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Miniaturisierte Low-cost-Strömungssensoren

25.03.2009 - (idw) Institut für Mikro- und Informationstechnik der Hahn-Schickard-Gesellschaft e.V. (HSG IMIT)

Besonders für kleine Durchflüsse in Gasen oder Flüssigkeiten eignen sich thermische Strömungssensoren sehr gut. Das HSG-IMIT hat nun neue Verfahren vorgestellt, wie sich solche Strömungssensoren miniaturisieren lassen, indem sowohl die Sensorelemente gemeinsam mit der Fluidführung direkt auf einem Chip integriert werden.
Thermische Strömungssensoren bestehen aus einem Sensorelement, das elektrisch beheizt wird, und das zusätzlich mit zwei Thermofühlern ausgestattet ist. Durch die Umströmung findet ein Wärmeaustausch mit dem Strömungsmedium statt, der neben anderen Faktoren auch abhängig vom Volumenstrom ist. Die am HSG-IMIT entwickelten Standard-Strömungssensoren, die nach diesem Prinzip arbeiten, sind in Silizium Technologie hergestellt. Nun hat man die Strömungssensoren so verkapselt, dass auch die Strömungskanäle direkt mit auf dem Chip untergebracht sind. Diese werden beispielsweise durch KOH-Ätzen direkt auf der Rückseite des Siliziumchips erzeugt. Eine weitere Möglichkeit, die größere Freiheiten im Design des Kanals erlaubt, ist die Realisierung des Kanals in dem Silikonelastomer PDMS. Dieses Verfahren zeichnet sich durch niedrige Kosten und eine hohe Flexibilität aus. Das Material besteht aus zwei Komponenten, die nach dem Mischen auf eine Silizium-Gussform aufgebracht werden. Nach dem Aushärten lässt sich das PDMS von der Form abziehen und auf das Sensorelement bonden. Die Untersuchungen haben gezeigt, dass mit diesen Methoden reproduzierbar Sensoren hergestellt werden können, die sehr kleine Durchflüsse bis zu 0,1 µl/min genau messen können. Mit den untersuchten Verfahren ist es möglich, sowohl einen guten Differenzdrucksensor, als auch einen Sensor zur Detektion geringster Durchflüsse mit hoher Auflösung und Reproduzierbarkeit zu realisieren.
Auch im Bereich der Sensorgehäuse konnten neue Wege beschritten werden. So wurde ein neues Gehäuse entwickelt, das aus einfachen Spritzgussteilen gefertigt werden kann und nicht verklebt werden muss. Dies ist von entscheidender Bedeutung in medizinischen Anwendungen, wo auf die Verträglichkeit der Materialien und Fügeverfahren geachtet werden muss. Zusammen mit der Miniaturisierung und der kostengünstigen Produktion ist dadurch eine Verwendung der Strömungssensoren als Einweg-Sensor in medizinischen Anwendungen denkbar.

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