Je leest:

Klein en fijn: transistor als thermometer

Klein en fijn: transistor als thermometer

Auteur: | 15 januari 2007

Hoe maak je met onderdelen die wel 20 procent afwijken van hun opgegeven waarden een supernauwkeurig meetinstrument? Elektrotechnisch ingenieur Michiel Pertijs van de Technische Universiteit Delft lukte het: hij ontwierp een thermometer op een computerchip die tot op een tiende graad nauwkeurig meet.

“Het idee was dat we een thermometer zouden maken voor standaard-chips van het CMOS-type, die ook in PC’s, mobiele telefoons en dergelijke zitten”, vertelt Pertijs. Het meten van temperaturen, van belang om bijvoorbeeld oververhitting in laptops te voorkomen, wordt vaak gedaan met speciale temperatuursensoren, zoals temperatuurafhankelijke weerstanden. Maar dat kost veel ruimte, en is ontwerptechnisch en dus financieel onhandig, zeker als je de temperatuur op meerdere plekken wilt meten.

Wisseltruc

De transistoren die soms met miljoenen samengepropt zitten op zulke chips zijn zelf ook gevoelig voor temperatuurverschillen. Bepaalde elektrische spanningen in transistorschakelingen hangen sterk af van de temperatuur, zodat het ook mogelijk is om gewoon een stukje van de chip te reserveren voor temperatuurmetingen.

“De uitdaging was om dat heel precies te doen”, zegt Pertijs. De transistoren op de chips zijn heel klein en niet helemaal identiek. Twee verschillende exemplaren, nominaal hetzelfde, kunnen wel 20 procent afwijken in bepaalde meetwaarden. Niet echt handig als je een precisie-instrument wilt maken, maar het kán wel.

“Mijn werk was vooral het speuren naar technieken om voor die variatie te compenseren”, zegt Pertijs. Eén truc was bijvoorbeeld om twee transistoren, met verschillende temperatuurafhankelijkheden, continu effectief van plaats te laten wisselen in de schakeling, zodat het koppel zich als een soort ‘gemiddelde transistor’ gedraagt “Dan heft de fout van de ene transistor die van de andere op”, legt Pertijs uit, “dat soort trucs heb ik op heel veel plekken toegepast.”

Het promotieonderzoek van Michiel Pertijs is gefinancierd binnen het Open Technologieprogramma van STW. Foto: Ivar Pel

Versnelling

Een tweede zorg, naast het opvoeren van de precisie, was het uitlezen van de thermometer. Bij een kwikthermometer is het temperatuurafhankelijke signaal de kwikkolom. Maar je hebt voor een temperatuurmeting ook een schaalverdeling nodig, een stukje elektronica dat het analoge signaal omzet in een voor een computer begrijpbare temperatuurwaarde."

Tijdens de productie moet die omzetter geijkt worden, zegt Pertijs, “maar een ijking kost al snel minuten, om te zorgen dat de chip precies de goede temperatuur heeft. Dat is eigenlijk te duur tijdens de chipproductie. Het is dus heel belangrijk om van zo veel mogelijk afregelstappen af te komen.”

Pertijs slaagde erin het aantal afregelstappen terug te brengen tot één. “Bovendien is dat een elektrische meting die niet temperatuurafhankelijk is. Daardoor kan het in één seconde in plaats van minuten”, zegt Pertijs.

Foto: Ivar Pel

Productie

Ongebruikelijk aan zijn onderzoek is dat zijn ideeën nu al industrieel toegepast zijn. “Ik heb met Philips samengewerkt, en zij hebben mijn technieken inmiddels al toegepast in meerdere temperatuursensoren.” Bevredigend, maar ook instructief, vindt de elektrotechnicus. “Ik heb veel werk gedaan aan hun productieproces, dan zie je ook hoe het er in de industrie aan toegaat.”

Het ontwerp, waarmee Pertijs’ promotie-onderzoek eindigde, wordt door een volgende promovendus verder ontwikkeld. “Er is nog ruimte voor verbetering”, vindt Pertijs zelf. Zo is de sensor nog vrij groot, laat hij zien: in een IC-behuizing meet het chipje ongeveer twee bij twee millimeter. “Dat komt ook omdat we er veel mee wilden experimenteren, dus zitten er veel uitgangen aan”, wijst Pertijs op de tientallen haardunne gouden draadjes die de chip verbinden met de pootjes van de behuizing.

De afmetingen zouden nog wel een factor twee à drie kleiner kunnen, vermoedt de onderzoeker. Dat daarbij ook precisie ingeleverd moet worden hóeft niet erg te zijn. Een tiende graad precisie over een temperatuurbereik van -50 tot 125 graden is heel netjes, bijvoorbeeld voor een koortsthermometer of wetenschappelijke apparatuur, maar voor het in de gaten houden van een laptop is 2 graden wel voldoende. Pertijs: “De door mij ontwikkelde technieken kun je ook gebruiken om een kleinere, minder precieze sensor te ontwerpen.”

Foto: Ivar Pel

Puzzelplezier

Het was het denkwerk dat in deze technieken ging zitten dat de promovendus het meeste aansprak. “Je bent steeds bezig met probleempjes op te lossen, puzzels, dingen waarvan je denkt: het kan nog niet, maar het zou toch moeten kunnen. Daarnaast moet je ook steeds blijven opletten of alle nieuwe technieken elkaar niet dwarszitten.” Inmiddels werkt de onderzoeker bij het Amerikaanse halfgeleiderbedrijf National Semiconductor in Delft. “Daar doe ik eigenlijk hetzelfde soort puzzelwerk.”

Echt vastgezeten heeft de promovendus niet tijdens zijn onderzoek, “Het is wel hard werken geweest, maar er waren altijd genoeg ideeën om mee verder te gaan”, zegt hij. Het vooruitzicht de resultaten te kunnen publiceren hield bovendien de druk op de ketel. “Eén van mijn papers kreeg de ‘best student paper’-prijs op de ISSCC, de topconferentie in dit gebied”, vertelt Pertijs, die met zijn STWonderzoek ook gekozen werd tot Simon Stevin Gezel.

Maar de mooiste momenten van het onderzoek, vindt hij, is als alles eindelijk werkt. “Dat je een prototype doormeet, en dat er eindelijk eens een keer niet ergens een onverwacht effect opduikt, dat het helemaal perfect heeft gewerkt.”

De artikelen in de brochure Technologisch Toptalent 2006 werden geschreven door wetenschapsjournalist Bruno van Wayenburg.

Dit artikel is een publicatie van Technologiestichting STW.
© Technologiestichting STW, alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 15 januari 2007

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.