Sensor Technology for Green and Safe Jet-Engines (STEGS)

Memscap har som mål å utvikle en ny trykksensorfamilie for trykkmålinger opp til 70 bar. Disse trykksensorene skal utvikles med hensyn til kravene fastsatt av luftfartsindustrien for motorkontroll på jetmotorer, FADEC (Full Authority Digital Engine Control). For å møte de strenge kravene til forurensning fra jetmotorer og sikkerhetskrav, må ny teknologi i større grad brukes. Når selskapet nå ønsker å bevege seg mot motorkontrollmarkedet, er det nødvendig å kunne tilby trykksensorer opp mot 70 Bar. Den eksisterende teknologien selskapet besitter i dag, må videreutvikles. I STEGS-prosjektet har det først og fremst vært fokus på hvordan man kan produsere sensorer som tåler langt høyere belastninger/ krefter (trykk) fra miljøet enn dagens teknologi kan håndtere. Sensorfamilien som har blitt utviklet i prosjektet har vært av typen absolutt trykksensor, i trykkområde 5 bar opp til 70 bar. De tre trykkversjoner av sensorbrikker som er utviklet i prosjektet, 5, 10 og 70 bar, er alle prosessert på SOI skiver. SINTEF sin fusjon-binding prosess har også blitt videreutviklet i prosjektet. Prosjektet har også tatt fram et nytt design av silisium underlagsbrikke. Ved hjelp av simuleringer er det utviklet et mekanisk design som vil isolere stresskrefter som genereres ved innfestingen av selve sensorbrikken. Det var også nødvendig å utvikle en god og solid prosess for inn lodding av brikke-stack i sensor-kapselen. Selskapet vil fortsette med utvidet testing og kvalifisering utover i prosjektet for å sikre best mulig pålitelighet og stressisolering fra pakkemontering. Dette vil bli gjort i det nye NRC innvilget prosjekt (Nr.309362 ). I prosjektet har selskapet utviklet nye sensorbrikker for høyere trykk 5 til 70 bar absolutt trykk med sirkulære membraner. I samarbeid med SINTEF har prosjektet kommet frem med designløsninger som synes å være tilfredsstillende med hensyn til å få gode løsninger på design og prosesser for denne nye sensorfamilien. I diskusjoner med SINTEF ble det besluttet at SINTEFs nye fusion-boning prosess skulle benyttes for laminering av sensor brikker til underlags brikker. Dette er en betydelig bedre prosess enn lamineringsprosessen (anodisk bonding) som opprinnelig var planlagt i prosjektet. Oppgavene i prosjektets arbeidspakke 1 ble betydelig utvidet for å sikre best mulig prosessoptimalisering i arbeidspakken 2 der sensorbrikken skulle prosesseres. Dette forårsaket i begynnelsen at sensorbrikkene ble noen måneder forsinket, men i dag viser det at det var en god beslutning. SINTEF har i prosjektet videreutviklet sin fusion-bonde prosess for det lave trykkområde. ( 5 bar). Her ble det laminert to underlagsskiver med innerkavitet sammen med ferdig etset sensorskive. En tre-lags "Cavity fusion laminerte skiver har vist svært gode resultater. For denne trelags struktur ble det utviklet nye prosesser for ione-implanterig av piezo-resistive motstander og en ny epi-lag pasifiserings prosess. Alle disse prosessene ble vellykket oppnådd i prosjektet. I prosjektets arbeidspakke 3, innkapsling av sensorstakken, har metall legeringen for loddingsprosessen blitt utprøvd og definert, men ikke fullt ut kvalifisert. Det gjenstår fremdeles betydelige aktiviteter før endelig prosess kan etableres som en produksjonsprosess. Også selve pakkedesignet er etablert og leveres nå av underleverandør. Foreløpige tester av innkapslede sensor demonstratorer har blitt utført med gode resultater, men for å fortsette, må riktig utstyr leverandør bestemmes. Noen forsinkelser på grunn av COVID-19-situasjonen. Det har tidligere blitt nevnt at Fusion-binding og nedgravde ledninger har resultert i tyngre aktiviteter i arbeidspakker 1 og 2, og derfor til en viss grad forsinket prosjektet. Disse prosessene ble ikke tatt hensyn til i prosjektplanleggingen, men kom tidlig inn i prosjektfasen. Begge prosessene nå i sluttfasen viser gode resultater for måloppnåelse, og etter innledende testing av få sensorer, er prosjektledelsen meget fornøyd med at beslutningen ble tatt. Prosjektet kan nå legge frem sensorfamilien til neste trinn, STEGS-2-prosjektet som skal ta sensorfamilien/teknologien til TRL8-nivå.

The target for the STEGS project was to develop a new Pressure Sensor family in the range of 5 bar up to 70 bar for FADEC ( jet-engine control computers) applications. The project had to overcome the challenges of achieving the high performance of long term stability as well as a high degree of hermetically packaging. To achieve the performance of stability, it was decided to develop a wafer level fusion bonding on the silicon wafers as well as anodic bonding on the reference glass wafer. Both processes were successfully achieved in the project. Also, the target for an hermetically packaging by soldering the sensor stack into a header were successfully achieved together with an international partner, PINK in Germany. The outcome of the project will be the input for a new granted NRC project No.309362. The final results so far in the project, has also triggered an eager of potential customers like Honeywell and BAE systems to get samples for testing.

The primary target of STEGS is to make a significant contribution to a future green and safe air transport funded on creation of national values through a strong competence in using microsystem technology and manufacturing. STEGS targets to deliver best-in-class integrated transducer modules to the technical solution generally known as Full Authority Digital Engine Control (FADEC) for aircraft jet-engines. In this application, ultra high precision pressure sensors are the KEY for reduced fuel consumption; they enable optimized use of the engine that reduces wear over time, and they monitor the condition of the engine and give early warnings about potentially fatal failures. STEGS will place MEMSCAP in a good position in the aircraft industry value chain to provide cost-efficient transducer modules that are particularly robust in use, reliable in all kinds of weather conditions, have accuracy and long-term stability in the 100-ppm range, thereby answering exactly to the future needs of the avionics industry. A silicon-based microsystem technology platform for fabricating pressure sensors with best in class measurement accuracy and reliability will be the outcome of STEGS. The US companies AMETEK, BAE Systems, SpaceX and Nasa/JPL are pilot customers in the project and will all take part in testing the quality of the outcoming sensors. Estimated total opportunity for MEMSCAP to create national values by export of transducer modules is in the range 5700 mill. kr over a product lifetime of 20 years. STEGS is highly focused and partners in the project are MEMSCAP AS and SINTEF ICT. The general aspects of the microsystem technology platform from STEGS will also benefit the microtechnology industry in Norway as a whole and all customers of SINTEF ICT in the domains of enabling microsystem technologies, reliability physics and silicon wafer processing at MiNaLab.