Bronkhorst

Klein, kleiner, kleinst: de micro-Coriolis massflowsensor

30 Januari, 2018 Wouter Sparreboom
MEMS (Micro Electro Mechanical System) technology

In dit blog wil ik graag iets vertellen over de ontwikkeling van een Coriolis-instrument dat op de MEMS-technologie gebaseerd is. Wereldwijd is op dit moment geen enkel andere Coriolis-sensor in staat om zulke kleine flows te meten als deze sensor. MEMS is trouwens de afkorting van Micro Electro Mechanical System. En dit unieke Coriolis-instrument is sinds kort beschikbaar voor praktijktests.

MEMS-technologie

De MEMS-technologie is vergelijkbaar met de halfgeleidertechnologie, maar wordt voor sensoren en mechanische miniatuurcomponenten gebruikt en niet voor elektronische chips. Tot de bekende applicaties waarvoor de MEMS-technologie wordt gebruikt, behoren sensoren in airbags, inkjetprinterkoppen, druksensoren, microfoons, kompassen, acceleratiemeters, gyroscopen en time-base oscillatoren. Ook een smartphone bestaat uit talloze MEMS-componenten. Daarnaast worden thermische flowsensoren ook veel in airconditionings gebruikt.

Wafers, uiterst platte, ronde discs
Wafers, uiterst platte, ronde discs

MEMS-chips worden gemaakt van wafers. Wafers zijn uiterst platte, ronde discs die gemaakt zijn van silicium of glas. Een gemiddelde wafer is 0,5 mm dik en heeft een diameter van 6 inch (circa 15 cm). Bij de MEMS-technologie worden in bepaalde delen van de wafer lagen toegevoegd of verwijderd. De gebruikte lagen kunnen uit kwalitatief zeer hoogwaardige en robuuste materialen bestaan. Een voorbeeld van een dergelijk materiaal is siliciumnitride, dat wordt aangebracht via Low Pressure Chemical Vapor Deposition (LPCVD) bij een temperatuur van rond de 800˚C.

Om de betreffende delen af te bakenen, wordt gebruik gemaakt van fotolithografie. Bij deze techniek wordt een fotogevoelige laag (de fotoresist) op het oppervlak van de wafer aangebracht. De samenstelling van die fotoresist wordt vervolgens door middel van een chemisch proces aangepast door het oppervlak te belichten. Daarna wordt de laag deels weggespoeld met een ontwikkelvloeistof.

Coriolis flow sensor
Coriolis flow sensor

Voordelen van een Coriolis-sensor

De meeste MEMS-flowsensoren zijn gebaseerd op een thermisch meetprincipe. Aangetoond is dat dergelijke sensoren in staat zijn om zeer kleine vloeistofflows te meten (tot een paar nanoliter per minuut). Deze sensoren hebben het voordeel dat ze snel en zeer stabiel zijn. Een nadeel is dat ze voor elke nieuwe vloeistof opnieuw gekalibreerd moeten worden. Bij de Coriolis-flowsensoren (d.w.z. flowsensoren met een vibrerend buisje waarin een massflow blootgesteld wordt aan Coriolis-krachten) is dat opnieuw kalibreren niet nodig. De Coriolis-krachten zijn namelijk recht evenredig met de massflow en zijn onafhankelijk van de temperatuur, de druk, het flowprofiel en de vloeistofeigenschappen, aangezien Coriolis-flowsensoren de feitelijke massflow meten.

Coriolis-flowmeters worden meestal gebruikt voor het meten van grote debieten (>1 kilo per uur), omdat de relatief zwakke Coriolis-krachten kleine flows veel moeilijker kunnen detecteren. Om voldoende sensitiviteit te creëren om ultralage flows van minder dan 2 gram per uur te meten, moeten de afmetingen van de sensor en de dikte van de buiswanden tot een extreem minimum worden beperkt. Dat is met de conventionele productiemethode met roestvrij staal echter onmogelijk.

Hier komt de MEMS-technologie om de hoek kijken. In nauwe samenwerking met de Universiteit Twente hebben wij de 'surface channel technology' ontwikkeld. Hiermee kunnen buisjes worden geproduceerd met wanden van siliciumnitride met een 'dikte' van 1 micrometer. Zelfs met deze extreem dunne wanden blijven de buisjes dankzij het gebruikte materiaal mechanisch stabiel.

The Coriolis flow sensor tube. The tube is brought into resonance by Lorentz actuation. The Coriolis force Fc is a result of the mass flow Φm through the tube.
Buis van de Coriolis flowsensor

Werking van de MEMS-Coriolis-sensor

In afbeelding 3 wordt de werking van de MEMS-Coriolis-sensor verduidelijkt. De sensor die in dit demonstratiemodel is geïntegreerd, is gebaseerd op de MEMS-technologie. Het demonstratiemodel kan gas- en vloeistofdebieten meten en regelen van 0,01 tot 2 gram per uur.
De buis gaat resoneren door de Lorentzkracht. De Coriolis-kracht Fc is het resultaat van massflow Φm door de buis. Een bijkomend voordeel van de MEMS-technologie is dat de Coriolis-buis in het instrument zulke kleine afmetingen heeft dat de resonantiefrequentie van de buis in een kHz-orde van grootte ligt. Daardoor is dit instrument veel minder gevoelig voor externe trillingen dan de conventionele Coriolis-instrumenten van roestvrij staal.

Alvast een voorproefje van het volgende MEMS-blog: Surface channel technology

Dankzij de 'surface channel technology', die de basis vormt van de micro-Coriolis sensorchip, zijn ook andere sensortoepassingen mogelijk. Daarbij kan gedacht worden aan druksensoren, dichtheidssensoren, viscositeitssensoren en thermische massflowsensoren.


Lees meer informatie over het gebruik van de MEMS-technologie in apparatuur voor gaschromatografie in de onderstaande blog:

Lees meer over MEMS-technologie en gaschromatografie

Bronkhorst NEDERLAND

Lunet 10c
3905 NW Veenendaal
Tel. +31 (0)318 55 12 80
[email protected]

Copyright © 2021 Bronkhorst. All rights reserved.     Sitemap     Disclaimer     Privacy note