DE10141097A1 - Sensor und Verfahren zur Messung kleiner Flussraten - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Sensor und ein Verfahren zur Messung kleiner Flussraten. DOLLAR A Aufgabe der Erfindung ist es, einen Sensor und ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, bei dem die Flussrate über eine Volumenmessung bestimmt wird. DOLLAR A Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, dass das Gehäuse durch eine flexible, entlang ihres Umfangs fest mit dem Gehäuse verbundene Membran in mindestens zwei voneinander getrennte Bereiche unterteilt wird, wobei in jedem der beiden getrennten Bereiche mindestens eine fluidische Zuführung endet und dass mindestens ein Sensor vorhanden ist, mit dem die Position und/oder die Bewegung der Membran ermittelt werden kann.

Description

• Die Erfindung betrifft einen Sensor und ein Verfahren zur Messung kleiner Flussraten nach den Oberbegriffen der Patentansprüche 1 und 5. Dabei ist die Ermittlung der Strömungsgeschwindigkeiten und die Messung bzw. Zählung von Volumina von Gasen und Flüssigkeiten im mikroskopischen Maßstab möglich. Solche Sensoren werden vor allem für die Dosierung von Medikamenten und chemischen und biologischen Proben benötigt, die zum Beispiel für die Entwicklung von neuen Medikamenten und Wirkstoffen eingesetzt werden.
• In dem Artikel "Micro Fluid Sensors and Actuators" von G. Stemme, der 1995 in den Proceedings zum 6. internationalen Symposium on Micro Machine and Human Science auf den Seiten 45-52 erschienen ist, sind verschiedene Möglichkeiten dargestellt, wie Sensoren für die Messung von kleinen Strömungsgeschwindigkeiten aufgebaut werden können. Unter anderem ist beschrieben, wie eine auf einer dünnen Membran angebrachte Leiterbahn durch einen elektrischen Strom auf einer konstanten Temperatur gehalten wird und die Energie zum Aufrechterhalten der Temperatur zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit dient.
• Nachteilig bei dieser Art von Sensoren ist, dass das Fluid, dessen Strömungsgeschwindigkeit gemessen werden soll, erwärmt wird, sodass insbesondere biologische Proben beeinträchtigt werden können.
• In dem Artikel "AMANDA - surface micromachining, molding, and diaphragm transfer", der von W. K. Schomburg et. al. in der Zeitschrift Sensors and Actuators A, Band 76, auf den Seiten 343 bis 348 publiziert wurde, ist ein Sensor zur Messung von Strömungsgeschwindigkeiten beschrieben, bei dem der Druckabfall über einer Kapillare mit einem Drucksensor gemessen wird. Der Druckabfall ist proportional zur Strömungsgeschwindigkeit und kann deshalb zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit herangezogen werden. Der in diesem Sensor verwendete Drucksensor enthält Dehnungsmessstreifen, die auf einer dünnen Membran angebracht sind.
• Nachteilig bei dieser Art von Sensoren ist, dass schon eine leichte Verschmutzung der Kapillare zu Abweichungen im Messergebnis führen kann.
• In der DE 198 32 681 A1 und der DE 199 49 913 A1 sind Drucksensoren beschrieben, in denen Dehnungsmess-Streifen die Durchbiegung einer dünnen Membran bzw. einer Glasplatte messen und so die Druckdifferenz bestimmen, die über der Membran bzw. der Glasplatte abfällt.
• Nachteilig bei dieser Art von Sensoren ist, dass mit den Dehnungsmess-Streifen nur auf die Druckdifferenz geschlossen werden kann, nicht aber auf das Volumen, das in die Sensorkammer eingeströmt ist. Dass Druckdifferenzen benötigt werden, damit eine Messung möglich wird, ist für die Messung von Volumenflüssen auch als nachteilig anzusehen, weil sich dadurch eine Rückwirkung auf den zu messenden Volumenstrom ergibt, die für manche Anwendungen störend sein kann.
• Aufgabe der Erfindung ist es, einen Sensor und ein Verfahren der e. g. Art zur Verfügung zu stellen, der die oben genannten Nachteile vermeidet und für die Messung sehr kleiner Flussraten bzw. Volumina geeignet ist.
• Gelöst wird diese Aufgabe durch die Merkmale der Patentansprüche 1 und 5. Die Unteransprüche beschreiben vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
• Die Erfindung wird im folgenden anhand von den Fig. 1, 2 und 3 und von einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Dabei zeigt Fig. 1 schematisch den Aufbau des Sensors, Fig. 2 den Verlauf des elektrischen Widerstandes eines Dehnungsmess-Streifens auf der Sensormembran Fig. 3 eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des Sensors. Fig. 1 und 3 sind nicht maßstäblich gezeichnet, um sehr dünne bzw. kleine Strukturen neben vergleichsweise großen Strukturen deutlich werden zu lassen.
• Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Sensors besteht darin, dass das gesamte Medium den Messraum durchströmt, wobei das aktuelle Volumen immer durch die Position der Membran bestimmt wird.
• Das Anwendungsbeispiel beschreibt den in Fig. 1 dargestellten Sensor, der von zwei Gehäuseteilen 1 bzw. 2 und einer dazwischen angebrachten Membran 3 gebildet wird. Die Gehäuseteile 1 und 2 werden mit bekannten Methoden der Mikroabformung aus Polysulfon gefertigt und weisen äußere Abmessungen von ca. 10 mal 10 cm² auf. Die Hohlräume 4 und 5 sind gehäuseseitig in der Form einer Hohlkugel ausgebildet und werden auf der anderen Seite durch die auslenkte Membran 3 begrenzt. Der Durchmesser der Hohlräume beträgt ca. 8 mm und ihre Höhe 100 µm, wenn sich die Membran 3 in der Mitte des Gehäuses befindet.
• Die Membran 3 besteht aus zwei jeweils 1 µm dicken Lagen 6 und 7 aus Polyimid zwischen denen ca. 100 nm dicke Dehnungsmess- Streifen 10 aus Gold in Form einer Doppelspirale angebracht sind. Es ist auch möglich, die Dehnungsmess-Streifen aus einem anderen Material wie z. B. Platin herzustellen. Die Membran 3 ist so dünn im Verhältnis zu ihrer lateralen Ausdehnung, aus dem leicht dehnbaren, elastischen Material Polyimid und mit einer so geringen mechanischen Vorspannung im Gehäuse angebracht, dass sie der Bewegung einer in die Hohlräume 4 bzw. 5 ein- und aus den Hohlräumen 5 bzw. 4 ausströmenden Flüssigkeit ohne weiteres folgt, ohne dass eine wesentliche Druckdifferenz über der Membran 3 entstünde.
• Für den Test dieses Sensors mit Wasser als Fluid werden zunächst Ventile, hier nicht dargestellt, außerhalb des Sensors so geschaltet, dass sich über den Zugang 8 der Hohlraum 4 oberhalb der Membran 3 füllt und der Hohlraum 5 unterhalb der Membran 3 über den Zugang 9 entleert wird. Dabei wird die Membran 3, die sich zunächst in der Nähe des oberen Gehäuseteiles 1 befand, durch das strömende Wasser vom Gehäuseteil 1 weg auf das Gehäuseteil 2 zu bewegt. Die Membrandehnung nimmt bei diesem Vorgang solange ab, bis der bewegliche Teil der Membran die Mitte zwischen den beiden Gehäuseteilen 1 und 2 erreicht hat. Der elektrische Widerstand des Dehnungsmess-Streifens 10 wird während dieses Vorgangs mit einer Wheatstoneschen Brücke gemessen. In Fig. 2 ist der elektrische Widerstand des Dehnungsmess-Streifens 10 schematisch als Funktion der Zeit dargestellt. Wenn der bewegliche Teil der Membran 3 sich vom oberen Gehäuseteil 1 weg auf die Mitte zwischen den beiden Gehäuseteilen zu bewegt, nimmt der elektrische Widerstand stetig ab 11. Wenn die Mitte zwischen den beiden Gehäuseteilen erreicht ist, erreicht der elektrische Widerstand des Dehnungsmess-Streifens 10 ein Minimum 12 und steigt bei der weiteren Bewegung auf das Gehäuseteil 2 zu wieder an 13.
• Wenn ein vorgegebener Wert 14 für den elektrischen Widerstand des Dehnungsmess-Streifens 10 ereicht ist, werden Ventile außerhalb des Sensors so geschaltet, dass der Zufluss über den Zugang 9 und der Abfluss über den Zugang 8 erfolgt. Der bewegliche Teil der Membran 3 entfernt sich daraufhin mit dem Fluidstrom wieder vom unteren Gehäuseteil 2 und nähert sich der Mitte zwischen den beiden Gehäuseteilen. Dabei nimmt der elektrische Widerstand des Dehnungsmess-Streifens wieder ab 15.
• Bei einer geeigneten Anordnung und Gestaltung des Dehnungsmess- Streifens 10 in der Membran 3, z. B. als Doppelspirale wie oben beschrieben, lässt sich ein linearer Zusammenhang zwischen der Auslenkung der Membran 3 und dem elektrischen Widerstand des Dehnungsmess-Streifens 10 erreichen. Die Auslenkung der Membran 3 ist eine lineare Funktion der in den Sensor ein- bzw. aus ihm ausgeströmten Fluidmenge. Deshalb lässt sich unter idealen Bedingungen ein linearer Zusammenhang zwischen der durchgeströmten Fluidmenge und der Änderung des elektrischen Widerstandes des Dehnungsmess-Streifens 10 herstellen. Die Steigung der in Fig. 2 dargestellten Kurvenstücke 11, 13 und 15 ist dann ein direktes Maß der Strömungsgeschwindigkeit. Aber auch, wenn sich keine stückweise lineare Kennlinie ergibt, können durch einen Vergleich der Entwicklung des jeweiligen elektrischen Widerstandes mit der Kalibrierkurve die durchströmte Fluidmenge und die Strömungsgeschwindigkeit bestimmt werden.
• Der gesamte Massendurchsatz durch den Sensor ist proportional zur Fläche zwischen der in Fig. 2 dargestellten Kurve und einer zur Abszisse parallelen Geraden durch die unteren Umkehrpunkte.
• Vorteilhaft bei der hier beschriebenen Ausgestaltung eines Fluss-Sensors ist, dass auch kleine Flussraten, die unterhalb der Nachweisgrenze liegen, erfasst werden, wenn sie über lange Zeiten zu merklichen Änderungen der durchgeflossenen Fluidmenge führen. Darüber hinaus wirken sich Verschmutzungen im Sensor oder in den Zuleitungen und Änderungen der mechanischen Spannung der Sensormembran nicht auf das Messergebnis aus, weil die Auslenkung der Membran 3 unmittelbar proportional zur durchgeströmten Fluidmenge ist.
• Der elektrische Widerstand des Dehnungsmess-Streifens 10 ist in der Regel auch Änderungen unterworfen, wenn sich seine Temperatur ändert. Deshalb könnte durch eine Temperaturänderung eine Strömung vorgetäuscht werden und der Wert des elektrischen Widerstandes des Dehnungsmess-Streifens 10, wenn sich die Membran in der Mitte zwischen den beiden Gehäuseteilen 1 und 2 befindet (Offset), kann sich mit der Zeit langsam verändern. Deshalb ist es ein großer Vorteil, dass der elektrische Widerstand des Dehnungsmess-Streifens 10 durch ein Minimum 12 geht, wenn die Membran sich über die Mitte zwischen den beiden Gehäuseteilen bewegt, denn bei jedem Erreichen des Minimums kann eine Rekalibrierung des Sensors vorgenommen werden.
• Es ist auch möglich, gemäß den bekannten Methoden zum Aufbau von Dehnungsmess-Streifen, eine Halbbrücke oder eine Vollbrücke auf der Membran 3 anzubringen, um eine Temperaturkompensation zu erhalten. Vorteilhaft bei einer solchen Gestaltung von Dehnungsmess-Streifen ist, dass nicht nur beim Passieren der Mitte zwischen den Gehäuseteilen 1 und 2 eine Kompensation durchgeführt werden kann, sondern an jeder beliebigen Stelle des Bewegungsablaufs der Membran 3. Nachteilig ist andererseits, dass der erreichbare elektrische Widerstand eines Brückenzweiges auf einer kleinen Membran geringer ausfällt, wenn eine Halbbrücke oder eine Vollbrücke auf der Membran angebracht werden muss, und das Ausgangssignal eines Sensors kann größer sein, wenn der elektrische Widerstand des Dehnungsmess-Streifens größer ist.
• Ein Nachteil des hier beschriebenen Volumenstrommessers ist es, dass eine Umkehr der Strömungsrichtung in dem Moment, in dem sich die Membran 3 in der Nähe ihrer Mittelstellung befindet, nicht erkannt werden kann, weil der elektrische Widerstand des Dehnungsmess-Streifens an dieser Stelle durch ein Minimum läuft und es unabhängig von der Strömungsrichtung zu einem Anstieg des Widerstandes kommt. Deshalb ist es ein Vorteil, wenn die Hohlräume 4 und 5 gegeneinander versetzt angeordnet werden und im Bereich der überstehenden Gehäuseteile 1a bzw. 2a weitere Dehnungsmess-Streifen 16 bzw. 17 in der Membran 3 angebracht werden. Die Dehnungsmess-Streifen 16 und 17 werden zu einer zusätzlichen Messbrücke verschaltet, deren Signal darüber Auskunft gibt, in welche Richtung die Membran 3 ausgelenkt ist. Wie in Fig. 3 zu sehen ist, erfahren die Dehnungsmess-Streifen 16 eine geringere Dehnung als die Dehnungsmess-Streifen 17, wenn die Membran 3 in Richtung des Hohlraumes 4 ausgewölbt wird. Wenn die Membran 3 in die umgekehrte Richtung ausgelenkt wird, werden dagegen die Dehnungsmess-Streifen 16 mehr gedehnt als die Dehnungsmess-Streifen 17.
• Statt eines Versatzes der Hohlräume 4 und 5 gegeneinander ist es auch möglich mindestens auf einer Seite der Membran 3 eine teilweise Abstützung im Gehäuse des Sensors vorzusehen.
• Neben der hier dargestellten Methode die Position der Membran 3 mit Dehnungsmess-Streifen 10 zu bestimmen, ist es auch möglich, die Membranposition mit anderen Methoden festzustellen. So kann zum Beispiel durch die Messung der elektrischen Kapazität zwischen einer Elektrode auf oder in der Membran 3 und an oder in mindestens einer der Gehäuseteile 1 bzw. 2 die Lage der Membran 3 gemessen werden. Es wäre auch möglich die Lage der Membran 3 mit einer optischen Methode zu bestimmen.

Claims (9)

1. Sensor zur Messung kleiner Flussraten, bei dem ein Messvolumen von einem zweiteiligen Gehäuse umschlossen wird, in dem sich mindestens zwei fluidische Zuführungen befinden, dadurch gekennzeichnet, dass

a) das Gehäuse durch eine flexible, entlang ihres Umfangs fest mit dem Gehäuse verbundene Membran (3) in mindestens zwei voneinander getrennte Bereiche (4) bzw. (5) unterteilt wird, wobei in jedem der beiden getrennten Bereiche mindestens eine fluidische Zuführung (8, 9) endet und

b) mindestens ein Sensor vorhanden ist, mit dem die Position und/oder die Bewegung der Membran (3) ermittelt werden kann.

2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor mit dem die Position bzw. die Bewegung der Membran (3) ermittelt werden kann, ein Dehnungsmess-Streifen (10) ist, der auf oder in der Membran (3) angebracht ist.

3. Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Gehäuseteil (1) und/oder im Gehäuseteil (2) mindestens an einer Stelle einseitige Abstützungen (1a) bzw. (2a) angebracht sind.

4. Sensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass an mindestens einer Stelle Dehnungsmess-Streifen (16) bzw. (17) unter- bzw. oberhalb der Abstützungen (1a) bzw. (2a) in oder auf der Membran (3) angebracht sind.

5. Verfahren zur Messung kleiner Flussraten mit einem Sensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4 mit folgenden Verfahrensschritten:

a) Steuern des Fluidzuflusses außerhalb des Sensors derart, dass er zunächst auf eine Seite der Membran führt und

b) der Fluidabfluss von der anderen Seite der Membran ausgeht, wodurch sich die Auslenkung der Membran so verändert, dass sich ihre beweglichen Teile von einer Gehäuseseite weg auf die andere Gehäuseseite zu bewegen,

c) Ermitteln der Position bzw. der Bewegung der Membran und

d) Bestimmen des Fluidflusses durch den Sensor aus der ermittelten Position oder Bewegung der Membran mit Hilfe einer Kalibrierkurve.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass nach Erreichen einer vorgegebenen Auslenkung der Membran der Fluidfluss außerhalb des Sensors so umgelenkt werden, dass der Zufluss auf derjenigen Seite erfolgt, von der vorher der Abfluss ausging, und der Abfluss von derjenigen Seite erfolgt, auf die vorher der Zufluss erfolgte.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kalibrierung des Offsets des Sensors erfolgt, indem das Minimum des elektrischen Widerstandes eines Dehnungsmess-Streifens an oder in der Membran registriert wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zur Auslenkung oder Dehnung der Membran (3) auch detektiert wird, auf welchen Seite des Gehäuses sich die Membran (3) befindet.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass mit Hilfe von zusätzlichen Dehnungsmess-Streifen detektiert wird, auf welcher Seite des Gehäuses sich die Membran (3) befindet.