MEMS-sensoren zijn geïntegreerd in elke smartphone, maar kunnen ook een aanzienlijke rol spelen in de industriële techniek. Door deze sensoren werd onze speelruimte om bepaalde mechanische meetwaarden vast te leggen en zeer snel daarop te reageren sterk uitgebreid. Maar: Welke techniek zit er eigenlijk achter de afkorting MEMS en welke nu nog onbekende mogelijkheden ontstaan door professionele toepassingen door het gebruik ervan?
MEMS-sensoren maken het mogelijk om heel eenvoudig door het draaien van een smartphone de beelduitlijning te wijzigen. Er is nauwelijks iemand die deze functie niet dagelijks gebruikt en daarom niet vertrouwd zou zijn met dit eenvoudige voorbeeld. Aan de andere kant weten maar weinig mensen hoe dit mechanisme werkt en welke verschillende gebruiksmogelijkheden de MEMS-technologie verder nog biedt.
Onmisbaar voor digitalisering
Met name in industriële toepassingen kan MEMS-technologie door datagestuurde productie een belangrijke bijdrage leveren aan de digitale transformatie van de economie. Om productiesystemen een hogere meerwaarde te laten leveren, moeten ze zo veel mogelijk, soms zeer uiteenlopende gegevens met toegevoegde waarde verder verwerken. Als informatiebronnen dienen sensoren en meetopnemers.
Deze leveren aan bovenliggende systemen informatie over fysische grootheden en de toestand van installaties als basis voor beslissingen bij besturing en regeling, evenals voor de bedrijfsvoering en het onderhoud van installaties. Zo kunnen MEMS-sensoren helpen om machinestilstand en kwaliteitsproblemen te voorkomen en door het verhogen van de productie- en energie-efficiëntie de duurzaamheid te verbeteren.
Sensoren met toenemende betekenis
Voor het detecteren en meten van fysische parameters moet de te meten eenheid meestal eerst in een elektrisch signaal worden omgezet. Daarvoor waren in het verleden vaak zeer complexe fijnmechanische constructies nodig. Deze waren vaak groot en duur en verzetten zich daardoor tegen integratie in compacte mechatronische eenheden.
Vooral in de machine- en installatiebouw stuitte de integratie van meer sensortechniek op scepsis, omdat elke extra bron van complexiteit als een potentiële oorzaak van storingen werd beschouwd. Bovendien was de verwerkingscapaciteit van de besturingselektronica beperkt. Inmiddels behoren deze beperkingen tot het verleden.
Niet alleen in de machine- en installatiebouw, maar in het algemeen is inmiddels algemeen geaccepteerd dat verhogingen van de efficiëntie en effectiviteit van apparaten, machines en installaties alleen mogelijk zijn op basis van een bredere gegevensbasis.
Revolutie door micro-elektromechanische systemen
Het veelzijdige gebruik van sensoren wordt mogelijk gemaakt doordat ze steeds kleiner worden uitgevoerd, met name voor driedimensionale metingen die in toepassingen binnen de machinebouw, robotica of in de ruimtevaart nodig zijn. De MEMS-technologie speelt hierbij een leidende rol. MEMS-sensoren zijn extreem klein. Ze kunnen samen met elektronica voor de voorverwerking van de verzamelde gegevens worden geproduceerd en in een uiterst compacte vorm worden aangeboden.
Maar wat is MEMS eigenlijk? De Engelse afkorting ‘MEMS’ staat voor Microelectromechanical Systems, oftewel zeer kleine mechatronische systemen. Ze zijn ontstaan als gevolg van een technologische verandering. Toen de klassieke fijnmechanica ongeveer 40 jaar geleden de grenzen van het fysisch haalbare bereikte, werden de destijds al goed gevestigde productiemethoden van de halfgeleiderindustrie gebruikt om extreem kleine en tegelijkertijd vrij complexe mechanische structuren te produceren.
Dat was het begin van de microsysteemtechniek, die elektronische, mechanische en optische componenten in de meest compacte constructies integreert. Hierdoor werd de productie van extreem kleine microfoons en luidsprekers mogelijk, waardoor praktisch onzichtbare hoortoestellen konden worden gemaakt. Ook werd de productie van minuscule actuatoren mogelijk die weer werden gebruikt voor de productie van pompen die in bloedvaten kunnen worden geplaatst of motoren voor medische doeleinden. Ook de MEMS-technologie is een belangrijke tak van de microsysteemtechniek.
Monolithische productie – MEMS uit één stuk
MEMS-sensoren worden, net als halfgeleiderchips, met etstechnieken gemaakt van siliciumschijven. Bij beide producten wordt het proces met verschillende maskers meerdere keren herhaald om 3D-structuren te genereren. Op die manier kunnen door opeenvolgende materiaalverwijdering structuren worden gecreëerd die bewegende onderdelen bevatten.
Het bijzondere daaraan: Deze onderdelen worden niet zoals vroeger afzonderlijk geproduceerd en vervolgens samengevoegd. Ze worden in het geheel uit één blok gemaakt. Daardoor zijn ze niet alleen veel kleiner. Ook hoeven er geen verbindingen meer te worden gemaakt, of zorgt de subtractieve methode (het verwijderen van alles wat geen deel uitmaakt van de sensor of een dragende hulpstructuur) ervoor dat dit eenvoudiger en nauwkeuriger gebeurt.
Betrouwbare conclusies
Het basisprincipe is hetzelfde voor alle MEMS-sensoren. Ze meten het effect van de meetwaarde op de positie of beweging van starre en bewegende delen ten opzichte van elkaar. Ze worden tijdens het productieproces zo vormgegeven, dat hun oppervlakken samen een condensator vormen. Omdat deze capaciteit gezien de microscopisch kleine afmetingen zeer gering is, worden deze oppervlakken vaak meervoudig (in meerdere eenheden) gerangschikt. Men kan zich dit in principe zo voorstellen alsof twee in elkaar gestoken kammen de elektroden vormen.
Door de onderlinge afstand van de elektroden verandert de capaciteit. Deze kan worden gemeten, en de afwijking ervan ten opzichte van de normale waarde maakt het mogelijk om de relatieve positie van de onderdelen ten opzichte van elkaar af te leiden. Via de traagheid van de massa maakt dit het bijvoorbeeld mogelijk om terug te leiden naar de versnelling waaraan deze opstelling wordt blootgesteld.
Door de materiaaleigenschappen van de gebruikte siliciumkristallen en de toegepaste belichtings- en etstechnieken spelen schommelingen en externe invloeden slechts een ondergeschikte rol. Op deze manier kunnen sensoren worden gemaakt die langdurig een constante hoge meetkwaliteit leveren en betrouwbare conclusies over de mechanische meetwaarden mogelijk maken.
Doorslaand succes
De actieve structuren in MEMS-sensoren kunnen meettechnisch zeer gevoelig worden gerealiseerd. Toch zijn MEMS-sensoren in zeer robuuste, voor de industrie geschikte constructies verkrijgbaar. Omdat een groot deel hiervan niet is uitgerust met vrij bewegende onderdelen en gewrichten, zijn ze ook ongevoelig voor schokken en temperatuurschommelingen.
MEMS-sensoren worden inmiddels zeer veel gebruikt en zijn in veel toepassingen te vinden. De MEMS-technologie wordt vooral gebruikt in acceleratiesensoren en gyroscopen, maar ook voor stroom-, druk-, kantel- en temperatuursensoren en sensoren voor gassamenstelling of luchtkwaliteit. Het is niet altijd duidelijk dat het om MEMS-sensoren gaat. Ze kunnen een diep geïntegreerd onderdeel zijn van complexere elektronische modules of producten, maar ook van industriële meetzenders.
Universele toepasbaarheid
MEMS-sensoren danken hun blijvende succes aan hun uitermate kleine formaat. Bovendien biedt MEMS-technologie de mogelijkheid om op één enkele chip sensoren voor verschillende meetwaarden met complete micro-mechatronische subsystemen te combineren. Doordat ze zo weinig ruimte nodig hebben, voordelig zijn en in zeer robuuste apparaten kunnen worden verwerkt, kunnen tal van meetwaarden worden gemeten op plekken waar tot dan toe geen gangbare sensoren konden worden ingezet.
In de meeste gevallen wordt de MEMS-techniek niet specifiek genoemd, maar het gebruik ervan is in veel sectoren inmiddels vanzelfsprekend. Zo spelen MEMS-sensoren niet alleen een belangrijke rol in de automobielindustrie, maar ook in de medische techniek. Daar worden ze gebruikt in draagbare en implanteerbare medische apparatuur, zoals pacemakers of toepassingen voor een continue bewaking van vitale functies zoals de hartslag of de bloedsuikerspiegel.
In sectoren als de mijnbouw, de procestechnische productie van chemische stoffen en de farmaceutische industrie maken MEMS-sensoren de realtime-bewaking van proceskritische en veiligheidsrelevante eenheden mogelijk, zoals die van gasconcentraties of drukverhoudingen. Zo kunnen productieprocessen, de productkwaliteit en de arbeidsveiligheid tegelijkertijd worden geoptimaliseerd.
In de machinebouw kan het gelijktijdige gebruik van MEMS-sensoren op tal van plaatsen in dezelfde apparaten, machines of installaties door het gelijktijdig bepalen van positie, verplaatsing of relatieve posities van beweegbare machinedelen wezenlijk bijdragen aan het verbeteren van de efficiëntie van de installatie. Door middel van software kan het reactievermogen van installaties op onverwachte gebeurtenissen aanzienlijk worden verbeterd. Ook de kwaliteit van het geproduceerde product en de functionele zekerheid kunnen beter worden gewaarborgd.
Gemaakt om te blijven
Tegelijkertijd bieden de door MEMS-sensoren verzamelde meetwaarden de mogelijkheid om bijvoorbeeld van hoogfrequente trillingen te kunnen afleiden wat de gevolgen zijn van slijtage of onvoldoende onderhoud. Deze informatie maakt preventieve controles en ingrepen door het onderhoudspersoneel, en de aanpassing van bewerkingsparameters mogelijk om schade of stilstand te voorkomen.
De ontwikkeling van MEMS-sensoren is nog lang niet voltooid. Naast het verder verkleinen van hun formaat, het beperken van het energieverbruik en het verhogen van de robuustheid staat daarbij de diepere integratie in IIoT-netwerken op de voorgrond. In afzienbare tijd zullen draadloze MEMS-sensoren met Bluetooth Low Energy of 5G-integratie een energie-efficiënte, flexibele koppeling van machines mogelijk maken voor continue statusbewaking met een enorme dichtheid.
De directe integratie van MEMS-sensoren in Edge Devices met kunstmatige intelligentie (AI) maakt niet alleen door voorbewerking van de sensorsignalen direct op de plaats van de opname een efficiëntere gegevensverwerking mogelijk. Dat bespaart niet alleen de kosten en onzekerheden van de gegevensoverdracht naar de cloud voor de AI-analyse. Door de automatische aanpassing van de productieparameters aan subtiele veranderingen kunnen bovendien de efficiëntie en kwaliteit van de productieprocessen naar een ongekend niveau worden getild.
Bilder: Adobe Stock, reichelt elektronik
