Heute kann man mit Fug und Recht behaupten: Je kleiner, je unscheinbarer ein Gerät ist, umso mehr Gehirnschmalz und Expertise steckt drinnen, umso intelligenter und raffinierter sind die Geräte. Anders gesagt: Mit immer kleineren, unscheinbareren Apparaturen will man immer größere Dinge kontrollieren.
Ein gutes Beispiel sind Annäherungssensoren, die auf Laserlicht beruhen und beispielsweise in Handys verbaut sind. Laserlicht wird erzeugt, einen winzigen Moment ausgestrahlt und das Echo aufgefangen. Aus der Laufzeit können Entfernung und die Geschwindigkeit eines Gegenstandes errechnet werden. Im großen Maßstab kennt man das von der Laserpistole. Doch heute sollen dies winzige Chips in tragbaren Geräten übernehmen. Doch für künftige Anwendungen in Handy, bei Kameras oder im Segment „autonomes Fahren“ benötigt man eine deutlich höhere Reichweite als die derzeitigen etwa 60 Zentimeter.
In Nanosekunden
Kann man die jetzigen Chips aufrüsten? Bei dem Kooperationsprojekt, das von der EU gefördert wurde und mit ams Osram abgewickelt wird, untersuchten Wissenschaftler am Institut für Electronic Engineering in Kapfenberg diese Frage.
„Unsere Aufgabe war es, die Physik auszureizen“, erklärt Robert Okorn, FH-Professor in Kapfenberg. Konkret sollte eine weit stärkere Laserdiode angesteuert werden, was zu verwertbaren Echos aus größerer Entfernung führt. Die Auswertung der Signalzeit verbleibt beim vorhandenen Chip.
Die Schwierigkeit lag nun für Okorn und für seine Mitarbeiter Stefan Dierer und Florian Mayer darin, den Laser anzusteuern: „Das Ziel war es, einen Laser, der einen Strom von bis zu acht Ampere benötigt, in weniger als einer Nanosekunde zu schalten“. Eine Nanosekunde ist der millionstel Teil einer Millisekunde.
Die Sache läuft komplexer ab: Tatsächlich feuert der Laser zehn Millionen Mal in der Sekunde, ebenso oft muss präzise geschaltet werden. Damit genaue Messungen möglich sind, muss der Laserpuls in extrem kurzer Zeit (eben in Nanosekunden) hochfahren. Das führt in der Elektronik zu einigen Herausforderungen wie etwa den störenden Einfluss durch den Leiterplattenaufbau.
Die Wissenschaftler errechneten zunächst mit Simulationsprogrammen, welche physikalischen Grenzen erreicht werden. Eine weitere Herausforderung war es, die Verhältnisse am Chip, dem Schalter etc. hochfrequenztechnisch zu vermessen.
Langjähriges Know-how
Das Projekt, das über ein Programm der Forschungsgesellschaft FFG finanziert wurde, verlief sehr erfolgreich: Es konnte tatsächlich demonstriert werden, dass man mit dem vorhandenen Chip, einem externen starken Laser und der geeigneten Steuerung Entfernungen bis knapp zehn Meter sauber vermessen kann. „Damit werden ganz andere Anwendungen möglich“, erklärt Projektleiter Okorn.
Am Institut verfügt man seit Langem über ein großes Know-how. Das Transferzentrum ist eines der größten innerhalb der Fachhochschule Joanneum. Seit etwa zehn Jahren beschäftigt man sich intensiv mit Leistungselektronik, es gab Kooperationsprojekte mit vielen steirischen Unternehmen. Vor allem auch in der Obersteiermark gilt das Elektronik-Labor in Kapfenberg als wichtige Anlaufstelle für die Industrie.