Därför är det dags för IR-sensor 2.0

Dagens IR-sensor som vi känner den har mer än 50 år på nacken.

Robert Ekström

Det är en gammal teknik som behöver uppdateras. Därför är det nu dags för nästa generations IR-sensor 2.0 för IoT som är mycket tunnare än gamla sensorer och billigare att tillverka, det menar JonDeTechs VD Robert Ekström.

Dagens tillverkningsindustri är beroende av sensorer. Oavsett om det handlar om tunga industriprodukter eller mindre konsumentprodukter – alla är de mer eller mindre beroende av väl fungerande sensorer som kontrollerar nivåer, närvaro, temperaturer eller tryck. Även inom medicinsk teknik används sensorer, för att till exempel mäta EEG och EKG, för att bara nämna två användningsområden.

IR-sensorns stora utbredning inleddes under 1950-talet när industrierna expanderade storleksmässigt och fick en större grad av automatisering. Här kom sensorn att spela en stor roll för utvecklingen av tillverkningsindustrin, och gör det alltså än i dag. Men principen för en sensor är densamma då som nu.

Enkelt beskrivet är sensorn det som behövs för att göra en komplett sammanställning när det gäller att upptäcka och kommunicera en viss händelse. Och användningsområdena är som sagt flera. En sensor som är avsedd för att slå larm kallas ofta detektor. Den aktiveras vanligtvis vid överskridande av gränsvärden, som för hög temperatur eller för lågt tryck. Andra typer av sensorer är fotodioder, kameror, mikrofoner, radar, sonar och tryckgivare.

Den nya IR-sensorn 2.0 blir bryggan mellan analogt och digitalt i en allt mer uppkopplad värld

I den nya uppkopplade värld som nu växer fram menar många att den nya sensorn har potential att bli själva bryggan mellan den analoga och den digitala världen. Och den digitalt uppkopplade världen växer starkt. Det är därför inget djärvt antagande att i en närliggande framtid kommer allt som kan kopplas upp, att just kopplas upp.

Säkerhet och tillförlitlighet blir självfallet viktiga komponenter i en sådan utveckling, men finns efterfrågan och kundnyttan där, så kommer det med största sannolikhet att ske. Och utvecklingen går som sagt mycket snabbt. För bara tio år sedan var det få som kunde förutse hur många tjänster som skulle flytta in i smarta telefoner och annan konsumentelektronik. Och nu sker det även en liknande utveckling inom området Internet of Things, där just sensorer kan komma att spela en viktig roll.

Liten termostapelsensor som även mäter värmeflöde öppnar upp för nya områden

Termostapeln är en uppsättning seriekopplade termoelement som kan omvandla termisk energi till elektrisk energi. Med hjälp av den nya generationen IR-sensorer, kan den också användas för kontaktlös mätning av temperatur och värmeflöde, samt närvarodetektion. En termostapelsensor, mäter kontinuerligt absolutvärde av IR-strålning. De kan användas för att mäta objektets temperatur eller relativa temperaturskillnader och kan mäta närvaro och rörelse. Termostaplar är den mest användbara sensortekniken för flera kommersiella applikationer som rök- och gasdetektering, rörelse, absoluta temperaturmätningar, värmemätning/kontroll av värmekänsliga delar och VVS. Dock har storleken och tillverkningskostnaden för tidigare generationer av termostaplar begränsat applikationsområdena. Nya avancerade termostapelsensorer mäter även värmeflöde samt har en tidskonstant som beskriver hur snabbt den reagerar på värdeförändringen. De är tillverkade med nanoteknik i en plastmatris och är uppbyggd av tre olika lager, där det viktigaste lagret är termostapellagret.

Konventionell horisontell arkitektur dyr och svår att tillverka

När termostapeln omvandlar energin produceras en elektrisk spänning proportionell till den applicerade temperaturskillnaden och termostapeln kan användas för att läsa av temperaturen. Med den konventionella arkitekturen konfigureras termoelementen horisontellt, vilket begränsar sensorns konstruktion och gör en konventionell sensor mycket svårare att massproducera eftersom en skyddande metallbehållare behövs. Den fullständiga ytan av horisontellt konfigurerade termostaplar kan inte användas, inte heller kan det verkliga ”kontaktläget” användas. På grund av den horisontella konfigurationen behöver konventionella sensorer inkapsling för att kontaktlöst mäta temperatur och vara robust nog för kommersiella ändamål.

Vertikal arkitektur ger flera fördelar

I en vertikal arkitektur är den heta och kalla föreningen ansluten via termostapelns termoelement genom nanotrådar bestående av två olika metaller. Termoelementen är också vertikalt placerade. Vertikal, eller så kallad ”out-of-plane” -konfiguration kräver att termoelementens trådar (”Vias”) dras genom substratmaterialet varvid dessa sammankopplas på ytan i så kallade ”dogbones”. Dessa Vias måste vara extremt tunna, något som tidigare har varit mycket svårt att uppnå.

Tack vare ny teknik där termoelementens ledningsstruktur är baserad på nanoteknik har detta kunna genomföras. Fördelen med det vertikala arrangemanget av termoelementledare – vinkelrätt mot plankonfigurationen – är att de heta och kalla förbindningarna separeras av substratets tjocklek, vilket är anledningen till att strukturen blir robustare jämfört med det mycket tunna kiselmembranet av konventionella termostapelsensorer.

Objektet som mäts kan faktiskt komma i kontakt med sensorn utan att sensorn förstörs. För IR-mätningar på långa avstånd kan nästa generations sensorer också förses med en lins för att minska synfältet och möjliggöra punktmätningar. Vidare tillåter den vertikala konfigurationen termostapeln att mäta värmeflöde, vilket vanliga termostaplar inte kan göra.

Termostapellagret är den proprietära komponenten av sensorn. IR-absorberingslagret, sammankopplingarna mellan nanotrådarna och skyddsskiktet är standardiserade komponenter och processer och tillhandahålls av en extern partner. Detta möjliggör högvolymproduktion, låg kapitalbindning samt låg produktionskostnad. IR-absorberingslagret är där för att absorbera IR-värmen, som termostapellagret sedan använder för att skapa en spänningsskillnad. Sensorn innehåller också fyra ytmonterade ”lödpadar” för att enkelt montera sensorn direkt på ett kretskort.

Robust, strömsnål, enkel och billig att producera

Den vertikala arkitekturen gör det möjligt att tillverka sensorerna i böjbar plast istället för bräcklig keramik eller kisel, som används i de flesta andra IR-sensorer på marknaden. Plastmatrisen som innehåller nanotrådarna gör sensorn mycket robust och kan formges enligt kundens önskemål. Dessutom kan sensorn vidröras och även användas som en (haptisk) tryckknapp.

Den låga energiförbrukningen är en annan viktig egenskap. Den totala kostnaden för en sensor kan delas upp i tre underkategorier: råvaror, produktion och integration. Råvarorna eller materialräkningen utgör en lägre gräns för sensorns kostnad. Oavsett hur effektiv produktionen blir eller hur många sensorer som produceras, kommer kostnaden per sensor inte att vara lägre än kostnaden för de råvaror som sensorn är tillverkad av. Förutom råvaror måste sensorn tillverkas och integreras i köparens hårdvara. Med tanke på att dessa sensorer är utvecklade för massproduktion med vanlig kretskortsteknik är kostnaden att producera sensorn låg jämfört med konventionella IR-sensorer.

I en uppkopplad värld fylld av data finns det en mängd möjligheter att åstadkomma ett säkrare, mer miljövänligt och ett mer hållbart samhälle. Men för att nå dit är det också viktigt att man använder rätt teknik. I en sådan värld är det därför dags för en IR-sensor 2.0.

Av Robert Ekström, VD, JonDeTech