Veiligheidsbestendige rekensorsensoren zonder stroomverbruik

Het team van mechIC heeft rekensensoren ontwikkeld die geen stroom verbruiken. De productie vindt plaats in een cleanroom. © RUB, Marquard

Omdat de structuren van de sensoren klein zijn, zou elk stofdeeltje storend zijn. Daarom vindt de productie plaats in een cleanroom. Het team draagt beschermkleding om verontreinigingen door haar en huidschilfers te voorkomen. © Andreas Soika

Met methoden uit de productie van microchips vervaardigt het mechIC-team de sensoren op siliciumwafers, zogenaamde wafers. © RUB, Marquard

Een gedetailleerde opname van de mechIC-sensor, die volledig mechanisch werkt. © Harald Austenfeld

Het mechIC-team van links naar rechts: Philip Schmitt, Steffen Wittemeier, Lisa Schmitt en Henning Mays. © RUB, Marquard

Voor zijn oprichtingsidee ontvangt een team uit Bochum een EXIST-beurs ter waarde van 1,34 miljoen euro. Hun technologie zou net op tijd kunnen komen om een zich ontwikkelend wereldwijd probleem op te lossen.

Om de veiligheid van bruggen, kranen, pijpleidingen, windturbines en meer te monitoren, zijn rek-sensoren nodig. Een volledig nieuwe technologie hiervoor is ontwikkeld door wetenschappers uit Bochum en Paderborn. In tegenstelling tot traditionele systemen verbruikt deze geen stroom en is hij vrijwel ongevoelig voor temperatuurveranderingen. Om de sensoren klaar te maken voor de markt, bereiden Dr. Philip Schmitt, Dr. Lisa Schmitt en Henning Mays van het Lehrstuhl für Mikrosystemtechnik aan de Ruhr-Universität Bochum samen met Steffen Wittemeier, voorheen verbonden aan de Universiteit Paderborn, de oprichting voor van de start-up 'mechIC', gepland voor 2025. Het Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz ondersteunt hen hierbij met 1,37 miljoen euro via het EXIST-Forschungstransfer-programma.

Het EXIST-project is gevestigd aan het Bochumer Lehrstuhl für Mikrosystemtechnik, dat wordt geleid door Prof. Dr. Martin Hoffmann. De financiering is gestart op 1 april 2024. Het team wordt daarnaast ondersteund door het WORLDFACTORY Start-up Center van de Ruhr-Universität Bochum en de incubator Materials.

„Volgens prognoses zal in 2040 meer stroom nodig zijn voor het monitoren van onderdelen dan wereldwijd kan worden geproduceerd“, benadrukt Lisa Schmitt het belang van de nieuwe sensoren. „Om een volledige monitoring te kunnen garanderen, is een ommekeer nodig.“

Systeem werkt puur mechanisch

In tegenstelling tot traditionele rek-sensoren die elektrisch werken, werkt het systeem van mechIC – kort voor mechanical Integrated Circuits – mechanisch. Het hart van de sensoren is een siliciumchip die rekingen in nanometergebied kan waarnemen. Wanneer het te bewaken onderdeel uitzet, wordt een tandwielstructuur in de chip verschoven ten opzichte van een frame. Hoe sterker de rek, des te verder onder in het frame het beweegbare element inschakelt. „Op deze manier kunnen we de gemeten rek-amplitudes mechanisch opslaan“, legt Philip Schmitt uit.

Het werkingsprincipe ontwikkelde het team in het project „Onderzoek voor nieuwe micro-elektronica: Onconventionele passieve radio-sensoriek voor energie-autonome trillings- en vibratiebewaking“, kort UpFuse, dat werd gefinancierd door het Bundesministerium für Bildung und Forschung aan de Ruhr-Universität Bochum en de Universiteit Paderborn.

Data uitleesbaar met smartphone

Met de mechIC-sensor kunnen onderdelen continu in realtime worden bewaakt. De sensoren kunnen zodanig worden geconfigureerd dat ze bij het overschrijden van een drempelwaarde alarm slaan, of ze kunnen indien nodig worden uitgelezen. Daartoe vertaalt een micromechanische analoog-naar-digitaal-omzetter de mechanische rek in een elektrisch signaal. De energie voor de meting en gegevensverwerking wordt door de rek zelf geleverd en hoeft niet extern te worden aangevoerd. Het systeem heeft dus geen batterij nodig. De gegevens kunnen eenvoudig worden uitgelezen via een smartphone-app die zo is ontworpen dat gebruikers deze gemakkelijk kunnen aanpassen aan hun eigen behoeften.

De sensoren zijn ongeveer vijf bij vijf millimeter groot en kunnen voor allerlei toepassingen worden ingezet. Ze worden geproduceerd met gevestigde methoden uit de halfgeleiderindustrie. Het oprichtteam plant om in 2026 over te gaan tot serieproductie.