Czujniki mikromechaniczne Bosch – małe, ale w wielu obszarach potrafią zmienić życie na lepsze. Stosowane w samochodach wykrywają sytuacje niebezpieczne i alarmują sterowniki, które utrzymują stabilność pojazdu. Ponieważ czujniki reagują także na siłę przyciągania ziemskiego, smartfony mogą automatycznie zmieniać ustawienie obrazu z pionowego na poziome.
Bosch jest jednym z największych światowych producentów czujników mikromechanicznych MEMS. Od czasu rozpoczęcia produkcji w roku 1995 wyprodukował już ponad 6 mld czujników. – Najważniejszym wyzwaniem w dalszym rozwoju naszych czujników MEMS jest zużycie energii. Przykładowo zaawansowana inteligencja pomaga obniżyć zużycie energii czujnika, wyjaśnia Franz Lärmer, specjalista ds. czujników w firmie Bosch. Możliwości wykorzystania czujników jest tak wiele, że wciąż trudno je oszacować. Mają one kluczowe znaczenie dla rozwoju koncepcji Internetu rzeczy.
Użytkownicy urządzeń mobilnych, takich jak zegarki typu smart, okulary oferujące rzeczywistość rozszerzoną czy urządzeń elektronicznych przeznaczonych do noszenia na ciele, najczęściej domagają się wyższej wydajności akumulatora, kompaktowego wzornictwa, tańszych produktów i większej liczby funkcji. Do tej pory pojemność akumulatora w takich urządzeniach nie była wystarczająca, aby przez cały czas zapewnić zasilanie czujników i procesorów analizujących dane. W przypadku ciągłego korzystania z funkcji obsługiwanych przez czujniki urządzenia muszą być częściej ładowane. Wyższa wydajność baterii umożliwia ponadto zwiększenie zakresu inteligentnych zastosowań. Lärmer oraz jego zespół w Renningen badają wspólnie z inżynierami z Palo Alto w Dolinie Krzemowej trzy różne koncepcje umożliwiające obniżenie zużycia energii czujników.
1. Pozyskiwanie energii ze zmian ciśnienia, drgań lub różnicy temperatur w otoczeniu. Nad tzw. żniwami energetycznymi (ang.: energy harvesting) Bosch prowadzi badania wspólnie z innymi partnerami w ramach finansowanego z funduszy publicznych projektu 9D-Sense. Maleńkie akumulatory mogą przechowywać nawet minimalne ilości pozyskanej z otoczenia energii, co zapewnia czujnikom zasilanie przez długi czas.
2. Inteligentne oprogramowanie umożliwia czujnikom gromadzenie i transmisję danych tylko wtedy, kiedy jest to naprawdę konieczne – w sytuacji, gdy smartfon nie jest używany, czujniki mogą się wyłączać.
3. Badacze Bosch w Palo Alto zaprojektowali najmniejszy i najbardziej energooszczędny na świecie moduł czujnika. W obudowie jednostki BMI160 mającej wymiary 2,5 × 3× 0,8 znajdują się m.in. sensory przyspieszenia i momentu obracającego. Czujnik taki wykrywa np. położenie przestrzenne smartfonu. Inne zastosowania to tablety czy inteligentne zegarki typu smart. Przy pełnym obciążeniu typowe zużycie prądu jednostki BMI160 wynosi 950 mikroamperów – to mniej niż połowa standardowego zużycia. Ten i inne czujniki Bosch są obecnie montowane w trzech na cztery smartfony dostępne na rynku.
– W przyszłości w czujniki będzie wyposażony prawdopodobnie każdy przedmiot codziennego użytku. Jest to rewolucyjna zmiana, gdyż dzięki temu prawie każdy przedmiot będzie w stanie zbierać informacje o sobie i swoim otoczeniu. Walory użytkowe takich przedmiotów ulegną gwałtownemu rozszerzeniu, mówi Lärmer. – Coraz większą rolę zaczyna odgrywać także możliwość łączenia ze sobą różnych czujników oraz integracja inteligentnego oprogramowania. – Na przykład w branży fitness czujnik mierzy ciśnienie powietrza, dzięki czemu wie, na którym piętrze znajduje się posiadacz urządzenia. Inny czujnik rozpoznaje ruchy wykonywane przez posiadacza. Dzięki danym z maleńkiego, przyklejanego do skóry czujnika rytmu serca, automatycznie tworzony jest profil sprawnościowy – wykrywa on np. zmianę częstotliwości uderzeń serca podczas wchodzenia po schodach. Aplikacja na smartfonie może na życzenie przesłać profil trenerowi.
Możliwe są także inne zastosowania, np. we wczesnej diagnostyce chorób. – Schorzenia takie, jak demencja czy wady postawy, są wcześniej sygnalizowane przez zmianę sekwencji ruchów. Zmiany te można wykrywać za pomocą czujników MEMS, co ułatwia szybkie diagnozowanie chorób i wcześniejsze rozpoczęcie leczenia, mówi Lärmer. – Wielu zastosowań czujników nie jesteśmy dziś jeszcze w stanie przewidzieć, bo dopiero są badane.
W nowym ośrodku badawczo-rozwojowym w Renningen pod Stuttgartem Bosch pracuje nad przyszłością czujników. Mają one być mniejsze i zużywać mniej prądu, także po to, aby umożliwić nowe zastosowania. Podobnie jak produkcja, także badania nad nowymi generacjami czujników MEMS wymagają optymalnych warunków do działania. Przy opracowywaniu i produkcji struktur MEMS nawet najmniejsze drobiny pyłu mogą prowadzić do dużych problemów. Dlatego w nowym kampusie badawczym Bosch ma do dyspozycji budynek, w którym znajdują się pomieszczenia o najwyższym standardzie czystości. Tylko odpowiednio przefiltrowane powietrze zawierające maksymalnie 370 cząstek zanieczyszczeń na 1 m3 może być doprowadzane do tego rodzaju pomieszczeń. Dla porównania: w typowym środowisku miejskim w powietrzu unosi się ok. 35 mln cząstek zanieczyszczeń w 1 m3 powietrza.
Podczas produkcji czujników MEMS w krzemie powstają precyzyjne struktury uzyskiwane metodą trawienia. W czujniku zazębiają się ze sobą wypustki maleńkich struktur przypominających grzebienie – są tak filigranowe, że nie osiągają nawet 1/4 grubości ludzkiego włosa. Podczas ruchu struktury te przemieszczają się ku sobie. Odstęp pomiędzy wypustkami zmienia się, co powoduje także zmianę napięcia elektrycznego. Napięcie jest mierzone i przetwarzane na sygnał elektryczny przekazywany przez czujnik. – Dzięki tej technologii czujniki MEMS osiągają bardzo wysoką czułość, wyjaśnia Lärmer. – W warunkach laboratoryjnych czujniki bez większych problemów umożliwiają także pomiar obrotów Ziemi. – Co więcej, drobne struktury krzemowe rejestrują nawet ruch o długości 1 femtometra. Jest to wręcz niewyobrażalnie mała odległość wynosząca 0,000 000 000 000 001 metra. Mieści się ona w obrębie średnicy protonu, jednego z elementów jądra atomowego.
źródło: Bosch
AUTOR: WNP.PL (AG)
