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Miniaturisierung extrem – der neue Coriolis-Massendurchflusssensor im Mikromaßstab

30. Januar 2018 Wouter Sparreboom
MEMS (Micro Electro Mechanical System) Technologie

In diesem Blog möchte ich über die Entwicklung eines MEMS-basierten Coriolis-Instrumentes berichten, dem derzeit kleinsten Massendurchflussmesser der Welt. MEMS ist die Abkürzung für Micro Electro Mechanical System. Dieses einzigartige Coriolis-Gerät ist ab sofort für Feldversuche verfügbar.

MEMS (Micro Electro Mechanical System) Technologie

Die MEMS-Technologie ähnelt der Halbleitertechnologie, wird aber bei Sensoren und mechanischen Miniaturbauteilen anstelle von elektronischen Chips eingesetzt. Bekannte Anwendungen der MEMS-Technologie sind Airbagsensoren, Tintenstrahlköpfe, Drucksensoren, Mikrophone, Kompasse, Beschleunigungssensoren, Gyroskope und Zeitbasis-Oszillatoren. Beispielsweise enthält ein Smartphone eine Vielzahl von MEMS-Komponenten. Thermische Strömungssensoren sind zum Beispiel in Klimaanlagen weit verbreitet.

Waferplatten, extrem flache kreisförmige Scheiben
Waferplatten

MEMS-Chips werden aus Wafern hergestellt. Wafer sind extrem flache, kreisförmige Scheiben aus Silizium oder Glas. Ein typischer Wafer hat eine Dicke von 0,5 mm und einen Durchmesser von 6 Zoll. In der MEMS-Technologie werden nun funktionale Schichten auf den Waver aufgebracht und diese dann partiell entfernt, so dasseine Bauteil-Struktur auf der Oberfläche des Wafers entsteht. Die aufgetragenen Schichten können aus sehr hochwertigen und robusten Materialien bestehen. Siliziumnitrid ist ein Beispiel für ein solches Material, das durch LPCVD-Verfahren (Niederdruck-Chemische Gasphasenabscheidung) bei 800°C aufgebracht wird.

Mit Hilfe der Fotolithographie werden die zu entfernenden Bereiche definiert. Bei der Photolithographie wird eine Schicht aus Photolack auf der Oberfläche des Wafers abgeschieden. Der Fotolack wird chemisch verändert, indem Licht auf seine Oberfläche fällt und selektiv in einer Entwicklungslösung entfernt.

MEMS-Coriolissensor
MEMS-Coriolissensor

Die Vorteile eines Coriolis-Sensors

Die meisten MEMS-Durchflusssensoren basieren auf einem thermischen Messprinzip. Es hat sich gezeigt, dass solche Sensoren in der Lage sind, den Flüssigkeitsstrom bis auf wenige Nanoliter pro Minute zu messen. Der Vorteil dieser Sensoren ist, dass sie schnell und sehr stabil sind. Ein Nachteil ist allerdings, dass sie für jede spezifische Flüssigkeit kalibriert werden müssen. Ein für Wasser kalibrierter Sensor ist also nicht für andere Fluide einsetzbar.

Ein Coriolis-Durchflusssensor, d.h. Durchflusssensoren mit einem schwingenden Rohr, in dem ein Massenstrom Corioliskräften ausgesetzt ist, haben dieses Problem nicht. Die Coriolis-Kräfte sind direkt proportional zum Massenstrom und unabhängig von Temperatur, Druck, Strömungsprofil und Fluideigenschaften. Coriolis-Durchflusssensoren messen den realen wahren Massendurchfluss. 

Coriolis-Durchflussmesser werden meist zur Messung größerer und sehr großer Durchflussmengen (>1 Kilogramm pro Stunde) eingesetzt, da die relativ schwachen Coriolis-Kräfte bei kleinen Durchflüssen entsprechend schwerer zu erfassen sind. Um eine ausreichende Empfindlichkeit für die Messung von extrem niedrigen Durchflüssen unter 2 Gramm pro Stunde zu erreichen, müssen die Sensorgröße und die Rohrwandstärke auf ein Minimum reduziert werden. Dies ist bei der konventionellen Bearbeitung von Edelstahl nicht möglich.

Hier kommt die MEMS-Technologie ins Spiel. "Surface Channel Technology", ein Verfahren, das wir in enger Zusammenarbeit mit der Universität Twente entwickelt haben, ermöglicht die Herstellung von Rohren mit 1 Mikrometer dünnen Siliziumnitrid-Wänden. Durch die Wahl des Materials sind diese Rohre auch bei dieser extrem dünnen Wandstärke mechanisch stabil.
 

Der Coriolissensor: Das Sensorrohr wird über Lorenzkräfte in Resonanz gebracht. Die Corioliskraft Fc ist das ERgebnis des Massenflusses Φm durch das Röhrchen.
Bild 3: Der Coriolissensor: Das Sensorrohr wird über Lorenzkräfte in Resonanz gebracht. Die Corioliskraft Fc ist das ERgebnis des Massenflusses Φm durch das Röhrchen.

Das Arbeitsprinzip eines MEMS-basierten Coriolis-Massendurchflusssensors

In Bild 3 wird das Funktionsprinzip des MEMS-basierten Coriolis-Sensors erläutert. Der Sensor, der in das Demo-Modell eingebaut ist, basiert auf dieser Technologie. Das Instrument kann Gas- und Flüssigkeitsdurchsätze von 0,01 bis 2 Gramm pro Stunde messen und regeln.

Ein weiterer Vorteil der MEMS-Technologie ist, dass die Coriolis-Röhre im Inneren des Instruments so klein dimensioniert ist, dass die Resonanzfrequenz der Röhre im kHz-Bereich liegt. Dies führt zu einer geringeren Anfälligkeit für externe Vibrationen als bei herkömmlichen Coriolis-Instrumenten aus Edelstahl.
 

  • Informieren Sie sich über aktuelle Neuigkeiten zum Thema MEMS-Technologie in unseren Blogs!
  • Lesen Sie mehr über den Einsatz der MEMS-Technologie in Gaschromatographiegeräten in unserem November-Blog von Dion Oudejans.

MEMS-Technologie in GC-geräten

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