Mikrosystemtechnik

Thermischer Massenfluss Sensor

MFS 1

MFS Chip Übersicht -Membrane links: Referenz Widerstand (Rt) -Membrane rechts: Heiz Widerstand (Rh)

MFS 2

MFS-Chip-Querschnitt

MFS 3

Sensor-Charakteristik für kleine Flüsse in Luft

Anwendung

Thermische Massenfluss Sensoren können zur Messung gasförmiger Medien in verschiedenen Bereichen eingesetzt werden: in der Medizintechnik (künstliche Beatmung, Obstruktive Schlafapnoe), in der Prozesstechnologie (Mass Flow Controller) und in Lüftungs- und  Klimaanlagen, um nur ein paar zu nennen. Für die Messung in flüssigen Medien kann dieser Sensor in modifizierter Form und angepasster Messtechnik ebenfalls verwendet werden. Insbesondere kann er als kostengünstige Lösung der Zustandsüberwachung in (öffentlichen) Wasserversorgungsnetzen und Bewässerungssystemen dienen.

Methode

Das Kernelement dieses Fluss Sensors ist ein geheizter Draht (Rh), der einem Massenfluss ausgesetzt wird. Passiert dieser Fluss den heißen Draht, führt er Wärme ab. Dieser Wärmeverlust hängt ab von der Massenflussrate, der Wärmekapazität des Mediums und dem Temperaturunterschied zwischen Heißdraht und Medium. Ist die Wärmekapazität des Mediums bekannt  und wird die Temperatur in Echtzeit gemessen, kann der Massenfluss aus dem Wärmeverlust (bezogen auf die Widerstandsänderung des Heißdrahtes) und dem Temperaturkoeffizienten α des Drahtes bestimmt werden. Im „Constant Temperature Mode“ Betrieb wird die Temperatur des Heißdrahtes relativ zur Referenztemperatur mit Hilfe einer Wheatstoneschen Brücke konstant gehalten. Hierzu befindet sich ein zweiter Temperaturwiderstand (Rt) zur Messung der Medientemperatur auf dem Sensorelement. Die gemessene Stromänderung (oder Spannung) ist proportional dem Massenfluss. Es treten jedoch Abweichungen gegenüber einer linearen Abhängigkeit auf, die im sogenannten „Kings Law“ beschrieben werden. Dies kann durch entsprechende Signalaufbereitung ausgeglichen werden. Für die Richtungserkennung in gasförmigen Medien sind die Widerstände auf dem Chip doppelt ausgelegt, sodass die Heizwiderstände im geringen Abstand parallel angeordnet sind. Zusammen mit den Referenzwiderständen befinden sich zwei Halbbrücken auf dem Chip, die mit entsprechenden Widerständen eines Schaltkreises zur Messung  zwei komplette Wheatstonebrücken bilden. Jede Brücke stellt eine Spannungsänderung entsprechend der Änderung der Widerstandstemperatur als Antwort auf einen Massenfluss zur Verfügung. Die beiden Brückenspannungen unterscheiden sich gemäß den unterschíedlichen Abkühlungseffekten der beiden Heißwiderstände im Fluss. Die endgültige Signalauswertung erfolgt durch die Bildung des Differenzsignals: Δ (Δ U1 - Δ U2). Dieses Signal muss dann noch entsprechend kalibriert werden, das Vorzeichen des Signals zeigt die Richtung des Massenfluss an. Zusätzlich garantiert dieses Messverfahren eine weitgehende Unabhängigkeit von der Temperatur des Messmediums. Bei der Anwendung in Flüssigkeiten wird jedoch nur ein Heizer benötigt, der zweite kann zur gelegentlichen Bestimmung der Strömungsrichtung herangezogen werden.

Technologie

Die dünnen Drähte werden mit mikroelektronischen Fertigungsverfahren auf eine Membrane aufgebracht. Diese Membrane ist zusammengesetzt aus drei Einzelschichten – Siliziumnitrid, Siliziumdioxid und Siliziumnitrid. Diese Schichten werden abgeschieden in LPCVD (Low Pressure Chemical Vapour Deposition) Prozessen, sind hochstöchiometrisch, ohne Fremdeinschlüsse und langzeitstabil. Die Membranen werden durch anisotropes Ätzen in KOH Lösung erzeugt und zeigen geringen tensilen Stress, welches in hoher mechanischer Stabilität resultiert. Darüberhinaus ermöglicht die Membrane eine gute thermische Isolation der Heißdrähte zum Chiprahmen und ein schnelles Ansprechverhalten. Eine abschließende Passivierung mit Siliziumnitrid erfolgt in einem Plasma Enhanced CVD Prozess. Diese Passivierung  ist hochgradig inert gegenüber den meisten Umweltchemikalien und auch biokompatibel. Die Widerstände bestehen aus Titan, die mit Nanoschichten aus Titannitrid bedeckt sind, um Reaktionen des Titans mit umgebenden Medien zu verhindern. Diese Ti/TiN-Widerstände zeigen ein äußerst stabiles Langzeitverhalten und keine Drift durch elektrischen oder Temperaturstress. Der Sensor kann weitgehend mit Standard-MOS Prozessen in Halbleiterfertigungslinien hergestellt werden und ermöglicht so eine preisgünstige Massenfertigung.