ES2214122A1 - Sensor de microflujo bidireccional. - Google Patents
Sensor de microflujo bidireccional.Info
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Abstract
Sensor de microflujo bidireccional. Está estructurado a partir de un cuerpo base o sustrato cerámico (1), al que se asocian 16 patillas (6) distribuidas en dos alineaciones de manera que dicho cuerpo base adopta la configuración estándar de un circuito integrado con tal número de patillas, estableciéndose sobre el sustrato cerámico (1), además, una pareja de estructuras de silicio NPN (2) y (3), y entre ellas una estructura calefactora (4-5), elementos que utilizan ocho de las patillas o terminales de conexión (6) anteriormente citados, resultando las restantes inoperantes. Una pareja de tubos (15) y (16) se sitúan en alineación longitudinal a ambos lados del conjunto constituido por las estructuras NPN y la estructura calefactora, cerrada mediante una carcasa (19) para intercalación del dispositivo en el conducto en el que se va a realizar la medición, y es posible detectar la dirección de circulación del gas en función del gradiente térmico entre una y otra estructura NPN.
Description
Sensor de microflujo bidireccional.
La presente invención se refiere a un sensor que
ha sido especialmente concebido para la medición de la dirección
del flujo en un circuito gaseoso, con el que es posible conocer la
dirección en la que el gas circula con una gran precisión, todo
ello con un reducido tamaño, un bajo consumo y también un reducido
coste.
La invención es aplicable al sector de los
sensores y medidas de parámetros físicos como los utilizados en
medicina, análisis químicos, ingeniería, etc., y se ha diseñado con
medidas estándar en el ámbito de los circuitos electrónicos, para
poder conectarse sobre una placa de circuito impreso, bien
directamente o bien con el empleo de un zócalo.
Existen dispositivos capaces de medir el flujo o
volumen másico en gases mediante diferentes tecnologías, pero no
son capaces de detectar la dirección en la que circula el gas, o
incluso solo funcionan en una única dirección, no siendo operativos
en la dirección contraria.
Los sensores desarrollados por las empresas Dasa
Imt y Seyonic están especializados en la dosificación de fluidos,
éstos funcionan en una única dirección, poseen un tamaño muy
superior al desarrollado y su principal aplicación es la
dosificación microscópica de un determinado producto (después de su
calibración), y no la detección del flujo de la dosificación. La
tecnología de estos dispositivos es piezorresistiva y el
funcionamiento físico consiste en la detección de presiones
parciales sobre un sustrato de silicio.
Otros dispositivos, como el recogido en la
patente JP10197550 consiste en un sensor cuya estructura interna
son dos electrodos piroeléctricos, superior e inferior y una
superficie ferroeléctrica de película fina sobre la que se modula
la temperatura procedente de la parte caliente. Los requisitos de
este sistema son elevados: es dependiente de las variaciones que
sufra la temperatura externa y no puede utilizarse en ambientes
húmedos.
Los sistemas mecánicos como el de la patente
US43346603 constan de una bola de dimensiones apropiadas dentro del
circuito de detección. Este dispositivo se utiliza para la
detección de flujos líquidos y deben estar a alta presión para su
funcionamiento. La detección del flujo líquido se realiza con un
circuito fotoeléctrico, el cual añade un tamaño considerable al
sistema. Un inconveniente añadido al dispositivo consiste en las
pequeñas micropartículas que puedan entrar dentro del circuito,
éstas harán que el funcionamiento mecánico de la bola no sea el
correcto. El sistema mide la velocidad del fluido, pero no la
dirección, y tiene que ser inicializado periódicamente, cambiando la
dirección del flujo para cada medida que se pretenda realizar. El
sistema es mecánico y el tamaño no apto para microflujos, ya que en
tal caso el sistema no es operativo.
Sistemas similares con tecnología de microcanales
capilares grabados en silicio, como la patente US5644395 se
utilizan generalmente como sistemas de inyección para producir o
generar pequeños flujos de agentes químicos que entran a formar
parte en reacciones químicas detectadas ópticamente. Su principal
función es la química analítica y no la medida de la dirección del
flujo, ya que éste siempre circula en la misma dirección.
Otros sistemas de control de flujo lo constituyen
las microválvulas cuya apertura y cierre se realiza de forma
electrostática, como la que está descrita en la patente US5417235
que mantiene un flujo constante de gas con los sensores de presión
y temperatura integrados.
El sensor que la invención propone permite
detectar la dirección en la que circula el gas dentro del circuito
en el que se encuentra instalado, y se basa en el gradiente térmico
que se produce en un túnel al paso del gas.
Específicamente, el sensor está estructurado a
partir de una estructura calefactora, cuya temperatura se puede
controlar externamente mediante circuitería electrónica, y dos
estructuras NPN, una a cada lado de la estructura calefactora, que
actúan como sensores térmicos diferenciales.
Estas dos estructuras NPN, de idénticas
características proporcionan una salida diferencial, positiva o
negativa, según la dirección del flujo de gas, siendo precisamente
este parámetro el que se quiere detectar.
Estos elementos se montan sobre una estructura
base con un coeficiente de dilatación térmica muy bajo, provisto de
una pluralidad de terminales de conexión, concretamente con un
total de 16 dispuestos en dos filas de ocho, con medidas y
distancias estandarizadas en el ámbito de los circuitos integrados,
complementándose dicho cuerpo base con una carcasa de cierre
atravesada por la pareja de tubos correspondiente al circuito de gas
en el que ha de implantarse el sensor.
Se consigue de esta manera un sensor insensible a
los cambios de temperatura, de bajo consumo, con dimensiones
estándar para un montaje automatizado, en el que participan
componentes con coeficientes de dilatación compatibles, que además
ofrecen unas dimensiones reducidas, un amplio margen dinámico de
alimentación, posibilidad de calibración, mantenimiento nulo y
fabricación en serie.
Para complementar la descripción que se está
realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las
características del invento, de acuerdo con un ejemplo preferente
de realización práctica del mismo, se acompaña como parte
integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde con
carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo
siguiente:
La figura 1.- Muestra, según una representación
esquemática en perspectiva, la base cerámica del sensor junto con
los diferentes elementos básicos que lo constituyen.
La figura 2.- Muestra, según una representación
similar a la figura 1, el mismo conjunto de dicha figura tras el
acoplamiento al cuerpo base de la estructura metálica de protección
de los componentes del sensor.
La figura 3.- Muestra, finalmente, el mismo de la
figura anterior tras la implantación de la carcasa de cierre que
cubre todo el conjunto.
A la vista de las figuras reseñadas y en especial
de la figura 1, puede observarse cómo el sensor de microflujo
bidireccional que la invención propone, consiste en un cuerpo base
(1), de naturaleza cerámica, en el que se establecen una serie de
elementos activos, pasivos y mecánicos, que conforman la estructura
del dispositivo.
Concretamente, los elementos activos consisten en
dos estructuras de silicio NPN (2) y (3), preferentemente de 800 x
800 pan que se utilizan para detectar el gradiente térmico que se
genera en el interior del dispositivo, estructuras que van montadas
sobre la cerámica base (1) según las técnicas de fabricación de
circuitos integrados que se utilizan actualmente.
Los elementos pasivos consisten en una estructura
calefactora en la que participan un bloque cerámico (4),
preferentemente con unas dimensiones de 2x3x1 mm, sobre el que se
ha grabado, con técnicas de deposición de capa fina, un elemento
electrocalefactor (5) mediante máscara de microlitografla.
Los elementos mecánicos consisten en una
pluralidad de patillas o terminales de conexión (6), concretamente
en número de 16, ocho a cada lado del sustrato cerámico (1),
numérica y posicionalmente coincidentes con la disposición
estandarizada de un circuito integrado de 16 patillas, pero
obviamente parte de las cuales resultan en el presente caso
inoperantes, como se desprende de la observación de la figura
1.
De forma más concreta se utilizan tres de estas
patillas para conexión de la estructura de silicio NPN (2),
mediante los cables de conexión (7), (8) y (9), otras tres patillas
para la conexión de la estructura de silicio NPN (3), mediante los
cables (10), (11) y (12), y otras dos patillas para alimentación
de la resistencia electrocalefactora (5), a través de los cables
(13) y (14), preferentemente materializados en hilo conductor de
150 \mum. Se complementan los elementos mecánicos con una pareja
de tubos (15) y (16), de conexión con el circuito de flujo externo,
coaxiales, adaptados al sustrato de cerámica (1) y cuyas
dimensiones serán preferentemente de 1,7 mm de diámetro interior,
con un grosor de pared de 200 \mum y una longitud comprendida
entre 1 y 1,5 mm, en aluminio, si bien pueden utilizarse otros
materiales muy variados, incluso polímeros plásticos de alta
temperatura para tal fin.
Estos tubos de conexión (15) y (16) se fijan al
sustrato cerámico (1) con la colaboración de resina epoxi
bicomponente basada en bisfenol y dietilentriamina, la cual posee
las mismas características en cuanto a coeficiente y dilatación
térmica y es capaz de soportar 200°C sin que se deterioren sus
características.
La temperatura de trabajo del dispositivo es de
60°C en la estructura calefactora (4-5), aunque
ésta puede ser programable exteriormente, con un circuito
electrónico de control adecuado, como ya se ha apuntado con
anterioridad.
Una estructura metálica (17) conforma el túnel de
medida (18) con el propio sustrato de cerámica (1) como se observa
en la figura 2, con una sección trapecial isoscélica, y que sirve
de soporte al encapsulado final (19) del dispositivo que lo cierra
de forma estanca.
En dicho encapsulado o carcasa (19) se ha
practicado un rebaje (20), indicador de la numeración de los
terminales eléctricos del dispositivo, no existiendo así la
posibilidad de error en la colocación del mismo, por ser éste
simétrico.
Se considera de esta manera un sensor de
microflujo de tipo bidireccional para gases, que detecta la
dirección del flujo existente en el circuito, con una alta
sensibilidad, que es adaptable a cualquier montaje electrónico
estándar, que está constituido por un bloque único y compacto,
construido con tecnología MEMS.
Claims (6)
1. Sensor de microflujo bidireccional, que
estando especialmente concebido para medir la dirección del flujo
en un circuito gaseoso, y siendo de aplicación en el ámbito de la
medicina, biología, análisis químicos, ingeniería y otros, se
caracteriza por estar constituido a partir de un cuerpo base
(1), materializado en un sustrato cerámico, en el que se establecen
dos estructuras de silicio NPN (2) y (3), capaces de detectar el
gradiente térmico que se genera en el interior del dispositivo, por
efecto del calor generado por una estructura calefactora (5)
situada entre dichas estructuras NPN, recibiendo dicho cuerpo base
(1) a una estructura metálica (17) que configura con el mismo un
túnel (18) que se cierra herméticamente mediante una carcasa (19)
atravesada por una pareja de tubos (15-16),
destinados a la conexión del dispositivo desde el conducto de gas
cuyo flujo se desea detectar.
2. Sensor de microflujo bidireccional, según
reivindicación 1ª, caracterizado porque las estructuras de
silicio NPN (2), (3), van montadas sobre el sustrato cerámico (1)
según las técnicas de fabricación de circuitos integrados y
cableadas
(7-8-9-10-11-12)
con respectivos juegos de patillas o terminales de conexión
(6).
3. Sensor de microflujo bidireccional, según
reivindicación 1ª, caracterizado porque la estructura
calefactora consta de un bloque cerámico (4), convenientemente
fijado al sustrato cerámico (1) o cuerpo base, sobre el que aparece
grabado, con técnicas de deposición de capa fina, el elemento
calefactor (5), mediante máscara de microlitografía, elemento
calefactor (5) que mediante cables (13-14), se
relaciona con la correspondiente pareja de patillas o terminales de
conexión (6) para su alimentación.
4. Sensor de microflujo bidireccional, según
reivindicación 3ª, caracterizado porque la temperatura de
trabajo de la estructura calefactora (4-5) es de
60°C, si bien ésta es programable exteriormente con un circuito
electrónico de control adecuado.
5. Sensor de microflujo bidireccional, según
reivindicaciones 1ª, 2ª y 3ª, caracterizado porque además de
las ocho patillas de conexión (6) que resultan operantes,
incorpora otras ocho patillas inoperantes, adecuadamente
dimensionadas y posicionadas para que el sustrato cerámico (1) en su
conjunto, con sus 16 patillas (3) distribuidas en dos alineaciones
paralelas, resulte acorde con la dimensión y configuración estándar
de un circuito integrado de 16 patillas.
6. Sensor de microflujo bidireccional, según
reivindicación 1ª, caracterizado porque la carcasa o
encapsulado final (19) del dispositivo incorpora un rebaje (20)
como indicador de la posición correcta de sus terminales con el fin
de numerarlos adecuadamente, como está estandarizado para los
circuitos integrados de 16 terminales.
Priority Applications (1)
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ES200202952A ES2214122B1 (es) | 2002-12-20 | 2002-12-20 | Sensor de microflujo bidireccional. |
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ES2214122A1 true ES2214122A1 (es) | 2004-09-01 |
ES2214122B1 ES2214122B1 (es) | 2005-11-01 |
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ES (1) | ES2214122B1 (es) |
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-
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- 2002-12-20 ES ES200202952A patent/ES2214122B1/es not_active Expired - Fee Related
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