Ons werk

Microfluidic Mass Flow Controller

Fabrikanten van analyse-apparatuur zijn voortdurend op zoek naar miniaturizering van instrumenten voor het meten en regelen van kleine gas flows in hun systemen. TNO heeft in samenwerking met Bronkhorst High-Tech de IQ+FLOW massaflowsensor ontwikkeld. Deze massaflowsensor heeft een footprint van ¾ inch en is een zeer nauwkeurige en compacte flowcontroller voor gassen, die gebruikt wordt aan de injector zijde van bijvoorbeeld gaschromatografen.

Het principe van de flowmeter is thermische massaflowmeting. Hierbij wordt de flow lokaal verwarmd en wordt het temperatuurverschil gemeten tussen de upstream en downstream zijde van het flowkanaal. TNO en Bronkhorst High-Tech hebben hiervoor gezamenlijk een chip ontwikkeld die voorzien is van thermozuilen: temperatuursensoren die zeer nauwkeurig een klein temperatuurverschil kunnen meten. Het gebruik van thermozuilen in flowmeters heeft een aantal voordelen:

  • Het is een verschilmeting: als er geen flow is meet je ook geen signaal; dus een intrinsiek stabiel nulpunt.
  • Thermozuilen geven bij een klein temperatuurverschil (ordegrootte milliKelvins!) al een goed meetbaar signaal; er is dus weinig vermogen nodig.
  • De afmetingen van thermozuilen kunnen beperkt worden gehouden; dit geeft de mogelijkheid om een compacte flowsensor te maken.

TNO heeft numerieke simulaties ingezet, in combinatie met experimentele faciliteiten, om de thermo-mechanische en microfluïde aspecten van de flowsensor te ontwerpen.

Chip-ontwerp

Om tegemoet te komen aan de miniaturizering van een flowcontroller heeft TNO, in samenwerking met de opdrachtgever Bronkhorst High-Tech en LioniX, een chip ontwikkeld die het 'hart' vormt van de flowcontroller. Op deze chip zijn thermische sensoren en actuatoren geïntegreerd. De chip wordt ingebouwd in een kanaal met een hoogte van 200 ¼m. De geometrie van het kanaal is zodanig ontworpen dat de chip bruikbaar is in het gewenste flowgebied: 20 tot 2000 mln/min. De materiaalkeuze is zodanig dat alle materialen compatible zijn met de toepassing: analyse d.m.v. GasChromatografie. Een belangrijk item bij het ontwerp van de chip is de responstijd. De toepassing vereist namelijk de mogelijkheid om snel veranderende flows te kunnen meten: binnen tijdschalen van enkele tientallen millisecondes. Dit is bereikt door toepassing van een zeer dun membraan van glas waar de heaters en sensoren op aangebracht zijn.

Samenwerking

De intensieve samenwerking tussen Bronkhorst High-Tech en TNO dateert van 1987. TNO was toen in staat om de flowsensor voor een thermische flowmeting te modelleren en hiermee meer inzicht te verschaffen in de fysische werking van de sensor. Dit gaf de mogelijkheid om de instrumenten van Bronkhorst High-Tech te verbeteren en het ontwerpproces te vereenvoudigen. Begin jaren negentig ontstond één van de eerste vloeistof-flowmeters uit de samenwerking waarin het door TNO ontwikkelde thermozuilband werd toegepast. Bronkhorst High-Tech en TNO sloten vervolgens een raamwerkovereenkomst die het mogelijk maakt slagvaardig en daadkrachtig samen te werken. Inmiddels is TNO betrokken bij langetermijnonderzoeksopdrachten, procesontwikkeling en roadmapping voor Bronkhorst. Daarnaast worden de klanten van Bronkhorst High-Tech steeds meer bij het onderzoek betrokken. TNO onderhoudt daarom nu ook directe contacten met klanten van Bronkhorst High-Tech in de halfgeleidertechnologie, de life sciences en met fabrikanten van analytische apparatuur.

Contact

Ing. Huib Blokland

  • Instrumentatie Olie&Gas Energie Gasnetwerken
E-mail

Wij gebruiken anonieme cookies om het gebruik van onze site te verbeteren.