Forschungszentrum
Karlsruhe - Wissenschaftliche Berichte - FZKA 6710
Durchflusssensoren aus Kunststoff für sehr kleine
Volumenströme auf der Basis des AMANDA-Verfahrens
Dirk Dittmann, Zeno Rummler, Klaus Schlote-Holubek,
Werner K. Schomburg
Zusammenfassung
Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein mikromechanischer
Durchflusssensor für Flüssigkeiten und Gase auf Polymerbasis entwickelt,
hergestellt und charakterisiert.
Zu diesem Zweck wurden verschiedene Durchflussmessverfahren sowohl auf eine mögliche mikrotechnische Herstellung mit dem AMANDA-Verfahren untersucht als auch im Hinblick auf industriell geforderte Spezifikationen bewertet. In der Konzeptionsphase wurden dabei einige interessante Realisierungsmöglichkeiten erarbeitet, die ausführlich in dieser Arbeit beschrieben sind. Das thermisch anemometrische Funktionsprinzip, das die durchflussabhängige Leistungsabgabe eines elektrisch erwärmten Körpers an das ihn umströmende Fluid als Messsignal ausnutzt, wurde für die Realisierung des Sensors verwendet.
Für die Herstellung dieses Sensors musste ein wegen des Aufbaus mit verschiedenen Polymeren notwendiges temperaturunabhängiges Design des Funktionselements entwickelt werden. Aus diesem Grund wurde ein einseitig am Gehäuse befestigter und über einem Fluidkanal liegender Trägerkörper in Form einer Zunge entworfen, auf dem über dem frei beweglichen Teil eine mäanderförmige Leiterbahn appliziert wurde. Als Leiterbahnschutz wurde eine der Trägerkörpergeometrie und -dicke identische Schicht verwendet. Aufgrund dieser gestalterischen Maßnahmen wurde ein temperaturkompensiertes Funktionselement realisiert, das eine zusätzliche unerwünschte, das Messsignal verfälschende, thermische Dehnung der Leiterbahn verhindert.
Es wurden jeweils 50 Durchflusssensoren parallel produziert. Dabei wurden Gehäuseteile aus Polysulfon mit integrierten Fluidkanälen mit Hilfe der Heißprägetechnik gefertigt. Die Herstellung der Funktionselemente erfolgte durch eine photolithographische Strukturierung von Membranen sowie einen Aufdampfprozess. Der Trägerkörper und die Schutzschicht bestehen dabei aus jeweils 1,2µm dünnem Polyimid. Die Breite des Trägerkörpers wurde auf die jeweilige Fluidkanalbreite angepasst. Die zwischen den beiden Membranlagen befindliche Leiterbahn besteht aus Platin mit einer Breite von 2µm sowie einer Höhe von 100nm. Nach der Verbindung der im Nutzen hergestellten Sensorkomponenten sowie der anschließenden Sensorvereinzelung besitzt der Durchflusssensor die äußeren Abmaße von 5,5 x 4,5 x 1,2mm2.
Zur Charakterisierung des Sensors wurden fluidische Tests mit Wasser und Stickstoff durchgeführt. Dabei wurde für Wasser ein minimaler Volumenstrom von 0,1µl/min bei einer Temperaturerhöhung des Fluids von 6 Grad Celsius detektiert. Die Ansprechzeit des Sensors wurde mit 2,5ms gemessen. Aufgrund der kurzen Ansprechzeiten konnte eine im Pulsmodus arbeitende Sensorelektronik, die die Strömungsgeschwindigkeit sowie die das Messsignal beeinflussende Fluidtemperatur mit der selben Leiterbahn misst, eingesetzt werden. Die durch die messtechnische Bestimmung der Fluidtemperatur sowie das neu entwickelte Sensordesign erlangte Temperaturunabhängigkeit des Messsignals wurde durch Messungen nachgewiesen. Zur Ermittlung der Temperaturverteilung im Sensorelement wurden FEM-Rechnungen durchgeführt, deren Ergebnisse mit Hilfe von Infrarot-Wärmebilder bestätigt wurden. Damit steht eine rechnergestützte Methode zur Sensoroptimierung zur Verfügung.
Nachdem die Tragfähigkeit des Konzepts erfolgreich
nachgewiesen wurde, wurde ein Vergleich mit anderen mikromechanisch
hergestellten Durchflusssensoren durchgeführt. Aufgrund der unter anderem
kleinen messbaren Volumenströme, bei gleichzeitig geringer Temperaturerhöhung
des zu messenden Fluids, kann der in dieser Arbeit entwickelte Durchflusssensor
z. B. in der Medikamentendosierung oder der Bioanalytik eingesetzt werden.
A
micromechanical flow sensor for liquids and gases from polymer has been
developed, manufactured, and characterized.
Abstract
For
this purpose, various methods of flow measurement were examined with a view to
both the possibility of micro-manufacture by the AMANDA process and to the
specifications required by industry. A few interesting implementation
possibilities were elaborated in the conceptual design phase which are
described in detail in this paper. The principle of thermo-anemometry, which
uses as a measurement signal the power output as a function of flow, of a body
electrically heated to the surrounding fluid, was used for the practical design
of the sensor.
Due to the
use of different polymers in manufacturing the sensor, a
temperature-independent design of the functional element had to be developed.
For this reason, a support structure shaped like a reed was developed, which is
attached to one side of the housing above the fluid channel. A meandering
conductor strip was applied to this reed above the freely movable section. To
protect the conductor strip, a layer identical to the geometry of the support
structure and its thickness was used. As a result of these design measures, a
temperature-compensated functional element was constructed which prevents
unwanted additional thermal expansion of the conductor strip, which would
falsify the measured signal.
Fifty flow
sensors were produced in parallel. The housings were made by hot embossing of
polysulfone with integrated fluid channels. The functional elements were
produced by photo-lithographic patterning of membranes and by a vapor coating
process. The support structure and the protective coating both consist of 1.2
mm thick polyimide. The width of the support structure was adapted to the
respective width of the fluid channel. The conductor strip located between the
two membranes is made of 2 µm wide and 100 nm high platinum. After connecting
the sensor components, which are produced in batches, and subsequent
singulization of the sensors, the flow sensor outer dimensions are 5.5 x 4.5 x
1.2 mm3.
Fluidic
tests were carried out with water and nitrogen to characterize the sensor. For
water, a minimum volumetric flow rate of 0.1 µl/min was detected for a fluid
temperature increase of 6°C. The response time of the sensor was measured to be
2.5 ms. Due to the short response times, a sensor electronic system operating
in pulse mode was used, which measures the flow velocity and the fluid
temperature influencing the measured signal on the same conductor strip. The
independence of temperature of the measured signal achieved by the measurement
of the fluid temperature and by the newly developed sensor design was confirmed
in measurements. To determine the temperature distribution in the sensor
element, FEM calculations were carried out, whose results were confirmed by
means of infrared thermal imaging. In this way, a computer-supported method of
sensor optimization has been developed.
After the
successful demonstration of the feasibility of the concept, a comparison was
made with other flow sensors produced by micromechanical techniques. Because of
the low measurable volumetric flow rates accompanied by minor temperature
increases in the fluid to be measured, the flow sensor developed in this
activity can be used, e.g., in drug dosage or in bioanalytics.