Design Issues for Low Power Integrated Thermal Flow Sensors with Ultra-Wide Dynamic Range and Low Insertion Loss

Bruschi, P.; Piotto, M.

doi:10.3390/mi3020295

Cited by 23 publications

(18 citation statements)

References 33 publications

Supporting

Mentioning

Contrasting

Order By: Relevance

“…In some applications, the interconnection tracks were made of semiconducting materials such as polysilicon. Recently, Brushi et al reported that the static thermopile voltage

is strongly affected by thermopile-heater spacing for various heater interconnection materials [ 22 ]. Polysilicon has been widely used as heater and temperature sensing material for the detection of hazardous gases in automotive exhaust control.…”

Section: State Of the Art Materials And Properties For Harsh Envirmentioning

confidence: 99%

“…Thermal flow sensors more often find applications in harsh environments than non-thermal flow sensors because of their fast response and the lack of moving parts. The advances in Micro-Electro-Mechanical Systems (MEMS) technology allows for the fabrication of miniaturized thermal flow sensors with extraordinary performance in terms of sensitivity, response time, cost-effectiveness and power consumption [ 22 ]. Among the various semiconductor sensors, silicon-based sensors play a significant role in many applications and numerous silicon flow sensors have been developed [ 23 ].…”

Section: Introductionmentioning

confidence: 99%

See 1 more Smart Citation

Thermal Flow Sensors for Harsh Environments

Balakrishnan

Phan

Dinh

et al. 2017

Sensors

View full text Add to dashboard Cite

Flow sensing in hostile environments is of increasing interest for applications in the automotive, aerospace, and chemical and resource industries. There are thermal and non-thermal approaches for high-temperature flow measurement. Compared to their non-thermal counterparts, thermal flow sensors have recently attracted a great deal of interest due to the ease of fabrication, lack of moving parts and higher sensitivity. In recent years, various thermal flow sensors have been developed to operate at temperatures above 500 °C. Microelectronic technologies such as silicon-on-insulator (SOI), and complementary metal-oxide semiconductor (CMOS) have been used to make thermal flow sensors. Thermal sensors with various heating and sensing materials such as metals, semiconductors, polymers and ceramics can be selected according to the targeted working temperature. The performance of these thermal flow sensors is evaluated based on parameters such as thermal response time, flow sensitivity. The data from thermal flow sensors reviewed in this paper indicate that the sensing principle is suitable for the operation under harsh environments. Finally, the paper discusses the packaging of the sensor, which is the most important aspect of any high-temperature sensing application. Other than the conventional wire-bonding, various novel packaging techniques have been developed for high-temperature application.

show abstract

“…In some applications, the interconnection tracks were made of semiconducting materials such as polysilicon. Recently, Brushi et al reported that the static thermopile voltage

Section: State Of the Art Materials And Properties For Harsh Envirmentioning

confidence: 99%

Section: Introductionmentioning

confidence: 99%

Thermal Flow Sensors for Harsh Environments

Balakrishnan

Phan

Dinh

et al. 2017

Sensors

View full text Add to dashboard Cite

show abstract

“…is strongly affected by thermopile-heater spacing for various heater interconnection materials. [20]. Polysilicon has been widely used as heater and temperature sensing material for the detection of hazardous gases in automotive exhaust control.…”

Section: Metals and Alloysmentioning

confidence: 99%

“…Thermal flow sensors more often find applications in harsh environments than non-thermal flow sensors because of the fast response and the lack of moving parts. The advances in Micro-Electro-Mechanical Systems (MEMS) technology allows for the fabrication of miniaturized thermal flow sensors with extraordinary performance in terms of sensitivity, response time, cost-effectiveness and power consumption [20]. Among the various semiconductor sensors, silicon-based sensors play a significant role in many applications and numerous silicon flow sensors have been developed [21].…”

Section: Introductionmentioning

confidence: 99%

Thermal Flow Sensors for Harsh Environments

Balakrishnan

Phan

Dinh

et al. 2017

Preprint

View full text Add to dashboard Cite

Flow sensing in hostile environment is of increasing interest for applications in automotive, aerospace, and chemical and resource industries. Compared to their counterparts, thermal flow sensors are attractive candidates due to the ease of fabrication, lack of moving parts and higher sensitivity. Recently, a number of thermal flow sensor prototypes have been reported in the literature demonstrating the measurement of fluid flows under hostile conditions. This paper summarizes the concept of thermal flow sensing, operational modes and transduction mechanisms. Then, the choice of materials and their corresponding properties are presented in details. The paper also reports recent progress in the development of thermal flow sensors for harsh environment. In addition, the issues and considerations in packaging are reviewed. Finally, we conclude the review with the future prospects.

show abstract

“…Over the last two decades different designs and configurations have been proposed by the researches in this field. Bruschi et al [14] published a study on the issues of the integrated calorimetric micro-sensors illustrating their advantages as well as their limitations and their problems.…”

Section: Calorimetricmentioning

confidence: 99%

Gas independent thermal flow measurement

Μπαδαρλής¹

View full text Add to dashboard Cite

Το θέμα της παρούσας διατριβής είναι σχετικό με τα θερμικά ροόμετρα και την διόρθωση τους που απαιτείται όταν μετράνε σε διεργασίες διαφορετικές από αυτές που έχουν βαθμονομηθεί. Το κίνητρο αυτής της διατριβής δεν ήταν μόνο να καταστήσει ένα θερμικό ροόμετρο ανεξάρτητο των θερμο-φυσικων ιδιοτήτων του αερίου, αλλά να βελτιώσει την λειτουργικότητά του. Η παρούσα διατριβή προσπάθησε να αντιμετωπίσει το πρόβλημα της εξάρτησης από τις ιδιότητες του αερίου συνδυάζοντας τα θερμικά ροόμετρα με επιπρόσθετους αισθητήρες θερμο-φυσικών ιδιοτήτων, των οποίων η πληροφορία χρησιμοποιήθηκε για να την αντιστάθμιση της ροή μάζας, ενώ ταυτόχρονα θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί την καλύτερη παρακολούθηση μιας διεργασίας. Το κύριο θέμα της παρούσας μελέτης ήταν η ανάπτυξη αισθητήρων που μπορούν να συνδυαστούν και να αντισταθμίσουν τα θερμικά ροόμετρα. Για το λόγο αυτό, επελέγησαν δύο μικρο-αισθητήρες, μία μικρο-δοκό που χρησιμοποίθηκε ως αισθητήρας της πυκνότητας του αερίου και του δυναμικού του ιξώδους, ενώ για τη μέτρηση της θερμικής αγωγιμότητας και της ογκομετρικής θερμο-χωρητικότητας χρησιμοποιήθηκε ένας θερμικος αισθητήρας. Αυτοί οι αισθητήρες μοντελοποιήθηκαν και η απόδοσή τους αξιολογήθηκε στη μέτρηση αυτών των τεσσάρων θερμο-φυσικών ιδιοτήτων. Για τον μικρο-δοκό, η αλληλεπίδραση του αερίου με την μικρο-δοκο επηρεάζει την απόκριση της, χρησιμοποιώντας το κατάλληλο μοντέλο που περιγράφει αυτή την αλληλεπίδραση, η πυκνότητα και το ιξώδες του περιβάλλοντος αερίου μπορεί να εκτιμηθεί. Ο αισθητήρας αυτός παρουσίασε πολύ υψηλή ευαισθησία σε σχέση με την μεταβολή πυκνότητας 220Hz/(kg /m^3). Έξι αέρια και δεκαέξι μίγματα αυτών σε συνθήκες περιβάλλοντος ερευνήθηκαν. Η έρευνα έδειξε ότι η ακρίβεια στην μέτρηση της πυκνότητας και του ιξώδους του αερίου σε συνθήκες περιβάλλοντος μπορεί να φτάσει το 1,5% και 2,0% αντίστοιχα. Ο θερμικός αισθητήρας χρησιμοποιήθηκε για την μέτρηση της θερμική αγωγιμότητα και της ογκομετρική θερμο-χωρητικότητα. Περιλαμβάνει τρία παράλληλα πολύ λεπτά σύρματα, το ένα λειτουργεί ως θερμαντικό στοιχείο και τα άλλα δύο σαν αισθητήρες θερμοκρασίας. Οι δύο αισθητήρες θερμοκρασίας έχουν διαφορετικές αποστάσεις από το θερμαντικό στοιχείο. Ο αισθητήρας λειτουργεί σύμφωνα με την τεχνική ταλάντωσης θερμοκρασίας (TOT), όπου ένα κύμα θερμότητας παράγεται στο θερμικό στοιχείο εφαρμόζοντας μια περιοδική διέγερση, ενώ μετριέται η απόκριση θερμοκρασίας στους αισθητήρες θερμοκρασίας. Οι ιδιότητες του αερίου διαφοροποιούν τα χαρακτηριστικά του θερμικού κύματος και τη μετρούμενη απόκριση στους αισθητήρες θερμοκρασίας. Χρησιμοποιώντας ένα κατάλληλο μοντέλο που περιγράφει με ακρίβεια την απόκριση του αισθητήρα στο αέριο, οι δύο θερμικές ιδιότητες μπορούν να υπολογιστούν. Η προτεινόμενη προσέγγιση μοντελοποίησης του αισθητήρα βασίζεται στη μεθοδολογία του μοντέλου μειωμένης τάξης, σε αντίθεση με την παραδοσιακή προσέγγιση αναλυτικής μοντελοποίησης, η οποία είναι η συνήθης για αυτό το είδος αισθητήρων. Για το λόγο αυτό εφαρμόστηκε ένα παραμετρικό μοντέλο μειωμένης τάξης (para-MOR). Αυτό οδήγησε στη μείωση ενός προβλήματος πεπερασμένων στοιχείων με 150000 βαθμούς ελευθερίας σε ένα πρόβλημα με 35 βαθμούς ελευθερίας. Ο αισθητήρας πέτυχε ακρίβεια 6.5% στην θερμική αγωγιμότητα και 3,2% στην ογκομετρική θερμο-χωρητικότητα. Τελικά, η ανάλυση σφάλματος στη μέτρηση ροής μάζας των θερμικών ροόμετρων διερευνήθηκε επίσης και για τις δύο αρχές. Η ανάλυση σφάλματος χρησιμοποιήθηκε για τον υπολογισμό του σφάλματος της ροής μάζας με βάση τα μερικά σφάλματα των θερμο-φυσικών ιδιοτήτων του αερίου. Το σφάλμα ροής μάζας της καλοριμετρική αρχή ήταν της τάξεως των 3,4% .

show abstract

Design Issues for Low Power Integrated Thermal Flow Sensors with Ultra-Wide Dynamic Range and Low Insertion Loss

Cited by 23 publications

References 33 publications

Thermal Flow Sensors for Harsh Environments

Thermal Flow Sensors for Harsh Environments

Thermal Flow Sensors for Harsh Environments

Gas independent thermal flow measurement

Contact Info

Product

Resources

About