Micro Systeem Technologie - Innovatie, Energie & Productrealisatie
Micro Systeem Technologie - Innovatie, Energie & Productrealisatie
Micro Systeem Technologie - Innovatie, Energie & Productrealisatie
Create successful ePaper yourself
Turn your PDF publications into a flip-book with our unique Google optimized e-Paper software.
Een publicatie van<br />
De Kenniskring <strong>Innovatie</strong> en <strong>Productrealisatie</strong><br />
Hogeschool Rotterdam<br />
augustus 2006
Inhoudopgave<br />
1. Inleiding 3<br />
2. Geschiedenis en achtergronden <strong>Micro</strong>systeemtechnologie 5<br />
2.1. Het chip maak proces 6<br />
2.2. <strong>Micro</strong>machining 7<br />
3. De <strong>Technologie</strong> 11<br />
3.1. Definities van MST 11<br />
4. Domeinen van <strong>Micro</strong>systeemtechnologie 14<br />
4.1. MST in de instrumentatie 18<br />
4.2. MST in de medische technologie 20<br />
4.3. MST in consumentenproducten 22<br />
4.4. MST in het transport 24<br />
4.5. MST in de Land & Tuinbouw en de Biotechnologie 26<br />
4.6. MST in de ICT 27<br />
5. The Power Factor 29<br />
6. Informatiebewerking in MST 32<br />
7. Ontwerp en productie van MST 34<br />
7.1. MST ontwerpen 35<br />
7.2. MST Systems Requirements Engineering 36<br />
7.3. Requirement Engineering 36<br />
7.4. User requirements 37<br />
7.5. Andere requirements 37<br />
7.6. Materie, energie en informatie 41<br />
7.7. <strong>Energie</strong>domeinen 41<br />
7.8. Transducer technologie 43<br />
7.9. Smart transducers 44<br />
7.10. Interfacing 45<br />
7.11. Omgevingsfactoren 46<br />
8. Cases 48<br />
8.1. Geluidsprobleem KONI schokbrekers. 48<br />
8.2. <strong>Micro</strong>Ned/TUD microsatelliet 48<br />
8.3. Sensoren in pipeline PIG’s 48<br />
8.4. Lenovo (IBM ) ThinkPad 49<br />
8.5. Foto-acoustische glucosemeting 49<br />
8.6. Smart products 49<br />
8.7. Zelfvoorzienende bandenslijtage sensoren 50<br />
8.8. World's Smallest Mobile Robot 50<br />
9. Woordenlijst 51<br />
10. Literatuur 56<br />
10.1. Referenties 56<br />
10.2. Waardevolle links 57<br />
11. Bijlage I; Ambient Intelligence 59<br />
12. Bijlage II; Betrouwbaarheid 60<br />
13. Bijlage III; MEMS Encapsulation in FPGA’s 61<br />
copy of wat is mst.doc(21-11-06) - 2/61
1. Inleiding<br />
De Kenniskring <strong>Innovatie</strong> en <strong>Productrealisatie</strong> van de Hogeschool Rotterdam heeft tot doel<br />
bedrijvigheid te bevorderen waarbij technologische innovatie als katalysator dient. Hiervoor<br />
initieert zij toegepast onderzoek op technologische gebieden, waarmee resultaten van<br />
wetenschappelijk onderzoek aan een bredere doelgroep gepresenteerd kunnen worden.<br />
Nieuwe veelbelovende technologieën kunnen immers alleen breed toegepast worden, wanneer<br />
deze bekend zijn bij het MKB en men praktische ondersteuning krijgt bij de invoering daarvan.<br />
De nieuwe technologieën zullen via onderwijs door curriculum inpassing bekendheid krijgen<br />
door als bagage van de net afgestudeerde HBO-student in een nieuwe werkkring een<br />
toepassing te vinden. Ook zullen bedrijven hier direct voor benaderd worden via alumni<br />
bijeenkomsten en verspreiding van informatie via het Internet (www.innovatieproductrealisatie.nl).<br />
Met dit doel is deze publicatie dan ook tot stand gekomen.<br />
Wij nodigen met deze publicatie dan ook belangstellenden uit, waaronder docenten, alumni,<br />
technische managers in het MKB en kennisinstellingen om zich op deze wijze praktisch te<br />
informeren over de toepassingsmogelijkheden van <strong>Micro</strong> <strong>Systeem</strong> <strong>Technologie</strong> (MST) ook<br />
wel MEMS (<strong>Micro</strong>-Electro-Mechanical Systems) genoemd. Beide benamingen geven aan, dat<br />
dit enerzijds een gebied is waar meerdere technologische disciplines samenkomen en<br />
anderzijds dat het resultaat als een systeem beschouwd mag worden, waarbij het micro-aspect<br />
een nieuwe dimensie toevoegt.<br />
Vanuit de conventionele technologie ontwierp men systemen vanuit modules, waarbij iedere<br />
discipline zijn eigen module ontwierp, bij een andere productielocatie liet fabriceren en met<br />
zijn eigen testmethoden verifieerde. Deze modulen werden pas bij de eindassemblage tot een<br />
systeem samengesteld. Het microniveau dwingt de ingenieur echter om alle<br />
ontwerpbeslissingen integraal te bezien omdat op dit niveau de functiedragers niet van elkaar<br />
te scheiden zijn en elkaar als zodanig ook direct beïnvloeden. Ook wanneer men een dergelijk<br />
microsysteem op zich als een bouwelement beziet, zal men zowel aan de inputzijde als aan de<br />
outputzijde dezelfde menging van functionele disciplines zien, waardoor nieuwe kennis over<br />
dit vakgebied nodig is om het juiste bouwelement binnen de specificaties te kunnen<br />
verwerven.<br />
De reden van dit toegepast onderzoek is, dat het belang van MST en MEMS op toekomstige<br />
technische producten groot is. De keuze voor MST en MEMS zal uiteindelijk voor u net zo<br />
natuurlijk worden als de inzet van micro-elektronica. Een belangrijke reden is, dat deze<br />
systemen door hun micro formaat, lagere kosten, hogere betrouwbaarheid en lage<br />
energieconsumptie voor applicaties ingezet kunnen worden, waarvoor nu nog geen oplossing<br />
voorhanden is. Vooral in de meet- en regeltechniek zal men in staat zijn processen te<br />
monitoren en bij te sturen, die nu nog niet vol beheerst kunnen worden. Hierdoor kunnen<br />
processen effectiever, veiliger, kapitaal extensiever en milieuvriendelijker ingericht worden.<br />
Deze processen kan men op ieder gebied vinden. Voorbeelden van dergelijke processen zijn<br />
de petrochemische industrie, tuinbouw, klimaatbeheersing, voertuigtechniek en medische<br />
hulpmiddelen. Uiteraard zijn ook op zichzelf staande veiligheidssystemen denkbaar. Deze<br />
technologie is daarom niet alleen interessant voor de proceseigenaren, maar ook voor de<br />
maakindustrie die vanuit hun specifieke expertise nieuwe product-/marktcombinaties kunnen<br />
gaan ontwikkelen.<br />
Daar de MST en MEMS systemen onder zeer specifieke en kapitaalintensieve omstandigheden<br />
geproduceerd moeten worden, is de kans groot dat hiervoor enkele geconcentreerde<br />
productielocaties zullen ontstaan die voor derden werken en dus voor meerdere partijen<br />
toegankelijk zijn. Deze bedrijven kunnen hierdoor nooit de volledige expertise verwerven<br />
copy of wat is mst.doc(21-11-06) - 3/61
over de wijze waarop deze bouwstenen in een specifieke markt of voor een specifiek product<br />
ingezet zouden kunnen worden. Laat staan over de impact, die een dergelijk meet- en<br />
regelsysteem zou hebben, op de verdere loop van het te beheersen proces. Dit document is er<br />
daarom bedoeld om u voldoende kennis te geven om als opdrachtgever een impuls te geven<br />
aan deze nieuwe industrie.<br />
Mogelijk kunt na het lezen van dit document bezien hoe u uw processen door gebruik te<br />
maken van deze microsystemen kunt optimaliseren.<br />
Denk bijvoorbeeld in de chemische industrie aan de mogelijkheid voor het binnen nauwe<br />
toleranties kunnen regelen van druk, temperatuur of doorstroom op iedere willekeurige locatie<br />
binnen de flow. Hierdoor zouden de processen veiliger en energiezuiniger ontworpen kunnen<br />
worden. Dit schept ook enorme kansen in de automobielsector.<br />
In de tuinbouw zou iedere plant als een blackbox beschouwd kunnen worden, waarbij de<br />
output (bijv. CO2, groei, kleur) de waarde van de input (water, warmte, groeistoffen) bepaalt.<br />
Uiteraard zal ook de medische technologie enorm van de mogelijkheden van MST en MEMS<br />
kunnen profiteren. Immers applicaties die op of in het lichaam gedragen kunnen worden,<br />
zouden via omzetting van lichaams-eigen-energie (warmte, stroming, beweging) gevoed<br />
kunnen worden.<br />
Het is duidelijk dat we nog aan het begin staan van het traject om bovenstaande applicaties<br />
daadwerkelijk te kunnen gaan ontwikkelen en volledig uit te buiten. Deze publicatie is<br />
daarom ook voornamelijk bedoeld om u te overtuigen dat het gebruik van MST en MEMS<br />
nieuwe innovatiemogelijkheden biedt en dat u deze kans niet mag laten passeren. Na het lezen<br />
zult u in staat zijn een strategie uit te werken hoe u MST en MEMS bouwstenen in uw systemen<br />
kunt opnemen, wie u bij uw ontwikkelingen zou kunnen betrekken en welke markten zich<br />
daarvoor het beste lenen. De kennisinstellingen, waaronder de Hogeschool Rotterdam,<br />
kunnen u verder ondersteunen om uw strategie verder uit te werken, de kennis en<br />
productiemogelijkheden hiervoor aan u ter beschikking te stellen en tot implementatie over te<br />
gaan.<br />
Wij wensen u veel inspiratie tijdens het lezen van deze publicatie.<br />
ir. Anneloes Cordia<br />
ir. Frank Rieck<br />
Lectoren van de<br />
Kenniskring <strong>Innovatie</strong> en <strong>Productrealisatie</strong><br />
Hogeschool Rotterdam<br />
copy of wat is mst.doc(21-11-06) - 4/61
2. Geschiedenis en achtergronden <strong>Micro</strong>systeemtechnologie<br />
<strong>Micro</strong>systeemtechnologie (MST) heeft primair zijn ontstaan in de microelektronica.<br />
In feite begon het met de micro-elektronica vlak na WO-II, in<br />
1948, met de uitvinding van de transistor. Dit was een revolutie ten<br />
opzichte van de tot dan toe gebruikelijke vacuüm buis als versterkend en<br />
schakelend element. De volgende revolutie was de uitvinding van het<br />
integrated circuit (IC) in 1958 (Figuur 1).<br />
Figuur 1 De Intel ® 4004 (1974) met 2300 transistoren was de 1 e<br />
general-purpose, single-chip microprocessor.<br />
De voortdurende verbetering van het fabricageproces heeft onder meer<br />
geleid tot de huidige microprocessor. De microprocessor is een bekend<br />
micro-elektronisch product, maar zeker niet het enige. Zo zijn er andere<br />
Very Large Scale Integrating (VLSI) digitale en analoge circuits. Die<br />
integratiegraad gaat nog steeds door. Kenmerk is een steeds grotere<br />
integratie en verkleining van (zeer) vele transistoren op een (zeer) klein<br />
oppervlak. De afgelopen decennia gehoorzaamt het integratietempo aan<br />
de zo genoemde Moore’s Law. Moore’s law voorspelt voor elk anderhalf<br />
jaar een verdubbeling van het aantal transistoren (en daarbij ook de<br />
functionaliteit) per oppervlak tegen gelijkblijvende kosten. Op dit moment<br />
maakt men ICs met een resolutie kleiner dan 100nm.<br />
Een DRAM memory cel bestaat in wezen uit een transistor en een capaciteit<br />
zodat de grootte van DRAM geheugens ook Moore’s law volgen als functie<br />
van de tijd (Figuur 2). Had de transportsector dezelfde stormachtige<br />
ontwikkeling doorgemaakt dan kon men nu in 5 seconden voor nog geen<br />
50 cent naar New York reizen[10].<br />
copy of wat is mst.doc(21-11-06) - 5/61
Het is in het begin van de jaren tachtig dat men zich begon te realiseren<br />
dat de ontwikkeling en daarmee de prijs/prestatie verhouding van de tot<br />
Figuur 2 Geheugencapaciteit van DRAM memory in de<br />
loop der jaren. (Campbell 1996)<br />
dan toe gebruikelijke sensoren en actuatoren ernstig achterbleef bij de<br />
ontwikkelingen in de micro-elektronica industrie. Tegelijkertijd begon<br />
breed het besef door te breken dat precies dezelfde bewerkingstechnieken<br />
die werden gebruikt bij de fabricage van micro-elektronica, ook te<br />
gebruiken zijn voor het vervaardigen van microsensoren en microactuatoren,<br />
en dat het mogelijk zou moeten zijn geraffineerde microactoren<br />
te integreren met, en te embedden in micro-elektronische circuits.<br />
Behalve de gedroomde miniaturisatie en integratie moest het ook de lage<br />
kosten behorende bij de bulk productie realiseren [3].<br />
2.1. Het chip maak proces<br />
Gegeven de micro-elektronische achtergrond van MST is het nuttig eerst<br />
de procesgang van de fabricage van een chip te bespreken.<br />
Silicium is een stof die wordt aangetroffen in zand. Omdat silicium<br />
elektriciteit maar matig geleidt, wordt het een semiconductor of<br />
halfgeleider genoemd. Met specifieke behandelingen is het mogelijk<br />
“verontreinigingen” (doteringen) in het basismateriaal aan te brengen,<br />
zodat de resulterende materialen of een goede isolator, een goede<br />
geleider, of een materiaal wordt dat onder specifieke condities kan<br />
schakelen tussen geleiden òf niet geleiden en/of een signaal kan<br />
versterken. Transistoren vallen in de laatste categorie.<br />
Figuur 3 laat het productieproces zien. De processing begint met een<br />
siliciumkristal staaf (ingot) met een diameter van 15 à 35 cm en lengten<br />
tot 65 cm, dat in de processtap slicer in plakjes (wafers) met een dikte<br />
van 2 à 2,5 mm wordt gezaagd. Deze wafers gaan door een serie<br />
copy of wat is mst.doc(21-11-06) - 6/61
processtappen waarbij patronen chemisch gemodificeerd (geleidend,<br />
halfgeleidend, niet-geleidend) silicium worden opgebracht. Een enkel- of<br />
meervoudig microscopisch gebrek in de wafer of in één of meer van de<br />
patroonstappen kan er toe leiden dat een gedeelte van de wafer geen<br />
correcte structuur heeft. Het blijkt nagenoeg onmogelijk perfecte wafers<br />
te fabriceren.<br />
De strategie om deze imperfecties het hoofd te bieden is de wafer te<br />
verdelen in meerdere, zich herhalende patronen. De wafers worden bij de<br />
dicing in identieke dies gehakt. De aanduiding die is beter bekend onder<br />
de naam chip (Figuur 1). Dicing geeft dus de mogelijkheid later alleen die<br />
chips uit de productieketen te verwijderen die bij het testen van de<br />
individuele dies gebreken vertonen. Het percentage correcte dies van het<br />
totale aantal dies op de wafer wordt de yield genoemd. De overgebleven<br />
chips worden voorzien van in- en uitvoer connecties (bounding). De test<br />
van de uiteindelijke behuisde chip kan ook nog enig verlies opleveren.<br />
De wafer van Figuur 4 bevat 165 dies, elk met een oppervlak van<br />
250 mm 2 en ongeveer 55 miljoen 0,18 µm transistoren.<br />
2.2. <strong>Micro</strong>machining<br />
Figuur 3 Het chip maak proces [10].<br />
Figuur 4 Een 200mm (8") diameter wafer met Intel ® Pentium 4 processors.<br />
De belangrijkste fabricagetechnieken voor MST zijn dezelfde technieken als<br />
die toegepast worden bij IC fabricage (Figuur 3). Met o.m. lithografische<br />
copy of wat is mst.doc(21-11-06) - 7/61
processen worden door middel van (diepe) etsing van een structuur in<br />
silicium driedimensionale vrij-bewegende structuurtjes aangebracht. Er<br />
zijn statische- en dynamische microsystemen. Thermokoppels zijn<br />
voorbeelden van statische microsystemen. <strong>Micro</strong>machines zijn<br />
voorbeelden van het dynamische soort (Figuur 5). Vaak worden alleen die<br />
technieken die gebruik maken van silicium en het productieproces van de<br />
gewone chip gerekend tot MST/MEMS, maar er zijn anderen mogelijkheden,<br />
zoals de miniaturisering van de fijnmechanica. Hierin wordt gestreefd de<br />
klassieke fijnmechanische technieken op evolutionaire wijze te verfijnen<br />
(verkleinen), zoals boren en frezen, maar ook laserbewerkingen.<br />
Figuur 5 Een surface micromachined siliciumoppervak van een elektrostatische<br />
micromotor.<br />
Terwijl micro-elektronica wordt gefabriceerd met goed begrepen en<br />
controleerbare – CMOS, Bipolar, of BICMOS – processtappen, worden de<br />
micromechanische, -elektromechanische, -optoelectronische,<br />
-optomechanische componenten gefabriceerd met vergelijkbare processen<br />
waarbij met behulp van maskers selectief lokaal gedeelten van de silicon<br />
wafer worden weggeëtst (bulk micromachining) of met depositie van<br />
silicium en siliciumverbindingen (surface micromachining) nieuwe<br />
structurele lagen worden toevoegd ter verkrijging van mechanische en/of<br />
elektro- en/of optofuncties.<br />
Figuur 6 Bulk (links) & Surface <strong>Micro</strong>machining (rechts).<br />
copy of wat is mst.doc(21-11-06) - 8/61
De processen die worden aangewend ter verkrijging van deze additionele<br />
functies wordt wel aangeduid met micromachining (Figuur 6). Zodra er<br />
sprake is van structurering van devices zoals sensoren en actuatoren met<br />
submicron-nauwkeurigheid wordt er gesproken over micromachining.<br />
<strong>Micro</strong>machining is één van de technieken in het domein van de precision<br />
engineering (fijn-mechanica).<br />
De microsystemen, via microfabricage technologieën verkregen door de<br />
integratie van mechanische en elektrische elementen op een gezamenlijk<br />
silicium ondergrond (substrate), worden ook wel aangeduid met <strong>Micro</strong><br />
Electro-Mechanical Systems (MEMS). MEMS is vooral in de VS de<br />
gebruikelijke benaming voor MST. Met MEMS worden meestal<br />
microsystemen aangeduid waarvan het hart bestaat uit een bewegend<br />
silicium onderdeel. Bijvoorbeeld een druksensor met een dun silicium<br />
membraam. Bij MST worden inmiddels ook andere materialen gebruikt dan<br />
silicium. Met name voor medische toepassingen worden uit<br />
kostenoverwegingen vaak kunststoffen gebruikt. De Amerikanen lossen dit<br />
op door over BioMEMS te spreken of over OPTOMEMS, waarmee ze het<br />
toepassingsgebied aanduiden. Bij BioMEMS gaat het om biologische<br />
toepassingen en bij OPTOMEMS of MOEMS om optische toepassingen. De<br />
Europese benaming MST is eenduidiger [6].<br />
Er zijn drie basistechnieken van toepassing bij de fabricage van MEMS, te<br />
weten het afzetten van een materiaal met de gewenste eigenschappen op<br />
een gemeenschappelijke ondergrond (Deposition), het aanbrengen van<br />
een patronenmasker op het gedepositioneerde materiaal door middel van<br />
fotolithografische projectie (Photolithograpic Imaging) en het selectief<br />
wegetsen van materiaal conform het aangebrachte patronenmasker<br />
(Etching) [7].<br />
MEMS<br />
<strong>Micro</strong>Electronics <strong>Micro</strong>Machining<br />
<strong>Micro</strong>processor <strong>Micro</strong>Actor<br />
Figuur 7 UML diagram met als basisklasse MEMS.<br />
<strong>Micro</strong>elektronics en micromachining zijn<br />
specialisatieklassen van MEMS, en de<br />
microprocessor en de microactor zijn daarvan<br />
weer een van de vele specialisaties.<br />
De cruciale verschillen tussen MEMS en ICs zijn: MEMS gebruiken de<br />
mechanische eigenschappen van het materiaal, en ICs gebruiken de<br />
elektrische eigenschappen van het materiaal. ICs zijn in essentie plat, dus<br />
tweedimensionaal. MEMS zijn dat niet, die zijn in essentie<br />
driedimensionaal. De IC functies zitten ónder het chip-oppervlak. Bij MEMS<br />
zitten de functies juist áán het oppervlak. ICs hebben geen bewegende of<br />
losstaande delen, MEMS doorgaans wel. MEMS functies worden beïnvloed<br />
door de manier waarop ze behuisd worden, terwijl standaard ICs functies<br />
onafhankelijk zijn van hun behuizing. ICS zijn zodra ze als wafer de<br />
copy of wat is mst.doc(21-11-06) - 9/61
geconditioneerde omgeving van de foundry verlaten tamelijk ongevoelig<br />
voor invloeden van buitenaf. MEMS in wafer vorm zijn, nog voordat ze zijn<br />
behuisd, doorgaans extreem gevoelig voor invloeden van buitenaf. Deze<br />
gevoeligheid maakt elke post-foundry MEMS behandeling stap (wafer<br />
dicing, plaatsing in een behuizing, aanbrengen van de elektrische<br />
aansluitingen, sluiten van de behuizing) anders en duurder dan de<br />
overeenkomstige IC afhandeling. Op zich is het heel goed mogelijk<br />
sensoren met traditionele _ niet MEMS _ IC processen te fabriceren.<br />
Bijvoorbeeld een semi-conductor thermokoppel of thermistor. Echter<br />
silicium geleidt warmte redelijk goed en dat maakt een<br />
halfgeleiderthermokoppel, dat het van het temperatuurverschil moet<br />
hebben, minder efficiënt. <strong>Micro</strong>machining is dan nodig om het device beter<br />
thermisch te isoleren van zijn omgeving [13].<br />
copy of wat is mst.doc(21-11-06) - 10/61
3. De <strong>Technologie</strong><br />
Bij microsystemen is het niet noodzakelijk onmiddellijk in strikte<br />
afmetingen te denken. Het is niet zo dat de dimensies per se in het<br />
micro(n) 1 bereik moeten liggen. Menig praktisch werkend systeem kan<br />
orden groter zijn en wel zodanig dat men die eerder zou bemeten op de<br />
millimeterschaal 2 . Het zijn wel kleine structuren. En ze worden steeds<br />
kleiner. Men heeft het in dat verband zelfs al over MNT (micro- &<br />
nanotechnologie). Als vuistregel voor een maatvoering kan bij<br />
microtechnologie voorzichtig worden gedacht aan een technologie met een<br />
maatvoering groter dan 100nm. Een belangrijke publicatie uit 1996<br />
spreekt over 10_m als “mediaan” voor MST [1].<br />
Nanotechnologie is een verzamelnaam voor allerlei technologische<br />
ontwikkelingen die zich afspelen op ‘nanoschaal’. Dit is een schaal waarop<br />
alleen de afmetingen van enkele atomen en moleculen er nog toe doen,<br />
want een nanometer (nm) is maar een miljardste deel van een meter.<br />
Nanotechnologie is geen aparte wetenschappelijke discipline, maar een<br />
zogenoemde enabling technology, die toepassingen kent op uiteenlopende<br />
terreinen als ICT, biomedische technologie, militaire technologie en<br />
voedingstechnologie [9].<br />
Er kan nog een ander belangrijk onderscheid worden gemaakt tussen<br />
micro- en nanotechnologie. <strong>Micro</strong>technologie komt neer op het alsmaar<br />
verkleinen van bekende of bestaande structuren (“beeldhouwen”) terwijl<br />
nanotechnologie kan worden voorgesteld als het opbouwen (“boetseren”)<br />
met behulp van atomen en (sub-nano)moleculen.<br />
Het is in deze context van belang onderscheid te maken tussen de<br />
begrippen technologie en systeem. Het onderscheid dat hier zal worden<br />
gehanteerd is die van elementen die volgens (met) en/of met behulp van<br />
een bepaalde technologie zijn gefabriceerd, enerzijds, en een zinvol<br />
samenstel (systeem) van dergelijke elementen anderzijds. Een<br />
microsysteem bestaat dus uit 1 of meer micro elementen (Figuur 7). Bij<br />
een systeem bestaande uit een enkelvoudige component spreekt men<br />
over een monolithisch systeem 3 , anders betreft het een (eventueel<br />
geïntegreerd) hybride systeem. Bij hybride systemen worden de<br />
afzonderlijke elementen geproduceerd met de meest geschikte<br />
technologie en vervolgens geassembleerd. <strong>Technologie</strong> is de<br />
verzamelnaam voor de technieken, processen, procedures etc., waarmee<br />
systemen kunnen worden gerealiseerd. Behalve een algemene notie dat<br />
het gaat over "behoorlijk kleine" systemen en dat die systemen kunnen<br />
worden gebouwd met behulp van micro technologieën, kan ook een<br />
poging worden gedaan microsysteemtechnologie (MST) te definiëren.<br />
3.1. Definities van MST<br />
“<strong>Micro</strong>-<strong>Systeem</strong> <strong>Technologie</strong> (MST) is bekend als de technologie voor het<br />
produceren van mechanische, fluïdise en andere (niet noodzakelijk<br />
elektrische) systemen, op microschaal, door middel van de technologieën<br />
die worden toegepast bij de productie van geïntegreerde schakelingen. De<br />
1 Traditioneel “niet of vrijwel niet te zien met het blote oog”.<br />
2 Denk alleen al aan het ruimtebeslag ten gevolge van de bounding en de packaging.<br />
3 Vaak nog onmogelijk te maken of te duur.<br />
copy of wat is mst.doc(21-11-06) - 11/61
concepten van de met MST gefabriceerde producten zijn meestal<br />
gebaseerd op een combinatie van disciplines."[4]<br />
Hier wordt onderscheid gemaakt tussen de technologie en de systemen<br />
waar die technologie in wordt toegepast. Dat de gebruikte technologieën<br />
altijd terug te voeren zijn op de productie van geïntegreerde schakelingen<br />
is minder overtuigend. Er zijn industrieën die voor bepaalde toepassingen<br />
gebruik maken van kunststoffen (polymeren) of keramische materialen.<br />
Een andere definitie:<br />
"De techniek om sensoren, signaalverwerkende systemen en actuatoren in<br />
een geminiaturiseerde vorm tot een systeem te bouwen dat zelfstandig in<br />
staat is signalen waar te nemen, te beslissen en te reageren."[2]<br />
Hier is inderdaad sprake van een ondubbelzinnige benadering van MST als<br />
technologie om (micro)systemen te bouwen. Bovendien valt het begrip<br />
“zelfstandig” op. Kennelijk is het klein zijn van systemen een voorwaarde<br />
voor zelfstandigheid en wordt het beschikbaar zijn van een energiebron<br />
als vanzelfsprekend aangenomen. Een dergelijk systeem moet ontworpen<br />
Sensor Verwerking Actuator<br />
1..* 1..*<br />
Figuur 8 Een MST systeem bestaat uit een verwerking, 1 of<br />
meer sensoren en 1 of meer actuatoren. Één, enkele of allen<br />
kunnen microstructuren zijn (energiebron niet getekend).<br />
worden (zie §7). Als er sprake is van significatie signaalverwerking of<br />
anderszins intelligente besturing (zie §6) moet het ook geprogrammeerd<br />
worden (Figuur 8). De technologie die ingezet wordt om microsystemen te<br />
maken wordt met MST aangeduid. <strong>Micro</strong>systemen bestaan meestal, maar<br />
niet noodzakelijk, uit vier deelsystemen:<br />
• sensoren die signalen meten,<br />
• de signaalbewerking,<br />
• actuatoren die interactie met de omgeving mogelijk maken en<br />
• de energievoorziening.<br />
De sensoren in microsystemen meten fenomenen als temperatuur,<br />
(geluids)druk, versnelling/beweging, (chemische) potentiaal, golflengte of<br />
zuurgraad. De signaalverwerking zal veelal plaatsvinden in de ons<br />
welbekende microprocessor of een specialisatie daarvan zoals de DSP<br />
(Digitale Signaal Processing). Vanuit dit standpunt zijn het allemaal<br />
informatie bewerkende systemen met embedded MST.<br />
Een actuator effectueert bijvoorbeeld warmte, aandrijving, potentiaal,<br />
geluid of licht. Een energiebron, kan het microsysteem zelfstandig laten<br />
werken als dat nodig is. De (deel)systemen worden, afhankelijk van de<br />
eisen die de microstructuren zelf stellen en de eisen die worden gedicteerd<br />
door hun toepassing, “verpakt” (housing).<br />
Een Europese definitie:<br />
"<strong>Micro</strong>structure products have structures in the micron range and have<br />
their technical function provided by the shape of the microstructure.<br />
copy of wat is mst.doc(21-11-06) - 12/61
<strong>Micro</strong>systems combine several micro components, optimized as an entire<br />
system, to provide one or several specific functions, in many cases<br />
including microelectronics."[8]<br />
Hier wordt correct onderscheid gemaakt tussen de structuurtjes en de<br />
systemen gebouwd met die structuurtjes.<br />
<strong>Energie</strong> speelt in alle microsystemen, met name bij de microactuators,<br />
een rol. Miniaturisatie van energiebronnen is daarom, naast een essentiële<br />
factor, zelf ook een MST aspect. Het ontbreken van geschikte - mini –<br />
batterijen, accu’s of andere energiedragers, of andere manieren van<br />
energievoorziening is een beperking bij de toepassing van MST, terwijl het<br />
verkleinen van die energiedragers zelf thuishoort in het domein van de<br />
chemische MST.<br />
Op dit moment zijn er nog maar enkele grote “killer” applicaties van MST.<br />
In 2002 zijn 1,3 miljard disk lees/schrijfkoppen, 750 miljoen<br />
inktjetkoppen, 90 miljoen airbag accelerometerunits, 30 miljoen spruitstuk<br />
druksensoren en 20 miljoen disposable bloeddruksensoren verkocht [17].<br />
copy of wat is mst.doc(21-11-06) - 13/61
4. Domeinen van <strong>Micro</strong>systeemtechnologie<br />
There’s plenty of room at the bottom. Richard P. Feynman<br />
Het gaat dus over micro-elektronica en microprocessoren 4 , over<br />
microrobotica, microsensoren, microactuatoren, microchemie, microlabs<br />
(Lab-on-chip), micromechanica, micromachines, micromotoren,<br />
micromanipulatie, micropneumatiek, microhydrauliek, micro-optiek,<br />
microfluïdica 5 . Kortom allemaal systemen en functies ons welbekend,<br />
alleen nu (heel) klein. De vraag is, als deze aspecten zich allemaal in het<br />
applicatiedomein 6 bevinden, wat zijn dan de microtechnologische functies<br />
die deze systemen mogelijk maken (Figuur 9)? En welke natuurkundige<br />
fenomenen liggen hieraan ten grondslag? Wordt er gemeten in het<br />
mechanische of het elektrische of nog een ander energiedomein? En wat is<br />
het meetprincipe? En wat is voor een bepaalde toepassing het meest<br />
geschikte systeem?<br />
Applicatie<br />
«uses» «uses» «uses»<br />
«bind»<br />
«uses»<br />
<strong>Systeem</strong> Parameter<br />
<strong>Energie</strong><br />
«uses»<br />
Meetmeth<br />
Fabrikage<br />
Figuur 9 UML modellering van de afhankelijkheid van<br />
de domeinen die een rol spelen bij MST.<br />
Er kunnen 6 domeinen onderscheiden worden die een rol spelen bij MST<br />
(Tabel 1):<br />
• het energiedomein,<br />
• het functiedomein,<br />
• het systeemdomein,<br />
• het applicatiedomein,<br />
• het meetdomein en<br />
• het fabricagedomein.<br />
Elk domein heeft zijn specifieke omstandigheden, eisen, beperkingen en<br />
terminologie. Het fabricagedomein is al aan de orde geweest in §2.2. Het<br />
applicatiedomein beschrijft het veld van toepassing van MST. Voorbeelden<br />
van applicatiedomeinen zijn de automotive en transport markt, de<br />
consumentenmarkt en natuurlijk de industrie. In het applicatiedomein<br />
4 Digitale en analoge informatieverwerkende systemen.<br />
5 Stromingstechnieken in vloeistoffen en gassen: schaalaspecten van moleculaire effecten<br />
zoals oppervlaktespanning, capillaire werking, viscositeit.<br />
6 Een domein is een onafhankelijk subjectgebied met een eigen vocabulaire [12].<br />
copy of wat is mst.doc(21-11-06) - 14/61
speelt niet alleen de techniek een rol, maar ook het businessmodel. Het<br />
maakt technisch en commercieel nogal wat uit of er een vloeistofdruk<br />
moet worden gemeten in een CV installatie of in een bloedvat. Helemaal<br />
aan de andere kant van het spectrum kan een domein worden onderkend<br />
op basis van de energie of signaalvorm waarin/waarop wordt gesenst of<br />
geactueerd. Voorbeelden van de energieën in het energiedomeinen zijn<br />
elektrische, thermische en mechanische energie. Daarnaast kan een<br />
parameterdomein worden beschreven. Parameters binnen het elektrische<br />
energiedomein zijn ondermeer amplitude en frequentie van stroom en<br />
spanning. Parameters binnen het thermische energiedomein zijn<br />
temperatuur en warmtestroom(dichtheid). Binnen het mechanische<br />
energiedomein liggen parameters zoals plaats, snelheid en versnelling<br />
voor de hand. Ten slotte kan een systeemdomein worden onderscheiden<br />
waar wordt beschreven hoe microsystemen op basis van de te<br />
meten/regelen parameter en de daarbij geëigende energievorm, binnen<br />
de eisen en beperkingen van de applicatie kan worden vormgegeven. Hier<br />
spelen vragen zoals fabricage en packaging, monolithisch of hybridische<br />
integratie met micro-elektronica, en interfacing. Dus bijvoorbeeld, een<br />
mechanische druksensor en versnellingsopnemer vormen het hart van een<br />
systeem dat zijn toepassing vindt als draadloze en batterijloze unit voor<br />
het bewaken van de bandenspanning in de automotive industrie.<br />
Domein Wat is dat?<br />
<strong>Energie</strong> Met welke energievorm, wat voor<br />
signaal of fenomeen wordt er<br />
gemeten?<br />
Functie Welke parameter wil ik meten?<br />
Applicatie Waar wordt het in toegepast? Door<br />
wie? Voor wie?<br />
Fabricage Welke fabricagetechnieken worden<br />
toegepast voor het maken van die<br />
sensor of actuator?<br />
Meting Hoe wordt die parameter bemeten?<br />
<strong>Systeem</strong> Integratie van aspecten uit<br />
bovenstaande domeinen, inclusief<br />
compatibiliteit, interfacing, en<br />
andere beperkingen.<br />
Tabel 1 De verschillende MST domeinen met hun betekenis.<br />
De energiedomeinen en de functiedomeinen kunnen als volgt tegenover<br />
elkaar worden gezet (Tabel 2):<br />
<strong>Energie</strong>domein Fysische parameter<br />
Elektromagnetische Straling Intensiteit, amplitude, energie,<br />
frequentie (radio..kosmisch), _, _,<br />
polarisatie, reflectantie,<br />
transmittantie, spreiding,<br />
interferentie, IR-straling<br />
Mechanisch Kracht, druk, moment, positie,<br />
verplaatsing, nabijheid, snelheid,<br />
versnelling, inertie, flow, volume,<br />
grenslaagdikte, dichtheid,<br />
viscositeit, massa, niveau, hoek,<br />
ruwheid, akoestische f en _<br />
(vibratie), vervorming,<br />
(oppervlakte)spanning<br />
copy of wat is mst.doc(21-11-06) - 15/61
grenslaagdikte, dichtheid,<br />
viscositeit, massa, niveau, hoek,<br />
ruwheid, akoestische f en _<br />
(vibratie), vervorming,<br />
(oppervlakte)spanning<br />
Thermisch Temperatuur, warmtestroom<br />
Elektrisch (statisch) Stroom, spanning, lading,<br />
weerstand, capaciteit, zelfinductie,<br />
diëlektrische waarde, f, t, _,<br />
elektrische polarisatie, veldsterkte<br />
Magnetisch (statisch) Veldsterkte, fluxdichtheid, moment,<br />
permeabiliteit, reactantie<br />
Chemisch Compositie, concentratie,<br />
reactiesnelheid, toxiciteit, O2<br />
verzadiging, viscositeit,<br />
oxydatiereductie-potentiaal, pH,<br />
enzymen, ionen, gas<br />
Tabel 2 Karakterisering van de energie- en de functiedomeinen [20].<br />
Als voor het systeemdomein de fabricage van de sensor(en) en de<br />
eventuele actuator(en) als gegeven wordt beschouwd, resteren nog tal<br />
van engineeringaspecten die in beschouwing moeten worden genomen. In<br />
Tabel 3 is een poging gedaan een indicatieve opsomming van deze<br />
aspecten te geven.<br />
<strong>Systeem</strong>aspecten Topics<br />
Interfacing Parameter level<br />
Smart<br />
IEEE 1451<br />
Bus<br />
Wireless<br />
Ontwikkeling Analyse<br />
Ontwerp<br />
Implementatie<br />
Testen<br />
Embedded Processing &<br />
Conditioning.<br />
Software, Operating System<br />
Hardware, CPU, I/O, Memory<br />
Tabel 3 MST systeemaspecten (fabricage impliciet)<br />
Er is nog een andere indeling mogelijk: die naar de gebruikte<br />
meetmethode of het gebruikte principe (Tabel 4). Mechanische druk of<br />
kracht kan worden gemeten met de capaciteitverandering door de<br />
doorbuiging van een membraan, maar ook met de weerstandverandering<br />
in bijvoorbeeld een piezo resistive materiaal.<br />
Waarde of verandering van … meet …<br />
Capaciteit Afstand, kracht, vocht, diëlektrische<br />
constante<br />
Piëzo (Ohms en Elektrisch) Kracht, buiging, torsie, druk<br />
Hall effect (Ohms en Elektrisch) Magnetische inductie<br />
copy of wat is mst.doc(21-11-06) - 16/61
Foto-Voltaïsch Licht-, warmtestraling<br />
Materiaalverandering Gas, vocht<br />
Thermokoppel Temperatuurverschil<br />
Optisch Niveaudetectie<br />
Weerstand Temperatuur, druk, gas<br />
Frequentie Mechanische, chemische en<br />
elektrische verstoringen<br />
Tabel 4 Verband tussen enkele meetprincipes en de te meten grootheid.<br />
In dit hoofdstuk zal een poging worden gedaan een aantal<br />
applicatiedomeinen te verkennen met als doel uiteindelijk de voor die<br />
applicaties benodigde MST functies en systemen vast te stellen. Tabel 5<br />
geeft een aantal applicatie domeinen met voorbeelden [1][5].<br />
Domein Karakteristieken<br />
Draagbare werkplek voor<br />
informatie behandeling<br />
Draagbare werkplek voor<br />
materiaal behandeling<br />
Draagbare persoonlijke<br />
apparatuur<br />
Draagbare of<br />
implanteerbare zorg,<br />
diagnostiek en<br />
therapeutische middelen<br />
Data opslag<br />
Displays<br />
Printers<br />
Scanners<br />
Toetsenborden<br />
Muizen<br />
<strong>Micro</strong>foons<br />
Luidsprekers<br />
<strong>Micro</strong>-optische systemen<br />
<strong>Micro</strong>chemische analyse (zie bij Bepalen en<br />
vaststellen)<br />
<strong>Micro</strong>-fluïdise systemen<br />
Kleding<br />
Domotica<br />
Ontspanning<br />
Nomadisch Internet/Computer<br />
Lichaamsfunctie bewaking<br />
Farmaceutica toediening<br />
Slimme pillen<br />
Kunstmatige zintuigen<br />
Kunstmatige lichaamsfuncties<br />
Gehoortoestellen<br />
Ziekenhuis Tele-operatie<br />
Minimale invasieve heelkunde<br />
Intensive care bewaking<br />
Beeldapparatuur<br />
Therapeutische middelen<br />
Productie Proces industrie<br />
Product industrie<br />
Land- en tuinbouw<br />
MST productie- en test faciliteiten<br />
Productieuitrusting<br />
Precisieproducten<br />
Transport Richting- & positiebepaling<br />
Botsingvermijding<br />
copy of wat is mst.doc(21-11-06) - 17/61
Motormanagement<br />
Veiligheid, beveiliging, comfort<br />
Beveiliging Gebouwbeveiliging en veiligheid<br />
Inbraakpreventie<br />
Kinderen, gehandicapten en ouderen<br />
Machine en machinepark inspectie<br />
Gewasbewaking<br />
Milieu<br />
Onderzoek <strong>Micro</strong> probe technieken<br />
Celmanipulatie<br />
Nanomanipulatie<br />
Nanosynthese<br />
Bepalen en vaststellen Chemische analyse systemen<br />
<strong>Micro</strong>-atoomklok<br />
<strong>Micro</strong>scopie<br />
Communicatie Optische communicatie<br />
Optische schakelaars<br />
Instrumentatie Fysisch meten<br />
(Bio)Chemisch meten<br />
Inspectie<br />
Automatisering, robotica & controle<br />
Informatie behandeling<br />
Identificatie, toezicht<br />
Land-, Tuinbouw &<br />
Biotechnologie<br />
Biocompatibiliteit, duurzame & milieubewuste<br />
productie, bederfelijkheid<br />
Tabel 5 applicatie domeinen met hun karakteristieken<br />
4.1. MST in de instrumentatie<br />
Instrumentatie is een wijds begrip. Het gaat hier om de inzet van<br />
apparatuur ter observatie, detectie, inspectie en controle.<br />
Instrumentatietechnologie vindt zijn toepassing in een groot aantal<br />
gebieden zoals de industrie en de milieutechniek maar ook in<br />
geavanceerde toepassingen zoals in de lucht- en ruimtevaart, defensie en<br />
R&D.<br />
Bij milieutechniek gaat het om het opsporen, observeren en voorkomen<br />
van verontreiniging van lucht, bodem, oppervlakte- en grondwater.<br />
In de industrie ligt de nadruk, mede onder druk van de concurrentie en<br />
milieueisen, op het beter beheersen van product(ie)kwaliteit en<br />
productieveiligheid, de productiekosten en de milieubelasting. In alle<br />
gevallen opereren microsystemen in vijandige omgevingen. De<br />
instrumentatie microsystemen, en de microsensoren in het bijzonder,<br />
staan bloot aan agressieve en explosieve stoffen, hoge temperaturen en<br />
drukken.<br />
Naast de industriële, milieutechnische en high-end toepassingen zijn<br />
instrumentatie aspecten terug te vinden bij de medische technologie (zie<br />
§4.2), de consumentenbranche (zie §4.3), het transport (zie §4.4), de<br />
agricultuur (zie §4.5) en de ICT (zie §4.6).<br />
Er is een toenemende vraag naar meer en nauwkeuriger meten en regelen<br />
(M&R) van discrete en niet discrete 7 processen. Kwaliteitsborging &<br />
7 Enkel stuks fabricage vs. continu proces industrie.<br />
copy of wat is mst.doc(21-11-06) - 18/61
kwaliteitsverbetering van het product, veiligheid en optimalisatie van de<br />
productie en de geïnduceerde milieubelasting zijn de drijvende krachten<br />
achter de vraag naar geavanceerde M&R apparatuur.<br />
Sensoren vervullen een belangrijke functie bij het meten, monitoren en<br />
inspecteren van een proces of object. Ze leveren de transformatie van<br />
natuurkundige, chemische en biologische grootheden 8 naar het elektrische<br />
domein. De aldus verkregen analoge of digitale representatie kan zo<br />
lokaal of remote worden verwerkt. Bij het regelen van een proces ligt de<br />
focus bij de actuator waarbij doorgaans een omgekeerde transformatie<br />
plaatsvindt, d.w.z. van het elektrische informatiedomein naar, mogelijk,<br />
een niet-elektrisch domein. Het informatieverwerkende gedeelte van het<br />
instrument – hardware, microprocessor en software – zal steeds vaker<br />
geïntegreerd zijn met sensoren en actuatoren.<br />
De drijfveren voor de toepassen van MST bij instrumentatie zijn ondermeer<br />
de portabiliteit, d.w.z. beperkingen naar geometrie, gewicht en<br />
energieconsumptie. Deze beperkingen kunnen opgelegd worden door de<br />
beschikbare ruimte (in-situ toepassingen) maar evenzo afgedwongen zijn<br />
door de ongewenstheid van de beïnvloeding van de meting, bijvoorbeeld<br />
door de toegevoegde warmte ten gevolge van de energiehuishouding van<br />
het device.<br />
In het verlengde van portability en power requirements liggen<br />
toegankelijkheidseisen zoals de gewenstheid van lokale (geïntegreerde)<br />
intelligentie, autonomie (autoprocessing, auto-calibratie, self-test) en de<br />
mate van bedrijfszekerheid (Bijlage II; Betrouwbaarheid) van de<br />
applicatie.<br />
Door het toepassen van multiple sensoren en actuatoren kan niet alleen<br />
de faalbestendigheid van de gehele sensor/actuatorsamenstelling<br />
verbeteren, maar het geeft in potentie ook een betere sensorresolutie en<br />
actuatorprecisie en een betere storingsonderdrukking (CCR).<br />
Als er een combinatie kan worden gemaakt van meerdere units, elk<br />
bestaand uit sensoren, actuatoren en lokale processing en communicatie<br />
tussen die units, dan is er sprake van een gedistribueerd systeem 9 .<br />
De totale kosten van instrumentatie beperken zich niet tot productie en<br />
gebruik daarvan, maar betreffend ook de sociale context en de milieu- en<br />
veiligheidsaspecten. De relatief lage kosten van microsystemen zorgen<br />
ook voor een reductie in het ver/gebruik van grondstoffen, chemicaliën en<br />
energie en de verbetering van de veiligheid van het te instrumenteren<br />
proces.<br />
Parameters die in het instrumentatiedomein een rol spelen zijn CO, CO2,<br />
NOx, SOx, geur, mengsel, kleur, troebelheid, dichtheid, viscositeit,<br />
temperatuur, (lucht)vochtigheid, snelheid, (partiele) drukken pO2, pCO2,<br />
concentratie, zuurgraad pH, gehalte van suikers, zouten.<br />
Voorbeelden: <strong>Micro</strong>robots voor inspectie en reiniging op slecht<br />
toegankelijke en gevaarlijke plekken. Draadloze, gedistribueerde,<br />
sondering in olie en gasvelden, in de meteorologie, seismologie en<br />
hydrologie, maar ook het draadloos monitoren van de bandenspanning en<br />
8 Doorgaans wordt verschil gemaakt: fysische en chemische sensoren. De eersten<br />
omvatten elektrische, optische, mechanische, magnetische en temperatuur sensoren en de<br />
tweede groep zijn al de sensoren die de aanwezigheid van bio(chemische) substanties<br />
vertalen naar een elektrisch signaal.<br />
9 Distributed systems zijn systemen die met één of meerdere verschillende parameters al<br />
dan niet verdeeld in ruimte en tijd interfacen.<br />
copy of wat is mst.doc(21-11-06) - 19/61
andenslijtage bij auto’s en vliegtuigen. <strong>Micro</strong>actuators voor<br />
microbehandeling, micropositionering, microassemblage, microtransport<br />
en microdispensie. En natuurlijk pervasive & ubiquitous computing (zie<br />
§11), d.w.z. het intelligente gebouw[5].<br />
4.2. MST in de medische technologie<br />
It would be interesting in surgery if you could swallow the surgeon. Richard P. Feynman<br />
Een algemene karakteristiek van medische applicaties is de eis om de<br />
patiënt zo min mogelijk te belasten met de aanwezigheid en de<br />
beperkingen van de toegepaste technologie. De tijd die het de patiënt tot<br />
last is, moet zo kort mogelijk zijn. De traumatische bijverschijnselen<br />
moeten geminimaliseerd worden. Nauwkeurige plaatsing in of aan het<br />
lichaam helpt daarbij. Beperkt gewicht en afmeting zijn tot voordeel,<br />
evenals een gereduceerde energieconsumptie. <strong>Energie</strong>-efficiëntie<br />
verbetert de implantatieduur bij implantaten en vermindert de warmte<br />
afgifte ter plaatse.<br />
Door een verbetering van de diagnostiek is een vroegtijdiger en minder<br />
ingrijpender behandeling van de aandoening mogelijk. Na de vaststelling<br />
van morfologische en functionele afwijkingen van het lichaam is er<br />
behoefte aan behandeling zonder traumata aan het omringende, gezonde<br />
weefsel. Dit heeft geresulteerd in meer en meer specifieke therapieën,<br />
zowel in behandeling, als naar plaats en tijd. Het nauwkeurig toedienen,<br />
op specifieke plaatsen en op specifieke momenten van kleine<br />
hoeveelheden specifieke medicamenten is daar een voorbeeld van.<br />
De kwaliteit van het leven en zelfredzaamheid kan dramatisch worden<br />
verbeterd als disfunctionele lichaamsfuncties kunnen worden vervangen,<br />
of ondersteund. Bijvoorbeeld gehoortoestellen, pacemakers 10 ,<br />
insulinepompen, prothesen, draagbare beademingssystemen.<br />
Bij al deze vereisten heeft MST speciale voordelen: In-situ operaties<br />
vragen om specifieke meting, zowel naar parameter als ook naar plaats en<br />
tijd, gekoppeld aan of gevolgd door minimale traumatische therapie. Het<br />
laatste impliceert minimale invasieve diagnostiek (b.v. navigeerbare<br />
endoscopie) en behandeling, zoals zeer specifieke medicatie en minimale<br />
of non-invasieve 11 chirurgie. Met functie integratie & mechanische<br />
flexibiliteit is MST ongeëvenaard in het op menselijke schaal verkleinen en<br />
integreren van sensoren en actuatoren, zodat het compatibel kan zijn met<br />
de biologische schaal van het leven. Verder maakt de hoge graad van<br />
integratie het mogelijk te integreren met transponders, zo de nadelen van<br />
bedrading en voeding vermijdend en daarmee de betrouwbaarheid en<br />
storingsongevoeligheid verhogend. Ten slotte kan met MST kostenreductie<br />
worden gerealiseerd zowel in het high value-added, low-volume segment<br />
(b.v. implantaten) als in de low-cost, high-volume markt (disposable<br />
bloeddruk en hartslagmeters). In alle gevallen zal de technologie (sensor,<br />
communicatie en processing) kansen bieden aan de sociale werkelijkheid<br />
van de stijgende kosten van de gezondheidszorg, de vergrijzing en de<br />
noodzaak eerder ziekten te detecteren.<br />
10<br />
Er zijn rate/frequency resonsive pacemakers (in ontwikkeling) die anticiperen op<br />
inspanning d.m.v. bewegingsensoren.<br />
11<br />
Zelfs non-invasieve technieken vereisen soms invasieve acties (b.v. contrastvloeistof).<br />
copy of wat is mst.doc(21-11-06) - 20/61
Figuur 10 Textielweefsel met geïntegreerde geleidende vezels, electrodes<br />
en reksensor [14].<br />
Mensen raken zo gewend aan alom aanwezige, nabije intelligentie,<br />
communicatie en interactiviteit, dat het goed voorstelbaar wordt dat alle<br />
mogelijke lichaamsfuncties continue worden gemonitord en/of<br />
geregistreerd. Sporters en hartpatiënten kunnen baat hebben bij het op<br />
afstand laten volgen en beoordelen van cruciale lichaamsfuncties. Zeker<br />
als de sensoren van die functies worden geïntegreerd in kleding (Figuur<br />
10). De integratie van MEMS in textiel wordt aangeduid met smart textiles.<br />
Textiel wordt hier gebruikt als een flexibel substraat voor elektronische<br />
circuits en sensoren en is voor lichaamsspecifieke sensoren een heel<br />
vanzelfsprekende substraat.<br />
Huidige bloeddrukmetingen (tensie) met een knellende manchet zijn niet<br />
erg nauwkeurig en ook niet geschikt voor volcontinu bedrijf. Invasieve<br />
methoden zijn voor niet-klinisch gebruik ongeschikt en in een klinische<br />
omgeving evenzo goed belastend voor de patiënt en personeel en niet<br />
zonder risico. Door het meten van verschillende cardiovasculaire<br />
parameters, zoals pulsgolfsnelheid, is de bloeddruk te berekenen. Als een<br />
dergelijk meetsysteem wordt voorzien van een Bluetooth interface<br />
ontstaat een mobiele, continue, non-invasieve bloeddrukbewaking voor<br />
thuis en onderweg met geheel nieuwe diagnostische en therapeutische<br />
mogelijkheden. Deze aanpak heeft al een betere correlatie en standaard<br />
deviatie laten zien dan andere niet invasieve methoden [16].<br />
copy of wat is mst.doc(21-11-06) - 21/61
Om de locatie van de ziekte van Parkinson in het brein vast te stellen,<br />
dient het activatiepatroon van de aangedane cellen te worden<br />
geanalyseerd. Daartoe is het van belang in een beperkt gebied<br />
nauwkeurig en accuraat micro probes te kunnen positioneren. De<br />
positionering van de micro-elektrodes is geen handwerk meer maar<br />
gebeurt met een manipulator die is uitgerust met een high-precision<br />
micromotor die het mogelijk maakt reproduceerbaar een vooraf<br />
geselecteerd traject af te leggen (Figuur 11).<br />
Figuur 11 <strong>Micro</strong>manipulator met<br />
hersencelelektrode.<br />
Zodra het verdachte gebied is geïdentificeerd, kan Parkinson worden<br />
behandeld met implanteerbare stimulators. Het stimuleren van de<br />
hersencellen in het vastgestelde gebied onderdrukt bepaalde transmissies<br />
van de beschadigde cellen en voorkomt, of in ieder geval onderdrukt, het<br />
karakteristieke beven (tremolo) van Parkinson patiënten [15].<br />
4.3. MST in consumentenproducten<br />
Hoewel de vraag in hoeverre MST kan worden toegepast in de thuiszorg<br />
evengoed ook in §4.2 beantwoord had kunnen worden, komt ze hier aan<br />
de orde. Belangrijkste reden is dat voor massale toepassing van MST in de<br />
thuiszorg qua gebruikersgemak, gebruikersacceptatie en kosten eerder te<br />
vergelijken zal zijn met consumententechnologie dan met medische<br />
technologie.<br />
Figuur 12 Continue monitoring van vitale functies.<br />
copy of wat is mst.doc(21-11-06) - 22/61
Het is intussen evident dat door de vergrijzing in toenemende mate een<br />
beroep zal worden gedaan op zorg. Tegelijkertijd willen ouderen zo lang<br />
mogelijk zelfstandig blijven, het liefst thuis. Er zal een toenemende vraag<br />
zijn naar slimme systemen die een vanzelfsprekende, comfortabele en<br />
toegankelijke omgeving creëren in het dagelijkse leven van ouderen en/of<br />
mindervaliden en dat dan nog binnen budgetten die niet vanzelfsprekend<br />
zullen groeien (Figuur 12). Omdat de vergrijzing (ook) een Europees<br />
probleem is heeft de Europese Commissie initiatieven ontplooid die<br />
worden aangeduid met AAL (Ambient Assisted Living).Thuiszorgsystemen<br />
waar MST, in combinatie van signaalverwerking en communicatie, een rol<br />
zou kunnen spelen zijn valdetectoren, slimme blindengeleiding,<br />
afwijkingen in lichaamsfuncties zoals hartslag, ECG, hypertensie en<br />
zuurstofsaturatie (SpO2), signaleren van brand, rook en gevaarlijke<br />
gassen, lekkages aan waterleiding, wasmachines en koelkasten, voorraad<br />
beheer van levensmiddelen en medicijnen en indringeralarmering. Hierbij<br />
draait het om het draadloos netwerken van sensoren in objecten zo veel<br />
als mogelijk en nodig is, zelfs naar buiten toe. Te denken valt zelfs aan<br />
intelligente muren (MST in verf), intelligente vloeren (MST in de vloer of in<br />
de vloerbedekking), intelligente bedovertrekken en kleding (MST in textiel)<br />
[23].<br />
Een van de weinige “MST killer applications” zijn microdisplays/mirrors. Het<br />
is gebaseerd op een optische MEMS (OPTOMEMS) technologie, waarbij met<br />
behulp van matrices van elektronisch kantelbare microspiegeltjes – de<br />
pixels – licht wordt gemoduleerd (Figuur 13). Het wordt toegepast in<br />
digitale TV’s, projectoren voor thuis en professioneel gebruik tot aan<br />
bioscoop formaat, met een nauwkeurigheid, resolutie, gewicht en andere<br />
relevante specificaties vele malen beter dan conventionele display<br />
technieken.<br />
Figuur 13 Een micromirror is schanierend opgehangen het zo mogelijk makend<br />
met een frequentie totaan enkele kHz van en naar een lichtbron te kantelen en<br />
daarmee een lichter of donkerder pixel tot stand te brengen.<br />
Aardige huis-tuin-en-keuken voorbeelden zijn de<br />
toepassing van accelerometers (dezelfde die ook airbag’s<br />
worden toegepast, zoals de ADXL familie<br />
accelerometers van Analog Devices) in joysticks. Of<br />
een micropiëzomotor voor aandrijving van de<br />
stroomafnemers van modelbaan locomotieven<br />
(Figuur 14).<br />
De nieuwste digitale opneem- en afspeelapparatuur Figuur 14<br />
maakt al gebruik van MST. De verwachting is dat het<br />
Elektrische model<br />
loc met<br />
een belangrijke bijdrage zal leveren aan verdere<br />
micromotor<br />
miniaturisatie van informatiedragers.<br />
aangedreven<br />
Tenslotte kan MST, mits in gedistribueerd veelvoud pentograven<br />
aangebracht in witgoed, zoals koelkasten, drogers (Märklin).<br />
en wasmachines, een veel nauwkeurigere en<br />
betrouwbaardere schakel vormen in het meet & regel proces.<br />
copy of wat is mst.doc(21-11-06) - 23/61
4.4. MST in het transport<br />
Op dit moment zijn er ongeveer 100 potentiële toepassingen voor MST<br />
denkbaar in het “automotive” domein. In de duurdere personenauto’s<br />
(zoals b.v. BMW 7xx en Mercedes Benz 5xx) worden deze het eerst<br />
toegepast (Figuur 15). Te denken valt hierbij, naast natuurlijk de airbagvertragingsopnemer,<br />
aan temperatuursensing en oliedrukmeting (zie<br />
verderop), aan inlaatspruitstukdruksensoren (manifold absolute pressure,<br />
MAP) en oliekwaliteitsensoren, kortom alles wat te maken heeft met het<br />
(verbrandings)motormanagement (electronic engine control system, EECS)<br />
in het kader van bedrijfszekerheid, brandstofgebruik, en<br />
luchtverontreiniging.<br />
Figuur 15 Automobiele sensorsystemen.<br />
DTR: Distronica CDI: Common-Rail Diesel Injection<br />
KLA: Automatic Climate Control EGS: Electronic Transmission Control<br />
DBE: Roof Control ABC: Active Body Control<br />
ABS: Atomatic Brake Control RDK: Tire Pressure Monitoring<br />
ZV: Power Lock ESP: Electronic Stability Programme<br />
LWR: Dynamic Light Regulation PTS: Parktronic System<br />
De belangrijkste spelers in de MAP-markt zijn ondermeer Bosch, Delphi,<br />
Denso en Kavlico. MAP sensoren zullen in 2007 naar schatting voor $5 of<br />
minder over de toonbank gaan. Crash accelerometers ter aansturing van<br />
airbags (frontaal, zij- en achterwaarts) worden vooral gemaakt door AD,<br />
Denso, Freescale en Sensonor/Infineon.<br />
In het kader van het (voertuig)comfort en veiligheid valt te denken aan de<br />
gier (“yaw”) of hoek(afwijking) sensor, regensensing, vorstdetectie,<br />
wielsnelheidsensing en de bandenspanningsensing 12 . Bij een jaarlijks<br />
dodental in de EU van 40.000 bij 1,3 miljoen incidenten is het verbeteren<br />
van de verkeersveiligheid d.m.v. automatische obstakeldetectie en<br />
(micro)systemen ter ondersteuning van de chauffeur voor een tijdige en<br />
adequate reactie bij gevaarlijke situaties geen overbodige luxe.<br />
Bij de yaw en/of angular rate sensoren wordt de rotatie(snelheid)<br />
gemeten ten opzichte van een centrale as en wordt in combinatie met GPS<br />
gebruikt voor de voertuiglocatie en -oriëntatie, of voor de initiële detectie<br />
van slippen en kantelen. Deze units zijn te koop voor $20 à $25.<br />
Belangrijke leveranciers zijn AD, Bosch, Denso en Freescale.<br />
Het meten van wielsnelheid met MST Hall effect (HE) sensoren en<br />
anisotropic magnet resistive ratio (AMR) sensors is van belang voor<br />
12 Verplicht in de VS op modellen 2007.<br />
copy of wat is mst.doc(21-11-06) - 24/61
Antilock Braking Systems (ABS) en de bandenspanningbewaking bij<br />
moderne auto’s. (Hall ASIC: Infineon)<br />
Een te lage bandenspanning geeft een onnodig grote slijtage en verhoging<br />
van temperatuur. Een te hoge temperatuur leidt op zichzelf ook weer tot<br />
meer slijtage. In extreme vorm kan het culmineren in een klapband. De<br />
bandenspanning kan worden bepaald op een directe en een indirecte<br />
methode. De indirecte methode komt neer op het meten van het verschil<br />
van de omloopsnelheid van de twee wielen, d.m.v. wielsnelheid sensoren<br />
en uitgebreide processing. Het verschil in wielsnelheid is een functie van<br />
de bandenspanning. Bij de directe methode wordt de bandenconditie<br />
gemonitord door een wireless module die bestaat, naast een zender, uit<br />
een druksensor, een temperatuursensor, een accelerosensor en signaal<br />
conditionerings-elektronica. De kosten van een dergelijke module worden<br />
per 2007 voorzien op 12 à 15 US$ per wiel. Freescale, Melexis, Shrader/GE<br />
NovaSensor en VTI zijn de marktleiders op dit gebied.<br />
In de nabije toekomst worden voor de applicatie van MST in automotive<br />
een aantal belangrijke ontwikkelingen voorzien en/of algemener<br />
toegepast, zoals hogedruk common-rail brandstof injectie sensoren,<br />
detectie van oliedegradatie (oxidatie, roetvorming, waterverontreiniging),<br />
benzinetank dampvorming sensoren (On Board Diagnostics, OBD),<br />
adaptieve remdruk als functie van b.v. de af te remmen massa of als<br />
onderdeel van het ABS, X-by wire (rijden, sturen, remmen) positie<br />
sensoren, nokkenas en krukas positie sensing, detectie van de<br />
aanwezigheid, het gewicht, de stand en de positie van het lichaam van<br />
chauffeur en passagiers voor het regelen van de airbag ontplooiing,<br />
accelerometers, yaw rate sensors en andere sensoren voor het rijgedrag<br />
en weggedrag (vering), airbags en GPS back-up; pressure sensors voor de<br />
aandrijflijn, remmen, koeling, banden; position sensors voor wielsnelheid,<br />
pedaal positie; vochtigheidssensoren voor het cabinecomfort; zonlicht en<br />
regen/condens sensing; afstand sensoren voor obstakel nabijheid<br />
detectie; koplampen afstelling.<br />
Te verwachten valt de komende 5 à 7 jaar een significante toename van<br />
het gebruik van MST in automotive. Dat wordt, naast ander factoren,<br />
veroorzaakt door de volgende omstandigheden:<br />
• Langere garantietermijnen,<br />
• Strengere wetgeving met betrekking tot de verkeersveiligheid,<br />
brandstofgebruik en emissie,<br />
• Toenemende voertuig performance en comfort,<br />
• Beschikbaarheid goedkope microcontrollers, geheugens en displays,<br />
• Verbeterde voertuigdiagnostiek<br />
De druksensor was de eerste commercieel<br />
succesvolle toepassing van<br />
microsysteemtechnologie (Figuur 16).<br />
Bijvoorbeeld de oliedruksensor voor de<br />
‘automotive’ industrie. Een dergelijk sensor<br />
bestaat uit een dun silicium membraam, dat een<br />
dikte kan hebben van enkele microns. In dit<br />
membraam worden sporen aangebracht die van<br />
eigenschap veranderen als er een mechanische<br />
spanning op de membraam komt. Meestal<br />
verandert dan de elektrische weerstand van de<br />
aangebrachte laag. De sensor meet de druk door<br />
Figuur 16 Druksensor<br />
copy of wat is mst.doc(21-11-06) - 25/61
feitelijk deze elektrische weerstandsverandering te meten[6][14][17].<br />
4.5. MST in de Land & Tuinbouw en de Biotechnologie<br />
Het menselijk/dierlijk reukvermogen is voor sommige<br />
geuren goed ontwikkeld. Wij kunnen, na de nodige<br />
oefening, wijn neuzen, en, zonder al te veel oefenen,<br />
vaststellen of de vis nog vers is (Figuur 17). De<br />
menselijke/dierlijke reukzin is adoptief, selectief en<br />
redundant. Dergelijke overwegingen gelden ook voor het<br />
zicht en tastzin. Kunnen artificiële sensoren geuren, tinten<br />
en tactiliteit meten? Dit zijn de vragen die spelen in de<br />
agricultuur en de biotechnologie. En dat niet alleen, maar<br />
ook de vraag of sensoren de aanwezigheid van bacteriën,<br />
schimmels, virussen of insecten kunnen aantonen.<br />
Figuur 17<br />
Kostunrix<br />
voor verse<br />
vis.<br />
In de eerste plaats is er het voortdurende streven naar efficiëntere en<br />
kwalitatief betere productie, door middel van biocompatibele sensoren en<br />
actuatoren voor proces inputdosering (b.v. zonlicht en voeding) en het<br />
beheersen van kwaliteit (versheid, gezondheid) van tussen- en<br />
eindproducten.<br />
Daarnaast zijn er toenemende belemmeringen voor het vrijkomen van<br />
afvalproducten, zoals NH3, NOx, herbiciden en pesticiden waarbij<br />
fijnmazige, lichtgewicht en kostenefficiënte toepassing van MST een rol kan<br />
spelen. Dat alles betreft grote hoeveelheden gewas en vee, bij akkerbouw,<br />
glas- en tuinbouw en de veeteelt en de veehouderij.<br />
Een probleem is de voeding van al die verspreide sensoren en actuatoren.<br />
Het geregeld vervangen van grote hoeveelheden accu’s/batterijen is<br />
ondoenlijk en bijvoorbeeld bij implantaten onwenselijk (zie ook §5, The<br />
Power Factor, m.n. de RFID chip). Aan de actuerende kant zijn er<br />
mogelijkheden om injecterende, doserende actuatoren te realiseren op<br />
basis van RFID, d.w.z. devices die hun actie-energie putten uit een extern<br />
elektro-magnetisch veld.<br />
Daarnaast, ook gezien dezelfde geografische spreiding, ligt het voor de<br />
hand dat al die microsystemen draadloos met elkaar en met centrale<br />
systemen kunnen communiceren.<br />
Niet uitputtend, en ook niet uniek voor deze sector, zijn de kenmerken die<br />
zeker een rol spelen:<br />
• Geur<br />
• Grijstinten en kleur, plaatselijk en integraal<br />
• Vochtigheid<br />
• Gasconconcentraties (NH3, NOx, CO2, alcohol, keton’s, ester’s,<br />
benzol’s, etc.)<br />
• Vloeistofconcentraties<br />
• Belichtingspectra<br />
• Temperatuur<br />
• Druk<br />
• Beweging<br />
• Buiging<br />
• Positie<br />
Een andere interessante ontwikkeling zijn actuatoren die een voor<br />
schadelijke bacteriën, schimmels, virussen of insecten aantrekkelijk,<br />
copy of wat is mst.doc(21-11-06) - 26/61
kwekend of verzamelend microklimaat kunnen vormen of plant/dier<br />
onderdelen kunnen nabootsen [5].<br />
4.6. MST in de ICT<br />
Er is een zeker overlap met MST in consumentenproducten (§4.3), zoals<br />
MST in de harddisk (microdrive/motors) van de PC en de digitale camera.<br />
<strong>Micro</strong>drives in harddisks zorgen zowel voor de rotatie van de platen<br />
(15.000 rpm) als voor de lineaire verplaatsing van de lees/schrijf koppen<br />
(Figuur 18).<br />
Figuur 18 Een diskpakket van 10 schijven met de<br />
read/write-koppen.<br />
Een specifiek voorbeeld van MST in ICT zijn optische schakelaars in<br />
backbone servers. Het gemoduleerde licht uit een glasvezel wordt met een<br />
optische schakelaar met een, bijvoorbeeld elektrostatisch aangedreven,<br />
microspiegeltje geschakeld naar een andere glasvezel. Toepassing van<br />
microsysteemtechnologie loste een groot probleem op bij<br />
distributiebedrijven waarvan de schakelcentrales hele verdiepingen<br />
begonnen te beslaan. Waar een mans-grote schakelkast nodig was met<br />
conventionele elektronicaoplossingen, verstuurde<br />
microsysteemtechnologie dezelfde hoeveelheid informatie met een<br />
apparaat ter grootte van een schoenendoos. De groeiende behoefte aan<br />
informatie (opkomst Internet en mobiele telefonie [6]) stuurt de<br />
wereldmarkt voor dit type MST-schakelaars aan.<br />
Een inkjetprinter is een printer die vloeibare inkt op papier 'sproeit'. In<br />
feite wordt er met wat kracht een druppeltje op het papier gespoten. Er<br />
zijn zwart/wit en kleuren inkjetprinters. Inkjet printers kunnen worden<br />
ingedeeld naar de 2 verschillende soorten technologieën die worden<br />
gebruikt: piëzo-inkjet en thermische inkjet.<br />
Bij piëzo-inkjet printers bevindt zich achter ieder kanaal van de printkop<br />
een piëzo-elektrisch element. Door op dit element een elektrische puls te<br />
zetten, verandert dit element van vorm. Door deze snelle<br />
vormverandering wordt er een schokgolf opgewekt in het bijbehorende<br />
inktkanaal. De schokgolf zorgt ervoor dat één of meer druppeltjes inkt uit<br />
het kanaal worden geschoten. De Japanse firma Epson is de enige die dit<br />
soort inkjetprinters op de markt brengt voor kantoor- en<br />
thuistoepassingen. Epson bezit ook alle belangrijke octrooien voor deze<br />
technologie.<br />
Bij thermische inkjet printers bevindt in ieder inktkanaal een klein<br />
verwarmingselementje. Door hierop een elektrische puls te zetten, vormt<br />
zich lokaal een dampbelletje in de inkt, dat na het uitzetten van de puls<br />
copy of wat is mst.doc(21-11-06) - 27/61
weer implodeert. Door deze implosie wordt in de inkt een schokgolf<br />
opgewekt. De schokgolf zorgt weer voor het wegschieten van een<br />
druppeltje inkt. Thermische inktjetprinters worden aangeboden door<br />
verschillende fabrikanten. De voornaamste zijn Hewlett-Packard, Canon<br />
en Lexmark [Wikipedia].<br />
copy of wat is mst.doc(21-11-06) - 28/61
5. The Power Factor<br />
Als de vraag hoe MST economisch kan worden aangewend en toegepast<br />
moet worden beantwoord loopt men onvermijdelijk aan tegen de vraag<br />
over de energievoorziening van MST. Als de energievoorziening met<br />
standaard cellen (“accu’s”) bij apparatuur zoals mobiele telefoons, PDA’s<br />
en laptops zowel naar beheer, onderhoud en capaciteit als naar gewicht<br />
en afmeting al een probleem is, dan is dat het zeker bij autonome<br />
systemen van vele orden kleiner zoals MST. Met het oog op de zich snel<br />
ontwikkelende aspecten ubiquitous computing en ambient intelligence (zie<br />
§11) bij automotive, rondom huis en haard, in de industrie,<br />
gezondheidszorg, transport en logistiek, waar autonome en<br />
gedistribueerde MST de sleuteltechnologie zal zijn, zal er een toenemende<br />
vraag zijn naar intelligente autonome (“autarkic”) energievoorziening. De<br />
energievoorziening moet intelligent zijn omdat voor efficiënt gebruik het<br />
gedrag van de voorziening adaptief moet zijn afgestemd op de (variante)<br />
vraag, en het moet zelfstandig zijn omdat beheer, onderhoud en<br />
vervanging duur, ongewenst of zelfs onmogelijk is. Zelfstandig betekent in<br />
dit verband dat de energievoorziening langdurig dan wel onbeperkt<br />
autonoom is. Die autonomie veronderstelt ook wireless communicatie,<br />
want een device dat wel de energievoorziening aan boord heeft maar voor<br />
de communicatie nog bedrading nodig heeft met zijn omgeving is slecht<br />
voorstelbaar (Figuur 19).<br />
Figuur 19 Bouwblokken van een energie-autonoom microsysteem.<br />
Voor de energievoorziening kan op voorhand een tweedeling worden<br />
gemaakt. Enerzijds de primaire (batterij) en secondaire (accu) cellen,<br />
anderzijds systemen die energie onttrekken aan/uit hun omgeving. Merk<br />
op dat de interfaces die energie “oogsten” uit hun omgeving in zekere zin<br />
ook sensoren zijn, alleen zijn het hier energiesensoren, geen<br />
signaalsensoren.<br />
Bekende primaire en secondaire cellen zijn gebaseerd op Alkaline, Lithium<br />
Ion (Li-ion) of Nickel Metal Hydride (Ni-MH) chemie. Verbeteringen aan<br />
deze technologieën zijn evolutionair en brengen – op zijn minst tot nu toe<br />
– niet de verbeteringen in prestatie/gewicht en prestatie/afmeting die<br />
copy of wat is mst.doc(21-11-06) - 29/61
noodzakelijk zijn in combinatie met MST. In ontwikkeling zijn de<br />
microbrandstofcellen (micro fuel cells) gebaseerd op methanol, waterstof<br />
of zelfs bacteriologisch metabolisme, al dan niet gecombineerd met een<br />
accu of een supercapaciteit. Het voordeel van fuel cells is – vergeleken<br />
met batterijen – hun langdurige beschikbaarheid en hun energiedichtheid.<br />
De energiedichtheid is ongeveer 100x beter dan bij oplaadbare secondaire<br />
cellen. Het voordeel van de hybride benadering van een fuel cell met een<br />
accucel of een supercapaciteit is gelegen in feit dat de fuel cell het<br />
continueverbruik verzorgt en de accu/supercap de piekbelasting. De<br />
accu/supercap wordt dan op lading gehouden door de fuel cell. Een fuel<br />
cell kan zo worden gedimensioneerd dat deze precies in overeenstemming<br />
is met de energiebehoefte van het te voeden systeem. Dit is niet zo met<br />
standaard cellen. Fuel cells voldoen het best bij langdurige/gelijkmatige<br />
maar beperkte energieleverantie. <strong>Micro</strong> fuel cells zullen in de toekomst<br />
zonder enige twijfel van grote betekenis worden als compacte en<br />
hoogefficiënte energieconverters, eerst in niche-markt applicaties, later in<br />
consumentartikelen.<br />
Het streven naar een minimaal energiegebruik van micro-elektronica gaat<br />
zelfs zo ver dat soms helemaal geen batterij of accu meer nodig is. Men<br />
kan bijvoorbeeld energie oogsten uit de omgeving met behulp van een<br />
piëzoelement, een thermokoppel, een elektromagnetisch veld of een<br />
zonnecel (Figuur 20 en Tabel 5). Deze lijken dus op sensoren in de zin dat<br />
ze een niet elektrische grootheid omzetten in een elektrische, alleen nu<br />
met als doel de overdracht van energie in plaats van informatie. De<br />
sensoren kunnen heel goed<br />
microsensoren zijn.<br />
<strong>Energie</strong>voorziening die wordt<br />
onttrokken aan de omringende<br />
“sea of energy”, kunnen<br />
bijvoorbeeld gebaseerd zijn op<br />
zonne-energie,<br />
stralingsenergie, mechanische<br />
of thermische energie, maar<br />
ook uit bio-chemische<br />
omzettingen (zie Tabel 2).<br />
De datacommunicatie zal ook<br />
low-power moeten zijn. Daar de<br />
powerconsumptie bij<br />
datacommunicatie afhankelijk is<br />
van de verbindingsafstand en van<br />
de bitsnelheid zal de technologie<br />
(optisch, akoestisch, inductieve<br />
koppeling of radiofrequent zoals<br />
Bluetooth en ZigBee) daarop<br />
afgestemd moeten zijn (zie ook<br />
§6).<br />
Naast fuel cells wordt er gewerkt<br />
aan de ontwikkeling van<br />
microgasturbines.<br />
Voorbeelden van het aanwenden<br />
van mechanische energie zoals<br />
druk en vibratie zijn<br />
Figuur 20 <strong>Energie</strong>bronnen<br />
en energiemanagement.<br />
Tabel 5 Voorbeelden van<br />
energiebronnen en corresponderende<br />
opbengst.<br />
copy of wat is mst.doc(21-11-06) - 30/61
piezoelektrische omzetters in schoenen, voor de energievoorziening van<br />
portabele devices, maar ook voor het voeden van<br />
bandenspanningsensoren (Zie §4.4).<br />
Welbekend is het principe van de omzetting van het thermische naar het<br />
elektrische domein met behulp van thermogenerators. De<br />
thermogenerators bestaan uit meerdere<br />
gekoppelde thermokoppels (thermopiles).<br />
Thermokoppels werken op een<br />
temperatuurverschil. Het temperatuurverschil dat<br />
kan worden aangewend is die tussen bijvoorbeeld<br />
(verbrandings)motor en de omringende lucht of<br />
lichaamswarmte en de omringende lucht of de<br />
zon- en schaduwzijde van objecten.<br />
Thermogenerators leveren al enkele _A/K.<br />
<strong>Micro</strong>thermogenerators ter vervanging van de<br />
conventionele knoopcel kunnen worden ondergebracht in het zelfde miniformaat<br />
als in polshorloges (Citizen), autosleutels of een combinatie<br />
daarvan (Figuur 21). Thermogenerators zouden ook kunnen worden<br />
gebruikt voor bandenspanningmonitoring (Zie §4.4) [21][22].<br />
Een bekend voorbeeld van het toepassen<br />
van de omzetting van stralingsenergie in<br />
elektrische energie (en vice versa) is de<br />
Radio Frequency Identification (RFID) chip<br />
(Figuur 22). Deze chip is voorzien van een<br />
antenne waarmee tegelijk met de<br />
informatie de energie van de drager van<br />
dit data signaal, de elektromagnetische<br />
straling, wordt gebruikt voor een<br />
kortstondige activering van het informatie<br />
verwerkende gedeelte.<br />
Figuur 21 Themische<br />
generator in<br />
knoopcelformaat.<br />
Figuur 22 Een ePC (electronic<br />
product code) RFID “tag”.<br />
copy of wat is mst.doc(21-11-06) - 31/61
6. Informatiebewerking in MST<br />
Geen MST zonder uitgebreide embedded processing.<br />
Informatiebewerking is het verzamelbegrip voor alle vormen van<br />
transformaties (processing) op gegevens (data). Centraal voor die<br />
bewerkingen is de ALU (Arithmetic and Logic Unit). Hier vinden de<br />
elementaire rekenkundige bewerking op data plaats zoals optellen en<br />
aftrekken, en logische operaties zoals AND en OR. De ALU is onderdeel van<br />
de CPU (Central Processing Unit). De CPU bevat verder minstens een<br />
controle eenheid en wat snelle, specifieke registers. Informatie- of<br />
signaalverwerking kan kortweg worden omschreven als verplaatsen,<br />
kopiëren en distribueren van informatie. Het wordt hier beschouwd als<br />
onderdeel van de informatie- of signaalbewerking. Signaalbewerking<br />
Figuur 23 De vijf componenten van een computer. Datapath is een andere<br />
naam voor de ALU en wordt gecombineerd met de contole unit vaak CPU<br />
genoemd [10].<br />
betreft naast de processing van de data ook filtering, conditionering,<br />
linearisatie, calibratie en selftesting.<br />
Naast de CPU (“processor”) zal een “computer” altijd geheugen input en<br />
output kanalen bevatten en meestal non-I/O functies zoals timers. Met<br />
name voor embedded applicaties worden al deze functies in toenemende<br />
mate geïntegreerd. Het geheel staat dan bekend als microcontroller of<br />
microcomputer (Figuur 23).<br />
De DSP (Digital Signal Processor) is een microcontroller met een speciaal<br />
voor signaalbewerking geoptimaliseerde architectuur gericht op het<br />
uitbuiten van parallellisme van bewerkingen, die leiden tot optimalisaties<br />
naar performance en power consumptie. Daarnaast zijn deze DSPmicrocontroller<br />
vaak voor zien van geïntegreerde ADC/DAC’s<br />
(Analog/Digital converters).<br />
copy of wat is mst.doc(21-11-06) - 32/61
Met MST-software wordt hier bedoeld de software die in het<br />
informatiebewerkende gedeelte van een MST-systeem wordt gebruikt voor<br />
de bewerking en verwerking van sensor-data, het aansturen van<br />
actuatoren en het onderhouden van de communicatie met andere MSTsytemen<br />
of bovenliggende systemen (zie ook §3 en Figuur 8). De<br />
informatieverwerking zal over het algemeen plaatsvinden in een<br />
microcontroller c.q. DSP. Als men rekening houdt met de stringente<br />
beperkingen in dergelijke systemen voor wat betreft hoeveelheid<br />
geheugen, kloksnelheid en stroomgebruik dan zal duidelijk zijn dat er ook<br />
beperkingen gelden voor de te gebruiken software. Niet alleen heeft de<br />
onderliggende hardware zijn weerslag op de te gebruiken<br />
programmeertaal, algoritmen en datastructuren, maar andersom kan<br />
software op zichzelf ook bijdragen aan de efficiëntie.<br />
MST-systemen zullen in toenemende mate draadloos communiceren. Er<br />
zijn dan ook ontwikkelingen die wijzen op speciale embedded hardware en<br />
software evenals communicatie protocollen voor nodes in sensor/actuator<br />
netwerk configuraties. Een voorbeeld van een communicatie<br />
protocol-standaard dat bedoeld is voor wireless sensor & control is de<br />
ZigBee technologie. In tegenstelling tot bijvoorbeeld de zakelijke<br />
automatiseringswereld en de consumentenmarkt waar Wi-Fi redelijk<br />
ingeburgerd raakt, vereisen sensoren en actuatoren geen al te grote<br />
bandbreedte maar wel kleine latenties, minimale energie consumptie en<br />
lage kosten.<br />
Er zijn ontwikkelingen die het mogelijk moeten maken te komen tot grote<br />
gedistribueerde netwerken van smart dust. Het betreft de convergentie<br />
van gedistribueerde informatieverwerking, wireless communicatie en<br />
mobile computing. Het doel is te komen tot op zichzelf staande,<br />
millimeter-schaal sensing en communicatie platforms voor massief<br />
gedistribueerde sensor/control netwerking. Deze smart dust of mote’s<br />
moeten uiteindelijk zo klein worden als een zandkorrel en bevatten<br />
sensoren, rekenkracht, bi-directional wireless communicatie en een<br />
krachtbron. Tegelijkertijd moeten ze goedkoop genoeg zijn om per<br />
honderdtallen te worden ingezet.<br />
Figuur 24 Telos (MSP430) TinyOS embedded sensor platform.<br />
Een voorbeeld is TinyOS. TinyOS is een operating systeem, samen met de<br />
bijbehorende nesC compiler, speciaal ontworpen voor diep wireless<br />
embedded sensor networking. Het wordt ook daadwerkelijk toegepast in<br />
de industrie, op basis van platforms met typisch embedded<br />
microcontrollers zoals Atmel’s ATMEGA128 en Texas’ MSP430 [11].<br />
copy of wat is mst.doc(21-11-06) - 33/61
7. Ontwerp en productie van MST<br />
Vermarkten begint bij ontwerpen. Ontwerpen is analyseren en<br />
synthetiseren. Het probleem, de vraag of de wens moet worden<br />
geanalyseerd. De vereisten moet worden opgespoord en een architectuur<br />
moet worden gedefinieerd. De analyse definieert die essentiële applicatie<br />
eigenschappen die geldig moeten blijven voor alle acceptabele<br />
oplossingen.<br />
Een architectureel ontwerp is een samenhangende set van strategische<br />
beslissingen betreffende de structuur, het gedrag en de functionaliteit van<br />
het ontwerp. De ontwerpstappen ná de architecturale stap betreffen de<br />
tactische optimalisatiestappen die leiden tot een specifieke oplossing<br />
binnen en consistent met de analyse en de architectuur.<br />
Met ondersteuning van de Europese Commissie worden er pogingen in het<br />
werk gesteld het ontwerpproces voor microsystemen in kaart te krijgen<br />
(EC Framework 6 – Network of Excellence NoE; Design for <strong>Micro</strong><br />
Manufactoring DfMM). Aangezien MST een relatief jonge tak van de<br />
engineering is, zijn de ontwerpvaardigheden nog tamelijk onvolwassen.<br />
Daar komt nog bij dat door het inherent heterogene en multidisciplinaire<br />
karakter juist bij MST het ontwerpen ervan extreem gecompliceerd is.<br />
Aangezien microsystemen moeten worden beschouwd als multi-domein<br />
systemen, zal het ontwerpen/modelleren moeten gaan over en rekening<br />
moeten houden met de verschillende fysieke domeinen zoals mechanica,<br />
elektrostatica, microfluïdica, thermodynamica en mixed-signal (analoog en<br />
digitaal) processing. De inzet van NoE/DfMM is onder meer het stimuleren<br />
van EDA (Electronic Design Automation) fabrikanten voor het beschikbaar<br />
krijgen van tools voor ontwerpen, modelleren en simuleren in het niet<br />
elektrische (mechanische, fluïdise, optische etc) domein, voor test<br />
engineering, voor reliability engineering en voor packaging engineering.<br />
Figuur 25 Network of Excellence Design for <strong>Micro</strong> Manufactoring doelstelling [24].<br />
(FMEA: Failure Mode & Effect Analysis. IP: Intellectual Property)<br />
Het MST ontwerp is een complex netwerk van onderlinge afhankelijkheden<br />
(Figuur 25) en betreft micromaterialen, machines en processen. Met name<br />
het hybride karakter van MST maakt het beheersen van alle processtappen<br />
copy of wat is mst.doc(21-11-06) - 34/61
– manufactoring, handling, assembling, interconnecting en packaging –<br />
een moeizaam te managen proces.<br />
De successtory’s van de industrie, zoals inkjets, accelerometers,<br />
druksensoren en micromirrors zijn allen silicon gebaseerde producten en<br />
kunnen dus in principe ook gemaakt worden in dezelfde fabrieken als IC’s<br />
en ASIC’s. Ze zijn desondanks voor wat betreft hun fabricage,<br />
testbaarheid, assembly, en betrouwbaarheids borging procedures<br />
compleet verschillend.<br />
Het is vaak onmogelijk om ontwerpmethoden en gereedschappen van<br />
traditionele industrieën die werken met grotere dimensies aan te wenden<br />
vanwege de verschillen in de orde van de grootte van de gebruikelijke<br />
maten. Bijvoorbeeld de oppervlakte/inhoud verhouding zijn bij MST geheel<br />
verschillend. MST devices zijn met name extreem dun vergeleken met de<br />
andere maten, maar ook elektrostatische krachten en vloeistof dempings<br />
effecten zijn radicaal verschillend op deze schaal.<br />
7.1. MST ontwerpen<br />
Figuur 26 Impressie van de ontwerpcomplexheid van MST [26].<br />
Eerst zal moeten worden vastgesteld of MST wel geschikt is. Men zal een<br />
goede probleemstelling, die alle oplossingsrichtingen nog open houdt,<br />
kunnen definiëren door vragen te stellen en beantwoorden die betrekking<br />
hebben op de hierna volgende technische randvoorwaarden (Figuur 26).<br />
Vragen die een rol spelen zijn:<br />
• Wat moet er worden gemeten, welk signaal, welke parameter, welk<br />
fysiek fenomeen?<br />
• In welk energiedomein wordt er gemeten?<br />
• Hoe wordt er gemeten, wat zijn de meet- en conversieprincipes?<br />
• Met welke kwaliteit moet worden gemeten, wat zijn de prestaties,<br />
hoe groot (mag) moet de (kruis)gevoeligheid zijn?<br />
• Wat zijn de omgevingsfactoren, waar maakt het MST-systeem<br />
onderdeel van uit, waar wordt het toegepast, hoe wordt het gevoed<br />
en hoe wordt geïnterfaced?<br />
• Met welke toepassingsbeperkingen moet rekening worden<br />
gehouden?<br />
copy of wat is mst.doc(21-11-06) - 35/61
• Wat is de integratiegraad van het MST-systeem?<br />
7.2. MST Systems Requirements Engineering<br />
Systems Engineering is een multidisciplinaire modelbenadering<br />
(paradigma) van een probleem, wens of behoefte met de bedoeling<br />
kansrijke totaaloplossingen te realiseren. Het is in het kader van deze<br />
notitie een multidomeinbenadering met MST als centraal element.<br />
Belangrijk hierbij is het engineeren van de systeem eisen (Figuur 27). Het<br />
system requirement engineering proces heeft volgens alle gevestigde<br />
engineeringmethoden een centrale rol in het ontwerpproces. In het geval<br />
van MST heeft het nog een extra complexiteit gezien het multidomein<br />
karakter van MST. Men krijgt dan te maken met alle mogelijke<br />
kruisafhankelijkheden en beperkingen van belendende energiedomeinen<br />
en disciplines over en weer. Het specifieke van MST engineering komt tot<br />
uitdrukking in de niet-elektrische requirements en onderlinge<br />
afhankelijkheden (cross-sensitiviteit) van die verschillende<br />
domeinspecifieke requirements en constrains 13 op elkaar.<br />
Business<br />
Requirements<br />
Vision and Scope Document<br />
System<br />
Requirements<br />
User<br />
Requirements<br />
Use -Case Document<br />
Functional<br />
Requirements<br />
Systems Engineering kan conform een aantal standaarden (ANSI/EIA 632,<br />
ISO 15504) worden opgevat als bestaand uit een reeks activiteiten, zoals<br />
assessment & tradeoff studies, requirement engineering, design definitie &<br />
verificatie, testen van systeem en systeemdelen, systeem integratie, en<br />
systeem verificatie en validatie.<br />
7.3. Requirement Engineering<br />
Quality<br />
Attributes<br />
Requirements Specification<br />
Figuur 27 Requirement analyse.<br />
Other<br />
Nonfunctional<br />
Requirements<br />
Constrains<br />
Vertrekkende vanuit het business verhaal en de assessment & tradeoff<br />
studies, moet een requirement specificatie worden opgesteld (Figuur 27).<br />
De requirement specificatie is het resultaat van activiteiten die er op<br />
gericht zijn de systeem en gebruikerseisen op te sporen en te formuleren.<br />
13 Domain constrains zijn systeem eisen afkomstig uit het applicatie domein van het<br />
systeem. Domain constrains genereren èn beperken systeem eisen.<br />
copy of wat is mst.doc(21-11-06) - 36/61
MEMS<br />
Component<br />
De verzameling requirements specificeren wat een systeem moet doen 14 ,<br />
onafhankelijk van hoe het systeem ontworpen wordt en onafhankelijk van<br />
elke oplossing. Ze worden uiteindelijk gevalideerd door tests. De<br />
functionele systeemeisen zijn de functies die door het systeem moeten<br />
worden uitgevoerd. Het betreft de diensten en het gedrag die het systeem<br />
moet leveren en vertonen. Het gaat hier over wat het systeem moet doen.<br />
De gebruiker heeft bepaalde doelen. Het systeem heeft bepaalde<br />
verantwoordelijkheden. Bij een spread-sheet wil men dat alle<br />
afhankelijkheden worden bijgewerkt na het veranderen van een van de<br />
parameters. Bij de giromaat wil men dat het gewenste bedrag wordt<br />
afgeboekt.<br />
Bij de niet-functionele requirements gaat het ondermeer om de kwaliteit<br />
waarmee en de beperkingen waaronder de vereisten worden geleverd.<br />
Niet-functionele systeemeisen stellen voorwaarden aan de manier waarop<br />
of hoe(goed) het systeem de functionaliteit gaat leveren. Zowel bij<br />
hierboven aangehaalde spreadsheet als bij de giromaat worden<br />
bijvoorbeeld eisen gesteld aan de tijdigheid van de systeemrespons.<br />
7.4. User requirements<br />
De gebruikersspecificaties beschrijven dus de functie(s), en de dienst(en)<br />
die het systeem aan de gebruiker moet gaan leveren. Of MST nu het<br />
gehele systeem is of daar deel van uitmaakt, op zijn minst een gedeelte<br />
van de user requirements heeft betrekking op het MST systeem.<br />
Gebruikersspecificaties worden oplossingsonafhankelijk geformuleerd. Ze<br />
staan los van de gekozen technologie. Een gebruikerswens kan zijn dat<br />
het wenselijk is dat een systeem een val kan detecteren, de<br />
hartslagfrequentie kan bepalen of de lichaamstemperatuur kan meten. De<br />
wijze waarop die val, de hartfrequentie en de lichaamstemperatuur aan de<br />
buitenwereld moet worden meegedeeld, zoals bijvoorbeeld met een<br />
geluidssignaal, met een uitlezing of misschien wel remote, is eveneens<br />
onderdeel van de gebruikersspecificatie. De gebruikersspecificaties vloeien<br />
rechtstreeks voort uit Organisatie Requirements.<br />
7.5. Andere requirements<br />
Sensor<br />
Figuur 28 Hiërarchie van een MST systeem.<br />
User<br />
System<br />
Tijd gerelateerde, niet-functionele eisen zoals response tijden en<br />
doorvoersnelheden (b.v. de throughput uitgedrukt in MBps) worden ook<br />
wel (onnauwkeurig) aangeduid als performance. Deze en andere niet-<br />
14 En andersom, een systeem realiseert of implementeert de requirements.<br />
copy of wat is mst.doc(21-11-06) - 37/61
functionele eisen staan ook wel bekend als Quality 15 of Service (QoS)<br />
requirements [12]. De specificaties gelden voor alle fenomenen, of dat nu<br />
bijvoorbeeld druk, temperatuur of versnelling is (Tabel 6).<br />
QoS Bedoeling en mate van …<br />
Throughput (Doorvoer)Snelheid (Performance)<br />
Bandwidth De frequentie(band) waarop een<br />
sensor gevoelig is, of de<br />
responsiesnelheid bij een actuator.<br />
Zie throughput<br />
Timeliness Tijdigheid, responsietijd, latentie<br />
(Performance)<br />
Security Beveiliging<br />
Savety Veiligheid<br />
Reliability 16<br />
Gemiddelde tijd tussen het laten<br />
afweten (MTBF), aantal missers per<br />
tijd<br />
Availability Blijft het systeem<br />
inzetbaar/beschikbaar MTBF/(<br />
MTBF+MTTR)<br />
Integrity Maximum toegestane dataverlies<br />
na systeemfalen<br />
Reusability De mate waarin systeemdelen<br />
kunnen worden hergebruikt<br />
Efficiency Doeltreffendheid, doelmatigheid,<br />
bekwaamheid, geschiktheid,<br />
competentie, nuttig effect,<br />
rendement, productiviteit,<br />
capaciteit, opbrengst,<br />
prestatievermogen, de economie<br />
van …<br />
Flexibility Flexibiliteit, plooibaarheid,<br />
handelbaarheid<br />
Interoperability Het vermogen van hardware en<br />
software in een heterogene<br />
omgeving informatie uit te wisselen<br />
Maintainability Onderhoudbaarheid, in<br />
conditie/bedrijf houden<br />
Testability De opties van een evaluatie<br />
procedure om te verifiëren en<br />
valideren<br />
Usability Gebruikersgemak, ergonomie,<br />
navigatie, help, documentatie<br />
Tijd nodig om 75% van de<br />
systeemvoorzieningen te leren<br />
kennen. Aantal gebruikersfouten<br />
15<br />
Passend bij het gebruik en conformantie met per de eisen tijd (ISO), zijn de kwaliteitscriteria die<br />
worden vastgesteld d.m.v. validatie. Verificatie gaat over het systeem gedrag en bepaalt of<br />
het systeem het wel/niet doet. QoS eisen worden doorgaans gemodelleerd als constrains.<br />
16<br />
Wanneer de gemiddelde consument wordt ondervraagd over de betrouwbaarheid van<br />
MEMS is de spontane reactie vaak negatief, met een vaag verhaal dat dit soort devices<br />
gewoonweg niet betrouwbaar kúnnen zijn.<br />
copy of wat is mst.doc(21-11-06) - 38/61
kennen. Aantal gebruikersfouten<br />
per tijd<br />
Robustness Tijd om te restarten na een<br />
systeemfalen (bij sw)<br />
Portability Draagbaarheid, toegankelijkheid.<br />
Overdraagbaarheid (bij sw)<br />
Tabel 6 De Quality of Service requirements.<br />
Andere niet-functionele requirements zijn verzameld in Tabel 7:<br />
Niet-functionele requirements Bedoeling en mate van …<br />
Resolution, Precision, Accuracy,<br />
Detection Limit<br />
Nauwkeurigheid, tolerantie<br />
Het kleinste signaal wat nog kan<br />
worden gedetecteerd. Zie Noise<br />
Supportability Onderhoudbaarheid,<br />
configureerbaarheid<br />
Resourcability Hulpbronbeperkingen,<br />
(ontwikkel)gereedschappen<br />
Interface Beperkingen opgelegd door externe<br />
systemen en de omgeving<br />
Geometry Afmetingen, ruimte, aantal,<br />
configuratie, connecties, extensies<br />
Package Gewicht, afmetingen, robuustheid,<br />
bestendigheid van behuizing<br />
Legal Wettelijke eisen, normen<br />
richtlijnen, standaarden, licenties,<br />
Quality Control<br />
Quality Control Test & meet opties<br />
Environment Omgevingsfactoren, eisen en<br />
invloeden, bestendigheid<br />
Encodings Informatierepresentatie<br />
Scalability Schaalbaarheid, schaalwetten. Hoe<br />
goed blijft de oplossing voldoen als<br />
het probleem groter of kleiner<br />
wordt. Wat is er bij energiestromen<br />
op microniveau anders dan op<br />
macroniveau?<br />
Kinematics Type en richting van beweging,<br />
snelheid, acceleratie<br />
Forces Richting en grootte, frequentie,<br />
gewicht, belasting, deformatie,<br />
stijfheid, elasticiteit, traagheid<br />
resonantie<br />
Material stroom en transport, fysische en<br />
chemische eigenschappen<br />
Productivity Werkplaatsbeperkingen, max<br />
afmetingen,<br />
voorkeursproductiemethodes,<br />
productiemiddelen, haalbare<br />
kwaliteit, toleranties, verlies<br />
Cost Fabricage-, gereedschap-,<br />
ontwikkel-, investerings-,<br />
afschrijvingskosten<br />
copy of wat is mst.doc(21-11-06) - 39/61
ontwikkel-, investerings-,<br />
afschrijvingskosten<br />
Power Consumption <strong>Energie</strong>verbruik<br />
Energy output, efficiëntie, verlies, frictie,<br />
toestand, druk, temperatuur,<br />
opwarming, afkoeling, supply,<br />
opslag, capaciteit, conversie<br />
Adherence to standards and<br />
guidelines<br />
Aanhankelijkheid t.o.v. standaarden<br />
en richtlijnen. Zie ook Legal. Van<br />
belang bij de interfacing<br />
Meeting objective quality metrics Het vermijden van nietverifieerbare<br />
begrippen, zoals<br />
veilig, voldoende, klein, groot.<br />
Sensitivity Gevoeligheid. De verhouding tussen<br />
de grootte van een output en een<br />
input signaal. Deze verhouding kan<br />
ook een functie zijn van b.v.<br />
frequentie, temperatuur of bias<br />
Traceability Opspoor/naspeur/vindbaarheid.<br />
Mogelijkheid om iets terug te<br />
kunnen voeren.<br />
Linearity De mate waarin het output signaal<br />
(sensor) of de verplaasing<br />
(actuator) proportioneel verandert<br />
met het input signaal. Een lineaire<br />
responsie van een transducer<br />
vermindert de complexiteit van de<br />
signaal processing.<br />
Noise Interferentie (zie Cross Talk) van<br />
een ander signaal en willekeurige<br />
(vaak thermische)ruis.<br />
Signal-to-Noise Ratio (SNR) Signaal-Ruis verhouding<br />
Dynamic Range De verhouding tussen het grootste<br />
en het kleinste detecteerbare<br />
signaal<br />
Drift De variatie van elektrische en<br />
mechanische eigenschappen in de<br />
tijd. Bij een zekere drift kan de<br />
signaalvariatie niet meer worden<br />
waargenomen.<br />
Cross Talk/Sensitivity<br />
Stability<br />
De gevoeligheid van een sensor<br />
voor een niet bedoeld signaal. De<br />
stabiliteit van een actuator<br />
tegenover een niet bedoeld<br />
fenomeen. Gevoeligheid voor<br />
acceleratie in de niet bedoelde as,<br />
niet bedoelde gevoeligheid voor<br />
temperatuurvariaties,<br />
vochtabsorptie en mechanisch<br />
verloop.<br />
Force/Torque Capacity De actuator moet voldoende<br />
kracht/torsie kunnen leveren<br />
copy of wat is mst.doc(21-11-06) - 40/61
kracht/torsie kunnen leveren<br />
Range of Motion De hoeveelheid lineaire of<br />
hoekverplaatsing<br />
Footprint De ruimte die het device zelf<br />
inneemt in het totaal (netto/bruto?,<br />
pay-load?, overhead?)<br />
Contrast Helderheidsverhouding<br />
Bedrijf Stilheid, slijtage, omgeving en<br />
omgevingsfactoren, modes,<br />
Transport Beperkingen aan verpakking,<br />
opslag en vervoer<br />
Planning ontwikkeltijd, aflevermoment<br />
Intrinsic savety De onmogelijkheid van systemen<br />
vonken te genereren<br />
Tabel 7 Andere (non-QoS) niet-functionele requirements.<br />
7.6. Materie, energie en informatie<br />
Er zijn drie soorten stromen: materie-, energie- en informatie- of<br />
signaalstromen. Materie, energie en informatie kunnen worden<br />
opgeslagen, getransporteerd en geconverteerd. Welke mogelijkheden<br />
komen voor bij MST? (Tabel 8). Van materietransport en misschien wel<br />
opslag kan sprake zijn bij actuatoren, zoals bijvoorbeeld bij fluïdica<br />
toepassingen in de medische/biotechnologie. Opslag van energie vindt<br />
plaats in accu’s (secundaire cellen, zie §5, The Power Factor). <strong>Energie</strong>ën<br />
worden in sensoren en actuatoren geconverteerd en van en naar sensoren<br />
en actuatoren getransporteerd. Het verschil tussen een energiestroom en<br />
een informatiestroom komt tot uitdrukking in het feit dat er bij een<br />
informatiesignaal geen omzetting plaats vindt. Bij warmte blijft de<br />
feitelijke temperatuur de informatie, of die nu wordt uitgedrukt in een<br />
thermisch dan wel in een elektrisch signaal. Het verschil tussen energie en<br />
informatie is verder nog van belang bij het onderscheid tussen zelfgenererende<br />
(actieve) en modulerende (passieve) sensoren. Actieve zelfgenererende<br />
sensoren zijn sensoren die hun conversie uitvoeren zonder<br />
externe hulpbron (bijvoorbeeld thermokoppel) terwijl passieve sensoren<br />
een extern aangeleverde (constante) excitatie-energie moduleren met het<br />
te meten signaal. Actieve sensoren leveren dus energie en informatie<br />
terwijl passieve sensoren alleen informatie leveren.<br />
Opslag Transport Omzetting<br />
Materie √ √ √<br />
<strong>Energie</strong> √ √ √<br />
Informatie √ √ √<br />
7.7. <strong>Energie</strong>domeinen<br />
Tabel 8.<br />
In welk energiedomein moet er worden gemeten? Vanuit fysisch oogpunt<br />
kunnen 7 verschillende energievormen worden onderscheiden. In een van<br />
deze domeinen bevindt zich het fysieke/chemische fenomeen dat moet<br />
worden gemeten of gestuurd. Zie Tabel 2 voor voorbeelden van<br />
parameters in de verschillende domeinen.<br />
copy of wat is mst.doc(21-11-06) - 41/61
1. Elektromagnetische stralingsenergie: radiofrequente golven,<br />
microgolven, infrarood, ultraviolet en zichtbaar licht, Röntgen<br />
(X-ray) straling en gammastraling.<br />
2. Gravitatie energie: zwaartekrachtwisselwerking tussen twee of<br />
meer massa’s, praktisch gesproken die tussen een massa en de<br />
aarde.<br />
3. Mechanische energie: mechanische krachten, verplaatsing,<br />
stroming<br />
4. Thermische energie: kinetische energie van atomen en moleculen.<br />
5. Elektromagnetische en elektrostatische energie: elektrische en<br />
magnetische velden, stromen en spanningen.<br />
6. Moleculaire en atoom bindings energieën 17 : de energie gerelateerd<br />
aan de bindingskrachten tussen atomen en tussen de atoomkern en<br />
de elektronen.<br />
7. Nucleaire energie: energie die gerelateerd is aan de<br />
bindingskrachten in de atoomkern zelf en die wordt beschreven<br />
door Einstein’s relativiteitstheorie (E=mc 2 ).<br />
Figuur 29 De transducer klassificatie in 6 energiesignaal domeinen. In bepaalde<br />
gevallen vindt er geen conversie plaats, zoals b.v. bij een ECG/EEG opname of bij<br />
elektrostimulatie. Een onderbroken pijl – zoals hier tussen het thermische en het<br />
mechanische domein – slaat op een tandemconversie, zoals bijvoorbeeld een<br />
vloeistof- of gasflow die bemeten wordt op basis van een temperatuurverschil in<br />
die flow of, vice versa, een temperatuurverschil dat wordt opgewekt door wrijving<br />
(vuursteentje!). [20, 25]<br />
De moleculaire en atoomenergieën worden hier verenigd onder het label<br />
chemisch. De gravitatie energie wordt ondergebracht onder het label<br />
mechanisch en de elektromagnetische golven onder het label straling.<br />
Nucleaire en massa energieën blijven om praktische redenen verder<br />
buiten beschouwing. Figuur 29 geeft een diagram van de resterende<br />
energievormen. De getoonde conversies gelden zowel voor<br />
energietransport als voor informatietransport. Per energiedomein kan<br />
17 De sensoren/actuatoren die een rol spelen in het moleculaire en atomaire energiedomein<br />
worden wel aangeduid als chemische sensoren/actuatoren.<br />
copy of wat is mst.doc(21-11-06) - 42/61
vervolgens een overzicht (zie Tabel 9) worden gegeven van de<br />
omzettingsprincipes van en naar de verschillende domeinen met het<br />
elektrische als centrale domein die geschikt zijn voor MST transducers.<br />
Stralend Mechanisch Thermisch Magnetisch Chemisch<br />
Sensing foto-cond/elek piezo<br />
capacitief<br />
thermokoppel<br />
Hall’s effect<br />
(Seebeck)<br />
Volta’s effect<br />
(Galvano?)<br />
Actuatie inject-lumin<br />
elektro-statisch<br />
Peltier’s effect Ampere’s law elektrolyse<br />
piezo<br />
Tabel 9 Fysische Sensor Effecten [20][25].<br />
7.8. Transducer technologie<br />
Niet alle materialen zijn geschikt om conversieprincipes uit te voeren. En<br />
niet alle wel geschikte materialen kunnen in silicium worden uitgevoerd.<br />
Er zijn macroscopische principes zoals de kwikthermometer of het<br />
bimetaal die zich niet (goed) lenen om in solid-state (vaste stof) te<br />
worden uitgevoerd. De microscopische solid-state effecten omvat<br />
ondermeer de niet-halfgeleiders en de halfgeleiders, die vervolgens de<br />
groep silicium halfgeleiders omvat (Figuur 30).<br />
Macro<br />
Solid-State<br />
Semiconductor<br />
Silicon<br />
Figuur 30 Hiërarchie van transducer materialen [20].<br />
Het onderscheiden van deze hiërarchie is om een aantal redenen van<br />
belang. Elke groep kent zo zijn specifieke kenmerken voor wat betreft<br />
niet-functionele eigenschappen zoals performance, gevoeligheid enz. in<br />
verhouding met de kosten en de betrouwbaarheid. Maar juist<br />
siliciumtechnologie sluit goed aan bij de vertrouwde massageproduceerde<br />
micro-elektronica met alle kosten en betrouwbaarheidsvoordelen. Het<br />
maakt bovendien de integratie van microtransducers en micro-elektronica<br />
haalbaar (zie §7.9). De morfologische kaart van Tabel 10 geeft een<br />
voorbeeld voor het thermische domein (Temperatuur, Warmte, Entropie)<br />
met de deeloplossingen en de deelopties.<br />
copy of wat is mst.doc(21-11-06) - 43/61
Temperatuur<br />
Warmtetransport<br />
Thermokoppel<br />
(Seebeck/Peltier)<br />
Contactloos<br />
(remote)<br />
-<br />
<strong>Energie</strong> <strong>Energie</strong> Zelfgeneratie<br />
Andere<br />
Zij-effecten bekende<br />
Informatie Sensing<br />
Informatie Actuatie<br />
Modulerend<br />
problemen<br />
Seebeck<br />
<strong>Energie</strong><br />
Peltier<br />
<strong>Energie</strong><br />
Bi-metaal - Zelf<br />
IR-straling √ Info <strong>Energie</strong> Zelf<br />
Thermistor<br />
Uitzet/Krimp<br />
Zelf +<br />
Piëzo-weerstand<br />
Capacitief<br />
Glasvezel<br />
Kwarts<br />
- Mod ++<br />
Nernst-effect Info<br />
Dissipatie <strong>Energie</strong> +<br />
Tabel 10 Morfologische kaart van meten en actuatie in het thermische domein.<br />
7.9. Smart transducers<br />
Figuur 31 Een voorbeeld van de integratie van een CMOS en een MST<br />
component in een [26].<br />
Transducers kunnen minder of meer intelligent (smart) zijn. Transducers<br />
die alleen het conversie-effect realiseren zijn domme transducers. (De<br />
MEMS component in Figuur 28 en Figuur 31). Dit soort transducers moeten<br />
op een (zeer) laag niveau geïnterfaced worden met de rest van het<br />
systeem. Zodra één (of meer) conversie-elementen in één behuizing<br />
wordt gecombineerd met analoge interfacing, conditioning en – bij<br />
copy of wat is mst.doc(21-11-06) - 44/61<br />
Principe<br />
(links)
meerdere conversie-elementen – multiplexing, met een analog-to-digital<br />
converter (ADC), digitale signaal bewerking en digitale (bus) interfacing<br />
kan er worden gesproken van een smart transducer. Als deze units<br />
worden ondergebracht op één chip of zodanig voldoende worden<br />
gecombineerd wordt er gesproken over een geïntegreerde smart<br />
transducer (Figuur 31).<br />
7.10. Interfacing<br />
Bij het begrip interfacing moet enerzijds onderscheid worden gemaakt<br />
tussen de begrenzing van het systeem naar de fysieke omgeving, en<br />
anderzijds de begrenzing van de transducer met de rest van het systeem,<br />
met name de signaalbewerking. In de fysieke omgeving bevindt zich het<br />
te meten of het te beïnvloeden fenomeen, maar ook alle mogelijke<br />
ongewenste, storende of zelfs destructieve invloeden. Niet functionele<br />
eisen zoals (cross)sensitivity en S/N verhouding kunnen hier duidelijkheid<br />
verschaffen (zie hiervoor ook §7.5). Omgevingsfactoren zoals<br />
bestendigheid en inwerking van aantastende en vervuilende stoffen en<br />
destructie door harde straling zijn evenzeer invloeden die een rol spelen<br />
bij de vaak open structuur van MEMS (zie §7.11).<br />
De interfacing naar de systeemkant op zeer laag niveau is simpelweg de<br />
analoge waarde van spanning en stroom. Er wordt dan geinterfaced direct<br />
aan de MEMS component zelf (Figuur 28). Problemen daarbij zijn dat de<br />
MEMS devices zelf geen ideale spanning- of stroombronnen zijn en de<br />
signaaloverdracht onder invloed staat van parasitaire impedanties en dus<br />
cross modulatie. Deze problemen spelen des te meer als de geografische<br />
afstand tussen transducer en de signaalbewerking toe neemt. Voordeel<br />
kan zijn dat aan de transducerzijde geen additionele elektronica nodig is.<br />
Iets minder primitief, met iets meer elektronica aan de transducerzijde, is<br />
het afleveren van het signaal vanuit idealere spannings- of<br />
stroombronnen. De in de procesindustrie (voor macrotransducers)<br />
gebruikelijke 4-20mA current loop, in feite een gemoduleerde stroombron,<br />
is daar een voorbeeld van. Ook kan het signaal in frequentie of fase (duty<br />
cycle -, pulse width modulation) worden gemoduleerd.<br />
Zowel interfacing via (ideale) bronnen alsook met frequentie/fase<br />
modulatie is een stertopologie. Er is 1 fysieke connectie per signaal.<br />
Een interface standaard die, naast 1 op 1 connecties ook busconnecties<br />
mogelijk maakt is het HART (Highway Addressable Remote Transducer)<br />
protocol. Dit protocol gebruikt FSK (frequency-shift keying) als modulatie<br />
principe (Figuur 32).<br />
copy of wat is mst.doc(21-11-06) - 45/61
Figuur 32 Een voorbeeld van binaire, coherente FSK.<br />
Waar HART nog bedoeld is als upgrade van de traditionele 4-20mA pointto-point<br />
instrumentatiebedrading is het daarmee wel een voorloper van de<br />
bussen zoals de SPI (Serial Peripheral Interface Bus en een subset<br />
daarvan, <strong>Micro</strong>wire), de I 2 C (Inter-Integrated Circuit), de CAN (Controller<br />
Area Network) en LonWorks bussen. Al deze standaarden hebben als<br />
eigenschap dat de transducers in kwestie al behoorlijk smart moeten zijn<br />
aangezien de protocollen lokale processorkracht veronderstellen.<br />
Deze busprotocollen worden uitgevoerd over verschillende media.<br />
Allereerst natuurlijk (shielded)twisted pair (STP/TP) bedrading, met<br />
bijvoorbeeld LVDS (Low Voltage Differential Signaling). Draadloze infrarood<br />
(doorgaans de protocollen vastgesteld door de IrDA (Infrared Data<br />
Association)) verbindingen is een mogelijkheid, maar in toenemende mate<br />
Bluetooth (IEEE 802.15.1) en zeker Zigbee (IEEE 802.15.4).<br />
Op basis van een of meer van de bovenstaande principes zijn er<br />
interfaces/protocollen ontwikkeld speciaal bedoeld voor transducers:<br />
• UTI, Universal Transducer Interface<br />
• USI, Universal Sensor Interface<br />
• IEEE 1451 Family of Smart Transducer Interface Standards beschrijft<br />
een set open, algemene, netwerk onafhankelijke communicatie<br />
interfaces om transducers te kunnen doorverbinden met<br />
microprocessors, instrumentatie systemen en control/field<br />
netwerken. Een sleutelbegrip in deze standaard is de definitie van<br />
een TEDS (Transducer Electronic Data Sheet). De TEDS is een met de<br />
transducer geassocieerde memory module waarin het ID, calibratie,<br />
correctie/linearisatie en fabrikant gerelateerde informatie wordt<br />
opgeslagen. Het doel van de IEEE 1451 standaard is de toegang tot<br />
de transducer data mogelijk te maken via een generieke set aan<br />
draad en draadloze interfaces.<br />
7.11. Omgevingsfactoren<br />
Naast de bedoelde interfacing zijn er invloeden die de interactie van<br />
transducers met hun omgeving nadelig beïnvloeden. Allereerst is er de<br />
kruisgevoeligheid van sensoren voor stoorsignalen. Deze gevoeligheid<br />
wordt aangeduid met de signaal-ruis verhouding (S/N). Een temperatuur<br />
sensor is in meer of mindere mate gevoelig voor de warmtedissipatie van<br />
nabij gelegen elektronica, maar bijvoorbeeld ook voor direct invallend<br />
zonlicht. Een sensor voor meting aan het aardmagnetisme zal onbedoeld<br />
copy of wat is mst.doc(21-11-06) - 46/61
gevoelig zijn voor nabij opgesteld ijzer of nikkel en andere magnetische<br />
velden. Maar ook kruisgevoeligheid tussen verschillende energiedomeinen<br />
spelen soms een rol. Met name temperatuur is hierbij belangrijk. In het<br />
algemeen zullen niet-thermische transducers – bijvoorbeeld een<br />
druksensor – toch ook gevoelig blijken voor thermische effecten.<br />
Een andere klasse van problemen voortkomend uit specifieke<br />
omgevingsfactoren zijn die waarbij er sprake is van inwerkingen van het<br />
van nature “open” karakter van MEMS met een al dan niet tijdelijke schade<br />
door mechanische krachten (versnelling, stoten), vocht, oxidatie en<br />
andere reacties van (agressieve) gassen en vloeistoffen.<br />
copy of wat is mst.doc(21-11-06) - 47/61
8. Cases<br />
8.1. Geluidsprobleem KONI schokbrekers.<br />
Op het moment dat auto’s (en asfalt) steeds stiller worden, gaan<br />
bijgeluiden zoals van de schokbrekers een steeds belangrijkere rol spelen.<br />
Schokbrekers produceren geluid door meetrillen, met name rondom de<br />
resonantiefrequentie(s) van de schokbreker en onderdelen daarvan, en<br />
door geluiden ten gevolge van de specifieke stromingspatronen in en rond<br />
de kleppen en ventielen van de schokbreker. KONI is bezig te onderzoeken<br />
in hoeverre de huidige (fijn)mechanische kleppen en ventielen kunnen<br />
worden vervangen door multiple MST array’s.<br />
8.2. <strong>Micro</strong>Ned/TUD microsatelliet<br />
Bacteriën, poliepen, mieren en bijen<br />
bewijzen het: in een onherbergzame<br />
omgeving heeft een kolonie meer<br />
overlevingskansen dan een individu. De<br />
TU Delft past dit principe uit de biologie<br />
toe in de ruimtevaart. Een kolonie<br />
microsatellieten is minder kwetsbaar<br />
dan een ‘gewone’ satelliet. Niet alleen<br />
voor gammastraling of zonnestormen<br />
maar ook voor bezuinigingen. Want een<br />
microsatelliet is klein, licht en wordt - in<br />
de toekomst - in massa geproduceerd<br />
(Figuur 33). De microsatelliet<br />
activiteiten vinden plaats in het kader<br />
Figuur 33 <strong>Micro</strong>satelliet<br />
van <strong>Micro</strong>Ned. <strong>Micro</strong>Ned is een MST<br />
consortium van acht universiteiten en onderzoeksinstituten en 22<br />
bedrijven [18].<br />
8.3. Sensoren in pipeline PIG’s<br />
In Pipeline Inspection Gauge’s (PIG’s) wordt in<br />
toenemende mate sensoren toegepast voor het<br />
registreren van het dynamische gedrag van een PIG in<br />
een pijplijn. De afgebeelde PIG (Figuur 34) is de<br />
Advanced Pipeline Geometry Pig van Pipesurvey<br />
International. Terwijl zo’n PIG door een pijplijn wordt<br />
opgevoerd worden er data verzameld van de pijplijn<br />
geometrie, zoals deformaties, verbuigingen,<br />
uitlijnigheid en verdraaiingen. Deze apparaten zijn<br />
uitgerust met rotatie en lineaire versnellingssensoren,<br />
en odometers voor de doorsnede en de afgelegde<br />
afstand. Daarnaast zijn er temperatuur en<br />
druksensoren die het mogelijk maken de verkregen<br />
data te analyseren en te corrigeren.<br />
Figuur 34 Een PIG.<br />
copy of wat is mst.doc(21-11-06) - 48/61
8.4. Lenovo (IBM ) ThinkPad<br />
De ThinkPad laptops van Lenovo (voorheen IBM, Figuur 35)<br />
zijn voorzien van versnellingsdetectoren die – net als in<br />
airbags – het begin van een val of andere plotselinge<br />
veranderingen van de beweging detecteren en tijdig de<br />
harddisk in een veilige mode kunnen zetten. Lenovo claimt<br />
met dit Active Protection System een vier keer betere<br />
Figuur 35<br />
bescherming tegen dit soort calamiteiten dan de standaard<br />
De Lenovo<br />
protectie. Sommige laptops van dit merk hebben ook de<br />
X-series.<br />
gimmick om door middel van een MST giroscoop de<br />
oriëntatie van het scherm altijd horizontaal te houden. Valdetectie is op<br />
velerlei gebieden toe te passen, zoals in huis en op de (motor)fiets.<br />
Verder zijn PC’s zoals sommige Lenovo laptops steeds vaker uitgerust met<br />
een Fingerprint Reader. Deze vingerafdruklezers zijn gebaseerd op een<br />
matrix van vele duizenden capacitieve sensoren (www.xensor.nl). Als de<br />
gebruiker de vinger “te lezen legt” worden even zo vele snapshots<br />
gemaakt van de vingertop die door de achterliggende bewerking tot één<br />
beeld wordt geconstrueerd. Zo’n fingerprint reader vervangt het intypen<br />
van passwords.<br />
8.5. Foto-acoustische glucosemeting<br />
Foto-acoustische glucosemeting is de niet<br />
invasieve meting van het glucosegehalte in<br />
de aderen. Gepulst laserlicht wordt<br />
geabsorbeerd in het weefsel, waarbij als<br />
respons het weefsel ultrasoon geluid<br />
voortbrengt. De optische eigenschappen<br />
bepalen de karakteristieken van de<br />
omzetting van het laserlicht in ultrasoon<br />
geluid in de ader bij verschillende<br />
frequenties en is mede een maat voor het<br />
glucosegehalte ter plaatse (Figuur 36). De<br />
ultrasone golven worden gedetecteerd door een ultrasoon-sensor. Na<br />
analyse is een uitlezing beschikbaar (www.glucon.com).<br />
8.6. Smart products<br />
Figuur 35 Het fotoacoustische<br />
effect.<br />
Smart products zijn bestaande producten, waaraan met behulp van<br />
microsysteemtechnologie functies toegevoegd worden. Een voorbeeld is<br />
de intelligente stoeptegel. Deze stoeptegel is uitgerust met een<br />
druksensor en de mogelijkheid om de meting draadloos door te geven. In<br />
winkelgebieden kunnen intelligente stoeptegels bijvoorbeeld<br />
informatiedisplays en winkelverlichtingen aansturen of er kunnen<br />
interactieve wandelroutes mee worden uitgezet. In pretparken zouden<br />
wachttijden met intelligente stoeptegels beïnvloed kunnen worden [6].<br />
Andere voorbeelden zijn:<br />
• de intelligente sleutel die niet meer zoekraakt;<br />
• de intelligente rollator die de weg naar en in huis kent;<br />
• de intelligente pinpas waarvan de code niet vergeten kan worden;<br />
• de intelligente fiets die niet gestolen kan worden;<br />
• de intelligente boei voor een veilige haven.<br />
copy of wat is mst.doc(21-11-06) - 49/61
8.7. Zelfvoorzienende bandenslijtage sensoren<br />
Bandenslijtage kan op verschillende manieren gemeten worden (zie §4.4,<br />
MST in het transport). De sensoren die worden geïntegreerd in het wiel of<br />
de band zelf zijn slecht of niet bereikbaar voor de energievoorziening.<br />
Afhankelijk van de levensduur van de band kan dat een bezwaar zijn. Het<br />
is in principe mogelijk de kinetische rotatie-energie van het wiel – na<br />
conversie – aan te wenden voor de voeding van de sensor.<br />
8.8. World's Smallest Mobile Robot<br />
Onderzoekers van het Dartmouth College (New Hampshire, USA) claimen<br />
World's smallest untethered, controllable mobile robot te hebben<br />
gemaakt.<br />
copy of wat is mst.doc(21-11-06) - 50/61
9. Woordenlijst<br />
AAL Ambient Assisted Living<br />
ABS Antilock Braking Systems<br />
Actuator Een device dat een elektrisch signaal<br />
converteert naar een niet-elektrisch<br />
signaal. Gespecialiseerde Transducer<br />
ADC Analog to Digital converter<br />
Ambient intelligence Omgevingsintelligentie: beveiliging<br />
en bewakingsfuncties in gebouwen<br />
ALU Arithmetic and Logic Unit<br />
AMR Anisotropic Magneto Resistive. Het<br />
meten van de<br />
weerstandsverandering door de<br />
langere loopweg van de<br />
ladingsdragers in een<br />
(semi)conductor veroorzaakt door de<br />
Lorentz-kracht<br />
Anisotropic Niet-isotropisch: fysische<br />
eigenschappen die veranderlijk zijn<br />
met de meetrichting<br />
ASIC Application Specific IC<br />
Autarkic Geheel eigen, onafhankelijke,<br />
zelfbedruipende, energiebronnen<br />
BAW Bulk Acoustic wave. Sensoren met<br />
als centraal principe de snelheidsen/of<br />
amplitude veranderingen van<br />
een akoestische (mechanische) golf<br />
door veranderingen in (meestal)<br />
piëzo materiaal<br />
BioMEMS Aanduiding voor MEMS toepassingen<br />
BIST Build-In Self-Test<br />
Bolometer Een instrument dat de (infrarode)<br />
stralingsenergie meet door het<br />
verband tussen de elektrische<br />
weerstandsverandering in zwart<br />
gemaakt metaalfolie met de<br />
hoeveelheid geabsorbeerde straling<br />
CAN Controller Area Network. Real-time<br />
fieldbus met beperkte dekking, b.v.<br />
auto's<br />
CCR Common Mode Rejection<br />
CPU Central Processing Unit<br />
Cross-sensitivity De gevoeligheid voor andere<br />
grootheden dan de bedoelde<br />
DAC Digital to Analog converter<br />
Device Een unit of component bedoeld voor<br />
een specifiek doel, in het bijzonder<br />
een systeemdeel ingezet voor het<br />
uitvoeren een of meer relatieve<br />
eenvoudige taken<br />
copy of wat is mst.doc(21-11-06) - 51/61
uitvoeren een of meer relatieve<br />
eenvoudige taken<br />
DSP Digital Signal Processing/Processor<br />
EDA Electronic Design Automation<br />
EEC(S) Electronic Engine Control (System)<br />
ESP Electronic Stability Program – het<br />
doceren van remvermogen en<br />
motorkoppel ter voorkoming en<br />
reductie van slippen<br />
EZ Ministerie van Economische Zaken<br />
Farm Subsysteem<br />
Foundry Een wafer productie en bewerking<br />
faciliteit, ook wel fab genoemd<br />
FPGA Field Programmable Gate Array<br />
GPS Global Position System<br />
HART Highway Addressable Remote<br />
Transducer<br />
HE Hall effect. Het potentiaal dat<br />
ontstaat haaks op de stroom<br />
ladingsdragers én het magnetische<br />
veld door de Lorentz-kracht<br />
HVAC Heating, Ventilating & Air<br />
Conditioning<br />
I 2 C Inter-Integrated Circuit. Bus bedoeld<br />
voor seriële communicatie op board<br />
level<br />
IDT Interdigitated transducer<br />
IEEE 1451 smart sensor standard, plug-andplay,<br />
TEDS, Smart Transducer<br />
Interface, STIM, field devices<br />
Ingot Staaf silicon<br />
KIP Kenniskring <strong>Innovatie</strong> en<br />
<strong>Productrealisatie</strong><br />
LIGA Een combinatie van lithografie en<br />
galvanisatie<br />
LonWorks Fieldbus met beperkte dekking, b.v.<br />
huizen en gebouwen<br />
Lorentz-kracht Een magnetisch veld dat haaks op<br />
een stroom ladingsdragers wordt<br />
aangebracht, zal die ladingsdragers<br />
naar één zijde van de<br />
(semi)conductor dwingen<br />
LVDT Linear Variable Differential<br />
Transformer (displacement<br />
transducers)<br />
MAP Manifold Absolute Pressure<br />
MEMS <strong>Micro</strong> Electro-Mechanical Systems<br />
Metabolisme Stofwisseling<br />
<strong>Micro</strong>(n) Een miljoenste (van een meter)<br />
<strong>Micro</strong>actor Een sensent of actuerent object<br />
copy of wat is mst.doc(21-11-06) - 52/61
<strong>Micro</strong>sensor Een sensor met minstens één fysieke<br />
dimensie op submillimeter niveau<br />
MIS Minimal Invasive Surgery<br />
MOEMS MEMS met optische functionaliteit<br />
Morfologisch Naar vorm en structuur<br />
MST <strong>Micro</strong> <strong>Systeem</strong> <strong>Technologie</strong><br />
MTBF Mean Time Between Failures<br />
MTTR Mean Time To Repair<br />
Nernst-effect De elektromotorische kracht als<br />
functie van de temperatuur in een<br />
Voltaïsche cel<br />
OBD On Board Diagnostics (automotive)<br />
Odometer Instrument voor het meten van de<br />
afgelegde afstand<br />
OptoMEMS Aanduiding voor MEMS toepassingen<br />
PDA Personal Digital Assistant (Agenda)<br />
Peltier effect De inverse van het Seebeck effect;<br />
het ontstaan van een warmteverschil<br />
door elektrische energie<br />
Pervasive computing (Alles)doordringend<br />
PhotoMEMS Aanduiding voor MEMS toepassingen<br />
Piëzo Plumbum Zirconate Titanate.<br />
Polikristallijn keramisch materiaal.<br />
Het piëzo-elektrische effect is het<br />
verschijnsel dat kristallen van<br />
bepaalde materialen onder invloed<br />
van druk (bijvoorbeeld buiging) een<br />
elektrische spanning produceren en<br />
vervormen als er een elektrische<br />
spanning op wordt aangelegd<br />
Piëzoresistive Weerstandsverandering door druk of<br />
trek in een piëzokristal<br />
Pirani effect Weerstandsverandering door warmte<br />
afvoer in vacuüm<br />
Polytronics Polymeer elektronica<br />
Precision engineering Klassieke fijnmechanische<br />
technologieën zoals microfrezen,<br />
maar ook laserbewerkingen<br />
Primaire cel Een niet herlaadbare cel waarin een<br />
onomkeerbare chemische reactie<br />
elektrisch vermogen genereert.<br />
Galvanische of Voltaïsche cel<br />
PWM Pulse Width Modulation<br />
RAID Redundant Array of Inexpensive<br />
Disks<br />
Reluctance Magnetische weerstand. Een maat<br />
voor het tegendeel van de<br />
magnetische flux, analoog aan<br />
elektrische weerstand (reactantie)<br />
Resonator-based sensor Sensoren die resonantiefrequentie<br />
variaties, veroorzaakt door<br />
mechanische, chemische of<br />
elektrische verstoringen, meten<br />
copy of wat is mst.doc(21-11-06) - 53/61
variaties, veroorzaakt door<br />
mechanische, chemische of<br />
elektrische verstoringen, meten<br />
RF Radio Frequent<br />
RFID Radio Frequency Identification<br />
RFMEMS Aanduiding voor MEMS toepassingen<br />
RH Relative Humidity<br />
SAW Surface Acoustic Wave. Sensoren<br />
met als centraal principe de<br />
snelheids en/of amplitude<br />
veranderingen van een akoestische<br />
(mechanische) golf door<br />
veranderingen aan het oppervak van<br />
(meestal) piëzo materiaal<br />
Secondaire cel Een herlaadbare cel waarin een<br />
omkeerbare chemische reactie<br />
elektrisch vermogen genereert<br />
Seebeck effect Zie Thermo Koppel<br />
Sensor Een device dat een niet-elektrisch<br />
signaal converteert naar een<br />
elektrisch signaal. Gespecialiseerde<br />
Transducer<br />
Smart dust Peer-to-peer (P2P, gelijke-naargelijke)<br />
netwerk dat geen vaste<br />
clients en servers heeft, maar een<br />
aantal gelijkwaardige aansluitingen<br />
die samen afwisselend functioneren<br />
als server/client voor de andere<br />
aansluitingen in het netwerk<br />
Smart product Product met toegevoegde MST<br />
functies<br />
Smart sensor Sensor met een gedeeltelijke of<br />
volledige signaalbewerking<br />
geïntegreerd op een enkele chip<br />
SoC System-on-Chip. Een ASIC die<br />
speciaal bedoeld is voor een<br />
bepaalde toepassing waarbij de<br />
meeste functionaliteit geïntegreerd is<br />
op een enkele chip om zo specifieke<br />
doelen in termen van kosten,<br />
prestaties en betrouwbaarheid te<br />
realiseren. Zie Smart Sensor<br />
SQUID Superconducting Quantum<br />
Interference Devices<br />
STIM Standard Transducer Interface<br />
Module. Onderdeel van IEEE 1451<br />
TGS De Taguchi Gas Sensor is een type<br />
semi-conductor waarvan de<br />
elektrische weerstand afhankelijk is<br />
van de aanwezigheid van brandbare<br />
gassen zoals methaan, propaan, CO,<br />
waterstof, alcohol, etc.<br />
copy of wat is mst.doc(21-11-06) - 54/61
waterstof, alcohol, etc.<br />
SPI Serial Peripheral Interface Bus en<br />
een subset daarvan, <strong>Micro</strong>wire<br />
TEDS Transducer Electronic Data Sheet.<br />
Onderdeel van IEEE 1451<br />
Thermistor Een thermistor is een elektrische<br />
weerstand (component) waarvan de<br />
elektrische weerstand (sterk)<br />
afhankelijk is van de temperatuur.<br />
Thermokoppel Een thermokoppel bestaat uit draden<br />
van twee verschillende metalen of<br />
metaallegeringen die door lassen of<br />
solderen aan elkaar zijn verbonden.<br />
Als er tussen beide contactpunten<br />
een temperatuurverschil heerst zal<br />
een potentiaalverschil ontstaan,<br />
waarvan de sterkte afhankelijk is van<br />
het temperatuurverschil. Het<br />
potentiaalverschil kan oplopen tot<br />
enkele tientallen millivolts.<br />
Thermopile Gekoppelde thermokoppels<br />
Transducer Een transducer is een device dat van<br />
de ene fysische of chemische<br />
grootheid converteert naar een<br />
andere<br />
Transponder Een device ontworpen om bij<br />
ontvangst van een specifiek signaal<br />
automatisch te reageren met het<br />
uitzenden van een specifiek signaal<br />
(b.v. RFID)<br />
Ubiquitous computing Alomtegenwoordig, Omnipresent<br />
VLSI Een circuit met honderden miljoenen<br />
combinaties van geleiders,<br />
transistoren en isolators<br />
VOC Volatile Organic Compound (fotochemische<br />
“smog”)<br />
VR Variable Reluctance, "magnetic<br />
pickup"<br />
Yaw Het roteren (gieren) om het centrale<br />
punt van een object<br />
copy of wat is mst.doc(21-11-06) - 55/61
10. Literatuur<br />
10.1. Referenties<br />
[1] Fluitman, <strong>Micro</strong>systems technology: objectives, Sensors and<br />
Actuators A. 56 (1996) 151-166<br />
[2] <strong>Micro</strong>systeemtechnologie pagina van het Ministerie van<br />
Economische Zaken<br />
[3] Market Analysis for <strong>Micro</strong>systems, 1998, NEXUS (Network of<br />
Excellence in multifunction <strong>Micro</strong>systems) Task Force, p. 24<br />
[4] Precisiebeurs 2004, Prof. Rien Koster<br />
[5] Gerben Klein Lebbink, <strong>Micro</strong>system technology: exploring<br />
opportunities, STT-56 (1994), Stichting Toekomstbeeld der<br />
Techniek, ISBN 90 14 05088 7<br />
[6] Jan Eite Bullema, Kleine zaken, grote gevolgen, Faculteit Natuur en<br />
Techniek_/_Hogeschool Utrecht, L.S. 16 (2004)<br />
[7] About MEMS and Nanotechnology, MEMS and Nanotechnology<br />
Clearinghouse<br />
[8] Small <strong>Technologie</strong>s Means Big Business, Verkenning <strong>Micro</strong> <strong>Systeem</strong><br />
<strong>Technologie</strong>, oktober 2003, publicatie nummer 03141, Ministerie<br />
van Economische Zaken<br />
[9] Est, R. van, I. Malsch & A. Rip, Om het kleine te waarderen : een<br />
schets van nanotechnologie, 2004, Rathenau instituut, ISBN<br />
9077364056<br />
[10] David A. Patterson & John L. Hennessy, Computer Organization &<br />
Design, The Hardware / Software Interface (2 nd ed.), Morgan<br />
Kaufmann Publishers, 1-55860-491-X<br />
[11] Open Experimental software/hardware Platform for Network<br />
Embedded Systems Technology, UC Berkeley<br />
[12] Douglass, Powel D., Real-Time UML (2 nd ed.), Addison Wesley,<br />
ISBN 0 201 65784 8<br />
[13] MEMS: Mainstream Process Integration, Ziptronix<br />
[14] MST news 2/05<br />
[15] Infobörse 57-2004 (www.vdivde-it.de/homepage/engl/default.html)<br />
[16] Infobörse 56-2004 (www.vdivde-it.de/homepage/engl/default.html)<br />
[17] Roger H. Grace, Automotive Applications of MEMS/MST: The<br />
Migration from Discrete Solutions, Advanced <strong>Micro</strong>systems<br />
Automotive Applications Proceedings, Berlin, Germany, April 2002<br />
pp. 1-14<br />
[18] Joost van Kasteren, Zwerm microsatellieten minder kwetsbaar,<br />
Delft Integraal, TU Delft, 2004-4<br />
[19] Patrick Dewilde, The Design of <strong>Micro</strong>-Electronic Systems, Delft<br />
Science in Design, TU Delft, May, 26, 2005<br />
[20] Paddy J. French, Introduction to Silicon Sensors, Smart Sensor<br />
System Course, TU Delft, April 25..28, 2005<br />
[21] MST news 4/05<br />
[22] Thermogenerator, <strong>Micro</strong>pelt<br />
[23] MST news 5/05<br />
[24] Network of Excellence Design for <strong>Micro</strong> Manufactoring<br />
copy of wat is mst.doc(21-11-06) - 56/61
[25] Johan H. Huijsing, “Where and How to Apply Smart Sensor<br />
Systems”, Smart Sensor System Course, TU Delft, April 25..28,<br />
2005.<br />
[26] MST news 2/06<br />
10.2. Waardevolle links<br />
www.xbow.com Crossbow Technology is a leading supplier of inertial sensor systems<br />
for aviation, land, and marine applications and other instrumentation sensors as well<br />
as the leading full solutions supplier in the wireless sensor networking arena and the<br />
only manufacturer of smart dust wireless sensors.<br />
www.analog.com As a MEMS pioneer, Analog Devices has held a leadership position<br />
as the industry's largest volume supplier of integrated MEMS accelerometers and<br />
gyroscopes.<br />
www.sintef.no SINTEF means The Foundation for Scientific and Industrial Research<br />
at the Norwegian Institute of Technology (NTH).<br />
news.thomasnet.com Industrial News Room is a retail site with the mission of<br />
delivering timely, new industrial product information.<br />
www.sensorsportal.com International Frequency Sensor Association (IFSA)<br />
www.detectorportal.net Detection Technology designs, manufactures, and markets<br />
unique, high performance silicon photodiodes, radiation detectors, their related<br />
electronics, and detector modules. These "eyes of the measurement instruments"<br />
provide excellent accuracy and reliability while offering the benefits of the modern<br />
solid-state technology.<br />
http://www.mems-exchange.org We provide expertise in design and fabrication<br />
services to help researchers and companies identify and develop applications using<br />
MEMS and Nanotechnology.<br />
http://www.sensorsmag.com Sensors magazine. The Authority for Smart Design,<br />
Applications and Networks.<br />
www.eaeeie.org European Association For Education In Electrical And Information<br />
Engineering.<br />
www.dbanks.demon.co.uk Introduction to <strong>Micro</strong> Engineering.<br />
www.maxim-ic.com Demystifying Piezoresistive Pressure Sensors.<br />
www.zigbee.org The ZigBee Alliance is an association of companies<br />
working together to enable reliable, cost-effective, low-power, wirelessly<br />
networked, monitoring and control products based on an open global<br />
standard.<br />
www.omega.com Force related, Flow & Level measurement.<br />
www.xensor.nl Xensor's product range consists of thermal and magnetic<br />
sensors and related products. Universal Transducer Interface (UTI).<br />
copy of wat is mst.doc(21-11-06) - 57/61
www.smartec.nl Temperature, pressure, humidity and infrared sensors.<br />
Universal Transducer Interface (UTI).<br />
www.rgrace.com Roger Grace Associates technology marketing<br />
consultant.<br />
www.memsnet.org An information resource for the MEMS and<br />
Nanotechnology development community hosted by the MEMS and<br />
Nanotechnology Exchange, the nation's leading provider of high-quality<br />
foundry and consulting services.<br />
www.micropelt.com <strong>Micro</strong>pelt develops the worlds smallest cooling and<br />
power generation systems.<br />
www.mstnews.de Mstnews is a bi-monthly journal for the <strong>Micro</strong> and Nano<br />
community worldwide.<br />
www.aal169.org The objective of the specific support action "Ambient<br />
Assisted Living " is to prepare an Art. 169 initiative in the field of "Small<br />
and smart technologies for ambient assisted living".<br />
www.smart-systems-integration.org EPoSS brings together European<br />
private and public stakeholders in order to coordinate and to bundle<br />
efforts and to set-up sustainable structures for improving the<br />
competitiveness of European R&D on Smart Systems <strong>Technologie</strong>s and<br />
their integration.<br />
www.betabatt.com BetaBatt is a Houston-based company in the business<br />
of developing long-lasting reliable power sources. The Company has<br />
researched and patented a novel 3D energy conversion architecture<br />
named the DEC TM Cell, based on nano-scale porous silicon.<br />
copy of wat is mst.doc(21-11-06) - 58/61
11. Bijlage I; Ambient Intelligence<br />
Lampen die automatisch aangaan, brievenbussen die waarschuwen als de<br />
postbode is geweest, navigatieapparatuur die een auto naar haar<br />
bestemming stuurt; in alles kan ‘intelligentie’ worden ingebouwd. Via<br />
internettechnologie kunnen de verschillende apparaten bovendien zowel<br />
onderling als met hun gebruikers communiceren. Even zo talrijk als de<br />
technische mogelijkheden, zijn de namen die onderzoekers en<br />
elektronicabedrijven aan deze ontwikkeling geven. Ubiquitous of pervasive<br />
computing, intelligent environment, ambient intelligence. Ze komen op<br />
hetzelfde neer: een toekomst waarin de mens is omringd door intelligente<br />
apparaten die zijn leven gemakkelijk, veilig en comfortabel maken.<br />
Intelligentie in de vorm van personalized informatie verhuist naar de<br />
periferie van onze onmiddellijke omgeving en naar onze broekzak of<br />
handtas. Over 10 jaar heeft een mens gigabytes aan persoonlijke<br />
informatie in zijn directe nabijheid, inclusief de processing die de<br />
mogelijkheden van de huidige computers verre zal overtreffen. Met<br />
ambient intelligence komt men te verkeren in een omgeving waar het<br />
behang een actief polymeer/silicium medium wordt waarmee beeld en<br />
geluid kan worden opgenomen en weergegeven en die zich laat aanpassen<br />
aan onze persoonlijke behoefte en gedrag. Een ruimte wordt zo in één<br />
handomdraai van woonkamer een kantoor. Via de muur (of een stoel)<br />
wordt een pc transparant doorverbonden met onze pda en andere<br />
intelligentie op ons lichaam, in onze tas of elders in de omgeving [19].<br />
copy of wat is mst.doc(21-11-06) - 59/61
12. Bijlage II; Betrouwbaarheid<br />
De begrippen (mate van) betrouwbaarheid (reliability) en (mate van)<br />
beschikbaarheid (availability) worden – niet alleen in de MST literatuur –<br />
veel door elkaar gehaald. Als een van de voordelen van MST wordt<br />
genoemd de mogelijkheid om tegen lagere kosten de betrouwbaarheid te<br />
verhogen door de toepassing van een veelvoud van microsystemen in<br />
plaats van een enkel (macro-)systeem bijvoorbeeld in een kleiner volume<br />
en lager gewicht, nauwkeuriger, met beperktere energieconsumptie,<br />
betrouwbaarder en bedrijfzekerder Te denken valt aan systemen met<br />
meerdere sensoren ter optimalisatie van bereik, gevoeligheid en<br />
selectiviteit. Echter, als 1 (micro)systeem een faalkans heeft van 1 /k, dan<br />
heeft een configuratie bestaande uit meerdere van die (micro)systemen<br />
een faalkans die groter is dan 1 /k. De betrouwbaarheid is omgekeerd<br />
evenredig met de faalkans en neemt dus af. Wat wordt bedoeld is dat bij<br />
een geschikte organisatie en topologie van een systeem bestaande uit<br />
meerdere microsystemen, ondanks de afnemende betrouwbaarheid, de<br />
beschikbaarheid – en daarmee bedrijfszekerheid – kan worden verbeterd.<br />
De beschikbaarheid kan worden uitgedrukt als A = MTBF / MTBF+MTTR, waarin MTBF<br />
staat voor mean time between failure en MTTR voor mean time to repair.<br />
Het Internet (met het TCP/IP protocol) is fysiek zodanig georganiseerd dat<br />
per data-packet een andere routering kan worden gekozen. Een<br />
netwerktopologie bestaande uit meerdere alternatieve routeringen wordt<br />
als geheel niet betrouwbaarder, maar door de mogelijkheid van<br />
alternatieve routering verbetert de beschikbaarheid. Een opslagsysteem<br />
voorzien van twee identieke, volledig “parallelle” harddisks (Mirroring,<br />
RAID 1), maakte de faalkans van dat opslagsysteem 2x groter, maar<br />
verzekert een beschikbaarheid die afhangt van de kans dat tijdens de<br />
vervanging van de 1 e ook de 2 e harddisk in het opslagsysteem uitvalt.<br />
Smart dust netwerken zijn peer-to-peer netwerken van communicerende<br />
microsystemen. Op zich zijn deze nodes zeer primitief maar vormen ze als<br />
grote verzameling deelnemers een krachtig gedistribueerd systeem.<br />
Alomtegenwoordig en net zo nietig als stof. Berichten worden van node<br />
naar node richting eindbestemming doorgegeven. Berichten over kleine<br />
afstand transporteren is energie-efficiënt, want de energieverdeling<br />
rondom een zender is evenredig met het kwadraat van de afstand tot die<br />
zender. De smart dust nodes hoeven op zichzelf niet betrouwbaar te zijn –<br />
bij voldoende dichtheid mogen er velen uitvallen – maar bij geschikte<br />
organisatie van de verzameling blijft de bedoelde functionaliteit<br />
beschikbaar (zie ook §8.2, <strong>Micro</strong>Ned/TUD microsatelliet).<br />
copy of wat is mst.doc(21-11-06) - 60/61
13. Bijlage III; MEMS Encapsulation in FPGA’s<br />
Zoals eerder betoogt heeft de MEMS fabricage haar wortels in de microelektronicachip<br />
fabricage (zie §2, Geschiedenis en achtergronden<br />
<strong>Micro</strong>systeemtechnologie). Was het initiële succes van MEMS gelegen in de<br />
overeenkomsten met de IC industrie, de huidige groeiproblemen – d.w.z.<br />
massificatie tegen gelijkblijvende of lagere kosten – worden veroorzaakt<br />
door de fundamentele (fabricage) verschillen tussen ICs en MEMSs (zie<br />
§2.2, <strong>Micro</strong>machining). Waar het niet ongebruikelijk is bij ICs memory, CPU<br />
en I/O functies te integreren, blijven die bij MEMS veelal separaat en<br />
moeten deze worden gecombineerd met andere (IC) functies tot een zinvol<br />
product. Daar waar in het fabricage proces wel combinaties worden<br />
gemaakt, dreigt minder optimale performance van zowel IC-functies als<br />
MEMS-functies tegen hogere kosten (zie §7.9, Smart transducers).<br />
Niet verwonderlijk dus dat er in de industrie interesse is om met name de<br />
back-end processing (dicing, packaging en assembly) compatibel te<br />
maken met de standaard IC proces flow [13].<br />
Speculatief, maar nog interessanter wordt het als MEMS kan worden<br />
geïntegreerd met Field Programmable Gate Arrays (FPGAs). FPGAs maken<br />
het mogelijk arbitrair complexe (digitale) functies, tot aan complete<br />
processor- en netwerk core’s, te configureren in structuren bestaande uit<br />
duizenden logical gates. Dit geeft in potentie de mogelijkheid MST-SoCs<br />
(System-on-Chip) te realiseren.<br />
copy of wat is mst.doc(21-11-06) - 61/61