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表面通道技术新型流量传感器

2022年8月9日 Bronkhorst

快速&稳定,可靠&精确

2022年4月5日,Bronkhorst推出新品:FLEXI-FLOW系列。该多参数仪表可测量和控制气体流量和上下游压力也可测量温度。该仪表采用 “表面通道技术”,形成了基于芯片的毛细管流量传感器。

该技术有何特别之处?Bronkhorst如何将这项技术发展成适合市场的产品?Wouter SparreboomBronkhorst研发中心的嵌入式系统构架师。他参与了FLEXI-FLOW的早期产品开发。Wouter介绍了从产品开发到成为适合市场的产品的过程:

表面通道技术新型流量传感器

为什么开始开发这个新产品?

“表面技术是2007年左右在特温特大学开发的。这项技术是使用半导体工艺小型化系统的典型例子——流量传感器。直到2013年,我才深入研究这一问题,目的是利用这项技术制造出适合市场的产品。”

Jarno Groenesteijn (左) & Jack van Putten (右) 在 特温特大学的Nanolab实验室 “当时,Bronkhorst产品组合中广受欢迎的仪表是EL-FLOW系列。我们深信如果能将EL-FLOW系列的成熟技术和“微技术”的优势结合起来,可开发更快、集成更多功能(例如压力传感器)同时很紧凑的仪表。

Bronkhorst自2004年推出Bronkhorst首款“微技术”产品IQ+FLOW MEMS芯片热式传感器以来不断积累“微技术”方面的经验。

“2020年,我与几位研发同事启动了开发项目。我们团队走进特温特大学的Nanolab实验室,参与芯片传感器制造。通过与PHIX Photonics Assembly合作,我们将芯片集成到坚固的传感器模块中。

4月5日,Bronkhorst全球发布FLEXI-FLOW,成功将学术技术转化为适合市场的产品。”

什么是表面通道技术?

“表面通道技术包括使用高密度等离子体蚀刻到硅衬底上的表面通道。通道内表面采用低压化学气相沉积(LPCVD)以受控的方式涂覆约1微米均匀厚度的致密富硅氮化硅层。通过蚀刻氮化硅涂层周围的硅将涂层通道转化为独立的氮化硅毛细管。”

表面通道技术新型流量传感器
旁路配置中的层流原件和TCS技术流量传感器 “LPCVD过程发生在约800℃高温下。冷却至室温后,热膨胀系数略高于硅的氮化硅收缩强度超过硅,进入受拉伸状态,提高了毛细管的机械性能。氮化硅具有高度的耐化学性,有助于传感器的坚固性和多功能性。氮化硅是电绝缘体,毛细管顶部的金属电阻器与内部的气体介质电隔离。

该技术用于研发毛细管流量传感器。”

您能介绍一下毛细管流量传感器吗?

FLEXI-FLOW质量流量仪表的核心是毛细管流量传感器,以旁路的形式集成于主气体流量通道。传感器由两条直径为100微米、壁厚为1微米的直型氮化硅毛细管组成。顶部的金属电阻作为加热器和温度传感器。

操作过程中,气体进入毛细管,加热器进行加热,然后在下游特定位置测量气体温度。流动的气体会传递热量,在毛细管内的层流状态下,通过温差(或其电压差)直接测量气体流量值。”

“Bronkhorst获得该流量传感器专利,称之为TCS技术。其可提供快速稳定的流量传感器,应用于旁路结构中,实现可靠和准确的流量测量。可替代传统毛细管传感器。FLEXI-FLOW:快速稳定,精准可靠。”

用户如何从使用此流量传感器的仪表中获益?

快速响应

“快速(速度)是这项新技术的重要优势。传统旁路原理的热式质量流量传感器响应时间在1秒或更长。”

新型FLEXI-FLOW仪表(右)相当紧凑 “得益于材料性能和尺寸,FLEXI-FLOW中的微小氮化硅毛细管的热容量非常低,意味着毛细管的加热和冷却速度非常快。使得以毫秒为单位的快速响应时间成为可能。”

快速稳定,精准可靠

“MEMS技术用于制造此类毛细管传感器。在旁路结构中应用快速稳定TCS技术可取代传统金属管传感器,实现稳定精准的流量测量。”

与特温特大学合作

“20世纪80年代,特温特大学的传感器和执行器研究部门为‘微技术’奠定了坚实的基础。小型化已成为实验室应用的重要趋势,流量传感器也不例外。1990年,Theo Lammerink在特温特大学成功完成了其MEMS热式流量传感器博士研究项目,为最终研发表面通道技术奠定基础。

大约在同一时期,Bronkhorst 与特温特大学建立了联系。Joost Lötters 和 Wybren Jouwsma参观了这所大学,交流对话间种下了Bronkhorst流量计的种子。

于是,才有今天这款适合市场的产品 FLEXI-FLOW。”

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