MEMS-sensoren zijn al goed, en de ontwikkeling begint nog maar net

Voordelige en krachtige MEMS – micro-elektromechanische sensorsystemen – zijn inmiddels compleet vanzelfsprekend, maar dat is niet altijd zo geweest. Het verhaal van MEMS als massaproduct begint in 1991, met de (inmiddels verouderde) ADXL50 van Analog Devices. Dit was een eenassige versnellingsmeter en een triomf op technisch gebied: het apparaat was het resultaat van zo'n 10 jaar onderzoek op uiteenlopende gebieden, inclusief simulatie, vastestoffysica, procestechnologie, verpakking en tests. In 1993 kon het in massaproductie worden genomen (afbeelding 1).

Afbeelding 1: De volledig analoge ADXL50 was de eerste MEMS-versnellingsmeter voor de massamarkt, bedoeld voor airbags in de auto-industrie. De ADXL50 leverde een volledig geconditioneerde analoge output, die kon worden gedigitaliseerd of direct worden ingezet in een vergelijkercircuit. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Dit apparaat van 5 mm x 5 mm was ontworpen als revolutionaire technologie voor één enkele, specifieke toepassing: het activeren van airbags in auto's. Bij de introductie waren airbags nog een nieuw fenomeen en was het nog niet verplicht om ze in te bouwen. Voordat MEMS-sensoren op de markt kwamen, werden de meeste airbags geactiveerd door een sensor die Allen K. Breed in 1967 had ontworpen. Deze sensor maakte gebruik van een bal in een buis als gedetecteerde massa. Door de plotselinge vertraging bij een botsing kwam deze bal los van zijn houdermagneet en activeerde een kleine elektrische schakelaar. Deze zorgde op zijn beurt voor een gesloten circuit, om zo de chemicaliën van de airbag te ontsteken.

In vergelijking met deze constructie was de eerste MEMS-sensor kleiner, goedkoper en eenvoudiger in te bouwen. Maar dat was pas het begin. Veel belangrijker was de verandering in het detectieproces. In plaats van een beperkt ja/nee-scenario was de sensor nu in staat om een analoge stroom te leveren op basis van een gedetecteerde waarde. Hiermee kon de daadwerkelijke golfvorm van de versnelling worden verwerkt in het algoritme voor de activering.

In 1999 was de ADLX50 echter alweer achterhaald. De sensor werd opgevolgd door meer geavanceerde MEMS-eenheden, maar de impact van de technologie was al duidelijk. In de opvolgers werden allerlei functies ingebouwd voor meer gebruiksgemak: hoogwaardige zelfkalibratie voor betrouwbare sensoren (van kritiek belang voor de meeste toepassingen), interne signaalconditionering, een analoog-naar-digitaal (ADC)-converter, een microcontrollerinterface en nog veel meer. In korte tijd verdwenen de drempels voor het meten van parameters die voorheen lastig en duur waren om te detecteren – formaat, gewicht, vermogen.

En de ontwikkelingen gingen verder. Al snel brachten leveranciers versnellingsmeters op de markt met twee en zelfs drie assen, in eerste instantie als kleine modules, maar kort daarna ook als geïntegreerde apparaten. Binnen de kortste keren kwamen nieuwe toepassingen binnen bereik, zoals zuivere bewegingsdetectie en zelfs navigatie (eenvoudige natuurkunde: integreer versnelling om snelheid te bepalen, integreer snelheid om verplaatsing te bepalen).

Al snel werden er trillende MEMS-stemvorken toegevoegd aan de kleine apparaatjes om zo gyroscopen en volledige IMU's (Inertial Measurement Units, traagheidsnavigatie-eenheden) te creëren. Vaak konden deze de traditionele IMU van bijna 50 kilo en meer dan 200 watt vervangen, waarmee bijvoorbeeld astronauten 50 jaar geleden naar de maan vlogen. En ook voor het ringlasergyrokompas (RLG) en het fibre-optic gyrokompas (FOG) met glasvezel uit de jaren 80 vormden deze nieuwe ontwikkelingen een goed alternatief.

Plotseling waren er kleine IMU's beschikbaar voor versnellings- en positioneringstoepassingen die voorheen niet mogelijk waren, en ook voor de besturingseenheden van drones. Een goed voorbeeld is de LSM6DSOXTR van STMicroelectronics. Dit is een drieassige IMU (volledige schaal van ±2/±4/±8/±16 g) in een verpakking met 14 aansluitingen. Het formaat: slechts 2,5 mm × 3 mm × 0,83 mm. Hij werkt op slechts 0,55 milliampère (mA). De IMU is compatibel met SPI- en I²C-interfaces.

Kortom: veel beter kan het bijna niet meer worden! Andere versnellingsmeters werden al snel ingezet voor elektronische beeldstabilisatie, waar vroeger een platform met cardanophanging en stabilisatie met een mechanische gyroscoop voor nodig was. Sommige ideeën werden aangepast om MEMS-microfoons te maken. Het principe hiervan vertoont overeenkomsten met dat van een versnellingsmeter, hoewel de toepassing natuurlijk heel anders is.

Innovaties voor MEMS en toepassingen ervan – dit is nog maar het begin

Op basis van deze voorbeelden lijkt het misschien alsof MEMS-technologie beperkt is tot versnellingsmeters in diverse uitvoeringen. Niets is echter minder waar. MEMS-apparaten worden momenteel ook ingezet voor vele toepassingen die niet gerelateerd zijn aan acceleratiemetingen.

Texas Instruments was met Digital Light Processing (DLP) bijvoorbeeld een pionier op het gebied van lichtaansturing met microspiegels in IC's, in eerste instantie gericht op grote displayschermen en picoprojectors. De DLP6500 van het bedrijf heeft een array van 1080p (1920 x 1080) met ruim twee miljoen microspiegels. De IC kan worden ingezet als SLM (spatial light modulator) om de amplitude, richting en/of fase van invallend licht te sturen (afbeelding 2).

Afbeelding 2: De DLP6500 DLP IC van Texas Instruments levert volledig adresseerbare aansturing en controle over een lichtbundel bij een array van twee miljoen pixels. (Bron afbeelding: Texas Instruments)

Maar Texas Instruments gaat verder dan alleen projectortechnologie. Het bedrijf heeft een nieuwe uitvoering aangekondigd voor een heel oud idee: koplampen die de richting aanpassen op basis van de indraaiing van het stuurwiel. Dit werd nog voor 1950 al voor het eerst voorgesteld, voor de Tucker 48 automobile. De DLP5531 is een elektronisch stuurapparaat op MEMS-basis, waarvoor geen versnellingen, motoren en lagers nodig zijn. Het is volledig programmeerbaar en levert een hoge resolutie van ruim één miljoen adresseerbare pixels per koplamp.

Voor het non-optische RF-bereik biedt Analog Devices de ADGM1004, een 4PST (four pole single throw)-MEMS-cantileverschakelaar die RF-signalen verwerkt met een bandbreedte tussen de 0 Hertz (Hz) (DC) en 13 gigahertz (GHz) (Afbeelding 3). Dankzij de bidirectionele contactschakelaars met metalen uiteinden, is het in een circuit met deze schakelaar mogelijk om een RF-signaal naar één van de vier output-poorten te routeren, of om één van de vier inputsignalen te selecteren om naar de output te worden geleid. Deze schakelaars kunnen worden toegepast op allerlei punten in de RF-signaalketen, maar ook in testopstellingen en matrices.

Afbeelding 3: Analog Devices heeft de basis van MEMS-technologie uitgebreid om een cantileverstructuur te creëren met metaal-op-metaal-contactsluitingen voor een 4PST-RF-schakelaar met een bandbreedte van DC tot 13 GHz. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Onderzoeksteams aan technische universiteiten zetten ook MEMS-technologie in om apparaten te bouwen die simpelweg niet mogelijk zouden zijn zonder. Het Accelerator on a Chip International Program (AChIP) is een wereldwijd project (gefinancierd door de Amerikaanse Gordon and Betty Moore Foundation) dat streeft naar de bouw van een kleine elektronenversneller op siliciumbasis, die elektronenpulsen tot één mega-elektron volt (MeV) kan genereren in de orde van grootte van femtoseconden tot attoseconden (10^-15 tot 10^-18 seconden) – en dat met een siliciumchip, in plaats van de kilometerslange structuren die hier momenteel voor nodig zijn.

Het project wordt besproken in "Photonics-based laser-driven particle acceleration: from proof-of-concept structures to the accelerometer on a chip". In de paper "Alternating-Phase Focusing for Dielectric-Laser Acceleration", gepubliceerd in de Physical Review Letters, wordt dieper ingegaan op één aspect van het project. In deze paper beschrijven technici van de TU Darmstadt uit de onderzoeksgroep voor versnellernatuurkunde van het project hoe ze een klein MEMS-kanaal hebben gebouwd met nieuwe methoden om de elektronenbundel te focussen, ter vervanging van de traditionele magnetische focusmethode die te zwak is voor deze toepassing (Afbeelding 4).

Afbeelding 4: De structuur met twee zuilen in silicium maakt gebruik van lasergebaseerde optische fasesturing om de versnellings- en vertragingszones van de elektronen te focussen. (Bron afbeelding: TU Darmstadt)

Een ander innovatief MEMS-project richt zich op het Internet of Things (IoT). Een team van Northeastern University heeft een MEMS-gebaseerde schakelaar ontworpen die in de slaapstand niets verbruikt. De switch kan worden "gewekt" met invallend infraroodlicht (Afbeelding 5). De PMP (plasmonically enhanced micromechanical photoswitch, plasmonisch versterkte micromechanische fotoschakelaar) van het team zet hiervoor de minieme hoeveelheid fotonische energie binnen een bepaald spectrumbereik om, om hiermee het MEMS-mechnisme te activeren. Als het infraroodlicht dat het systeem activeert weer wordt weggenomen, schakelt de switch zichzelf uit.

Afbeelding 5: Iedere cantilever van de PMP bestaat uit een kop, een intern paar thermisch gevoelige pootjes van twee materialen voor de activering, een extern paar identieke pootjes om temperatuur en spanning te compenseren en een paar thermische isolatiekoppelingen die de interne en externe pootjes verbinden (a). Conceptillustratie van een invallende lichtstraal op vier PMS's, die elk zijn afgesteld op verschillende bereiken van infraroodstraling (b). Pseudogekleurde opnamen, gemaakt met een elektronenmicroscoop, van een geproduceerd PMS-schakelmechanisme, met uitvergrotingen van de plasmonische absorbeerder, het komvormige uiteinde van het contact en het uiteinde van een bimateriaal pootje met zelfuitgelijnde lagen Al en SiO2 (c). (Bron afbeelding: Northeastern University/Nature Nanotechnology)

De volledige details zijn opgenomen in hun paper, "Zero-power infrared digitizers based on plasmonically enhanced micromechanical photoswitches", in Nature Nanotechnology. De natuurkunde achter de omzetting van de IR-absorptie is gebaseerd op plasmonen, de elektronengolven die zich over het metaaloppervlak verplaatsen nadat dit is geraakt door fotonen. De plasmonische absorbeerder is opgebouwd uit drie lagen, met een diëlektrische laag van 100 nanometer (nm) tussen een array van gouden nano-patches van 50 nm boven en een platina plaat van 100 nm onderop (zie nogmaals Afbeelding 5). De schakelaar wordt gevoed door de infrarood elektromagnetische straling in een bepaalde golflengte en gebruikt deze energie om de contacten van de schakelaar mechanisch te sluiten.

Conclusie

Technologie op MEMS-basis heeft al een enorme ontwikkeling doorgemaakt sinds de begindagen als sensor voor airbag-versnellingsmeters. De technologie is uitgebreid en omgevormd voor uiteenlopende toepassingen, waaronder het richten van lichtbundels via microspiegels en RF-schakelaars op contactbasis. Tegelijkertijd werken vooruitstrevende universitaire onderzoekers eraan om MEMS nog verder te ontwikkelen, voor alledaagse toepassingen maar ook voor hoogst gespecialiseerde wetenschap. Het cliché is dan ook absoluut waar als het gaat om MEMS-technologie: de mogelijkheden worden alleen maar beperkt door het voorstellingsvermogen en de inzet van de mensen die eraan werken.

Referenties:

1 – Analog Devices, ADXL50 Data Sheet (verouderd)

2 – Patrick L. Walter, "The History of the Accelerometer: 1920s-1996 – Prologue and Epilogue", 2006, Sound and Vibration, januari 2007.

3 – Tekla S. Perry, "Kurt Petersen, 2019 IEEE Medal of Honor Recipient, Is Mr. MEMS", IEEE Spectrum, mei 2019.