Meter große quadratische Zellen auf. »Zwar erreichen wir mit dem Radiometer nicht die Detailgenauigkeit von Infrarot-Kameras. Wir vergrößern die Antenne und können dadurch die Auflösung erhöhen«, sagt die Forscherin. Mit dem radiometrischen Sensor sind die Wissenschaftler sogar in der Lage, Brandnester durch Blattwerk hindurch zu bestimmen. Und: »Nach einem Waldbrand entfachen sich oft neue Feuer unter der Erde. Um diese zu entdecken, haben Feuerwehrleute den Boden bisher mit Haken per Hand umgegraben. Unser Radiometer kann Ausbruchsstellen unter der obersten Erdschicht erkennen«, erklärt Nora von Wahl. Das System lasse sich hauptsächlich beim Brandschutz mit Löschflugzeugen einsetzen. Denkbar sei auch, mit dem Radiometer Industrieanlagen zu überwachen, etwa um Schwelbrände in Müllverbrennungsanlagen frühzeitig zu orten.

Das 105 mal 150 mal 73 Millimeter große Radiometer liegt als Prototyp vor. Ziel der Wissenschaftler ist es, das Gerät noch kleiner zu konstruieren. Auch die Antenne wollen die Ingenieure optimieren. Künftige Modelle sollen sich zudem durch ihre chipbasierte Bauweise auszeichnen.

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Mediendienst der Fraunhofer-Gesellschaft vom Dezember 2010

Zwei Arme, drei Kameras, Fingerspitzengefühl und Mimik – das sind die Kennzeichen des pi4-Workerbot. Da er ähnliche Proportionen wie ein Mensch hat, lässt sich der Roboter an jedem modernen Arbeitsplatz der industriellen Fertigung einsetzen. Der Workerbot soll helfen, die Produktion in Europa wettbewerbsfähig zu halten.

Vorsichtig nimmt der Roboter das Zahnrad in die eine und das Gehäuse in die andere Hand. Dann steckt er die beiden Teile zusammen. Da sie nicht gleich einrasten, unterbricht er seine Bewegung. Langsam dreht er das Zahnrad ein kleines Stück zurück. Jetzt lässt es sich ohne Widerstand in der Halterung bewegen. Lächelnd legt er die erfolgreich zusammengesteckte Verbindung auf das Laufband. Dem pi4-Workerbot gelingt motorisch vieles, was normale Roboter nicht können. Er ist das Glanzstück des mit europäischen Mitteln geförderten PISA-Projekts. Ziel des Forschungsvorhabens ist es, mit Hilfe von Robotern bei Montageaufgaben einer industriellen Massenfertigung flexibler zu sein.

Wer in Deutschland produziert, braucht eine Technologie, die anpassungsfähig ist – an unterschiedliche Produktvarianten und schwankende Stückzahlen. Weil je nach Auftragslage auch der Bedarf an Arbeitskräften variiert, sollen Hersteller den Roboter sogar leasen können. »Wir haben den Workerbot so entwickelt, dass er ähnliche Proportionen wie ein Mensch hat«, sagt Dr.-Ing. Dragoljub Surdilovic, Arbeitsgruppenleiter am Fraunhofer-Institut für Produktionsanlagen und Kons-truktionstechnik IPK in Berlin. So lässt sich der Hightech-Helfer an jedem modernen Stehsitzarbeitsplatz der industriellen Fertigung einsetzen.

Der Roboter ist mit drei Kameras ausgestattet. Die Umgebung erfasst er mit einer hochmodernen 3D-Kamera in der Stirn. Zu Inspektionszwecken dienen die beiden anderen Kameras. Die Bandbreite seiner Fähigkeiten ist groß: »Er kann Gegenstände vermessen oder unterschiedliche Oberflächen inspizieren«, sagt Matthias Krinke, Geschäftsführer von pi4-Robotics, dem Unternehmen, das den Workerbot auf den Markt bringt. Über die Reflektion des Lichts auf dem Material erkennt der Roboter, ob die Chromschicht auf einem Werkstück makellos aufgetragen wurde. »Wenn man zwei unterschiedliche Kameras einsetzt, kann er mit dem linken Auge einen anderen Aspekt prüfen als mit dem rechten«, sagt Krinke. Zudem ist der Workerbot in der Lage, Bauteile 24 Stunden lang zu inspizieren. Das ist in Bereichen, in denen es auf Präzision ankommt, besonders wichtig: Etwa in der Medizintechnik, wo ein fehlerhaftes Teil im schlimmsten Fall das Leben von Menschen in Gefahr bringen kann.

Eine weitere Besonderheit des pi4-Workerbot: Er verfügt über zwei Arme. »Das erlaubt neue Arten von Bewegungsabläufen«, sagt Surdilovic. »Die Roboter können ein Werkstück von einer Hand in die andere reichen.« Etwa, um kompliziert gebaute Teile aus allen Winkeln zu betrachten. »Konventionelle Roboterarme haben meist nur ein einziges Drehgelenk in der Schulter, alle anderen Gelenke sind Knickgelenke. Das heißt, sie verfügen über sechs Freiheitsgrade und nicht über sieben wie der menschliche Arm.« Der Workerbot hat neben dem Drehgelenk in der Schulter eine zusätzliche Drehmöglichkeit, die dem Handgelenk beim Menschen entspricht. Die Arbeitsgruppe von Surdilovic arbeitete die Steuerung aus. »Eine besondere Herausforderung war es, das Zusammenspiel der beiden Arme zu ermöglichen – etwa wenn sie gemeinsam ein Werkstück inspizieren oder zwei Bauteile zusammenbauen«, erläutert der Fraunhofer-Forscher. »Dazu bedarf es einer zusätzlichen Sensorik.«

Zudem haben die Forscher ihn mit Fingerspitzengefühl versehen. »Wenn man die Greifkräfte richtig einstellt, nimmt er ein Ei, ohne es zu zerquetschen«, sagt Surdilovic. Der Roboter kann sich sogar mit Mimik ausdrücken. Läuft die Arbeit reibungslos, lächelt er zufrieden. Sieht er gelangweilt aus, wartet er auf Arbeit, und der Produktionsleiter weiß, dass der Produktionsprozess beschleunigt werden kann.

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