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MEMS-Sensoren Feine Fühler vermessen die Welt

| Redakteur: Jan Vollmuth

MEMS-Sensoren sind die Sinnesorgane moderner mobiler Geräte. Bosch bringt mit diesen winzigen Hightech-Helfern Autos, Smartphones und anderen Elektronikgeräten das Fühlen bei.

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MEMS-Sensoren im Rasterelektronenmikroskop: Das Bild eines Rasterelektronenmikroskops (REM) zeigt die feinen geätzten Silizium-Strukturen eines Beschleunigungssensors von Bosch. Als Größenvergleich ist auf dem Chip zudem ein Insekt abgebildet. Die langen, diagonal durch das Bild laufenden Silizium-Strukturen messen die Beschleunigung. Sie sind rund 500 µm lang und nur etwa 3 µm dick. Ein µm ist der tausendste Teil eines Millimeters (0,001 mm). Die Fühler des Insekts sind rund 500 µm lang. Die Aufnahme ist nachträglich am Computer eingefärbt worden.
MEMS-Sensoren im Rasterelektronenmikroskop: Das Bild eines Rasterelektronenmikroskops (REM) zeigt die feinen geätzten Silizium-Strukturen eines Beschleunigungssensors von Bosch. Als Größenvergleich ist auf dem Chip zudem ein Insekt abgebildet. Die langen, diagonal durch das Bild laufenden Silizium-Strukturen messen die Beschleunigung. Sie sind rund 500 µm lang und nur etwa 3 µm dick. Ein µm ist der tausendste Teil eines Millimeters (0,001 mm). Die Fühler des Insekts sind rund 500 µm lang. Die Aufnahme ist nachträglich am Computer eingefärbt worden.
(Bild: Bosch)

Die zunächst aus der Automobilelektronik bekannten mikro-elektromechanischen Bauteile finden sich heute in Smartphones, Laptops, Tablet-Computern, Spielekonsolen oder Sportuhren. Viele neue Funktionen in Fahrzeugen und elektronischen Geräten sind nur dank dieser hochsensiblen Messinstrumente möglich – zum Beispiel das elektronische Stabilitätsprogramm ESP oder das Steuern von Smartphones durch Gesten statt Tippen.

Bosch bietet Sensoren für viele unterschiedliche Anwendungen in der Automobilindustrie und Konsumelektronik. Sie messen Druck, Beschleunigung, Drehbewegungen, Massenfluss und das Erdmagnetfeld.

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Bosch hat die MEMS-Technologie (Micro-Electro-Mechanical-Systems) von Beginn an geprägt und ist heute der umsatzstärkste Anbieter in dem äußerst dynamischen Markt der MEMS-Sensoren. Seit Produktionsstart 1995 hat Bosch mehr als drei Milliarden MEMS-Sensoren gefertigt. Die Produktionsmenge erreicht Jahr für Jahr neue Höchstwerte: Für die erste Milliarde benötigte Bosch noch 13 Jahre, für die zweite Milliarde drei Jahre. Die dritte Milliarde fertigte Bosch in nur noch 1,5 Jahren. Rund 600 Millionen Sensoren haben 2012 die moderne Chipfabrik in Reutlingen verlassen – das entspricht 2,4 Millionen pro Arbeitstag.

„MEMS-Sensoren sind aus der Automobil- und Konsumelektronik heute nicht mehr wegzudenken. Künftig werden Sie im Internet der Dinge und Dienste die Sinne von Systemen und Objekten sein“, sagt Klaus Meder, Vorsitzender des Bosch-Geschäftsbereich Automotive Electronics.

MEMS-Sensoren sind die kleinsten Produkte, die Bosch herstellt. Das erste Geschäftsfeld waren Sensoren für die Automobilelektronik. Seit 1995 baut Bosch die feinen Fühler für Fahrzeuge. So ist zum Beispiel das Herzstück des Elektronischen Stabilitäts-Programms ESP ein Drehratensensor, der Drehbewegungen des Autos um seine Hochachse erfasst. In einem modernen Fahrzeug stecken heute bis zu 50 MEMS-Sensoren.

Zu den Anforderungen in der Automobilindustrie zählen vor allem Zuverlässigkeit und Robustheit, denn hier haben die Sensoren eine direkte Auswirkung auf die Sicherheit von Verkehrsteilnehmern. Größe und Energieverbrauch spielen hier eine geringere Rolle. Genau darauf kommt es stärker in Smartphones oder Spielekonsolen an.

Baugröße sank im Laufe der Jahre auf ein Fünfzigstel

Aus diesem Grund hat Bosch die Baugröße der Sensoren im Laufe der Jahre auf ein Fünfzigstel reduziert. Die modernsten dieser Sensoren vereinen viele Funktionen in einem nur wenige Quadratmillimeter kleinen Gehäuse. Der Stromverbrauch konnte sogar um den Faktor 100 gesenkt werden. Bosch ist der einzige Anbieter auf dem Markt, der Sensoren-Typen für so viele unterschiedliche Anwendungen komplett selbst produziert.

Insgesamt besitzt Bosch weit mehr als 1000 Patente und Patentanmeldungen im Bereich der MEMS-Technologie und sichert damit seine Innovationskraft.

Um schnell und flexibel auf die Anforderungen des sehr dynamischen Konsumelektronik-Marktes reagieren zu können, gründete Bosch im Jahr 2005 Bosch Sensortec in Reutlingen. Erst kürzlich hat Bosch Sensortec mit dem BMX055 den weltweit ersten 9-Achsen-Sensor auf den Markt gebracht. Er misst die Beschleunigung, die Drehrate und das Erdmagnetfeld in allen 3 Raumrichtungen gleichzeitig. Daraus ergeben sich zahlreiche Anwendungsfelder: Der Sensor ist überall dort einsetzbar, wo die Lage und Position eines mobilen Gerätes im Raum, beziehungsweise seine Orientierung relativ zum Erdmagnetfeld, genau und auf kleinstem Raum bestimmt werden müssen.

Technischer Hintergrund der MEMS-Sensoren

In den Sensoren schaffen Ingenieure feinste Strukturen aus Silizium, die sich bei der Bewegung des Gehäuses um Bruchteile eines Tausendstelmillimeters verschieben. Dabei ändern sich die elektrischen Eigenschaften. Diese lassen sich messen und in einen Datenstrom wandeln. Der zeigt dann zum Beispiel einem Handy, in welcher Lage es sich befindet.

Die Dimensionen, in denen die Bosch-Ingenieure dabei arbeiten, sind winzig: Ein menschliches Haar hat einen Durchmesser von 70 Tausendstelmillimeter (70 Mikrometer). Manche Komponenten messen nur noch 4 Mikrometer – 17 Mal weniger als ein Haar.

Weil die mikromechanische Sensorik nur schwache elektrische Signale hervorbringt, haben die Entwickler im Bauelemente-Gehäuse neben dem Sensor – oder teilweise sogar direkt auf demselben Chip – noch eine Elektronik integriert. Sie verarbeitet die kleinen Signale, verstärkt und wandelt sie in digitale Daten. MEMS-Sensoren können so Steuergeräte direkt mit Messwerten versorgen.

Bald werden die feinen Fühler noch viel mehr können: dann stecken sie in Kleidung und zählen den Herzschlag, dienen als mobile Wetterstationen, die den CO2-Gehalt der Luft messen, und registrieren die typische Bewegung, wenn Nutzer das Handy in die Hosentasche stecken – um dann das Display abzuschalten. (jv)

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