表面通道技術(shù)新型流量傳感器

2022年8月9日 Bronkhorst

快速&穩(wěn)定，可靠&準(zhǔn)確 2022年4月5日，Bronkhorst推出新品：FLEXI-FLOW系列。該多參數(shù)儀表可測量和控制氣體流量和上下游壓力也可測量溫度。該儀表采用 “表面通道技術(shù)”，形成了基于芯片的毛細(xì)管流量傳感器。該技術(shù)有何特別之處？Bronkhorst如何將這項(xiàng)技術(shù)發(fā)展成適合市場的產(chǎn)品？Wouter Sparreboom是Bronkhorst研發(fā)中心的嵌入式系統(tǒng)構(gòu)架師。他參與了FLEXI-FLOW的早期產(chǎn)品開發(fā)。Wouter介紹了從產(chǎn)品開發(fā)到成為適合市場的產(chǎn)品的過程：

為什么開始開發(fā)這個新產(chǎn)品？ “表面技術(shù)是2007年左右在特溫特大學(xué)開發(fā)的。這項(xiàng)技術(shù)是使用半導(dǎo)體工藝小型化系統(tǒng)的典型例子——流量傳感器。直到2013年，我才深入研究這一問題，目的是利用這項(xiàng)技術(shù)制造出適合市場的產(chǎn)品?！?/p>

	“當(dāng)時，Bronkhorst產(chǎn)品組合中廣受歡迎的儀表是EL-FLOW系列。我們深信如果能將EL-FLOW系列的成熟技術(shù)和“微技術(shù)”的優(yōu)勢結(jié)合起來，可開發(fā)更快、集成更多功能（例如壓力傳感器）同時很緊湊的儀表。 Bronkhorst自2004年推出Bronkhorst“微技術(shù)”產(chǎn)品IQ+FLOW MEMS芯片熱式傳感器以來不斷積累“微技術(shù)”方面的經(jīng)驗(yàn)。 “2020年，我與幾位研發(fā)同事啟動了開發(fā)項(xiàng)目。我們團(tuán)隊(duì)走進(jìn)特溫特大學(xué)的Nanolab實(shí)驗(yàn)室，參與芯片傳感器制造。通過與PHIX Photonics Assembly合作，我們將芯片集成到堅(jiān)固的傳感器模塊中。 4月5日，Bronkhorst全球發(fā)布FLEXI-FLOW，成功將學(xué)術(shù)技術(shù)轉(zhuǎn)化為適合市場的產(chǎn)品。”

什么是表面通道技術(shù)？ “表面通道技術(shù)包括使用高密度等離子體蝕刻到硅襯底上的表面通道。通道內(nèi)表面采用低壓化學(xué)氣相沉積（LPCVD）以受控的方式涂覆約1微米均勻厚度的致密富硅氮化硅層。通過蝕刻氮化硅涂層周圍的硅將涂層通道轉(zhuǎn)化為獨(dú)立的氮化硅毛細(xì)管。”

	“LPCVD過程發(fā)生在約800℃高溫下。冷卻至室溫后，熱膨脹系數(shù)略高于硅的氮化硅收縮強(qiáng)度超過硅，進(jìn)入受拉伸狀態(tài)，提高了毛細(xì)管的機(jī)械性能。氮化硅具有高度的耐化學(xué)性，有助于傳感器的堅(jiān)固性和多功能性。氮化硅是電絕緣體，毛細(xì)管頂部的金屬電阻器與內(nèi)部的氣體介質(zhì)電隔離。該技術(shù)用于研發(fā)毛細(xì)管流量傳感器?！?/p>

您能介紹一下毛細(xì)管流量傳感器嗎？ “FLEXI-FLOW質(zhì)量流量儀表的核心是毛細(xì)管流量傳感器，以旁路的形式集成于主氣體流量通道。傳感器由兩條直徑為100微米、壁厚為1微米的直型氮化硅毛細(xì)管組成。頂部的金屬電阻作為加熱器和溫度傳感器。操作過程中，氣體進(jìn)入毛細(xì)管，加熱器進(jìn)行加熱，然后在下游特定位置測量氣體溫度。流動的氣體會傳遞熱量，在毛細(xì)管內(nèi)的層流狀態(tài)下，通過溫差（或其電壓差）直接測量氣體流量值?！?/p> “Bronkhorst TCS技術(shù)可提供快速穩(wěn)定的流量傳感器，應(yīng)用于旁路結(jié)構(gòu)中，實(shí)現(xiàn)可靠和準(zhǔn)確的流量測量。可替代傳統(tǒng)毛細(xì)管傳感器。FLEXI-FLOW：快速穩(wěn)定，精準(zhǔn)可靠?！?/p>

用戶如何從使用此流量傳感器的儀表中獲益？快速響應(yīng) “快速（速度）是這項(xiàng)新技術(shù)的重要優(yōu)勢。傳統(tǒng)旁路原理的熱式質(zhì)量流量傳感器響應(yīng)時間在1秒或更長。”

	“得益于材料性能和尺寸，FLEXI-FLOW中的微小氮化硅毛細(xì)管的熱容量非常低，意味著毛細(xì)管的加熱和冷卻速度非常快。使得以毫秒為單位的快速響應(yīng)時間成為可能。” 快速穩(wěn)定，精準(zhǔn)可靠 “MEMS技術(shù)用于制造此類毛細(xì)管傳感器。在旁路結(jié)構(gòu)中應(yīng)用快速穩(wěn)定TCS技術(shù)可取代傳統(tǒng)金屬管傳感器，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定精準(zhǔn)的流量測量。”

與特溫特大學(xué)合作 “20世紀(jì)80年代，特溫特大學(xué)的傳感器和執(zhí)行器研究部門為‘微技術(shù)’奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。小型化已成為實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用的重要趨勢，流量傳感器也不例外。1990年，Theo Lammerink在特溫特大學(xué)成功完成了其MEMS熱式流量傳感器博士研究項(xiàng)目，為最終研發(fā)表面通道技術(shù)奠定基礎(chǔ)。大約在同一時期，Bronkhorst 與特溫特大學(xué)建立了聯(lián)系。Joost L?tters 和 Wybren Jouwsma參觀了這所大學(xué)，交流對話間種下了Bronkhorst流量計(jì)的種子。于是，才有今天這款適合市場的產(chǎn)品 FLEXI-FLOW?！?/p>