Xensor Integration发展简史

Xensor Integration发展简史

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

作者：Sander van Herwaarden于2010年

摘要
近40年来，Xensor Integration一直积极为客户开发和生产微型传感器。在此期间，我们开发了用于太空、农业、医疗和实验室设备等领域的产品。本文将简要讨论我们当时开展的一些研发项目，然后重点介绍梅特勒-托利多公司开发的Flash DSC快速差示扫描量热仪就是这样一个项目的例子。这将给人一种研究和创 新是多么不可预测的印象。太空、医疗和实验室应用项目各有其特点。

1.导言
Xensor Integration公司由4人于36年前创立，其中两人在后台，另外两人更活跃：Michael Vellekoop和Sander van Herwaarden。我们大学一毕业就从零开始，只有自己���钱，没有经验。正如我们也被告知的那样，做生意肯定不是一个理想的开始。我们犯了许多初学者的错误，但我们幸存了下来，现在的业务比以往任何时候都要好。在本次阐述内容中，我们将描述我们的表现，分享我们学到的一些经验教训，并更详细地介绍我们在过去8年中与其他三家公司共同开发的快速差示扫描量热计（DSC）的开发情况。

2.我们的一些研究项目
在过去的22年里（文章发表于2010年），我们为客户开发了各种应用领域的项目。这些都有自己的特点。这些申请大多是出于专业目的。我们首先为荷兰Chrompack公司的便携式微型气相色谱仪（GC）开发了一种微型注射器，该注射器基于该设备起初由斯坦福大学的Steve Terry开发[1]。Terry于1979年首 次发布该气相色谱仪，设备于20世纪90年代中期开始生产。从那时起，我们已经对注射器进行了改进，在成立30多年后，但基本原理和技术仍然存在。1999年左右Chrompack被瓦里安收购，2010年，瓦里安被安捷伦收购。微型气相色谱业务这对我们和三家客户公司都有好处。
20世纪90年代初，家用燃气表传感器的开发不太成功。尽管我们的客户是一个非常大的参与者，制造机械波纹管流量计已经有一百年了，时间是太早了。顺便说一句，现在仍然如此。结果可知，在未能向客户交付之后，整个开发团队被解雇了！
对于Sodern-EADS，我们开发了一种用于地球传感器的FPA红外传感器阵列，这些设备安装在卫星上监测卫星相对于地球的姿态，使卫星对准所需的部分地球。这样的航天项目具有开发成本高、产量小等特点。不幸的是，引线键合问题阻碍了技术上的成功，因为太空中的失败，必须不惜一切代价排除这种可能性。不过，对于Xensor Integration公司来说，开发项目是一次非常好的经历。 更糟糕的是用于农业应用的流量传感器的开发。在这里，客户在项目中非常不合作，严重阻碍了项目的顺利发展。这，连同他们的不断变化的目标价格（在项目期间减半）导致了可预测的失败。
我们的一个重要客户是来自德国的德尔格医疗公司，我们为其生产用于氧气传感器的热导率计。在这里，合作异常良好和开放，问题不是用来指责的，而是用来共同学习如何提高质量。此外，产品上市时间和设备性能都非常好，我们客户的商业成功也是如此。这种合作带来了非常创 新的产品，这对德尔格医疗的竞争来说是不幸的，但对我们来说是件好事。
这些是为客户付费研发的一些例子。我们还自费进行研发，单独或与其他公司合作。一个非常成功的例子，量热计芯片，我将在下面给出。另一种是用于电子罗盘应用的超低偏移霍尔传感器，这可能是目前市场上很好的。
在Xensor Integration公司成立之初，我们在热情中犯了提供许多不同类型设备的错误，然后问题是你对很多事情知之甚少，也没有能力为所有这些设备提供良好的深入研发支持。因此，随着时间的推移，范围已经缩小到我们现在考虑的核心业务的几种传感器，如热导率传感器TCG、量热计芯片和霍尔传感器，在这些领域我们真正了解了很多设备。

3.经验教训
那么，在过去的22年里，我们通过反复试验吸取了哪些教训呢。一个明显的问题是，我们需要找到我们的利基市场（或大市场，如果你有很多商业力量支持你），在那里我们可以与竞争对手相比有所作为。是什么让我们与众不同，让客户想和我们做生意，而不是我们的竞争对手。这也意味着，即使你迫切需要客户，你也无法做到一切。你只能在这么多领域成为专家（通常是一个或至多两个）。 耐心也是一项重要资产，因为从研究突破到市场成功可能需要20年的时间。1987年，我获得了真空计传感器（与热导率传感器TCG相当）的博士学位，2004年，我们开始使用这种设备为德尔格医疗公司生产设备。对于下面的例子，量热计传感器芯片，我们在1989年制造了第 一台研发设备，现在，在2010年，基于这种量热计芯片的商业实验室仪器投放市场。
仔细挑选你的客户，就像客户挑选你一样仔细（希望如此）。与客户的糟糕合作会导致糟糕的开发项目，甚至可能失败，应该避免。更一般地说：应该避免坏客户，因为他们可能会导致成本，而不是利润！一个坏客户也可以是一个非常合作的客户，有一个很棒的想法，但对如何经营自己的业务有一个糟糕的想法。
4.扎扎实实的二十年
1988年，Ciba-Geigy中央研究实验室的Pierre Batailrad联系我们，要求我们为他制作用于液体的量热计传感器芯片。我们利用当时可用的技术做到了这一点
这导致了许多厚度在4到40μm之间的单晶硅膜的设计，以及用于温度测量和加热/校准的集成硅热电堆和电阻器。他成功地将这些量热计设备用于使用酶测量生物溶液[3]。在那之后的几年里，我们继续为许多客户制造这些和类似的设备用于研发目的。
然后在2003年，来自荷兰的Anatech公司，量热计仪器的开发商和制造商，与我们接洽，共同开发一种基于芯片的新型热量计仪器。我们与同样专注于量热法应用的荷兰公司SciTe一起起步。2010年，由著 名的热分析制造商梅特勒-托利多销售的Flash DSC差示扫描量热计仪器。因此，从首 次研究结果到市场上成熟的仪器，可能需要长达20年的时间。
2003年，Anatech、SciTe和Xensor Integration公司开始开发基于芯片的快速扫描量热计（FSC）。量热计传感器芯片初始主要技术规格：
扫描速率：1-1000K/s
质量范围：1-10μg
温度范围：-100℃至400℃
样品盘：直径1.8毫米
操作：功率补偿
我们的第 一个解决方案是使用我们已经拥有的芯片，即液体热量计芯片NCM-9924，该芯片自1999年以来一直在商业上销售，具有10x10 mm的芯片和22μm厚的硅膜[4]。这个想法是把测试样品放在一个所谓的样品盘中，一个铝杯，然后把它放在芯片的膜上。然而，在100 K/W的隔热条件下，NCM-9924需要4 W的加热功率才能达到400℃，有限的隔热导致温度精度有限。为了克服这些缺点，我们开发了一种新的芯片，采用基于氮化硅和多晶硅技术的薄膜，这提供了更好的隔热性和更好的温度精度。由此产生的XI-222设计具有两个5x5 mm的膜，具有2 mm直径样品区域，以容纳1.8 mm直径样品盘。整个芯片尺寸为15x7.5 mm，基于1μm厚SiN膜和多晶硅热电堆的技术。它安装在144针PGA外壳（40x40毫米）中。

该量热计敏感芯片已经在我们想要进行的量热测量中表现出了非常好的性能。不幸的是，出现了一个新问题，使用样品盘导致了不可预测的行为。这是通过将样品直接沉积在传感器膜上解决的，这消除了样品和膜之间不明确的热连接。将样品直接沉积在膜上会导致一次性使用的设备（仅用于一个样品，这允许它被存档），因此应该是负担得起的。Xensor Integration公司XI-222加上它的外壳太贵了，不能只用于一个样品。因此，我们将XI-222缩小到XI-400，并开发了价格实惠的陶瓷基板UFS1作为外壳。与容纳大芯片XI-222的144像素网格阵列（PGA）外壳相比，与传感器芯片一样，成本降低了一个数量级，这对于一次性传感器来说是重要的。Xensor Integration公司XI-400芯片的尺寸为16平方毫米，远小于112平方毫米的XI-222，这是因为不需要容纳样品盘，样品面积可以减少到0.5毫米直径。UFS1陶瓷中的凹陷可以防止仪器中传感器的错误方向，孔允许氮气或氦气流动，以防止在零度以下温度结冰。有关量热计传感器敏感芯片的图片，请参阅Xensor网站[3]。

表1：带Xensor Integration公司XI-400量热计传感器芯片的Flash DSC的规格
参数                                                值
膜尺寸 [mm]                                1.7x1.7
样品面积[mm 直径]                        0.5
时间常数冷却[ms]                           12
热阻[kK/W]                                    6
传输[V/W]                                    24
热电堆灵敏度[mV/K]                        4
Max.扫描速率[kK/s]                        冷/热4/40
质量范围[μg]                                0.02-2
温度范围[C]                                 -100至450
因此，在开发出第 一个研究热量计传感器芯片20年后，我们现在可以推出一种价格合理、一次性使用的双传感器量热计芯片，用于快速差示扫描量热仪DSC。 该量热计传感器敏感芯片允许在高达40000 K/s的受控加热速率和4000 K/s的可控冷却速率下进行功率补偿操作，样品质量通常在20ng至2μg之间。预计将在聚合物和药 物分析等领域得到应用。
5.结论
创 新是通过世界各地科学家正在进行的研究获得的。成千上万的科学家正在研究传感器。然而，一个好主意可能需要很长时间才能在市场上推出创 新产品。而且，并非所有聪明的想法都能进入市场。也许只有十分之一的想法进入了发展阶段，然后也许十分之一的发展成功地进入了市场。在通常需要几年时间才能证明一个好主意的可行性的地方，从中开发一个产品的努力通常是它的十倍。 然而，偶尔会发生成功的发展，这弥补了成功中遇到的所有困难以及所有不成功的项目。

关于作者Sander（A.W.）van Herwaarden先生
Sander van Herwaarden先生于1957年出生于荷兰鹿特丹。1982年，他获得鹿特丹伊拉斯谟大学经济学学士学位。1983年，他从代尔夫特理工大学获得了热导率传感器专业的硕士学位，1987年获得了博士学位。1988年，他与人共同创立了Xensor Integration公司，此后一直担任董事总经理。他的主要活动是在热导率传感器和硅微结构领域。

关于Xensor Integration公司

Xensor Integration是一家高科技公司，专注于使用计算机芯片技术制造MEMS传感器（微机电系统）的定制设计、原型设计和生产。Xensor拥有一系列现成的标准MEMS热导率气体敏感元件和气体传感器。经典的XEN-3880（即XEN-TCG3880）和XEN-3920热导率气体敏感元件和XEN-5320是一种智能气体传感器，在需要分析二元气体混合物的工业中有着广泛的应用。该传感器基于环境气体的热导率测量，使用经验证的热导率传感器XEN-3880（即XEN-TCG3880）。XEN-3880和XEN-5320应用包括皮拉尼真空计、气体扩散率的检测以及氢气、氦气等二元气体成分的测量。

量热计传感器芯片：Xensor Integration公司XEN-393和XEN-394系列微加工薄膜量热计传感器专为高温扫描速率下的小样品测量而设计。XEN-393量热计传感器敏感芯片系列采用铝丝互连制成，将其温度范围限制在比具有金丝互连的XEN-394系列更低的范围内。量热传感器具有单层或双层超薄氮化硅膜，其特征是对环境的高热阻和非常小的时间常数。这使得这些传感器特别适用于气体环境中的测量和快速测量，如快速扫描量热法。