Małe wielkie czujniki: MEMS od Bosch
Czujniki MEMS: niewielkie, ale niezwykle czułe sensory. Pracują w tle technologii, z których korzystamy każdego dnia. Rejestrują nawet najmniejsze ruchy czy zmiany, choć same pozostają niemal niewidoczne. Bez nich współczesny świat byłby mniej komfortowy, mniej bezpieczny i znacznie bardziej skomplikowany. Mikrosensory są dziś obecne niemal wszędzie. Znajdziemy je w smartfonach, poduszkach powietrznych w samochodach, systemach wspomagania kierowcy, czy rozrusznikach serca. Właśnie dzięki nim te urządzenia działają precyzyjnie, szybko i niezawodnie.
MEMS potrafią przekształcać zmiany mechaniczne, magnetyczne, a nawet chemiczne w sygnały elektryczne. Są jak zmysły – odbierają bodźce z otoczenia i reagują na nie.
W przeciwieństwie do człowieka, który rodzi się z naturalnym systemem percepcji, MEMS są dziełem inżynierii. Precyzyjnie zaprojektowane i dostosowane do masowej produkcji, aby mogły znaleźć zastosowanie w różnorodnych dziedzinach technologii.
Struktury mniejsze od włosa
Dla większości użytkowników akcelerometr czy czujnik prędkości kątowej to enigmatyczne pojęcia, choć działają one w tle wielu rozwiązań.
Przykład? W samochodzie, podczas nagłego hamowania, przesunięcie tych struktur uruchamia reakcję – czujnik wysyła sygnał, a system aktywuje poduszkę powietrzną w ułamku sekundy. W urządzeniach mobilnych te same zasady działania pozwalają ekranowi automatycznie dostosować wyświetlaną treść do pionowego lub poziomego położenia telefonu czy tabletu.
Konstrukcja tych czujników opiera się na mikroskopijnych strukturach – czasem płaskich, jednowarstwowych, a czasem trójwymiarowych, o skomplikowanej geometrii. Kluczowym elementem są tzw. „grzebienie” – ruchome i nieruchome fragmenty układu, które poruszają się w różnych kierunkach, w zależności od przeznaczenia czujnika.
Niezależnie od zastosowania, podstawowa zasada pozostaje niezmienna: ruchome elementy reagują na zmiany otoczenia, a czujnik przetwarza je na sygnał elektryczny, który wyzwala określoną reakcję. To właśnie ta czułość i niezawodność sprawiają, że MEMS są tak istotnym komponentem współczesnej technologii.
Niewidoczne serce nowoczesnych technologii
Pierwsze MEMS-y Boscha trafiły na rynek w 1995 roku jako czujniki ciśnienia dla motoryzacji. Wkrótce pojawiły się też sensory dla poduszek powietrznych, a następnie – dla systemu ESP®. Dziś trudno znaleźć nowoczesne auto bez tej technologii. Statystycznie każdy nowy pojazd zawiera pięć czujników MEMS wyprodukowanych przez Bosch.
Z biegiem czasu te miniaturowe komponenty znalazły zastosowanie nie tylko w samochodach, lecz także w elektronice konsumenckiej, sprzęcie AGD, urządzeniach sportowych i medycznych. Stały się fundamentem internetu rzeczy (IoT) – bez nich wizja inteligentnych, połączonych urządzeń nie mogłaby się urzeczywistnić.
Choć mierzą zaledwie ułamki milimetra, czujniki MEMS są wyjątkowo odporne. Muszą przetrwać lata intensywnej eksploatacji i surowe warunki produkcyjne. Bosch jako jeden z liderów w tej dziedzinie, wyprodukowała już ponad 15 miliardów sensorów. Kontrolując cały proces: od opracowania technologii, przez projektowanie i testy, aż po pakowanie i sprzedaż, firma posiada unikalną wiedzę i doświadczenie w tworzeniu jednej z kluczowych technologii XXI wieku. Technologii, która – choć często niezauważalna – każdego dnia czyni nasze życie prostszym, bezpieczniejszym i bardziej inteligentnym.
Przełom w mikroskali
Masowa produkcja MEMS to jeden z największych sukcesów współczesnej inżynierii. Jeszcze w latach 90. wydawało się to prawie niemożliwe. Przełom nastąpił, gdy zespół badaczy z Bosch opracował technologię tworzenia ruchomych struktur wewnątrz krzemu. Kluczowe było nie tylko ich działanie, ale też możliwość szybkiej, precyzyjnej i masowej produkcji.
W 1995 roku w Reutlingen uruchomiono pierwszą przemysłową linię produkcyjną, która zmieniła sposób wytwarzania trójwymiarowych struktur MEMS. Choć zautomatyzowany, proces ten pozostaje niezwykle złożony – obejmuje cztery główne etapy i setki precyzyjnych operacji, rozciągających się na wiele tygodni. Bazą są ultracienkie krążki krzemowe, w których, dzięki trawieniu i nakładaniu kolejnych warstw, tworzone są struktury o głębokości liczonej w setkach mikrometrów, często cieńsze niż ludzki włos.
Produkcja odbywa się w niezwykle sterylnych warunkach. Najmniejszy pyłek może uszkodzić delikatny układ. Krzem, wybrany nieprzypadkowo, łączy w sobie trwałość, sprężystość i dostępność - jest podstawowym składnikiem piasku. Bosch miał już bogate doświadczenie z tym materiałem dzięki wcześniejszej pracy nad układami scalonymi. Postęp technologiczny był ogromny. Na jednym 6-calowym krążku mieści się około 6 tysięcy chipów, a od 2010 roku – dzięki wprowadzeniu 8-calowych wafli – liczba ta wzrosła nawet do 50 tysięcy.
Tak zwany „proces Boscha” umożliwia produkcję MEMS na skalę masową, przy zachowaniu wysokiej precyzji, niskiego zużycia energii i powtarzalnej jakości.