Bosch on maailman johtava MEMS-antureiden toimittaja. Yhtiö on valmistanut yli kuusi miljardia anturia sen jälkeen, kun niiden tuotanto aloitettiin vuonna 1995.

– Keskeinen haaste MEMS-antureiden kehitystyössä on niiden energiankulutus. Energiankulutuksen vähentäminen on mahdollista muun muassa antureiden älykkyyttä lisäämällä, sanoo Boschin anturiasiantuntija, tohtori Franz Lärmer. Antureilla on lukuisia sovellusmahdollisuuksia. Ne ovat esineiden internetin keskeinen teknologia.

Mobiililaitteiden – kuten älykellojen, lisätyn todellisuuden lasien tai älyvaatteiden – käyttäjät toivovat laitteiltaan usein pidempää akunkestoa, pienempää kokoa, edullisempaa hintaa ja monipuolisuutta. Tähän saakka haasteena on ollut akkujen kapasiteetti: laitteet on ladattava useammin, jos antureita hyödyntävät toiminnot ovat jatkuvasti käytössä. Lärmerin tiimi Renningenissä kehittää kolmea eri lähestymistapaa antureiden energiankulutuksen vähentämiseen yhdessä Boschin Piilaaksossa työskentelevien tutkijoiden kanssa.

Ensimmäinen lähestymistapa: paineen, tärinän tai lämpötilan muutoksista syntyvän energian kerääminen. Pienen pienet akut voivat tallentaa pikkuruisiakin tällä tavoin syntyviä energiamääriä laitteen antureiden käyttöön. Bosch tutkii kumppaniensa kanssa tähän teknologiaan liittyviä mahdollisuuksia osana julkisesti rahoitettua 9D-Sense -hanketta.

Toinen lähestymistapa: anturit voidaan ohjelmoida keräämään ja lähettämään tietoa vain silloin, kun se on aivan välttämätöntä. Esimerkiksi älypuhelimen anturien ei tarvitse olla aktiivisia, jos älypuhelin on pöydällä eikä sitä käytetä.

Kolmas lähestymistapa: Bosch on kehittänyt maailman pienimmän ja energiatehokkaimman anturiyksikön. Vain 2,5 x 3,0 x 0,8 mm:n kokoinen BMI160-anturiyksikkö sisältää kiihtyvyysanturin ja gyroskoopin. Muun muassa älypuhelimissa, tablet-tietokoneissa ja älykelloissa hyödynnettävää anturia käytetään muun muassa laitteen asennon määrittämiseen. Täydessä toimintavalmiudessa BMI160:n virrankulutus on vain noin 950 mikroampeeria, mikä on paitsi alle puolet markkinoiden keskiarvosta myös maailmanennätys. Kolmessa neljästä älypuhelimesta on Boschin anturiteknologiaa.

– Lähes kaikki käyttöesineet tullaan todennäköisesti varustamaan antureilla tulevaisuudessa. Tämä vallankumouksellinen kehityskulku mahdollistaa sen, että lähes jokainen esine voi jatkossa kerätä tietoa itsestään ja ympäristöstään. Se avaa ovia lukuisille uusille sovelluksille. Myös antureiden yhdistelyllä ja ohjelmistojen integroimisella on kasvava rooli kehityksessä, Lärmer kertoo.

Yksi hyvä esimerkki tulee kuntoilun maailmasta: Anturi voi ilmanpaineen avulla päätellä, missä kerroksessa käyttäjä on, samalla kun toinen anturi rekisteröi käyttäjän jokaisen liikkeen. Ihoon kiinnitetty pieni anturi mittaa puolestaan käyttäjänsä sykettä. Näiden parametrien avulla määritetään käyttäjän kuntoprofiili, joka näyttää esimerkiksi sykkeen muutokset portaita noustessa. Älypuhelinsovellus lähettää profiilin valmentajalle niin haluttaessa. Myös varhaiseen seulontaan ja diagnostiikkaan liittyvät sovellukset ovat mahdollisia.
– Muutokset siinä, miten ihmiset liikkuvat, voivat indikoida varhaisia merkkejä esimerkiksi dementiasta tai asentovirheistä. Näin voisimme diagnosoida ja hoitaa sairauksia mahdollisimman varhaisessa vaiheessa, Lärmer sanoo.
– Antureiden hyödyntämisen mahdollisuudet ovat rajattomat. Tutkimuksemme tarkastelee näitä mahdollisuuksia.

Bosch kehittää anturiteknologiaa uudella Renningenin tutkimuskampuksellaan. Yhtiö haluaa tehdä niistä vielä pienempiä ja energiatehokkaampia ja paaluttaa siten mahdollisuuksia uusille sovelluksille. MEMS-antureiden valmistamiseen sekä uusien MEMS-sukupolvien kehittämiseen tarvitaan parhaat mahdolliset olosuhteet. Pienikin pölyhiukkanen voi aiheuttaa suuria ongelmia kehitystyölle ja tuotannolle. Siksi Renningenin uudelle tutkimuskampukselle on rakennettu rypäs uusimmilla teknisillä valmiuksilla varustettuja puhdastiloja. Rakennuksessa käytettävä ilma suodatetaan niin perusteellisesti, että se sisältää enintään 370 pienhiukkasta kuutiometriä kohden. Vertailukohdaksi voidaan ottaa se, että ilma tyypillisessä kaupunkiympäristössä sisältää noin 35 miljoonaa pienhiukkasta kuutiometriä kohden.

Antureiden mikroskooppisen hienot rakenteet kaiverretaan piihin. Näiden pienten kampamaisten struktuurien hampaat limittyvät ja painautuvat toisiaan vasten liikkeen aikana. Liikkeen aiheuttamaa sähkövirtaa voidaan mitata ja se voidaan lähettää signaalina eteenpäin. MEMS-anturit ovat erittäin herkkiä. Rakenteet pystyvät mittaamaan jo käsittämättömän pieniä, vain femtometrin (tuhannesbiljoonasosa metristä eli noin protonin halkaisija) suuruisia etäisyyksiä.

www.boschrexroth.com