Durchflusssensor mit Surface Channel Technology

Swift & Stable, Proven & Precise

Am 5. April 2022 präsentierte Bronkhorst mit dem FLEXI-FLOW ein neues und einzigartiges Produkt. Dieses Multiparameter-Messgerät kann nicht nur Gasdurchflüsse sowie Vor- und Nachdruck messen und regeln, sondern auch die Temperatur messen. All das mit nur einem flexiblen Instrument! Dies ist die Zukunft der Massendurchflussregelung. Bei der Entwicklung dieses Instruments kam die ‚Surface Channel Technology‘ zum Einsatz. Das Resultat ist ein Kapillardurchflusssensor auf Chipbasis.

Was macht diese Technologie so einzigartig? Und wie ist es Bronkhorst gelungen, mithilfe dieser neuen Technologie so ein revolutionäres Instrument zu entwickeln? Wouter Sparreboom ist System Architect für Embedded Systems in der F&E-Abteilung von Bronkhorst. Er war bereits seit der Frühphase der Produktentwicklung der neuen FLEXI-FLOW-Serie beteiligt. Heute berichtet er über den Prozess und wie unser neuestes Instrument zustande gekommen ist.

Kapillardurchflusssensor für die Surface Channel Technology

Wie hat die Entwicklung eines neuen Instruments angefangen?

„Die ‚Surface Channel Technology‘ wurde zirka 2007 an der Universität Twente entwickelt. Typischerweise wird diese Technologie in Halbleiterverfahren eingesetzt, um Systeme – in unserem Fall Durchflusssensoren – auf ein Minimum zu reduzieren. Ich habe mich seit 2013 genauer mit diesem Thema befasst, weil ich auf Basis dieser Technologie ein marktfähiges Produkt entwickeln wollte.“

Jarno Groenesteijn (links) & Jack van Putten (rechts) im Nanolab der Universität Twente

„Zu dem Zeitpunkt waren die Instrumente der EL-FLOW-Serie die beliebtesten Produkte in unserem Portfolio. Wir waren überzeugt, dass wir – sollte es uns gelingen, die bewährte Technologie dieser EL-FLOW-Serie mit den Vorteilen der ,Mikrotechnologie‘ zu kombinieren – ein schnelleres Durchflussmessgerät mit mehr integrierten Funktionen (wie Drucksensoren) entwickeln könnten, das dieselbe kompakte Bauweise hat.

Wir haben bereits erste Erfahrungen mit der ,Mikrotechnologie‘ gemacht, als wir 2004 den IQ+FLOW - einen Durchflusssensor mit anemometrischem MEMS (Micro-Electro-Mechanical System)-Chip - eingeführt haben. Das war unser erstes Produkt, in dem ,Mikrotechnologie‘ zum Einsatz kam.“

„2020 haben wir eine Entwicklungsprojektgruppe gestartet. Dabei arbeiteten wir zusammen mit dem NanoLab der Universität Twente, das an der Herstellung der ,Through Chip Sensors‘ beteiligt ist. Gemeinsam mit PHIX Photonics Assembly ist es uns gelungen, die Chips in ein robustes Sensormodul zu integrieren.“

Nun präsentierte Bronkhorst der Fachwelt den FLEXI-FLOW. Ein erfolgreiches Beispiel für eine einmalige akademische Technologie, aus der ein marktfähiges Produkt entstanden ist.

Sehen wir uns die Technologie einmal genauer an:

Was ist ‚Surface Channel Technology‘?

"Die ‚Surface Channel Technology‘ besteht aus Oberflächenkanälen, die mithilfe von hochdichtem Plasma in ein Siliziumsubstrat geätzt werden. Anschließend werden die Innenflächen dieser Kanäle in einem Niederdruck-Gasphasenbeschichtungsverfahren (LPCVD) kontrolliert und mit dichtem Siliziumnitrid beschichtet, das eine einheitliche Dicke von 1 Mikrometer aufweist. Indem das Silizium, das die Siliziumnitrid-Schicht umgibt, weggeätzt wird, werden die beschichteten Kanäle in frei hängende Siliziumnitridkapillaren umgewandelt.“

Laminar-Flow-Element und Durchflusssensor mit TCS-Technologie in einer Bypass-Konstruktion

„Das LPCVD-Verfahren findet bei einer hohen Temperatur von etwa 800 °C statt. Nachdem das Siliziumnitrid, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient leicht über dem von Silizium liegt, auf Raumtemperatur abgekühlt ist, schrumpft es stärker als Silizium und erreicht einen gespannten Zustand, der die mechanischen Eigenschaften der frei hängenden Kapillaren verbessert. Ferner ist Siliziumnitrid äußerst chemikalienbeständig, was zur Robustheit und Vielseitigkeit des Sensors beiträgt. Da Siliziumnitrid eine elektrische Isolierfähigkeit besitzt, werden die aufgedampften Metallwiderstände auf den Kapillaren galvanisch von den gasförmigen Medien an der Innenseite getrennt.

Diese Technologie kam bei der Entwicklung des Kapillardurchflusssensors zum Einsatz.“

Wie funktioniert der Kapillardurchflusssensor?

„Das Herz des FLEXI-FLOW-Massendurchflussgeräts ist ein Kapillardurchflusssensor, der als Bypass zum Hauptgasstrom dient. Im Wesentlichen besteht dieser Sensor aus zwei geraden Siliziumnitrid-Kapillaren, die jeweils einen Durchmesser von 100 Mikrometer und eine Wandstärke von 1 Mikrometer haben. Temperaturabhängige Metallwiderstände an der Oberseite dienen als Wärmequelle und Temperatursensoren.
Beim Betrieb tritt Gas in die Kapillaren ein und wird erwärmt, anschließend wird die Gastemperatur an einer festen Austrittsposition gemessen. Die Wärme wird vom Gasdurchfluss transportiert, während der Temperaturunterschied (beziehungsweise die resultierende Spannungsdifferenz) in der laminaren Strömung in den Kapillaren direkt die Gasdurchflussrate wiedergibt.

Bronkhorst hat diesen Durchflusssensor patentiert unter den Namen Through Chip Sensor (TCS- Technology). Dabei handelt es sich um einen schnellen und stabilen Durchflusssensor, der in einem bewährten Bypass-Konstruktion, für eine zuverlässige und exakte Durchflussmessung angewendet wird. Der Sensor ersetzt den herkömmlichen Kapillarrohrsensor. Unser Slogan für den FLEXI-FLOW spiegelt diese Eigenschaften: Swift & stable, proven & precise.“

Welche Vorteile hat der Durchflusssensor?

Kurze Reaktionszeit

„Geschwindigkeit ist ein bedeutender Vorteil dieser neuen Technologie. Üblicherweise nutzen thermische Massendurchflusssensoren nach dem Bypass-Prinzip kleine Stahlröhrchen mit einer Reaktionszeit von 1 Sekunde oder mehr.

Neuer kompakter Gasdurchflussregler: FLEXI-FLOW-Gerät (rechts)

Das neue kompakte FLEXI-FLOW Instrument (rechts)

Aufgrund der Materialeigenschaften und der Abmessungen haben die winzigen Siliziumnitrid-Kapillaren im FLEXI-FLOW eine sehr geringe thermische Masse, sodass sich die Kapillaren sehr schnell erhitzen und wieder abkühlen. Das ermöglicht schnelle Reaktionszeiten im Millisekundenbereich.“

Swift & stable, proven & precise

„Die MEMS-Technologie kommt bei der Herstellung dieser Kapillardurchflusssensoren zum Einsatz. Ein schneller und stabiler „Through Chip Sensor“ (TCS) in unserer bewährten Bypass-Konstruktion ersetzt den herkömmlichen Metallrohrsensor. Das Resultat ist eine zuverlässige und äußerst präzise Durchflussmessung.“

Kooperation mit der Universität Twente

„In den 80-er Jahren legte die Forschungsabteilung für Sensoren und Aktuatoren der Universität Twente eine solide Basis für die ,Mikrotechnologie‘. Miniaturisierung hatte sich zu einem bedeutenden Trend für Laboranwendungen entwickelt, was sich auch auf Durchflusssensoren auswirkte. 1990 promovierte Theo Lammerink erfolgreich mit seinem Forschungsprojekt zu thermischen MEMS-Durchflusssensoren an der Universität Twente, diese Arbeit bildete die Grundlage für die Entwicklung der Surface Channel Technology.

Ungefähr zur gleichen Zeit wurden die ersten Kontakte zwischen der Universität Twente und Bronkhorst geknüpft. Joost Lötters und Wybren Jouwsma besuchten die Universität und tauschten sich über dieses Thema aus. So begann die Entwicklung eines marktfähigen Produkts…den FLEXI-FLOW.“

Revolutionärer Durchflusssensor dank Surface Channel Technology