Nepatrní trpaslíci dobývají svět
MEMS: Bosch slaví obrovský úspěch s miniaturními senzory
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.
Průlom díky společnosti Bosch
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?
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
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
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
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?
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.
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
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.