Xensor Integration發(fā)展簡史

S. van Herwaarden/ Procedia Engineering 5 (2010) 464-467

作者：Sander van Herwaarden于2010年

摘要
近40年來，Xensor Integration一直積極為客戶開發(fā)和生產(chǎn)微型傳感器。在此期間，我們開發(fā)了用于太空、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療和實驗室設(shè)備等領(lǐng)域的產(chǎn)品。本文將簡要討論我們當(dāng)時開展的一些研發(fā)項目，然后重點介紹梅特勒-托利多公司開發(fā)的Flash DSC快速差示掃描量熱儀就是這樣一個項目的例子。這將給人一種研究和創(chuàng) 新是多么不可預(yù)測的印象。太空、醫(yī)療和實驗室應(yīng)用項目各有其特點。

1.導(dǎo)言
Xensor Integration公司由4人于36年前創(chuàng)立，其中兩人在后臺，另外兩人更活躍：Michael Vellekoop和Sander van Herwaarden。我們大學(xué)一畢業(yè)就從零開始，只有自己的錢，沒有經(jīng)驗。正如我們也被告知的那樣，做生意肯定不是一個理想的開始。我們犯了許多初學(xué)者的錯誤，但我們幸存了下來，現(xiàn)在的業(yè)務(wù)比以往任何時候都要好。在本次闡述內(nèi)容中，我們將描述我們的表現(xiàn)，分享我們學(xué)到的一些經(jīng)驗教訓(xùn)，并更詳細地介紹我們在過去8年中與其他三家公司共同開發(fā)的快速差示掃描量熱計（DSC）的開發(fā)情況。

2.我們的一些研究項目
在過去的22年里（文章發(fā)表于2010年），我們?yōu)榭蛻糸_發(fā)了各種應(yīng)用領(lǐng)域的項目。這些都有自己的特點。這些申請大多是出于專業(yè)目的。我們首先為荷蘭Chrompack公司的便攜式微型氣相色譜儀（GC）開發(fā)了一種微型注射器，該注射器基于該設(shè)備起初由斯坦福大學(xué)的Steve Terry開發(fā)[1]。Terry于1979年首 次發(fā)布該氣相色譜儀，設(shè)備于20世紀90年代中期開始生產(chǎn)。從那時起，我們已經(jīng)對注射器進行了改進，在成立30多年后，但基本原理和技術(shù)仍然存在。1999年左右Chrompack被瓦里安收購，2010年，瓦里安被安捷倫收購。微型氣相色譜業(yè)務(wù)這對我們和三家客戶公司都有好處。
20世紀90年代初，家用燃氣表傳感器的開發(fā)不太成功。盡管我們的客戶是一個非常大的參與者，制造機械波紋管流量計已經(jīng)有一百年了，時間是太早了。順便說一句，現(xiàn)在仍然如此。結(jié)果可知，在未能向客戶交付之后，整個開發(fā)團隊被解雇了！
對于Sodern-EADS，我們開發(fā)了一種用于地球傳感器的FPA紅外傳感器陣列，這些設(shè)備安裝在衛(wèi)星上監(jiān)測衛(wèi)星相對于地球的姿態(tài)，使衛(wèi)星對準所需的部分地球。這樣的航天項目具有開發(fā)成本高、產(chǎn)量小等特點。不幸的是，引線鍵合問題阻礙了技術(shù)上的成功，因為太空中的失敗，必須不惜一切代價排除這種可能性。不過，對于Xensor Integration公司來說，開發(fā)項目是一次非常好的經(jīng)歷。 更糟糕的是用于農(nóng)業(yè)應(yīng)用的流量傳感器的開發(fā)。在這里，客戶在項目中非常不合作，嚴重阻礙了項目的順利發(fā)展。這，連同他們的不斷變化的目標價格（在項目期間減半）導(dǎo)致了可預(yù)測的失敗。
我們的一個重要客戶是來自德國的德爾格醫(yī)療公司，我們?yōu)槠渖a(chǎn)用于氧氣傳感器的熱導(dǎo)率計。在這里，合作異常良好和開放，問題不是用來指責(zé)的，而是用來共同學(xué)習(xí)如何提高質(zhì)量。此外，產(chǎn)品上市時間和設(shè)備性能都非常好，我們客戶的商業(yè)成功也是如此。這種合作帶來了非常創(chuàng) 新的產(chǎn)品，這對德爾格醫(yī)療的競爭來說是不幸的，但對我們來說是件好事。
這些是為客戶付費研發(fā)的一些例子。我們還自費進行研發(fā)，單獨或與其他公司合作。一個非常成功的例子，量熱計芯片，我將在下面給出。另一種是用于電子羅盤應(yīng)用的超低偏移霍爾傳感器，這可能是目前市場上很好的。
在Xensor Integration公司成立之初，我們在熱情中犯了提供許多不同類型設(shè)備的錯誤，然后問題是你對很多事情知之甚少，也沒有能力為所有這些設(shè)備提供良好的深入研發(fā)支持。因此，隨著時間的推移，范圍已經(jīng)縮小到我們現(xiàn)在考慮的核心業(yè)務(wù)的幾種傳感器，如熱導(dǎo)率傳感器TCG、量熱計芯片和霍爾傳感器，在這些領(lǐng)域我們真正了解了很多設(shè)備。

3.經(jīng)驗教訓(xùn)
那么，在過去的22年里，我們通過反復(fù)試驗吸取了哪些教訓(xùn)呢。一個明顯的問題是，我們需要找到我們的利基市場（或大市場，如果你有很多商業(yè)力量支持你），在那里我們可以與競爭對手相比有所作為。是什么讓我們與眾不同，讓客戶想和我們做生意，而不是我們的競爭對手。這也意味著，即使你迫切需要客戶，你也無法做到一切。你只能在這么多領(lǐng)域成為專家（通常是一個或至多兩個）。 耐心也是一項重要資產(chǎn)，因為從研究突破到市場成功可能需要20年的時間。1987年，我獲得了真空計傳感器（與熱導(dǎo)率傳感器TCG相當(dāng)）的博士學(xué)位，2004年，我們開始使用這種設(shè)備為德爾格醫(yī)療公司生產(chǎn)設(shè)備。對于下面的例子，量熱計傳感器芯片，我們在1989年制造了第 一臺研發(fā)設(shè)備，現(xiàn)在，在2010年，基于這種量熱計芯片的商業(yè)實驗室儀器投放市場。
仔細挑選你的客戶，就像客戶挑選你一樣仔細（希望如此）。與客戶的糟糕合作會導(dǎo)致糟糕的開發(fā)項目，甚至可能失敗，應(yīng)該避免。更一般地說：應(yīng)該避免壞客戶，因為他們可能會導(dǎo)致成本，而不是利潤！一個壞客戶也可以是一個非常合作的客戶，有一個很棒的想法，但對如何經(jīng)營自己的業(yè)務(wù)有一個糟糕的想法。
4.扎扎實實的二十年
1988年，Ciba-Geigy中央研究實驗室的Pierre Batailrad聯(lián)系我們，要求我們?yōu)樗谱饔糜谝后w的量熱計傳感器芯片。我們利用當(dāng)時可用的技術(shù)做到了這一點
這導(dǎo)致了許多厚度在4到40μm之間的單晶硅膜的設(shè)計，以及用于溫度測量和加熱/校準的集成硅熱電堆和電阻器。他成功地將這些量熱計設(shè)備用于使用酶測量生物溶液[3]。在那之后的幾年里，我們繼續(xù)為許多客戶制造這些和類似的設(shè)備用于研發(fā)目的。
然后在2003年，來自荷蘭的Anatech公司，量熱計儀器的開發(fā)商和制造商，與我們接洽，共同開發(fā)一種基于芯片的新型熱量計儀器。我們與同樣專注于量熱法應(yīng)用的荷蘭公司SciTe一起起步。2010年，由著 名的熱分析制造商梅特勒-托利多銷售的Flash DSC差示掃描量熱計儀器。因此，從首 次研究結(jié)果到市場上成熟的儀器，可能需要長達20年的時間。
2003年，Anatech、SciTe和Xensor Integration公司開始開發(fā)基于芯片的快速掃描量熱計（FSC）。量熱計傳感器芯片初始主要技術(shù)規(guī)格：
掃描速率：1-1000K/s
質(zhì)量范圍：1-10μg
溫度范圍：-100℃至400℃
樣品盤：直徑1.8毫米
操作：功率補償
我們的第 一個解決方案是使用我們已經(jīng)擁有的芯片，即液體熱量計芯片NCM-9924，該芯片自1999年以來一直在商業(yè)上銷售，具有10x10 mm的芯片和22μm厚的硅膜[4]。這個想法是把測試樣品放在一個所謂的樣品盤中，一個鋁杯，然后把它放在芯片的膜上。然而，在100 K/W的隔熱條件下，NCM-9924需要4 W的加熱功率才能達到400℃，有限的隔熱導(dǎo)致溫度精度有限。為了克服這些缺點，我們開發(fā)了一種新的芯片，采用基于氮化硅和多晶硅技術(shù)的薄膜，這提供了更好的隔熱性和更好的溫度精度。由此產(chǎn)生的XI-222設(shè)計具有兩個5x5 mm的膜，具有2 mm直徑樣品區(qū)域，以容納1.8 mm直徑樣品盤。整個芯片尺寸為15x7.5 mm，基于1μm厚SiN膜和多晶硅熱電堆的技術(shù)。它安裝在144針PGA外殼（40x40毫米）中。

該量熱計敏感芯片已經(jīng)在我們想要進行的量熱測量中表現(xiàn)出了非常好的性能。不幸的是，出現(xiàn)了一個新問題，使用樣品盤導(dǎo)致了不可預(yù)測的行為。這是通過將樣品直接沉積在傳感器膜上解決的，這消除了樣品和膜之間不明確的熱連接。將樣品直接沉積在膜上會導(dǎo)致一次性使用的設(shè)備（僅用于一個樣品，這允許它被存檔），因此應(yīng)該是負擔(dān)得起的。Xensor Integration公司XI-222加上它的外殼太貴了，不能只用于一個樣品。因此，我們將XI-222縮小到XI-400，并開發(fā)了價格實惠的陶瓷基板UFS1作為外殼。與容納大芯片XI-222的144像素網(wǎng)格陣列（PGA）外殼相比，與傳感器芯片一樣，成本降低了一個數(shù)量級，這對于一次性傳感器來說是重要的。Xensor Integration公司XI-400芯片的尺寸為16平方毫米，遠小于112平方毫米的XI-222，這是因為不需要容納樣品盤，樣品面積可以減少到0.5毫米直徑。UFS1陶瓷中的凹陷可以防止儀器中傳感器的錯誤方向，孔允許氮氣或氦氣流動，以防止在零度以下溫度結(jié)冰。有關(guān)量熱計傳感器敏感芯片的圖片，請參閱Xensor網(wǎng)站[3]。

表1：帶Xensor Integration公司XI-400量熱計傳感器芯片的Flash DSC的規(guī)格
參數(shù)                                                值
膜尺寸 [mm]                                1.7x1.7
樣品面積[mm 直徑]                        0.5
時間常數(shù)冷卻[ms]                           12
熱阻[kK/W]                                    6
傳輸[V/W]                                    24
熱電堆靈敏度[mV/K]                        4
Max.掃描速率[kK/s]                        冷/熱4/40
質(zhì)量范圍[μg]                                0.02-2
溫度范圍[C]                                 -100至450
因此，在開發(fā)出第 一個研究熱量計傳感器芯片20年后，我們現(xiàn)在可以推出一種價格合理、一次性使用的雙傳感器量熱計芯片，用于快速差示掃描量熱儀DSC。 該量熱計傳感器敏感芯片允許在高達40000 K/s的受控加熱速率和4000 K/s的可控冷卻速率下進行功率補償操作，樣品質(zhì)量通常在20ng至2μg之間。預(yù)計將在聚合物和藥 物分析等領(lǐng)域得到應(yīng)用。
5.結(jié)論
創(chuàng) 新是通過世界各地科學(xué)家正在進行的研究獲得的。成千上萬的科學(xué)家正在研究傳感器。然而，一個好主意可能需要很長時間才能在市場上推出創(chuàng) 新產(chǎn)品。而且，并非所有聰明的想法都能進入市場。也許只有十分之一的想法進入了發(fā)展階段，然后也許十分之一的發(fā)展成功地進入了市場。在通常需要幾年時間才能證明一個好主意的可行性的地方，從中開發(fā)一個產(chǎn)品的努力通常是它的十倍。 然而，偶爾會發(fā)生成功的發(fā)展，這彌補了成功中遇到的所有困難以及所有不成功的項目。

關(guān)于作者Sander（A.W.）van Herwaarden先生
Sander van Herwaarden先生于1957年出生于荷蘭鹿特丹。1982年，他獲得鹿特丹伊拉斯謨大學(xué)經(jīng)濟學(xué)學(xué)士學(xué)位。1983年，他從代爾夫特理工大學(xué)獲得了熱導(dǎo)率傳感器專業(yè)的碩士學(xué)位，1987年獲得了博士學(xué)位。1988年，他與人共同創(chuàng)立了Xensor Integration公司，此后一直擔(dān)任董事總經(jīng)理。他的主要活動是在熱導(dǎo)率傳感器和硅微結(jié)構(gòu)領(lǐng)域。

關(guān)于Xensor Integration公司

Xensor Integration是一家高科技公司，專注于使用計算機芯片技術(shù)制造MEMS傳感器（微機電系統(tǒng)）的定制設(shè)計、原型設(shè)計和生產(chǎn)。Xensor擁有一系列現(xiàn)成的標準MEMS熱導(dǎo)率氣體敏感元件和氣體傳感器。經(jīng)典的XEN-3880（即XEN-TCG3880）和XEN-3920熱導(dǎo)率氣體敏感元件和XEN-5320是一種智能氣體傳感器，在需要分析二元氣體混合物的工業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用。該傳感器基于環(huán)境氣體的熱導(dǎo)率測量，使用經(jīng)驗證的熱導(dǎo)率傳感器XEN-3880（即XEN-TCG3880）。XEN-3880和XEN-5320應(yīng)用包括皮拉尼真空計、氣體擴散率的檢測以及氫氣、氦氣等二元氣體成分的測量。

量熱計傳感器芯片：Xensor Integration公司XEN-393和XEN-394系列微加工薄膜量熱計傳感器專為高溫掃描速率下的小樣品測量而設(shè)計。XEN-393量熱計傳感器敏感芯片系列采用鋁絲互連制成，將其溫度范圍限制在比具有金絲互連的XEN-394系列更低的范圍內(nèi)。量熱傳感器具有單層或雙層超薄氮化硅膜，其特征是對環(huán)境的高熱阻和非常小的時間常數(shù)。這使得這些傳感器特別適用于氣體環(huán)境中的測量和快速測量，如快速掃描量熱法。