Meer wetenschapsnieuws van de TU Delft Colofon DI-Archief
Vier transistoren maken airbags veiliger
.
DOOR PHILIP BROOS Door de invoering van de airbag begin jaren tachtig in de Verenigde Staten zijn vele levens gespaard, maar de airbag heeft inmiddels ook vele mensen verwond of van het leven beroofd. Het Noorse bedrijf SensoNor, een van Europa's grootste fabrikanten van sensoren voor airbags, heeft een nieuwe versnellingssensor gemaakt die airbags een stuk veiliger zal maken. Om de gegevens uit die sensor te verwerken, was een nieuwe benadering van elektrotechnisch ontwerpen vereist. Delftse elektronici ontwikkelden met behulp van slechts vier transistoren de benodigde
Een BMW uit de 5-serie tijdens botsproeven bij TNO in Delft voor het testen van airbags.
De plaats van de verschillende componenten van een airbagsysteem.
schakeling. De schakeling is niet alleen stabieler, maar ook kleiner en dus veel goedkoper te produceren. Voor het gebruik van het geoctrooieerde Delftse ontwerp betaalt SensoNor zo'n miljoen gulden, maar op een jaarproductie van 30 miljoen sensoren (1998) bespaart de fabrikant echter een veelvoud van dit bedrag.
Op 1 juni 1975 werd het gebruik van veiligheidsgordels in auto's in Nederland verplicht, nadat de eerste heupgordels al sinds het begin van de jaren zestig (al dan niet op verzoek) waren
gemonteerd. De statistieken laten zien dat sinds de invoering van de gordels het aantal doden en gewonden als gevolg van een onvrijwillige lancering door de voorruit duidelijk is gedaald. Bij zware aanrijdingen, wanneer de carrosserie heel erg wordt vervormd, blijken ook de driepuntsveiligheidsgordels soms niet afdoende. In de Verenigde Staten zijn automobilisten niet in alle Staten verplicht om een veiligheidsgordel te gebruiken. Mede daarom werd de airbag geïntroduceerd. De Amerikaanse airbags zijn om die reden dan ook groter dan de Europese varianten. In 1997 was 72% van de personenauto's in Europa voorzien van een airbag voor de bestuurder en 56% van de auto's had ook een airbag voor de passagier. Werd aan de veiligheidsgordel nog een behoorlijk aantal doden toegeschreven, bijvoorbeeld omdat mensen onderwater de gordel niet konden loskrijgen en
verdronken, ook de airbag heeft z'n keerzijde. In de afgelopen jaren zijn daardoor in de Verenigde Staten al vele mensen gewond geraakt en soms overleden aan de gevolgen. De oorzaak is enerzijds dat mensen in een «verkeerde» houding zitten, bijvoorbeeld scheef, of met de hand tussen de spaken van het stuur op het moment van de aanrijding (en dus wanneer de airbag opblaast). Anderzijds was soms de elektronica niet genoeg ongevoelig voor verstoringen, waardoor airbags voortijdig
konden afgaan.
Gaspatroon
Airbags zijn opgebouwd uit een versnellingssensor,
verwerkingselektronica, een luchtzak en een gaspatroon. De versnellingssensoren van de verschillende merken airbags werken volgens verschillende principes. Soms zijn het «tongetjes» die onder invloed van grotere versnelling
doorbuigen, wat te meten is met een rekgevoelige weerstand (piëzo-weerstand). Andere merken werken op basis van resonerende strookjes, waarvan de trilfrequentie wijzigt als gevolg van de versnelling. Zodra de verwerkingselektronica een versnelling in de sensor meet die boven de drempelwaarde ligt, krijgt de gaspatroon de opdracht de airbag vol te blazen. De belangrijkste oorzaak van het voortijdig afgaan van airbags zijn storingen die buiten de sensor om het besturingssysteem van de airbag binnenkomen, zoals de elektromagnetische verstoring door een gsm-telefoon in de buurt of door het starten van de
Opengewerkt stuur met opgevouwen airbag uit een Ford.
Besturingselektronica van een Autoliv-airbag met het oude type SA20 versnellingssensor van SensoNor.
(Foto: Autoliv, Zweden)
De SA30- versnellingssensor van SensoNor is voorzien van een schakeling van de vakgroep Elektronica van de TU DELFT. De nieuwe sensor is gevoeliger en nauwkeuriger dan zijn voorganger. De verwerkingselektronica kan daardoor beter bepalen of de airbag moet worden geactiveerd.
motor. Een andere oorzaak is dat de verwerkingselektronica bij een aanrijding onvoldoende onderscheid kan maken tussen een dun boompje en een muurtje. Er zijn gevallen bekend waarbij een klap met een honkbalknuppel op de motorkap van een auto voldoende waren om de airbag te laten afgaan.
Druksensoren
In Europa rijden er momenteel zo'n 35 miljoen auto's met een versnellingssensor van SensoNor. De fabriek, opgericht in 1985, legt zich behalve op versnellingssensoren ook toe op de productie van bandenspanningssensoren en op druksensoren voor onder meer medische en luchtvaarttoepassingen. De elektronica voor het uitlezen van hun versnellingssensoren werd ontworpen bij het eveneens Noorse bedrijf Nordic VLSI en gefabriceerd door het Franse bedrijf Thomson in Grenoble.
‘Rond 1991 is Geir Ostrom, een student van de Universiteit van Trondheim, hier op een uitwisseling geweest en daardoor kende hij onze werkwijze’, vertelt dr.ir. Chris Verhoeven, universitair hoofddocent bij de vakgroep Elektronica van de TU DELFT. ‘Later ging Ostrom bij Nordic VLSI werken, dat door SensoNor was ingehuurd voor het ontwerpen van de verwerkingselektronica voor hun nieuwste versnelllingssensor, de sa30. Eind 1995 kregen we een e-mailtje van Ostrom. Toen het prototype van de sa30 werd getest, bleek dat ze de specificaties voor de signaal/ ruisverhouding niet konden halen. Een goede signaal/
ruisverhouding is erg belangrijk, omdat er dan meer gegevens over de soort botsing uit het signaal kunnen worden gehaald. Ze begrepen in ieder geval niet goed waarom ze de specificaties niet haalden, ze zaten vast met het ontwerp.'
Dogmatische groep
In maart 1996 volgde een bezoek van de projectleider van Nordic VLSI en iemand van SensoNor aan Delft. Daar deden ze hun probleem uitvoerig uit de doeken. Ze constateerden zelf dat ze misschien wat te snel waren overgegaan op de fabricage, zonder een grondig onderzoek vooraf. Ze vroegen de Delftenaren of ze hun ontwerp wilden doorrekenen en wilden aangeven waar het moest worden verbeterd. Het werd een officieel
samenwerkingsproject waarvoor SensoNor betaalde.
Verhoeven: ‘We zijn hier een dogmatische groep. We hangen de filosofie aan van Einstein, die stelt dat wanneer iets
gecompliceerd is, het vast niet goed werkt. Dus toen we het prototype onder ogen kregen en nog voor er maar één berekening was gedaan, bedachten we al dat het circuit veel eenvoudiger zou moeten kunnen.’
De Delftenaren waren nog maar net bezig met inventariseren, toen vrijwel de hele wetenschappelijke staf van de vakgroep begin april 1996 de conferentie van de AACD (Advances in Analogue Circuit Design) in Lausanne bezocht.
In een verloren uurtje van het congres, pauzerend op een bankje aan het Meer van Genève, maakten de universitair docenten Arie Van Staveren, Chris Verhoeven en AIO Jan Westra de eerste schets van de uiteindelijk geoctrooieerde vinding. Terug in Delft werd hen al snel duidelijk wat er aan het prototype van de sa30 schortte.
Stookweerstanden
De SensoNor versnellingssensor bestaat uit een raampje van silicium waarin diagonaal een strookje silicium van nog geen millimeter lengte is aangebracht. Op het ene aanhechtpunt zijn enkele zogenaamde stook-weerstanden aangebracht, waarop een stroompje van ongeveer een milli-ampère wordt gezet. Dat veroorzaakt warmte en dus uitzetting van het strookje en als gevolg daarvan ontstaan er trillingen van 700, 520 en 800 kHz, die met een brugschakeling op het andere aanhechtpunt worden gemeten. Wanneer de amplitude (uitslag) van de trilling te laag dreigt te worden, krijgt de stookweerstand een grotere spanning
Artists impression van opengewerkte SA30- chip. Rechts is de resonator te zien, links de
verwerkingselektronica.
Tekening van de opbouw van het hart van de sensor: de resonator. De laatste wordt met behulp van stookweerstanden in trilling gebracht en gehouden en met meetweerstanden uitgelezen. De complete unit is erg klein en omdat de
stookweerstanden met nogal wat energie worden aangestuurd, veroorzaken ze overspraak naar de meetweerstanden.
toegedeeld en stijgt de uitslag weer. De trilling (frequentie) blijft ondertussen gelijk. Het is vergelijkbaar met een gong: wanneer er harder op wordt geslagen, blijft de toonhoogte gelijk, alleen het volume verandert. 700 kHz blijkt in deze configuratie de beste frequentie om een versnelling te detecteren. Met een ingebouwd filter worden de andere frequenties er uitgefilterd. Het gemeten signaal wordt continu uitgelezen, niet alleen om een aanrijding vast te stellen, maar ook om te controleren of het circuit wel actief is. Bij een botsing ontstaat er een versnelling en wordt het strookje een beetje uitgerekt. Daardoor verandert (stijgt) de frequentie van de trilling, net zoals een gitaarsnaar die strakker wordt gespannen. Met behulp van een uitgebreide digitale signaalbewerking (DSP) wordt gedetecteerd om wat voor soort botsing het gaat. Voor het detecteren van een ongeluk waarbij de airbag werkelijk moet afgaan, zijn vele ongelukken gesimuleerd en nauwkeurig geregistreerd. De airbag moet namelijk niet in werking treden wanneer er tegen een klein boompje wordt aangereden met een relatief lage snelheid.
Overspraak
‘De stookweerstanden zorgden via de ophanging echter voor overspraak op de meetweerstanden’, vertelt Van Staveren, ‘Het signaal uit de meetbrug vertoonde zoveel verstoring, dat de gewenste signalen nauwelijks uit de aangeboden data waren te halen. Er was zelfs zoveel overspraak, dat wanneer je het
strookje eruit haalde, het systeem nog steeds bleek te oscilleren.’ Verhoeven: ‘Overspraak veroorzaakt een faseverschuiving. Om daar voor te compenseren, hadden de Noren een faseverschuiver ingelast die een tegengestelde faseverschuiving gaf. Het is vrij moeilijk om een filter te maken dat exact op één bepaalde frequentie werkt. Zo'n ding is opgebouwd uit vele weerstandjes en capaciteitjes en die hebben allemaal minieme
tolorantieverschillen. Daarom kozen de Noren voor een afregelbaar type. Dat maakte het systeem weer duurder. Bovendien levert een afregelbaarfilter op zich al weer extra ruis op.’
Van Staveren: ‘AIO Michiel Kouwenhoven heeft het ontwerp van het prototype helemaal doorgerekend. Het ontwerp van de sa30 was wat ons betreft ook niet vatbaar voor verbetering. De Noren deelden die mening.’
Het gevolg was dat het Nordic VLSI-ontwerp in de ijskast werd gezet. Samen met een tussenrapportage hadden de Delftenaren ook hun «Meer-van-Genève-ontwerp» meegestuurd, want ze wilden niet alleen een rekenkamer zijn.
Deurschel
Verhoeven denkt al bijna vijftien jaar na over oscillatoren. ‘Oscillatoren zijn elektronische schakelingen die zelfstandig trillingen kunnen opwekken, zoals bijvoorbeeld een deurschel. Die bestaat uit een elektromagneetje, een armpje met een onderbrekertje en een bel. De elektromagneet trekt het armpje tegen de bel, tegelijkertijd wordt de stroom naar het
elektromagneetje verbroken en schiet het armpje weer terug. De stroom naar het elektromagneetje kan weer gaan lopen etc. Een dergelijke oscillator heeft een vaste frequentie. Het rondzingen van een geluidsinstallatie is een ander voorbeeld van een oscillator. Tijdens mijn promotie-onderzoek, van 1985 tot 1990, hield ik me bezig met relaxatie-oscillatoren. Dat soort oscillatoren is vergelijkbaar met hartspiercellen, die kloppen of oscilleren ook vanzelf’, legt de universitair hoofddocent uit. ‘Een belangrijk aspect van relaxatie-oscillatoren is dat ze geen
voorkeursfrequentie hebben. Het leuke van relaxatie-oscillatoren is dat ze goed werken in een groep, zoals in het hart gebeurt. Wanneer een hartspiercel uitvalt, nemen ander cellen het werk over en draait het systeem door. De biologische klok van de mens is ook een relaxatie-oscillator die kleine verstoringen goed kan opvangen. Alleen als er erg grote verstoringen optreden,
De resonator heeft meerdere resonantiepieken. Door de directe overspraak worden de
resonatiepieken bijna gemaskeerd. De omcirkelde bevat de gewenste informatie en moet daarom uit de rest van de informatie worden gefilterd.
Oude versie van de aandrijfelektronica (sensor control centre). Om de resonator uit de
versnellingssensor goed te kunnen aansturen, werd door SensoNor een banddoorlaatfilter toegepast, evenals een faseverdraaier, een automatische versterkerregeling en een vermogensversteker. Zowel de filter als de fasedraaier waren regelbaar en leverden daardoor extra ruis op.
Een eenvoudig voorbeeld van een oscillator met een resonator. Het klepeltje gemonteerd op een stukje veerstaal, vormt een mechanische resonator. Aangestoten zal het gaan trillen op een specifieke frequentie. De energie om in trilling te blijven wordt geleverd door een magneetspoel die telkens op het juiste moment aan de klepel trekt. Een elektrisch contact is daarvoor op de klepel aangebracht.
zoals west-oost-vluchten, zijn er gevolgen merkbaar in de vorm van jetlag.’
Metronoom
Kijkend naar de resonator van SensoNor, kwam Verhoeven op het idee om er een relaxatie-oscillator aan te koppelen, omdat die zich makkelijk laat beïnvloeden.
‘Wanneer ik in een collegezaal vol studenten met pendels zou vragen om die gelijk uit te laten slaan, zou dat vreselijk moeilijk gaan. Zou ik daarentegen aan hen vragen om een zandloper om te draaien, dan kunnen ze daar stante pede gevolg aan geven, zonder dat de zandloper daarvoor leeg hoeft te zijn. Op dezelfde wijze kan de 700 kHz impuls uit de resonator de
relaxatie-oscillator aansturen. Dat betekent dat de resonator als frequentie-bepalend-element dominant blijft. Dat wil je ook, omdat daar alle botsinginformatie inzit. Maar, ik had me wel bedacht dat je dan een relaxatie-oscillator moet gebruiken die alleen gevoelig is rond die 700 kHz, zodat ongewenste frequenties in de resonator genegeerd worden’, zegt Verhoeven. ‘Vergelijk het maar met een metronoom’, zegt Verhoeven. ‘Wanneer je een metronoom die langzaam slaat voor een strijkorkest zet, lijken de strijkstokken te kort. Maar wanneer die te snel slaat, kunnen de strijkers het niet meer volgen. Het gebied waarbinnen de strijkers de metronoom kunnen volgen is beperkt.’
Toen Verhoeven, Van Staveren en Westra terug waren in Nederland, hebben ze direct een proefmodelletje in elkaar gesoldeerd.
‘Het was ongelofelijk eenvoudig’, stelt Verhoeven. ‘De relaxatie-oscillator bestaat uit twee transistoren, een condensatortje en vier weerstanden waarvan er twee als voedingsbron. Als je daar een resonator aan wil hangen, dan is de plek zo gevonden. Daarom was het ook zo snel gebouwd. We hebben er een kristal aangehangen en het werkte perfect, zelfs tot aan de zeventiende boventoon. Dat mag heel bijzonder heten voor een eerste proefje!’
Daarmee hadden de Delftenaren het bewijs geleverd dat het principe werkt en dat het ook voor de SensoNor sensor zou werken.
Octrooi
De Noren lieten weten dat ze het ontwerp hadden ontvangen, maar dat ze er geen belangstelling voor hadden, omdat ze het te geavanceerd vonden. Van de Delftenaren hadden ze te horen gekregen dat ze het ontwerp mochten octrooieren. Deze hoorden echter bijna een jaar lang niets van de Noren over hun
schakeling. Daarop besloten Verhoeven en Van Staveren zelf maar om een octrooi aan te vragen. In 1998 werden ze plotseling verrast door een brochure van SensoNor. Daarin stond het ontwerp van de nieuwe sensorchip sa30, compleet met de Delftse schakeling.
Van Staveren: ‘Achteraf bleek dat SensoNor eind 1996 begin 1997 het ontwerp van hun nieuwe sensorchip bij de chipfabriek van Thomson in Grenoble voor productie had aangeboden. In de chip was de Delftse schakeling opgenomen. De chip bleek te werken. Maar de mensen bij SensoNor vonden onze oplossing te onorthodox en dus waren ze bang om de nieuwe elektronica toe te passen.
Ze gingen een tijdje door met de oude elektronica. Begin 1998 zijn ze bij ons terug gekomen en begin dit jaar opnieuw om nog meer informatie over onze schakeling te krijgen, want ze wilden meer zekerheid over de deugdelijkheid van ons ontwerp. De folder, waarin onze elektronica werd genoemd, gaf al aan dat ze onze schakeling wel heel hard nodig hadden. Dat werd nog extra bevestigd toen ze vroegen of ze ons ontwerp alsnog mochten patenteren. We vertelden ze dat we inmiddels zelf bezig waren met een octrooiaanvraag en verwezen hen voor de commerciële aspecten naar het Liaison Office van de TU DELFT.’
Het samenspel van de relaxatie-oscillator en de resonator. De resonator geeft een
synchronisatiepuls aan de relaxatie-oscillator. Wanneer de synchroniepuls binnen het frequentiegebied van de oscillator valt, zal de relaxatie-oscillator een energiestoot aan de resonator geven, waardoor de resonator aan het trillen blijft. Wanneer de frequentieband van de relaxatie-oscillator juist is gekozen, zal alleen de gewenste resonantiepiek van de resonator daarbinnen vallen. Het systeem kan dan niet anders dan op de gewenste frequentie oscilleren.
Schema van de schakeling waarmee het principe van de symbiose van de relaxatie-oscillator en de resonator werd getest. Deze schakeling bleek tot aan de zeventiende overtoon te kunnen werken. Door het kristal te vervangen door de
versnellingssensor, ontstaat een hele eenvoudige schakeling die in staat is om de juiste
Reviewer
‘De patentaanvraag verliep niet erg makkelijk, want een reviewer in Amerika verwees naar circuits die er sterk op lijken’, vertelt Verhoeven, ‘maar het wezenlijke van ons ontwerp zat daar toch niet in. Het was erg moeilijk om het die man aan z'n verstand te peuteren. Het Nederlandse Patentbureau begon dan ook weer te twijfelen door die reviewer. Enfin, het heeft uiteindelijk de toekenning wel bijna een jaar vertraagd.’
Het Liaison Office van de TU DELFT schakelde het bedrijf profast in, dat zich heeft gespecialiseerd in bemiddelen bij het verkopen van octrooien. Het bedrijf deed een marktverkenning naar het belang van deze vinding voor SensoNor
en kwamen tot de conclusie dat de markt groot is. Het is een groeimarkt en profast schatte in dat de jaar de omzet van SensoNor tussen de 300 miljoen en een miljard gulden zal liggen. De sensoren met de verwerkingselektronica kosten ongeveer een tientje per stuk.
De onderhandelingen tussen profast en SensoNor gingen aanvanklijk over het percentage dat als royalty aan de vakgroep zou worden betaald, maar inmiddels ligt er een bod van een miljoen gulden als vast bedrag voor het licensiegebruik. De airbaginstallaties voorzien van de nieuwe versnellingssensor (met Delfste schakeling) komen in december 1999 op de markt. Voor nadere informatie over dit onderwerp kunt u contact opnemen met
Dr.Ir. Chris Verhoeven, tel. (015) 278 6482,
e-mail c.j.m.verhoeven@et.tudelft.nl, of met dr.ir. Arie van Staveren,
tel (015) 278 7763,
