– Idén att parallell- och serie­koppla flera resistanser på 12,9 kΩ har funnits länge men det är svårt att göra i praktiken, säger Hans He på forsknings­institutet Rise.

Varje koppling adderar både kontaktresistans och ledningsresistans. Om man dessutom skapar stora matriser med hundratals resistanser finns också risken att någon koppling eller resistans inte fungerar vilket även det försämrar noggrannheten.

– Ingen har lyckats med det innan vårt arbete.

Hans He är projektledare för det Vinnovafinansierade projektet Sugar, Supraledande grafen-arrayer, som fått 1,8 miljoner kronor för att ta fram grafenbaserade resistansnormaler med andra värden än just 12,9 kΩ.

Men först lite bakgrund.

Alla fysikaliska storheter i SI-systemet definieras sedan många år av olika kvantfenomen. För resistans är det kvanthall­effekten, som belönades med ett Nobelpris 1985. Den har exakt definierade resistansplatåer som kan används vid kalibrering. Hittills har man utgått från halvledarmaterial som galliumarsenid för att skapa dessa men en stor nackdel är att materialet måste kylas ned till –272 grader Celsius. Det konsumerar stora mängder flytande helium vilket både är komplicerat och dyrt. Med grafen räcker det med –269 grader Celsius. Den högre temperaturen kan uppnås med så kallade ”torra” kryostater. De använder fortfarande flytande helium med i en sluten cykel så heliumet slösas inte bort.

– De tre graderna innebär mycket praktiskt. Man kan göra portabla system och det är här nyttan för industrin kommer in.

Blir systemen portabla kan de transporteras till platsen där utrustningen som ska ­kalibreras finns vilket kortar tiden ­sys­temen inte kan användas. Indu­strin vinner också på att mätningarna blir mer noggranna eftersom de kan kalibrera sina instrument direkt mot primärnormalerna utan att gå igenom massor med mellanliggande kalibreringssteg.

Förutom att kylningen blir enklare dränks resistansplatåerna i grafen inte lika lätt av brus som med galliumarsenid. ­Materialet tillåter därmed betydligt högre temperaturer och högre strömmar.

Relativt få labb har dock gått över till grafen – som fick Nobel­pris så sent som 2010 – även om principen varit känd minst lika länge. Det krävs helt enkelt många år av testning innan man kan känna sig säker på att mätvärdena är korrekta.

Hans He

– Rise är en av de första som gått över till grafen tack vare att vi haft nära samarbete med Chalmers som varit drivande i utvecklingen. Jag kommer själv därifrån och fortsätter arbetet på Rise, säger Hans He.

Forskningsinstitutet har använt grafen som resistansnormal i ungefär tre år med ett fast värde nära 12,9 kΩ men det har länge funnits tankar på att skapa andra värden genom att bygga matriser bestående av många resistanser på 12,9 kΩ.

För ett och ett halvt år sedan beviljade Vinnova pengar till ett treårigt projekt tillsammans med Chalmers där Hans He doktorerade. Själva grafenet ­kommer dock från uppstartbolaget Grafensic i Linköping. Företaget har en metod som utgår från kiselkarbidsubstrat.

– De växer epitaxiell grafen vilket är det bästa sättet att få en stor monokristallin area med hög kvalitet. Och så behöver man inte överföra mellan substraten.

Ofta används kopparfolie och ångdeponi (CVD) vilket ger stora ytor men samtidigt har problemet med att grafenet måste lyftas loss från bäraren.

För ledarna används det supra­ledande materialet niob­nitrid vilket eliminerar ledningsresi­stansen. Dessutom ansluts ledarna till komponenterna med så kallade mutiterminella kopplingar som har ett antal ”fingrar” för att reducera själva kontakt­resistansen och öka tillförlitlig­heten i kopplingen.

Slutligen beläggs hela chippet med ett tjockt polymerlager för att kunna styra grafenets elektriska egenskaper.

Alla metoderna är utvecklade tillsammans med Chalmers och Linköpings universitet under många år.

– Vi är först i världen med att göra dessa stora grafenmatriser med 250 till 300 ihopkopplade komponenter.

Varje komponent är inte större än 150 µm.

Trots att det Vinnovafinansierade projektet bara kommit halvvägs går det redan att säga att tekniken fungerar och att de resistansnormaler som tillverkats har väldigt hög noggrannhet.

– Vi kan inte mäta någon avvikelse. Det handlar om 0,2 miljarddelar så det går nästan inte att mäta noggrannare. Dessutom har vi jämfört med etablerade normaler.

Nästa steg blir att göra fler och mer komplicerade matriser, men också att göra olika typer av matriser på samma chip. Då kan den som ska kalibrera välja mellan exempelvis 100 Ω, 1 kΩ och 10 kΩ i samma uppställning.

– Det ultimata är att göra programmerbara matriser.

Det tillåter att ­användaren väljer ett önskat värde på resistansen. Sedan kopplas ett lämpligt antal resistanser i ett tvådimensionellt nät. Det är samma utveckling som spänningsreferenserna tagit, där man också började med ett värde för att sedan få fram andra värden och slutligen ha programmerbara system.

För att få ut tekniken i industrin samarbetar Rise med det kanadensiska företaget Measurements International Limited.

– Vi har redan fått Vinnovapengar för samarbetet, som tillåter oss att göra lite mer kompakta utrustningar som kan användas direkt av industrin.

Rent praktiskt ska Rise ta fram matriser till företagets kommersiella system. Målet är att ha en prototyp framme inom ett år.

En sak som dock inte är helt löst är långtidsstabiliteten. Dagens galliumarsenidkomponenter har en livslängd på åtminstone 20 år medan grafen lever betydligt kortare om de inte lagras på rätt sätt i exempelvis vakuum, kvävemiljö eller syrefattig miljö.

Kalibreringsarbete handlar mycket om förtroende, att normalerna man använder har en lång serie av spårbara mätvärden som inte förändras.

Artikeln är tidigare publicerad i magasinet Elektroniktidningen. Prenumerera kostnadsfritt!

– Vi skall snart publicera nya resultat angående långtidsstabiliteten. Vi har tillsammans med Chalmers utvecklat enkla lagringsmetoder för grafenproverna som verkar hålla dem stabila i minst flera år.