Nieuwe flowtechnologieën met geïntegreerde sensorfunctionaliteit

Bronkhorst High-Tech B.V. ontwikkeld een ‘toolbox’ om klanten vereenvoudiging en integratie van hun flowprocessen voor gas, vloeistof en damp te kunnen bieden.

Egbert van der Wouden
Cover Image

Wereldwijd streven onze klanten naar vereenvoudiging en integratie van hun flowprocessen voor gas, vloeistof of damp. Ze zijn op zoek naar compacte, robuuste en betrouwbare geïntegreerde platforms, in sommige gevallen zelfs met verschillende typen sensoren.

In dit blog geef ik een voorproefje van de ‘toolbox’ waar Bronkhorst High-Tech B.V. momenteel aan werkt. Met een van de onderdelen hiervan, de micro-Coriolis-massflowsensor, hebt u al kennis gemaakt in ons vorige blog, Miniaturization to the extreme (Miniaturisatie tot het uiterste).

Waarom een ‘toolbox’ van de volgende generatie ontwikkelen?

Dagelijks merken we dat onze klanten behoefte hebben aan miniaturisatie en aan een tool waarmee ze uiteenlopende parameters kunnen regelen om aan de strenge eisen van hun eigen klanten te voldoen. Het gaat dan om bedrijven op het gebied van levenswetenschappen en fabrikanten van analytische apparatuur, maar ook om het online meten van gasconcentratieniveaus.

Technologie op basis van MEMS

Naar aanleiding van dergelijke verzoeken zijn we geavanceerde sensoren gaan ontwikkelen die beantwoorden aan de toekomstige behoeften van onze klanten. Het gaat hier om technologie op basis van MEMS (Micro Electro Mechanical System), waarmee je in één maatwerksysteem naast stroomsnelheid ook andere parameters kunt meten, en waarbij sprake kan zijn van één sensor of een combinatie van sensoren.

Afbeelding 1: voorbeeld van het gecombineerd meten van parameters Voorbeeld van het gecombineerd meten van parameters

Aan de hand van een gemeten fysische eigenschap kan bijvoorbeeld het type medium worden bepaald (als die eigenschap ten minste uniek is voor dat medium). Als het medium uit twee gassen bestaat, kan aan de hand van een eigenschap de verhouding van de twee delen van het mengsel worden vastgesteld.

Andere parameters waaraan kan worden gedacht zijn het suikergehalte (de Brix-waarde) van een vloeistof, of de warmtecapaciteit waarmee de verhouding olie-water in een mengsel kan worden gemeten.

Dit zijn in het kort de nieuwe concepten waarmee we onze klanten willen helpen hun toekomstige technologische uitdagingen aan te gaan.

Sensorchip voor meerdere parameters

Een voorbeeld van een aanleiding voor een programma voor het verkleinen van apparatuur: Bronkhorst kreeg samen met een aantal partners het verzoek om een aantal fysische gaseigenschappen te meten. Deze eigenschappen waren:

  • warmtecapaciteit (cp)
  • dichtheid (ρ)
  • thermische geleidbaarheid (λ) en
  • viscositeit (η)

Voor het analyseren van deze eigenschappen waren meerdere afzonderlijke sensoren nodig, zoals een Coriolis-, warmte-, druk- en dichtheidssensor. Om te bewijzen dat de combinatie van meerdere sensoren en elektronica kon voldoen aan de behoeften van de klanten, werd een demonstatiemodel ontwikkeld. Dit model bevatte reeds bestaande producten die in één systeem werden gecombineerd.

Afbeelding 2: demonstratiemodel Demonstratiemodel

Met behulp van het demonstratiemodel kan het projectteam exact bepalen wat de mogelijkheden zijn voor een chip waarmee meerdere parameters gemeten kunnen worden.

Eén belangrijk aspect van de prestaties van sensoren is de stabiliteit, vooral wanneer meerdere sensoren worden gecombineerd om informatie over het medium in het systeem te verkrijgen. In de afbeelding hieronder is te zien dat de viscositeit kan worden gemeten met een combinatie van massflow, dichtheid en drukverschil. Met het hierboven afgebeelde demonstratiemodel hebben we getest of de viscositeit van een medium gedurende langere tijd nauwkeurig kan worden gemeten ongeacht veranderingen in de omgevingstemperatuur. Viscositeitsmetingen kunnen nuttig zijn voor bepaalde toepassingen, bijvoorbeeld wanneer viscositeit en verbrandingswaarde een sterke correlatie vertonen, zoals bij aardgas. Het onderstaande histogram toont de testresultaten voor een testperiode van 84 uur. Alle meetwaarden voor viscositeit blijken binnen een bandbreedte van 0,5 % te vallen.

Afbeelding 3: Testresultaat voor een testperiode van 84 uur Testresultaat voor een testperiode van 84 uur

De volgende stap is dezelfde functies te combineren op een veel kleiner oppervlak. In het onderstaande voorbeeld is te zien hoe de vereiste parameters op chipniveau kunnen worden gecombineerd.

Afbeelding 4: mogelijke toekomstige situatie Mogelijke toekomstige situatie

Flow-oplossingen van Bronkhorst®

Machinefabrikanten overal ter wereld willen hun gas-, vloeistof- of dampflowprocessen vereenvoudigen en integreren. Bronkhorst kan daar nu al aan bijdragen door flowoplossingen te ontwikkelen en leveren die 100% maatwerk zijn en dus volledig aan de behoeften van de klant voldoen.

Neem voor informatie over onze toekomstige toolboxconcepten contact op met ons kantoor (info@bronkhorst.nl)

De resultaten van dit co-creatieproces zijn in enkele eerdere blogs aan bod gekomen:

Klein, kleiner, kleinst: de micro-Coriolis massflowsensor

Klein, kleiner, kleinst: de micro-Coriolis massflowsensor

Wouter Sparreboom
Cover Image

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

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.

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 flow sensor

Coriolis flowsensor

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.

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.

Buis van de Coriolis-flowsensor

Buis van de Coriolis flowsensor

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. Houd de nieuwe blogs over deze technologie dus in de gaten!

Meer informatie over het gebruik van de MEMS-technologie in apparatuur voor gaschromatografie vind je in de blog van november van onze Engelse collega's.