Vortex-zählender MEMS-basierter thermischer Strömungssensor für Durchflussmessungen mit hoher Dynamik

Abstract

This work deals with the design, fabrication and characterisation of a MEMS-based hot-film anemometer for flow measurements over a wide dynamic range with high accuracy and fast response time using standard micromachining technology. The fabricated thermal flow sensors consist of a platinum micro heater located on a silicon nitride membrane and an additional temperature sensing resistor mounted directly on the substrate to detect and compensate the fluid temperature. The key innovation of the concept presented here is the combination of the two measuring principles of a thermal anemometer and of a vortex sensor. This results in a favourable combination of the high sensitivity of a thermal flow sensor at relatively low flow rates and the superior linearity and high accuracy of a vortex flow sensor based on the Kármán vortex street at relatively high flow velocities. In this innovative concept the same sensor and the same thermal principle of a constant-temperature anemometer is applied to determine Abstract: the vortex shedding frequency. The spatial design of the sensor and geometric dimensions of the sensing element result in a very short response time of less than 1 ms. Hence, vortex frequencies up to 8 kHz can be measured. By combining these two measurement principles, a very wide dynamic range of flow velocities from below 1 m/s up to 180 m/s was achieved with high accuracy.

Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Fertigung und Charakterisierung eines MEMS-basierten thermischen Strömungssensors für Durchflussmessungen in einem möglichst weiten Messbereich sowohl mit hoher Genauigkeit als auch mit schneller Ansprechzeit. Der hergestellte Sensor auf Si-Basis besteht aus einem Pt-Heizwiderstand, der auf einer isolierenden Si3N4- Membran aufgebracht ist und einer zweiten Widerstandsstruktur, die zum Erfassen und Kompensieren der Fluidtemperatur dient. Die wesentliche Innovation bei dem hier vorgestellten Konzept besteht in der Kombination der zwei Messprinzipien eines thermischen Anemometers und eines Vortex-Sensors. Dadurch gelingt es, die hohe Empfindlichkeit eines thermischen Strömungssensors bei relativ kleinen Flussraten mit der Linearität und der hohen Genauigkeit eines auf der Kármánschen Wirbelstraße basierenden Vortex-Durchflusssensors bei relativ hohen Flussgeschwindigkeiten vorteilhaft miteinander zu kombinieren. Die besondere Neuerung besteht darin, dass derselbe Sensor und dasselbe thermische Prinzip auch zur Bestimmung der Wirbelfrequenz im Vortex-Modus eingesetzt werden. Das spezielle Design des Sensors und das Layout der Messwiderstände führen zu sehr geringen thermischen Ansprechzeiten von weniger als 1 ms. Somit konnten Wirbelfrequenzen von bis zu 8 kHz gemessen werden. Durch das Kombinieren der zwei Messprinzipien konnte ein sehr weiter Messbereich von Flussgeschwindigkeiten von weniger als 1 m/s bis zu 180 m/s erreicht werden.