MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) verandert de manier waarop massaflow wordt gemeten. Kleiner, stabieler en met betere langetermijnstabiliteit dan klassieke capillaire sensoren: de MEMS-sensor is niet zomaar een evolutie, maar een fundamenteel andere aanpak.
⏱ ca. 4 minuten leestijd
Een MEMS-sensor is een minuscuul elektromechanisch systeem gefabriceerd op een silicium chip, dezelfde technologie die ook wordt gebruikt voor processors en geheugenchips. De basis werd in 1974 gelegd door Anton van Putten en Middelbeek, studenten aan de TU Delft, die als studieopdracht een flowsensor op silicium maakten. Zonder het te weten hadden zij daarmee de eerste thermische massaflowsensor op een siliciumchip uitgevonden.
Voor flowmeting betekent MEMS dat verwarmingselementen en temperatuursensoren op microschaal direct in de gasstroom worden geplaatst, op één siliciumchip. De meest gebruikte variant is de calorimetrische sensor: een verwarmingselement in het midden, met twee temperatuursensoren (thermopiles) aan weerszijden.
Bij geen flow zijn T1 en T2 gelijk. Zodra er flow is, koelt het gas de upstream thermopile af en verwarmt de downstream. Het temperatuurverschil ΔT is direct gerelateerd aan de massaflow. Elke MEMS-sensor gedraagt zich echter net iets anders, er is geen sensor-tot-sensor herhaalbaarheid, waardoor iedere eenheid individueel moet worden gekalibreerd na assemblage.
Elk gas heeft unieke thermische eigenschappen: soortelijke warmte (Cp), thermische geleidbaarheid (λ) en dichtheid (ρ). De MEMS-sensor reageert op al deze eigenschappen samen, via een niet-lineaire curve die per gas verschilt. Dat maakt het mogelijk om de meter te kalibreren met het werkelijke procesgas en zo de allerhoogste nauwkeurigheid te behalen, precies afgestemd op jouw gas en jouw meetbereik.
De Vögtlin red-y serie wordt standaard gekalibreerd met het echte gas: lucht, O₂, N₂, He, Ar, CO₂, H₂, CH₄, C₃H₈ en op verzoek met andere mengsels of gassen. Elke kalibratie is NIST-traceerbaar over het volledige bereik. Wil je snel van gas wisselen zonder herkalibratie? Dan biedt de red-y ook gasconversiefactoren in het geheugen zodat je in de software eenvoudig omschakelt.
De MEMS-chip is vervaardigd van silicium in een schoon halfgeleiderproces. Er zijn geen wikkelingen, geen gebogen metaalbuisjes en geen organische isolatielagen die verouderen. Het meetprincipe is daardoor inherent stabiel, het siliciumsubstraat verandert niet onder thermische cycli.
Vögtlin heeft dit aangetoond met een analyse van “as found”-certificaten: meters die na jarenlang gebruik terugkwamen voor kalibratie. Slecht een klein gedeelte lag buiten de specificaties en de meeste daarvan waren aantoonbaar vervuild door het gemeten gas, niet door sensor drift. Zolang de sensor niet vervuild kun je jaren lange stabiliteit verwachten.
De MEMS-sensor levert betrouwbare metingen over een turndown-ratio van 1:100, dat wil zeggen van 1% tot 100% van het ingestelde bereik met de opgegeven nauwkeurigheid. Dit is uitzonderlijk groot voor een thermische flowmeter en voorkomt dat je meerdere instrumenten nodig hebt voor processen met sterk wisselende flows. Op aanvraag is een nog groter turndown-bereik mogelijk.
Dankzij de minimale thermische massa van de MEMS-chip reageert de sensor extreem snel op veranderingen in de gasstroom. De red-y smart meter (GSM) haalt een responstijd van ±80 ms; de controller (GSC) ±500 ms inclusief ventielregeling. De opwarmtijd voor volledige nauwkeurigheid bedraagt minder dan één seconde na inschakelen.
Dit maakt de MEMS-meter bij uitstek geschikt voor toepassingen met snelle setpointwisselingen, pulserende flows of processen waarbij de reactietijd van het meetsysteem direct het procesresultaat beïnvloedt, zoals bioreactoren, gaschromatografie en brandstofcel-toepassingen.
De MEMS-sensor bevindt zich in een relatief ruim flowpad. Dit zorgt voor een lage drukval over het instrument, typisch 2,5 mbar bij lage flow, wat het systeem geschikt maakt voor drukgevoelige toepassingen. Bovendien kunnen kleine deeltjes of verontreinigingen in het gas de sensor passeren zonder het instrument direct te verstoppen, wat de beschikbaarheid van het systeem verhoogt.
Ideaal voor OEM-integratie en modulaire opstellingen
Een MEMS-chip verbruikt slechts milliwatts aan vermogen en is door zijn kleine formaat eenvoudig in te bouwen in compacte apparatuur. De red-y compact werkt zelfs op een standaard AA-batterij. De modulaire opbouw maakt het bovendien mogelijk meerdere units naast elkaar op één gasverdeelblok te monteren, handig voor gasmengpanelen waarbij meerdere gassen parallel worden gedoseerd.
De MEMS-sensor is niet bedoeld voor corrosieve of agressieve gassen die het sensoroppervlak kunnen aantasten. Gebruik de meter niet onder 200 mbar absoluut in het sensorgedeelte, onder deze grens treedt moleculaire stroming op (hoge Knudsen-getallen) die het thermische meetprincipe verstoort. Vacuum ná het ventiel van een MFC is overigens geen probleem. Vocht in het gas kan de sensor beschadigen, zie ons artikel over massaflow meten bij nat waterstof.
