MEMS-technologie

Sensoren in silicium worden veelal onder de naam 'Micro Electro-Mechanical Systems', kortweg ‘MEMS’, aangeduid.

En over dat micro kunnen we duidelijk zijn: het betreft hier veelal elementen met afmetingen van slechts enkele kubieke millimeters.

Deze technieken zijn sterk in opkomst vanwege de hoge gevoeligheid, de grote nauwkeurigheid, de kleine afmetingen en de grote mate van betrouwbaarheid. Basis voor deze opnemers vormt silicium, wat als materiaal een bijzonder hoge elasticiteitsgrens heeft en nagenoeg geen materiaalmoeheid kent. Bij de productie wordt gebruik gemaakt van etstechnieken, waardoor silicium kan worden bewerkt en diverse structuren kunnen worden gerealiseerd (micromechanica of ‘micro-machining’ genoemd). Vaak wordt hierbij gebruik gemaakt van het beïnvloeden van capacitieve eigenschappen in die structuren.

In sommige versnellingssensoren wordt het feitelijke sensor element opgebouwd uit drie lagen silicium (wafers), onderling geïsoleerd door glas, waarvan de middelste wafer wordt bewerkt. Hierbij worden zeer kleine massa’s gecreëerd, die, grofstoffelijk voorgesteld, door middel van een verende constructie slechts aan één zijde van een frame vast zitten. Deze massa’s kunnen dus in één bepaalde richting bewegen.

Door de constructie hebben we nu te maken met een aantal afzonderlijke serieschakelingen van twee condensatoren, waarvan de gemeenschappelijke plaat kan bewegen. Na dit proces worden de afzonderlijke sensorelementen van elkaar gescheiden en gekoppeld aan de verwerkingselektronica.

Door dit capaciteitsverschil om te zetten naar een werkbaar spanningsbereik, verkrijgt men een capacitieve druksensor.

Bij de 3D micromachined versnellingssensoren van Murata, worden door de symmetrische constructie van de opneem elementen, meetafwijkingen ten gevolge van temperatuur of mechanische stress reeds aanzienlijk gereduceerd. Daarnaast wordt nauwkeurigheid mede bepaald door de signaalbewerking in de ASIC.

Door het toepassen van twee opneem elementen in dezelfde meetrichting, worden sommige prestaties, zoals ruisgedrag en lange termijn stabiliteit, nog verder verbeterd.

Als de beide signalen met behulp van een differentiële versterker worden uitgelezen, zal het uitgangssignaal worden verdubbeld, terwijl Common-Mode fouten in het uitgangssignaal hiermee worden gereduceerd. Dit principe wordt ‘Error Cancellation’ genoemd en wordt toegepast in uiterst nauwkeurige inclinometers.