Flow sensor met surface channel technologie

Swift & Stable, Proven & Precise

Op 5 april 2022 heeft Bronkhorst een nieuw en uniek product gelanceerd: de FLEXI-FLOW. Dit multi-parameter instrument kan zowel de gasflow als de druk upstream en downstream meten en regelen, terwijl het tegelijkertijd ook de temperatuur meet. Deze combinatie in één compact instrument is uniek. Voor de ontwikkeling van dit instrument is gebruikgemaakt van ‘surface channel technology’ en het resultaat is een op een chip gebaseerde capillaire flowsensor.

Wat maakt deze technologie zo speciaal, en hoe heeft Bronkhorst op basis van deze nieuwe technologie een vermarktbaar product ontwikkeld? Wouter Sparreboom is System Architect Embedded Systems bij Bronkhorst R&D. Hij was in een vroeg stadium betrokken bij de productontwikkeling van deze revolutionaire productlijn die FLEXI-FLOW is gedoopt. Wouter geeft uitleg over het ontwikkelingsproces tot een daadwerkelijk verkoopbaar nieuw product:

apillaire flowsensor voor surface channel technologie

Wat gaf voor jou de aanzet tot de ontwikkeling van dit nieuwe product?

“Surface channel technology is rond 2007 ontwikkeld op de Universiteit Twente. Deze technologie is een typisch voorbeeld van het gebruik van halfgeleiderprocessen om systemen – in ons geval flowsensoren – sterk te verkleinen. Pas in 2013 ben ik er dieper in gedoken met het idee om op basis van deze unieke technologie een nieuw product te maken.”

Jarno Groenesteijn (links) & Jack van Putten (rechts) in het Nanolab van de Universiteit Twente

“De populairste instrumenten in ons productportfolio indertijd waren de massflowmeters en massflowregelaars van de EL-FLOW-serie. Wij wisten zeker dat, als we de bewezen technologie van deze EL-FLOW-serie zouden kunnen combineren met de voordelen van ‘microtechnologie’, we een sneller flowinstrument zouden kunnen ontwikkelen met meer geïntegreerde functies (zoals druksensoren) en toch dezelfde compacte footprint.

We hadden al ervaring opgedaan met ‘microtechnologie’ met de introductie van de IQ+FLOW anemometrische thermische flowsensoren met MEMS (Micro-Electro-Mechanical System)-chips in 2004. Ons eerste product met ‘microtechnologie’.”

“In 2020 heb ik samen met een aantal R&D-collega’s een ontwikkelingsproces opgestart. Ons team had toegang tot het NanoLab van de Universiteit Twente, dat betrokken is bij de fabricage van de TCS-technologie (Through Chip Sensor). In samenwerking met PHIX Photonics Assembly konden we de chips ‘packen’ in een robuuste sensormodule.”

En op 5 april was het zover: toen liet Bronkhorst de wereld kennismaken met de FLEXI-FLOW, een succesvol voorbeeld van hoe een unieke academische technologie kan worden omgezet in een verkoopbaar product.”

Laten we die technologie eens nader bekijken …

Wat is Surface channel technologie?

“Bij surface channel technology worden er met behulp van plasma met hoge dichtheid kanaaltjes geëtst in het oppervlak van een silicium substraat. Vervolgens wordt de binnenoppervlakte van deze kanaaltjes op een gecontroleerde manier gecoat met een siliciumrijk laagje siliciumnitride met een egale dikte van zo’n 1 micrometer, met behulp van een LPCVD-proces (Low Pressure Chemical Vapor Deposition). Van deze gecoate kanaaltjes worden losse siliciumnitride buisjes gemaakt door het silicium rondom de siliciumnitridecoating weg te etsen.”

capillary flow sensor for surface channel technology

Laminair flowelement en flowsensor met TCS-technologie in bypass-configuratie

“Het LPCVD-proces vindt plaats bij een hoge temperatuur van zo’n 800 °C. Doordat siliciumnitride een iets hogere warmte-uitzettingscoëfficiënt heeft dan silicium, krimpt het bij afkoeling tot kamertemperatuur harder dan het silicium. Daardoor komt het onder spanning te staan en dat komt de mechanische eigenschappen van de losse buisjes ten goede. Bovendien heeft silicium een hoge chemische bestendigheid, wat bijdraagt tot de robuustheid en brede inzetbaarheid van de sensoren. Omdat siliciumnitride een elektrische isolator is, zijn de op de buisjes gesputterde metalen weerstanden galvanisch gescheiden van de gassen in de buisjes.

Deze technologie werd gebruikt voor de ontwikkeling van de capillaire flowsensor.”

Kun je ons iets vertellen over de capillaire flowsensor?

“Het hart van het FLEXI-FLOW mass flow instrument wordt gevormd door een capillaire flowsensor, die als bypass op het hoofdkanaal voor de gas flow wordt gezet. Twee rechte siliciumnitridebuisjes, elk met een doorsnede van 100 micrometer en een wanddikte van 1 micrometer, vormen de kern van deze sensor. Temperatuurafhankelijke metalen weerstanden op de buisjes fungeren als verwarmingselementen en temperatuursensoren.
Tijdens het gebruik stroomt er gas door de buisjes, dat wordt verwarmd door de verwarmingselementen. Vervolgens wordt op een precieze plek downstream de temperatuur van het gas gemeten. Het stromende gas transporteert deze warmte, en in de laminaire flow binnenin de buisjes is het temperatuurverschil (of het daarvan afgeleide spanningsverschil) recht evenredig met de gas flow.”

“Deze gepatenteerde flowsensortechnologie van Bronkhorst heet Through Chip Sensor – TCS technology. Ze levert een snelle en stabiele flowsensor op in een bewezen bypass-constructie voor een betrouwbare en nauwkeurige flowmeting. TCS-technologie vervangt de traditionele capillaire buissensor. De slogan van FLEXI-FLOW verwijst hier ook naar: swift & stable, proven & precise (snel en stabiel, bewezen en nauwkeurig).”

Welke voordelen kan een instrument met deze flowsensor hebben voor gebruikers?

Snelle responstijd

“Een belangrijk voordeel van deze nieuwe technologie is snelheid. In thermische massflowsensoren met het bypass-principe werden altijd kleine stalen buisjes gebruikt met een responstijd van 1 seconde of nog meer.

Nieuwe gas-flowregelaar: FLEXI-FLOW instrument (rechts) is zeer compact

Het nieuwe FLEXI-FLOW instrument (rechts) is heel compact

Dankzij de materiaaleigenschappen en hun afmetingen hebben de piepkleine siliciumnitridebuisjes in de FLEXI-FLOW een heel lage thermische massa, wat betekent dat de buisjes heel snel opwarmen en afkoelen. Daarmee worden snelle responstijden van enkele milliseconden mogelijk.”

Swift & stable, proven & precise

“Deze capillaire flowsensoren worden gemaakt met behulp van MEMS-technologie. Snelle en stabiele ‘Through Chip Sensors’ (TCS) in onze bewezen bypass-constructie vervangen de traditionele sensoren met metalen buisjes. Dit zorgt voor een betrouwbare en uiterst nauwkeurige flowmeting.”

Samenwerking met de Universiteit Twente

“In de jaren 80 heeft het laboratorium voor sensoren en actuatoren (S&A-lab) van de Universiteit Twente een solide basis gelegd voor ‘microtechnologie’. Miniaturisering was al een belangrijke trend geworden voor laboratoriumtoepassingen, en flowsensoren vormden daarop geen uitzondering. In 1990 promoveerde Theo Lammerink aan de Universiteit Twente op een onderzoeksproject naar thermische flowsensoren met MEMS-technologie. Hij legde daarmee de grondslag voor de ontwikkeling die uiteindelijk zou uitmonden in surface channel technology.

Rond die tijd kwamen ook de eerste contacten tussen de universiteit en Bronkhorst tot stand. Joost Lötters en Wybren Jouwsma bezochten de universiteit en begonnen gesprekken over dit onderwerp.
Dit was het begin van de ontwikkeling van een nieuw product: FLEXI-FLOW.”

Revolutionaire flowsensor met surface channel technologie