Hvordan virker MEMS-sensorer?

Disse knøttsmå sensorene styrer hverdagen vår i større grad enn vi tror. Slik virker de

Sensorer, det vil si innretninger som måler ting, er ingen ny oppfinnelse. Men hvordan virker egentlig disse silisiumbaserte sansebrikkene?

Mikroelektromekaniske sensorer gjør at moderne elektronikk kan registrere og måle en lang rekke variabler.
Mikroelektromekaniske sensorer gjør at moderne elektronikk kan registrere og måle en lang rekke variabler.

Sensorer, det vil si innretninger som måler ting, er ingen ny oppfinnelse. Men hvordan virker egentlig disse silisiumbaserte sansebrikkene?

Termometeret har vært med oss utrolig lenge basert på en eller annen væske – som sprit eller kvikksølv – som utvider seg med temperaturen. Eller kompasset som får en magnetisk nål til å rette seg inn i jordens magnetfelt, pølsa på flyplasser som fortalte om vindretningen, eller en trykkmåler som fikk en viser til å dreie i takt med at en membran ble trykket inn.

Felles for dem alle er at de utnytter kjente fysiske fenomener via en eller annen mekanisk innretning som kan fortelle som størrelsen av det som skal måles.

Vi har også funnet måter å omsette måleresultatet til elektriske signaler, slik at vi kan overvåke ting på avstand. Mengden sensorer har økt voldsomt gjennom mange år, men nå er veksten formidabel. Markedet for slike sensorer har blitt med vekstkurven for smarttelefoner, og gjort den billigere og mindre. Det har kommet andre anvendelser til gode, slik som droner og IoT-dingser.

Man kan argumentere for hva som muliggjorde smarttelefonen, men mange vil nok være enige i at den neppe hadde fått betegnelsen smart om den ikke hadde tilgang på moderne sensorer. Etter hvert har antallet sensorer i mobiler økt betydelig. Flest finnes selvfølgelig i de dyreste, men selv latterlig billige utgaver som selges i lite betalingsdyktige markeder har noen.

Kameraene

Er det en sensor vi elsker over alt annet så er det mobilkameraet. Eller kameraene. For moderne mobiler har gjerne tre på baksiden og et på forsiden. I tillegg til kameraer er det mikrofoner, helst to tre stykker som tar opp lyd og gjør støykansellering.

Men når vi våger oss inn på kretskortet finner vi flere sensorer, og det er de som fremfor alt gjør telefonen smart. Mange av disse er nedkrympede versjoner av tradisjonelle sensorer. Det hadde ikke vært mulig å bygge telefoner med tradisjonell teknologi. I stedet er det framskritt i såkalt MEMS-teknologi som har gjort det mulig. MEMS står for MikroElektroniskMekanikk på Silisium. Dette er knøttsmå brikker som både inneholder elektronikk og mekanikk som på en eller annen måte kan måle egenskaper.

De mest kjente er de som holder rede på hvordan telefonen er orientert i rommet og hvordan den beveger seg; akselerometeret og gyroskopet. Så har vi magnetometeret, barometeret, fingeravtrykkleseren, nærhetsmåleren og i noen telefoner et TOF-kamera som måler avstand ved å beregne hvor lang tid lyset frem og tilbake til et objekt trenger. Da har man et instrument for å fokusere kameraer eller tegne ting i 3D.

Mer enn mobilen

Sensorene finnes i langt mer enn mobiltelefoner. Moderne biler har langt flere og andre typer sensorer. Alle slags IoT-dingser vi fyller opp hjemmene våre med inneholder mange. Moderne hjemmealarmer er fulle av dem. Enhver røykdetektor med respekt for seg selv kan også måle temperatur og fuktighet. Utvalget av VR- og AR-briller blir stadig større, og disse er svært avhengig av å kunne detektere sin orientering i rommet.

Men hvordan virker egentlig disse silisiumbaserte sansebrikkene?

Les også

Akselerometeret

Et av de første silisiumbaserte akselerometrene i verden ble bygget på SI, det vil si Sintef i Oslo, på 70-tallet. Det var rett og slett en knøttliten silisiumbjelke med en slags strekklapp etset inn i overflaten. Når den endret hastighet, bøyde den seg litt, og det endret motstanden i kretsen. Dermed kunne man fastslå akselerasjon eller retardasjon. Og grunnlaget var skapt for en norsk sensorindustri som blomstret i mange tiår.

I dag er akselerometre veldig mye mindre. Typisk ytre mål på 2x2 mm og under én mm tykk, og selve sensoren er mye mindre inne i kapselen. Prinsippet er at det er etset ut to ørsmå kammer som er flettet inn i hverandre uten å berøre hverandre. Den ene kammen er fast, mens den andre er etset slik at den har en bevegelig fjær. Når denne silisiummekanismen endrer hastighet, vil den ene siden av den bevegelige kammen komme nærmere den faste, og det endrer kapasitansen. Settes to slike 90 grader på hverandre har man en toakset måler, men den loddrette aksen måler man ikke ved å sette to kammer på høykant. I stedet måler man hvordan den bevegelige kammen slår ut i Z-retning, som også endres. Et treakset akselerometer er selve grunnsensoren på hovedkortet i en moderne smartmobil.

Det finnes en lang rekke akselerometre med ulik følsomhet. Det er akselerometre som løser ut airbager, og de må nødvendigvis være svært trege før de løser ut.

Akselerometre i mobiler har mange roller. En av den er å styre den optiske stabiliseringen i kameraene. Mennesker «skjelver» med en frekvens på 10 til 20 Hz, og det er lett å plukke opp og korrigere for. Denne sensoren sørger også for å snu skjermen etter hvordan den holdes, og den har en meget viktig rolle sammen med gyroskopet i mange dataspill.

Gyroskopet

Gyroskopet har som oppgave å måle rotasjon. Bare et akselerometer kan ikke gjøre det man forlanger av en toppmobil, så de har gjerne et treakset gyroskop også.

Et MEMS-gyroskop er en silisiumstruktur i konstant bevegelse, som drives av en Lorenz-kraft eller en elektrostatisk kraft. Hvis sensoren utsettes for en rotasjon forstyrres denne bevegelsen, og graden av forstyrrelse kan leses ut som hvor stor endringen i rotasjon er. Med tre slike kan man lese ut alle roterende bevegelser etter samme prinsipp som akselerometeret.

Les også

Nærhetssensor (proximity)

De fleste mobiler har en sensor som kan bedømme avstand til kroppen. Den sørger for at skjermen slås av og sparer strøm når telefonen holdes inntil kinnet. Da utløser man heller ikke andre apper eller handlinger mens man snakker.

For å spare strøm har mobiler også en lyssensor som kan dempe skjermens lysstyrke når omgivelsene blir mørkere.

Barometeret

Det å måle lufttrykk er noe de fleste toppmobiler kan. Da trengs det selvfølgelig en membran som endrer form med økende trykk. Og som alle MEMS-sensorer snakker vi om små saker. Et menneskehår er typisk 70 mikrometer. Membranen her er mellom 10 og 20 mikrometer og 100 i diameter. For å lese ut trykket måles enten kapasitivt mot bunnen av sensoren, eller endring i elektrisk motstand som bare skjer i membranen. Det gir tynnere sensorer.

Les også

Miljøsensorer

Innendørs er det blitt vanlig å måle VOC, altså flyktige organiske forbindelser. Slike gasser skilles ut av tekstiler, maling og mange av de tingene vi omgir oss med. Til og med mennesker puster ut VOC. Sensorer som måler VOC, er basert på et metalloksid som endrer karakteristikk når slike gasser absorberes. Optiske gassmålere av ulike slag er mer presise, men også mye dyrere enn MEMS-variantene. VOC-sensorer kan fremfor alt si noe om når det er behov for å lufte.

Flere typer sensorer

I mange sensorer som sitter i alarmanleggene i husene våre finnes det flere andre sensorer. Typisk er det de som måler luftfuktighet. De er enkle å lage. Mellom to elektroder er det et sjikt av et organisk lag som endrer de dielektriske egenskapene avhengig av luftfuktigheten.

Temperatur er også lett å måle. Enten ved et materiale, eller i en diode, som endrer karakteristikk ved temperaturendringer. De som bruker platina er de mest nøyaktige.

En GPS-mottaker i en telefon er for så vidt en sensor i form av en radiomottaker, men ikke en MEMS-enhet.

Dette er et lite utvalg av sensorene som finnes på markedet. Det kommer stadig flere, og de blir stadig mindre og billigere.

Kilde: Stefan Finkbeiner i Bosch Sensortec

Les også

Akselerometeret: Prinsippet ved et akselerometer er at det er etset ut to ørsmå kammer som er flettet inn i hverandre uten å berøre hverandre. Den ene kammen er fast, mens den andre er etset slik at den har en bevegelig fjær. Når denne silisiummekanismen endrer hastighet, vil den ene siden av den bevegelige kammen komme nærmere den faste, og det endrer kapasitansen.
Sanser: Mikroelektromekaniske sensorer gjør at moderne elektronikk kan detektere og måle en lang rekke variabler. Denne skjematiske fremstillingen av en MEMS-sensor viser bare noen av dem.
Smått: En titt inn i en sensor – forstørret 28 ganger.
Overalt: Sensorene blir mindre og mindre, og optimaliseres og tilpasses kontinuerlig for det meste vi har på oss og med oss av smarte dingser – som ørsmå ørepropper. (Bilde: marog-pixcells)
3 x 3 mm: Knøttlille BHI160BP var den første GPS-posisjonssensoren for smartklokker, øretelefoner og andre bærbare enheter. (Bilde: marog-pixcells)
Magnetometeret regnes også med i sensorer som kan detektere bevegelse, selv om det opererer på en helt annen måte enn akselerometre og gyroskoper. Det er mange måter å måle jordens magnetfelt på, men slike sensorer er ofte bygget opp som såkalte hall-sensorer. Her går en ørliten kontinuerlig strøm i en flat leder. Da er elektronene jevnt fordelt over lederen. Men når strømmen påvirkes av magnetfeltet til jorden vil det også påvirke foredlingen av elektronene i strømmen. Avhengig av styrken på magnetfeltet – og retningen – kan vi lese av endringen som en spenning mellom sidene på den flate lederen. Et ultralite kompass, altså.

Kommentarer (1)

Kommentarer (1)

Eksklusivt for digitale abonnenter

På forsiden nå