Elektronische thermometer krijgt upgrade

Reading time: 7 minutes

Author:

De firma Smartec uit Breda heeft meer dan tien miljoen exemplaren van de SMT 160-30 verkocht in vijfentwintig landen. De digitale temperatuursensor is daarmee waarschijnlijk het meest succesvolle Nederlandse sensorsysteem ooit. Maar de concurrentie ligt op de loer. Directeur Rolf de Boer vond het daarom tijd om de overstap van 1,2-micrometertechnologie naar 0,35-micrometerchips te maken. Hij stationeerde daarom onderzoekster Guijie Wang in het laboratorium bij Gerard Meijer van de TU Delft, die twintig jaar geleden aan de wieg van de smartsensor stond.

Directeur Rolf de Boer van Smartec en de Delftse hoogleraar Gerard Meijer hebben aan hun samenwerking een vriendschap overgehouden. In 1984 ontmoetten de ondernemer en de hoogleraar elkaar bij instrumentenmaker Kipp & Zonen. De Boer leidde daar de onderzoeksafdeling, terwijl Meijer was gedetacheerd bij Enraf Nonius, het toenmalige moederbedrijf van Kipp & Zonen, later opgenomen in Delft Instruments. Meijer werkte daarnaast ook bij de TU Delft, waar hij intussen hoogleraar is. In het begin van de jaren tachtig was hij net klaar met zijn promotieonderzoek. De jonge academicus zag wel commerciële mogelijkheden in de eerste smartsensor voor een van de meest gemeten grootheden: temperatuur.

Meijer: ’Het onderzoek was net afgerond. Ik heb lopen leuren met het concept. Grote spelers als National Semiconductor en Philips waren niet geïnteresseerd. Ze zaten niet in die markt.‘ De Boer zag er echter wel wat in. Hij had investeerders achter de hand en zocht naar goede ideeën. Niet lang daarna was Smartec een feit.

In die tijd werd temperatuur gemeten met platinaweerstanden en thermokoppels. Analoog dus. De Boer: ’Dat is in feite veel complexer dan digitaal. Het uitgangssignaal van de sensor moet versterkt en geconverteerd worden voordat het op een intelligente manier kan worden verwerkt.‘ Meijer stapte in dat gat en ontwikkelde een temperatuursensor met een digitale uitgang.

Het hart van de SMT 160-30-sensorchip is een stel gevoelige bipolaire transistoren. De stroomsterkte die daar doorheen loopt is temperatuurafhankelijk. Het signaal gaat vervolgens naar een relaxatieoscillator, een condensator die wordt opgeladen tot een drempelspanning, waarna een schakelelement hem ontlaadt en de cyclus opnieuw begint. Dit levert een digitaal blokvormig signaal op, duty-cycle gemoduleerd in jargon. Een microcontroller kan daar zonder verdere conversie mee overweg.

De digitale thermometer hoefde zeker niet aan prestaties in te boeten. In zijn huidige, in essentie nooit veranderde, uitvoering is de nauwkeurigheid van de SMT 160-30-sensor in TO18-verpakking 0,7 graden Celsius in het bereik van -30 tot 100 graden Celsius. Tussen -45 en 130 graden Celsius is dat 1,2 graden Celsius. De resolutie ligt in de orde van milligraden. ’Het zijn de nauwkeurigste ter wereld‘, zegt De Boer. Meijer vult aan: ’Tegen een lage prijs. Het zijn misschien niet de goedkoopste sensoren, maar de nauwkeurigheid geeft ze wel een uniek selling point.‘

Het was evengoed niet makkelijk om de sensoren aan de man te brengen. De Boer: ’In de periode 1991 tot 1993 zijn we de markt gaan ontwikkelen. We kregen een heleboel tegenstand te overwinnen. Fabrikanten durven het niet aan om met een klein bedrijfje in zee te gaan. Ze willen continuïteit. Onze eerste klanten waren daarom mensen die met hun ontwerp in de knoop zaten. Ze konden hun temperatuursensoren niet kwijt omdat die te veel ruimte innamen. Of ze wilden een hogere nauwkeurigheid omdat ze niet konden kalibreren. Met dat soort mensen hebben we onze reputatie opgebouwd. Nu hebben we ook grote klanten zoals Agilent. We hebben meer dan tien miljoen exemplaren verkocht in vijfentwintig landen.‘

Eenrichtingsverkeer

Tot verrassing van zowel De Boer als Meijer duurde het wel tien jaar voordat er concurrenten van enige betekenis opstonden. ’Dat zou hooguit vier jaar duren‘, dachten ze. En dat terwijl Meijer gewoon over de sensor publiceerde in wetenschappelijke tijdschriften. Het bleek echter dat de kennis en ervaring die nodig zijn om de smartsensor te kopiëren, schaars zijn in de wereld. De Boer: ’Juist vanwege de precisie is het moeilijk na te bootsen. Bij het ontwerp zijn alle aspecten nauwkeurig op elkaar afgestemd. Iedere kleine verandering verstoort de werking.‘

Meijer denkt dat publicatie juist helpt voor de acceptatie van de sensor. ’Ze zien dat het geen toeval is hoe het product is ontstaan, maar dat er een complex ontwerpproces aan vooraf is gegaan en dat de kennis erachter in orde is.‘ Het is een onverwachte bonus van de samenwerking tussen bedrijfsleven en wetenschap, waar De Boer en Meijer heilig in geloven. Meijer: ’De mensen in het veld kunnen veel meer doen dan wij in het laboratorium. De kennis is heel nuttig voor ons. Het is echt niet zo dat de relatie tussen bedrijven en universiteiten eenrichtingsverkeer is. Gelukkig dringt dit soort gedachtes ook zo langzamerhand door tot Den Haag.‘

Het Bredase Smartec verkocht meer dan tien miljoen exemplaren van zijn temperatuursensor SMT 160-30.

Nu er dan toch concurrentie is opgestaan, vindt De Boer dat de tijd is aangebroken om zijn positie te verstevigen als leverancier van de meest nauwkeurige slimme thermometer. ’Onze smartsensors zijn al tien jaar onveranderd op de markt. Dat moet natuurlijk. Ze hebben hun plaats gekregen in productieprocessen. Fabrikanten willen niet een nieuwe na twee jaar. De kwaliteit en specificaties moeten stabiel zijn. Dus daar zijn we juist heel zuinig op.‘

Daarom is backwards compatible het uitgangspunt voor de opvolger van de SMT 160-30. De Boer betaalt onderzoekster Guijie Wang om die in het laboratorium van Meijer te ontwikkelen. Zij is sinds februari van dit jaar bezig om de functies van de SMT 160-30 in een nieuwe technologie te realiseren. Door de schaling van 1,2-micrometer- naar 0,35-micrometertechnologie wordt de sensor kleiner en goedkoper. Hij moet minstens even nauwkeurig worden, maar indien mogelijk natuurlijk nog nauwkeuriger.

Kers op de taart

Het lijkt misschien een eenvoudig klusje, een chipje verkleinen, maar dat is het niet. De precisie-instrumenten hebben hun nukken. ’We lopen tegen allerlei problemen aan. In de oude 1,2-micrometertechnologie is de stroom-spanningskarakteristiek van een bipolaire transistor heel voorspelbaar, maar bij de nieuwe 0,35-micrometertechnologie stuiten we op onverwachte effecten en gedrag. We hebben te maken met zwerfstromen. De techniek werkt wel, maar niet binnen de marges die we nodig hebben om de nauwkeurigheid te halen die we willen‘, vertelt Wang die bij Meijer is gepromoveerd op slimme temperatuursensoren.

Het probleem is dat chipmakers niet geïnteresseerd zijn in een hoge precisie van de stroom-spanningsrelatie en ze er hun productieproces niet op willen afstemmen. Ze maken de chips niet voor smartsensors, maar voor bijvoorbeeld hoogfrequente toepassingen. Wang: ’Daar gelden de oude adagiums: hogere snelheid, kleinere structuren, lage kostprijs. Maar wij werken met zulke lage frequenties dat het bijna gelijkstroom betreft. Die hoogfrequente eigenschappen gebruiken we helemaal niet.‘

Zo verzeilde Meijer in een grappige situatie. Hij stond ooit aan de wieg van de digitale sensoren voor temperatuurmetingen en is nu weer aan het pionieren geslagen met eenzelfde product. ’Niemand gebruikt de chiptechnologie op de manier zoals wij dat doen, dus moeten we veel zelf uitzoeken. Niemand weet hoe nauwkeurig de sensorchip zal worden‘, zegt hij. De Boer illustreert het verschil tussen zijn sensoren en de oorspronkelijke toepassingen voor de chips. ’Radio- en HF-chips tune je even opnieuw als de frequentie niet goed is. Maar wij ijken de chip één keer. Die ingestelde schaling moet een leven lang meegaan en niet verlopen.‘

Juist omdat de flinterdunne plakjes silicium eigenlijk een ander doel dienen, was het zaak om een chipmaker te vinden die zich een beetje behulpzaam kan opstellen. Het spoor liep dood in China, maar gelukkig zijn er ook nog foundry‘s in Europa. De Boer en Wang kwamen uit bij Austriamicrosystems. Wang: ’We werken prettig met hen samen. We wisselen gegevens uit en ze helpen waar ze kunnen. Ze hebben ook voordeel bij onze samenwerking omdat wij siliciumstructuren ontwikkelen die zij weer in hun proces kunnen gebruiken.‘

Wang kan nog niet zeggen waar het onderzoek heengaat. ’In principe zijn er twee opties. We kunnen nieuwe modellen maken en daar een design op baseren. Normaalgesproken kan een nieuw IC-design in drie tot vier maanden tot stand komen. Dat halen we door ons unieke werkgebied niet. De andere mogelijkheid is om te compenseren voor de niet-ideale effecten die we tegenkomen. Natuurlijk proberen we ze gewoon allebei‘, lacht Wang. Meijer vult haar aan: ’Wetenschap zoekt de limieten op, maar wel stapje voor stapje. We doen het op zo‘n manier dat we nieuwe kennis genereren die later weer van pas komt.‘

De Boer is ervan overtuigd dat aan het commerciële én wetenschappelijke succesverhaal van de temperatuursensoren uit Delft nog geen einde is gekomen. ’Een ondernemer is altijd positief. Natuurlijk gaan we een betere versie op de markt brengen dankzij het werk van Wang. Het is toch prachtig, dat zo‘n ’simpel‘ product zo lang aan de top blijft staan.‘ Zijn vriend Meijer is het roerend met hem eens. ’Een commercieel product is de kers op de taart.‘