Mikro-Elektromechanik Zwei Milliarden MEMS-Sensoren von Bosch

Neuer Stückzahlrekord bei Bosch: Seit dem Produktionsstart vor 16 Jahren hat das Technologieunternehmen zwei Milliarden MEMS-Sensoren hergestellt (Micro-Electro-Mechanical Systems).

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Dauerte es zum Erreichen der ersten Milliarde noch 13 Jahre, wurde die Zwei-Milliarden-Marke kürzlich nach nur drei weiteren Jahren übersprungen. Und die Produktionsmengen wachsen weiter. Zuletzt wurden jährlich nahezu eine halbe Milliarde Stück erreicht, das sind pro Arbeitstag mehr als 1,3 Millionen.

MEMS-Sensoren für die Automobil- und Consumer-Elektronik

Damit führt Bosch mit deutlichem Vorsprung die Weltrangliste im Markt für MEMS-Sensoren an. Automobil- und Konsumelektronikindustrie sind die wichtigsten Abnehmer. Bosch bedient sie über den Geschäftsbereich Automotive Electronics und die Tochtergesellschaften Bosch Sensortec sowie Akustica.

Grundlagenforschung führte zum „Bosch-Prozess“

In Entwicklung und Produktion mikromechanischer Sensoren zählt Bosch zu den Unternehmen mit der längsten Erfahrung. Von Mitte der 80er Jahre an hatten Bosch-Forscher die Technologie der Volumen- und Oberflächen-Mikromechanik grundlegend erschlossen – in der Industrie wird deshalb einer der wesentlichen Bearbeitungsvorgänge „Bosch-Prozess“ genannt. Er ist der Schlüssel zur Großserienproduktion.

Preisgekrönte MEMS-Sensorik

Nach Produktionsbeginn im Jahr 1995 setzte bald der wirtschaftliche Erfolg ein. Die Forschungsleistungen wurden mit bedeutenden Auszeichnungen gewürdigt: 2007 mit dem Erfinderpreis des Europäischen Patentamtes, 2008 war es der Deutsche Zukunftspreis für Technik und Innovation des deutschen Bundespräsidenten.

Vielfältige Einsatzbereiche

MEMS-Sensoren von Bosch erfassen Messgrößen wie Druck, Beschleunigung, Drehrate und Durchflussmenge oder messen die Richtung der Erd-Magnetfeldlinien gleichermaßen präzise wie zuverlässig. Messwertaufnehmer sind Federn, Balken, Gewichte oder Membranen in mikroskopisch kleinen Abmessungen: Nur tausendstel Millimeter messen die ins Silizium-Substrat geätzten Strukturen. Weil die mikromechanische Sensorik nur schwache elektrische Signale hervorbringt, haben die Experten im Bauelementegehäuse neben dem Sensor oder teilweise sogar direkt auf demselben Chip meist noch eine Elektronik integriert. Sie verarbeitet die kleinen Signale, verstärkt sie oder wandelt sie in digitale Daten. MEMS-Sensoren können so Steuergeräte direkt mit Messwerten versorgen.

MEMS für die Automobiltechnik

Das erste Geschäftsfeld waren MEMS-Sensoren für die Automobilelektronik. Dort spielt die Miniaturisierung der Sensorik nur eine Nebenrolle. Hier zählen vor allem Zuverlässigkeit und Robustheit. Bosch Automotive Electronics hat heute mehrere hundert fahrzeugspezifische Varianten mikromechanischer Sensoren im Programm, die Automobile sauberer und sparsamer, sicherer und komfortabler machen. Jahr für Jahr wachsen die Variantenvielfalt und die Stückzahlen. In einem modernen Automobil sind bis zu 100 dieser Sensoren zu finden – Tendenz steigend. Sie sind beispielsweise die „Sinne“ für Einspritzsysteme in Benzin- und Dieselmotoren, sie lösen die Zündung der lebensrettenden Airbags aus oder sind maßgeblich für die Funktion des Schleuderschutzes ESP.

MEMS für mobile Consumer-Elektronik

In der Konsumelektronik machen MEMS-Sensoren Mobilgeräte wie Smartphones oder Laptops sicher, benutzerfreundlich und komfortabel. Die Ansprüche dieser Branche unterscheiden sich grundlegend von denen der Automobilindustrie: Handliche Geräte brauchen winzige Sensoren und lange Betriebszeiten setzen minimalen Stromverbrauch voraus – und letztlich: Diese Sensoren müssen kostengünstig sein, um sie millionenfach einsetzen zu können. Die kleinsten MEMS-Sensoren von Bosch Sensortec messen heute zwei Millimeter Kantenlänge und sind weniger als einen Millimeter hoch. im Stand-by sind sie so genügsam, dass sie gegenüber der Selbstentladung der Batterie nicht mehr ins Gewicht fallen.

MEMS-Drucksensoren messen Höhendifferenzen

In Navigationsgeräten und Handys mit Navigationsfunktion dienen MEMS-Drucksensoren zur sehr genauen Messung von Höhendifferenzen und damit zur Orientierung auch im Innern mehrstöckiger Gebäude. MEMS-Beschleunigungssensoren nutzen Handgesten zur komfortablen Gerätesteuerung, sie schalten Displays lageabhängig zwischen Quer- und Hochformat um, verhelfen Nutzern neuer Spielekonsolen zu beeindruckenden Erlebniswelten und verhindern Datenverluste auf Festplatten, wenn Notebooks herunter fallen.

MEMS-Magnetfeldsensor bestimmt die Himmelsrichtung

Jüngste Entwicklung ist ein dreiachsiger MEMS-Magnetfeldsensor, der aus der Messung des Erdmagnetfelds die Himmelsrichtung exakt bestimmt. Damit dieser Digitalkompass auch lageunabhängig genau misst, kompensiert ein mitintegrierter dreiachsiger MEMS-Beschleunigungssensor Schräglagefehler. Die Anwendungsmöglichkeiten dieser Sensorfusion gehen über den klassischen Kompass weit hinaus in Richtung „Augmented Reality“. So kann ein mit Digitalkompass ausgestattetes Smartphone bei einer Stadtbesichtigung situationsbezogen Informationen am Display anzeigen, je nachdem, auf welche Sehenswürdigkeit der Besucher mit seinem Mobiltelefon gerade zeigt.

MEMS-Mikrofone für Consumer-Anwendungen

MEMS-Mikrofone für Consumer-Anwendungen sind die Spezialität der Bosch-Tochtergesellschaft Akustica. Merkmale dieser wenige Millimeter großen Schallwandler sind ihre Unempfindlichkeit gegenüber Hochfrequenzsignalen und die Möglichkeit, sie zu Mikrofon-Arrays anzuordnen mit Rauschunterdrückung und steuerbarer Richtcharakteristik.

Die Entwicklung geht weiter

Das Entwicklungspotenzial im Consumer-Markt ist unverändert hoch, in den kommenden Jahren ist daher mit weiteren spektakulären Innovationen auf Basis von MEMS-Bauteilen zu rechnen.

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