Nieuwe sensorchips: goedkoop, slim en efficiënt

Met een chip hartcellen analyseren en een slimme pleister die alarm slaat als jouw hartslag te hoog is. Het zijn twee voorbeelden van onderzoek waar Frans Widdershoven aan werkt. Deze kersverse hoogleraar ontwikkelt nieuwe, slimme sensoren.

In een kas groeien mooie komkommers. Een teler kweekt ze onder de beste omstandigheden en gaat precies na hoeveel water ze moeten hebben en of de temperatuur goed is. Zodat jij straks lekkere, sappige en groene komkommers op je bord hebt liggen. Toch heeft zo’n teler voortdurend kopzorgen. Wat nu als een ziekte de groente om zeep helpt?

Om dat te voorkomen werken wetenschappers onder meer aan een elektronische neus. Een plant geeft een geur af, dus ook een komkommer. En zo’n elektronische neus merkt daar meteen aan of er iets mis is. Ook in een stal met kippen of koeien kan je dit toepassen. Zodra er een ziekte uitbreekt heeft deze neus het door en slaat alarm.

Lees ook

leestijd: 6 min

Wat drijft de kusten?

Met slimme sensoren maak je het leven van veel mensen beter.

Het zijn een paar voorbeelden van wat mogelijk is met slimme technologie, mede dankzij onderzoek van de TU Delft. Het is daarvoor van belang dat er goedkope chips worden gemaakt, die weinig energie vreten en slim zijn. Daaraan werkt Frans Widdershoven. Hij werkt binnen de muren van de TU Delft als hoogleraar Low Power Embedded Smart Sensors bij de afdeling Bio-elektronica van de faculteit EWI (Elektrotechniek, Wiskunde en Informatica). Daarnaast is hij als Fellow verbonden aan chipfabrikant NXP.

Coronasensor

Een chip met ingebouwde sensor, die zo gevoelig is dat hij een enkel deeltje van het coronavirus opmerkt. Daaraan werken meerdere onderzoekers van verschillende faculteiten van de TU Delft, waaronder Frans Widdershoven, Peter Steeneken en Murali Ghatkesar. Ook Serge Lemay van de Universiteit Twente is erbij betrokken. ‘We willen de elektrodes zo maken, dat ze de coronadeeltjes aan zich binden. En als het ware eraan blijven plakken en je zo kan tellen hoeveel er zijn,’ zegt Steeneken. Hij is hoogleraar Dynamics of Micro and Nanosystems bij de faculteit ME. Ook hierbij wordt weer gebruik gemaakt van CMOS. ‘De slimmigheid zit daar al ingebouwd. We hopen op deze manier een sneltest te maken,’ zegt Steeneken. ‘Je kan ze zelfs in mondkapjes inbouwen, waardoor je weet of je Covid-19 hebt of ergens bent geweest waar het in de lucht zat.’ Het doel is om een test voor een paar euro te maken. Maar dat is nu nog toekomstmuziek, want het onderzoek staat nog in de kinderschoenen.

Slimme pleisters

Wie met de hoogleraar praat, hoort hem al snel vertellen over allerlei interessante mogelijkheden. Neem slimme pleisters. Die plak je op je huid en dan gaan ze van alles meten. Zoals de temperatuur, hartslag, ademhaling en zuurstofverzadiging. Dat is cruciale informatie voor artsen om na te gaan hoe het met hun patiënt gaat. ‘Bewegingen in je lichaam kan je meten met elektrische sensoren,’ zegt Widdershoven.

Zo’n pleister doet nog meer. Deze interpreteert ook zelf de verzamelde gegevens. Zo checkt het of alles goed met je gaat. ‘Er moet dus intelligentie ingebouwd worden en daarom is het verstandig om een chip te gebruiken. Die analyseert de data, slaat alarm als er iets mis dreigt te gaan en stuurt deze gegevens draadloos door. Uiteraard wordt ook beveiliging ingebouwd, want je wil dat deze persoonlijke info wordt beschermd. Bovendien moet het allemaal weinig energie kosten. Op de korte termijn kunnen we zo’n pleister maken.’

Iedereen gebruikt het, maar bijna niemand is zich er bewust van.

Dit voorbeeld geeft een inkijkje in wat er in de nabije toekomst al kan. Met slimme sensoren maak je op deze manier het leven van veel mensen beter. Intelligentie is daarbij een van de sleutelwoorden. En die is mogelijk door gebruik te maken van de zogeheten CMOS-technologie. Het is een woord dat misschien niet veel mensen kennen, maar we komen deze technologie voortdurend tegen zonder het te beseffen. ‘Iedereen gebruikt het, maar bijna niemand is zich er bewust van,’ zegt Widdershoven. CMOS-technologie zit namelijk in vrijwel alle elektronische apparaten die we voortdurend gebruiken, zoals smartphones, laptops, televisies en camera’s.

Superkracht

‘Dankzij de ontwikkeling van de CMOS-technologie de afgelopen vijftig jaar stoppen we nu een miljard transistoren op een vierkante centimeter silicium. Die verwerken allerlei rekenopdrachten en zorgen er zo voor dat jouw smartphone en slimme speaker werkt. Ze zijn bovendien enorm energie-efficiënt,’ aldus Widdershoven.

CMOS is een superkracht achter alles wat tegenwoordig slim is en elektronica bevat, legt de hoogleraar uit. En die technologie kan je voor nog meer toepassingen inzetten. Bijvoorbeeld voor sensoren. Nu zijn sensoren vrijwel altijd losse componenten die je ergens aankoppelt. Ze meten bijvoorbeeld beweging of CO2 en geven hun signalen door aan een CMOS-chip. Daar worden die signalen vervolgens geanalyseerd en verwerkt. ‘Als ik bij mijn vakgebied vooruitkijk naar de toekomst, dan zou je bijna alle sensoren direct willen inbedden in die CMOS-chip. Ik denk dat dit mogelijk is. Op die manier maak je sensoren zelf slim, verklein je het totale oppervlak en bespaar je energie en kosten.’

Het is van belang dat er goedkope chips worden gemaakt, die weinig energie vreten en slim zijn.

Een algemene aanpak is daarbij belangrijk, volgens Widdershoven. ‘Want je wilt niet voor elk type sensor speciale aanpassingen in de CMOS-technologie maken. Dat is veel te complex en duur en kan niet hergebruikt worden. Daarom ontwikkel ik een nieuwe, universele methode.’ Daarbij breid je de CMOS-chip uit met een speciaal sensorveld. Dat bestaat uit vele piepkleine elektroden die net onder het chip-oppervlak zitten. ‘Hiervoor hoef je de CMOS-technologie zelf niet aan te passen. De micro-elektroden kunnen dwars door het oppervlakte van de chip meten welke materialen of objecten er zich net boven bevinden.’ Op die manier voeg je dus een nieuwe sensoroptie toe aan de al bestaande CMOS-technologie.

Microscopisch touchscreen

35Met een inkjetprinter is het mogelijk om meerdere materialen naast elkaar bovenop dat sensorveld te printen. Dit kan van alles zijn, afhankelijk van wat je nodig hebt. ‘Stel je maakt een alcoholtest. Dan print je materiaal dat daar gevoelig voor is. Maar dit materiaal reageert ook op andere stoffen in jouw adem, zoals waterdamp. Deze zogeheten kruisgevoeligheid wil ik eruit filteren. Dit is mogelijk door een tweede materiaal ernaast te printen dat gevoeliger is voor waterdamp dan voor alcohol. De chip berekent dan zelf wat je precies meet.’

Het type sensoren dat gebruikt wordt heet met een lastig woord capacitief. Maar de manier waarop het gebruikt wordt staat helemaal niet zover van ons af als dat vreemde woord doet vermoeden. De werking van zo’n sensor lijkt namelijk op de aanraaktoetsen van een koffieautomaat dat je in veel kantoren vindt. ‘Die aanraaktoetsen zijn ook zogeheten capacitieve sensoren. Als je een vinger op de toets legt, dan merken kleine sensoren dit direct op waardoor het apparaat weet welke koffie je wilt. Het aanmaakscherm van jouw telefoon of tablet werkt op een vergelijkbare manier. Zo’n zelfde soort aanpak willen we ook gebruiken, maar dan in microscopische uitvoering. Een beetje vergelijkbaar met een piepklein touchscreen van een vierkante millimeter of zelfs kleiner.’

Zo’n chip bevat heel veel zeer kleine elektrodes. Wanneer je daar met een inkjetprinter iets op aanbrengt dan is zo’n druppel groter dan één zo’n elektrode. Stel je brengt verschillende druppels op een chip aan, bijvoorbeeld om luchtvochtigheid en de CO2-concentratie te meten. Hoe weet je dan of een druppel op de juiste plek is gekomen? ‘Dat laat je de chip zelf uitzoeken. Die scant de oppervlakte en gaat zo na wat er precies op is gekomen. Het ingebouwde rekenprogramma herkent welk materiaal het is. Je maakt dan slim gebruik van de intelligentie op de chip.’

Levende hartcellen

Deze nieuwe aanpak om slimme chips te maken heeft de potentie om de sensor-wereld op zijn kop te zetten, volgens Widdershoven. ‘Dat is ons einddoel. Maar dit is ingrijpend, mede omdat de waardeketen van sensorsystemen op deze manier zal veranderen. Als je geen aparte sensoren meer nodig hebt dan zet je de gevestigde sensorfabrikanten buiten spel. Dat is nogal een verandering. Zelfs het bedrijf NXP waar ik werk moet nog een beetje wennen aan dat idee.’

Daarnaast werkt Widdershoven momenteel bij de TU Delft samen met Wouter Serdijn en promovendus Rui Guan aan een chip voor onderzoek naar levende hartcellen en -weefsel. ‘Stel iemand krijgt een hartoperatie en daarvoor haal je weefsel weg. Dat is waardevol materiaal, omdat het afkomstig is van iemand met een kwaal. En dit wil je natuurlijk juist verhelpen of verslechtering voorkomen. Je kunt het nog levende weefsel op een speciale chip leggen. Een hartcel bedekt dan meerdere elektrodes aan de bovenkant van de chip. Daar breng je een spanningspuls op aan en dan meet je of de hartcellen in het weefsel signalen goed aan elkaar doorgeven en samentrekken. Dit levert waardevolle informatie op over hoe hartweefsel op microscopische niveau werkt.’ De TU Delft werkt hiervoor samen met Natasja de Groot en Yannick Taverne van het Erasmus MC.

Dat Widdershoven op zoek is naar slimme oplossingen met behulp van nieuwe technologie is geen toeval. Al van jongs af aan is hij bezig met techniek. Als jochie haalde hij al radio’s uit elkaar en bouwde daar weer andere dingen mee. ‘Ik maakte mijn eerste gitaarversterker zelf met radiobuizen. Die fascinatie is er altijd geweest. Ik wil altijd wel eerst de theorie begrijpen, dan een voorspelling maken en vervolgens pas iets bouwen om na te gaan of het werkt.’

Hij keek ook graag naar de eerste Star Trek-serie en haalde daar inspiratie uit. ‘Als je met het moederschip wilde communiceren moest je even op een kastje tikken en dan kon je met elkaar praten. Dat lijkt op de mobiele telefoon die we nu hebben. Toen was het fantasie, iets dat niet echt leek te kunnen. En zo waren er meer voorbeelden. Het inspireerde me om niet alleen toepassingen die dichtbij liggen te onderzoeken, maar ook ver de toekomst in te kijken.’

Tekst: Robert Visscher | Fotografie: Marcel Krijger