Mäter enstaka elektroner Asicen som Imego utvecklar har i uppgift att detektera gyrots kapacitansförändringar samt excitera gyrot via en återkopplingsslinga. Gyrots kapacitansförändringar kan vara nere i attofaradområdet (10 -18F), vilket innebär att det är enstaka elektroner som ska räknas. Det är en oerhörd utmaning, då parasitkapacitanserna i omgivningen är betydligt större. Asicen innehåller en mycket känslig mätförstärkare och AD-omvandling, förutom återkoppling. A och O i konstruktionen är att asicen inte bidrar med något eget brus. För ändamålet har man därför valt en 5V-process med en kanallängd kring 0,35 um. Chipsstorleken blir cirka 3 x 3 cm. Bitströmmen ut från asicen återkopplas via en FPGA. I dagsläget utnyttjas FPGAn till tillämpningsanpassade funktioner som att styra bandbredd, förstärkning och känslighet hos gyrot. Avancerade tillämpningar kan även kräva en yttre signalbehandlingsplattform. Via FPGAn går det också att matcha gyrots excitations- och detektionsfrekvens. AW

Gyrot är en egen konstruktion som på grund av sin geometri kallas Butterfly. Utsignalen från gyrot är ytterst små kapacitiva förändringar, i storleksordningen några elektroner, som kräver en oerhört känslig mätförstärkare. Just nu arbetas det intensivt på Imego för att ta fram en asic som klarar att detektera signalen från sensorn och även styra sensorelementen.

- Vi är klara med konstruktionen på transistornivå. Nu jobbar vi med att göra själva layouten och simulera den, säger Gert Andersson på Imego, en av de tre som konstruerat Butterfly-gyrot.

I 30 manmånader har utvecklingsarbetet pågått och i maj ska konstruktionsunderlaget vara klart. Därefter tar halvledarföretaget Chartered Semiconductor över. Tillverkningen sker inom ett MPW-projekt (multi project wafer) och leveransen är planerad till augusti.

I dagsläget är det tre företag, förutom Imego, som finansierar utvecklingen av den sensornära asicen. Det är Saab Bofors Dynamics inom ramen för det nationella flygforskningsprogrammet NFFP, norska Sensonor och ett amerikanskt företag som tillverkar konsumentprodukter. Alla tre företag strävar efter att ta fram kompakta system som känner av hur ett objekt rör sig, men siktar på olika tillämpningar.

I samarbetsprojektet med Saab, kallat Munin, är det långsiktiga målet att utveckla ett nytt sensorkoncept - adaptiva sensorer - som kan användas i avancerade navigeringstillämpningar exempelvis i ett flygplan eller robotar. Grundtanken är att ett och samma sensorelement ska kunna anpassas till olika tilllämpningar med hjälp av signalbehandling och aktiv styrning av sensorelementet.

- I Munin-projektet försöker vi töja gränserna för vad man kan åstadkomma prestandamässigt med ett mikromekaniskt gyro, säger Gert Andersson

Imego konstruerar sensorn och tillhörande elektronik, medan Saab står för signalbehandlingen. När asicen är klar kommer utvecklingsplattformen i stort att bestå av gyro, asic, FPGA, mikroprocessor samt minne för att styra klockorna. Processorn fungerar främst som en administratör som håller koll på kommunikationen i systemet, medan FPGA-kretsens huvuduppgift är att återkoppla asicsignalen till sensorn.

Mäter rörelsen

Utmaningen just nu är, som sagt, att ta fram den känsliga sensornära asicen. Nästa utmaning är att implementera realtidsalgoritmer, vilket är Saabs huvuduppgift. I enklare tilllämpningar kan algoritmen läggas i den existerande FPGAn, medan mer kraftfulla beräkningar kommer att kräva en avancerad beräkningsplattform som kan bestå av flera signalprocessorer.

Det amerikanska företaget, som också är intresserat av sensorlösningen, har Imego jobbat med i snart två år. Imego har utvecklat ett system som mäter hur en kropp rör sig åt företaget och i april ska andra prototypgenerationen skeppas (se artikel i nästa nummer av Elektroniktidningen).

- Vi ska leverera tre-fyra kompletta rörelseföljningssystem som inkluderar gyron, accelerometrar och egenutvecklad diskret elektronik med tillhörande navigeringsprogramvara.

Företaget, som idag tillverkar konsumentprodukter som inte innehåller elektronik, ska använda prototyperna som verktyg i utvecklingsarbetet av de egna produkterna.

- Företaget har funderingar på att addera rörelseföljning i sina produkter i framtiden. Men då krävs det en betydligt mindre lösning. Därför är man nu med och utvecklar den sensornära asicen, säger Gert Andersson.

Även norska Sensonor har haft tajta band till Imego sedan en tid.

Inom kort börjar Sensonor att volymtillverka en liten komponent, kallad SAR10, vars uppgift är att känna av om en bil är på väg att välta.

Komponenten innehåller en sensor och en asic. Urkonstruktionen är framtagen på Chalmers i samarbete med Autoliv, sedan har Sensonor produktanpassat den och gjort den mindre och billigare.

Sensonors intresse i Imegos asic grundar sig på att den asic som idag används i SAR10 har begränsad prestanda. Sensorn klarar däremot betydligt mer avancerade tilllämpningar som exempelvis stabilitetskontoll av bilar.

Anna Wennberg