Jste zde

Technologie CMOSens a její použití v senzorech průtoku

Antonín Vojáček, 5. Červenec 2007 - 23:22

V minulém článku o integrovaných multisenzorech vlhkosti & teploty byly zmíněny senzory firmy Sensirion. Ty využívají patentovanou výrobní technologii CMOSens, které dokáže implementovat celé senzory na jeden křemíkový chip. V nabídce jsou i zajímavé miniaturní průtokoměry plynů a kapalin. A právě ty jsou náplní následujících odstavců článku...

Již v dřívějších článcích o průtokoměrech na serveru automatizace.hw.cz byl popsán kalorimetrický měřící princip využívající přenosu (odvodu) tepla v závislosti na rychlosti proudění plynů nebo kapalin. Běžné senzory, který tento princip využívají, jsou obvykle realizovány diskrétními součástmi, topným tělískem a senzory teploty zabudovanými v měřící trubici a vyhodnocovací elektronikou na ně připojenou. Použitím technologie CMOSens je možné většinu bloků implementovat společně na jeden malinký křemíkový chip, který je buď zabudován přímo ve stěně průtokové trubky či trubice nebo dokonce může být instalován i na vnější straně pláště.

Technologie CMOSense

Již označení CMOSens naznačuje, že kompletní snímač i analogová a digitální vyhodnocovací elektronika takto označených senzorů je integrována na jednom společném standardním polovodičovém CMOS chipu. Snímací struktura je vytvářena prostřednictvím mikrosystémového obrábění, avšak jinak je založená na základech standardních procesů výroby CMOS obvodů a využívá standardních CMOS substrátů. Takto provedenými senzory lze přesněji měřit relativní vlhkost, teplotu, průtok či tlak. Jednochipové provedení senzoru, kde mezi snímačem a vyhodnocovací elektronikou jsou jen nepatrné vzdálenosti, garantuje zesílení analogových signálů ze snímačů a jejich digitalizace bez významného vlivu šumu a s velkou rychlostí. Tak je možné dosáhnout lepší přesnost, opakovatelnosti měření, menšího ofsetu a větší spolehlivosti.

Spolehlivost elektronických obvodů, přístrojů a zařízení, je totiž mimo jiné úměrná i počtu elektrických pájených propojení, jejichž kvalita se s časem a působícími okolními vlivy (teplota, vlhkost apod.) výrazně snižuje. Navíc se stále dost často vyskytují nedokonale provedené spoje. Čím více prvků je tedy integrováno společně na chipu, tím větší spolehlivost lze očekávat.

Další výhodou metody CMOSens je možnost integrace většího počtů různých senzorů na jeden chip a tak vytvořit kompaktní, inteligentní a spolehlivý multisenzor. Například integrace senzoru teploty může sloužit i pro přesnou kompenzaci teploty, která je často nežádoucí.

CMOSens senzory pro měření průtoku kapalin

Průtokoměry vytvářené technologií CMOSens jsou podobně jako většina obvyklých "velkých" senzorů průtoků založeny na kalorimetrickém principu měření. Tzv. využívá se zde změny rozložení teploty okolo topného elementu (heater) při různé rychlosti proudění měřeného média. Zatímco při neproudící stojaté kapalině se okolí ohřívá stejnoměrně na všechny strany, při jednosměrném průtoku dochází odnášení zahřáté kapaliny a ochlazování ve směru proudění. V tomto případě je za topným elementem teplejší kapalina než před ním (ve směru proudění), přičemž tento rozdíl je úměrní rychlosti proudění a množství kapaliny. Stačí tak jen měřit teplotu kapaliny či plynu v okolí topného tělesa pomocí teplotních senzorů (T-Sensors) a výsledek zpracovat (vypočítat) vyhodnocovací elektronikou.

Průtokoměr pro kapaliny se CMOSens senzorem (Sensor Chip) umístěným vně trubice (Tubing)

Narozdíl od běžných průtokoměrů jsou CMOSens senzory kompletně integrované v křemíku na jednom chipu, včetně topného elementu. Tím lze vše miniaturizovat a senzory teploty umístit velmi blízko topného tělíska. Díky tomu lze minimalizovat topný výkon a v důsledku toho i el. spotřebu a teplotní namáhání senzoru. Malinké vzdálenosti zkracují reakční dobu na rychlé změny (setrvačnost senzoru) a dovolují tak zaznamenat i velmi malé okamžité změny proudění.

CMOS senzor může být umístěn na vnější straně trubice, což zvyšuje spolehlivost a jeho konstrukce je nezávislá na složení měřené kapaliny

Řez uspořádáním průtokoměru s trubicí (2), ke které je z vnějšku připevněn senzor (1)

Samotný CMOSens senzor je realizován na substrátu (1), resp. na na tenké křemíkové membráně (8) opatřené pasivační dielektrickou vrstvou z nitridu nebo oxidu křemíku, aby bylo dosaženo mezi nimi co nejmenší tepelné i elektrické vodivosti a tedy se minimalizovala chyba měření a maximalizovala přesnost. Membrána (8) je realizována odleptáním spodní části bloku substrátu (7). Topný element (5) je realizován ve formě integrovaného rezistoru a teplotní snímače (6a, 6b) jsou přesné odporové tvořené meandrem.

Narozdíl od "klasických" průtokoměrů, kde jsou zdroj tepla i senzory teploty umístěny uvnitř trubice, kterou proudí měřené médium a tedy vystaveny korozivním či abrazivním účinkům, u zde uvedených integrovaných CMOSens průtokoměrů je celá měřící a snímací část umístěna mimo trubici, resp. umístěny externě a a dotýkají se vnější stěny trubice. Buď přímo nebo prostřednictvím dobře vodivého materiálu, jako jsou teplovodné pasty nebo pájky. Laboratořím firmy Sensirion se totiž podařilo zjistit, že při takto integrovaných miniaturních senzorech a při tloušťce stěny trubice do 0.5 mm již externí umístění zanáší do měření jen zanedbatelnou chybu v porovnání s výhodami v podobě delší životnosti a univerzálnosti průtokoměru. V tomto případě je totiž možné "prohánět" více různých látek různého složení jedním typem senzoru, což běžně není možné a průtokoměry mají speciální úpravy pro různé typy látek. Pro tyto účely jsou nejvhodnější kovové nebo skleněné potrubí, které dobře vedou teplo.

Uspořádání chipu CMOSens senzoru průtoku kapalin (1a-substrát, 5-topný element, 6a/6b-teplotní senzory,10-elektronika, 11- vývody)

Měřící část trubice (2) musí být v co nejlepším kontaktu se senzorem (1), resp. s membránou (8) obsahující snímače

Na stejném substrátu, jehož součástí je i uvedená membrána se snímači, je umístěna i kompletní řídící a vyhodnocovací elektronika (zesilovače, A/D převodník, digitální obvody atd.), včetně komunikačního rozhraní předcházející výstupním kontaktním ploškám. Řídící elektronika může pracovat v režimech napájení topného elementu konstantním proudem, napětím nebo tak, aby stále na sobě udržoval konstantní teplotu. Ze zjištěných rozdílů teplot teplotních snímačů je pak počítána absolutní hodnota průtoku i změn rychlosti proudění kapaliny.

V nabídce firmy Senserion jsou pak již kompletní průtokoměry tvořené průchozí měřící trubicí, ke které je již upevněn senzor a vyhodnocovací elektronika s připojovacím konektorem. Vše je odolně zapouzdřeno do kompaktního celku, jako je například ukázáno na senzoru ASL 1430-16.

Příklad blokového schéma elektrické struktury CMOSens průtokoměru kapalin řady EM1 firmy Sensirion

Senzory pro měření průtoků plynů

Senzory pro měření rychlosti průtoků plynů je trošku odlišný, i když využívá stejné metody měření, tzn. kalorimetrického principu, i prakticky stejné struktury a provedení chipu. Rozdíl o proti výše popsaným průtokoměrům pro kapaliny je v nemožnosti použít externí umístění snímací části, protože plyn je obvykle narozdíl od kapalin dobrý tepelný izolant. Proto je zde nutné použít tradiční uspořádání s přímým umístěním topného elementu společně se senzory dovnitř trubice, což vzhledem k miniaturnímu provedení senzoru není problém. CMOSens senzor pro měření průtoku plynu totiž lze zabudovat přímo do stěny trubky či trubice, aniž by to bylo zvenku patrné. Na následujícím obrázku je příklad zabudování do stěny trubičky z nerezové oceli. Stačí k tomu prostor délky 2.8 mm.

Základní provedení plynového průtokoměru se zabudovaným CMOSens senzorem ve stěně měřící trubice

Pomocí technologie CMOSens však lze udělat i speciální netypická kompaktní provedení různých tvarů. Příkladem může být následující provedení senzoru SFC4000. Ten neobsahuje trubici jako takovou, ale kanál (Flow Channel) "vydlabaný" do masy hliníku (Aluminium Body), který je neprodyšně "přiklopen" hliníkovým protikusem s osazeným CMOSens chipem. Ten tak tvoří vlastně jednu celou stěnu kanálu. Vedle kanálu pro průchod plynu je ještě vytvořen další větší pro vodiče (Bond Wires) propojující senzor s okolím.

Speciální kompaktní provedení senzoru průtoku plynů se zabudovaným senzorem a kanálem v neprodyšném hliníkovém pouzdru (Aluminium Body)

O elektrickém provedení chipu lze si udělat obraz z níže uvedeného blokového schéma. Zde mimo samotný senzor průtoku (Mass Flow Sensor) tvořený 2 teploměry a topným tělískem, je i třetí senzor teploty pro potřeby teplotní kompenzace (temperature compensation). Signály z obou snímačů jsou zesíleny zesilovačem (Amplifier), vzorkovány frekvencí 400 kHz a A/D převodníkem digitalizovány a následně integrovány (Integration). Pak již následuje DSP zpracování, linearizace, kompenzace a nakonec převod na výstupní PWM signál, která již uživatel najde na svorkách senzoru.

Blokové schéma elektrické struktury CMOSens plynového průtokoměru řady SFC4000 firmy Sensirion

Závěr

Patentované CMOSens průtokoměry firmy Sensirion jsou velmi zajímavými senzory a dle mého názoru jsou typickým příkladem, kam se v budoucnu bude ubírat další všeobecný vývoj většiny druhů senzorů. Využití výrobních technologií běžných při produkci "normálních" integrovaných obvodů dovolují nejen snížit náklady na výrobu a tedy vyrábět levné senzory, ale také dosahovat vysoké kvality a spolehlivosti, která při náběhu nových "nevychytaných" výrobních procesů nemusí být ze začátku oslňující.

V článku byly zmíněny některé řady a typy průtokoměrů z nabídky Sensirionu, avšak již zde nebyl prostor na popis jejich parametrů a vlastností. Pro bližší informace sortimentu a parametrech senzorů odkazuji na stránky výrobce - www.sensirion.com.

Antonín Vojáček
vojacek@ hwg.cz