Massenflussregler mit CMOSens®

Funktionsprinzip des CMOSens® Massenfluss-Sensors

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 nimmt das zugrunde liegende 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 entstandenen 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/D-Wandler 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 mit Hilfe des Temperatursignals eventuell auftretende Temperatureffekte. Anschließend werden die linearisierten Pakte 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 mit Hilfe zusätzlicher Elektronik die Reaktion des Sensors bereits in den Ansätzen der Signaländerung 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® Masseflusssensor thermisch rund 1'000 mal schneller reagiert und das erzeugte Signal auf dem CMOSens® -Chip alle 0.5ms 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 150ms. Die unten stehende Graphik zeigt einen Vergleich der Regelzeiten eines CMOSens® MFCs mit einem Gerät konventioneller Bauart.

Hochgenau und reproduzierbar

Das zweite wichtige Leistungsmerkmal eines MFC s 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 typischerweise eine Offsetstabilität von <0.01%FS/y. Deshalb erreichen CMOSens® -MFC Genauigkeiten von 0.8%SP im Bereich 10%-100% FS oder je nach Bedarf noch mehr.

Dieser hohe dynamische Bereich zwingt zum Umdenken bei der Auswahl und dem Einsatz eines entsprechenden Gerätes. Die Genauigkeit des Controllers wird in Prozenten des Sollwertes (%SP) statt in Prozenten des Endwertes (% FS) angegeben. D.h. ein und derselbe MFC kann hier für 400 sccm und 40 sccm verwendet werden und das jeweils immer mit einer Genauigkeit von 0.8% des Sollwertes. Bisher war beim Einsatz von Massenflussregler konventioneller Technologie für jeden Bereich ein eigenes, entsprechend kalibriertes Gerät notwendig.

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 Edelstahlgehäuse mit integriertem Strömungskanal und 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. Das erklärt unter anderem auch die unter härtesten Einsatzbedingungen bewiesene sehr hohe Zuverlässigkeit der CMOSens® Feuchtesensoren.

Neuer Massenfluss-Regler CMOSens PerformanceLine