Mikromechanische (MEMS) Sensoren

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Mikromechanische (MEMS) Sensoren:
Technologie, Anwendungen und Trends im Automobil- und Consumerbereich
Dr. Stefan Pintér
Robert Bosch GmbH
Automotive Electronics
1
Marketing | 06.11.2012 | Vortrag @ SCHOTT-Technologietag, Grünenplan | © Robert Bosch GmbH 2012. All rights reserved, also regarding any
disposal, exploitation, reproduction, editing, distribution, as well as in the event of applications for industrial property rights.
Inhalt
Vorstellung

Mikromechanische Sensoren

Einführung

Herstellung

Produktüberblick und Funktion
Anwendungen und Märkte

Marktübersicht

Applikationsbeispiele - KFZ und CE

Ausblick
2
Inhalt
Vorstellung


Einführung

Herstellung


Übersicht


Ausblick
3
Die Bosch Gruppe 2011
Industrie
Kraftfahrzeug
Consumer & Gebäude
Bosch Solar Energy
9 Geschäftsbereiche
BSH - Bosch-Siemens Hg.
Autom. Aftermarket (AA)
Automotive Elektronics (AE)
Car Multimedia (CM)
Chassis Systems (CC)
Gasoline-, Diesel Systems (GS, DS)
Electrical Drives (ED)
Startes, Generators (SG)
Haushaltsgeräte
Bosch Rexroth
Antriebs-/Regelungstechnik
Bosch Packaging
g g Tech.
(Verpackungstechnologie)
Power Tools
Bosch Thermotechnik
(Buderus, Junkers)
Bosch Sicherheitssysteme
285 Standorte - 303 200 Mitarbeiter - 51,4
51 4 Mrd Euro Umsatz
4
Übersicht AE Produkte
Automotive market
AE Produkte
Multimarket
Steuergeräte
Mechatronik
Sicher
MEMS Sensorik
Consumer
eBike
Sparsam
Halbleiter
Komfortabel
Photovoltaik
MEMS: Micro-electromechanical systems
5
Standort Reutlingen
Test Zentrum
150, 200 mm
MEMS fab
und Entwicklung
Sensorfertigung back-end
Qualitätssicherung
200 mm wafer fab
150 mm wafer fab
BCD4, 4s, 6, 6sCu
Advanced CMOS, HVCMOS
Pressure + Inertial sensors
Process ≥ 0.18 μm, 800 W/d
BCD1, 2, 3, 3s, 4, 4s
CMOS, Bipolar, PSC bipolar, MOS
Pressure + Inertial sensors, sensors
Process: ≥ 0.5 μm, 1500 W/d
6
Inhalt
Vorstellung


Einführung

Herstellung


Marktübersicht


Ausblick
7
Überall MEMS Sensoren...
~78%
~90%
~28%
~25%
aller
ll Neufahrzeuge
f h
nutzen MEMS
Drucksensoren für
die Motorsteuerung
aller
ll Airbagsysteme
b
verwenden MEMS
Beschleunigungs-Beschleunigungs
sensoren
aller
ll neuen Handys
d
haben einen MEMS
Beschleunigungs-Beschleunigungs
sensor eingebaut
aller
ll neuen
Digitalkameras
nutzen MEMS
Drehratensensoren
8
MEMS Technologie
„MEMS“ = „Micro-Electro-Mechanical System“
(Systeme mit mechanischen Strukturen im Mikrometerbereich und
elektronischen Strukturen, vereint auf einem Substrat oder Chip)
mikromechanisches
Sensorelement
ASIC
50 μm
Bsp: Drehratensensor
9
Vorteile MEMS
MEMS-Technologie
Technologie
Kostensenkung
Weniger Bauelemente
 Batchfertigung
B t hf ti

Größe
und Gewicht
 Extrem kompakt
 Hoch integrierbar
Zuverlässigkeit
Weniger Stecker und Kabel
 Weniger Bauelemente

Weitere
Funktionen
 Integrierbare Selbsttests
 Genauigkeitsprüfung
10
Kerntechnologien
Basistechnologie bilden 5 von Bosch entwickelte Prozesse:
Dünne
bis dicke Epi
Epi-poly-Abscheidung
poly Abscheidung
 Gute mechanische Eigenschaften
 Hohe Kapazitäten
Tiefentrench
(
(DRIE
- „„Bosch-Prozess“))
 Ätzen der Strukturen (SF6  C4F8)
 Hohes Aspektverhältnis >> 10:1
Opferschichtätzen
(Gasphasenätzen)
 Ätzen
Ä
von SiO2, SiGe oder poly-Si mit ClF3
 Frei bewegliche Strukturen
Dünnschichtkappen
oder Waferbonden
 Anodisch
Seal-Glas
A di h oder
d S
l Gl
 Partikelschutz und Vakuum
APSM-Prozess
auf Basis von porösem Si
 Präzise Kavernen in Silizium
11
MEMS Kerntechnologien

Abscheiden extrem dicker poly-Si Sichten („epi-poly“)
Epi-Poly
Epi-Poly
Oxid
Oxide
Silicon
Silicon


Maßgeschneiderte Schichtdicken
Hohe Kapazitäten bei gleicher Grundfläche erzielbar
12

Präzises und schnelles Ätzen von Strukturen („Bosch-Prozess“)

Schlüsselprozess für Mikromechanik weltweit
13

Gasphasenätzen zur Erzeugung beweglicher Strukturen

Auflösen der Opferschichten durch HF oder ClF3
Freisetzen der mikromechanischen Strukturen

14

Wafer-Kappe zur hermetischen Abdichtung der MEMS
f cap
wafer
accelerometer

Konstruktion kompakter Sensorelemente
15
MEMS-Kerntechnologien
MEMS Kerntechnologien – KOH-Ätzen
KOH Ätzen
IC-Prozessierung
Si
Rückseitenbearbeitung
Anisotropes Ätzen (KOH)
Si
Anodisches Waferbonden
Si
U
Glas
400 °C
C
16
Marketing | 21.03.2012 | Vortrag @ Universität Ulm - Hochschulvortragsreihe 2012 | © Robert Bosch GmbH 2012. All rights reserved, also
regarding any disposal, exploitation, reproduction, editing, distribution, as well as in the event of applications for industrial property rights.
MEMS Kerntechnologie – OMM
Beispiel: Drehratensensor für ESP®
17
Kerntechnologien, durch die...

kleinste, smarte und innovative Sensoren erst möglich werden!
ca 10 Jahren,
Jahren heute und morgen
Sensoren vor ca.
...und noch kleiner:
6 Triax BSSensoren
Drehratensensoren
Beschleunigungssensoren
18
Multiaxiale
Inertialsensoren
AE MEMS Produktportfolio
Acceleration
sensors
Angular rate
sensors
Combined
inertial sensors
Pressure
sensors
Mass flow
sensors
Central/peripheral
acceleration sensor
for occupant protection
Rollover sensor
for occupant protection
Combined inertial
sensor
(yaw rate and
acceleration sensor) for
VDC
Low pressure sensor
for engine control
Mass flow sensor
for engine management
Mid-pressure sensor
for transmission
control
Low-g acceleration
sensors
for VDC, RoSe and
active suspension
Yaw rate sensor
for VDC
Pressure sensor
for occupant
protection
High pressure sensor
for engine and brake
systems
19
Inhalt
Vorstellung


Einführung

Herstellung


Marktübersicht


Ausblick
20
Marktentwicklung MEMS
C
Consumer Electronics
l
i
DLPChips
Automobil
Tintenstrahldrucker
erste Anwendungen
1980
1990
2000
21
2010
Marktvolumen nach Anwendergruppe
Weltmarkt MEMS Sensoren
14
Military & Civil Aerospace
12
Milliaarden US$
Medical Electronics
~11% p.a.
10
Wired communications
8
Industry
6
~30%
Data processing
Automotive
4
~38%
2
Mobile and Consumer
Electronics
0
2010 2011 2012 2013 2014 2015
Quelle: iSuppli 2010
22
MEMS-Sensoren
MEMS
Sensoren im Automobil
z.B.: Mercedes A-Klasse: 60 – 95 Sensoren
b
d Antrieb
i b
Motor, Abgas
und
22 … 35 Sensoren
Benzin:
22 Sensoren
T rbo
Turbo:
+1 Sensor
Diesel:
+2 Sensoren
Getriebe: +10 Sensoren
Schutz und Komfort
5...27 Sensoren
S d d
Standard:
5 Sensoren
S
Klima:
+8 Sensoren
Extras:
+14 Sensoren
Fahrwerk und Sicherheit
33 Sensoren
F h
Fahrwerk:
k
21 Sensoren
S
Sicherheit: 12 Sensoren
23
Fußgängerschutzsysteme
Electronic Pedestrian Protection System (EPP)

Erkennt und unterscheidet eine Kollision mit
einem Fußgänger oder anderen Objekten

Triggert Sicherheitseinrichtung wie z.B. das
Anheben der Motorhaube durch Aktoren

Beschleunigungssensoren im Stoßfänger
liefern Crash-Signale
VDA-Test Anforderungen an System
“no fire” Objekte
“can fire” Objekte
24
“must fire” Objekte
Sensor Fusion

ESP Sensorsignale stehen weiteren Systemen zur Verfügung
ESP
Navigation
g
Adaptive Cruise Control (ACC)
Hill Hold Control (HHC)
Active Steering
…
weitere Assistenzfunktionen
25
Marketing | 06.11.2012 | Vortrag @ SCHOTT-Technologietag, Grünenplan | © Robert Bosch GmbH 2012. All rights reserved, also regarding
any disposal, exploitation, reproduction, editing, distribution, as well as in the event of applications for industrial property rights.
Consumer Elektronik

MEMS Sensorik - Applikationen
im Consumer
Cons mer Bereich

Mobile Phones

Media Player

Laptops / PC

Altimeter

Pedometer

uvm.
Bildquellen: Internet
Magnetfeld
f ld
Beschleunigung
hl
i
Drucksensoren
k
Drehrate
h
26
Marketing | 06.11.2012 | Vortrag @ SCHOTT-Technologietag, Grünenplan | © Robert Bosch GmbH 2012. All rights reserved, also regarding
any disposal, exploitation, reproduction, editing, distribution, as well as in the event of applications for industrial property rights.
Mikrophone
ik h
Smarte Sensoren
Anforderungen an MEMS-Sensoren
MEMS Sensoren
Automotive-Anwendungen
1. hohe Funktionsanforderungen
( h Genauigkeit,
(Hohe
k
Selbstüberwachung & -test)
Consumer-Anwendungen
1. günstig
(
(<<1
EUR im Hochvolumen)
h l
)
2. hohe Zuverlässigkeit/Qualität
g
/
(15 Jahre, < 1 ppm, extreme
Umweltbedingungen)
2. klein
(~ 2 x 2 x 0,9 mm³)
3 günstig
3.
(< 3 EUR)
3 sehr geringer Stromverbrauch
3.
(<< 125 μA)
27
Marketing | Juli 2011 | © Robert Bosch GmbH 2011. Alle Rechte vorbehalten, auch bzgl. jeder Verfügung, Verwertung, Reproduktion,
Bearbeitung, Weitergabe sowie für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen.
Mobile Phones und tragbare Media Player
User interface
 Tap control
 Gaming input
 Menu navigation
Motion detection
 Step counting
 Activity monitoring
 Power management
Position detection
 Upside down
 Portrait / landscape
 Freisprechen
Pedestrian navigation
 Bestimmen von Geschwindigkeit
Distanz und Höhe
bhä i Dienstleistungen
i
l i
 Ortsabhängige
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Weitere Einsatzmöglichkeiten
Sicherheit
z.B. Einbruch, wake-up für
f Sicherheitseinrichtungen
Haushaltsgeräte
Detektion von Wasserstand, Vibration, Schlag,...
Industrie
Neigung, Positionierung, Fallerkennung,...
Logistik
Datenlogger für die “Intelligente Pallete”
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Ausblick: Neue Anwendungen
MEMS Autofokus
im Mobile Phone
Energy harvester
machen Laden überflüssig
FIR Sensoren
für Kfz-Nachtsichtgeräte
oder
d Industrieanwendungen
I d ti
d
Source: Siimpel
Source: IMEC
Micro fuel cell
für mobile Geräte
Micromirror
für Mikroprojektoren
MEMS Microphone in
Consumer Electronics
Source: Microvision
Source: STM, CEA
30
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!
31

Mikromechanische (MEMS) Sensoren

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