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Sensorik

Gasfluss-Sensoren in der instrumentellen Analytik und Anlagentechnik

»MEMS-Massenfluss- Sensoren verbessern die System-Performance«Gasflüsse präzise zu messen und zu regeln, ist eine Anforderung, die in immer mehr analytischen Geräten und industriellen Anlagen eine entscheidende Rolle spielt. Dabei hängen die Prozessergebnisse meist unmittelbar von der Genauigkeit und der Repetierbarkeit der Gasflüsse ab. Messverfahren gibt es viele, doch die effizienteste ist nach Überzeugung der Experten von Axetris die thermische Gasfluss-Messung und -Regelung.

C arrier-Gas-Regelung in der Gaschro-matografie, Lecktester für die Quali-tätskontrolle in der Produktion von

Automotoren oder Dünnfilm-Beschichtungen für Solarzellen – das sind nur einige der An-wendungen, in denen die genaue Bestimmung und Regelung der Gasflüsse maßgeblich für die Effizienz der Anlagen und der Endproduk-te ist. Dabei setzt man bisher noch auf völlig unterschiedliche Technologien. Stark im Kom-men sind derzeit die thermischen Massen-fluss-Sensoren.

»Thermische Massenfluss-Meter und -Regler, kurz MFM und MFC, ersetzen immer öfter die bislang verwendeten Schwebekörper-Durch-flussmesser, die manuellen Ventile und die Blenden-basierten Systeme«, erklärt Rolf Mei-singer, Produkt Manager von Axetris. »Ther-mische Massenfluss-Regler können Druck- und Temperaturschwankungen automatisch ausgleichen, wobei der Anwender die Sollwer-te zu jeder Zeit elektronisch vorgeben kann. Der resultierende Gasfluss wird direkt aufge-zeichnet, das wiederum stellt die lückenlose Rückverfolgbarkeit sicher.« Eine besondere Rolle spielen nach Meisingers Überzeugung die MEMS-basierten Technologien: »Vergli-chen mit konventionell aufgebauten Sensoren bieten sie eine deutlich bessere Repetierbar-keit, Langzeitstabilität und Ansprechge-schwindigkeit. Zudem lassen sich MEMS-ba-sierte Massenfluss-Regler sehr kompakt auf-bauen – etwa in der Größe einer Zündholz-

Methode Elektronische Fluss- Einstellung

Aufzeich-nung des Flusses

Dynamik- Bereich (Typisch)

Baugröße Temperatur-Abhängigkeit

Druck- Abhängigkeit

Repetierbarkeit

Manuelle Ventile Nein Nein Groß Groß Groß Abhängig vom BedienerSchwebekörper- Durchflussmesser

Nein Nein < 20:1 Groß Groß Groß Abhängig vom Bediener

Blenden Nur diskret, Umschaltung mit Ventilen

Nein Beliebig, 1 Blende pro Fluss

Abhängig von Blendenzahl und Druckregler

Groß Groß Nur bei stabilem Druck und Temperatur gut

Konventioneller MFM/MFC Ja Ja < 200:1 Groß <3 sccm/°C* Klein < 0,2% ORMEMS MFM/MFC Ja Ja > 2000:1 Kompakt <1,2 sccm/°C* Klein < 0,15% OR

Gegenüberstellung verschiedener Methoden zur Gasflussmessung und -regelung // MFM: Massenfluss-Meter; MFC: Massenfluss-Regler. // Das Messprinzip mit den besten Eigenschaften in einer Spalte ist jeweils grün hervorgehoben. *Gegenüberstellung am Beispiel eines MFM/MFC mit Messbereich 3000 sccm und Messwert 3000 sccm

Platin-basierter MEMS-Flow-Sensor:

Das Gas fließt vom Temperatursensor 1 über die Heizung zu Sensor 2. Ohne Gasfluss messen Sensor 1 und 2 die gleiche Temperatur. Sobald das Gas strömt, wird Wärme von der Heizung zum Sensor 2 geführt, und es entsteht eine Temperatur-differenz, die gemessen wird. Diese Differenz rechnet der Massenflussmeter in den Gasfluss um.

Axetris verwendet Platinschichten für die Temperatursensoren und den Heizer und erreicht somit eine hohe Stabilität.

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schachtel. Dadurch sind komplette mehrka-nalige Gasmischer oder -teiler auch in sehr kleinen Platzverhältnissen realisierbar.«

MEMS-basierte Massenfluss-Regler haben zudem den Vorteil, dass ein und dasselbe Ge-rät Mess- und Regelbereiche von 1000:1 und mehr abdecken kann – die Lösungen von Axe-tris erreichen sogar Dynamikbereiche von mehr als 2000:1. »Damit reicht ein einziges Gerät auch für Anwendungen, für die man früher mehrere MFC brauchte«, so Meisinger. »Das spart Kosten und Platz und vereinfacht

zudem die Logistik und die Lagerhaltung.« Darüber hinaus erlaubt ein derart großer Dy-namikbereich auch die Integration neuer Funktionen. So können Kunden die heute ausgelieferten Geräte bereits schon für an-dere Gase vorbereiten. »In gewissen Anwen-dungen wird heute noch überwiegend Helium eingesetzt«, führt Meisinger aus. »Helium wird aber zunehmend teurer. Je nach Anfor-derung ist ein Ersatz durch Wasserstoff, Ar-gon oder Stickstoff möglich, braucht dann aber im Normalfall eine andere Ausführung des MFCs. Ein MFC mit einem Dynamikbe-

Axetris bietet Massenfluss-Meter- und -Regler-Module, komplette Geräte sowie mehrkanalige Gasmischer und -verteiler an. Dank des modularen Aufbaus sind applikationsspezifische Varianten möglich.

Unter der Repetierbarkeit einer Messung versteht man die Abweichung einer Serie von Messwerten voneinander, wobei die einzelnen Messun-gen unter exakt den gleichen Bedingungen kurz hintereinander durch-geführt werden – das heißt, gleicher Operator, gleicher Sollwert, die gleiche konstante Temperatur und die gleichen Druckverhältnisse etc. »Für viele technische Anwendungen im Bereich der Flow-Sensorik ist die Repetierbarkeit die entscheidende Größe«, erklärt Rolf Meisinger, Produkt Manager von Axetris. »Die absolute Genauigkeit ist weniger entscheidend, weil man sich bei der Anwendung ohnehin oft auf eine periodisch zu wiederholende Referenzmessung bezieht.«

Die Reproduzierbarkeit ist gleich definiert wie die Repetierbarkeit, mit dem Unterschied, dass man hier die Messung nach einer gewissen Zeit-periode wiederholt und diese Messwerte ebenfalls berücksichtigt. Wie groß die Zeitperiode zwischen den beiden Messserien gewählt wird, hängt von der Applikation ab. Im Prinzip ist entscheidend, in welchem Abstand die Referenzproben gemessen werden. Das können Minuten, Stunden, Wochen oder sogar Monate sein.

»In der Praxis kann man aus der im Datenblatt angegebenen Repetier-barkeit des MFM/MFC nicht direkt auf die Repetierbarkeit des Gasflus-ses in der Anwendung schließen – und die Reproduzierbarkeit ist leider oft gar nicht spezifiziert«, so Meisinger. »Es ist wichtig, die Stabilität der Umgebungsbedingungen im Kundengerät zu berücksichtigen. So können beispielsweise die Temperaturen je nach Betriebsart schwan-ken, und auch die Druckverhältnisse sind nicht immer konstant. Des-halb sind die Temperatur- und Druckkoeffizienten bei der Auswahl mit zu berücksichtigen.« Die praktische Erfahrung habe gezeigt, dass ein

Wissen kompakt

Was bedeuten Repetierbarkeit und Reproduzierbarkeit?

Typische Repetierbarkeiten, wie sie mit Platin-basierten MEMS-Gasfluss-Sensoren erreichbar sind. Setup und Messung gemäß SEMI E56-0309. MEMS-Massenfluss-sensoren erreichen eine Repetierbarkeit von <±0,15% OR, für Flüsse >5% FSOR: Off Reading; FS: Full Scale

Vergleich der Performance-Daten aufgrund der technischen Spezifi-kationen nicht immer aussagekräftig ist. Besser sei es, die Produkte verschiedener Hersteller direkt in der Zielapplikation unter möglichst realistischen Betriebsbedingungen zu prüfen. (nw)

reich von 1000:1 und größer deckt dies je-doch problemlos ab.« Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass der Anwender den einge-bauten MFC auch gleich zur Dichtigkeitskon-trolle des gesamten Systems nutzen kann, was die Messung sehr kleine Flüsse bedingt. Insofern ist sich Meisinger sicher, dass vor allem die MEMS-basierte thermische Mas-senfluss-Meter- und -Regler-Technik das Potential hat, viele heute noch manuell kon-trollierte Systeme zu automatisieren und da-bei die Performance des gesamten Systems wesentlich zu verbessern. (nw) ■