Mikroskopisk forskning med store konsekvenser

– Mikrosystemer er til nytte for menneskene, sier Kari Schjølberg-Henriksen, som har jobbet med forskningsprosjektet ved Universitetet i Oslo, SensoNor og SINTEF. Det er ikke lett å sette seg inn i mikroteknologiens mysterier dersom man ikke er en kyndig fagperson. For å forklare Kari Schjølberg-Henriksens forskningsfelt må man se det i sammenheng: Mikroteknologi er teknologien for å produsere mikrosystemer, som igjen er grunnlaget for bittesmå sensor-aktuatorsystemer. Den kjappe utviklingen innenfor mikroteknologi skyldes i stor grad framgangen som skjer innenfor mikrosystemene, og det er dette som er Schjølberg-Henriksens forskningsfelt. Et mikrosystem er knøttlite, og du må oftest bruke et mikroskop for å se detaljene. Mikrosystemet omformer et fysisk signal, for eksempel et trykk, til et elektronisk signal. Deretter tolker elektronikkdelen dette signalet, og dersom det bestemmer at noe må fysisk gjøres, blir det gitt beskjed om dette til den delen som skal utføre arbeidet; en chip med aktuatorfunksjon.

Mindre, billigere, bedre

– Jeg pleier å beskrive sensor-aktuatorsystemet som dusjen du tar om morgenen. Du kjenner på vannet med én hånd, mens du justerer temperaturen med den andre, inntil den første hånden signaliserer at vannet er passe varmt. Menneskelige sensor-aktuatorsystemer kan være svært gode, men de små automatiserte kan i mange tilfeller være mer praktiske, sier Schjølberg-Henriksen.

I doktorgradsarbeidet har hun sett på hvordan integrerte mikrosystemer produseres og hvordan produksjonen kan forbedres. Avhandlingen tar utgangspunkt i at man vil gå fra et to-chip-system til et single-chip-system, eller et monolittisk system, som det også kalles. Dette betyr at mikroteknologi kan bli både mindre i størrelse, billigere og fungere bedre.

– I et single-chip-system er elektronikken og sensoren på samme brikke og produseres samtidig. Mange av prosessene i produksjonen er de samme, og man kan få driftsfordeler av å lage de to delene samtidig. I tillegg kan sensoren bli mindre og få bedre elektriske egenskaper. Et to-chip-system består av to fysisk atskilte brikker, en sensorbrikke og en elektronikkbrikke. Ofte er de laget på to forskjellige fabrikker. Fordelen med disse systemene er at de er mer fleksible, siden de to prosessene, sensor og elektronikk, ikke behøver å "ta hensyn" til hverandre, forklarer Schjølberg-Henriksen.

Mikrosystemer er uhyre små og lages i grunnstoffet silisium på laboratorier. I dag produseres veldig få single-chip-systemer, blant annet fordi de er vanskelige å innkapsle.

– Jeg har sett på hvordan single-chip-sensorer kan innkapsles enkelt og billig, uten at elektronikken tar skade av prosessen. Ingen har tidligere systematisk målt hvordan slike prosesser påvirker elektronikken. Dessuten er det ikke mange single-chip mikrosystemer i storskala-produksjon ennå, sier hun.

To typer innkapsling

I avhandlingen ser hun på to typer innkapsling som er vanlig å bruke i mikroteknologi: anodisk og plasmaaktivert skivebonding. Skivebonding er en innkapslingsmetode som må til for å beskytte mikrosystemene mot miljø, støy, sand og liknende. Disse to forskjellige prosessene er til forskjellig bruk. Anodisk bonding sammenføyer glass og silisium, mens plasmaaktivert bonding føyer sammen to skiver av silisium. Det er litt forskjellige krav til de to prosessene, og disse er dessuten bare to av utallige muligheter når det gjelder innkapsling. Spørsmålet Schjølberg-Henriksen stilte seg var: Tåler elektronikken disse prosessene; anodisk bonding og plasmaaktivert bonding? Og hvem av dem fungerer best, det vil si skader elektronikken minst? Gjennom målinger fant hun ut at silisiumoksidet ble elektrisk ladet av begge former for skivebonding, i tillegg til at elektronikken forurenses av natrium under anodisk bonding. Slik ladning og forurensning betyr at elektronikken tar skade av denne måten å innkapsles på.

Vil unngå skade

– De positive resultatene er at vi har forsket på strategier for å unngå skade og funnet noen prosesser som hindrer ødeleggelser. Vi vet nå hva som skjer med elektronikken når vi bruker disse to metodene. Vi har testet ut beskyttelse og funnet ut hva som virker, sier Schjølberg-Henriksen.

– Hva er spennende med å forske på mikroteknologi?

– Det er gøy fordi veien til anvendelse er kort. Jeg føler at arbeidet er meningsfylt, som for eksempel å bidra til bedre airbager. Norge er et foregangsland på feltet, mye på grunn av SensoNor, og jeg har vært heldig som har fått jobbet mye med dem.

– Hva håper du mikroteknologi kan brukes til?

– Jeg ønsker en industri som lager ting som er nyttige for folk. For eksempel slik at man kan diagnostisere sykdom tidligere og gjøre medisinske analyser raskere og billigere. Doktorgraden min høres sikkert ut som en liten ting å forske på, men all sånn forskning er å legge en brikke i et større puslespill. Slik tar man et viktig skritt i retning av det man ønsker å finne ut.