Een nieuwe definitie voor het begrip sensoren

Herdefiniëring van het begrip sensoren

Janusz Bryzek, een van de bestuursleden van Fairchild Semiconductor, meldt dat sensoren in de komende tien jaar met honderden miljarden per jaar kunnen worden vervaardigd. Vergelijk dit met het huidige aantal van tien miljoen per jaar. Wordt deze groei objectief bekeken dan mag worden gesteld dat MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) 30 procent van de totale wereldmarkt bereiken met een waarde van meer dan 100 miljard dollar per jaar en dat vergeleken met de waarde van 11 miljard dollar in 2012 is dat een enorme sprong.

Deze enorme toename aan sensoren vormt een interessante uitdaging voor testafdelingen en hun engineers. Een groot aantal industrieën wordt gedwongen hun fundamentele kennis van wat een sensor is te wijzigen. Het oorspronkelijke begrip dat sensoren alleen geschikt zijn voor het meten van temperatuur, druk, kracht en andere basisparameters is achterhaald.

Hoge verwachtingen leiden tot grotere uitdagingen

De meest duidelijke voorbeelden van deze uitdaging ligt in de in zeer hoge aantallen en de consumentmarkten, zoals automotive en telecommunicatie. Klanten, leveranciers en zelfs wetgevende organisaties hebben op dit terrein hoge verwachtingen. Neem als voorbeeld de auto: sensoren werden in het verleden ingezet om de belangrijkste gegevens over de motor te verzamelen, zoals temperatuur en oliedruk. Door de toenemende vraag van consumenten en de overheid werden autofabrikanten gedwongen om de toepassing van elektronische componenten en de daarmee gepaard gaande mogelijkheden aanzienlijk te verhogen. Tegenwoordig zijn voertuigen bijvoorbeeld verplicht om hun emissies te regelen, gevaarlijk menselijk rijgedrag te corrigeren, radio-, telefoon- en satellietsignalen te ontvangen en daarnaast ook nog voldoende entertainment aan de passagiers aan te bieden. Om aan dergelijke vragen ook daadwerkelijk te kunnen voldoen moeten engineers hun ideeën over de sensortechnieken verbreden, zoals de CO₂-sensoren voor het meten van de uitstoot van de katalysator, camera's voor het toezicht houden op de bestuurder, antennes voor het oppikken van de digitale radio- en navigatiesignalen en een beeldscherm voor  het leveren van video- en communicatiebeelden.

Het gaat hierbij slechts om enkele willekeurige voorbeelden van de nieuwe typen sensoren, een inzicht dat ondersteund wordt door Tom Pierce, videpresident en general manager voor Test and  Measurement bij Honeywell Sensing and Control. "Mensen gaan in de toekomst sensoren aanbrengen op plaatsen waaraan wij nooit hebben gedacht," aldus Pierce. "De noodzaak voor sensoren is als een vulkaanuitbarsting en er zijn veel meer potentiële sensortoepassingen dan wij kunnen voorspellen."

Uitzonderlijke sensortoepassingen

De robotica-industrie is bijvoorbeeld een lucratieve markt waar een veelheid aan sensoren wordt vereist om nauwkeurige metingen in de omgeving uit te voeren om daarmee de robot een gevoel over deze omgeving over te brengen. Pierce's woorden krijgen een uitzonderlijke betekenis als er wordt gekeken naar een buitengewone en innovatieve toepassing van sensoren in de UK, namelijk een robot die door een simpele fruitvlieg wordt bestuurd.

Een interdisciplinaire samenwerking van engineers afkomstig van het Imperial College London, Optotune AG, ETH Zürich, ViSSee Sagl en de Tufts University ontwikkelden een flexibel robotapparaat om de vluchtpatronen van gevleugelde insecten te meten en te simuleren.

Alle dieren, inclusief de veel voorkomende fruitvlieg, maken gebruik van een overvloed aan snelle en nauwkeurige biologische sensoren, controllers en actuatoren: feitelijk de meest wenselijke functies van ieder regelsysteem. Denk, om een eenvoudig voorbeeld van een biologische sensor te noemen, aan de mijnwerker die een kanarie bij zich heeft om hem te waarschuwen voor gas. Dergelijke biologische componenten zijn in de robotica vervangen door elektronische en mechanische subsystemen.

"De terugkoppeling van drie lineaire camera's en acht naderingssensoren bepalen de visuele stimuli zoals aangetoond bij de vlieg," legt Optotune's Chauncey Graetzel uit. "Vluchtparameters waaronder de frequentie van de vleugelslag en de amplitude regelen de bewegingen van de robot."

Terwijl biologische sensoren nog ver verwijderd zijn van commercialisering, geeft de mobiele telefoonindustrie een actueler inzicht in deze explosie aan sensoren. Een gemiddelde mobiele telefoon bevatte in 2015 20 MEMS-sensoren, vergelijk dat eens met het jaar 2000 toen het aantal uit slechts twee sensoren bestond. Neem verder als voorbeeld de Samsung Galaxy S4 waarin naadloos een aantal sensoren is geïntegreerd: een versnellingsmeter en een gyroscoop; een geomagnetische sensor; een temperatuur- en een vochtigheidssensor; een Hall-effect sensor en een RGB lichtsensor.

Gevolg voor het testen

De investeringskosten van geautomatiseerde testsystemen kunnen meer dan 60 procent van de totale testkosten bedragen. Het minimaliseren van wijzigingen in de hardware kan derhalve de totale kosten aanzienlijk verlagen. Een speciale testoplossing die bijvoorbeeld bedoeld is voor bepaalde mobiele apparaten heeft een typische levensduur van achttien maanden en maakt daarna vervolgens gebruik van verouderde sensoren en technologie op het moment dat een nieuw model op de markt wordt gebracht. Het opzetten van een testsysteem dat zich aan veranderingen, die een of twee maal per jaar plaatsvinden, kan aanpassen  vereist een tactische of proactieve testbenadering. Dit in tegenstelling tot een ad-hoc aanpak met speciale instrumenten die gespecialiseerd zijn en afgestemd worden op een specifieke meting. Een proactieve testaanpak maakt gebruik van functionele, modulaire hardware en anticipeert daarmee op technologische vernieuwingen en aanpassingen. De modulaire aanpak minimaliseert bovendien de onderhoudskosten van een testsysteem door incrementele wijzigingen door te voeren in plaats van het vervangen van een compleet instrument. National Instruments pleit voor een dergelijke modulaire benadering: het PXI-platform leent zich bij uitstek voor dergelijke applicaties. Dit systeem biedt een modulaire embedded controller en een groot aantal modulaire instrumenten, vanaf single-point DC- tot RF- en microgolfmetingen. Deze aanpak draagt aanzienlijk bij aan het succes van de karakterisering van componenten bij Qualcomm Atheros.

Qualcomm Atheros is al meer dan twee decennia marktleider op het gebied van de volgende generatie draadloze technologieën. Haar engineers werden met serieuze uitdagingen geconfronteerd toen draadloze technologieën met een zeer hoge doorvoersnelheid werden ontwikkeld voor nieuwe netwerktoepassingen. Op het moment dat de draadloze norm complexer werd, nam het aantal operationele modi voor hun MIMO-zend/ontvangers exponentieel toe. Om gebruik te kunnen maken van de 802.11ac WiFi-norm vereisten deze apparaten nieuwe modulatiemogelijkheden, meer kanalen, meer bandbreedte instellingen en aanvullende datastromen. Daarnaast is het karakteriseren van WLAN-zend/ontvangers juist een uitdaging als het door de vele honderden onafhankelijke versterkerinstellingen.

Het team stapte over van de traditionele benchtop instrumenten, die slechts 40 datapunten per instelling produceerde, om het genoemde probleem te verhelpen, naar een modulair PXI-systeem dat de doorvoer direct met een factor tien verhoogde. Om de prestaties te verhogen en tegemoet te komen aan de vereiste 802.11ac-norm, zag Qualcomm in 2012 de noodzaak in om hun instrumentatie op te waarderen. Qualcomm was in staat om maar liefst 300.000 datapunten per instelling te realiseren door gebruik te maken van het aanwezige PXI-platform en hun RF-instrumenten om te wisselen voor de laatste Vector Signal Transeiver module.

"Door gebruik te maken van de NI PXI Vector Signal  Transeiver, waarvan de firmware met software aan te passen is, en de NI WLAN Measurement Suite, konden wij de 200 keer sneller testen ten opzichte van traditionele rack-and-stack instrumenten. Bovendien werd de dekkingsgraad van het testen aanzienlijk verbeterd."

Doug Johnson Qualcomm Atheros

Een betere aanpak voor snel veranderende technologieën

Als de verwachting van een biljoen sensoren per jaar in 2024 werkelijkheid wordt, zal de productcomplexiteit meegroeien en het tempo waarin dit gebeurt aanzienlijk hoger liggen dan het huidige traject aangeeft. Deze trend zal voortdurend impact hebben op testafdelingen als gevolg van het vaker herontwerpen van producten en daarmee een drastische invloed uitoefenen op de totale kosten van het testen. Bedrijven die gebruik maken van een teststrategie gebaseerd op een modulaire aanpak kunnen inspelen op de veranderende sensormarkt en zullen hun totale kosten kunnen reduceren en de ontwerptijd verlagen om zo te voldoen aan de versnelde time-to-market vraag.

National Instruments