VTT tar fram nästa sensorgeneration

av Ragnhild Artimo Forum 1992-05, sida 21-22, 09.04.1992

VTT tar fra sensorprojektet.

Med VTT:s ”sputter” kan man applicera extremt tunna metallskikt på kiselsubstratskivor. Denna teknik tillämpas i det ny nästa sensorgeneration

Text: Ragnhild Artimo

VTT tänker bli först med optiska sensorer för flyg- och bilmotorer. VTT:s halvledarlaboratorium jobbar med en helt ny teknik som skall ge mera robusta och temperaturtåliga sensorer än de som finns idag — och som skall vara enklare att producera. Första fillämpningen blir i Pratt & Whitneys flygmotorer.

ad är det som är 100 Xx 100 miWöonae stort och består a metallfilm, kiseldioxid- eller kiselnitridfilm som ”pålägg” på en kiselsubstratskiva? Rätt: framtidens kraftsensor. Man ska ha god syn för att betrakta dessa optiska sensorer utan optiska hjälpmedel. Litet mer synliga blir de som färdiga chips med en ram av kisel och yttermåtten 1,5 mm X 1,5 mm. Ge den lilla sandwichen en kommunikationslänk av optisk fiber, så den kan skicka sina budskap till högkvarteret/datorn. Så mera inpackning: omslut hela härligheten i ett keramiskt eller metallhölje som ger mekaniskt skydd mot yttre åverkan — något störningsskydd behöver den optiska sensorn däremot inte i motsats till sina elektriska bröder, som blir alldeles ifrån sig av elektromagnetiska störningar. Med skyddshölje är den optiska sensorn redan uppe i modiga 5 mm

FRUN, 5/1992

Xx 5 mm — men mindre skall de bli, lovar professor Ari Lehto.

Det är han som leder projektet vid YTT:s halvledarlaboratorium där han installerade sig som forskningsprofessor i september — före det arbetade han som FoU-ledare vid Vaisala med kiselmikromekanik. Vaisala är också centralt med 1 projektet: Vaisala Technologies Inc., Oy, som grundades i september som joint venture mellan Vaisala Oy, Sitra och United Technologies Corp (som innefattar motorjätten Pratt & Whitney, som offererar sitt eget motoralternativ för jaktplanskandidaten F-16) för utveckling och tillverkning av kapacitiva sensorer för bilindustrin (se Forum nr 16/91), är beställare till detta projekt som skall säkra fortsatt spjutspetskunnande på denna krävande sektor. Det är således Vaisala Technologies Inc. som, då de optiska sensorerna är fär digutvecklade, skall tillverka och marknadsföra dem.

Projektet har också koppling till jaktplansaffärerna genom att det ingår i United Technologies” offsetprogram, och UTC räknar med att få motköps poäng för det för F-16. Unikt koncept

Optiska sensorer är inte i sig något nytt: tillämpningar har funnits några år på laboratorienivå. Men då har det varit fråga om skräddarsydda applikationer, inte serieproduktion. Inom medicinen har tekniken använts för trycksensorer.

— Våra sensoridéer avviker från allt som hittills presenterats i den vetenskapliga litteraturen, säger Ari Lehto odramatiskt. — Vi jobbar med en princip och struktur som veterligen är unika.

Så unika, att Lehto är minutiöst försiktig med att gå in på tekniska detaljer; det vore att riskera ett avgörande tekniskt försprång framom konkurrenterna.

Han går med på att avslöja, att det rör sig om additiv, inte subtraktiv mikromekanik. Då dagens sensortekni vän 2 baserar sig på subtraktiv mikromekanik, betyder det att man ”etsar” bort material i tillverkningsskedet. Additiv teknik betyder att man bygger på; nämligen i detta fall polykristallint kisel, metallfilm, kiseldioxid- eller kiselnitrid på ett underlag av kiselsubstrat — då talar man om ytmikromekanik. Sensorn förses med vissa egenskaper genom avlägsnandet av olika lager i sandwichen varvid luftskikt uppstår mellan materalskikten.

Det låter som en långsam tillverkningsteknik.

— Långsamheten är relativ, säger Lehto. — ”Odlingen” av ett skikt kan ta från någon minut till några timmar. Men man får komma ihåg att en enda skiva ger materialet för upp till tusen sensorer, materialåtgången är ju mycket liten. Hela genomloppstiden för en ”batch”, en sats, är ungefär en månad från substratskiva till färdiga sensorer.

VTT:s sensorprojekt avviker från exempelvis Vaisala Technologies" tillverkning av kapacitiva sensorer genom att man så långt det är möjligt tilllämpar standardprocesser lånade från mikroelektroniken. Detta har ett långsiktsmål: det ger möjlighet art i ett senare teknologiskt skede packa sensorer och elektronik på samma kiselbit. Då har man åstadkommit integrerade sensorer, som potentiellt kan vara av två slag: signalkonditionerande (signal conditioning) eller intelligenta. Signalkonditionerade sensorer klarar att ”putsa” också ”orena” störningspolluterade signaler så att informationen i dem kan användas — ungefär

Basstrukturen för en ytmikromekanisk sensor. Under det översta skiktet polykristallin kiselfilm har avlägsnats en del av ett oxidskikt, varvid kiselskiktet frigörs och kan röra sig vertikalt under påverkan av en yttre kraft. Filmens rörelse kan märtas elektriskt eller optiskt. Rörelsen är i allmänhet några tiondels mikrometer. Sensorerna ”byggs” på kiselskivor av samma typ som vid tillverkning av mikrokretsar, och med samma teknik.

som man putsar blad och barr från raskt repade lingon. Intelligenta sensorer klarar tvåvägstrafik av data och är alltså extremt kommunikativa. Men det är en framtidshistoria för Vaisala Technologies.

Steg för steg och steget ut

Det nu aktuella utvecklingsprojektet har en tidtabell på tre år.

— Programmet för det första året går ut på att ta fram en prototyp, verifiera dess funktionsduglighet och utveckla den slutliga sensorstrukturen, säger professor Lehto. — Det inkluderar delprojekt som fiberteknik, elektronik, erforderliga algoritmer, kalibreringsprocedurer och fältprov. Vid halvledarlaboratoriet är flera forskare och en hel del laboratoriepersonal engagerade i detta utvecklingsarbete, men räknat i ”heldagsjobb” handlar det om kanske tre personer.

Vid VTT har man arbetat med ytmikromekanisk forskning i nära två år. Det nya sensorprojektet sitter bra i den kunskapsram man redan fått fram.

— Den teknik vi här opererar med har vi själva tagit fram, och den tar bland annat sikte på att göra tillverkningen lätt.

Mindre och starkare, är en målsättning i arbetet på de nya optiska sensorerna. Att det mycket lilla måste bli ännu mindre kan te sig omotiverat, men flera sensorer i t.ex. motorer ger motorerna större tillförlitlighet och mer intelligens, och här är kravet på utrymmessnålhet naturligt. De nya sensorerna blir enligt Lehto också mer robusta än dagens motsvarande — mindre känshga för yttre åverkan.

— Kisel har redan i sig ypperliga mekaniska egenskaper genom att det bevarar sin spänst och sina egenskaper också under yttre åverkan såvitt materialet inte bryts.

Ett extra plus räknar man med att större temperaturtålighet skall ge: de sensorer som finns på marknaden idag tål upp till 125”C. den nya generatio kraft pelykrist. LL isel Tam oxid NN N 1 um nonokrist. 200 um 400 u 22

Den optiska sensorteknik VTT utvecklar kan få sin första tillämpning i Pratt & Whitneys flygmotorer. SteBet efter kommer sedan bilindustrin.

fn nen kommer att klara ”betydligt mera”, halvinformerar professor Lehto.

Yeknologiöverföring

Samarbetet mellan United Technologles Corp. och Vaisala är — det påpekar man gärna — äldre än jaktplansoffertrundan. Inte heller det nya sensorprojektet med VTT som aktiv forskningscell är primärt kopplat till ansträngningarna att marknadsföra Pratt & Whitneys motor: Lehto konstaterar att sensorutvecklingsarbetet minsann kör på av egen kraft och med egna mål. Men det är ju naturligt för UTC att gärna slå två flugor i en smäll.

UTC:s roll i sensorprojektet är dels som finansiär, dels som kunskapspartner. United Technologies Research Center har redan i åratal arbetat med att utveckla sensorteknik, och denna kunskap poolas nu med Vaisalas på samma område. I denna teknologiöverföring ingår bland annat en snabbmetod att ”odla” polykristallint kisel (Fast Rate Polysilicon Process) som UTRC har patent på.

— Totalt blir det fråga om en försvarlig del process- och tillämpningsknow-how vi får därifrån, plus tillgång till deras datorsimulator, vilket kommer att spara en massa testtid, säger Ari Lehto.

Kunskapstrafiken kommer att betyda att han och andra forskare engagerade i arbetet på VTT kormmer att arbeta en del av projekttiden vid UTRC:s enhet i Hartford, Connecticut, och vice versa kommer forskare därifrån att delta i arbetet här.

Första tillämpningen av den nya sensortekniken kan bli i Pratt & Whitneys flygmotorer. Inom bilindustrin kommer genombrottet något senare. Man räknar med att de optiska sensorerna tas i bruk i biltillverkningen i slutet av decenniet. Men det är inte bara automotiva tillämpningar den nya tekniken lämpar sig för, säger Lehto.

— Genom att sensorerna inte är elektriska har de många viktiga tillämpningar i processindustrin och energiproduktionen. Genom att det är fråga om kraftsensorer har tekniken ett brett tillämpningsspektrum i mätning av tryck, acceleration, temperatur och vibration. LJ

FORU 5/1992