Hoe kleiner, hoe sneller, is de trend in de elektronica. Maar kleinere chips zijn gevoeliger voor hoge temperaturen. Dit levert problemen op voor oliemaatschappijen die op grote diepte boren naar olie of gas.
In een boorput heersen helse omstandigheden. Wie informatie uit de diepte wil halen, zal merken dat de meeste elektronica het laat afweten. Als toegevoegd onderzoeker op Elektrotechniek vond Paul de Jong een oplossing voor dit probleem. Hij ontwikkelde elektronische schakelingen die bestand zijn tegen temperaturen van driehonderd graden Celsius. Binnenkort zullen zijn schakelingen in boorputten van tweeduizend meter diep informatie omhoog sturen over de hoeveelheid aanwezige olie of gas. Afgelopen dinsdag promoveerde hij op deze hittebestendige schakelingen.
,,Tot nu toe gebruikten de oliemaatschappijen gewoon elektronische componenten die commercieel verkrijgbaar waren”, legt De Jong uit. ,,Die componenten zijn helemaal niet ontwikkeld voor hoge temperaturen maar ze werkten vaak wel. Nu de componenten op chips steeds kleiner worden, ontstaan er problemen. De chips functioneren goed bij kamertemperatuur maar niet meer bij temperaturen van driehonderd graden Celsius. En in de toekomst zal honderdtwintig graden een probleem zijn.”
Het afnemend aanbod van hittebestendige elektronica sluit niet aan bij de trend in de industrie. Die ziet juist steeds meer toepassingen voor elektronische schakelingen bij hoge temperaturen. Zo zou de automobielindustrie graag de verbrandingsprocessen in de motor beter willen controleren met behulp van slimme elektronica. Melkfabrieken gebruiken hittebestendige chips om de processen bij de sterilisatie van melk bij honderd tot honderdtien graden Celsius te controleren. En oliemaatschappijen moeten steeds dieper boren om bij olie of gas te kunnen komen. Hoe dieper in de aarde, hoe hoger de temperatuur.
Steeds minder hittebestendige componenten bij een toenemende vraag leek de Delftse elektronicus een goed uitgangspunt om vijf jaar geleden een onderzoeksvoorstel in te dienen bij de Stichting Technische Wetenschappen (STW). Samen met Shell en het Schotse bedrijf Expro, een bedrijf dat in opdracht van de grote oliemaatschappijen naar olie boort. De twee maatschappijen betaalden ieder tien procent van de kosten van het promotieonderzoek.
Zwakke schakel
,,In een STW-voorstel moet de nadruk liggen op toepassingen. Bij het schrijven van het onderzoeksvoorstel was het niet duidelijk wat ik precies moest doen. Dat werd snel duidelijk. In de eerste maand van mijn promotieonderzoek lag er al een concreet voorstelklaar: een chip maken die bestand is tegen de extreme condities die in een boorput heersen. ”
Uit het verloop van de druk in olie- of gasvelden kunnen oliemaatschappijen afleiden hoeveel olie een bepaald veld nog zal opleveren. Kwartskristallen of speciale weerstanden worden gebruikt om die drukverschillen te meten. De sensoren doen hun werk in diepe boorputten onder extreme condities waar temperaturen van driehonderd graden Celsius normaal zijn.
De sensoren sturen de gemeten signalen niet direct naar boven. De signalen zijn te zwak voor de twee kilometer lange reis. Ze zouden verloren gaan in de ruis. De analoge signalen moeten ter plaatse bewerkt worden tot digitale signalen. Dit betekent dat de elektronica ook bestand moet zijn tegen de extreme condities diep in de boorput.
De sensoren en computers werken goed. Daar is veel aandacht aan besteed. De chips vormen de zwakke schakel. ,,De bottle neck is de elektronica die de analoge signalen omzet in digitale. De chips moeten nauwkeurig zijn en zeer robuust. Ze moeten jaren mee kunnen.”
De Delftse onderzoeker koos voor het gebruik van de gangbare siliciumtechnologie om zijn chips te maken. Wel moest hij eerst het gedrag van silicium bij hoge temperaturen onderzoeken. Modelberekeningen toonden aan dat hoge temperaturen op zich geen probleem vormden. Maar hij ontdekte dat ontwerpers van hittebestendige elektronische schakelingen preventieve maatregelen moeten nemen om een goede werking te garanderen.
Patent
Het ontwerp van de chip was de volgende stap. De chip bestaat uit twee elementen: een onderdeel dat de kleine signalen van de sensor versterkt en de analoog-digitaal-omzetter. Al snel bleek dat bestaande versterkers niet nauwkeurig genoeg waren. De versterkingsfactor verloopt teveel in de tijd, of anders gezegd de versterkers driften te veel.
Om zijn doel te bereiken heeft De Jong een spanningsversterker ontwikkeld die minder gevoelig is voor drift. Zijn vinding maakt gebruik van een ingenieuze manier om weerstanden in het versterkercircuit te schakelen. Het heeft hem een patent opgeleverd en misschien wordt zijn versterker binnenkort in productie genomen.
Onderzoekers van het Delftse instituut voor microelektronica en submicrontechnologie (Dimes) hebben uiteindelijk de elektronische schakelingen in het silicium gemaakt. Een bedrijf in Sittard verzorgde de behuizing zodat de chip eruit ziet zoals alle andere integrated circuits: een zwart doosje met daaraan metalen pootjes.
2 Deze 11 x dynamic-feedback amplifier kan temperaturen aan tot driehonderd graden Celsius. De chip wordt afgewerkt met speciale keramische materialen en elastische soldeerverbindingen.
Nu kon De Jong zijn chip testen. Hij deed dat in een oven met een temperatuur van driehonderd graden Celsius. Een paar dagen had hij maar nodig om te zien dat de chip goed werkte. De afgelopen maanden hebben onderzoekers van het Schotse Expro zijn chip aan uitgebreidere tests blootgesteld. Ook deze testfase verloopt voorspoedig. Binnenkort zal de chip zich onder de extremeomstandigheden diep in de aarde moeten bewijzen.
Naast de fundamentele kanten van het onderzoek naar het gedrag van silicium bij hoge temperaturen, kwamen er ook veel praktische zaken aan bod bij het promotieonderzoek. Bij temperaturen van driehonderd graden kunnen mechanische spanningen en chemische reacties de levensduur ernstig bekorten. Bij de fabricage van de Delftse chip is daarom gebruik gemaakt van speciale keramische materialen en elastische soldeerverbindingen. Een luchtdichte behuizing met daarin de chemisch inerte gassen stikstof of helium sluit de chip hermetisch af van de buitenwereld.
Gebruikersproof
,,Het is natuurlijk leuk om een product te ontwikkelen en met al die verschillende mensen te maken hebben”, vertelt De Jong. ,,Maar het contact met het bedrijfsleven is soms ook irritant. Dan hangen ze elke dag aan de telefoon of je al vooruitgang hebt geboekt terwijl jij eerst nog fundamentele dingen wilt uitzoeken. Zij willen zo snel mogelijk dat prototype hebben.” Toch erkent de Delftse onderzoeker dat hij meer inzicht heeft gekregen in hoe een product tot stand komt. ,,Er is meer nodig dan onderzoek en ontwikkeling alleen. Ik wist dat wel; toch viel het me tegen.”
Een onverwacht probleem waren bijvoorbeeld alle beveiligingen die je moet inbouwen. ,,Dingen die voor jou vanzelfsprekend zijn maar in de praktijk mis gaan. Je product moet gebruikersproof zijn. Gebruikers sluiten bijvoorbeeld een voeding verkeerd aan. Op zich is dat niet zo erg maar omdat het niet werkt, wordt de spanning extra hoog opgevoerd zodat de chip alsnog opgeblazen wordt. Daar moet je allemaal rekening mee houden.”
,
In een boorput heersen helse omstandigheden. Wie informatie uit de diepte wil halen, zal merken dat de meeste elektronica het laat afweten. Als toegevoegd onderzoeker op Elektrotechniek vond Paul de Jong een oplossing voor dit probleem. Hij ontwikkelde elektronische schakelingen die bestand zijn tegen temperaturen van driehonderd graden Celsius. Binnenkort zullen zijn schakelingen in boorputten van tweeduizend meter diep informatie omhoog sturen over de hoeveelheid aanwezige olie of gas. Afgelopen dinsdag promoveerde hij op deze hittebestendige schakelingen.
,,Tot nu toe gebruikten de oliemaatschappijen gewoon elektronische componenten die commercieel verkrijgbaar waren”, legt De Jong uit. ,,Die componenten zijn helemaal niet ontwikkeld voor hoge temperaturen maar ze werkten vaak wel. Nu de componenten op chips steeds kleiner worden, ontstaan er problemen. De chips functioneren goed bij kamertemperatuur maar niet meer bij temperaturen van driehonderd graden Celsius. En in de toekomst zal honderdtwintig graden een probleem zijn.”
Het afnemend aanbod van hittebestendige elektronica sluit niet aan bij de trend in de industrie. Die ziet juist steeds meer toepassingen voor elektronische schakelingen bij hoge temperaturen. Zo zou de automobielindustrie graag de verbrandingsprocessen in de motor beter willen controleren met behulp van slimme elektronica. Melkfabrieken gebruiken hittebestendige chips om de processen bij de sterilisatie van melk bij honderd tot honderdtien graden Celsius te controleren. En oliemaatschappijen moeten steeds dieper boren om bij olie of gas te kunnen komen. Hoe dieper in de aarde, hoe hoger de temperatuur.
1 De kleine chip, die analoge gegevens omzet in digitale informatie, heeft de tests in de hete oven doorstaan. Binnenkort moet hij zich diep in de aarde bewijzen.
Steeds minder hittebestendige componenten bij een toenemende vraag leek de Delftse elektronicus een goed uitgangspunt om vijf jaar geleden een onderzoeksvoorstel in te dienen bij de Stichting Technische Wetenschappen (STW). Samen met Shell en het Schotse bedrijf Expro, een bedrijf dat in opdracht van de grote oliemaatschappijen naar olie boort. De twee maatschappijen betaalden ieder tien procent van de kosten van het promotieonderzoek.
Zwakke schakel
,,In een STW-voorstel moet de nadruk liggen op toepassingen. Bij het schrijven van het onderzoeksvoorstel was het niet duidelijk wat ik precies moest doen. Dat werd snel duidelijk. In de eerste maand van mijn promotieonderzoek lag er al een concreet voorstelklaar: een chip maken die bestand is tegen de extreme condities die in een boorput heersen. ”
Uit het verloop van de druk in olie- of gasvelden kunnen oliemaatschappijen afleiden hoeveel olie een bepaald veld nog zal opleveren. Kwartskristallen of speciale weerstanden worden gebruikt om die drukverschillen te meten. De sensoren doen hun werk in diepe boorputten onder extreme condities waar temperaturen van driehonderd graden Celsius normaal zijn.
De sensoren sturen de gemeten signalen niet direct naar boven. De signalen zijn te zwak voor de twee kilometer lange reis. Ze zouden verloren gaan in de ruis. De analoge signalen moeten ter plaatse bewerkt worden tot digitale signalen. Dit betekent dat de elektronica ook bestand moet zijn tegen de extreme condities diep in de boorput.
De sensoren en computers werken goed. Daar is veel aandacht aan besteed. De chips vormen de zwakke schakel. ,,De bottle neck is de elektronica die de analoge signalen omzet in digitale. De chips moeten nauwkeurig zijn en zeer robuust. Ze moeten jaren mee kunnen.”
De Delftse onderzoeker koos voor het gebruik van de gangbare siliciumtechnologie om zijn chips te maken. Wel moest hij eerst het gedrag van silicium bij hoge temperaturen onderzoeken. Modelberekeningen toonden aan dat hoge temperaturen op zich geen probleem vormden. Maar hij ontdekte dat ontwerpers van hittebestendige elektronische schakelingen preventieve maatregelen moeten nemen om een goede werking te garanderen.
Patent
Het ontwerp van de chip was de volgende stap. De chip bestaat uit twee elementen: een onderdeel dat de kleine signalen van de sensor versterkt en de analoog-digitaal-omzetter. Al snel bleek dat bestaande versterkers niet nauwkeurig genoeg waren. De versterkingsfactor verloopt teveel in de tijd, of anders gezegd de versterkers driften te veel.
Om zijn doel te bereiken heeft De Jong een spanningsversterker ontwikkeld die minder gevoelig is voor drift. Zijn vinding maakt gebruik van een ingenieuze manier om weerstanden in het versterkercircuit te schakelen. Het heeft hem een patent opgeleverd en misschien wordt zijn versterker binnenkort in productie genomen.
Onderzoekers van het Delftse instituut voor microelektronica en submicrontechnologie (Dimes) hebben uiteindelijk de elektronische schakelingen in het silicium gemaakt. Een bedrijf in Sittard verzorgde de behuizing zodat de chip eruit ziet zoals alle andere integrated circuits: een zwart doosje met daaraan metalen pootjes.
2 Deze 11 x dynamic-feedback amplifier kan temperaturen aan tot driehonderd graden Celsius. De chip wordt afgewerkt met speciale keramische materialen en elastische soldeerverbindingen.
Nu kon De Jong zijn chip testen. Hij deed dat in een oven met een temperatuur van driehonderd graden Celsius. Een paar dagen had hij maar nodig om te zien dat de chip goed werkte. De afgelopen maanden hebben onderzoekers van het Schotse Expro zijn chip aan uitgebreidere tests blootgesteld. Ook deze testfase verloopt voorspoedig. Binnenkort zal de chip zich onder de extremeomstandigheden diep in de aarde moeten bewijzen.
Naast de fundamentele kanten van het onderzoek naar het gedrag van silicium bij hoge temperaturen, kwamen er ook veel praktische zaken aan bod bij het promotieonderzoek. Bij temperaturen van driehonderd graden kunnen mechanische spanningen en chemische reacties de levensduur ernstig bekorten. Bij de fabricage van de Delftse chip is daarom gebruik gemaakt van speciale keramische materialen en elastische soldeerverbindingen. Een luchtdichte behuizing met daarin de chemisch inerte gassen stikstof of helium sluit de chip hermetisch af van de buitenwereld.
Gebruikersproof
,,Het is natuurlijk leuk om een product te ontwikkelen en met al die verschillende mensen te maken hebben”, vertelt De Jong. ,,Maar het contact met het bedrijfsleven is soms ook irritant. Dan hangen ze elke dag aan de telefoon of je al vooruitgang hebt geboekt terwijl jij eerst nog fundamentele dingen wilt uitzoeken. Zij willen zo snel mogelijk dat prototype hebben.” Toch erkent de Delftse onderzoeker dat hij meer inzicht heeft gekregen in hoe een product tot stand komt. ,,Er is meer nodig dan onderzoek en ontwikkeling alleen. Ik wist dat wel; toch viel het me tegen.”
Een onverwacht probleem waren bijvoorbeeld alle beveiligingen die je moet inbouwen. ,,Dingen die voor jou vanzelfsprekend zijn maar in de praktijk mis gaan. Je product moet gebruikersproof zijn. Gebruikers sluiten bijvoorbeeld een voeding verkeerd aan. Op zich is dat niet zo erg maar omdat het niet werkt, wordt de spanning extra hoog opgevoerd zodat de chip alsnog opgeblazen wordt. Daar moet je allemaal rekening mee houden.”
In een boorput heersen helse omstandigheden. Wie informatie uit de diepte wil halen, zal merken dat de meeste elektronica het laat afweten. Als toegevoegd onderzoeker op Elektrotechniek vond Paul de Jong een oplossing voor dit probleem. Hij ontwikkelde elektronische schakelingen die bestand zijn tegen temperaturen van driehonderd graden Celsius. Binnenkort zullen zijn schakelingen in boorputten van tweeduizend meter diep informatie omhoog sturen over de hoeveelheid aanwezige olie of gas. Afgelopen dinsdag promoveerde hij op deze hittebestendige schakelingen.
,,Tot nu toe gebruikten de oliemaatschappijen gewoon elektronische componenten die commercieel verkrijgbaar waren”, legt De Jong uit. ,,Die componenten zijn helemaal niet ontwikkeld voor hoge temperaturen maar ze werkten vaak wel. Nu de componenten op chips steeds kleiner worden, ontstaan er problemen. De chips functioneren goed bij kamertemperatuur maar niet meer bij temperaturen van driehonderd graden Celsius. En in de toekomst zal honderdtwintig graden een probleem zijn.”
Het afnemend aanbod van hittebestendige elektronica sluit niet aan bij de trend in de industrie. Die ziet juist steeds meer toepassingen voor elektronische schakelingen bij hoge temperaturen. Zo zou de automobielindustrie graag de verbrandingsprocessen in de motor beter willen controleren met behulp van slimme elektronica. Melkfabrieken gebruiken hittebestendige chips om de processen bij de sterilisatie van melk bij honderd tot honderdtien graden Celsius te controleren. En oliemaatschappijen moeten steeds dieper boren om bij olie of gas te kunnen komen. Hoe dieper in de aarde, hoe hoger de temperatuur.
1 De kleine chip, die analoge gegevens omzet in digitale informatie, heeft de tests in de hete oven doorstaan. Binnenkort moet hij zich diep in de aarde bewijzen.
Steeds minder hittebestendige componenten bij een toenemende vraag leek de Delftse elektronicus een goed uitgangspunt om vijf jaar geleden een onderzoeksvoorstel in te dienen bij de Stichting Technische Wetenschappen (STW). Samen met Shell en het Schotse bedrijf Expro, een bedrijf dat in opdracht van de grote oliemaatschappijen naar olie boort. De twee maatschappijen betaalden ieder tien procent van de kosten van het promotieonderzoek.
Zwakke schakel
,,In een STW-voorstel moet de nadruk liggen op toepassingen. Bij het schrijven van het onderzoeksvoorstel was het niet duidelijk wat ik precies moest doen. Dat werd snel duidelijk. In de eerste maand van mijn promotieonderzoek lag er al een concreet voorstelklaar: een chip maken die bestand is tegen de extreme condities die in een boorput heersen. ”
Uit het verloop van de druk in olie- of gasvelden kunnen oliemaatschappijen afleiden hoeveel olie een bepaald veld nog zal opleveren. Kwartskristallen of speciale weerstanden worden gebruikt om die drukverschillen te meten. De sensoren doen hun werk in diepe boorputten onder extreme condities waar temperaturen van driehonderd graden Celsius normaal zijn.
De sensoren sturen de gemeten signalen niet direct naar boven. De signalen zijn te zwak voor de twee kilometer lange reis. Ze zouden verloren gaan in de ruis. De analoge signalen moeten ter plaatse bewerkt worden tot digitale signalen. Dit betekent dat de elektronica ook bestand moet zijn tegen de extreme condities diep in de boorput.
De sensoren en computers werken goed. Daar is veel aandacht aan besteed. De chips vormen de zwakke schakel. ,,De bottle neck is de elektronica die de analoge signalen omzet in digitale. De chips moeten nauwkeurig zijn en zeer robuust. Ze moeten jaren mee kunnen.”
De Delftse onderzoeker koos voor het gebruik van de gangbare siliciumtechnologie om zijn chips te maken. Wel moest hij eerst het gedrag van silicium bij hoge temperaturen onderzoeken. Modelberekeningen toonden aan dat hoge temperaturen op zich geen probleem vormden. Maar hij ontdekte dat ontwerpers van hittebestendige elektronische schakelingen preventieve maatregelen moeten nemen om een goede werking te garanderen.
Patent
Het ontwerp van de chip was de volgende stap. De chip bestaat uit twee elementen: een onderdeel dat de kleine signalen van de sensor versterkt en de analoog-digitaal-omzetter. Al snel bleek dat bestaande versterkers niet nauwkeurig genoeg waren. De versterkingsfactor verloopt teveel in de tijd, of anders gezegd de versterkers driften te veel.
Om zijn doel te bereiken heeft De Jong een spanningsversterker ontwikkeld die minder gevoelig is voor drift. Zijn vinding maakt gebruik van een ingenieuze manier om weerstanden in het versterkercircuit te schakelen. Het heeft hem een patent opgeleverd en misschien wordt zijn versterker binnenkort in productie genomen.
Onderzoekers van het Delftse instituut voor microelektronica en submicrontechnologie (Dimes) hebben uiteindelijk de elektronische schakelingen in het silicium gemaakt. Een bedrijf in Sittard verzorgde de behuizing zodat de chip eruit ziet zoals alle andere integrated circuits: een zwart doosje met daaraan metalen pootjes.
2 Deze 11 x dynamic-feedback amplifier kan temperaturen aan tot driehonderd graden Celsius. De chip wordt afgewerkt met speciale keramische materialen en elastische soldeerverbindingen.
Nu kon De Jong zijn chip testen. Hij deed dat in een oven met een temperatuur van driehonderd graden Celsius. Een paar dagen had hij maar nodig om te zien dat de chip goed werkte. De afgelopen maanden hebben onderzoekers van het Schotse Expro zijn chip aan uitgebreidere tests blootgesteld. Ook deze testfase verloopt voorspoedig. Binnenkort zal de chip zich onder de extremeomstandigheden diep in de aarde moeten bewijzen.
Naast de fundamentele kanten van het onderzoek naar het gedrag van silicium bij hoge temperaturen, kwamen er ook veel praktische zaken aan bod bij het promotieonderzoek. Bij temperaturen van driehonderd graden kunnen mechanische spanningen en chemische reacties de levensduur ernstig bekorten. Bij de fabricage van de Delftse chip is daarom gebruik gemaakt van speciale keramische materialen en elastische soldeerverbindingen. Een luchtdichte behuizing met daarin de chemisch inerte gassen stikstof of helium sluit de chip hermetisch af van de buitenwereld.
Gebruikersproof
,,Het is natuurlijk leuk om een product te ontwikkelen en met al die verschillende mensen te maken hebben”, vertelt De Jong. ,,Maar het contact met het bedrijfsleven is soms ook irritant. Dan hangen ze elke dag aan de telefoon of je al vooruitgang hebt geboekt terwijl jij eerst nog fundamentele dingen wilt uitzoeken. Zij willen zo snel mogelijk dat prototype hebben.” Toch erkent de Delftse onderzoeker dat hij meer inzicht heeft gekregen in hoe een product tot stand komt. ,,Er is meer nodig dan onderzoek en ontwikkeling alleen. Ik wist dat wel; toch viel het me tegen.”
Een onverwacht probleem waren bijvoorbeeld alle beveiligingen die je moet inbouwen. ,,Dingen die voor jou vanzelfsprekend zijn maar in de praktijk mis gaan. Je product moet gebruikersproof zijn. Gebruikers sluiten bijvoorbeeld een voeding verkeerd aan. Op zich is dat niet zo erg maar omdat het niet werkt, wordt de spanning extra hoog opgevoerd zodat de chip alsnog opgeblazen wordt. Daar moet je allemaal rekening mee houden.”
Do you have a question or comment about this article?
delta@tudelft.nl
Comments are closed.