Zur Steuerung von Lüftungsklappen

Besonders genaue Strömungskanäle

Der neue thermische Membran­sensor, den das Institut für Mikro- und Informationstechnik der Hahn-Schickard-Gesellschaft e.V. (HSG-IMIT) für Gruner speziell auf den Einsatz in der Klima­ti­sierung zugeschnitten hat, unter­scheidet sich vom bisherigen Modell insbesondere in der Erstellung und Anbindung des Fluidkanals. Dabei wurde die MEMS-Technologie genutzt und der Kanal, der den Messbereich des Strömungssensors auf den Ziel-Differenzdruck skaliert, monolithisch in den Mikrochip integriert: „Seine Mäanderstruktur wird auf der Wafer-Rückseite direkt ins Silizium geätzt“, erläutert Dr. Sophie Billat, Projektverantwortliche beim HSG-IMIT. „Dadurch ist die Wandrauigkeit sehr gering, und der Kanal kann mit minimalen mikrotechnischen Toleranzen hergestellt werden, was eine hohe Reproduzierbarkeit gewährleistet.“ Insgesamt ist die Ätzung 20-mal genauer als die Abformung im Kunststoffspritzguss. Sie ist zudem mit 5 bis 200 µm auch feiner, so dass der Durchfluss 50-mal geringer ist als beim Vorgängermodell.

Dies schafft die Voraussetzungen dafür, dass der Sensor nicht nur einen, sondern verschiedene Druckbereiche abdecken kann:

Da der für den Messbereich entscheidende fluidische Widerstand von Kanalquerschnitt und -länge abhängig ist, werden die Mäander der Kanäle in Abhängigkeit vom vorgegebenen Druckabfall in unterschiedlicher Länge und Breite eingeätzt. Bei den herkömmlichen 3 mbar, die auch von Spritzguss-Sensoren erzielt werden können, ist der fluidische Widerstand gering und die Struktur kurz und schmal. Um bei gleicher Chipgröße den von Gruner geforderten großen Druckabfall von 15 mbar und mehr erzielen zu können, erhöhten die Forscher des HSG-IMIT dagegen nicht nur, wie bei niedrigeren Zieldrücken, die Länge der Kanalstruktur, sondern verringerten auch ihren Querschnitt. Damit ist der Chip für alle Messbereiche gleich groß.

Das HSG-IMIT entwickelte zu diesem Zweck ein photolithographisches Verfahren: „Normalerweise werden Photolithographien an der Oberfläche ausgeführt, beim Kanal im neuen Chip wird jedoch in die Tiefe gegangen“, so Dr. Sophie Billat. Dabei wird der Strömungskanal, der sich auf der Rückseite des Siliziumwafers befindet, an der der Membran gegenüberliegenden Stelle fast bis zu dieser durchgeätzt. Die Membran aus passiviertem Siliziumnitrid auf der Wafervorderseite ist nur ca. 2 µm dick und bildet, wie auch beim Vorgängermodell, das Herz des Sensors: Darauf befinden sich ein Heizelement sowie an dessen Seiten zwei Temperatursensoren. Diese werden über die Membran thermisch entkoppelt, so dass die durchflussabhängige Verschiebung des Temperaturfeldes optimal gemessen werden kann.

Bessere Auflösung des Messsignals

Bei der Spritzgussversion des Sensors dagegen sind die Schalen bei gleichem Druckbereich durch den toleranzbehafteten, breiteren Kanalquerschnitt und den dadurch notwendigen länge­­ren Differenz­druckkanal vergleichsweise groß. Zudem kann der Querschnitt nicht weiter verringert werden, da bei gleichen Toleranzen die Repro­duzierbarkeit der Strukturen nachlässt. „Andererseits führt eine weitere Vergrößerung der beiden Halbschalen zu Unebenhei­ten der zusammenzufügenden planaren Fläche, was auch eine Klebung nicht mehr ausgleichen kann. Der fluidische Widerstand des Kanals und damit auch der genaue Differenzdruck-Messbereich würden stark schwanken“, erläutert Dr. Sophie Billat. Somit gab es beim alten Sensor kaum Möglichkeiten, den Messbereich auf größere Druckdifferenzen zu erweitern. Im Unterschied dazu erlaubt die Weiterentwicklung eine bessere Auflösung des Messsignals und eine höhere Seriengenauigkeit, wodurch auch sehr kleine Differenzdrücke bestimmt werden können. „Bei Klima­anlagen ermöglicht der Sensor eine genauere und effizientere Ansteuerung der Lüftungsklappen“, so Wolfgang Spreitzer, „In der Folge wird meist weniger Luft durch die Rohre der Anlage geleitet, Geräuschentwicklung und Energieverlust reduzieren sich, und der Betrieb wird insgesamt wirtschaftlicher.“ Die feine Ätzung des Fluidkanals wirkt sich in einer weiteren Hinsicht positiv auf die Steuerung der Klimatechnik aus. Während beim Vorgängermodell aus Spritzguss aufgrund der breiteren Kanäle Schmutzpartikel mit der Luft bis zum Sensor gelangten und die Messwerte verfälschten, sind diese Umwelteinflüsse bei der Weiterentwicklung ausgeschlossen: Über ein Staukreuz wird Luft aus dem Rohr der Lüftungsanlage abgezweigt und läuft in mit 5 mm vergleichsweise großen Schläuchen, an deren Ende sich der Sensor befindet. Dessen Kanal hat bei der Weiterentwicklung jedoch einen Querschnitt von weniger als 200 µm. Um hier die gleiche Menge Luft wie im größeren Anschluss-Schlauch durchzuleiten, erhöht sich die Strömungsgeschwindigkeit. Aufgrund dieses Unterschieds fällt der Staub bereits im Schlauch aus und erreicht den Sensor gar nicht mehr.

Modularität vereinfacht Handling

Durch die MEMS-Technologie und die Möglichkeit, den Kanalquerschnitt auf dem Chip anzupassen, muss zur Realisierung verschiedener Messbereiche nicht mehr das komplette Sensorgehäuse verändert werden, wie das bei der Spritzgussversion bisher der Fall war, sondern nur noch der Chip. Da sich lediglich die eingeätzten Kanäle verändern, die Vorderseite des Chips mit der Membran sowie die Chipgröße insgesamt immer gleich bleibt, kann für alle Anwendungen das gleiche Gehäuse eingesetzt werden. „Dadurch können die Systeme für verschiedene Differenzdrücke sehr schnell angepasst werden“, erklärt der Geschäftsführer, „Auch die Kosten für den Sensor bleiben nun unabhängig vom Messbereich immer konstant.“

Die Montage des Chips vereinfacht sich so zu einem Standard-Klebeprozess, bei dem nur noch die Dichtungen am Ein- und Auslass berücksichtigt werden müssen. Da die Kanalwände aus robustem Glas und Silizium bestehen, ist der Sensor auch gegenüber aggressiven Medien wie lösungsmittelhaltiger Luft unempfindlich. Besonders im Bereich der Laborlüftung erhöht sich seine Lebensdauer so deutlich.

Sensor-Miniaturisierung

Der gesamte Sensor ist nur rund 12 mm x 10 mm groß und damit kleiner als ein Stück Würfelzucker. Für seine Elektronik und die Ausführung als SMD-Bauteil zeichnete Gruner selbst verantwortlich: „Der Sensor kann auf herkömmlichen SMD-Bestückungsmaschinen bearbeitet werden. Er ist dadurch leichter zu verarbeiten und auch sein Handling ist deutlich einfacher als beim Vorgängermodell“, so Wolfgang Spreitzer. Für den miniaturisierten Strömungssensor erhielt Gruner zusammen mit seinen Partnern 2E-mechatronic, Micro-Mountains AG und HSG-IMIT den MID-Innovationspreis 2011. Nach einer Testphase wird ihn das Unternehmen serienmäßig im Bereich der Klimatisierung einsetzen.