MEMS Sensor
#smartmoves

Nepatrní trpaslíci dobývají svět

MEMS: Bosch slaví obrovský úspěch s miniaturními senzory

Doba čtení: 8 minut

Jsou mikroskopicky malé a nepostradatelné pro moderní mobilitu a komunikaci: mikroelektromechanické systémy nebo zkráceně MEMS jsou považovány za klíčovou technologii budoucnosti. Jejich úspěšný příběh začal v polovině 90. let revolučním vynálezem společnosti Bosch.

Smyslové orgány techniky

Když se airbag otevře přesně a rychle, když se vůz ve smyku sám stabilizuje nebo když se displej smartphonu otáčí současně s pohybem, skrývají se za tím mikroelektromechanické systémy, zkráceně: MEMS.

S jejich křemíkovými strukturami uvnitř - někdy mnohokrát tenčími než lidský vlas - mohou převádět mikroskopické pohyby na elektrické signály, zpracovávat je jako informace a posílat je dál. Díky tomu jsou smyslovými orgány technického světa.

Jaká je konstrukce MEMS senzoru?

MEMS
Obvodová deska
ASIC
MEMS-Element
Spojovací drát
Oddělovací jednotka
Platte

Obvodová deska

Vede výstupní signály ASIC ven nebo napájecí napětí z vnějšku dovnitř přes vnitřní vodivé stopy.

ASIC

ASIC

Je elektronický obvod, který zesiluje a vyhodnocuje měřicí signály čipu MEMS a vydává odpovídající výstupní signál.

MEMS element

MEMS-Element

V závislosti na typu senzoru snímá fyzikální (např. Zrychlení, stáčení, tlak) nebo chemická množství (např. Těkavé organické sloučeniny VOC).

Bond drathe

Spojovací drát

Vytvořte elektrické spojení mezi prvkem MEMS a vyhodnocovacím obvodem (ASIC).

Oddělovací jednotka

Oddělovací jednotka

Zajišťuje, že prvek MEMS je uložen co nejvíce bez stresu. Bez oddělení by byl prvek MEMS umístěn v případě kolísání teploty pod tlaková nebo tahová napětí, což by mohlo vést ke zkreslení měřicích signálů.

Platte
Obvodová deska
ASIC
ASIC
MEMS element
MEMS-Element
Bond drathe
Spojovací drát
Oddělovací jednotka
Oddělovací jednotka

Průlom díky společnosti Bosch

Sensor
Hřebenové struktury tříkanálového senzoru zrychlení, který dokáže detekovat zrychlení ve třech prostorových směrech.

Malé přístroje, které uměly určit například hodnoty tlaku nebo rychlost zrychlení, byly instalovány v zařízeních a strojích již v 70. letech 20. století, ale byl to až průlomový vývoj společnosti Bosch v polovině 90. let, který vedl k triumfálnímu rozvoji senzorů MEMS.  Tzv. hluboké reaktivní iontové leptání (DRIE) vytvořilo hřebenovité struktury se strmými stěnami. To umožnilo zmenšení senzorů a také přesnější a levnější výrobu. Bosch tento proces zpřístupnil také svým konkurentům ve formě licence.  Vynález byl ale tak úzce spjat se společností, že je v celém odvětví známý jako „proces Bosch“.

Proč je proces Bosch tak výjimečný?

MEMS Process Structures
Křemíkový povrch senzoru zrychlení tvarují úzké hřebenové struktury. Za tímto účelem bylo lithium bombardováno ionty -podobně jako v přírodě, když padající dešťové kapky tvarorujíměkkou horninu do vertikálních struktur. Martin Oeggerli, podporovaný C_CINA, University Basel
Ratio
Proces Bosch umožnil dosáhnout poměru stran 1:20. V hloubce 20 µm byl horizontální posun pouze 1 µm. Tímto způsobem mohou být struktury nebo komponenty osazeny na křemíkový wafer s vysokou hustotou - průlom z hlediska velikosti a složitosti výroby.
Structures finer
Některé hřebenové struktury jsou mnohokrát tenčí než lidský vlas. Ve spotřební elektronice jsou snímače MEMS vysoké méně než 1 mm - a přesto extrémně výkonné a robustní. A to také díky křemíku ...
Silicon
Křemík, materiál s vynikající kvalitou a skvělou kontrolou elektronických vlastností, které jsou výsledkem milionů let lidského výzkumu. Ve srovnání s ocelí má křemík třetinovou hmotnost, čtyřnásobnou mez kluzu a třikrát menší roztažnost.

Na prahu nového tisíciletí položil Bosch základní kámen pro vedoucí postavení na trhu mezi producenty MEMS: V roce 1998 uvedla společnost na trh první křemíkový snímač rychlosti rotace MEMS, který byl použit v programu elektronické stabilizace (ESP®). Plošné použití tohoto asistenčního systému pro řidiče podle studií zachraňuje ročně více než 10 000 životů– a to také díky senzorům MEMS.

Oblast použití ESP® zpočátku pro Bosch určovala směr, takže výroba MEMS byla zaměřena na řešení pro automobilový průmysl. Cílem bylo dále vyvinout senzory tak, aby vydržely teploty v motorovém prostoru mezi minus 40 až 135°C a fungovaly při nepříznivém vnějším mechanickém a elektrickém rušení.

5 senzorů Bosch MEMS

je v průměru v každém nově vyrobeném vozidle.

Odvaha se vyplatí

MEMS Sensor
Wafery jsou ponořovány do chemické čisticí lázně pomocí robota.

Bosch si brzy uvědomil rostoucí význam senzorů MEMS i pro další oblasti - zejména pro spotřební zboží. Společnost Bosch Sensortec GmbH byla založena v roce 2005 s cílem pokrýt i toto průmyslové odvětví. Byl to odvážný krok, protože trh zábavní elektroniky vyžadoval stále rychlejší zavádění nových produktů. V rámci závodu o vedoucí postavení na trhu šlo především o neustálé snižování velikosti, hmotnosti, spotřeby energie a nákladů. Odvaha se však vyplatila. Dnes Bosch vyrábí více než čtyři miliony senzorů MEMS denně.

Pozitivní vliv

Sensor cleaning
Rameno robota ponoří destičky do chemické lázně.

Spotřební elektronika nyní hraje největší roli v segmentu trhu MEMS.Pro tuto oblast je určeno 70 procent všech senzorů MEMS od společnosti Bosch. Senzory, které byly kdysi vyhrazeny pouze pro prestižní objekty, lze nyní nalézt i v krokoměrech amatérských běžců.

Přizpůsobení vývojovým procesům ve spotřební elektronice mělo také pozitivní dopad na automobilový sektor u společnosti Bosch. Například moderní snímač rychlosti otáčení ESP® má dnes tak vysokou citlivost, že dokáže detekovat sotva znatelnou rychlost otáčení hodinové ručičky.

Milníky v historii MEMS

1970 Začátek výzkumu MEMS
Zahájení výzkumu MEMS na tlakových senzorech Bosch pro řízení motoru.
1993 První prototypy MEMS pro sériovou výrobu
První prototypy MEMS pro sériovou výrobu od společnosti Bosch po šesti letech vývoje.
1994 Průlom v povrchové mikromechanice
Vědci společnosti Bosch Franz Lärmer a Andrea Urban dosáhli průlomu v povrchové mikromechanice pomocí procesu iontového hlubokého leptání. To se stalo základem pro rozvoj podnikání v oblasti senzorů MEMS u společnosti Bosch.Výzkumný tým byl v roce 2007 oceněn cenou European Inventor Award.
1995 Velkosériová výroba MEMS Automotive
Začátek velkosériové výroby v automobilovém průmyslu první senzory měřící tlak a zrychlení - základní kámen moderní techniky.
1998 První snímač rychlosti otáčení v designu MEMS
Bosch zahajuje sériovou výrobu prvního snímače rychlosti otáčení MEMS pro ESP, který se následně stal bestsellerem a důležitým zachráncem životů v silniční dopravě.
2005 Založení startupové společnosti Bosch Sensortec
Startupová společnost Bosch Sensortec byla založena za účelem získání vedoucího postavení na trhu MEMS v oblasti spotřební elektroniky. Když se Bosch v roce 2013 stal předním výrobcem senzorů MEMS, největší nárůst zajistila právě společnost Bosch Sensortec.
2008 Německá cena budoucnosti
Vědci společnosti Bosch Jiří Marek, Michael Offenberg a Frank Melzer získali Německou cenu budoucnosti 2008 za svůj projekt „Inteligentní senzory dobývají spotřební elektroniku, průmysl a medicínu“ a díky inovativním výrobním procesům v oblasti povrchové mikromechaniky.
2009 Senzory Bosch se stávají chytrými
První senzory vybavené integrovaným mikrokontrolérem (označený zeleně) zpracovávají signály pohybu samostatně a umožňují tak automatickou detekci určitých pohybů (automatic recognision of specific movements) pro funkce, jako je poklepání na přístroj (tap sensing – tap/double tap) nebo počítání kroků (step counting).
2016 Celosvětově nejmenší 9osý senzor na trhu
Společnost Bosch uvádí na trh nejmenší 9osý senzor na světě pro spotřebitelské aplikace. Jeho extrémně nízká spotřeba energie umožňuje delší fungování zařízení na baterie, a také poskytuje nové funkce, jako je detekce polohy, kompas apočítání kroků.

Průkopnická inovace

Tento příběh ukazuje, jak si společnost Bosch udržuje vedoucí postavení na trhu ve vysoce konkurenčním sektoru senzorů MEMS díky inovacím produktů i výrobních procesů. Jako jeden z mála světových výrobců nyní společnost Bosch pokrývá celý hodnotový řetězec. Ten zahrnuje vývoj procesů MEMS, design senzorů, vyhodnocovací obvody, balení a postupy testování, jakož i výrobu a prodej. Tato celková optimalizace umožnila dosažení vynikající kvality, miniaturizaci senzorů a vedla k dalším průlomovým inovacím.

Celkem pět procesů povrchové mikromechaniky vyvinutých společností Bosch nyní tvoří základní technologii výroby MEMS. Jedním z milníků byl „proces APSM“ (Advanced Porous Silicon Membrane) pro tlakové senzory. Vytváří přesně definovanou dutinu s vakuem pod monokrystalickou křemíkovou membránou - předpoklad pro vysoce přesné, malé a levné tlakové senzory.

Jak fungují MEMS senzory?

Pressure Sensor
Senzory společnosti Bosch se skládají ze základního tělesa s tenkou křemíkovou membránou a připojenou strukturou rezistorů. Jsou citlivé na mechanickou deformaci (expanze/komprese) - mění se elektrické napětí a generuje měřenou hodnotu úměrnou tlaku.
Accelerometer Sensor
U snímačů zrychlení Bosch způsobuje zrychlení změnu vzdálenosti mezi hřebenovými strukturami a generuje elektrický signál.V zobrazeném mikromechanickém prvku snímače způsobuje zrychlení změnu vzdálenosti mezi hřebenovými strukturami. Výsledná změna kapacity vytváří elektrický signál, který je odeslán do řídicí jednotky, například když vozidlo prudce zastaví. Aktivovat airbag!
Yaw-rate Sensor
U snímače rychlosti otáčení od firmy Bosch jsou vnější rámy při otáčení rozkmitávány v opačných směrech.V senzorovém prvku jsou vnější rámy nastaveny tak, aby během rotačního pohybu kmitaly v opačných směrech. Pokud vůz změní směr jízdy, dojde k vyklonění části vnitřní hřebenové struktury. Tím se mění odstup hřebenu a tím i kapacita - což iniciuje signály pro kontrolu stability ESP.
Geomagnetic Sensor
Magnetické pole probíhající kolmo na směr proudu vodiče vedoucího proud generuje úbytek napětí, který je také kolmý na směr proudu a magnetického pole a může být měřen. Ve smartphonu se tato funkce používá jako kompas.

Energetická účinnost a bezpečnost dat

Příběh MEMS inovací zdaleka nekončí. Po růstu v oblasti senzorů pro automobilový průmysl a spotřební elektroniku se ve třetí vlně objevily další možnosti rozvoje díky propojení senzorů prostřednictvím Internetu věcí (IoT).

Některé z těchto MEMS senzorů mohou zpracovávat svá data sami, a tím snižovat nejen přenos dat ve všech architekturách systému, ale - pokud jsou napájeny z baterií - také dobu přenosu a spotřebu energie. Důsledek: Vyšší energetická účinnost, menší přenos dat a jedna z nejdůležitějších výzev naší doby - vyšší bezpečnost dat.

Více než 50 procent

smartphonů na trhu je vybaveno senzory od společnosti Bosch.

Kde fungují MEMS senzory?

MEMS Work
Přeprava
Aplikace v silníční dopravě
Chytrá domácnost
Aplikace pro komfortnější bydlení
Zábava
Aplikace pro zábavnější hraní
Osobní asistenti
Aplikace pro lidi v pohybu
Výroba
Aplikace pro výrobní společnosti
MEMS Car

Přeprava

Aplikace v silníční dopravě

Senzory zrychlení MEMS, spouštějí airbagy již od 90. let. Jsou to dnes již klíčové komponenty ve vozidle. Senzory MEMS umožnily rozsáhlé nasazení systému ESP®. MEMS také poskytoval schopnost snímání pro kontrolu stability motocyklu, což následně vedlo k ABS pro motocykly. Každý moderní automobil je vybaven až 50 senzory MEMS, včetně senzorů tlaku v systémech řízení motoru, které pomáhají šetřit palivo a omezovat emise. Automatické řízení v nadcházejících letech bude vyžadovat inerciální senzory s bezprecedentní stabilitou a přesností. Letectví je další aplikací na obzoru, zejména hračky drony a létající taxíky.

Smart home

Chytrá domácnost

Aplikace pro komfortnější bydlení

Páteř inteligentního domu je osazena senzory MEMS. Měří kvalitu vzduchu, udržují příjemnou teplotu a detekují, kdy je otevřené okno, které by mělo být zavřeno. Pomáhají odhalit zloděje, rozpoznávat gesta a přizpůsobit osvětlení intenzitě slunečních paprsků. Robotový vysavač vybavený senzory MEMS a modulem Wi-Fi poskytuje průběžnou zprávu o své poloze.

Entertainment

Zábava

Aplikace pro zábavnější hraní

Senzory MEMS umožňují rozpoznávání gest založených na rozpoznávání videoher a poskytují uživatelům zážitek z uspokojivé virtuální a rozšířené reality (VR / AR). Když uživatel připojí zařízení AR nebo VR, musí pohyb virtuálního obrazu sledovat pohyby jeho hlavy s nejvyšší přesností. Pro senzory to představuje obrovskou výzvu. Pokud je sledování vypnuto nebo dochází k driftovým efektům, uživatelé mohou pociťovat pohybovou nemoc. Inteligentní MEMS senzory jsou na tuto výzvu připraveny.

Work assistant

Osobní asistenti

Aplikace pro lidi v pohybu

Osobní elektronický fitness trenér vybavený senzory MEMS probouzí uživatele podle harmonogramu, který odpovídá jejich přirozenému biorytmu. Inteligentní sportovní oblečení může zlepšit účinnost cvičení měřením rychlosti a spálených kalorií. Senzory MEMS pomáhají uživatelům procházet městem a stabilizovat záběr, pokud chtějí během běhu vyfotografovat snímek. Poskytují perfektní řešení, pokud uživatelé chtějí pořizovat ostré snímky pomocí kamery na hlavě, smartphonu nebo hračky.

Industry

Výroba

Aplikace pro výrobní společnosti

Multisenzorové systémy jsou klíčem k úspěchu aplikací v Průmyslu 4.0. Stále více strojů a dokonce i výrobků je vybaveno inteligentními senzorovými systémy. Tímto způsobem může každý produkt informovat o tom, jak má být sestaven či jaký je jeho stav před dokončením. Probíhající výroba používá tato data k své organizaci. Zjistí technické problémy již na počátku a automaticky provede inspekce. Senzory MEMS také lokalizují polohu zboží.

MEMS Car
Přeprava Aplikace v silníční dopravě
Smart home
Chytrá domácnost Aplikace pro komfortnější bydlení
Entertainment
Zábava Aplikace pro zábavnější hraní
Work assistant
Osobní asistenti Aplikace pro lidi v pohybu
Industry
Výroba Aplikace pro výrobní společnosti

Očekává se, že k uspokojení poptávky v budoucnu budou zapotřebí stovky miliard komponentů MEMS. Kromě velkého pole IoT jde také o automatizovanou jízdu, kde senzory MEMS umožňují vozidlu vlastní lokalizaci bez senzorů prostředí nebo GPS. Fungují pouze na základě informací o zrychlení a rychlosti otáčení.

Redundantní systémy jsou předpokladem bezpečné automatizované jízdy a senzory MEMS jsou opět klíčovými komponenty umožňujícími tuto formu mobility. Totéž platí pro rostoucí trh s drony a v budoucnu snad i pro autonomní létající taxíky, jejichž ovládání není bez senzorů MEMS možné.

Svět MEMS senzorů

více než 4 miliony
Miláček výroby: Bosch každý den vyrábí více než 4 miliony senzorů MEMS pro řešení mobility a pro automobilový průmysl a spotřební elektroniku.
14 týdnu
Běžec na dlouhé vzdálenosti: ve složitém výrobním procesu, který trvá až 14 týdnů, vznikají tenké kruhové disky z křemíku. Bosch vyrábí tisíce mikročipů, senzorové prvky MEMS, z takzvaného waferu.
50000 mikročipů
Prostorový zázrak: na každý wafer o průměru 20 cm se vejde až 50 000 mikročipů. Pro každý senzor MEMS je do pouzdra spolu s vyhodnocovacím obvodem ASIC zabalen jeden čip.
Čistota nadevše
Čistota nadevše: při výrobě waferů panují podmínky čistého prostoru třídy 1. Pouze jedna částice o koncentraci 0,5 µg může být přítomna jako nečistota v kubické stopě (přibližně 28 litrů) vzduchu. To zhruba odpovídá velikosti pecky třešně v Bodamském jezeře.
Číslo 1
Jednička: Bosch je od roku 2013 předním světovým výrobcem senzorů MEMS.
4 Microny
Miniatura: některé komponenty uvnitř nejmenších MEMS senzorů měří 4 µm - desetkrát méně než mravenčí noha.

Umělá inteligence (AI) také stále více proniká do těchto miniaturních senzorů. Senzory MEMS od společnosti Bosch se nyní mohou učit personalizovaná gesta, což přináší novou úroveň vývoje při práci s chytrými telefony (například při vytváření nových gest u osob se zdravotním postižením) nebo u krokoměrů (přizpůsobování se individuálním krokovým vzorům).

MEMS senzory a strojové učení se tak stávají další kapitolou velkého úspěchu.Oblast použití miniaturních produktů společnosti Bosch bude v budoucnu i nadále růst - na rozdíl od jejich velikosti.

Sdílení na: