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Miniaturisation à l'extrême : micro-capteur de débit massique Coriolis

30 janvier 2018 Wouter Sparreboom
Technologie MEMS (microsystème électromécanique)

Dans cet article, je souhaite parler du développement d’un instrument Coriolis basé sur MEMS - un capteur de débit massique Coriolis permettant de mesurer des débits extrêmement faibles indétectables pour tout autre capteur Coriolis. « MEMS » signifie : microsystème électromécanique. 

​Technologie MEMS (microsystème électromécanique)

La technologie MEMS est similaire à la technologie utilisée dans les semi-conducteurs si ce n’est qu’elle s’applique aux capteurs et aux composants mécaniques miniatures plutôt qu’aux puces électroniques. La technologie MEMS est notamment utilisée dans les capteurs pour airbags, les têtes d’impression, les capteurs de pression, les microphones, les boussoles, les accéléromètres, les gyroscopes et les oscillateurs. Par exemple, les smartphones contiennent beaucoup de composants MEMS et l’utilisation de capteurs de débit thermiques est très répandue dans les systèmes de climatisation.

Wafers, des disques extrêmement plats
Wafers, des disques extrêmement plats

Les puces MEMS se composent de wafers. Les wafers sont des disques extrêmement plats fabriqués en silicium ou en verre. Un wafer standard affiche une épaisseur de 0,5 mm et un diamètre de 6 pouces (15 cm). La technologie MEMS consiste à accumuler des couches puis à les éliminer dans certaines zones. Les couches appliquées peuvent être composées de matériaux robustes et de haute qualité. Le nitrure de silicium fait partie de ces matériaux. Il peut être appliqué par dépôt chimique en phase vapeur basse pression (LPCVD) laquelle est réalisée à environ 800˚C.

La photolithographie est utilisée pour définir les zones à éliminer. Elle consiste à déposer une couche de résine photosensible sur la surface du wafer. La résine photosensible voit sa composition chimique altérée lorsqu’on soumet sa surface à un rayonnement de lumière avant de la plonger dans une solution de développement pour éliminer des zones précises.

Capteur de débit Coriolis
Capteur de débit Coriolis

Avantages d’un capteur Coriolis

La plupart des capteurs de débit MEMS reposent sur un principe de mesure thermique. Des études ont démontré que ces capteurs sont capables de mesurer des débits liquides aussi faibles que quelques nanolitres par minute. Principaux avantages : ils sont rapides et très fiables. Principal inconvénient : il faut les calibrer pour chaque fluide.

Un capteur de débit Coriolis, c’est-à-dire un capteur de débit contenant un tube vibrant dans lequel le débit massique est soumis aux forces Coriolis, ne présente pas ce type de problème. Les forces Coriolis sont directement proportionnelles au débit massique et indépendantes de la température, de la pression, du type de débit et des propriétés du fluide car les capteurs de débit Coriolis mesurent le véritable débit massique.

Les débitmètres Coriolis sont généralement utilisés pour mesurer des débits importants (>1 kilogramme par heure) car les forces Coriolis relativement faibles sont plus difficiles à détecter pour les faibles débits. Pour accroître la sensibilité en vue de mesurer les débits ultra faibles (2 grammes par heure), la taille du capteur et l’épaisseur de la paroi du tube doivent être minimisées à l’extrême, ce qui n’est pas possible avec les méthodes d’usinage traditionnelles de l’acier inoxydable.

C’est là que la technologie MEMS entre en jeu. Le processus « surface channel technology » (technologie de gravure profonde) que nous avons développé en étroite collaboration avec l’université de Twente permet de fabriquer des tubes avec une paroi en nitrure de silicium d’1 micromètre d’épaisseur. Ce matériau confère une stabilité mécanique à ces tubes en dépit de l’extrême finesse de la paroi.

Tube du capteur de débit Coriolis. La résonance du tube est induite par la force de Lorentz. La force Coriolis Fc résulte du débit massique Φm qui traverse le tube.
Tube du capteur de débit Coriolis. La résonance du tube est induite par la force de Lorentz. La force Coriolis Fc résulte du débit massique Φm qui traverse le tube.

​Principe opérationnel du capteur Coriolis MEMS

Le principe opérationnel du capteur Coriolis MEMS est illustré dans la photo 3. Le capteur intégré dans le modèle de démonstration est basé sur cette technologie. Le modèle de démonstration peut mesurer et contrôler des débits de gaz et de liquide de 0,01 à 2 grammes par heure.
Autre avantage de la technologie MEMS, le tube Coriolis qui se trouve à l’intérieur de l’instrument affiche des dimensions si petites que la fréquence de résonance du tube se trouve dans la gamme des kHz. Cela se traduit par une plus faible sensibilité aux vibrations externes que celle des instruments Coriolis conventionnels en acier inoxydable.

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