I když jsou malé jako špendlíková hlavička, mění každodenní život v mnoha oblastech: Mikromechanické senzory Bosch. Ve fitness náramcích měří fyzickou aktivitu, tudíž pomáhají lidem zlepšit zdraví a náladu. V automobilech senzory identifikují nebezpečné situace a okamžitě zalarmují řídící elektroniku, aby udržela vozidlo na silnici. Díky tomu, že senzory detekují zemskou gravitaci, mohou smartphony měnit orientaci displeje tak, aby vyhovovala potřebám uživatelů.

Bosch je předním světovým výrobcem MEMS senzorů (mikro-elektromechanické systémy). Od zahájení výroby v roce 1995 jich firma vyrobila více než 6 miliard. „Klíčovou výzvou v probíhajícím vývoji našich MEMS senzorů je jejich spotřeba energie. Více inteligence v senzorech například umožňuje snížení jejich spotřeby energie,” říká Dr. Franz Lärmer, expert na senzory firmy Bosch. Je těžké vyjmenovat všechny potenciální aplikace senzorů. Jsou klíčovou technologií pro internet věcí (IoT). 

Tři přístupy pro nižší spotřebu energie
Uživatelé mobilních zařízení, jako jsou chytré hodinky, brýle rozšířené reality nebo chytrého oblečení si často přejí delší výdrž baterie, menší velikost, cenově dostupnější produkty a další funkce. Až doposud nebyla kapacita baterií v takových zařízení často dostatečná pro to, aby mohly být senzory a jejich analyzační čipy neustále napájeny. Pokud jsou konstantně používány funkce podporované senzory, musí být zařízení častěji dobíjeno. Lepší výdrž baterie navíc také otevírá dveře k širší škále inteligentních aplikací. S cílem snížit spotřebu energie snímačů, Lärmer a jeho tým v Renningenu spojili své síly s výzkumníky Bosch v Palo Alto v Silicon Valley, aby pracovali na třech různých přístupech. 

První přístup: Energie může být získána ze změn vnějšího tlaku, vibrací nebo teploty. V rámci veřejně financovaného projektu 9D-Sense pracuje Bosch s partnery na výzkumu tohoto způsobu získávání energie. Dobíjecí baterie mohou ukládat i ta nejnepatrnější množství energie získaná tímto způsobem a poskytovat snímačům napájení po dlouhou dobu, bezúdržbově. Druhý přístup: Čidla lze naprogramovat tak, aby shromažďovala a přenášela svá data pouze tehdy, pokud je to nezbytně nutné. Pokud např. smartphone leží stále na stole, nemusí být jeho senzory aktivní. Třetí přístup: Bosch vyvinul nejmenší a energeticky nejefektivnější senzorovou jednotku na světě. Pouzdro BMI160 tiny, které měří 2,5 x 3,0 x 0,8 milimetrů, obsahuje akcelerometr a senzor náklonu (gyroskop). Ve smartphonu senzorová jednotka například zaznamenává pozici. Je možné ji nalézt také v tabletech a chytrých hodinkách. Při plném provozním režimu je typická spotřeba energie BMI160 pouhých 950 mikroampérů, což je méně než polovina standardní hodnoty na trhu a současně světový rekord. Tento a další senzory Bosch lze dnes nalézt ve třech čtvrtinách všech smartphonů na celém světě. 

Každý objekt schopný shromažďovat informace
„Téměř všechny předměty denní potřeby budou v budoucnu pravděpodobně vybaveny senzory. Jedná se o revoluční vývoj, který umožní, aby téměř každý objekt získával informace o sobě a svém okolí. V důsledku toho ohromně vzroste počet potenciálních aplikací těchto objektů,” říká Lärmer. „Ale ostatní věci také hrají stále významnější roli, jako například kombinace několika senzorů a integrace softwarové inteligence.” Jeden příklad pochází ze světa fitness. Měřením atmosférického tlaku může jeden senzor zjistit, ve kterém patře budovy se nositel nachází, zatímco jiný senzor registruje každý pohyb nositele. Společně s daty z tiny senzoru měřícího srdeční frekvenci, který je připojen k pokožce uživatele, senzor automaticky přenáší fitness profil obsahující informace, jako jsou změny v srdeční frekvenci při chůzi do schodů. Pokud je to žádoucí, smartphone aplikace může profil poslat trenérovi. Možné jsou také aplikace spojené s včasným screeningem a diagnostikou. „Změny v tom, jak se lidé pohybují, mohou být včasnou indikací onemocnění, jako je demence nebo posturální vady. Mohly by být měřeny obdobným způsobem pomocí čidel MEMS. To by nám umožnilo diagnostikovat a léčit nemoci v nejranější fázi,” říká Lärmer. „Existuje neomezeně mnoho možných aplikací připojených senzorů. Náš výzkum tyto možnosti zkoumá.” 

Nejnovější technické vybavení pro citlivé senzory
Ve svém novém výzkumném centru v Renningenu u Stuttgartu Bosch pracuje na velké budoucnosti těchto malých součástek. Bosch se snaží o to, aby tyto senzory byly ještě menší a energeticky účinnější a tím připravuje cestu pro nové aplikace. Pro výrobu MEMS jsou třeba ty nejlepší možné podmínky, a totéž platí i pro výzkum nových generací MEMS. Dokonce i ta nejmenší zrnka prachu mohou při vývoji a výrobě struktur MEMS způsobit vážné problémy. To je důvod, proč ve svém novém výzkumném kampusu Bosch vybudoval řadu čistých prostor podle nejnovějších technických specifikací. Veškerý vzduch v budově je důkladně filtrován, což zajišťuje obsah méně než 370 částic na metr krychlový. Pro srovnání, vzduch v typickém městském prostředí obsahuje cca. 35 000 000 částic na metr krychlový. 

Jemné struktury, extrémně citlivé
Při výrobě MEMS se do křemíku leptají mikroskopicky jemné struktury. Ve snímači se prolínají zuby malých hřebenovitých struktur křemíku. Tyto hřebenové struktury, s tloušťkou méně než jedné čtvrtiny tloušťky lidského vlasu, jsou v průběhu pohybu tlačeny proti sobě. Vzdálenost mezi zuby se změní, což vede ke změně elektrického proudu v hřebenovitých strukturách. Tento proud může být měřen a brán jako elektrický signál, že senzor vysílá. MEMS senzory jsou díky této technologii extrémně citlivé, vysvětluje Lärmer. „V laboratoři je můžete relativně snadno použít pro měření zemské rotace.” A co víc, jemné struktury křemíku jsou již schopné měřit pohyby i jen 1 femtometer: Nepředstavitelně malá vzdálenost 0.000000000000001 metrů (10-15 metrů) – přibližně o průměru protonu, jedné z částic v jádru atomů.