ModFlex

Strömungssensoren werden in der heutigen Zeit in vielen mikrotechnologischen, klimatechnischen oder verfahrenstechnischen Prozessen eingesetzt, um kleinste Strömungsgeschwindigkeiten und/oder Volumenflussraten zu messen. Viele der am Markt befindlichen Strömungsmesssysteme bestehen aus starren MEMS-Sensoren, Flügel- oder Hitzdraht-Anemometern, die entweder direkt in die Strömung eingebracht werden und dadurch invasiv stören oder für die eine Kavität bzw. ein Bypass geschaffen werden muss.

Das Ziel dieses Forschungsvorhabens ist die Entwicklung eines Strömungsmesssystems, das sich ohne Bearbeitung des zugrundeliegenden Materials flexibel und oberflächenbündig z.B. von außen an gekrümmte Oberflächen oder von innen in Rohrleitungen anbringen lässt (Oberflächenintegration, Bild1). Dabei wird aus Anwendungs- und Sicherheitsgründen ein besonderes Augenmerk auf die nicht- bzw. gering-invasiven Eigenschaften des Messsystems gelegt. Dies beinhaltet zum einen eine telemetrische Energie- und Datenübertragung, die es ermöglicht ohne Kabeldurchführungen in schwer zugänglichen Bereichen, wie z.B. in Druckschläuchen, die Strömungsgeschwindigkeiten zu messen. Zum anderen wird versucht durch einen ultradünnen Aufbau des Messsystems (ca. 100µm), den invasiven Eingriff bzw. die Störung auf die fließende Strömung so gering wie möglich zu halten.

Forschungsziele:

• Entwicklung eines dünnen, mechanisch flexiblen, thermoelektrischen Strömungssensors für das Messsystem mittels mikrosystemtechnischer Prozessierung

• Entwicklung einer dünnen flexiblen Elektronik durch das Forschungsinstitut IMS CHIPS

• Entwicklung des flexiblen, nicht-invasiven Messsystems mit telemetrischer Energie- und Datenübertragung

Fortschritte:

Ein Prototyp des telemetrischen Spulensystems wurde erstellt, wobei beide Spulen als Planar-Spulen ausgelegt wurden. Die Anregungsspule wurde in der ersten Version aus einer starren Leiterplatte gefertigt (Bild2), kann in einem zweiten Schritt ebenfalls flexibel ausgelegt werden. Das Messsystem auf der Empfangsseite stellt einen passiven Tag dar und besteht aus einem flexiblen Polyimidsubstrat, welches die Empfangsspule sowie Aufnahmepads für den Strömungssensor und die flexible Elektronik enthält (Bild3). Das Messsystem wurde möglichst klein als elektronische Briefmarke ausgelegt und besitzt die lateralen Maße von ca. 20x20mm². Die Größe stellt auch gleichzeitig die größte Schwierigkeit bzgl. der elektrischen Eigenschaften, wie Frequenzabstimmung, Energieübertragung und Güte dar.

Für die Strömungsmessung wird ein flexibler Strömungssensor verwendet (Bild4), dessen thermoelektrisches Messprinzip auf einem zentralen Temperaturfeld beruht, welches abhängig von der Strömungsgeschwindigkeit verschoben wird und mittels symmetrisch angeordneten Thermosäulen als Spannungswerte ausgelesen wird. Die Maße der verwendeten Sensoren betragen 4,2mm x 2,5mm mit einer Höhe von ungefähr 16-18µm.

Die flexible Elektronik (Bild3, Bild5) für das Strömungsmesssystem wird von dem Partner-Forschungsinstitut IMS CHIPS hergestellt und basiert auf einem rückgedünnten ASIC aus Silizium. Neben dem RFID-Modus mit einer Übertragungsfrequenz von 13,56MHz gibt es noch die Möglichkeit das Messsystem über eine kabelgebundene SPI-Schnittstelle zu betreiben. Diese Schnittstelle kann für Testzwecke genutzt werden. Mit einem flexiblen flachen Kabel (Bild6) können verschiedene Messreihen bzw. Einzelmessungen der Sensorwerte durchgeführt sowie ASIC interne Betriebsparameter ausgelesen werden.

Zum jetzigen Zeitpunkt wurden einzelnen Komponenten des Messsystems hergestellt und getestet. Eine vollständige Montage des flexiblen Strömungsmesssystems mit allen Komponenten und anschließender Testphase wurde noch nicht durchgeführt.

Die Herstellung der flexiblen Strömungssensoren und der ersten Versionen der flexiblen SPI-Kabel wurde in Kooperation mit den Mitarbeitern des IMSAS im Reinraum der Universität Bremen durchgeführt.