Preskočiť na hlavný obsah
Bosch Slovensko
#smartmoves

Nepatrní trpaslíci dobývajú svet

MEMS: Bosch oslavuje obrovský úspech s miniatúrnymi senzormi

MEMS Sensor

Sú mikroskopicky malé a nevyhnutné pre modernú mobilitu a komunikáciu: mikroelektromechanické systémy alebo skrátene MEMS sú považované za kľúčovú technológiu budúcnosti. Ich úspešný príbeh začal v polovici 90. rokov revolučným vynálezom spoločnosti Bosch.

Zmyslové orgány techniky

Keď sa airbag otvorí presne a rýchlo, keď sa vozidlo v šmyku samo stabilizuje alebo keď sa displej smartfónu otáča súčasne s pohybom, skrývajú sa za tým mikroelektromechanické systémy, skrátene: MEMS.

S ich kremíkovými štruktúrami vo vnútri - niekedy mnohokrát tenšími než ľudský vlas – môžu prevádzať mikroskopické pohyby na elektrické signály, spracovávať ich ako informácie a posielať ich ďalej. Vďaka tomu sú zmyslovými orgánmi technického sveta.

Aká je konštrukcia MEMS senzora?

Oddeľovacia jednotka

Oddeľovacia jednotka

Oddeľovacia jednotka

Zabezpečuje, aby bol prvok MEMS uložený v maximálnej možnej miere bez stresu. Bez oddelenia by sa prvok MEMS v prípade kolísania teploty umiestnil pod tlakové alebo ťahové napätie, v dôsledku čoho by sa mohli falšovať meracie signály.

Oddeľovacia jednotka
MEMS-Element

MEMS-Element

MEMS-Element

V závislosti od typu senzora sníma fyzikálne (napr. Zrýchlenie, rýchlosť stáčania, tlak) alebo chemické množstvá (napr. Prchavé organické zlúčeniny VOC).

MEMS-Element
Spojovacie drôty

Spojovacie drôty

Spojovacie drôty

Vytvorte elektrické spojenie medzi prvkom MEMS a vyhodnocovacím obvodom (ASIC).

Spojovacie drôty
ASIC

ASIC

ASIC

Je elektronický obvod, ktorý zosilňuje meracie signály čipu MEMS, vyhodnocuje ich a vydáva zodpovedajúci výstupný signál.

ASIC
Obvodová doska

Obvodová doska

Obvodová doska

Vedie výstupné signály ASIC von alebo napájacie napätie zvonka dovnútra cez vnútorné vodivé dráhy.

Obvodová doska
MEMS Sensor

Prelom vďaka spoločnosti Bosch

MEMS Sensor
Hrebeňové štruktúry trojkanálového senzora zrýchlenia, ktorý dokáže detegovať zrýchlenie v troch priestorových smeroch.

Malé prístroje, ktoré vedeli určiť napríklad hodnoty tlaku alebo rýchlosti zrýchlenia, boli inštalované v zariadeniach a strojoch už v 70. rokoch 20. storočia, ale bol to až prelomový vývoj spoločnosti Bosch v polovici 90. rokov, ktorý viedol k triumfálnemu rozvoju senzorov MEMS. Tzv. hĺbkové reaktívne iónové leptanie (DRIE) vytvorilo hrebeňovité štruktúry s vertikálnymi stenami. To umožnilo zmenšenie senzorov a taktiež presnejšiu a lacnejšiu výrobu. Bosch tento proces sprístupnil tiež svojim konkurentom vo forme licencie. Vynález bol však tak úzko spätý so spoločnosťou, že je známy v celom odvetví ako „proces Bosch“.

Prečo je proces Bosch tak výnimočný?

MEMS Process
Kremíkový povrch senzoru zrýchlenia tvarujú úzke hrebeňové štruktúry. Za týmto účelom bolo lítium bombardované iónmi – podobne ako v prírode, keď padajúce dažďové kvapky tvarujú mäkkú horninu do vertikálnych štruktúr. Martin Oeggerli, podporovaný C_CINA, University Basel.
MEMS Process ratio
Proces Bosch potom umožnil dosiahnuť pomer strán 1:20. V hĺbke 20 µm bol horizontálny posun len 1 µm. Týmto spôsobom môžu byť štruktúry alebo komponenty osadené na kremíkový wafer s vysokou hustotou - prelom z hľadiska veľkosti a zložitosti výroby.
MEMS Structure
Niektoré hrebeňové štruktúry sú mnohokrát tenšie než ľudský vlas. V spotrebnej elektronike sú snímače MEMS vysoké menej než 1 mm - a aj napriek tomu extrémne výkonné a robustné. A to taktiež vďaka kremíku.
MEMS Process silicon
Materiál vynikajúcej kvality a so skvelou kontrolou elektronických vlastností, ktoré sú výsledkom miliónov rokov ľudského výskumu. V porovnaní s oceľou má kremík tretinovú hmotnosť, štvornásobnú hranicu sklzu a trikrát menšiu rozťažnosť.
/

Na prahu nového tisícročia položil Bosch základný kameň pre vedúce postavenie na trhu medzi producentmi MEMS: V roku 1998 uviedla spoločnosť na trh prvý kremíkový snímač rýchlosti rotácie MEMS, ktorý bol použitý v programe elektronickej stabilizácie (ESP®). Plošné použitie tohto asistenčného systému pre vodiča podľa štúdií zachraňuje ročne viac ako 10 000 životov a to taktiež vďaka senzorom MEMS.

Oblasť použitia ESP® spočiatku pre Bosch určovala smer, takže výroba MEMS bola zameraná na riešenia pre automobilový priemysel. Cieľom bolo ďalej vyvinúť senzory tak, aby vydržali teploty v motorovom priestore medzi mínus 40 až 135°C a fungovali pri nepriaznivom vonkajšom mechanickom a elektrickom rušení.

5 senzorov Bosch MEMS

je v priemere v každom novo vyrobenom vozidle.

Odvaha sa vyplatí

MEMS Sensor
Wafery sú ponárané do chemického čistiaceho kúpeľa pomocou robota.

Bosch si skoro uvedomil rastúci význam senzorov MEMS aj v iných oblastiach – hlavne v oblasti spotrebného tovaru. Spoločnosť Bosch Sensortec GmbH bola založená v roku 2005 s cieľom pokryť aj toto priemyslové odvetvie. Bol to odvážny krok, pretože trh zábavnej elektroniky vyžadoval stále rýchlejšie zavádzanie nových produktov. V rámci pretekov o vedúce postavenie na trhu šlo predovšetkým o neustále znižovanie veľkosti, hmotnosti, spotreby energie a nákladov. Odvaha sa ale vyplatila. Dnes Bosch vyrába viac ako štyri milióny senzorov MEMS denne.

Pozitívny vplyv

MEMS Sensor cleaning
Rameno robota ponorí doštičky do chemického kúpeľa.

Spotrebná elektronika teraz hrá najväčšiu úlohu v segmente trhu MEMS. Pre túto oblasť je určených 70 percent všetkých senzorov MEMS od spoločnosti Bosch. Senzory, ktoré boli kedysi vyhradené len pre prestížne objekty, dnes môžete nájsť aj v krokomeroch amatérskych bežcov. Prispôsobenie vývojovým procesom v spotrebnej elektronike malo taktiež pozitívny dopad na automobilový sektor v spoločnosti Bosch. Napríklad moderný snímač rýchlosti otáčania ESP® má dnes tak vysokú citlivosť, že dokáže detegovať sotva rozpoznateľnú rýchlosť otáčania hodinovej ručičky.

Míľniky v histórii MEMS

MEMS 1970
Zahájenie výskumu MEMS na tlakových senzoroch Bosch pre riadenie motora.
MEMS 1993
Prvé prototypy MEMS pre sériovú výrobu od spoločnosti Bosch po šiestich rokoch vývoja.
MEMS 1994
Vedci spoločnosti Bosch Franz Lärmer a Andrea Urban dosiahli prelom v povrchovej mikromechanike pomocou procesu iónového hlbokého leptania. To sa stalo základom pre rozvoj podnikania v oblasti senzorov MEMS pre spoločnosť Bosch. Výskumný tím bol v roku 2007 ocenený cenou European Inventor Award.
MEMS 1995
Začiatok veľkosériovej výroby v automobilovom priemysle, prvé senzory merajú tlak a zrýchlenie - základný kameň modernej techniky.
MEMS 1998
Bosch zahajuje sériovú výrobu prvého snímača rýchlosti otáčania MEMS pre ESP, ktorý sa následne stal bestsellerom a dôležitým záchrancom životov v cestnej doprave.
MEMS 2005
Startupová spoločnosť Bosch Sensortec bola založená za účelom získania vedúceho postavenia na trhu MEMS v oblasti spotrebnej elektroniky. Keď sa Bosch v roku 2013 stal popredným výrobcom senzorov MEMS, najväčší nárast zaistila práve spoločnosť Bosch Sensortec .
MEMS 2008
Vedci spoločnosti Bosch Jiří Marek, Michael Offenberg a Frank Melzer získali Nemeckú cenu budúcnosti 2008 za svoj projekt „Inteligentné senzory dobývajú spotrebnú elektroniku, priemysel a medicínu“ a vďaka inovatívnym výrobným procesom v oblasti povrchovej mikromechaniky.
MEMS 2009
Prvé senzory vybavené integrovaným mikrokontrolórom (označeným zelenou farbou) spracovávajú signály pohybu samostatne a umožňujú tak automatickú detekciu určitých pohybov (automatic recognision of specific movements) pre funkcie, ako je poklepanie na prístroj (tap sensing – tap/double tap) alebo počítanie krokov (step counting).
MEMS 2016
Spoločnosť Bosch uvádza na trh najmenší 9osový senzor na svete pre spotrebiteľské aplikácie. Jeho extrémne nízka spotreba energie umožňuje dlhšie fungovanie zariadenia na batérie, a taktiež poskytuje nové funkcie, ako je detekcia polohy, kompas a počítanie krokov.
/

Priekopnícka inovácia

Tento príbeh ukazuje, ako si spoločnosť Bosch udržuje vedúce postavenie na trhu vo vysoko konkurenčnom sektore senzorov MEMS vďaka inováciám produktov a výrobných procesov. Ako jeden z mála svetových výrobcov dnes spoločnosť Bosch pokrýva celý hodnotový reťazec. Ten zahŕňa vývoj procesov MEMS, design senzorov, vyhodnocovacie obvody, balenie a postupy testovania, ako aj výrobu a predaj. Táto celková optimalizácia umožnila dosiahnutie vynikajúcej kvality, miniaturizáciu senzorov a viedla k ďalším prelomovým inováciám.

Celkom päť procesov povrchovej mikromechaniky vyvinutých spoločnosťou Bosch dnes tvorí základnú technológiu výroby MEMS. Jedným z míľnikov bol „proces APSM“ (Advanced Porous Silicon Membrane) pre tlakové senzory. Vytvára presne definovanú dutinu s vákuom pod monokryštalickou kremíkovou membránou - predpoklad pre vysoko presné, malé a lacné tlakové senzory.

Ako fungujú MEMS senzory?

MEMS Pressure sensor
Senzory spoločnosti Bosch sa skladajú zo základného telesa s tenkou kremíkovou membránou a pripojenou štruktúrou rezistorov. Sú citlivé na mechanickú deformáciu (expanzia/kompresia) - mení sa elektrické napätie a generuje meranú hodnotu úmernú tlaku.
MEMS Accelerometer sensor
V zobrazenom mikromechanickom prvku snímača spôsobuje zrýchlenie zmenu vzdialenosti medzi hrebeňovými štruktúrami. Výsledná zmena kapacity vytvára elektrický signál, ktorý je odoslaný do riadiacej jednotky, napríklad keď vozidlo prudko zastaví. Aktivovať airbag!
MEMS Yaw-rate sensor
V senzorovom prvku sú vonkajšie rámy nastavené tak, aby počas rotačného pohybu kmitali v opačných smeroch. Ak vozidlo mení smer jazdy, dôjde k vykloneniu časti vnútornej hrebeňovej štruktúry. Tým sa mení odstup hrebeňa a tým aj kapacita – čo iniciuje signály pre kontrolu stability ESP.
MEMS Geomagnetic sensor
Magnetické pole pôsobiace kolmo na smer prúdu vodiča vedúceho prúd generuje úbytok napätia, ktorý je takisto kolmý na smer prúdu a magnetického poľa a môže byť zmeraný. V smartfóne sa táto funkcia používa ako kompas.
/

Energetická účinnosť a bezpečnosť dát

Príbeh MEMS inováciou zďaleka nekončí. Po raste v oblasti senzorov pre automobilový priemysel a spotrebnú elektroniku sa v tretej vlne objavili ďalšie možnosti rozvoja vďaka prepojeniu senzorov prostredníctvom Internetu vecí (IoT).

Niektoré z týchto MEMS senzorov môžu spracovávať svoje dáta sami, a tým znižovať nielen prenos dát vo všetkých architektúrach systému, ale - pokiaľ sú napájané batériou - taktiež dobu prenosu a spotrebu energie. Dôsledok: Vyššia energetická účinnosť, menší prenos dát a - jedna z najdôležitejších výziev našej doby - vyššia bezpečnosť dát.

Viac ako 50 percent

Smartfónov na trhu je vybavených senzormi Bosch.

Kde fungujú MEMS senzory?

Mobilita

Mobilita

Cestné aplikácie

Mobilita

Senzory zrýchlenia MEMS používajú airbagy od 90. rokov minulého storočia, a preto sú neoddeliteľnou súčasťou dnešnej bezpečnosti vozidla. O niečo neskôr nasledoval senzor rýchlosti otáčania a umožnil zavedenie elektronickej regulácie stability (ESP®) na širokom fronte. S pomocou kontroly stability motocykla umožnili senzory MEMS aj uskutočňovanie ABS v zákrutách pre motocykle. V každom modernom automobile je dnes nainštalovaných až 50 snímačov MEMS vrátane tlakových snímačov, ktoré okrem iného zabezpečujú nízku spotrebu paliva a nízke emisie v systémoch riadenia motora. V budúcnosti bude automatizovaná jazda vyžadovať vysoko presné inerciálne senzory s bezprecedentnou stabilitou a presnosťou. Ďalšou oblasťou použitia do budúcnosti: bezpilotné lietadlá a letové taxíky.

Mobilita
Inteligentná domácnosť

Inteligentná domácnosť

Domáce aplikácie

Inteligentná domácnosť

MEMS senzory tvoria chrbticu inteligentných domov. Meria kvalitu vzduchu, zaisťujú správnu teplotu a rozpoznávajú, keď je otvorené okno, ktoré by sa malo skutočne zatvoriť. Slúžia ako ochrana proti vlámaniu, rozpoznávajú gestá a regulujú svetlo v závislosti od slnečného žiarenia. Svoju polohu neustále hlási automatický vysávač so snímačmi MEMS a integrovaný rádiový modul WiFi.

Inteligentná domácnosť
Zábava

Zábava

Applications for gaming fun

Zábava

MEMS senzory umožňujú videohry s rozpoznávaním gest, ale sú tiež rozhodujúce pre užívateľsky prívetivé využitie virtuálnej a rozšírenej reality (VR / AR). V prípade zariadení AR a najmä VR je dôležité, aby pohyb virtuálneho obrazu presne zodpovedal pohybu hlavy používateľa, čo predstavuje veľký problém pre senzorový systém. Dokonca aj malé odchýlky alebo driftové účinky môžu spôsobiť nevoľnosť, ktorá je známa ako efekt choroby z pohybu. Inteligentné senzory MEMS sú výzvou.

Zábava
Každodenné riadenie

Každodenné riadenie

Žiadosti na cestách

Každodenné riadenie

Vďaka senzorom MEMS vám osobný elektronický tréner fitness zaistí nielen to, že vstanete včas, ale aj synchronizujete so svojím prirodzeným biorytmom. Inteligentné fitnes odevy môžu zlepšiť účinnosť vášho tréningu meraním rýchlosti a spotreby kalórií. Senzory MEMS pomáhajú orientovať sa v meste a stabilizovať obraz, ak chcete fotografovať počas behu. Senzory MEMS sú dokonalým riešením na fotografovanie ostrých obrázkov pomocou hlavovej kamery, smartfónu alebo sondy v prípade potreby.

Každodenné riadenie
Priemysel

Priemysel

Obchodné aplikácie

Priemysel

Multisenzorové systémy sú rozhodujúcim základom úspechu aplikácií Industry 4.0. Inteligentné senzorové systémy sú čoraz viac vybavené nielen strojmi, ale aj výrobkami, aby každý výrobok mohol oznámiť svoj plán výstavby a stav výroby. Výroba sa na základe týchto stavových údajov do značnej miery organizuje a monitoruje, technické problémy sa rozpoznávajú včas, kontrolné kontroly sa vykonávajú automaticky. Senzory MEMS tiež pomáhajú lokalizovať tovar.

Priemysel
MEMS Work

Očakáva sa, že na uspokojenie dopytu v budúcnosti budú potrebné stovky miliárd komponentov MEMS. Okrem veľkého poľa IoT ide aj o automatizovanú jazdu, kde senzory MEMS umožňujú vozidlu vlastnú lokalizáciu bez senzorov prostredia alebo GPS. Fungujú len na základe informácií o zrýchlení a rýchlosti otáčania.

Redundantné systémy sú predpokladom bezpečnej automatizovanej jazdy a senzory MEMS sú opäť kľúčovými komponentami umožňujúcimi túto formu mobility. To platí aj pre rastúci trh s dronmi a v budúcnosti snáď aj pre autonómne lietajúce taxíky, ktorých ovládanie nie je bez senzorov MEMS možné.

Svet MEMS senzorov

MEMS 4 milion
Miláčik výroby: Bosch každý deň vyrobí viac ako 4 milióny senzorov MEMS pre riešenie mobility, automobilový priemysel a spotrebnú elektroniku.
MEMS 14 weeks
Bežec na dlhé trate: v zložitom výrobnom procese, ktorý trvá až 14 týždňov vznikajú tenké kruhové disky z kremíku. Bosch vyrába tisíce mikročipov, senzorové prvky MEMS, z takzvaného waferu.
MEMS 50000
Priestorový zázrak: na každý wafer s priemerom 20 cm sa zmestí až 50 000 mikročipov. Pre každý senzor MEMS je do puzdra spolu s vyhodnocovacím obvodom ASIC zabalený jeden čip.
MEMS 0.5
Čistota nadovšetko: pri výrobe waferov panujú podmienky čistého priestoru triedy 1. Len jedna častica s koncentráciou 0,5 µg môže byť prítomná ako nečistota v kubickej stope (približne 28 litrov) vzduchu. To zhruba zodpovedá veľkosti kôstky čerešne v Bodamskom jazere.
MEMS no1
Jednotka: Bosch je od roku 2013 popredným svetovým výrobcom senzorov MEMS.
MEMS 4 microns
Miniatúra: niektoré komponenty vo vnútri najmenších MEMS senzorov merajú 4 µm – desaťkrát menej než mravčia noha.
/

Umelá inteligencia (AI) taktiež stále viac preniká do týchto miniatúrnych senzorov. Senzory MEMS od spoločnosti Bosch sa teraz môžu učiť personalizované gestá, čo prináša novú úroveň vývoja pri práci so smartfónmi (napríklad pri vytváraní nových gest pre osoby so zdravotným postihnutím) alebo pri krokomeroch (prispôsobovanie sa individuálnym krokovým vzorom).

MEMS senzory a strojové učenie sa tak stávajú ďalšou kapitolou veľkého úspechu.  Oblasť použitia miniatúrnych produktov spoločnosti Bosch bude v budúcnosti aj naďalej rásť – na rozdiel od ich veľkosti.

Zdieľať toto na: