Naarmate apparaten kleiner, slimmer en complexer worden, worden systeemprestaties en betrouwbaarheid steeds meer door sensortechnologie bepaald. MEMS spelen daar een belangrijke, maar vaak onderschatte rol in. Voor ingenieurs is een degelijk begrip van MEMS zeer belangrijk voor het ontwerp, de integratie en de aanpassing van toekomstige systemen.
Micro-elektromechanische systemen (MEMS) voeden stilletjes de apparaten die we dagelijks gebruiken, van smartphones tot auto’s en medische systemen. MEMS spelen een belangrijke rol in toepassingen waar standaard, kant-en-klaar sensoren onvoldoende zijn. Michael Kraft, hoogleraar aan de Universiteit Leuven, wijst op medische toepassingen zoals piëzo-elektrische micro-gemachineerde ultrasone transducers (PMUT’s), die omvangrijke, door hoge spanning aangestuurde ultrasone transducers vervangen door MEMS-gebaseerde arrays van microscopische piëzo-elektrische membranen. Deze aanpak maakt wellicht handmatige echoapparaten mogelijk.
Kraft benadrukt ook neurale technologieën, waaronder implanteerbare elektrodearrays die ontworpen zijn om met de hersenen te communiceren: ‘Er lopen momenteel klinische onderzoeken gericht op het stimuleren van de visuele cortex bij blinden. Ik zou niet zeggen dat het zicht volledig hersteld kan worden voor deze patiënten, maar dankzij MEMS kunnen ze weer enige waarneming van het zicht krijgen.’
Kraft is opgeleid als elektrotechnisch ingenieur en heeft gewerkt aan toonaangevende universiteiten, waaronder de universiteiten van Southampton en Luik in Europa en Berkeley in de Verenigde Staten. Hij is sinds eind jaren negentig actief met MEMS. In Leuven leidt hij momenteel onderzoek naar micro- en nanosystemen, beheert hij de universiteitscleanroom en werkt hij samen met praktische teams die MEMS-apparaten ontwikkelen en fabriceren in samenwerking met industriële partners.
Kleine transducer
‘Een MEMS-sensor is in wezen een transducer’, legt Kraft uit. ‘Het zet fysieke informatie om in een elektrisch signaal. Hoewel de onderliggende natuurkundige principes complex kunnen zijn, is de basis vaak verrassend intuïtief.’
Bijvoorbeeld, binnenin de sensor van een versnellingsmeter wordt aan microscopische veren binnen een siliciumstructuur een kleine massa opgehangen. Wanneer het apparaat versnelt, beweegt de massa licht. Deze beweging verandert het elektrische signaal tussen elektroden. Dit signaal wordt vervolgens verwerkt door een geïntegreerde schakeling.
Hoewel de beweging slechts enkele picometers kan zijn, kleiner dan een enkel atoom, is het effect meetbaar en herhaalbaar. Dit is wat een smartphone in staat stelt oriëntatieveranderingen te detecteren, of waardoor een voertuig snelle vertraging in een airbagsysteem kan detecteren.
Belangrijk is dat de zichtbare chip slechts een deel van het systeem is. Een compleet MEMS-apparaat integreert het mechanische sensorelement, applicatiespecifieke geïntegreerde circuits (ASIC), elektrische verbindingen en beschermende pakking. Samen vormt dit een miniatuursysteem dat de fysieke en digitale wereld met elkaar verbindt.
De kleine schaal die MEMS zo krachtig maakt, maakt het ook moeilijk om deze te ontwerpen. Een druksensormembraan kan slechts enkele picometers afbuigen als reactie op een betekenisvol signaal. Met technologie kunnen zulke minieme variaties in geometrie, materiaaleigenschappen of productieprocessen de prestaties aanzienlijk beïnvloeden.
Kraft biedt een driedaagse introductiecursus MEMS aan via High Tech Institute: ’Micro-Electro-Mechanical Systems.’ Deze training behandelt de algemene aspecten van MEMS alsook de transductieprincipes voor fysieke sensoren. ‘Denk aan versnellingsmeters, gyroscopen, druksensoren, resonantie-sensoren.’ Volgens Kraft is deze cursus ideaal voor cursisten die net beginnen met MEMS of op zoek zijn naar een opfriscursus van de basisprincipes.
Naast deze basis is er op aanvraag een tweede training beschikbaar voor meer ervaren deelnemers. Deze cursus is afgestemd op de expertise en interesses van de deelnemers en kan zich richten op geselecteerde onderwerpen, zoals piëzo-elektrische apparaten, traagheidssensoren, resonantie-sensoren, geavanceerde technologie of opkomende ontwerpbenaderingen.
MEMS-innovatie
Vooruitkijkend ziet Kraft sterke groei, gedreven door data-intensieve technologieën zoals AI en robotica, waar kleine, energiezuinige en schaalbare sensoren essentieel zijn. ‘Sensoren detecteren onbevooroordeelde, realistische data, en MEMS-apparaten zijn daar goed geschikt voor omdat ze klein, energiezuinig en schaalbaar zijn.’
Hij identificeert ook infrasoon geluid, wat verwijst naar geluidsgolven ruim onder de 20 hertz geluid, als een opkomend domein. De toepassingen variëren hier van vroegtijdige waarschuwingssystemen voor aardbevingen en uitbarstingen van vulkanen tot beveiligingsmonitoring. De infrasone sensoren van tegenwoordig zijn omvangrijk en duur, maar MEMS-gebaseerde miniaturisatie zou goedkope, gedistribueerde sensing op schaal mogelijk kunnen maken.
‘Het behouden van Europa’s sterke positie in MEMS’, betoogt Kraft, ‘vereist voortdurende investeringen en training.’ De cursussen van Kraft aan het High Tech Institute, die aan de voorhoede staan van de huidige MEMS-technologie, helpen ingenieurs en bedrijven de kennis op te bouwen die nodig is om opkomende ideeën om te zetten in praktische, concurrerende sensoroplossingen, terwijl ze de langetermijnexpertise van Europa op dit gebied versterken.
Dit artikel werd geschreven in nauwe samenwerking met High Tech Institute.
