micro-electro- mechanical sensors · environmental unit bme280 relative humidity, dew point,...
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18.05.2017
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Bosch Sensortec | Marketing | 23.06.2016
© Bosch Sensortec GmbH 2016. Alle Rechte vorbehalten, auch bzgl. jeder Verfügung, Verwertung, Reproduktion, Bearbeitung, Weitergabe sowie für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen. 1
MICRO-ELECTRO-MECHANICAL SENSORS: TECHNOLOGIES, APPLICATIONS AND TRENDS
Bosch Sensortec | Marketing | 23.06.2016
© Bosch Sensortec GmbH 2016. Alle Rechte vorbehalten, auch bzgl. jeder Verfügung, Verwertung, Reproduktion, Bearbeitung, Weitergabe sowie für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen. 2
CONTENT
01
02
03
04
CONTEXT | WHO WE ARE
PASSION | WHAT WE DO
APPLICATIONS & SOFTWARE | WHAT WE ENABLE
IOT | WHAT WE URGE TO IMPROVE
01
CONTEXT
WHO WE ARE
Bosch Sensortec | Marketing | 23.06.2016
© Bosch Sensortec GmbH 2016. Alle Rechte vorbehalten, auch bzgl. jeder Verfügung, Verwertung, Reproduktion, Bearbeitung, Weitergabe sowie für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen. 4
What are MEMS? Micro-Electro-Mechanical Systems
► MEMS are miniature systems that combine tiny mechanical structures with electronic circuits. Typical individual structures have a size of a few µm.
► The MEMS sensor element is usually packaged together with an ASIC and made into one unit, e.g. into a LGA package.
1
2 5
4
3
MEMS
ASIC
Decoupling unit
Bonding wires
Printed circuit board (PCB)
1
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3
4
5 2.5 mm
2.5 mm
0.93 mm
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Bosch is the #1 MEMS sensor supplier worldwide
► Start of MEMS production in 1995
► Over 7 billion MEMS sensors produced
► More than 1,000 MEMS patents
► 100 % in-house from MEMS design to manufacturing
MEMS Pioneer
► Technology leadership for MEMS solutions:Driving technology roadmaps with in-house technologies
► Global support & systems capabilities:Support beyond component supply (in hardware & software)
► Supply capability & reliability:Capacity, volumes of scale, proven processes,industry’s best reliability
Value Proposition
Bosch Sensortec | Marketing | 23.06.2016
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Consumer MEMS success story
2005
2006
2007
2008
2009
2010
2011
2012
2013
2014
2015
First acceleration sensor
World’s smallest digital pressure sensor
World’s smallest digital acceleration sensor
Full portfolio of acceleration and pressure sensors
First 2x2 mm2 acceleration sensor
3x3 mm² eCompass
World’s smallest gyroscope in 3x3 mm³
Sensor system with µController
Ultra low power IMU
Smart sensor hubs
2016 Intelligent acceleration sensor
Vital sensor hubs
World’s first indoor air quality sensor
World’s smallest 9-axis sensor
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Yearly volume increase of MEMS production
Acc
um
ula
ted
sen
sor
pro
du
ctio
n (
mio
)
7,000
6,000
5,000
4,000
3,000
2,000
1,000
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Size & Power Continuous shrinking of sensor footprint / size of accelerometers
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20
40
60
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100
120
140
1995 2000 2005 2010 2015
Pa
ckag
e fo
otp
rin
t (m
m²)
Automotive CE
PLCC28 (Automotive)
1996
SOIC16w (Automotive)
2002
4x4 QFN (CE)
2006
SOIC14n (Automotive)
2006
3x3 QFN (CE)
2007
2x2 LGA (CE)
2010
1.2x1.5 LGA (CE)
2013
SOIC8 (Automotive)
2010
….
3-axis accel: only 1.2mm x 1.5mm x 0.8mm
~12,5mm x 10.5mm x 4mm
Bosch Sensortec | Marketing | 04/25/2017
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Size & power BMI160 (2nd gen. IMU) – best-in-class IMU!
current: 5 mA
noise: typ. 0.015 °/s/rt(Hz)
950 µA typ.
typ. 0.008 °/s/rt(Hz)
BMI055 BMI160
Key to success: systems engineering, MEMS & ASIC design
new MEMS design
Bosch proprietary structure
(Ohms et al. US20110132087 A1)
X Y
Z
Drive
Drive
new system / ASIC concept
(CR/RTC-NA, BST/EIC)
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PASSION WHAT WE DO
Bosch Sensortec | Marketing | 04/25/2017
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Today’s state-of-the-art portfolio
Inertial Sensors Environmental Sensors Smart Sensors Optical Microsystems
5.9
6 m
m
Size / power
Continue shrinking of sensor footprint / size and power consumption (e.g. accelerometer)
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Old challenge Shrinking the size / power consumption of components
Bosch Sensortec | Marketing | 31 Oct 2016
Size alone is not an enabler anymore… but functional density increases
18.05.2017
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Bosch Sensortec | BST/EAS1 | 31 Oct 2016
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Sensor Data Fusion
Each sensor has shortcomings – Sensor Fusion can compensate it.
Sensor Weakness Compensation
Accelerometer Measures total acceleration (incl.
gravity).
Can only detect gravity at rest.
Gyroscope used to separate static and dynamic
acceleration.
Magnetometer Sensitive to everyday magnetic
distortions.
Unaware of orientation in 3D-space.
Gyroscope used to detect magnetic distortions =>
Robust heading.
Accelerometer used to compensate tilt in 3D
space.
Gyroscope Long term drift due to integration
errors.
Measures only relative changes.
Use accelerometer stability to detect rest position
=> compensation.
Use undistorted magnetic sensor as reference
heading.
Static acceleration Acceleration due to gravity when the device is under no motion Dynamic acceleration – Acceleration due to external force (exclusive of gravitational force)
Total acceleration – Static acceleration + Dynamic acceleration
Strengths and shortcomings of individual sensors
03
SOFTWARE & APPLICATIONS WHAT WE ENABLE
Bosch Sensortec | BST/EAS1 | 31 Oct 2016
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Sensor Data Fusion From signals to sense
Analog signal
Digital signal
Filtering, preprocessing
Feature extraction (interrupts, steps, …)
Classification
Bosch Sensortec | Marketing | 04/25/2017
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Application of sensor fusion
MEMS and SW are enabler for intuitive and realistic HMI realization
User interface
► Tap control
► Gaming input
► Menu navigation
► Voice/ speech recognition
► Gesture recognition
Motion detection
► Step counting
► Activity monitoring
► Power management
Position detection
► Upside down
► Portrait / landscape
► Free speech profile
Pedestrian navigation
► Speed & distance estimation
► Altitude detection
► Location based services
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BSX FusionLib software
Bosch Sensortec | Department | 31 Oct 2016
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Pedestrian navigation
Good GPS reception
GPS navigation and
sensors calibration
Poor GPS reception
Blending Sensors and GPS
data
No GPS reception
Sensor data only
Sensor Data Fusion
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Sensors & Functions
Indoor navigation – inertial and pressure sensors
Acceleration
Geomagnetic
Gyroscope
Barometric air pressure
Low power consumption
Applications
► Step counter and dynamic
orientation
► Path integration
► Pedestrian dead reckoning
Benefits
Navigation in shopping malls,
public areas, parking structures, etc.
Height
Path
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BSH-Software
Algorithm Software to calculate the ambiente temperature with the Integrated
Environmental Unit BME280
Relative humidity, dew point, temperature, pressure and
true altitude measurements
Graph
Humidity and temperature measurement over time
Personal weather station
Precise altitude detection as influences of weather changes are considered
Cloud-based environment monitoring enabled by active app users
Comfort zone (well-being assistant)
Display of current indoor climate vs. recommended comfort zone
Determinants: temperature, air circulation and relative humidity
Relative humidity, dew point, temperature, pressure and true altitude measurements
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0.65 mm 2 mm
2 mm
0.95 mm
Bosch Sensortec’s first standalone accelerometers
with embedded intelligence
The intelligent features enable innovative
applications
while minimizing power consumption
New generation of
intelligent accelerometers
Smart Sensors BMA422 & BMA455
Accelerometer
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For wearables
►Motion detection for power saving
►Power down/off when device not used/moving
►Orientation detection
►Display orientation
►3D device orientation*
►Motion measurement
►Step-counting
►Activity recognition, e.g. walking, running
►Advanced activity, e.g. yoga, meditation, push ups, weight lifting…
* in combination with gyroscope and geo-magnetic sensor
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New challenge Data fusion at lowest power
Smart Sensor Hub BHI160
► 3 x 3 x 0.95 mm3
► 32-bit floating-point microcontroller (optimized for sensor fusion)
► 96 kByte ROM, 48 kByte RAM
► 30 µA step detector / 1.59 mA full 9DoF Fusion @100Hz
Performance output ready to use
► Quaternion
► Linear acceleration
► Rotation
► Gravity
► Robust heading
► eCompass fast calibration
► Step counter
► Activity monitoring & interrupt
► Significant motion detection Bosch Sensortec | | 31 Oct 2016 Bosch Sensortec | Marketing | 23.06.2016
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Advanced use cases are enabled by sensor systems
► Indoor navigation
► Augmented reality
► Location-based services
► Well-being recommendations
► Activity monitoring
► Step counting
► Significant motion
► User interface
► Gaming
► Image stabilization
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More use cases than just portrait / landscape
Outdoor Context Fitness Wellness
Outdoor
► GPS
Indoor
► Step count & heading
► Localization
► Improve with pressure
User’s context
► In a meeting
► Outside
► Sitting and eating
► Watching TV
► Activity recognition
Sports trainer
► Step counter
► Fitness level
► Calorie monitoring
► Swimming
► Running
► Snowboarding
► Climbing
Well-being
► Sleep monitoring
► Activity
► Socializing
Stress monitoring
► Speaker assistant
► Stress level
04
IOT WHAT WE URGE TO IMPROVE
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Multitude of devices
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Internet of Things – Making objects smart
Wireless connected smart sensors and actuators are enabling the IoT
MEMS Sensors
Micro-Controller
Connectivity
Embedded Software
Power Management
Small Form Factor
IoT means products enabled by connectivity and sensors to communicate with/via the Internet
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Tomorrow’s challenge Cross domain solutions
Ap
plicati
on
do
main
S
en
so
r N
od
e
Smart home: heating systems
Smart home: surveillance systems
Connected vehicles Body area
network
Low power (Integrated power
management)
Wireless interface (Network Capability)
Integrated function (Algos & Software)
FOTA capable (Firmware Over The
Air update)
Efficient module (integrates all, but only
needed functions)
Bosch Sensortec | | 31 Oct 2016
The internet of things and service
Bosch Sensortec | | 31 Oct 2016
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Position of Bosch in IoT – innovation cluster
Connected Mobility
Connected Energy Connected Building Connected Industry
Bosch Software Innovations
Bosch Connected Devices and Solutions
Retrofit eCall
Cross-domain development kit
Transport data logger
Parking sensor
18.05.2017
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Bosch Sensortec | Marketing | 23.06.2016
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SENSING OUR WORLD
Bosch Sensortec
Bosch Sensortec | Marketing | 04/25/2017
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Global presence – 14 locations in 8 different countries Kusterdingen
Germany Munich Germany
Dresden Germany
Beijing China
Seoul Korea
Tokyo Japan
Suzhou/Shanghai China
Taipei Taiwan
Shenzhen China
Coimbatore India
Palo Alto USA
Mount Prospect USA
Milan Italy
Hong Kong China
TODAY, THREE OUT OF FOUR SMART PHONES WORLDWIDE USE BOSCH SENSORTEC SENSORS.