Luchtdemper op microniveau

16

WETENSCHAP

& O N D E R ZO E K

Zeer gevoelige trillingsmetingen dankzij elektromechanische microstructuren

Luchtdemper op microniveau

Trillingen door verkeer en bouwwerkzaamheden kunnen (monumentale) panden blijvend beschadigen. Laagfrequente trillingen kunnen een aardbeving aankondigen. En de

dat het implantaat begint los te laten. Het is dus belangrijk om subtiele trillingen te kunnen meten. Traditionele

Foto: Piet Musters

trillingskarakteristiek van een heup-implantaat verraadt Monumentale grachtenpanden worden in toenemende mate belast door verkeer en naburige bouwwerkzaamheden. Vibratieanalyse zou een tijdige detectie van overbelasting mogelijk maken, waardoor scheuren en scheefstand voorkomen kan worden.

trillingssensoren zetten een mechanisch signaal via versterkers

De ontwikkeling van de moderne chiptechnologie heeft niet alleen geleid tot steeds kleinere elektronische structuren op chips. Dezelfde techniek waarmee transistoren in silicium worden geëtst, kan ook worden toegepast voor het etsen van mechanische patronen. Gaten en bruggetjes maken in plaats van transistoren, zeg maar. Tussen 1985 en 1995 heeft deze ontwikkeling geleid tot een nieuw onderzoeksgebied: MicroElektroMechanische Systemen ofwel mems. Structuren van mems bestrijken een gebied kleiner dan een vierkante millimeter en ze integreren mechanische én elektrische componenten. De basistechniek van het etsen van micro-elektromechanische structuren mag dan al meer dan tien jaar geleden zijn ontwikkeld, de technische potentie die mems biedt is nog maar nauwelijks aangeboord.

om in een elektrisch signaal dat vervolgens wordt versterkt en verwerkt. Omdat de elektrische ruis in zo’n meetsysteem bijna altijd groter is dan de mechanische, vallen subtiele mechanische trillingen meestal niet te waar te nemen. Delftse onderzoekers hebben nu een microelektromechanische structuur ontworpen die juist wel

Veel ontwikkelingen gaan nog eerder via een pragmatische trial-and-erroraanpak dan via fundamentele kennis. Juist aan dat laatste probeert de onderzoeksgroep van dr. ir. Reinoud Wolffenbuttel iets te doen. Wolffenbuttel is onderzoeker bij de afdeling Micro-elektronica van de faculteit Elektrotechniek Wiskunde en Informatica (ewi) van de TU Delft. Hij begon in 1991 met steun van de Stichting Technische Wetenschappen (stw) onderzoek naar de fundamentele eigenschappen van mems-structuren. Sinds 1991 hebben drie promovendi gewerkt aan een analyse van statische en dynamische mems-structuren. De derde uit deze rij, de Portugees Luis Rocha, promoveerde onlangs cum laude op de dynamische analyse van de elektromechanische koppeling in een memsstructuur. Wolffenbuttel: ‘In eerste instantie ging het onderzoek voornamelijk om het ontwikkelen van de techniek om mems-componenten te maken, maar inmiddels

mechanische ruis kan meten. De truc zit in het omzeilen van de elektrische ruis door de mechanische microstructuur actief elektrisch aan te sturen. Dat biedt nieuwe mogelijkheden voor het gevoelig, flexibel en energie-arm meten van trillingen.

Bennie Mols •

2005.1


WETENSCHAP

17

& O N D E R ZO E K

zijn die technieken volwassen geworden. Dat geldt echter niet voor de mems die er mee worden gemaakt. Te vaak worden de sensor en de circuits voor uitlezing netjes naast elkaar op de chip geplaatst en wordt geen gebruik gemaakt van het enorme potentieel dat de hechte koppeling van die twee op een zo kleine drager kunnen bieden. De elektronica kan de micromechanische structuur zodanig aansturen dat de structuur een nieuwe functie krijgt. Dat is nu een van de kernen van ons onderzoek en we noemen dat adaptieve micromechanica.’ Daarnaast was het in die beginfase al duidelijk dat de toepassing van elektrostatische krachten in mems-structuren interessante nieuwe sensormogelijkheden biedt. Wolffenbuttel: ‘Ons fundamentele onderzoek van het afgelopen decennium laat talloze nieuwe mogelijkheden zien. Aan de ene kant voor het zeer gevoelig meten van versnellingen. Aan de andere kant voor het meten van een trillingsspectrum in een systeem met een zeer gering energieverbruik, zoals bijvoorbeeld bij het meten van trillingen in gebouwen.’

Elektrostatische krachten werden reeds toegepast in voltmeters. Door de elektrostatische kracht worden de vinnen in elkaar getrokken totdat er krachtenevenwicht ontstaat met een veer. De evenwichtspositie word via een wijzer aangegeven.

Klassieke elektrostatische voltmeter Een klassiek voorbeeld van de toepassing van elektrostatica is de meer dan een eeuw oude elektrostatische voltmeter. Wanneer er een spanning komt te staan over twee beweegbare, elektrisch geleidende, maar van elkaar gescheiden platen, dan trekken de platen elkaar aan en bewegen naar elkaar toe. Het is in feite een condensator met bewegende platen. Door de platen met een soort van horlogeveertje te verbinden, ontstaat er een krachtenevenwicht tussen elektrische kracht en veerkracht. Wordt het veertje op zijn beurt verbonden met een wijzer, dan kan een geijkte wijzeruitslag aangeven hoe groot het aangebrachte spanningsverschil is. Een eenvoudige voltmeter dus. Het probleem is echter dat voor het opwekken van een redelijke elektrostatische kracht een spanning van al snel een paar volt nodig is. Kleine spanningen meten – in de orde van millivolts – kan de elektrostatische voltmeter dus niet. Toepassing van klassieke fijnmechanica heeft de afstanden tussen de platen in de vorige eeuw weliswaar kunnen verkleinen, maar nooit tot afstanden kleiner dan een millimeter. De micromechanica die in de jaren negentig is ontwikkeld, kan echter zelfs afstanden van minder dan één micrometer fabriceren. Dat biedt ineens wel de mogelijkheid om elektrische spanningen kleiner dan een millivolt te meten.

Typisch voorbeeld van een zeer complexe microstructuur. De beweegbare mechanische structuren zijngerealiseerd in meerdere lagen met behulp van MEMS-processen. Dit is het resultaat van een proces zoals ontwikkeld door het Amerikaanse onderzoeksinstituut Sandia. (Bron: www.sandia.gov)

Doorslagspanning Er is nog een tweede groot voordeel van die micrometerafstanden. Conventionele toepassingen van de elektrostatica in sensoren werden altijd beperkt door de elektrische doorslagspanning. Op een gegeven moment slaan er vonken over tussen de platen. De condensator slaat door. Dat beperkt het dynamisch bereik: het verschil tussen de maximaal meetbare spanning (waarboven doorslag ontstaat) en de minimaal benodigde spanning om het apparaat te laten werken. Micromechanica kan echter zulke kleine afstanden tussen de platen maken, dat een ander fenomeen een rol gaat spelen. De doorslagspanning hangt af van het aantal ionen in de lucht tussen de platen. Het is al langer bekend dat hoe minder ionen er tussen de platen zitten des te hoger de doorslagspanning wordt. Het is dan immers lastiger voor de elektronen om een geleidend pad te vinden van de ene naar de andere plaat. Dat effect treedt niet alleen op door een lagere luchtdruk, maar ook bij afstanden zo klein als micrometers. De doorslagspanning bij een opening van enkele micrometers wordt nu ineens honderd miljoen volt per meter. Zo’n hoge spanning wordt in de praktijk nooit bereikt, zodat bij een MEMS-structuur de elektrische doorslag geen beperkende limiet meer is, zoals dat in het fijnmechanica-tijdperk nog wel was.

Adaptieve spiegel op een chip van 10 x 10 mm is in 1996 ontworpen door dr. Gleb Vdovin van de Delftse faculteit EWI. De holling van het spiegelende membraan wordt bepaald door de actuatoren die er in cirkelvorm onder liggen. Door de elektrische spanning op de actuatoren te variëren, wordt hun aantrekkingskracht op het membraan groter of kleiner.

2005.1

(Foto SKF)

Inklappen Helaas ontstaat er bij micrometerafstanden tussen de platen wel een nieuwe limiet: de inklapspanning. Zodra de platen in een MEMScondensator over een afstand van eenderde van de oorspronkelijke verwijderingsafstand naar elkaar toe zijn gekomen, kan de veerkracht de aantrekkende elektrische kracht tussen de platen niet meer compenseren en klappen de platen tegen elkaar aan. Het statische systeem is intrinsiek instabiel en daar valt niets aan te veranderen. Dat was bij het oude systeem ook al het geval, maar daarbij was de doorslagspanning eerder bereikt dan de inklapspanning. Men had er in de praktijk dus nooit last van, hoewel men wel van die limiet wist. ‘Een op het eerste gezicht prachtige toepassing heeft zo toch een flinke inherente beperking’, zegt Wolffenbuttel. ‘Door de inklapspanning kun je

SKF is vooral bekend als fabrikant van kogellagers, maar dit bedrijf ontwikkeld zich steeds meer als leverancier van producten voor conditiebewaking van machines en industriële installaties. Door vibraties te meten en analyses los te laten op het gemeten spectrum kan slijtage tijdig worden herkend en preventief onderhoud worden gepleegd.

•

18

WETENSCHAP

& O N D E R ZO E K


zo’n variabele condensator maar over dertig procent van zijn bereik variëren in plaats van over de volle honderd procent. Dat beperkt ook de mogelijke toepassingen. Wij zijn op zoek gegaan naar een manier om die limiet te omzeilen. Kunnen we toch niet op een of andere manier die hele afstand tussen de platen benutten in plaats van alleen eenderde?’

Versnellingssensor van een airbagsysteem van het Noorse bedrijf SensoNor. De sensor is in 1999 ontworpen door de Delftse vakgroep Elektronica. Bij

Wisselspanning versus gelijkspanning Het bedienen van de gestuurde condensator met een gelijkspanning, zoals de huidige praktijk, is dus fundamenteel beperkt. Daar valt niks meer te winnen. ‘Maar door de MEMS-condensator met een wisselspanning te bedrijven, zouden er wel eens hele andere krachtenevenwichten kunnen ontstaan, zo was ons idee’, zegt de Delftse elektrotechnicus. ‘Dan gaan dempingskrachten en traagheidskrachten een rol spelen.’ De elektrostatisch gestuurde condensator is eigenlijk een massa-veersysteem in een gedempte omgeving. De demping ontstaat doordat er lucht tussen de platen zit. In een statisch systeem speelt de lucht geen rol van betekenis, maar in een dynamisch systeem, dat in de tijd oscilleert, wel. Het aansturen van dezelfde condensator met een wisselspanning in plaats van met een gelijkspanning zet de platen namelijk in een dynamische beweging. Wanneer de platen naar elkaar toe bewegen, wordt er lucht weggedrukt, en wanneer de platen van elkaar af bewegen, wordt lucht naar binnen gezogen. ‘Wanneer de lucht als een dempende kracht wel een rol gaat spelen’, legt Wolffenbuttel uit, ‘dan ontstaat er iets interessants. Stel dat de spanning iets groter is dan de inklapspanning voor het statische systeem. In een met gelijkspanning gestuurde condensator klappen de platen dan tegen elkaar. Maar wanneer je de condensator met een wisselspanning aanstuurt, neemt de demping toe naar mate de snelheid waarmee de platen naar elkaar toe bewegen hoger wordt. Daardoor worden de platen juist afgeremd. Gedurende een relatief lange tijd – iets van een paar tot tientallen milliseconden – staan de platen bijna stil. De platen bewegen alleen maar heel langzaam naar elkaar. Dat is een geheel nieuw fenomeen. We noemen dat het metastabiele gebied. Het is als een stok die je verticaal op een tafel zet. Hij zal gaan omvallen, maar blijft even staan en het moment van omvallen kun je bespoedigen door een klein tikje.’

dit systeem zitten de sensor en de uitleeselektronica op aparte chips. (Afbeelding: SensoNor)

Basisprincipe van een condensator. Wanneer over twee geleidende platen een elektrische spanning wordt aangebracht, ontstaat er een ladingsverschil. Wanneer een van de platen beweegbaar wordt opgehangen, wordt deze door het elektrostatische veld aangetrokken en bewegen de platen naar elkaar toe. Het principe van ladingsverschil worden al heel lang toegepast in elektrische circuits, onder meer als afstemcondensator in radio en televisie. a)

Toestand van een silicium microbalkje voor en na aansluiten van een elektri-

+ V=0 V

-

stopper

sche spanning tussen balk en bodemplaat. Zonder span-

b)

V>Vpi

+ V

-

ning staat de balk parallel aan de bodemplaat. Na aansluiten

F

van een spanning wordt de stopper

Grote effecten Het metastabiele gebied biedt geheel nieuwe toepassingsmogelijkheden. Wolffenbuttel: ‘Effecten van kleine verstoringen zijn in het metastabiele gebied groot. Dat biedt bijvoorbeeld de unieke mogelijkheid om kleine trillingen te meten, door die minieme trillingen als verstoringen aan te bieden aan een met een wisselspanning gestuurde mems-condensator. Promovendus Luis Rocha heeft dat principe aangetoond. We hebben de platen voorzien van stoppers, micro-afstandhouders, zodat de platen niet kapot slaan wanneer ze tegen elkaar botsen. Eén meting vertelt nog niets zinvols, maar we kunnen de inklaptijd honderdduizenden keren meten. Dat levert uiteindelijk een statistische bepaling van de mechanische ruiskracht. Een frequentiespectrum dus. Precies wat nodig is om subtiele mechanische trillingen te analyseren.’ Het unieke karakter van dit meetsysteem ontstaat door het feit dat bij de tegenwoordige versnellingsopnemers, die mechanische trillingen meten, de elektrische ruis van de uitleeselektronica altijd groter is dan de mechanische ruis. Dergelijke opnemers zijn dus in het geheel niet in staat subtiele mechanische trillingen te meten, terwijl er wel degelijk omstandigheden zijn waarin je dat wilt.

balk door elektrostatische naar beneden getrokken. In

geval van een spanning groter dan het inklapniveau is de veerkracht van de balk is niet genoeg om een evenwicht tussen verkracht en elektrostatische kracht te realiseren en de balk klapt in tot op de bodemplaat.

Om gebruik te kunnen maken van het inklapeffect is een speciale structuur ontworpen door dr. Luis Rocha. De verticale kolom kan in de verticale richting van de tekening over een bodemplaat heen en weer bewegen. De bovenste

‘Via de omweg van het metastabiele gebied kunnen wij die mechanische ruis wel meten’, zegt Wolffenbuttel. ‘Bijna iedereen bestudeert alleen het statische gedrag van deze systemen, maar omdat wij het dynamische gedrag bekijken, zijn we op nieuwe toepassingsmogelijkheden gestuit.

en onderste delen vormen de verende ophanging. In het midden zijn aan weerszijden van de centrale kolom vier elektroden op de bodemplaat

Doorbraak Het doen van mechanische ruismetingen is de eerste nieuwe toepassingsmogelijkheid die Wolffenbuttel voor ogen heeft. Een tweede nieuwe toepassingsmogelijkheid van een dynamische mems ontstaat doordat de met een wisselspanning gestuurde condensator het wel mogelijk maakt om de platen over de hele oorspronkelijke verwijderingsafstand te bewegen, in plaats van alleen over eenderde deel van dat bereik. Wolffenbuttel: ‘Wanneer we de platen tot tweederde van de afstand willen laten komen, dan bieden we een spanning aan waarmee de platen op die afstand

aangebracht (blauw). De andere elektrode (rood) zit dwars op de beweegbare kolom. Door nu op de juiste wijze elektrische spanningen aan te bieden, kan de rode elektrode heel nauwkeurig tussen de statische elektroden worden gestuurd. Dezelfde elektroden kunnen ook worden toegepast voor het capacitief meten van de verplaatsing. Het sturen en meten kan tegelijkertijd gebeuren, omdat de beide op verschillende frequenties gebeuren.

•

2005.1


WETENSCHAP

19

& O N D E R ZO E K

uitkomen. We kunnen er met een wisselspanning voor zorgen dat de platen in het metastabiele gebied terecht komen. Op het moment dat de platen toch tegen elkaar willen klappen, halen we de spanning weg. Door de traagheid schieten de platen nog een beetje door, maar daarna willen ze weer terugveren. De zuigende werking van de lucht werkt dat echter tegen, en op dat moment zetten we de spanning weer aan. Die truc kunnen we blijven herhalen. Het resultaat is dat de platen een soort schommelbeweging gaan uitvoeren rond de positie die je van tevoren instelt. Dat gebeurt door een precies bepaalde spanning aan te bieden. De doorbraak die we daarmee hebben bereikt, is dat we de platen nu wel op elke gewenste positie kunnen brengen door op het juiste moment de spanning aan- en uit te schakelen. We hebben nu de hele afstand tot onze beschikking en daarmee een veel groter meetbereik.’

movable arm

fixed arm

B

A

2mm

fixed arm

te tra bs su

Close-up van een set van elektroden uit de vorige afbeelding. De ruimte tussen de elektroden op de bodemplaat vormen een soort kanaal. De luchtdempingskrachten in zo'n nauw kanaal zijn op

Amerikaanse standaard Dit principe kan verschillende toepassingen hebben. Voor mobiele telefoons zou het bijvoorbeeld handig zijn om één elektrostatisch gestuurde condensator te hebben die een groot frequentiebereik aankan, in plaats van meerdere condensatoren. Het liefst willen fabrikanten met één enkele set filters zowel de Amerikaanse als de Europese standaard bereiken, dus zowel de 900 MHz-band, de 1,8 GHz-band en de 1,9 GHz-band. Op het moment dat de microscopische condensatorplaten elke willekeurige afstand kunnen halen, dan kan zo’n dynamische mems ook dienst doen als schakelaar in een glasvezelnetwerk, wanneer er tussen verschillende vezels moet worden geschakeld. Het is dan een schakelaar die verschillende discrete vaste standen kan aannemen. Hoe groter de uitslag die de schakelende vezel kan maken, hoe meer kanalen het systeem met één schakelaar kan bereiken.

niet-lineaire wijze afhankelijk van de positie van de bewegende elektroden. Om meer inzicht te krijgen

microstructuren uit silicium. Bij dit ontwerp

in het dempingsgedrag zijn numerieke simulaties

zijn de stuur- en meetelektroden van elkaar

nodig. Hiervoor is een model van de structuur

gescheiden.

nodig. Deze figuur toont het basiselement dat voor de simulaties is gebruikt. De werkelijke structuur is een aaneenschakeling van deze basiselementen.

Precieze trillingsmetingen Er is ook nog een derde nieuwe toepassingsmogelijkheid. Wolffenbuttel: ‘Wanneer we erin slagen om de platen door een goed gekozen elektrische aansturing een mooie sinusvormige beweging te laten uitvoeren, dan kunnen we opeens heel gevoelige mechanische metingen doen rondom diezelfde frequentie. Denk bijvoorbeeld aan het meten aan een versnellingsbak. Bovendien kunnen we ook spectrale trillingsmetingen uitvoeren over een breed frequentiespectrum in het mechanische domein door de frequentie van die elektrische aansturing te variëren. Helaas is het verre van triviaal om de actief elektrisch gestuurde platen een mooie sinusvormige beweging te laten uitvoeren.’ Een belangrijke complicatie is de frequentieafhankelijkheid van de dempingskrachten. Wanneer de platen langzaam op en neer bewegen, dan stroomt de lucht tussen de platen gewoon erin of eruit. De lucht gedraagt zich dan niet-samendrukbaar. Maar wanneer de platen snel op en neer bewegen, dan gedraagt de lucht zich niet alleen als een demper, maar tegelijkertijd ook als een veer die een tegenkracht geeft. De compressibiliteit van de lucht wordt dan ineens wel van belang. Dat leidt ertoe dat de elektrische aansturing afhankelijk is van de frequentie van de mechanische trillingen van het apparaat, bijvoorbeeld de versnellingsbak, waaraan je wilt meten. Voor een sinusvormige beweging van de platen over het hele afstandsbereik en over het hele frequentiebereik is daarom een complexe elektrische aansturing nodig. ‘Hoe we dat over de hele oorspronkelijke afstand tussen de platen en over het hele frequentiebereik kunnen doen, gaan dat promovendus Lukas Mol de komende jaren verder onderzoeken’, zegt Wolffenbuttel. ‘De eerste experimenten die hij het afgelopen half jaar nog als afstudeerder heeft gedaan, geven ons wel het vertrouwen dat het kan.’ Wanneer het inderdaad lukt, dan kunnen de Delftse onderzoekers een memscomponent maken die in het mechanische domein werkt, en heel selectief de signaalamplitude van een bepaalde frequentie kan meten. Wolffenbuttel: ‘Bij huidige vibratie-analysemeters wordt gedurende een relatief lange tijd naar het signaal gekeken en daaruit wordt dan met behulp van een Fouriertransformatie het frequentiespectrum bepaald. Wanneer je in meer detail een deel van dat spectrum wilt bekijken, dan moet je de meting overdoen en wordt de meetduur nog langer, terwijl je meestal zo snel mogelijk het resultaat van de meting wilt weten. Met die methode kun je dus niet op een efficiënte manier heel precies bij een bepaalde frequentie meten. Wij kunnen dat wel. Bovendien hopen we uiteindelijk ook over een hele brede frequentieband, van enkele honderdsten hertz tot enkele kilohertz, precies te kunnen meten. Dat moet wel met meerdere mems gebeuren, die allemaal een deel van het spectrum voor hun rekening nemen.’ 2005.1

Grafisch ontwerp van een van Luis Rocha's

0

1223

2447

3670

6117 4894 Velocity [mm/s]

7341

8564

9788

11011

Deze dwarsdoorsnede van de vorige afbeelding toont het stroomprofiel van de dempende lucht. De middelste elektrode beweegt van links naar rechts. Aan de pijlen is te zien dat de lucht in de linkergat wordt gezogen en uit het rechterspleet wordt gedrukt. Deze figuur toont het effect van de bodemplaat. Aan de bovenkant kan de lucht vrij worden aangezogen, terwijl de kleine afstand tot de bodemplaat een complicatie geeft van de demping. Microscoopbeeld van de micro-actuator van Rocha.

Een probleem van inklappen is dat daarna de beweegbare elektrode door oppervlaktekrachten op de grondplaat vastplakt. Hierdoor is de structuur na een keer inklappen niet meer te gebruiken. Om dat effect te vermijden worden zogenoemde stoppers toegepast. Met de gekartelde structuur is het contactoppervlak minimaal, waardoor de beweegbare elektrode na wegnemen van de inklapspanning door de veer weer losgetrokken kan worden.

•

20 a) 100 90

Capacitance Changes [%]

Om de symmetrie van de constructie te meten, zijn metingen gedaan waarbij de inklapspanning is bepaald bij verschillende varianten van aansturing: spanning op de vaste elektroden 1, dan spanning op de vaste elektrode

Vr = 1.45V

Vpi = 4.56V

60 50 40 30 20

0

vaste elektroden. Grafische

Increasing Voltage Decreasing Voltage 1

0

4

3

2

Applied Voltage [Volts]

5

7

6

b) 100

weergaven van de gemeten

90

Capacitance Changes [%]

inklapspanning van de microactuator. De bovenste grafiek toont de inklapkarakteristiek bij enkelzijdige aansturing, de onderste toont tweezijdige aansturing.

Increasing Voltage Decreasing Voltage

80 70 60

30

Vr = 1.7V

20

0

Heupimplantaten en monumentale panden Een met een wisselspanning opererende mems kan allerlei medische, aardwetenschappelijke en bouwkundige toepassingen krijgen. Zo heeft Nederland veel monumentale panden die soms last krijgen van scheuren veroorzaakt door trillingen van het verkeer of van nabij gelegen bouwwerkzaamheden. Deze trillingen hebben lage frequenties: tussen 0,01 en 10 hertz. Zorgvuldige vibratie-analyse zou een vroegtijdig alarm kunnen geven voordat er daadwerkelijk scheuren in het gebouw ontstaan. In landen die in een aardbevingszone liggen, kan hetzelfde systeem vroegtijdig waarschuwen voor een aardbeving door trillingen met dergelijke lage frequenties te meten.

Vpi = 5.66V

0

1

3

2

4

Applied Voltage [Volts]

5

6

7

Omdat de afmetingen van de dynamische mems-sensor niet groter zijn dan 1 bij 1 millimeter heeft het een groot toepassingsbereik. In de medische wereld, bijvoorbeeld, liggen toepassingen bij patiënten met een heupimplantaat. Een geïmplanteerd microsysteem op de grens van het implantaat en het bot kan de trillingen meten. Het trillingsspectrum geeft dan een vroegtijdige indicatie als het implantaat toch onverhoopt begint los te laten. Daarnaast zou een dergelijke sensor een rol kunnen spelen bij het onderzoek naar de ziekte van Parkinson, bij de bewegingstherapie tijdens revalidatie en voor het geven van extra informatie voor de aansturing van een pacemaker. Vroegtijdige trillingsdetectie kan dus op diverse terreinen schade voorkomen. Overal waar gevoelige trillingsmetingen over een breed frequentiebereik belangrijk zijn, kan een dynamisch aangestuurde mems een rol spelen. Wolffenbuttel werkt daarom al samen met Melexis, voor toepassingen in de auto-industrie, bijvoorbeeld bij het meten van trillingen in de motor en de versnellingsbak. Net zoals nu al vaak bij vliegtuigen en schepen een vibratiespectrumanalyse wordt gebruikt, kan zo’n analyse ook in de auto-industrie een toepassing vinden. Daarnaast is er samenwerking met Medtronic, een bedrijf dat medische instrumenten, zoals pacemakers maakt. Bij de revalidatie van patiënten kan een nauwkeurige analyse van het trillingsspectrum in de bewegingen van een patiënt behulpzaam zijn bij een verbeterde revalidatietraining. Ook asml, de fabrikant van apparaten die structuren in chips schrijven, en sfk, fabrikant van kogellagers en systemen voor conditiebewaking van machines op basis van vibratiespectra, hebben interesse in het gevoelig analyseren van een trillingsspectrum. Om zeer precies structuren op chips te kunnen schrijven, moeten de lithografie-apparaten immers in een voldoende trillingsvrije omgeving kunnen opereren. Ook hier is het dus belangrijk te weten hoe het trillingsspectrum eruitziet. ‘Veel onderzoeksgroepen zien de mechanische structuur en de elektronica als twee gescheiden werelden’, zegt Wolffenbuttel. ‘Wij bekijken juist de hechte koppeling tussen de mechanica en de elektronica. Dat is het unieke. Commerciële toepassingen zijn er nu nog niet, maar het is duidelijk dat het systeem die wel heeft.’

Luchtdemping werd ook al toegepast in de meetinstrumenten van vroeger. Die demping was nodig om de wijzer van bijvoorbeeld een voltmeter kritisch te dempen. Dat wil zeggen, om in een zo kort mogelijke tijd een stabiele indicatie te verkrijgen.

Blokdiagram van het MEMS systeem waarmee de beweegbare elektrode op dynamische wijze op een willekeurige positie in de luchtspleet tussen de vaste elektrodes geplaatst kan worden. X_ref geeft de

Input Acceleration

MEMS Structure

gewenste positie en Vhigh en

displacement

Input voltage

Vlow de spanningen die dyna-

Reference V high

Switch

x_ref

Comparator

om de beweegbare elektrode rond deze instelling te laten

V low

bewegen.

Mechanical stopper limitation

4 VH

(2 mm)

VRef=1.55V

1.5

1

3

2

Theoretical Pull-In Limitation (0.75 mm)

1

0.5

Structure Displacement Comparator 0

0

0.5

1

1.5 2 Time [ms]

2.5

3

Comparator Output [V]

Readout Output, VD [V]

2


50 40

10

misch worden aangeboden

& O N D E R ZO E K

In de praktijk zijn metingen bij hele lage frequenties moeilijk, omdat er van nature veel ruis in het signaal zit. De uitdaging is nu om de frequentiecomponenten te verschuiven naar een gedeelte van het spectrum waar de elektronische ruis de mechanische trillingen niet langer overstemt. De genoemde vermenigvuldiging van de harmonische beweging van de plaat met een laagfrequente trillingscomponent maakt het mogelijk om die component naar een hogere frequentie te verschuiven, bepaald door de beweging van de plaat. ‘In de telecommunicatie en de instrumentatie is dat een bekende techniek en dat noemen we moduleren of mixen’, zegt Wolffenbuttel. ‘Het bijzondere van dit project is dat we dat in het mechanische domein uitvoeren. Voordat we de elektrische signaalbewerking doen, hebben we het signaal al in veiligheid gebracht. Bij hoge frequenties is de uitdaging geheel anders. Daar moeten we proberen om het probleem van de samendrukbaarheid van de lucht tussen de platen onder controle te krijgen.’

80 70

10

2 en spanning op beide

WETENSCHAP

VL

Voor nadere informatie over dit onderwerp kunt u contact opnemen met dr. ir. Reinoud Wolffenbuttel, tel. (015) 278 6287, e-mail [email protected]

0 3.5

Relatie tussen de aangeboden stuurspanning (blokgolf) en de gemeten positie van de elektrode.

•

2005.1

Luchtdemper op microniveau

Recommend Documents