Tijdens een conferentie in Amsterdam was Bosch ongewoon open over hoe het MEMS-sensoren ontwerpt voor grootschalige productie. Multifysische simulatie speelt een centrale rol bij het ontwikkelen en industrialiseren van MEMS-sensoren op waferschaal, met hoge opbrengst en voorspelbaar gedrag.
Tijdens een recente conferentie van Comsol in Amsterdam gaf keynote speaker Daniel Maier van Bosch een zeldzame blik op hoe het bedrijf MEMS-sensoren en actuatoren ontwerpt en industrialiseert. Maier is senior MEMS-ontwerper en simulatie-expert bij Bosch en heeft meer dan vijftien jaar ervaring in modellering en simulatie binnen verschillende productvelden en fysieke domeinen.
Bosch is al ongeveer drie decennia actief in de ontwikkeling van MEMS. Wat begon met toepassingen voor veiligheid in de auto, zoals het inzetten van airbags en elektronische stabiliteitscontrole, is uitgegroeid tot een breed portfolio dat consumentenelektronica, gezondheidszorg en industriële systemen omvat. Bosch is een belangrijke leverancier van MEMS-sensoren binnen de consumentenelektronica, waar bewegings- en omgevingsdetectie een centrale rol spelen.
Een typisch MEMS-apparaat combineert een microscopische mechanische structuur met een application-specific integrated circuit (ASIC), elektrische verbindingen en beschermende behuizing. Samen vormen deze componenten een miniatuursysteem dat fysieke grootheden zoals beweging, druk en magnetische velden vertaalt naar elektrische signalen.
De mechanische structuren zelf werken op micrometerschaal. In een versnellingsmeter, bijvoorbeeld, wordt een kleine massa opgehangen door microscopische veren binnen een siliciumstructuur. Wanneer het apparaat versnelt, beweegt de massa licht, waardoor de elektrische geleiding verandert. Die verandering wordt elektronisch gedetecteerd en verwerkt.
‘Een typisch membraan van een capacitieve druksensor kan 300 bij 150 micrometer groot zijn’, legt Maier uit in zijn lezing. ‘Bij een drukverandering die overeenkomt met iemand die één traptrede beklimt, buigt het membraan ongeveer 6 picometer. Dat is minder dan atomaire schaal.’
Simulatie
MEMS-sensoren worden op wafers vervaardigd, wat betekent dat duizenden apparaten gelijktijdig worden geproduceerd. Engineers moeten rekening houden met procestoleranties en statistische variaties over een hele wafer, niet slechts over één enkele ontwerpinstantie.
Tegelijkertijd zijn MEMS-apparaten van nature multifysisch. Een enkele sensor kan structurele mechanica, elektrostatica of piëzo-resistieve effecten, warmteoverdracht en stromingsdynamica omvatten. Deze gekoppelde effecten bepalen de prestaties, ruisniveaus, gevoeligheid en betrouwbaarheid op de lange termijn.
Bosch’ volwassen MEMS-ontwikkeling maakt de productie van grote hoeveelheden met een hoge yield mogelijk. Om ervoor te zorgen dat alle chips op de wafer volledig functioneren, gebruiken de engineers statistische simulaties om de opbrengst van hun sensor te voorspellen. ‘Vaak zijn er meerdere eisen die niet zo makkelijk te vervullen zijn, dus optimaliseren we voor meerdere functionaliteiten.’
Volgens Maier vertrouwt Bosch sterk op multifysische simulatie als onderdeel van een geautomatiseerde workflow. Simulatie wordt gebruikt om individuele sensorconcepten te begrijpen, ontwerpafwegingen te verkennen, robuustheid te beoordelen en opbrengst te voorspellen onder productievariaties.
Omdat waferruns duur en tijdrovend zijn, legt Bosch de nadruk op hoge voorspellingsbetrouwbaarheid vroeg in het ontwerpproces. ‘We hebben al onze modellen voor het voorspellen van het sensorgedrag verwerkt in een geautomatiseerde toolchain met een single source-benadering’, legt Maier uit.
Voorbeelden van Bosch
Maier illustreerde Bosch’ mogelijkheden met twee ontwikkelingsvoorbeelden. Eén daarvan is een MEMS-gebaseerde microspeaker voor draadloze in-ear-apparaten. Het concept is afhankelijk van mechanische beweging in het vlak op een wafer om luchtstroom buiten het vlak te genereren waardoor geluid wordt geproduceerd. Het model voor dit systeem toonde een bovenste wafer, een onderste wafer, inlaten en uitlaten en lamellen die lucht van onder naar boven verplaatsen om geluid te produceren. Maier ging in op de multifysische simulatie-uitdagingen voor dit voorbeeld. ‘De lamellen hebben een mechanische stijfheid. We hebben ook elektrostatica om de lamellen aan te drijven en we houden ons bezig met akoestiek. Comsols akoestische module beschrijft al het microfluïdische gedrag in de kanalen en de kamer.’
Een ander voorbeeld komt uit de automotivesector: een waterstofgassensor die is ontworpen om lekkages in brandstofcelvoertuigen te detecteren. De sensor maakt gebruik van de hoge thermische geleidbaarheid van waterstof ten opzichte van lucht. Het vergelijkt de temperatuur in de meetkamer, waar waterstof in het geval van een lek terecht zou komen, met de temperatuur van een controlekamer waar zeker geen waterstof aanwezig is, onder identieke elektrische verwarming. Een lagere temperatuur in de meetkamer duidt op waterstofaanwezigheid. Door elektrische stromen en warmteoverdracht samen te modelleren, kan Bosch temperatuurverdelingen, sensorgevoeligheid en offset voorspellen voorafgaan aan de fabricage.
Volwassen simulatie
Bosch’ modelleringsstrategie ontwikkelt zich terwijl de sensoren zich ontwikkelen. Concepten in een vroeg stadium kunnen vertrouwen op analytische of eerste-ordemodellen met beperkte voorspellende nauwkeurigheid. Naarmate de ontwikkeling vordert en validatiegegevens zich opstapelen, worden modellen verfijnd om de relevante fysieke effecten nauwkeuriger vast te leggen.
Voor volwassen sensoren gaf Maier aan dat de nauwkeurigheid met zeer kleine procentuele afwijkingen kan worden voorspeld, goed genoeg om ontwerpbeslissingen op industriële schaal te maken. Deze iteratieve verfijning, gebaseerd op zowel simulatie als meting, staat centraal in Bosch’ MEMS-strategie.
Wanneer het publiek vraagt op welke machines Bosch deze simulaties uitvoert, antwoordt Maier: ‘We gebruiken onze eigen high-performance computing-systemen (HPC). HPC is echter niet altijd nuttig voor individuele simulaties omdat veel modellen informatie vereisen vanuit eerdere oplossingen. HPC helpt waar we meerdere sets van parameters parallel draaien.’
