Versnellingsmeter: het kleine sensortje dat elke beweging registreert
Een versnellingsmeter is een piepklein sensortje dat meet hoe snel de snelheid van een object verandert. Denk aan het gevoel in je maag wanneer een lift plotseling optrekt, of wanneer een auto hard remt: dat gevoel ontstaat doordat je lichaam versnelling of vertraging ondergaat. Een versnellingsmeter registreert precies dat soort krachten, maar dan in een chip die vaak kleiner is dan een rijstkorrel.
Je hebt er waarschijnlijk dagelijks contact mee zonder het te beseffen. In je smartphone zorgt een versnellingsmeter ervoor dat het scherm meedraait als je het toestel kantelt, en in een auto activeert zo'n sensor de airbag op het moment van een botsing. Het principe lijkt op een balletje in een doosje: beweegt het doosje snel, dan drukt het balletje tegen een van de wanden. Door die druk te meten, weet de sensor hoe hard en in welke richting er versneld wordt.
Wat is het precies?
De meeste moderne versnellingsmeters zijn zogeheten MEMS-sensoren. MEMS staat voor Micro-Electro-Mechanical Systems, oftewel microscopisch kleine mechanische systemen die op een siliciumchip zijn geëtst, net zoals computerchips worden gemaakt. Binnenin zit een minuscuul massaatje dat aan piepkleine veertjes hangt, vaak niet groter dan de dikte van een haar.
Wanneer het apparaat waarin de sensor zit versnelt, blijft dat massaatje door zijn traagheid iets achter, net zoals je lichaam naar achteren duwt wanneer een trein optrekt. Die kleine verplaatsing wordt gemeten, meestal doordat de afstand tussen het massaatje en vaste elektroden verandert. Dat verandert op zijn beurt een elektrische capaciteit, een meetbare grootheid die de chip omzet in een digitaal signaal.
De meeste versnellingsmeters meten in drie richtingen tegelijk: voor-achter, links-rechts en op-neer. Door die drie waarden te combineren, kan een apparaat precies bepalen in welke stand het zich bevindt en hoe het beweegt. Vaak wordt de versnellingsmeter gecombineerd met een gyroscoop, die draaibewegingen meet, en soms een magnetometer, die het aardmagnetisch veld gebruikt als kompas. Samen vormen ze een inertial measurement unit, afgekort IMU, die complete bewegingen in de ruimte kan volgen.
Wat wil men ermee bereiken?
Het doel van versnellingsmeters is simpel maar krachtig: apparaten bewust maken van hun eigen beweging, zonder dat ze daarvoor externe signalen zoals gps nodig hebben. Dat is essentieel op plekken waar gps niet werkt, zoals binnenshuis, onder water of in de ruimte.
In de auto-industrie zijn versnellingsmeters onmisbaar voor veiligheid. Ze detecteren binnen milliseconden een botsing en sturen dan het signaal om airbags te ontsteken. Ook stabiliteitssystemen zoals ESP gebruiken deze sensoren om te merken wanneer een auto dreigt te slippen.
Daarnaast is er een groeiende ambitie om versnellingsmeters zo nauwkeurig te maken dat ze kunnen dienen als navigatiesysteem zonder satellieten. Dit heet inertiële navigatie: door voortdurend versnelling te meten en te integreren, kan een systeem in theorie bijhouden waar het zich bevindt, te vergelijken met het dichtdoen van je ogen en toch bijhouden hoeveel stappen je hebt gezet en in welke richting.
Voorbeelden uit de praktijk
De doorbraak naar de massamarkt kwam met de iPhone van Apple in 2007, die een versnellingsmeter gebruikte om het scherm automatisch te laten meedraaien. Kort daarvoor, in 2006, introduceerde Nintendo de Wii Remote, een spelcontroller die bewegingen van spelers omzette in game-acties dankzij dezelfde technologie.
In de auto-industrie zijn versnellingsmeters sinds de jaren negentig standaard voor airbagsystemen. Bosch, een van de pioniers op dit gebied, bracht al in 1994 een van de eerste MEMS-versnellingsmeters voor auto's op de markt.
Een recenter en veelbelovend voorbeeld is onderzoek naar quantumversnellingsmeters. Onderzoekers van Imperial College London demonstreerden in 2022 een prototype dat kou-atomen gebruikt in plaats van een mechanisch massaatje, waardoor navigatie mogelijk wordt zonder enige gps-verbinding, bruikbaar voor onder meer duikboten en ruimtevaart.
Ook in de ruimtevaart spelen versnellingsmeters een cruciale rol: NASA's Mars-landers en -rovers, zoals Perseverance dat in 2021 landde, gebruikten precisie-IMU's om tijdens de gevaarlijke afdaling door de Marsatmosfeer voortdurend snelheid en oriëntatie te bepalen.
In de medische wereld worden versnellingsmeters gebruikt in valdetectiesystemen voor ouderen: draagbare sensoren die automatisch alarm slaan wanneer iemand valt, een toepassing die de afgelopen tien jaar sterk in populariteit is gegroeid door de vergrijzing.
Hoe ver is de techniek?
Klassieke MEMS-versnellingsmeters zijn inmiddels volwassen technologie. Ze worden in miljarden exemplaren per jaar geproduceerd, zijn goedkoop, klein en energiezuinig. Fabrikanten werken vooral nog aan het verder verlagen van stroomverbruik en het verbeteren van nauwkeurigheid bij kleine, langzame bewegingen, iets waar huidige sensoren nog moeite mee hebben.
Een bekend probleem van inertiële navigatie is drift: kleine meetfouten stapelen zich op na verloop van tijd, waardoor een systeem zonder externe correctie na een paar minuten al meters kan afwijken van de werkelijke positie. Dit is de belangrijkste reden waarom inertiële systemen meestal worden gecombineerd met gps of andere referentiepunten.
Quantumversnellingsmeters, die veel nauwkeuriger kunnen zijn en potentieel die driftproblemen sterk verminderen, staan nog in een vroeg, experimenteel stadium. De huidige prototypes zijn groot, kwetsbaar en moeten worden gekoeld tot temperaturen vlak bij het absolute nulpunt, waardoor praktische toepassing buiten het laboratorium nog jaren op zich laat wachten. Onderzoekers verwachten dat compactere versies op zijn vroegst tegen het einde van dit decennium beschikbaar komen voor specialistische toepassingen zoals militaire navigatie en geologisch onderzoek.
Wie werken eraan?
De markt voor klassieke MEMS-versnellingsmeters wordt gedomineerd door een handvol grote chipfabrikanten: het Duitse Bosch Sensortec, het Frans-Italiaanse STMicroelectronics, het Amerikaanse Analog Devices en TDK InvenSense (voorheen een zelfstandig Amerikaans bedrijf, nu onderdeel van het Japanse TDK).
Op het gebied van quantumsensoren lopen onder meer Imperial College London en het Britse bedrijf Teledyne e2v voorop, met steun van het Britse ministerie van Defensie. Ook in de Verenigde Staten investeren agentschappen als DARPA en het National Institute of Standards and Technology (NIST) in vergelijkbaar onderzoek, gericht op navigatie zonder gps voor militaire en ruimtevaarttoepassingen.
In Nederland houdt onder meer de Technische Universiteit Delft zich bezig met MEMS-sensortechnologie in bredere zin, als onderdeel van onderzoek naar micro- en nanotechnologie.