Bosch工藝引發(fā)傳感器蝶變 徹底改變MEMS行業(yè)

麥姆斯咨詢：四分之三的手機都裝有Bosch加速度計，即使不是Bosch制造的加速度計，也是采用“Bosch工藝”制造的。

想讓汽車在發(fā)生碰撞前能夠自動剎車，倒車遇到障礙物時發(fā)出蜂鳴聲，在下雨時自動打開雨刮器或者在碰撞過程中展開安全氣囊，這都需要大量的傳感器。當前大量的傳感器被用在智能手機、自動駕駛系統(tǒng)和航空慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中，在各種智能系統(tǒng)中發(fā)揮著越來越重要的作用。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，目前，盡管博世（Bosch）每天能夠生產(chǎn)400萬顆傳感器，但隨著汽車制造商需要更多的雷達、更多的攝像頭、更多的超聲波傳感器以及更多的芯片，博世的產(chǎn)能正受到挑戰(zhàn)。例如，在2018年全球銷售的汽車中，平均每輛汽車上就裝有9顆博世生產(chǎn)的芯片。這就是為什么博世作為全球最大的汽車零部件供應(yīng)商，在德國德累斯頓（Dresden）建設(shè)新晶圓制造廠的原因了。

當前不僅只有汽車傳感器市場在蓬勃發(fā)展，事實證明，當大家在為汽車開發(fā)傳感器時，其應(yīng)用范圍已遠遠超出了汽車領(lǐng)域。

以安全氣囊傳感器為例，早期大部分機械式傳感器使用磁體、鍍金感應(yīng)板和大型密封外殼。當存在多個故障點時，該技術(shù)只能在碰撞超過某個預(yù)定強度時才啟動措施，而且無法給出精確的加速度數(shù)據(jù)。

為此，博世開發(fā)了單軸MEMS加速度計。博世開發(fā)了一種可在硅片上刻蝕復(fù)雜結(jié)構(gòu)的工藝——“Bosch工藝”，制造出既便宜又精確的MEMS傳感器，目前該技術(shù)已在全世界廣泛應(yīng)用。MEMS與傳統(tǒng)的傳感器相比，體積縮小了50倍，功耗降低了100倍。

早期的MEMS加速度計由固定的電極板和可運動的微小質(zhì)量塊組成，當質(zhì)量塊加速時，它與每個電極板之間的距離都會發(fā)生變化，從而導(dǎo)致電極板和質(zhì)量塊之間的電容發(fā)生改變，以此可以精確推算出加速度數(shù)據(jù)。

隨后，博世又很快開發(fā)出了三軸MEMS加速度計，該傳感器最初用于汽車的側(cè)翻感測。但是精確的三軸加速度測量在很多方面都很有用，例如，用于手機的橫屏豎屏切換、屏幕翻轉(zhuǎn)、游戲操控等。

您手機中的這些功能非常有可能就是利用來自博世傳感器的感測信息來實現(xiàn)的。博世工作人員表示，他們生產(chǎn)的MEMS傳感器在手機中的占有率超過50%，但來自該公司網(wǎng)站上的數(shù)據(jù)更為精確和令人印象深刻：四分之三的手機都裝有Bosch加速度計，即使不是Bosch制造的加速度計，也是采用“Bosch工藝”制造的。

深反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)（DRIE）徹底改變了MEMS行業(yè)，從本質(zhì)上講，它使得像硅這樣的硬質(zhì)材料，能夠被刻蝕成深而精細的結(jié)構(gòu)。

MEMS專家、傳感器技術(shù)公司Sensic的創(chuàng)始人Chang Liu表示：“我們都知道用刀切奶酪很容易，但是切石頭就很困難。博世發(fā)明的‘Bosch工藝’使切石頭像切奶酪那樣輕松，所以博世成為了改變傳感器產(chǎn)業(yè)游戲規(guī)則的領(lǐng)導(dǎo)者，使得MEMS應(yīng)用大放異彩！”

盡管以MEMS加速度計為代表傳感器的制造并不是非深反應(yīng)離子刻蝕不可，但該技術(shù)使得復(fù)雜的MEMS能夠大規(guī)模生產(chǎn)且成本更低，從而推動智能手機市場得以大規(guī)模發(fā)展。雖然開發(fā)它的初衷是為了生產(chǎn)更便宜的安全氣囊傳感器，但它已擴展到從智能手機的增強現(xiàn)實（AR）應(yīng)用到任天堂（Nintendo）Wii等各種應(yīng)用。

汽車傳感器的規(guī)?；a(chǎn)推動博世涉足智能手機行業(yè)，正是得益于汽車行業(yè)的高安全性和耐用性標準，博世能夠?qū)⒛抗獠粩嗤断蛐率袌觥?/p>

目前，一支由15人組成的團隊正在為博世開發(fā)第一款 “空中出租車”。雖然這個市場尚存爭議，一些玩家放棄了空中出租車計劃，但很多人認為這具有巨大的長期潛力。

負責《航空周刊》科技報道的Graham Warwick介紹：“所有的市場調(diào)研都預(yù)測空中出租車將是一個龐大的市場，但存在許多障礙需要克服。”

研究預(yù)測，如果空中出租車能夠滿足安全、安靜、廉價、符合航空法規(guī)，那么它的潛在市場將是非?？捎^的。例如，據(jù)NASA的一項研究預(yù)測，在“最理想情況”下，該市場將產(chǎn)生5000億美元的營收。作為參考，美國航空業(yè)的年收入為1500億美元。這就不難看出為何博世這么早就參與進來了。

該公司在航空領(lǐng)域的第一個項目是小型傳感器盒。制造一輛實用、經(jīng)濟、緊湊的空中出租車的諸多問題之一是，載人的飛行器通常都包含慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS）。在任何自動駕駛應(yīng)用中，INS具有雙重保障作用，即使GPS和其他外部導(dǎo)航系統(tǒng)處于離線狀態(tài)，INS仍可讓飛機知道其位置和航向。

商用飛機也配有INS，但存在三個大問題：體積龐大、價格昂貴且耗電量大。典型的INS單元為長度幾英尺的盒子，成本約為80000美元。對于小型的電動空中出租車，這么大的INS盒子是沒有辦法使用的。

為了解決這個問題，博世的團隊設(shè)計了一種傳感器盒原型，該傳感器盒主要使用來自汽車上的MEMS和其它傳感器。這些傳感器在精度、冗余、漂移和耐用性方面，達到或超過了當前的航空標準，而且重量僅約為300克。假設(shè)空中出租車達到足夠的生產(chǎn)規(guī)模時，該傳感器盒的目標價格為10000美元。

從長遠來看，該公司將其在動力總成控制技術(shù)、MEMS、自動化操控和安全系統(tǒng)方面的專長視為向新興行業(yè)提供不同技術(shù)的巨大優(yōu)勢。Warwick表示，雖然汽車級零件在航空領(lǐng)域的應(yīng)用并不普遍，但汽車傳感器技術(shù)的飛速發(fā)展與航空旅行的大眾化趨勢將會在合適的契機點相遇。

Warwick說：“我們必須認識到，自動駕駛汽車正在將汽車（零部件）的安全性能提升到接近航空級的安全水平?！笔聦嵣希恍┖娇蘸教旒夹g(shù)已經(jīng)應(yīng)用到了自動駕駛汽車軟件開發(fā)中。

他說：“汽車制造商所使用的軟件認證和軟件編寫規(guī)則與航空航天業(yè)完全相同。”如果汽車供應(yīng)商和公司可以向監(jiān)管機構(gòu)證明，這些傳感器、引擎管理系統(tǒng)和導(dǎo)航系統(tǒng)符合航空標準，那么他們將有機會進入該市場。”

不過要明確的是，博世公司長期以來一直采取“全力以赴”的戰(zhàn)略。雖然對這些巨頭公司而言，是不會錯過下一個熱門事件的。但是，博世此次公開談?wù)撍麄冋谔剿鞯男率袌?，實屬罕見，值得大家關(guān)注。

因此，回顧一下，在每輛汽車中用了9顆博世半導(dǎo)體芯片，大多數(shù)智能手機至少含有1顆，在洗碗機等其他消費類產(chǎn)品中也有很多，還有一些用在飛行汽車動力系統(tǒng)。很顯然一天400萬個是無法滿足的。

由于大多數(shù)供應(yīng)商協(xié)議都需要兩個生產(chǎn)來源，因此，400萬僅占每天生產(chǎn)的博世品牌傳感器數(shù)量的一半，剩余的都是授權(quán)合作伙伴制造的，但這仍然無法滿足不斷增長的市場需求。

因此，博世投入了10億歐元（合11億美元）在德累斯頓建立了新的晶圓制造廠，這是博世有史以來最大的單筆投資。德累斯頓工廠將使博世的傳感器產(chǎn)量翻一番，但據(jù)目前市場預(yù)測表明，這仍然不夠。幸運的是，在德累斯頓工廠旁邊有一個停車場，它的大小剛好可以用來建設(shè)晶圓制造廠，并將整個工廠的產(chǎn)量再增加一倍。

晶圓尺寸決定了一切，博世在德累斯頓將建成一座300mm晶圓廠，比在羅伊特林根（Reutlingen）的150mm和200mm晶圓制造中心規(guī)模更大。晶圓的面積越大，意味著你可以制造的半導(dǎo)體芯片更多。由于整片晶圓是同時加工的，更大的晶圓允許你生產(chǎn)更多的半導(dǎo)體芯片以及采用更小的半導(dǎo)體特征尺寸。

這也意味著德累斯頓工廠可以以更低的價格生產(chǎn)更多的傳感器，助力汽車自動駕駛技術(shù)的快速發(fā)展，并且能夠釋放博世工廠的產(chǎn)能，為智能手機增強現(xiàn)實（AR）游戲等更多應(yīng)用提供MEMS加速度計。有意思的是，所有的這一切均起源于當初希望使安全氣囊傳感器更小的一件發(fā)明專利。