Gasströmungssensoren mit CMOSens

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Gasströmungssensoren mit
CMOSens®-Technologie
Seit über 30 Jahren ist die thermische Massenflussmessung mit Drahtwicklungen um eine kleine Stahlkapillare der Standard in der genauen Messung und
Dosierung von Gasflüssen. Die neue CMOSens®-Technologie von Sensirion
nimmt das zugrundeliegende erfolgreiche physikalische Messprinzip auf und
integriert einen miniaturisierten Sensor zusammen mit der gesamten hochpräzisen Auswerteschaltung auf einem einzigen CMOS Mikrochip. Im Zusammenspiel mit einem speziell entwickelten Sensor-Packaging entsteht so zu tieferen
Kosten ein System, das mit einer höheren Regelgeschwindigkeit und einer
deutlich höheren Genauigkeit einen eigentlichen Quantensprung in der Massenflussmessung darstellt.
Für die Integration eines thermischen
Strömungssensors auf einem Siliziumchip wurde für die CMOSens® Gasströmungssensoren ein aufwendiger,
aber robuster Ansatz gewählt: Von hinten wird eine nach vorne geschlossene, druckstabilisierte und mit Glas
passivierte Membran in den Siliziumchip geätzt. Die plane Glasoberfläche
verhindert, dass sich Schmutz festsetzen kann. Gleichzeitig erlaubt die
druckfeste Membran mit einer entsprechenden Hinterlüftung den Einsatz selbst bei harten Druckstößen.
Auf dieser druckstabilen Membran
wird in der Mitte ein steuerbares Heizerelement und symmetrisch davon
jeweils aufwärts und abwärts in Strömungsrichtung je ein Temperatursensor aufgebracht. Jede Strömung über
dieser Membran verursacht eine thermische Verfrachtung der Wärme zum
stromabwärts gelegenen Temperatursensor und generiert somit durch die
entstandene Temperaturdifferenz ein
präzise messbares Signal. Dank der
geringen thermischen Masse der
Membran reagiert der Sensor in nur
1.7 ms (1/e) auf Änderungen der Gasströmung.
Auswerteelektronik auf
dem Chip integriert
Die auf demselben Chip integrierte
und patentierte CMOS-Auswerteschaltung erlaubt eine programmierbare, hochgenaue Verstärkung und
Auswertung des erzeugten analogen
Sensorsignals. Typischerweise misst
ein CMOSens® Gasströmungssensor
so eine Sensorspannung von nur
500 nV langzeitstabil und störungsfrei.
Zwei ebenfalls integrierte 16-bit A/DWandler digitalisieren die Signale des
Strömungssensors und des zusätzlichen Temperatursensors in Paketen
von 0.7 ms.
Die integrierte, nachgeschaltete digitale 20-bit Linearisierungseinheit korrigiert bei jedem Messpaket die
Nichtlinearität des Strömungssensors
und kompensiert mithilfe des Temperatursignals eventuell auftretende
Temperatureffekte.
Anschließend werden die linearisierten Pakete über eine programmierbare Dauer gemittelt. So entsteht ein
sehr schnelles und hochgenaues Sensorsignal. Der CMOSens® Chip kann je
nach Bedarf mit einem digitalen oder
analogen Ausgang betrieben werden.
Kurze Regelzeiten
Ein entscheidendes Leistungskriterium bei thermischen Massenflussreglern ist die Regelgeschwindigkeit. Da
bei konventionellen thermischen Massenflussreglern (MFC) das Sensorelement typischerweise eine Reaktionszeit von einigen Sekunden hat, wird
bei guten MFCs zur Beschleunigung
der Regelzeit mithilfe zusätzlicher
Elektronik die Reaktion des Sensors
bereits in den Ansätzen der Signalän-
SENSOR MAGAZIN 1/2015 27
MIKRO-NANO-INTEGRATION
▲ Prinzip des thermischen Strömungssensors.
▲ R
egelzeit des Sensirion Massenflussreglers im Vergleich
zu konventionellen Sensoren.
▲ Massenflussregler SFC5400 von Sensirion.
derung analysiert und der mögliche
Endwert im Voraus abgeschätzt. Das
ergibt schnellere Regelzeiten im Bereich von knapp einer Sekunde für
den Preis höherer Systemkosten und
tieferer Reglerstabilität.
Da ein CMOSens® Massenflusssensor
thermisch rund 1'000 mal schneller
reagiert und das erzeugte Signal auf
dem CMOSens®-Chip alle 0.5 ms linearisiert und temperaturkompensiert
wird, kann direkt und viel schneller
geregelt werden.
Ein CMOSens® MFC erreicht so auch
bei konservativer und sehr stabiler
Regeldynamik Regelzeiten von weniger als 50 ms.
Hochgenau und reproduzierbar
Das zweite wichtige Leistungsmerk-
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mal eines Massenflussreglers ist seine
Genauigkeit und die zugrundeliegende Reproduzierbarkeit.
Besonders wichtig sind dafür die Stabilität und die Störresistenz der Auswerteschaltung sowie die Offsetfreiheit des Sensors. Durch die Symmetrie des Sensorelementes und die auf
dem Sensorchip integrierte offsetkompensierte Auswerteschaltung erreichen CMOSens® Gasströmungssensoren eine sehr hohe Offsetstabilität.
Zuverlässig und sicher
Zwei Schwachstellen der auf Silizium
integrierten Flowsensoren waren bisher die Druckfestigkeit und die Dichtheit des Sensorgehäuses (Packaging).
Parallel zu den CMOSens® Strömungssensoren wurde deshalb ein Edel-
stahlgehäuse mit vakuumdichten
Glasdurchführungen für die elektrischen Kontakte entwickelt. Die Technik der Glasdurchführungen hat sich
bereits in der Vakuumtechnik für sehr
dichte und inerte Gehäuse bestens
bewährt. Damit können jetzt Gasströmungssensoren aus Silizium vollständig in Edelstahl eingeschweisst werden.
Als Dichtmaterialien kommen nur Glas
und vergoldete Stifte zum Einsatz. Die
Zuverlässigkeit eines elektronischen
Gerätes wird weitgehend durch die
Anzahl der elektrischen Kontakte
bestimmt.
Der elektrische Kontakt einer schlechten Lötstelle kann sich mit der Zeit
drastisch verschlechtern. Insbesondere bei schwachen analogen Signalen
führt das schnell einmal zu einem
Totalausfall des Gerätes.
Bei CMOSens®-Sensoren geschieht
die ganze analoge Signalverarbeitung
auf ein und demselben Chip. Die hat
den Vorteil, dass störanfällige Lötstellen für kleine analoge Signale entfallen.
► INFO
Kontakt:
Sensirion AG
Laubisruetistr. 50
8712 Staefa
Schweiz
Tel.: 044 306 40 00
Fax: 044 306 40 30
E-Mail: [email protected]
www.sensirion.com

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