xxiii πανελληνιο ÏƒÏ Î½ÎµÎ´ÏÎ¹Î¿ Ï†Ï ÏƒÎ¹ÎºÎ·Ï‚ στερεας καταστασης & επιστημης ...

Θερμικοί Αισθητήρες Ροής Ολοκληρωμένοι σε Οργανικά Υποστρώματα
Α. Πετρόπουλος 1 , Γ. Καλτσάς 1, 2 , Α. Γ. Νασιοπούλου 1
1 Ινστιτούτο Μικροηλεκτρονικής, Ε.Κ.Ε.Φ.Ε. «Δημόκριτος» , 15310 Αγία Παρασκευή, Αθήνα
2
ΤΕΙ Αθήνας, Τμήμα Ηλεκτρονικής, Αγ. Σπυρίδωνος, 12210 Αιγάλεω, Αθήνα
tpetro@imel.demokritos.gr
1. Εισαγωγή
Διάφοροι τύποι θερμικών αισθητήρων μέτρησης της ροής έχουν αναφερθεί στη βιβλιογραφία, οι οποίοι στις περισσότερες
περιπτώσεις κατασκευάζονται με τυπικές τεχνικές της μικρομηχανικής τεχνολογίας [1,2]. Στην παρούσα εργασία
παρουσιάζονται αισθητήρες μέτρησης ροής υγρών και αερίων οι οποίοι αναπτύχθηκαν με βάση μια νέα τεχνολογία
κατασκευής θερμικών αισθητήρων σε οργανικά υποστρώματα [3]. Τα αισθητήρια στοιχεία αποτελούνται από λεπτά υμένια
πλατίνας, ευαίσθητα στις θερμοκρασιακές μεταβολές, τα οποία συνδέονται ηλεκτρικά με τις διαδρομές του χαλκού που
ενυπάρχουν πάνω σε μία πλακέτα τυπωμένου κυκλώματος. Η αναγκαία ομαλοποίηση της επιφάνειας του οργανικού
υποστρώματος FR4 επιτυγχάνεται μέσω ενός στρώματος αρνητικού τόνου φωτο-ευαισθητοποιητή SU-8, πάχους ~15 μm. Με
τη συγκεκριμένη προσέγγιση αντιμετωπίζονται ορισμένα δεδομένα προβλήματα της μικρομηχανικής τεχνολογίας πυριτίου,
όπως η επικοινωνία των συσκευών με τον μακρόκοσμο (εξαλείφεται η ανάγκη για wire bonding), η κοπή και συγκόλληση
του δισκιδίου (die cutting and die bonding), η οποία δεν είναι πια αναγκαία, ενώ μειώνεται σε μεγάλο βαθμό η διάχυση
θερμότητας προς το υπόστρωμα λόγω της απουσίας καλών αγωγών θερμότητας από το κυρίως σώμα του αισθητήρα
(παντελής απουσία πυριτίου), προσφέροντας έτσι υψηλό βαθμό ευαισθησίας στις διατάξεις.
2. Μετρητική διάταξη
Προκειμένου να προσδιοριστεί η ταχύτητα ροής ενός ρευστού καταγράφεται η μεταβολή του πεδίου θερμότητας που
αναπτύσσεται στην περιοχή μιας θερμαινόμενης αντίστασης λόγω της διαγωγικής μεταφοράς θερμότητας. Μετρήσιμες
ποσότητες που καταδεικνύουν το μέγεθος της μεταφοράς θερμότητας ως συνάρτηση της ροής είναι είτε η μεταβολή στην
τιμή της ισχύος που καταναλώνεται στο θερμαντήρα (ΔP) έτσι ώστε να διατηρείται σταθερή η τιμή της αντίστασής του, είτε
η διαφορά στην τιμή των αντιστάσεων εκατέρωθεν του θερμαντήρα (ΔR), καθώς αυτός διατηρείται σε σταθερή τιμή
θερμοκρασίας. Οι μετρήσεις της ροής του αερίου πραγματοποιήθηκαν στην πειραματική διάταξη που απεικονίζεται στην
Εικ. 1. Υψηλής καθαρότητας αέριο άζωτο χρησιμοποιήθηκε σε όλες τις μετρήσεις. Η ροή αναφοράς καθορίζεται μέσω του
κατάλληλου ελεγκτή ροής (Mass Flow Controller). Ο σωλήνας που χρησιμοποιήθηκε έχει μήκος ενός μέτρου και
τετραγωνική διατομή 5x5 mm 2 . Η απόσταση του τοποθετημένου αισθητήρα από την αρχή του σωλήνα είναι μεγαλύτερη από
το υδροδυναμικό μήκος εισόδου για την μέγιστη εφαρμοζόμενη ροή αναφοράς. Οι τιμές των αντιστάσεων εκατέρωθεν του
θερμαντήρα μετρώνται μέσω δύο πολυμέτρων, ενώ η ισχύς στο θερμαντήρα παρέχεται από μία ψηφιακή πηγή ρεύματος.
Όλα τα εμπλεκόμενα μεγέθη (ΔR, ΔP, τιμή ρεύματος, τάση θερμαντήρα) καταγράφονται σε πραγματικό χρόνο με τη χρήση
μιας κατάλληλα ανεπτυγμένης εφαρμογής στο πρόγραμμα LabVIEW. Επιπλέον η συγκεκριμένη εφαρμογή περιέχει ειδικά
σχεδιασμένο αλγόριθμο ώστε μεταβάλλοντας την τιμή της έντασης του ρεύματος να διατηρεί τη τιμή της αντίστασης του
θερμαντήρα (άρα και τη θερμοκρασία), σταθερή παρά τις αυξομειώσεις της ροής.
Εικ. 1 Σχηματική αναπαράσταση της μετρητικής διάταξης που χρησιμοποιήθηκε κατά τον χαρακτηρισμό του αισθητήρα ροής
αερίων. Στο ένθετο παρουσιάζεται ο αισθητήρας, όπου διακρίνονται οι διαδρομές του χαλκού, το στρώμα ομαλοποίησης της
επιφάνειας του οργανικού υποστρώματος FR4, (αρνητικού τόνου φωτο-ευαισθητοποιητής SU-8) και τα αισθητήρια στοιχεία
(διαδρομές πλατίνας).
82