TWENTSE WEEGCHIPS METEN EEN TON OP DRIE ONS NAUWKEURIG

Een volgeladen pallet wegen op een postzegelgrote chip? Dat kan met het prototype van een krachtsensor die aan het onderzoeksinstituut MESA+ van de Universiteit Twente is ontwikkeld. Werktuigbouwkundige ir. Robert Zwijze promoveerde vorige week op het onderzoek naar deze krachtchip.

De chip meet de kracht aan de hand van de vervorming van 1600 minuscule uit silicium geëtste pilaartjes. Deze staan in slagorde van veertig bij veertig opgesteld tussen twee horizontale siliciumplaatjes van één vierkante centimeter. Het onderste siliciumplaatje bevat een elektrodenpatroon van een dug laagje titaan-platina, terwijl het bovenste siliciumplaatje fungeert als gemeenschappelijke elektrode. Als de chip belast wordt, komen de condensatoren die aan het bovenste plaatje vastzitten dichter naar de onderliggende elektrodes. Door de toenadering krijgen de condensatoren een grotere capaciteit en gaat er een meetbaar stroompje lopen.In de praktijk blijkt het onmogelijk om de 1600 condensatoren individueel te meten. Zwijze clusterde de meetsignalen daarom in 25 groepen van 64 parallel geschakelde condensatoren. De meting in arrays heeft tot voordeel dat ongelijke krachtverdeling op de chip de meting van het totale gewicht nauwelijks beïnvloedt.

De in Twente ontwikkelde weegchip kan tot maximaal duizend kilo worden belast. Per kilogram belasting is de indrukking 0,2 nanometer. Bij hogere belastingen treden er kortsluitingen tussen de elektrodes op. Om toch grotere gewichten te kunnen meten, zoals bijvoorbeeld een vrachtwagencombinatie op een weegbrug, kunnen meer weegchips parallel geschakeld worden.

Silicium krachtsensors vormen volgens Zwijze een volwaardig alternatief voor de conventionele weegelementen. De chip is in staat een ton tot op drie ons nauwkeurig te wegen. Het silicium is vormvast waardoor er zeer reproduceerbaar mee kan worden gemeten. Conventionele sensoren hebben vaak te maken met vervorming door de enorme krachten waaraan zij blootstaan. Ze bestaan uit een stuk hoogwaardig staal met een daarop vastgeplakt rekstrookje. Via het rekstrookje kan de mate van indrukking en dus het gewicht bepaald worden. Deze elementen worden stuk voor stuk met de hand in elkaar gezet en zijn dus relatief duur. Silicium weegelementen kunnen daarentegen eenvoudig in serie gemaakt worden: er gaan zo'n 25 weegchips uit één silicium wafer. Nadeel is wel dat de productie in een (dure) clean room moet plaatsvinden.