Capteur de débit par "surface channel technology"

Swift & Stable, Proven & Precise

Le 5 avril 2022, Bronkhorst a lancé un nouveau produit unique : le FLEXI-FLOW. Cet instrument multi-paramètres est capable de mesurer et contrôler à la fois le débit de gaz et la pression tant amont qu’aval, tout en mesurant la température. La combinaison de toutes ces fonctions en un seul instrument compact est exceptionnelle. Pour la fabrication de cet instrument, Bronkhorst a eu recours à la "Surface Channel Technology" – ou technologie de gravure de surface –, qui permet la réalisation d’un capillaire de mesure sur puce.

Mais qu’est-ce qui rend cette technologie si spéciale et comment Bronkhorst est-elle parvenue à transférer cette nouvelle technologie vers un produit commercialisable ? Wouter Sparreboom est architecte systèmes intégrés au sein du département R&D de Bronkhorst. À ce titre, il a participé aux premières étapes de développement de ce produit révolutionnaire, baptisé FLEXI-FLOW. Wouter nous décrit les étapes pour parvenir à un nouveau produit pouvant être mis sur le marché.

Capillaire de mesure de débit pour la surface channel technology

Pourquoi avez-vous lancé le développement de ce nouveau produit ?

"La technologie de gravure de surface a été mise au point à l’université de Twente, vers 2007. Il s’agit d’un exemple typique de recours à des semi-conducteurs afin de miniaturiser des systèmes et dans notre cas des capteurs de débit. Mais ce n’est qu’en 2013 que je me suis plongé dans ce sujet dans l’intention de mettre au point un nouveau produit commercialisable à partir de cette technologie unique."

Jarno Groenesteijn (à gauche) et Jack van Putten (à droite) au Nanolab de l'Université de Twente

"À l’époque, les instruments les plus réputés de notre gamme étaient ceux de la série EL-FLOW. Nous étions convaincus que si nous parvenions à combiner la technologie éprouvée de la gamme EL-FLOW aux avantages de la « microtechnologie », nous pourrions développer un instrument de mesure de débit plus rapide, comptant davantage de fonctions intégrées (telles que des capteurs de pression), le tout avec le même faible encombrement.

Nous avions déjà acquis de l’expérience en microtechnologie lors de l’introduction, en 2004, du capteur anémométrique de débit massique thermique IQ+FLOW avec puce MEMS (Micro-Electro-Mechanical System), notre tout premier produit recourant à la microtechnologie."

"En 2020, j’ai initié un projet de développement avec quelques collègues de R&D. Notre équipe avait accès au Nanolab de l’Université de Twente, impliqué dans la fabrication des capteurs à puce. En collaboration avec la société PHIX Photonics Assembly, nous sommes parvenus à intégrer ces puces dans un module de capteur robuste.

Enfin, le 5 avril, Bronkhorst présentait le FLEXI-FLOW au reste du monde ; un exemple brillant d’une technologie unique à l'échelle académique convertie en un remarquable produit."

Penchons-nous davantage sur cette fameuse technologie…

Qu’est-ce que la Surface Channel Technology ?

"La ‘Surface Channel Technology’ (Technologie de gravure de surface) consiste à graver des sillons sur la surface d’un substrat en silicium à l’aide de plasma de densité élevée. Ensuite, un dépôt de couche mince de nitrure de silicium est réalisé sur la surface de ces sillons, cette couche riche en silicium est d’environ 1 micromètre d’épaisseur et elle est effectuée au moyen du procédé de dépôt chimique en phase vapeur basse pression (LPCVD). Les sillons ainsi recouverts sont convertis en capillaires en suspension, grâce à l’élimination par gravure du silicium autour du revêtement de nitrure de silicium."

Capteur à puce basé sur la technologie TCS

Elément à écoulement laminaire (LFE) et capteur de débit TCS en configuration "by-pass"

"Le procédé de LPCVD se déroule à une température élevée d’environ 800 °C. Une fois refroidi à température ambiante, le nitrure de silicium, dont le coefficient d’expansion thermique est légèrement supérieur à celui du silicium, se contracte davantage que le silicium et entre dans un état de tension qui améliore les propriétés mécaniques des capillaires. Qui plus est, le nitrure de silicium est un composé à haute résistance chimique, ce qui contribue à la solidité et à la polyvalence du capteur. Comme le nitrure de silicium est un isolant électrique, les résistances à film métallique situées au-dessus des capillaires sont isolées galvaniquement du produit gazeux à l’intérieur.

C’est cette technologie qui a été utilisée pour développer le capillaire de mesure de débit."

Pouvez-vous nous en dire plus sur ce capillaire de mesure ?

"Le cœur de l’instrument de débit massique FLEXI-FLOW consiste en un capteur de débit monté en dérivation du canal principal du gaz. Ce capteur consiste essentiellement en deux capillaires droits en nitrure de silicium, présentant chacun un diamètre de 100 micromètres et une épaisseur de paroi de 1 micromètre. Des résistances enveloppées d’un film métallique et sensibles à la température sont situées au-dessus et jouent le rôle de convecteurs de chaleur et de capteurs de température.
Durant l’utilisation, le gaz pénètre dans les capillaires, est chauffé par les convecteurs et sa température est ensuite mesurée à un point fixe en aval. Le gaz, en régime laminaire, transporte cette chaleur à l’intérieur des capillaires, la différence de température (ou sa différence de potentiel) est une mesure directe du débit du gaz."

"Ce capteur de débit a été breveté par Bronkhorst et porte le nom de Trough Chip Sensor – TCS technology. On obtient un capteur de débit stable et rapide, basé sur une construction en "by-pass" éprouvée, amenant une mesure fiable et précise du débit. Ce capteur remplace le capteur traditionnel avec tube capillaire. Le slogan du FLEXI-FLOW fait d’ailleurs référence à ses propriétés : "Swift & Stable, Proven & Precise" (rapide et stable, éprouvé et précis)."

Quels avantages les clients tireront-ils d’un instrument utilisant ce capteur ?

Un délai de réponse rapide

"La rapidité est un atout important de cette nouvelle technologie. Habituellement, dans les capteurs de débit massique thermiques recourant au principe de dérivation, on utilise de petits tubes en acier au temps de réponse d’1 seconde minimum".

Le nouveau régulateur de débit de gaz FLEXI-FLOW (à droite) est très compact

Le nouvel instrument FLEXI-FLOW (à droite) est très compact

"Grâce aux propriétés des matériaux ainsi qu’aux dimensions de ce nouveau capteur, les petits capillaires en nitrure de silicium du FLEXI-FLOW présentent une masse thermique très faible, ce qui signifie que les capillaires se réchauffent et se refroidissent très vite. On profite ainsi d’un temps de réponse très rapide, de l’ordre de quelques millisecondes."

Swift & stable, proven & precise

"Pour fabriquer ces capillaires de mesure, on a recours à la technologie MEMS". Un capteur à puce de dérivation éprouvé (Through Chip Sensor – TCS) est utilisé et remplace le capteur traditionnel à tube métallique. On obtient ainsi une mesure du débit fiable et extrêmement précise."

Collaboration avec l’Université de Twente

"Dans les années 1980, le laboratoire de capteurs et actionneurs (S&A-lab) de l’Université de Twente a fait d’importantes avancées en microtechnologie. La miniaturisation était déjà devenue un thème important pour les applications en laboratoire, et les capteurs de débit ne faisaient pas exception. En 1990, Theo Lammerink a présenté avec succès, à l’université de Twente, sa thèse de doctorat portant sur un projet de recherche autour des capteurs de débit thermique basés sur des microsystèmes électromécaniques (MEMS), jetant ainsi les bases d’un éventuel développement d’une technologie de gravure de surface.

C’est environ à la même époque qu’ont eu lieu les premiers contacts entre l’université et Bronkhorst. Joost Lötters et Wybren Jouwsma ont visité l’université et se sont entretenus sur le sujet… marquant les prémices du développement d’un fantastique produit : le FLEXI-FLOW."

Un capteur de débit révolutionnaire grâce à la "surface channel technology"