Samochodowe czujniki MEMS. Zarządzanie silnikiem Bezpieczeństwo użytkowników Sterowanie podwoziem Dr. Peter Ernst. Samochodowe czujniki MEMS

Transkrypt

1 Czujniki MEMS dziś i jutro Plan prezentacji Przegląd produktów MEMS dla zastosowań motoryzacyjnych Zarządzanie silnikiem Bezpieczeństwo użytkowników Sterowanie podwoziem Dr. Peter Ernst Robert Bosch GmbH dla elektroniki powszechnego użytku 1 2 Czujniki MEMS dla zastosowań motoryzacyjnych Czujniki inercyjne Czujniki Gyroskopy (detekcja dachowania, nawigacja) MAP (ciśnienie powietrza w kolektorze dolotowym) Akcelerometry (poduszki gazowe, ESP) BAP (ECU silnika) Czujniki szybkości odchylania (dla systemów ESP) Wysokie (Common Rail, GDI, hamulce) Rynek całkowita (wszyscy producenci) sprzedaż samochodowych czujników MEMS Miliony Euro 2000 Razem Inne Gyroskopy Akcelerometry Czujniki mediów + wagi ibolt (waga pasażera) Sterowanie klimatyzacją CO 2 Stan oleju Wielkość produkcji w 2006r.: ponad 130 milionów czujników 0 Przepływomierze masy powietrza Czujniki Źródło: Bosch 3 4 Bosch MEMS: wielkość produkcji Słupy milowe technologii czujników MEMS (1/2) Wielkość produkcji (miliony sztuk) Czujnik bocznej Czujnik Przepływomierz poduszki gazowej (1-szej generacji) masy powietrza (1-szej generacji) Moduł czujnika przyspieszenia poduszki Gyroskop ESP gazowej (1-szej generacji) (1-szej generacji) 2000 Czujnik czołowej poduszki gazowej 5 6 1

2 Słupy milowe technologii czujników MEMS (2/2) Bosch: lider rynku czujników MEMS Gyroskop detekcji dachowania (1-szej generacji) 2001 Czujnik wysokiego (1-szej generacji) Moduł czujnika przyspieszenia poduszki gazowej (2-giej generacji) 2002 BAP ((2-giej generacji) 7 Czujnik wysokiego TRIAX Czujnik (2-giej generacji) przyspieszenia Peryferyjny czujnik Gyroskop ESP przyspieszenia (2-giej generacji) (3-ciej generacji) ibolt Czujnik wagi pasażera 2006 Wartość sprzedaży w 2005 [mln.$] największych producentów czujników MEMS Wielkość produkcji firmy BOSCH do końca 2005 (zakumulowana): 250 mln. czujników przyspieszenia 170 mln. czujników 0 Robert Bosch BEI Technologies Freescale Denso Analog Devices GE Infrastructure Sensing Omron Honeywell Delphi Delco Infineon (Sensonor) VTI Motorola Automotive 25 mln. gyroskopów 60 mln. przepływomierzy masowych Σ = 505 mln. sztuk Wykres źródłowy: YOLE estimation 5/2006 TOP 30 MEMS Manufacturer 7 8 Plan prezentacji Przegląd produktów MEMS safe clean economical bezpieczne czyste ekonomiczne 9 dla zastosowań motoryzacyjnych Zarządzanie silnikiem Bezpieczeństwo użytkowników Sterowanie podwoziem dla elektroniki powszechnego użytku Czujniki do zarządzania silnikiem i kontroli spalin 10 - wstawka Dzisiejsza perspektywa przemysłu motoryzacyjnego Bezpieczne, czyste, ekonomiczne: to dzisiejsza perspektywa rozwoju systemów samochodowych. Ten trend jest wspomagany przez elektronicznie sterowane systemy podwozia, zarządzania napędem oraz wspomagania i informacji. Wszystkie te systemy silnie zależą od informacji wejściowych z czujników, z których coraz więcej jest produkowane technologiami MEMS. Zoptymalizowane systemy Diesela Common Rail Engine Management ECU Manifold Air Intake Dr. Peter Ernst, BOSCH: Automotive applications and beyond, Robert Bosch GmbH September 2006 Robert Bosch GmbH reserves all rights even in the event of industrial property rights. We reserve all rights of disposal such as copying and passing on to third parties. 2

3 Zoptymalizowane systemy Diesela Czujniki barometrycznego Barometric Pressure Air Mass Flow Common Rail Pressure Manifold Pressure 13 September 2006 Robert Bosch GmbH reserves all rights even in the event of industrial property rights. We reserve all rights of disposal such as copying and passing on to third parties. 14 Czujniki barometrycznego wstawka Februar 2007 Robert Bosch GmbH reserves all rights even in the event of industrial property rights. We reserve all rights of disposal such as copying and passing on to third parties. Czujnik : zasada działania Płytka czujnika Membrana Połączenia Bonds Odniesienie próżnia MetalObudowa housing metalowa Podstawka szklana Wejście mierzonego Czujnik opracowana technologia Czujnik - mikroobróbka objętościowa Płytka czujnika Membrana Procesy mikroelektroniczne Połączenia Bonds Tübingen Odniesienie próżnia Proces anizotropowego trawienia (KOH) od spodu MetalObudowa housing metalowa Podstawka szklana Anodowy bonding płytek U Szkło Wejście mierzonego 400 C

4 Czujniki : nowe podejście Szkło Mikroobróbka objętościowa monokrystaliczne membrany bonding płytek długie czasy trawienia (cała grubość płytki!) Proces APSM firmy Bosch nowa technologia czujników Nowe podejście: mikroobróbka powierzchniowa monokrystaliczne membrany kompatybilne z CMOS pomiar piezorezystancyjny brak bondingu płytek, tylko krzem Proces APSM firmy BOSCH Proces APSM firmy BOSCH Wzrost warstwy epi Wzrost warstwy epi Anodyzacja Anodyzacja Technologia APSM Technologia APSM Advanced Porous licon Membrane Wygrzewanie Advanced Porous licon Membrane Wygrzewanie Zalety technologii APSM Nowa technika mikroobróbki powierzchniowej Zmniejszone wymiary: brak bondingu Wytwarzanie membran z monokrystalicznego Pełna elastyczność wielkości i kształtu membrany Proces kompatybilny z CMOS Duża synergia MEMS i ASIC Brak odczynników trudnych w fabryce CMOS Proces w pełni zintegrowany w ciąg procesów wytwarzania płytek CMOS Zintegrowany czujnik safe bezpieczne clean czyste economical ekonomiczne Czujniki systemu bezpieczeństwa użytkowników

5 Czujniki poduszek gazowych - wstawka Czujniki dla poduszek gazowych-/systemów informowania kierowcy Czujnik wagi użytkownika Peryferyjny czujnik przyspieszenia (boczny) Peryferyjny czujnik przyspieszenia (przedni) Peryferyjny czujnik (boczny) 25 Czujnik radarowy dla Adaptacyjnego Sterowania Jazdą (Adaptive Cruise Control) Czujnik ultradźwiękowy dla Systemu Parkowania (Parking Aid Systems) 26 Czujnik stanu oleju Czujnik sterowania klimatyzacją Czujnik przyspieszenia (centralny) 27 Peryferyjne czujniki przyspieszenia 28 Kamienie milowe technologii obudów akcelerometrów Hybrydowy piezoelektryczny Obudowa metalowa 1997 Krzemowy EMS pojemnościowy PLCC Krzemowy MEMS pojemnościowy SOIC16w 2006 Krzemowy MEMS pojemnościowy SOIC1xn 2006 Krzemowy MEMS pojemnościowy <6x6 QFN/BST Motocykle też otrzymały poduszki gazowe! Technologia mikroobróbki krzemu Historia Zalety wprowadzona w połowie lat 90-tych jako technologia destrukcyjna szybko stała się technologią wiodącą (do ~ 2000) technologia krzemu umożliwia stosowanie std. obudów SMD małe wymiary zredukowane koszty produkcji i są one z czujnikami MEMS firmy Bosch

6 Mikroobróbka powierzchniowa DRIE Proces firmy BOSCH Reaktywne trawienie jonowe głębokich rowków w krzemie Pozycjonowanie przykrywki krzemowej dla ochrony mikrostruktury NałoŜenie i ukształtowanie warstwy ofiarnej NałoŜenie i ukształtowanie polikrzemu Naprzemienne cykle trawienia - (SF6) i pasywacji (C4F8) DuŜe współczynniki kształtu ( >> 10:1 ) DuŜa anizotropowość (podtrawienia <<2% głębokości trawienia) Usunięcie warstwy ofiarnej 31 DuŜe szybkości trawienia 32 safe clean economical Badania efektywności ESP w redukcji liczby wypadków bezpieczne czyste ekonomiczne Toyota, 05/03 - powaŝne wypadki - 50% ESP zwiększa LAB (Renault/PSA), 09/04 bezpieczeństwo- wypadki * Renault Laguna - 44% Insurance Institute for Highway Safety, Chrysler, 05/04 10/04 na drogach Daimler - wypadki * Mercedes-Benz - 42% - wypadki * samochody osobowe - 41 % National Highway Traffic Safety Administration, 09/04 - wypadki * samochody osobowe - 35% - wypadki * SUV - 67% Czujniki dla systemów kontroli podwozia (ESP ) - wypadki śmiertelne* samochody osobowe - 56 % 33 University of IOWA, 03/04 - liczba kierowców zachowujących kontrolę nad pojazdem + 34 % Volkswagen, 02/04 - ofiary śmiertelne - 35% Ford, 09/04 - wypadki - 35% Konsekwencja: NHTSA rozpoczęła inicjatywę legislacyjną Swedish National Road Administration, wypadki - 22% Systemy podwozia 34 * Wypadki pojedynczych pojazdów CS/MKP2 September 2006 Robert Bosch GmbH reserves all rights even in the event of industrial property rights. We reserve all rights of System ESP zasada działania Podsterowność Nadsterowność ESP ESP hamuje hamuje wewnętrzne wewnętrzne tylne tylne koło koło (czerwone) (czerwone) ESP ESP hamuje hamuje zewnętrzne zewnętrzne przednie przednie koło koło (czerwone) (czerwone) Nowy mikromechaniczny czujnik szybkości odchylania dla Electronic Stability Program Czujnik szybkości kątowej: zakres: ± 100 /s rozdzielczość: ~ 0.1 /s ESP siła hamująca Moment obracający AE/EAC Februar 2007 Robert Bosch GmbH reserves all rights even in the event of industrial property rights. We reserve all rights of 6

7 37 Czujnik szybkości odchylania MM3 Właściwości koncepcja modułowa indywidualnie obudowane moduły czujników odpowiednie dla integracji w systemie ECU wykonane mikroobróbką powierzchniową krzemu pojemnościowy napęd i odczyt nie potrzebny wewnętrzny tłumik SOP 2005 (w produkcji) Systematic Operating Procedures dostarczone 12 klientom (26 projektów) w 2005 Korzyści dla klienta rozszerzalny klaster czujników dla zastosowań międzysystemowych OEM functions wysoka dokładność / niskie szumy, czysto cyfrowe przetwarzanie sygnałów odporność na interferencje zewnętrzne (EMI, udary, ) interfejs CAN, duża szybkość odświeżania sygnału 38 Plan prezentacji Przegląd produktów MEMS dla zastosowań motoryzacyjnych Zarządzanie silnikiem Bezpieczeństwo użytkowników Sterowanie podwoziem dla elektroniki powszechnego użytku Czujniki MEMS dla urządzeń powszechnego uŝytku Bosch Sensortec Czujniki MEMS dla urządzeń powszechnego uŝytku Obszary zastosowań Rodzina produktów Detekcja swobodnego spadania Interfejs użytkownika wysokościomierz (ciśnienie powietrza) Context Awareness Akcelerometr Bosch Sensortec, Reutlingen Ciśnienie Bosch sensor fab, Reutlingen 39 Bosch Sensortec Marketing September 2006 Robert Bosch GmbH reserves all rights even in the event of industrial property rights. We reserve all rights of Sales Bosch Sensortec September 2006 Robert Bosch GmbH reserves all rights even in the event of industrial property rights. We reserve 40 all rights of Czujniki MEMS dla urządzeń powszechnego uŝytku SMD500 najmniejszy na świecie cyfrowy czujnik! Właściwości SMD500 Pomiar Zakres Rozdzielczość Dokładność Pobór mocy Czas przetwarzania Temperatura pracy Obudowa Interfejs Próba nad Ciśnienie absolutne, temperatura otoczenia hpa ( m -500 m nad poziomem morza) 0.05 hpa (0.4m) tryb standard, 0.03 hpa (0.2m) tryb wysokiej rozdzielczości +/- 2.5 hpa maksimum, +/- 0.7 hpa typowo dla pełnego zakresu ciśnień i zakresu temperatury C 5 µa 1Hz odświeżania (10µA tryb wys. rozdz.), 0.1 µa czuwanie Hz (CLK) dla -40 C +85 C LCC8 (5 x 5 x 1.6 mm³), RoHS kompatybilne, Pb free I²C 5000 hpa Czujniki MEMS dla urządzeń powszechnego uŝytku SMD500 najmniejszy na świecie cyfrowy czujnik! Właściwości SMD500 Pomiar Zakres Rozdzielczość Dokładność Pobór mocy Czas przetwarzania Temperatura pracy Obudowa Interfejs Próba nad Ciśnienie absolutne, temperatura otoczenia hpa ( m -500 m nad poziomem morza) 0.05 hpa (0.4m) tryb standard, 0.03 hpa (0.2m) tryb wysokiej rozdzielczości +/- 2.5 hpa maksimum, +/- 0.7 hpa typowo dla pełnego zakresu ciśnień i zakresu temperatury C 5 µa 1Hz odświeżania (10µA tryb wys. rozdz.), 0.1 µa czuwanie Hz (CLK) dla -40 C +85 C LCC8 (5 x 5 x 1.6 mm³), RoHS kompatybilne, Pb free I²C 5000 hpa 41 Sales Bosch Sensortec September 2006 Robert Bosch GmbH reserves all rights even in the event of industrial property rights. We reserve all rights of 42 Sales Bosch Sensortec September 2006 Robert Bosch GmbH reserves all rights even in the event of industrial property rights. We reserve all rights of 7

8 Automotive Electronics Sensor Supplier Podsumowanie Technologia MEMS jest dziś dobrze ugruntowaną technologią w motoryzacji. Klucz do dalszego rozszerzania leży w dalszej miniaturyzacji. Punkty ciężkości: obudowy- i technologia krzemu. Bardzo dziękujemy za zainteresowanie! Nowe, interesujące zastosowania pojawiają się poza przemysłem motoryzacyjnym. lny wzrost rynków w przemyśle urządzeń powszechnego użytku! Sensortec adresuje te rynki specjalnymi produktami, które powstają na bazie technologii Bosch MEMS. 43 Februar 2007 Robert Bosch GmbH reserves all rights even in the event of industrial property rights. We reserve all rights of disposal such as copying and passing on to third parties. 44 Automotive Electronics Februar 2007 Robert Bosch GmbH reserves all rights even in the event of industrial property rights. We reserve all rights of disposal such as copying and passing on to third parties. 8