Bosch工艺引发传感器蝶变 彻底改变MEMS行业

麦姆斯咨询：四分之三的手机都装有Bosch加速度计，即使不是Bosch制造的加速度计，也是采用“Bosch工艺”制造的。

想让汽车在发生碰撞前能够自动刹车，倒车遇到障碍物时发出蜂鸣声，在下雨时自动打开雨刮器或者在碰撞过程中展开安全气囊，这都需要大量的传感器。当前大量的传感器被用在智能手机、自动驾驶系统和航空惯性导航系统中，在各种智能系统中发挥着越来越重要的作用。

据麦姆斯咨询报道，目前，尽管博世（Bosch）每天能够生产400万颗传感器，但随着汽车制造商需要更多的雷达、更多的摄像头、更多的超声波传感器以及更多的芯片，博世的产能正受到挑战。例如，在2018年全球销售的汽车中，平均每辆汽车上就装有9颗博世生产的芯片。这就是为什么博世作为全球最大的汽车零部件供应商，在德国德累斯顿（Dresden）建设新晶圆制造厂的原因了。

当前不仅只有汽车传感器市场在蓬勃发展，事实证明，当大家在为汽车开发传感器时，其应用范围已远远超出了汽车领域。

以安全气囊传感器为例，早期大部分机械式传感器使用磁体、镀金感应板和大型密封外壳。当存在多个故障点时，该技术只能在碰撞超过某个预定强度时才启动措施，而且无法给出精确的加速度数据。

为此，博世开发了单轴MEMS加速度计。博世开发了一种可在硅片上刻蚀复杂结构的工艺——“Bosch工艺”，制造出既便宜又精确的MEMS传感器，目前该技术已在全世界广泛应用。MEMS与传统的传感器相比，体积缩小了50倍，功耗降低了100倍。

早期的MEMS加速度计由固定的电极板和可运动的微小质量块组成，当质量块加速时，它与每个电极板之间的距离都会发生变化，从而导致电极板和质量块之间的电容发生改变，以此可以精确推算出加速度数据。

随后，博世又很快开发出了三轴MEMS加速度计，该传感器最初用于汽车的侧翻感测。但是精确的三轴加速度测量在很多方面都很有用，例如，用于手机的横屏竖屏切换、屏幕翻转、游戏操控等。

您手机中的这些功能非常有可能就是利用来自博世传感器的感测信息来实现的。博世工作人员表示，他们生产的MEMS传感器在手机中的占有率超过50%，但来自该公司网站上的数据更为精确和令人印象深刻：四分之三的手机都装有Bosch加速度计，即使不是Bosch制造的加速度计，也是采用“Bosch工艺”制造的。

深反应离子刻蚀技术（DRIE）彻底改变了MEMS行业，从本质上讲，它使得像硅这样的硬质材料，能够被刻蚀成深而精细的结构。

MEMS专家、传感器技术公司Sensic的创始人Chang Liu表示：“我们都知道用刀切奶酪很容易，但是切石头就很困难。博世发明的‘Bosch工艺’使切石头像切奶酪那样轻松，所以博世成为了改变传感器产业游戏规则的领导者，使得MEMS应用大放异彩！”

尽管以MEMS加速度计为代表传感器的制造并不是非深反应离子刻蚀不可，但该技术使得复杂的MEMS能够大规模生产且成本更低，从而推动智能手机市场得以大规模发展。虽然开发它的初衷是为了生产更便宜的安全气囊传感器，但它已扩展到从智能手机的增强现实（AR）应用到任天堂（Nintendo）Wii等各种应用。

汽车传感器的规模化生产推动博世涉足智能手机行业，正是得益于汽车行业的高安全性和耐用性标准，博世能够将目光不断投向新市场。

目前，一支由15人组成的团队正在为博世开发第一款 “空中出租车”。虽然这个市场尚存争议，一些玩家放弃了空中出租车计划，但很多人认为这具有巨大的长期潜力。

负责《航空周刊》科技报道的Graham Warwick介绍：“所有的市场调研都预测空中出租车将是一个庞大的市场，但存在许多障碍需要克服。”

研究预测，如果空中出租车能够满足安全、安静、廉价、符合航空法规，那么它的潜在市场将是非常可观的。例如，据NASA的一项研究预测，在“最理想情况”下，该市场将产生5000亿美元的营收。作为参考，美国航空业的年收入为1500亿美元。这就不难看出为何博世这么早就参与进来了。

该公司在航空领域的第一个项目是小型传感器盒。制造一辆实用、经济、紧凑的空中出租车的诸多问题之一是，载人的飞行器通常都包含惯性导航系统（INS）。在任何自动驾驶应用中，INS具有双重保障作用，即使GPS和其他外部导航系统处于离线状态，INS仍可让飞机知道其位置和航向。

商用飞机也配有INS，但存在三个大问题：体积庞大、价格昂贵且耗电量大。典型的INS单元为长度几英尺的盒子，成本约为80000美元。对于小型的电动空中出租车，这么大的INS盒子是没有办法使用的。

为了解决这个问题，博世的团队设计了一种传感器盒原型，该传感器盒主要使用来自汽车上的MEMS和其它传感器。这些传感器在精度、冗余、漂移和耐用性方面，达到或超过了当前的航空标准，而且重量仅约为300克。假设空中出租车达到足够的生产规模时，该传感器盒的目标价格为10000美元。

从长远来看，该公司将其在动力总成控制技术、MEMS、自动化操控和安全系统方面的专长视为向新兴行业提供不同技术的巨大优势。Warwick表示，虽然汽车级零件在航空领域的应用并不普遍，但汽车传感器技术的飞速发展与航空旅行的大众化趋势将会在合适的契机点相遇。

Warwick说：“我们必须认识到，自动驾驶汽车正在将汽车（零部件）的安全性能提升到接近航空级的安全水平。”事实上，一些航空航天技术已经应用到了自动驾驶汽车软件开发中。

他说：“汽车制造商所使用的软件认证和软件编写规则与航空航天业完全相同。”如果汽车供应商和公司可以向监管机构证明，这些传感器、引擎管理系统和导航系统符合航空标准，那么他们将有机会进入该市场。”

不过要明确的是，博世公司长期以来一直采取“全力以赴”的战略。虽然对这些巨头公司而言，是不会错过下一个热门事件的。但是，博世此次公开谈论他们正在探索的新市场，实属罕见，值得大家关注。

因此，回顾一下，在每辆汽车中用了9颗博世半导体芯片，大多数智能手机至少含有1颗，在洗碗机等其他消费类产品中也有很多，还有一些用在飞行汽车动力系统。很显然一天400万个是无法满足的。

由于大多数供应商协议都需要两个生产来源，因此，400万仅占每天生产的博世品牌传感器数量的一半，剩余的都是授权合作伙伴制造的，但这仍然无法满足不断增长的市场需求。

因此，博世投入了10亿欧元（合11亿美元）在德累斯顿建立了新的晶圆制造厂，这是博世有史以来最大的单笔投资。德累斯顿工厂将使博世的传感器产量翻一番，但据目前市场预测表明，这仍然不够。幸运的是，在德累斯顿工厂旁边有一个停车场，它的大小刚好可以用来建设晶圆制造厂，并将整个工厂的产量再增加一倍。

晶圆尺寸决定了一切，博世在德累斯顿将建成一座300mm晶圆厂，比在罗伊特林根（Reutlingen）的150mm和200mm晶圆制造中心规模更大。晶圆的面积越大，意味着你可以制造的半导体芯片更多。由于整片晶圆是同时加工的，更大的晶圆允许你生产更多的半导体芯片以及采用更小的半导体特征尺寸。

这也意味着德累斯顿工厂可以以更低的价格生产更多的传感器，助力汽车自动驾驶技术的快速发展，并且能够释放博世工厂的产能，为智能手机增强现实（AR）游戏等更多应用提供MEMS加速度计。有意思的是，所有的这一切均起源于当初希望使安全气囊传感器更小的一件发明专利。