In tegenstelling tot traditionele flowsensoren, ontworpen om slechts één parameter te meten, legt de methode van Hackett een reeks gegevens vast. Hij gebruikt daarvoor één enkele MEMS-chip (micro-elektromechanische systemen). De sensor kan helpen bij het optimaliseren van de omstandigheden in verticale boerderijen en het beheren van de luchtstroom in datacenters. Op die plekken is inzicht in de hele omgeving van cruciaal belang.
‘Met slechts één flowsensor kunnen we nu veel meer informatie vergaren’, vertelt Thomas. ‘Dat betekent dat we minder dure hardware nodig hebben en meer kunnen investeren in geavanceerde analyse. Onze sensor is niet perfect in de conventionele zin van het woord - hij is gevoeliger voor die externe factoren. In plaats van alleen stroomgegevens vast te leggen, pikt hij ook temperatuur, vochtigheid en andere omgevingsaanwijzingen op. Wij zijn dit juist als een kans, niet als een belemmering. Het stelt ons in staat om meer informatie te verkrijgen met behulp van één sensor.’
Alles op één chip
Naast het opnieuw uitvinden van detectietechnieken, probeert Thomas ook de manier waarop flowsensoren worden gemaakt te verbeteren. De meeste flowsensoren worden vervaardigd door middel van microbewerking in bulk - een uitgebreid en chemisch zwaar proces. Met een CMOS-gebaseerd ontwerp zijn echter zowel de sensor als de gegevensverwerking gemaakt op dezelfde siliciumchip.
‘Nu zit de hersenkracht op de sensor zelf’, zegt Thomas. Bij traditionele sensoren zijn twee aparte chips nodig: één voor het opvangen van het signaal en één voor het interpreteren ervan. De twee zijn verbonden met kleine draadjes, wat extra stappen en kosten aan het proces toevoegt. Maar bij CMOS zitten de sensor en de computerchip op hetzelfde stuk silicium. Dus de sensor (op de bovenste lagen van de chip) legt de gegevens vast en de computer (op de onderste lagen) interpreteert deze - allemaal op een enkele chip. ‘Op deze manier halveren we ook de productiekosten omdat we de MEMS-gieterij niet nodig hebben: alles gebeurt in dezelfde faciliteit’, aldus Thomas.
Slimme sensoren voor slimme tuinbouw
Het potentieel is groot. In kassen en verticale boerderijen is luchtstroom bijvoorbeeld essentieel voor de gezondheid van planten. Het vermindert schimmel, ziekten en andere risico's veroorzaakt door stilstaande, vochtige lucht. ‘Onze sensoren kunnen luchtbewegingen van slechts 0 tot 1 meter per seconde detecteren. Door deze sensoren rond planten te plaatsen, kunnen boeren de luchtstroom met verbazingwekkende nauwkeurigheid volgen.’ Ze kunnen ook de temperatuur en vochtigheid volgen om optimale groeiomstandigheden te creëren die bevorderlijk zijn voor hogere gewasopbrengsten.
Koeling van het datacenter
Datacenters, met lange rijen servers die 24/7 draaien, kunnen ook profiteren van deze sensoren. Om oververhitting te voorkomen, maken datacenters gebruik van luchtkoeling of vloeistofkoeling, waarbij luchtkoeling de meest gebruikelijke en goedkopere optie is. Luchtkoeling is afhankelijk van ventilatoren die koele lucht over de servers blazen. Maar in deze grote ruimtes is de luchtstroom niet altijd even soepel. Sommige gebieden krijgen niet genoeg luchtbeweging, waardoor zogenaamde dode zones ontstaan. Stilstaande lucht kan daar warmteophoping veroorzaken. Dit kan de servers vertragen, hardwareschade veroorzaken en in extreme gevallen zelfs brand veroorzaken.
‘We werken eraan om onze sensoren de luchtstroom in realtime te laten meten. Door deze sensoren in een datacenter te plaatsen, kun je dode zones detecteren, zodat je ventilatoren of koelopstellingen kunt aanpassen om de lucht gelijkmatiger te laten circuleren’, zegt Thomas.
IEEE Sensoren Conferentie
Thomas presenteerde zijn onderzoek onlangs op de IEEE Conference in Japan. ‘Ik hoorde een topspreker zeggen dat Twente wereldleider is op het gebied van flowsensoren en MEMS-technologie. Het was surrealistisch om ons werk geciteerd te zien worden.’
Terugkijkend op zijn onderzoek voegt hij eraan toe: ‘Het is spannend om te promoveren op een universiteit die wereldtop is op dit gebied.’ Hij hoopt zijn onderzoek voort te zetten op het gebied van CMOS- en MEMS-integratie, schaalproductie en andere mogelijke toepassingen voor dit type flowsensor in verschillende industrieën.
Over Thomas
‘Ik ben een Nederlandse/Britse/Zwitserse promovendus bij de vakgroep Integrated Devices and Systems (faculteit EEMCS). Mijn huidige onderzoek is het fabriceren van thermische flowmeters in commerciële CMOS.
Ik ben cum laude afgestudeerd aan de Universiteit van St. Andrews (Schotland) in materiaalchemie en het KTH Royal Institute of Technology in Engineering Physics met een focus op nano-elektronica. Ik heb mijn scriptie gedaan over het maken van ferro-elektrische MIM-condensatoren met behulp van ALD Hafnia.
In mijn vrije tijd loop ik hard, doe ik aan yoga en speel ik saxofoon in verschillende bands. Ik beschouw mezelf als een Chinese theeliefhebber en organiseer graag theeceremonies.'
