Geavanceerde sensor systemen

De laatste jaren is er heel wat kennis verworven rond micro-mechanische (MEMS) inertiaalsensoren met hoge precisie. Met dergelijke sensoren kan men versnellingen (accelerometers) en rotatie-snelheden (gyroscopen) meten. De interesse vanuit de industrie in dergelijke sensoren is erg groot. Hierbij denkt men bijvoorbeeld aan het ontwikkelen van relatief goedkope systemen die inzetbaar zijn voor navigatie-doeleinden, zodat de zgn. blackouts van de huidige GPS systemen opgevangen kunnen worden. Hiernaast zijn er nog heel wat andere “automotive” toepassingen waarbij inertiaalsensoren een belangrijke rol spelen: ESP (Electronic Stability Program), EAS (Electronics Active Steering), ACC (Adaptive Cruise Control), ...

Het ontwikkelen van geavanceerde sensoren zoals MEMS gyroscopen vereist een multi-disciplinaire aanpak, waarbij zowel het mechanische als het elektronisch ontwerp op elkaar afgestemd worden. Daarnaast veroorzaken de onvermijdelijke technologische imperfecties van de mechanische structuur voor een aantal moeilijke probleemstellingen. Door onze groep werd hiervoor een gerichte aanpak op systeemniveau uitgewerkt. Hierbij worden o.a. Sigma-Delta conversie-technieken toegepast op een gemengd mechanisch-elektrisch systeem. De totale aanpak werd gevalideerd in een state-of-the-art prototype (zie foto rechts). Bemerk dat de micromechanische structuur zelf niet rechtstreeks zichtbaar is. Deze wordt namelijk extra ingekapseld zodat de MEMS gyroscoop-structuur bij een gereduceerd omgevingsdruk kan werken.

Een tweede generatie van deze Sigma-Delta-gebaseerde gyroscopen (foto links) bevatten een aantal optimalisaties ter hoogte van de uitleescircuits. Door deze uitleescircuits in continue tijd te realiseren kan men immers de ruisvloer reduceren (door vermijden van aliasing), wat een gunstig effect heeft op de performantie. Dergelijke optimalisaties op het vlak van de uitlees-elektronica kaderen in een ruimere groep van aktiviteiten rond analoog chip-ontwerp.

De CAS groep ontwerpt ook micromechanische structuren. Bij het ontwerpsproces is een belangrijk verificatiemiddel eindige-elementen analyse (FEA). De afbeelding rechts illustreert een deel van het typische resultaat van een zgn. modale analyse van een accelerometer. Een mode vertegenwoordigt een natuurlijk bewegingspatroon van de structuur en is geassocieerd met een zekere frequentie. Elke mechanische structuur heeft een oneindig aantal modes, maar men is enkel geïnteresseerd in een aantal laagfrequente modes.